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Die Erfindung betrifft einen einem Luftreceiver einer solarthermischen Kraftwerksanlage nachgeschalteten Durchlaufverdampfer für einen Durchlaufdampferzeuger und bezieht sich auf den Innendurchmesser der Heizflächenrohre.
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Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Ein zukünftiges Kraftwerkskonzept ist das sogenannte Turmkraftwerk.
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In einer Ausführungsform dieses Turmkraftwerks wird Umgebungsluft in einem sogenannten Receiver aufgeheizt. Die so erzeugte Heißluft gibt ihre Energie in einem nachgeschalteten Dampferzeuger an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.
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Für den Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte in Betracht, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser beim Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine weitere Verdampfung denselben Verdampferrohren erneut zugeführt.
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Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung. Ein hoher Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar.
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Die Verwendung eines nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Dampferzeugers ist daher zur Erzielung eines hohen Gesamtwirkungsgrades der Kraftwerksanlage bei einfacher Bauweise besonders günstig.
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Ein Durchlaufdampferzeuger kann grundsätzlich in einer von zwei alternativen Bauformen ausgeführt sein, nämlich in stehender Bauweise oder in liegender Bauweise. Ein Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise ist dabei für eine Durchströmung des beheizenden Mediums in annähernd horizontaler Richtung ausgelegt, wohingegen ein Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise für eine Durchströmung des beheizenden Mediums in einer annähernd vertikalen Richtung ausgelegt ist.
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Ein Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise ist im Gegensatz zu einem Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise mit besonders einfachen Mitteln und mit besonders geringem Fertigungs- und Montageaufwand herstellbar. Bei einem Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise sind die Dampferzeugerrohre einer Verdampferheizfläche jedoch je nach ihrer Positionierung einer stark unterschiedlichen Beheizung ausgesetzt. Dabei kann insbesondere in den strömungsmediumsseitig vorgelagerten Dampferzeugerrohren eine instabile Strömung auftreten, die die Betriebssicherheit des Dampferzeugers gefährden kann. Zur dynamischen Stabilisierung wurden daher bisher beispielsweise Drosseln am Eintritt der Dampferzeugerrohre, eine Vergrößerung des Rohrdurchmessers vom Eintritt zum Austritt hin, oder der Einsatz von Druckausgleichsleitungen und -sammlern vorgeschlagen. Diese Maßnahmen können jedoch bei einem Dampferzeuger in liegender Bauweise entweder nicht wirksam oder technisch nicht umsetzbar sein.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen horizontalen Dampferzeuger der oben genannten Art für ein Turmkraftwerk anzugeben, welcher bei besonders einfacher Bauweise eine besonders hohe betriebliche Sicherheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die ersten Dampferzeugerrohre derart ausgelegt sind, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte in den ersten Dampferzeugerrohren eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders hohe betriebliche, Sicherheit durch eine dynamische Stabilisierung der Strömung in den ersten Dampferzeugerrohren erreicht werden könnte. Insbesondere sollte eine pulsierende, schwingungsartige Strömung vermieden werden. Dabei wurde erkannt, dass eine derartige Strömung insbesondere in denjenigen ersten Dampferzeugerrohren entsteht, die am heizmediumseitigen Austritt der ersten Verdampferheizfläche positioniert sind und eine vergleichsweise geringe Beheizung erfahren. Diese Rohre enthalten ein Strömungsmedium mit vergleichsweise hohem Wasseranteil. Aufgrund des höheren Gewichtsanteils des Strömungsmediums dieser Rohre reduziert sich die Durchströmung dieser Rohre teilweise bis zur Stagnation. Zur Vermeidung dieses Effekts könnten Drosseln oder Druckausgleichsleitungen vorgesehen werden, die jedoch eine vergleichsweise aufwändigere Konstruktion bedeuten würden. Um also eine Stagnation der Strömung zu vermeiden und gleichzeitig eine besonders einfache Konstruktion des Dampferzeugers zu ermöglichen, sollten direkt die Parameter der Dampferzeugerrohre der ersten Verdampferheizfläche modifiziert werden. Dies ist erreichbar, indem die ersten Dampferzeugerrohre derart ausgelegt sind, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte durch die ersten Dampferzeugerrohre eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet.
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Vorteilhafterweise beträgt die vorgegebene Mindestmassenstromdichte dabei 100 kg·m–2·s–1. Eine Auslegung der Dampferzeugerrohre zur Erreichung einer derart gewählten Massenstromdichte führt nämlich zu einer besonders guten dynamischen Stabilisierung der Strömung in den ersten Dampferzeugerrohren und somit zu einem besonders sicheren Betrieb des Dampferzeugers.
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Es wurde erkannt, dass die Stagnation der Strömung in den Rohren durch einen vergleichsweise hohen geodätischen Druckverlust in den Dampferzeugerrohren verursacht wird. Um die Massenstromdichte zu stabilisieren, sollte daher der Anteil des geodätischen Druckverlusts am Gesamtdruckverlust reduziert werden. Dies ist erreichbar, indem der Innendurchmesser der ersten Dampferzeugerrohre vorteilhafterweise derart gewählt ist, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte in den ersten Dampferzeugerrohren die vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet, wodurch der Gesamtdruckverlust durch Erhöhung des Reibungsdruckverlustes vergrößert wird.
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Vorteilhafterweise beträgt der Außendurchmesser der ersten Dampferzeugerrohre dabei zwischen 20 und 35 mm. Eine Wahl des Außendurchmessers in diesem Bereich führt dazu, dass der Anteil des geodätischen Druckverlusts am Gesamtdruckverlust in den Dampferzeugerrohren so gering ist, dass die vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschritten wird, d. h. keine Stagnation oder kein Pulsieren der Strömung mehr auftreten können. Somit wird ein besonders sicherer Betrieb des Dampferzeugers gewährleistet.
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Vorteilhafter Weise beträgt die Wandstärke der Dampferzeugerrohre zwischen 2 und 4 mm, so dass sich ein Innendurchmesser ergibt, bei dem die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte in den ersten Dampferzeugerrohren die vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Anzahl von ersten Dampferzeugerrohren einander heizmediumseitig als Rohrreihen hintereinander geschaltet. Dies ermöglicht es, eine größere Anzahl von parallel geschalteten Dampferzeugerrohren für eine Verdampferheizfläche zu verwenden, was durch die vergrößerte Oberfläche einen besseren Wärmeeintrag bedeutet. Allerdings sind die in Heizmediumströmungsrichtung hintereinander angeordneten Dampferzeugerrohre dabei unterschiedlich beheizt. Insbesondere in den heizmediumaustrittsseitigen Dampferzeugerrohren wird das Strömungsmedium vergleichsweise schwach beheizt. Durch die beschriebene Auslegung der Dampferzeugerrohre kann jedoch auch in diesen Dampferzeugerrohren eine Stagnation der Strömung vermieden werden. Durch diese dynamische Stabilisierung wird bei einfacher Konstruktion ein besonders sicherer Betrieb des Dampferzeugers erreicht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die erste Verdampferheizfläche der zweiten Verdampferheizfläche heizmediumseitig nachgeschaltet. Dies bietet den Vorteil, dass die zweite, strömungsmediumsseitig nachgeschaltete und somit zur weiteren Erhitzung bereits verdampften Strömungsmediums ausgelegte Verdampferheizfläche auch in einem vergleichsweise stärker beheizten Bereich des Heizmediumkanals liegt.
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Zweckmäßigerweise kommt ein derartiger Durchlaufverdampfer in einem Dampferzeuger zum Einsatz und es wird der Dampferzeuger in einer solarthermischen Kraftwerksanlage verwendet. Dabei ist der Dampferzeuger vorteilhafterweise heizmediumseitig einem Solarturm nachgeschaltet. Bei dieser Schaltung kann zweckmäßigerweise hinter dem Solarturm eine Zusatzfeuerung zur Erhöhung der Heizmediumtemperatur angeordnet sein.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Auslegung der ersten Dampferzeugerrohre derart, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte in den ersten Dampferzeugerrohren eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet, eine dynamische Stabilisierung der Strömung und somit ein besonders sicherer Betrieb des Dampferzeugers erreicht wird. Durch eine entsprechende Auslegung der Dampferzeugerrohre wird dieser Effekt auch ohne weitere, aufwändige technische Maßnahmen erzielt und ermöglicht so gleichzeitig eine besonders einfache, kostensparende Konstruktion des Dampferzeugers bzw. des solarthermischen Kraftwerks.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm in vereinfachter Darstellung und
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2 einen Verdampfer eines Durchlaufdampferzeugers.
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Gleiche Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm-Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Receiver 3 angeordnet ist. Ein Heliostatenfeld 4 mit einer Anzahl von Heliostaten 5 ist am Boden um den Solarturm 2 herum platziert. Das Heliostatenfeld 4 mit den Heliostaten 5 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung 6 ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung 6 von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung 7 auf den Receiver 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, die Heliostaten 5, auf die Spitze des Solarturmes 2 konzentriert. Der Receiver 3 wandelt die Strahlung in Wärme um und gibt sie an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Luft, ab, das die Wärme dem Dampferzeuger 8 über eine Heißluftleitung 9 zuführt. Im Dampferzeuger 8 wird Wärme vom Wärmeträgermedium auf Wasser eines Wasser-Dampf-Kreislaufs 10 eines konventionellen Kraftwerksteils mit einer Dampfturbine 11 übertragen. Der dabei erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung 12 der Dampfturbine 11 zur Entspannung und Verrichtung von Arbeit zugeführt. Die Dampfturbine 11 ist über eine Welle 13 mit einem Generator 14 verbunden, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Danach strömt der entspannte und abgekühlte Dampf in den Kondensator 15, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert. Das Wasser wird mit Hilfe einer Speisepumpe 16 erneut dem Dampferzeuger 8 zugeführt.
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Das im Dampferzeuger 8 abgekühlte Wärmeträgermedium wird mit einem Gebläse 17 wieder in den Solarturm 2 zurückgeführt.
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2 zeigt in vereinfachter Darstellung im Längsschnitt den Verdampfer 18 eines Dampferzeugers 8 in liegender Bauweise nach der Erfindung. Der Dampferzeuger 8 weist eine Umfassungswand 19 auf, die einen in einer annähernd horizontalen, durch die Pfeile 20 angedeuteten Heizmediumrichtung durchströmbaren Heizmediumkanal 21 für das aufgeheizte Heizmedium aus dem Solarturm 2 bildet.
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Im Heizmediumkanal 21 ist eine Anzahl von nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Verdampferheizflächen, auch als Durchlaufheizflächen 22, 23 bezeichnet, angeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind zwei Durchlaufheizflächen 22, 23 gezeigt, es können aber auch lediglich eine Durchlaufheizfläche oder eine größere Anzahl von Durchlaufheizflächen vorgesehen sein.
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Die Durchlaufheizflächen 22, 23 gemäß der 2 umfassen jeweils in der Art eines Rohrbündels eine Anzahl von in Heizmediumrichtung 20 hintereinander angeordneten Rohrreihen 24 bzw. 25. Jede Rohrreihe 24, 25 wiederum umfasst jeweils eine Anzahl von in Heizmediumrichtung 20 nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 26 bzw. 27, von denen für jede Rohrreihe 24, 25 nur jeweils eines sichtbar ist. Die annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohre 26 der ersten Durchlaufheizfläche 22 sind dabei eingangsseitig an einen Eintrittssammler 28 und ausgangsseitig an einen ihnen gemeinsamen Austrittssammler 29 angeschlossen. Die ebenfalls annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohre 27 der zweiten Durchlaufheizfläche 23 hingegen sind eingangsseitig an einen Eintrittssammler 30 und ausgangsseitig an einen ihnen gemeinsamen Austrittssammler 31 angeschlossen. Die Dampferzeugerrohre 27 der zweiten Durchlaufheizfläche 23 sind den Dampferzeugerrohren 26 der ersten Durchlaufheizfläche 22 strömungstechnisch über ein Fallrohrsystem 32 nachgeschaltet.
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Das aus den Verdampferheizflächen 22, 23 gebildete Verdampfersystem ist mit dem Strömungsmedium beaufschlagbar, das bei einmaligem Durchlauf durch das Verdampfersystem verdampft und nach dem Austritt aus der zweiten Verdampferheizfläche 23 als Dampf 33 abgeführt wird. Das aus den Verdampferheizflächen 22, 23 gebildete Verdampfersystem ist in den Wasser-Dampf-Kreislauf 10 der Dampfturbine 11 geschaltet. Zusätzlich zu dem die Verdampferheizflächen 22, 23 umfassenden Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf 10 der Dampfturbine 11 eine Anzahl weitere, in der 2 nicht gezeigte, Heizflächen geschaltet, bei denen es sich beispielsweise um Überhitzer, um Mitteldruckverdampfer, um Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln kann.
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Die ersten Dampferzeugerrohre 26 sind nun derart ausgelegt, dass eine für Volllast vorgegebene Mindestmassenstromdichte von 100 kg·m–2·s–1 nicht unterschritten wird. Dabei beträgt ihr Außendurchmesser zwischen 20 mm und 35 mm, beispielsweise 26,9 mm oder 31,8 mm. Die Rohrwandstärke der Dampferzeugerrohre 26 beträgt beispielsweise 4 mm. Dadurch wird eine Stagnation der Strömung in den ersten Dampferzeugerrohren 26 vermieden. Eine stehende Wassersäule mit Dampfblasenbildung und daraus resultierende schwingungsartige, pulsierende Strömungen werden verhindert. Dadurch wird die mechanische Belastung des Dampferzeugers 8 reduziert und es ist ein besonders sicherer Betrieb bei gleichzeitig einfacher Bauweise gewährleistet.
