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Die Erfindung betrifft ein Trennelement zur thermischen Trennung zweier chemisch gleicher, unterschiedliche Temperaturen aufweisender Flüssigkeiten, wobei die mittlere Dichte des Trennelements kleiner als die Dichte der kälteren und größer als die Dichte der wärmeren Flüssigkeit ist.
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Solarthermische Kraftwerke nutzen die Energie der Sonne zur Stromerzeugung. Über Spiegel wird die Strahlung der Sonne auf einen Absorber fokussiert und in Wärme umgewandelt, die auf ein in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Thermoöl übertragen wird. Das Thermoöl, das sich im Absorber auf eine Temperatur von ca. 400°C aufheizt, gibt einen Teil seiner Wärmeenergie über einen Wärmetauscher wieder ab, wobei überhitzter Wasserdampf erzeugt wird. Auf eine Temperatur von ca. 300°C abgekühlt, gelangt das Thermoöl schließlich zurück zum Absorber. Der überhitzte Wasserdampf wird in einer mit einem Generator gekoppelten Dampfturbine entspannt, und erzeugt auf diese Weise elektrischen Strom. Um auch zu Zeiten elektrischen Strom erzeugen zu können, in denen die Sonne nicht scheint, umfasst ein solarthermisches Kraftwerke gewöhnlich einen Wärmespeicher, in dem in sonnenreichen Zeiten ein Teil der über den Absorber aufgenommenen Sonnenwärme gespeichert und aus dem in sonnenarmen bzw. sonnenlosen Zeiten Wärme zu Stromproduktion entnommen wird. Nach dem Stand der Technik weist ein solcher Wärmespeicher zwei thermisch gegen die Umgebung isolierte, voneinander getrennte Speicherbehälter auf, zwischen denen eine als Wärmeträger dienende Salzschmelze hin und her gepumpt werden kann. Zur Wärmespeicherung wird einem der Speicherbehälter Salzschmelze mit einer Temperatur von ca. 300°C entnommen, über einen mit dem Absorber gekoppelten Wärmetauscher auf ca. 400°C aufgeheizt und anschließend zur Zwischenspeicherung in den zweiten Speicherbehälter gepumpt. Beispielsweise in der Nacht wird aus dem zweiten Speicherbehälter Salzschmelze abgezogen, über einen mit dem Dampfkreislauf der Dampfturbine gekoppelten Wärmetauscher unter Produktion von Wasserdampf auf ca. 300°C abgekühlt und anschließend in den ersten Speicherbehälter zurückgeführt.
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Nicht zuletzt aufgrund der erforderlichen Größe der beiden Speicherbehälter fallen für einen Wärmespeicher Investitionskosten an, die die Wirtschaftlichkeit eines solarthermischen Kraftwerks erheblich beeinträchtigen.
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Um diesen Nachteil zu überwinden, gibt eine unter der Nummer 102010034294.7 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereichte Patentanmeldung, deren Offenbarungsgehalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird, einen Wärmespeicher mit nur einem Speicherbehälter an, dessen Speicherraum durch ein bewegliches Trennelement in einen oberen und einen unteren Teilraum getrennt ist. Im Betrieb schwebt das Trennelement zwischen zwei flüssigen, unterschiedliche Temperaturen aufweisenden Wärmeträgern und trennt beide thermisch. In der Patentanmeldung wird gefordert, dass das Trennelement die Eigenschaft der dynamischen Selbststabilisierung besitzt, allerdings wird nur wenig darüber ausgeführt, wie diese Eigenschaft zu erreichen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Trennelement der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das die Eigenschaft der dynamischen Selbststabilisierung besitzt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Trennelement wenigstens einen eine Flüssigkeit enthaltenden Hohlraum umfasst, der über Öffnungen verfügt, über die die im Hohlraum befindliche Flüssigkeit mit den beiden thermisch zu trennenden Flüssigkeiten hydraulisch verbindbar ist.
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Aufgrund der mittleren Dichte, mit der das erfindungsgemäße Trennelement ausgeführt ist, kann es zwischen den beiden zu trennenden Flüssigkeiten schweben, wobei die kältere Flüssigkeit sich unterhalb und die wärmere Flüssigkeit oberhalb des Trennelements befindet. Die auf das Trennelement wirkende Auftriebskraft ergibt sich aus der Integration des hydrostatischen Druckes über die gesamte von Flüssigkeit benetzte Trennelementoberfläche. In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist das Trennelement als flache Scheibe in Zylinderform ausgeführt, das mit senkrechter Zylinderachse zwischen den beiden zu trennenden Flüssigkeiten schweben kann. Befinden die beiden Flüssigkeiten sich in Ruhe, so ist die auf den Zylinder wirkende Auftriebskraft proportional zur mittleren Dichte der an die Zylindermantelfläche angrenzenden Flüssigkeit, die über den Zylinderumfang konstant ist. Unter diesen Bedingungen greift die resultierende Auftriebskraft im Schwerpunkt des Trennelements an, so dass die Zylinderachse in Ruhe bleibt. In der Realität, wie beispielsweise dann, wenn das Trennelement im Speicherbehälter eines oben beschriebenen Wärmespeichers angeordnet ist, ist die mittlere Flüssigkeitsdichte jedoch durch Konvektionsströme insbesondere im Bereich zwischen der Zylindermantelfläche des Trennelements und der Wand des Speicherbehälters örtlichen und zeitlichen Schwankungen unterworfen, wodurch die resultierende, an der Außenfläche des Zylinders angreifende Auftriebskraft ein Drehmoment hervorruft, das zu einem Kippen der Zylinderachse führen kann. Wird dieses Kippmoment nicht durch ein Gegenmoment kompensiert, kann die Zylinderachse im ungünstigsten Fall bis in die Wagerechte kippen. Ferner können auch lateral wirkende Kräfte auftreten.
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Durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Trennelements können die Größen des Kippmoments sowie der lateralen Kräfte minimiert werden. Abgesehen von der äußeren Mantelfläche, wird der Auftrieb der Bestandteile des Trennelements durch die Dichte der sich im Inneren des Trennelements befindlichen Flüssigkeit bestimmt. Die mittlere Dichte dieser Flüssigkeit kann sich im Wesentlichen nur über Wärmeleitung verändern. Im Vergleich zu Änderungen der Flüssigkeitsdichte außerhalb des Trennelementes aufgrund von Konvektionsströmen, verläuft dieser Prozess sehr langsam; er ist auch deutlich langsamer als die typische Geschwindigkeit, mit der sich die Konvektionsströme räumlich und zeitlich ändern.
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Vorzugsweise besitzt das erfindungsgemäße Trennelement, zumindest während seines Einsatzes, weitgehend die äußere Form eines flachen Zylinders mit vertikaler Zylinderachse, wobei der Zylindermantel einen eine Flüssigkeit enthaltenden Hohlraum begrenzt, der über Öffnungen mit den zu trennenden Flüssigkeiten verbindbar ist. Der Zylindermantel wird durch ein Blech gebildet, dessen Wandstärke zweckmäßigerweise den minimalen, mit der mechanischen Stabilität zu vereinbarenden Wert aufweist. Während des Einsatzes eines Trennelements auftretende Schwankungen der Dichten der zu trennenden Flüssigkeiten, führen weitgehend nur zu Änderungen der an dem den Zylindermantel bildenden Blech angreifenden Auftriebskraft. Wegen der im Verhältnis zum Durchmesser des Trennelements gewöhnlich sehr geringen Wandstärke dieses Blechs fallen diese Änderungen nur sehr klein aus, so dass lediglich geringe Momente und Kräfte zu kompensieren sind.
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Die Öffnungen, über die die im Hohlraum befindliche Flüssigkeit mit den beiden thermisch zu trennenden Flüssigkeiten hydraulisch verbindbar ist, sind vorzugsweise als Bohrungen oder Schlitze ausgeführt, deren Größe durch die Forderung bestimmt wird, dass sich in den zu trennenden Flüssigkeiten auftretende Störungen (z. B. Konvektionsströme) nicht oder nur sehr schwach in den Hohlraum ausbreiten dürfen. Andererseits müssen die Öffnungen aber so groß sein, dass sich Ablagerungen, die sich evtl. während des Einsatzes des Trennelements bilden können, nicht zu Verlegungen führen. Die im Hohlraum befindliche Flüssigkeit wird daher während eines Einsatzes des Trennelements weitgehend in Ruhe bleiben, so dass die Wärme durch den Hohlraum vorwiegend durch Leitungen übertragen wird. Aufgrund der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit der meisten Flüssigkeiten, kann die im Hohlraum befindliche Flüssigkeit als thermischer Isolator betrachtet werden.
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Das erfindungsgemäße Trennelement kann zur thermischen Trennung beliebiger Flüssigkeiten eingesetzt werden. Vorzugsweise wird sie jedoch in Speicherbehältern von Wärmespeichereinrichtungen eingesetzt, wo sie zwei als Wärmeträger fungierende Flüssigkeiten thermisch trennt, deren Füllstand sich gegensinnig ändern kann, wobei sich das Trennelement durch den Speicherbehälter bewegt. Die Form des Trennelements richtet sich in erster Linie nach der Form des Innenraums des Speicherbehälters, der im Allgemeinen als senkrecht stehender Zylinder ausgeführt ist, prinzipiell jedoch eine beliebige Form besitzen kann. Vorzugsweise ist das Trennelement daher als Zylinder ausgeführt, dessen Achse während des Einsatzes des Trennelements weitgehend parallel zur Zylinderachse Speicherbehälters gerichtet ist.
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Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement eine Rahmenkonstruktion aufweist, an der eine Hüllkonstruktion befestigt ist, die ganz oder Teilweise die Außenfläche des Trennelements bildet. Die Rahmenkonstruktion ist dafür ausgelegt, die auf das Trennelement wirkenden Kräfte aufzunehmen. Die Hüllkonstruktion kann daher weitgehend von Kräften frei gehalten und mit entsprechend geringen Wandstärken ausgeführt werden. Abhängig von der Dichte der zu trennenden Flüssigkeiten und den Materialien, aus denen Rahmen- und Hüllstruktur gefertigt sind, können ein oder auch mehrere Auftriebskörper an der Rahmenkonstruktion befestigt oder in diese integriert sein.
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Die Rahmenkonstruktion besteht vorzugsweise aus Profilen, wie beispielsweise Rohren, die zu einem Fachwerk zusammengefügt sind. Zweckmäßigerweise ist das Fachwerk von dünnen, die Hüllkonstruktion bildenden Platten umgeben, mit denen es fest oder beweglich verbunden ist. Zwischen Hüllkonstruktion und Fachwerk ergeben sich Hohlräume, die mit Flüssigkeit gefüllt sein können, wobei Flüssigkeit über Öffnungen in der Hüllkonstruktion und/oder der Rahmenkonstruktion mit den beiden thermisch zu trennenden Flüssigkeiten hydraulisch verbindbar ist.
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Während ihres bestimmungsgemäßen Einsatzes bildet sich über ein Trennelement ein Temperaturgradient aus, der zu Deformationen des Trennelements führen kann, die u. U. so groß sind, dass ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird. Am Beispiel eines als flache Scheibe ausgebildeten, aus Stahl gefertigten Trennelements, das im Wärmespeicher eines solarthermischen Kraftwerks eingesetzt wird, soll dieser Effekt näher erläutert werden. Bei einem Durchmesser von ca. 40 m, einer Dicke von ca. 1 m und einer Temperaturdifferenz von ca. 100°C zwischen der Ober- und der Unterseite würde sich das Trennelement um ca. 1 m nach oben wölben. Abgesehen davon, dass hierdurch die nutzbare Höhe eines Speicherbehälters erheblich reduziert würde, könnte ein derart deformiertes Trennelement eine Vermischung der zu trennenden Flüssigkeiten begünstigen.
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Eine Variante der Erfindung sieht daher vor, dass das Trennelement, zumindest aber die Rahmenkonstruktion aus einem Material ausgeführt ist, das bei den während des Einsatzes der Trennelement auftretenden Temperaturen einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sehr klein oder im günstigsten Fall gleich null ist.
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Eine andere Variante sieht vor, dass das Trennelement, zumindest aber die Rahmenkonstruktion aus unterschiedlichen, verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Materialien besteht, die derart angeordnet sind, dass der während des Einsatzes sich ausbildende Temperaturgradient zu keinen oder nur geringen Änderungen der Form des Trennelements führen.
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Eine weitere Variante geht von der Einsicht aus, dass eine thermisch verursachte Aufwölbung eines Trennelements durch die Wirkung der Schwerkraft kompensiert werden kann, wenn die Trennwand an geeigneten Stellen unterstützt wird. Hierzu ist das Trennelement mit Auftriebskörpern – die als Stützstellen angesehen werden können – ausgestattet, deren Positionen so gewählt werden, dass sich die Wirkungen von Schwerkraft, Auftrieb und Temperaturunterschieden auf die Form der Trennschicht zumindest angenähert aufheben. Ist das Trennelement als flache Scheibe ausgebildet, werden die Auftriebskörper daher sinnvollerweise nahe zum Rand des Trennelements angeordnet.
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Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Rahmenkonstruktion aus einer ebenen Platte besteht, auf der ein- oder beidseitig Stehbolzen angeordnet sind. Um der Platte die erforderliche Stabilität zu verleihen, kann sie mit Versteifungsrippen versehen sein. Die Hüllkonstruktion ist über die von der Platte abgewandten Enden der Stehbolzen beweglich mit der Rahmenkonstruktion verbunden. Die Platte ist aus einem Material gefertigt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und mit einer im Vergleich zur Gesamtdicke des Trennelements geringen Dicke ausgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass sich während des Einsatzes des Trennelements über die Platte nur ein kleiner Temperaturgradient ausbildet, der auch nur zu geringen Deformationen führt.
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Prinzipiell kann der Hohlraum eine beliebige Flüssigkeit enthalten. Um zu vermeiden, dass die Flüssigkeit durch eine der zu trennenden Flüssigkeiten aus dem Hohlraum verdrängt wird, weist sie vorteilhaft eine Dichte auf, deren Wert zwischen den Dichtewerten der beiden thermisch zu trennenden Flüssigkeiten liegt. Die mittlere Temperatur der im Hohlraum befindlichen Flüssigkeit wird sich so einstellen, dass sie höher ist als die Temperatur der kälteren und niedriger als die Temperatur der wärmeren der beiden zu trennenden Flüssigkeiten. Ist der Hohlraum mit einer Flüssigkeit gefüllt, die chemisch identisch ist mit den beiden thermisch zu trennenden Flüssigkeiten, liegt ihre mittlere Dichte daher stets in dem geforderten Bereich. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Trennelements sieht daher vor, dass der Hohlraum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die chemisch identisch ist mit den beiden zu trennenden Flüssigkeiten.
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Der Hohlraum des Trennelementes kann vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein. Beispielsweise aus Kostengründen kann es jedoch sinnvoll sein, einen Teil des Hohlraumes mit einem Feststoff zu füllen. Zweckmäßigerweise besitzt dieser Feststoff während des Einsatzes der Trennwand eine Dichte, die nur wenig von der mittleren Dichte der der Flüssigkeit abweicht. Ist die Trennwand für den Einsatz im Wärmespeicher eines solarthermischen Kraftwerks gedacht, wo sie zur thermischen Trennung zweier Salzschmelzen eingesetzt wird, kann ein Teil des Hohlraums beispielsweise mit Schamott gefüllt sein das eine ähnliche Dichte wie die Salzschmelze besitzt, jedoch zu einem deutlich niedrigeren Preis bezogen werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht zumindest eine Führungsschiene zur Führung des Trennelements vor, die sich während des Einsatzes des Trennelements ausbildende Kippmomente sowie laterale Kräfte aufnehmen und entlang der sich das Trennelement bewegen kann. Die Führungsschiene ist als Rohr oder Stab mit Kreis- oder Rechteckquerschnitt ausgeführt, wobei auch andere Querschnittsformen denkbar sind. Um Reibungskräfte zu minimieren, stützt sich das Trennelement vorzugsweise über Rolle oder Kugellager an der Führungsschiene ab.
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Insbesondere dann, wenn sich die Temperaturen der zu trennenden Flüssigkeiten nur wenig unterscheiden, kann es schwierig sein, das Trennelement mit einer mittleren Dichte zu fertigen, deren Wert zwischen den Dichtewerten der zu trennenden Flüssigkeiten liegt. Zweckmäßigerweise umfasst ein erfindungsgemäßes Trennelement daher eine Trimmeinrichtung, mit der die Dichteverteilung sowie die mittlere Dichte des Trennelements vorzugsweise auch während ihres Einsatzes geändert werden können. Eine Trimmeinrichtung kann beispielsweise aus einem oder mehreren Behältern bestehen, die ganz oder teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt werden können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in den 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Trennelement.
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In 1 ist ein Trennelement T im Querschnitt dargestellt, die in einem Speicherbehälter S eines Wärmespeichers angeordnet ist und die beiden Flüssigkeiten FW und FK thermisch voneinander trennt. Die beiden Flüssigkeiten, bei denen es sich beispielsweise um Salzschmelzen oder um Thermoöl handelt, haben die gleiche chemische Zusammensetzung, jedoch unterschiedliche Temperaturen, wobei die Flüssigkeit FW wärmer ist und eine geringere Dichte aufweist, als die Flüssigkeit FK. Das Trennelement T ist als flacher Zylinder ausgeführt, der einen geringfügig kleineren Durchmesser besitzt, als der ebenfalls zylindrische Speicherraum SP des Speicherbehälters S. Die mittlere Dichte des Trennelements T ist so gewählt, dass sie kleiner ist als die Dichte der Flüssigkeit FK und größer als die Dichte der Flüssigkeit FW, weshalb sie zwischen den beiden Flüssigkeiten schwebt und mit dem Pegelstand der Flüssigkeit FK ihre Position verändern kann. Das Trennelement T umfasst den Auftriebskörper A sowie das Randstück R, das mit kleinstmöglicher Wandstärke ausgeführt ist, um die Auswirkungen von Dichteschwankungen der Flüssigkeiten FW und FK auf den Auftrieb des Trennelements T zu minimieren. Falls die Hülle nicht selbsttragend ausgeführt ist, weist das Trennelement T eine Rahmenkonstruktion auf, die für die notwendige Stabilität sorgt. Der Innenraum HO des Trennelements T ist vollständig mit einer Flüssigkeit F gefüllt, die vorzugsweise die gleiche chemische Zusammensetzung besitzt, wie die beiden zu trennenden Flüssigkeiten FW und FK. Diese Flüssigkeit F steht über die Öffnungen O1 und O2 sowohl mit der Flüssigkeit FW als auch mit der Flüssigkeit FK in hydraulischer Verbindung. Die Größen der Öffnungen O1 und O2 sind so gewählt, dass sich Bewegungen der beiden Flüssigkeiten FW und FK nicht oder zumindest nur in einem geringen Ausmaß auf die Flüssigkeit F übertragen. Diese befindet sich daher weitgehend in Ruhe und wirkt als thermischer Isolator, da Wärme von der kalten zur warmen Seite eines Hohlraums H nahezu ausschließlich durch Wärmeleitung gelangt.
