DE102010028681A1 - Solar thermal forced circulation steam generator with internally ribbed pipes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Dampferzeuger (5), umfassend einen Behälter (15) mit einem Einlass (13) und einem Auslass (14) zum Durchführen eines Wärmeträgermediums, weiter umfassend im Behälter (15) angeordnete Wärmetauscherrohre (18), durch die ein Arbeitsmedium führbar ist und die so ausgebildet sind, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist, wobei die Wärmetauscherrohre (18) zumindest teilweise auf ihrer Innenseite Rippen (21) aufweisen.The invention relates to a solar thermal steam generator (5), comprising a container (15) with an inlet (13) and an outlet (14) for passing through a heat transfer medium, further comprising heat exchanger pipes (18) arranged in the container (15) through which a working medium and which are designed so that heat can be transferred from the heat transfer medium to the working medium, the heat exchanger tubes (18) having ribs (21) at least partially on their inside.

Description

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Dampferzeuger sowie eine solarthermische Kraftwerksanlage.The invention relates to a solar thermal steam generator and a solar thermal power plant.

Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt.Solar thermal power plants represent an alternative to conventional electricity generation. At present, solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation are carried out.

In einer Ausführungsform dieses solarthermischen Kraftwerks wird das Wärmeträgermedium in den Parabolrinnenkollektoren aufgeheizt. Das heiße Wärmeträgermedium gibt seine Energie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Dampferzeuger) an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.In one embodiment of this solar thermal power plant, the heat transfer medium is heated in the parabolic trough collectors. The hot heat transfer medium releases its energy in a downstream heat exchanger (steam generator) to the feed water coming from the condenser. The generated steam is fed to a steam turbine.

Derartige Dampferzeuger können als Zwangdurchlaufdampferzeuger mit vertikalem oder horizontalem Kanal für das Wärmeträgermedium ausgeführt werden.Such steam generators can be designed as forced once-through steam generators with a vertical or horizontal channel for the heat transfer medium.

Grundsätzlich ist bei Dampferzeugern dieser Art die Möglichkeit der Entmischung der Zweiphasenströmung in den Verdampferrohren gegeben. Insbesondere bei niedrigen Teillasten kann dies zu Schichten-, Wellen- oder Pfropfenströmung führen.Basically, in steam generators of this type there is the possibility of segregation of the two-phase flow in the evaporator tubes. Especially at low part loads, this can lead to layer, wave or plug flow.

Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten solarthermischen Dampferzeuger bzw. die entsprechende solarthermische Kraftwerksanlage weiterzuentwickeln, so dass die Entmischung der Zweiphasenströmung in den Verdampferrohren vermieden wird.The object of the invention is to further develop said solar thermal steam generator or the corresponding solar thermal power plant, so that the segregation of the two-phase flow is avoided in the evaporator tubes.

Erfindungsgemäß wird die auf den solarthermischen Dampferzeuger gerichtete Aufgabe gelöst durch einen solarthermischen Dampferzeuger, umfassend einen Behälter mit einem Einlass und einem Auslass zum Durchführen eines Wärmeträgermediums, weiter umfassend im Behälter angeordnete Wärmetauscherrohre, durch die ein Arbeitsmedium führbar ist und die so ausgebildet sind, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist, wobei die Wärmetauscherrohre zumindest teilweise auf ihrer Innenseite Rippen aufweisen.According to the invention, the object directed to the solar thermal steam generator is achieved by a solar thermal steam generator, comprising a container having an inlet and an outlet for passing a heat transfer medium, further comprising heat exchanger tubes arranged in the container, through which a working medium can be guided and which are designed such that heat from the heat transfer medium to the working medium is transferable, wherein the heat exchanger tubes have at least partially on their inside ribs.

Durch den Einsatz von innenberippten Rohren erhöht sich die Betriebssicherheit des Dampferzeugers.The use of internally ribbed pipes increases the operational safety of the steam generator.

Vorteilhafter Weise bilden die Rippen ein Gewinde. Diese Ausführungsform der Innenberippung der Rohre prägt einer Zweiphasenströmung einen Drall auf. Aufgrund der daraus resultierenden Fliehkräfte wird die Phase mit der höheren Dichte (Wasser) an die Rohrwand gedrückt, während sich der Dampf vorzugsweise im Strömungskern befindet.Advantageously, the ribs form a thread. This embodiment of the internal ribbing of the tubes imposes a twist on a two-phase flow. Due to the resulting centrifugal forces, the higher density phase (water) is forced against the tube wall, while the vapor is preferentially located in the flow core.

Auf diese Weise kann die oben beschriebene Entmischung bis hin zu sehr niedrigen Teillasten (Massenstromdichten) sicher vermieden werden.In this way, the demixing described above can be safely avoided up to very low partial loads (mass flow densities).

Zweckmäßiger Weise sind die Wärmetauscherrohre zwischen einem Eintrittsammler und einem Austrittssammler angeordnet.Conveniently, the heat exchanger tubes are arranged between an inlet header and an outlet header.

Vorzugsweise sind die Rippen insbesondere in einem Bereich einer einsetzenden Verdampfung angeordnet, da sich das Problem der Entmischung vor allem hier stellt.Preferably, the ribs are arranged in particular in a region of incipient evaporation, since the problem of segregation is above all here.

Vorteilhafter Weise sind die Wärmetauscherrohre in einem Strömungskanal für das Wärmeträgermedium angeordnet. Anderenfalls würde das Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes hauptsächlich entlang der Innenwand des Behälters und nicht durch die Wärmetauscherrohrzwischenräume strömen.Advantageously, the heat exchanger tubes are arranged in a flow channel for the heat transfer medium. Otherwise, due to the lower flow resistance, the heat transfer medium would flow mainly along the inner wall of the container and not through the heat exchanger tube spaces.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl. Der große Vorteil von Thermoöl gegenüber beispielsweise Wasser ist der wesentlich höhere Siedepunkt. So kann eine Temperatur von über 300°C erreicht werden, ohne dass Probleme mit Dampfzuständen und erhöhten Drucken eine Rolle spielen.In an advantageous embodiment, the heat transfer medium is a thermal oil. The great advantage of thermal oil over, for example, water is the much higher boiling point. Thus, a temperature of over 300 ° C can be achieved without problems with steam conditions and increased pressures play a role.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze. Mit flüssigen Salzen lässt sich bei Temperaturen deutlich über 100°C Wärme transportieren, ohne dass dabei das Röhrensystem unter Druck steht, wie dies bei Wasserdampf der Fall wäre.In a further advantageous embodiment, the heat transfer medium is a molten salt. With liquid salts heat can be transported at temperatures significantly above 100 ° C, without the tube system being under pressure, as would be the case with steam.

Vorteilhafter Weise wird der solarthermische Dampferzeuger als Zwangsdurchlaufdampferzeuger verwendet bzw. ausgeführt. Im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger unterliegen Durchlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrucke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks.Advantageously, the solar thermal steam generator is used or executed as a once-through steam generator. In contrast to a natural or forced circulation steam generator, continuous steam generators are not subject to any pressure limitation, so that live steam pressures well above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.

Vorteilhafter Weise umfasst eine solarthermische Kraftwerksanlage einen erfinderischen solarthermischen Dampferzeuger.Advantageously, a solar thermal power plant comprises an inventive solar thermal steam generator.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die solarthermische Kraftwerksanlage Parabolrinnen umfasst. Die Parabolrinnentechnik ist die zurzeit kostengünstigste Variante für Sonnenkollektorflächen.It is also advantageous if the solar thermal power plant comprises parabolic troughs. Parabolic trough technology is currently the most cost-effective variant for solar collector surfaces.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. Shown schematically and not to scale:

1 eine solarthermische Kraftwerksanlage, 1 a solar thermal power plant,

2 einen solarthermischen Dampferzeuger und 2 a solar thermal steam generator and

3 ein Wärmetauscherrohr mit Innenberippung. 3 a heat exchanger tube with internal ribbing.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau einer solarthermischen Kraftwerksanlage 1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerksanlage 1 umfasst ein Solarfeld 2, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Solarfeld 2 kann beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser einen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Temperaturen von 300–400°C erreicht werden können. Über die Rohrleitung 3 wird das Wärmeträgermedium mittels einer Thermoölpumpe 4 zum solarthermischen Dampferzeuger 5 transportiert, in dem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, erwärmt, verdampft und der erzeugte Dampf überhitzt wird, wobei sich das Wärmeträgermedium wieder abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird zurück in das Solarfeld 2 gepumpt, so dass sich ein geschlossener Wärmeträgermedium-Kreislauf 6 ergibt.The 1 shows schematically and by way of example the construction of a solar thermal power plant 1 According to the state of the art. The solar thermal power plant 1 includes a solar field 2 in which the solar radiation is concentrated and converted into heat energy. The solar field 2 For example, it may have parabolic trough collectors or Fresnel collectors. Concentrated solar radiation is delivered to a heat transfer medium, such as thermal oil, which has a much higher boiling point than water, so that temperatures of 300-400 ° C can be achieved. About the pipeline 3 is the heat transfer medium by means of a thermal oil pump 4 to the solar thermal steam generator 5 transported, in which a working medium, such as water, heated, evaporated and the steam generated is superheated, wherein the heat transfer medium cools again. The cooled heat transfer medium is returned to the solar field 2 pumped so that a closed heat transfer medium circulation 6 results.

Der überhitzte Dampf wird im sogenannten konventionellen Teil des solarthermischen Kraftwerks 1 über eine Frischdampfleitung 7 in eine Dampfturbine 8 als Arbeitsmedium eingeleitet. Die Dampfturbine 8 treibt einen Generator 9 an. In der Dampfturbine 8 wird das Arbeitsmedium entspannt und anschließend in einem Kondensator 10 verflüssigt. Eine Speisewasserpumpe 11 pumpt das verflüssigte Arbeitsmedium wieder zurück zum solarthermischen Dampferzeuger 5 womit der Kreislauf 12 des Arbeitsmediums geschlossen ist.The superheated steam is in the so-called conventional part of the solar thermal power plant 1 via a main steam line 7 in a steam turbine 8th introduced as a working medium. The steam turbine 8th drives a generator 9 at. In the steam turbine 8th the working fluid is released and then in a condenser 10 liquefied. A feedwater pump 11 pumps the liquefied working medium back to the solar thermal steam generator 5 with which the cycle 12 of the working medium is closed.

2 zeigt einen solarthermischen Dampferzeuger 5 mit einem Einlass 13 für das heiße Wärmeträgermedium am oberen Ende eines druckdichten Behälters 15 und einem Auslass 14 für das abgekühlte Wärmeträgermedium am unteren Ende des Behälters 15. 2 shows a solar thermal steam generator 5 with an inlet 13 for the hot heat transfer medium at the upper end of a pressure-tight container 15 and an outlet 14 for the cooled heat transfer medium at the bottom of the container 15 ,

Speisewasser 16 wird dem solarthermischen Dampferzeuger 5 an seinem unteren Ende zugeführt und über einen Eintrittssammler 17 auf Wärmetauscherrohre 18 verteilt, die im Behälter 15 angeordnet sind. Die Wärmetauscherrohre 18 sind so ausgebildet, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist. Damit das heiße Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes nicht an der Gesamtheit der Wärmetauscherrohre 18 vorbei und hauptsächlich entlang der Innenwand des Behälters 15 sondern durch die Wärmetauscherrohrzwischenräume strömt, wird das Wärmeträgermedium in einem Strömungskanal 25 durch den Behälter 15 des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 5 geführt. Der Strömungskanal 25 erweitert sich an seinem oberen Ende vom Einlass 13 her und ist unten offen. Der Behälter 15 ist im Betrieb innerhalb und außerhalb des Strömungskanals 25 mit dem Wärmetauschermedium gefüllt.feedwater 16 becomes the solar thermal steam generator 5 fed at its lower end and via an inlet collector 17 on heat exchanger tubes 18 distributed in the container 15 are arranged. The heat exchanger tubes 18 are designed so that heat from the heat transfer medium can be transferred to the working medium. So that the hot heat transfer medium due to the lower flow resistance not on the entirety of the heat exchanger tubes 18 over and mainly along the inner wall of the container 15 but flows through the heat exchanger tube interspaces, the heat transfer medium is in a flow channel 25 through the container 15 of the solar thermal heat recovery steam generator 5 guided. The flow channel 25 widens at its upper end from the inlet 13 and is open at the bottom. The container 15 is in operation inside and outside the flow channel 25 filled with the heat exchange medium.

Beim Durchlaufen der Wärmetauscherrohre 18 wird das Speisewasser erwärmt, verdampft und überhitzt, so dass am Ende der Wärmetauscherrohre 18 überhitzter Dampf 20 in einem Austrittssammler 19 gesammelt und der Dampfturbine 8 zugeführt werden kann.When passing through the heat exchanger tubes 18 the feed water is heated, vaporized and superheated, leaving at the end of the heat exchanger tubes 18 overheated steam 20 in an exit collector 19 collected and the steam turbine 8th can be supplied.

3 zeigt ein Wärmetauscherrohr 18 mit Innenberippung 21 im Schnitt während des Betriebs im Bereich der einsetzenden Verdampfung. Wasser strömt von rechts durch das Wärmetauscherrohr 18 und verdampft, wobei der Dampfanteil in Strömungsrichtung zunimmt. Die Innenberippung 21 des Dampferzeugerrohrs 18 prägt dem Wasser auch im Bereich der Zweiphasenströmung einen Drall 23 auf. Aufgrund der daraus resultierenden Fliehkräfte wird die Phase mit der höheren Dichte, d. h. das Wasser, an die Rohrwand 24 gedrückt, während sich der Dampf hauptsächlich im Strömungskern 22 befindet. 3 shows a heat exchanger tube 18 with inside ribbing 21 on average during operation in the area of incipient evaporation. Water flows from the right through the heat exchanger tube 18 and evaporates, wherein the vapor fraction increases in the flow direction. The inner ribbing 21 of the steam generator tube 18 also shapes the water in the area of the two-phase flow 23 on. Due to the resulting centrifugal forces, the phase with the higher density, ie the water, to the pipe wall 24 pressed while the steam is mainly in the flow core 22 located.

Claims (10)

Solarthermischer Dampferzeuger (5), umfassend einen Behälter (15) mit einem Einlass (13) und einem Auslass (14) zum Durchführen eines Wärmeträgermediums, weiter umfassend im Behälter (15) angeordnete Wärmetauscherrohre (18), durch die ein Arbeitsmedium führbar ist und die so ausgebildet sind, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (18) zumindest teilweise auf ihrer Innenseite Rippen (21) aufweisen.Solar thermal steam generator ( 5 ), comprising a container ( 15 ) with an inlet ( 13 ) and an outlet ( 14 ) for carrying out a heat transfer medium, further comprising in the container ( 15 ) arranged heat exchanger tubes ( 18 ), through which a working medium can be guided and which are designed such that heat from the heat transfer medium can be transferred to the working medium, characterized in that the heat exchanger tubes ( 18 ) at least partially on its inside ribs ( 21 ) exhibit. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach Anspruch 1, wobei die Rippen (21) ein Gewinde bilden.Solar thermal steam generator ( 5 ) according to claim 1, wherein the ribs ( 21 ) form a thread. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Wärmetauscherrohre (18) zwischen einem Eintrittsammler (17) und einem Austrittssammler (19) angeordnet sind.Solar thermal steam generator ( 5 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the heat exchanger tubes ( 18 ) between an entry collector ( 17 ) and an exit collector ( 19 ) are arranged. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (21) insbesondere in einem Bereich einer einsetzenden Verdampfung angeordnet sind.Solar thermal steam generator ( 5 ) according to any one of the preceding claims, wherein the Ribs ( 21 ) are arranged in particular in a region of incipient evaporation. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauscherrohre (18) in einem Strömungskanal (25) für das Wärmeträgermedium angeordnet sind.Solar thermal steam generator ( 5 ) according to one of the preceding claims, wherein the heat exchanger tubes ( 18 ) in a flow channel ( 25 ) are arranged for the heat transfer medium. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium ein Thermoöl ist.Solar thermal steam generator ( 5 ) according to one of the preceding claims, wherein the heat transfer medium is a thermal oil. Solarthermischer Dampferzeuger (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze ist.Solar thermal steam generator ( 5 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the heat transfer medium is a molten salt. Verwendung des solarthermischen Dampferzeugers (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Zwangdurchlaufdampferzeuger.Use of the solar thermal steam generator ( 5 ) according to one of the preceding claims as forced once-through steam generator. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) umfassend einen Dampferzeuger (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Solar thermal power plant ( 1 ) comprising a steam generator ( 5 ) according to one of claims 1 to 7. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 9 umfassend Parabolrinnen.Solar thermal power plant ( 1 ) according to claim 9 comprising parabolic troughs.
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