DE102011004266A1 - Sonnenkollektor mit innenberippten Rohren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger einer solarthermischen Kraftwerksanlage, umfassend ein Absorberrohr (1), das auf seiner Innenseite eine spiralförmig ausgebildete Rippe (2) aufweist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger einer solarthermischen Kraftwerksanlage.
• Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt. Eine Option stellt die direkte Verdampfung in Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren dar.
• Ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren, in dem in den Absorberrohren der Kollektoren das Speisewasser vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, und aus einem konventionellen Kraftwerksteil mit einer Dampfturbine, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.
• Bei solarthermischen Kraftwerken mit direkter Verdampfung kommen bislang in den Empfängern (”Receiver”) Glattrohre als Absorberrohre zum Einsatz. Bei Unterschreitung einer bestimmten Massenstromdichte im Verdampfer kommt es in den Glattrohren zu einer Schichtung der Strömung. Das Wasser fließt auf der Unterseite des Rohres und die Dampfphase darüber. Eine als ”Dry-out” bekannte Siedekrise (Austrocknen des Rohres) mit deutlich reduziertem Wärmeübergang tritt an der Rohroberseite bei wesentlich geringeren Fluidenthalpien auf als an der Unterseite.
• Aufgrund von daraus resultierenden Unterschieden in den inneren Wärmeübergängen und zusätzlich stark ungleichförmiger Beheizung stellen sich unterschiedliche Metalltemperaturen über den Rohrumfang ein. Durch die unterschiedlichen Metalltemperaturen kommt es zu Wärmespannungen (sekundäre Spannungen), die zu einer Schädigung des Rohres führen können. Weiterhin kann es durch die Schichtung der Strömung im Bereich der Dampfphase zu Kühlungsproblemen kommen, da der innere Wärmeübergang zwischen Rohrwand und Dampf deutlich kleiner ist als der Wärmeübergang zwischen Rohrwand und Wasserphase.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Sonnenkollektor für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger einer solarthermischen Kraftwerksanlage anzugeben. Des Weiteren soll ein entsprechend verbesserter Durchlaufdampferzeuger bzw. eine entsprechende solarthermische Kraftwerksanlage angegeben werden.
• Die auf einen Sonnenkollektor gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die auf einen Durchlaufdampferzeuger und auf eine solarthermische Kraftwerksanlage gerichteten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch die Ansprüche 8 und 9. Indem ein Absorberrohr eines Sonnenkollektors für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger einer solarthermischen Kraftwerksanlage auf seiner Innenseite eine spiralförmig ausgebildete Rippe aufweist, kann das Auftreten einer Schichtung der Zweiphasenströmung zu deutlich niedrigeren Massenstromdichten verschoben werden. Bei innenberippten Rohren wird der Strömung ein Drall aufgeprägt, der zur Separation der Wasser- und Dampfphase führt. Das Wasser wird vermehrt an die Rohrinnenwand geleitet, wodurch die Wärmeübergangseigenschaften verbessert werden.
• Vorteilhafter Weise ist die Rippe einstückig am Absorberrohr angeformt.
• Es ist vorteilhaft, wenn der Sonnenkollektor mehrere, ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen aufweist, wodurch eine Verstärkung des Effekts erzielt wird.
• Eine zweckmäßige Weiterbildung und Ausgestaltung des Absorberrohrs besteht darin, dass die radiale Höhe der Rippen mindestens das 0,04-fache des mittleren Rohr-Innendurchmessers erreicht.
• Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn ein Steigungswinkel zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene und den Flanken der Rippen kleiner als 60° ist.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Sonnenkollektor weiter einen gewölbten Spiegel. Die Parabolrinne ist ein technisch ausgereiftes Kollektorkonzept, das sich seit Jahren in zuverlässiger Produktion großer Mengen an Solarstrom bewährt hat.
• In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Sonnenkollektor einen Fresnelspiegel. Gegenüber Parabolrinnenkollektoren basiert der Fresnel-Kollektor überwiegend auf Standard-Komponenten. Weiterhin ist der Landbedarf für Fresnel-Kollektoren geringer als der von Parabolrinnen.
• Zweckmäßiger Weise verfügt ein solarthermischer Durchlaufdampferzeuger über mehrere Sonnenkollektoren nach der Erfindung. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn ein solcher Durchlaufdampferzeuger in einem solarthermischen Kraftwerk Verwendung findet.
• Durch den Einsatz von innenberippten Rohren erhöht sich die Betriebssicherheit eines solarthermischen Kraftwerks mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren. Die innenberippten Rohre können mit nur geringem Aufpreis gegenüber einem Glattrohr großtechnisch hergestellt werden.
• Die Rohrkühlung wird durch die innenberippten Rohre deutlich verbessert, da die Innenseite des Rohres bis hin zu hohen Dampfgehalten vollständig benetzt ist. Trocknet die Wand erst bei hohen Dampfgehalten aus, so ist die Wasserphase fast vollständig verdampft und über eine hohe Dampfgeschwindigkeit wird eine ausreichende Dampfkühlung sichergestellt.
• Durch die um den Rohrumfang herum gleichmäßige Kühlung werden die Temperaturdifferenzen zwischen stark und weniger stark beheizten Abschnitten des Rohrumfangs minimiert. Dies führt zu niedrigen sekundären Spannungen und ebenfalls zu einer hohen Betriebssicherheit des Verdampfers.
• Weiterhin ist der Wärmeübergang im Post-Dryout-Gebiet gegenüber den Verhältnissen im Glattrohr wesentlich höher.
• Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
• 1 einen Schnitt durch ein innenberipptes Rohr und
• 2 eine schematische Darstellung der Zweiphasenströmung in einem innenberippten Rohr.
• 1 zeigt einen Schnitt durch ein Absorberrohr 1 eines Sonnenkollektors nach der Erfindung, das auf seiner Innenseite mit Rippen 2 versehen ist, deren jede auf einer Schraubenlinie angeordnet ist. Die Rippen 2 schließen mit zur Längsachse 3 des Absorberrohres 1 senkrechten Ebenen einen Winkel α ein, der kleiner als 60° ist. Außerdem haben die Rippen 2 in radialer Richtung eine Höhe H, die mindestens gleich dem 0,04-fachen eines mittleren Innendurchmessers d des Absorberrohrs 1 ist, wobei der mittlere Durchmesser d die Rippen 2 in etwa halber radialer Höhe H schneidet. Der mittlere Durchmesser d entspricht dem hydraulischen Durchmesser des innenberippten Rohres. Die Schraubenlinien, denen die Rippen 2 folgen, haben eine Steigung h.
• Zur Aufnahme der Sonnenwärme werden die Absorberrohre 1 von Wasser durchströmt. Dieses Wasser soll bestimmungsgemäß verdampft werden, so dass zwangsweise ein Gebiet geschaffen wird, in dem innerhalb der Absorberrohre 1 Wasser und Wasserdampf gleicher Temperatur und gleichen Drucks nebeneinander existieren. Dabei steigt der Dampfgehalt in der Mischung von 0 bis auf 100% an.
• Durch die auf der Innenseite der Absorberrohre 1 vorgesehenen Rippen 2 erfährt das strömende Wasser einen Drall, wodurch der axialen Strömung eine Drehung des Wasserkörpers um die eigene Achse überlagert wird.
• 2 zeigt ein Absorberrohr mit Innenberippung 2 im Schnitt während des Betriebs im Bereich der einsetzenden Verdampfung. Wasser strömt von rechts durch das Absorberrohr 1 und verdampft, wobei der Dampfanteil in Strömungsrichtung zunimmt. Die Innenberippung 2 des Dampferzeugerrohrs 1 prägt dem Wasser auch im Bereich der Zweiphasenströmung einen Drall 4 auf. Aufgrund der daraus resultierenden Fliehkräfte wird die Phase mit der höheren Dichte, d. h. das Wasser, an die innere Rohrwand 5 gedrückt, während sich der Dampf hauptsächlich im Strömungskern 6 befindet.

Claims (9)

1. Sonnenkollektor für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger einer solarthermischen Kraftwerksanlage, umfassend ein Absorberrohr (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr (1) auf seiner Innenseite eine spiralförmig ausgebildete Rippe (2) aufweist.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, wobei die Rippe (2) einstückig am Absorberrohr (1) angeformt ist.
3. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der mehrere, ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen (2) aufweist.
4. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale Höhe (H) der Rippen (2) mindestens das 0,04-fache des mittleren Rohr-Innendurchmessers (d) erreicht.
5. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Steigungswinkel (α) zwischen einer zur Rohrachse (3) senkrechten Ebene und den Flanken der Rippen (2) kleiner als 60° ist.
6. Sonnenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen gewölbten Spiegel.
7. Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend einen Fresnelspiegel.
8. Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger mit mehreren Sonnenkollektoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Solarthermisches Kraftwerk mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 8.

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