DE102011005481A1 - heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) mit einer Außenwandung (10), die einen Einlass (11) und einen Auslass (12) für ein Wärmeträgermedium (W) aufweist, einem Heizflächenpaket (20) bestehend aus einer Anzahl von Rohren zur Übertragung von Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium (W) auf ein Arbeitsmedium, wobei im Wärmetauscher (1) eine Wandung (30, 300) so vorgesehen ist, dass sie ein kompressibles Medium (40) vom Wärmeträgermedium (W) und/oder Arbeitsmedium trennt und die Wandung (30, 300) so ausgebildet ist, dass im Falle eines Druckanstiegs im Wärmetauscher (1) das kompressible Medium (40) einen Druckausgleich bewirkt.The invention relates to a heat exchanger (1) with an outer wall (10) which has an inlet (11) and an outlet (12) for a heat transfer medium (W), a heating surface package (20) consisting of a number of tubes for transferring thermal energy from the heat transfer medium (W) to a working medium, a wall (30, 300) being provided in the heat exchanger (1) so that it separates a compressible medium (40) from the heat transfer medium (W) and / or working medium and the wall (30, 300) is designed so that in the event of a pressure increase in the heat exchanger (1), the compressible medium (40) effects a pressure equalization.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine entsprechende Verwendung in solarthermischen Kraftwerken.The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1, as well as a corresponding use in solar thermal power plants.
Heute bekannte Dampferzeuger als Wärmetauscher weisen mehrere alternative Auslegungskonzepte auf, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampferzeuger, als Umlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Großwasserraumkessel. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung der zu einem Heizflächenpaket zusammengefassten Verdampferrohren durch ein Wärmeträgermedium zu einer Verdampfung des in den Dampferzeugerrohren geführten Strömungsmediums in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- und Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser als Strömungsmedium 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. Ein als Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgebildeter Dampferzeuger kann dabei mit einem vertikalen oder horizontalen Strömungskanal für das Wärmeträgermedium ausgebildet sein. Beim Großwasserraumkessel wird das Wärmeträgermedium innerhalb der Rohre geführt und beheizt dabei den außen liegenden Wasser-/Dampf-Raum.Today known steam generators as heat exchangers have several alternative design concepts, namely the design as a continuous steam generator, as a circulation steam generator or the design as a shell boiler. In a continuous-flow steam generator, the heating of the evaporator tubes combined to form a heating surface package by means of a heat transfer medium leads to an evaporation of the flow medium conducted into the steam generator tubes in a single pass. In contrast, in a natural and forced circulation steam generator, the circulated water is only partially evaporated as a flow medium when passing through the evaporator tubes. The water which is not evaporated is fed again to the same evaporator tubes after a separation of the generated steam for further evaporation. A steam generator formed as a once-through steam generator can be designed with a vertical or horizontal flow channel for the heat transfer medium. In the shell boiler, the heat transfer medium is guided inside the pipes and heats the external water / steam space.
Bei Dampferzeugern in solarthermischen Kraftwerken, die nach dem Rinnen- oder Turmprinzip arbeiten, muss die Wärme des in einem Solarfeld aufgeheizten Wärmeträgermediums (z. B. Thermoöl, Flüssigsalz) im Dampferzeuger als Wärmetauscher an den Wasser/Dampf-Kreislauf zur Erzeugung von Dampf abgegeben werden. Prozessbedingt liegt auf der Wasser/Dampf-Seite, also im Strömungsmedium, aber ein höheres Druckniveau vor als auf der Seite des Wärmeträgermediums. Im Falle einer Rohrleckage oder eines kompletten Rohrabrisses der Verdampferrohre würde somit Speisewasser oder Dampf auf die Seite des Wärmeträgermediums strömen. Durch die Inkompressibilität des Wärmeträgermediums würde sich dadurch im Dampferzeuger ein unmittelbarer Druckanstieg ergeben, der ohne entsprechende Schutzmaßnahmen zu einer Schädigung der Außenhülle des Dampferzeugers und damit zu einem unkontrollierten Austritt von Wärmeträgermedium in die Umgebung führt. Der sichere Betrieb der Kraftwerksanlage wäre dann nicht mehr gewährleistet.For steam generators in solar thermal power plants operating on the gutter or tower principle, the heat of the heat transfer medium (eg thermal oil, molten salt) heated in a solar field must be released in the steam generator as a heat exchanger to the water / steam circuit for generating steam , Due to the process is on the water / steam side, ie in the flow medium, but a higher pressure level than on the side of the heat transfer medium. In the case of a pipe leak or a complete tube crack of the evaporator tubes thus feed water or steam would flow to the side of the heat transfer medium. Due to the incompressibility of the heat transfer medium, this would result in a direct pressure increase in the steam generator, which leads without appropriate protective measures to damage the outer shell of the steam generator and thus to an uncontrolled discharge of heat transfer medium into the environment. The safe operation of the power plant would then no longer be guaranteed.
Deshalb sind zum Druckausgleich an der Außenhülle der Dampferzeuger zusätzliche Sicherheitsventile oder Berstscheiben vorgesehen, über die bei einem Druckanstieg Wärmeträger- bzw. Strömungsmedium an die Umgebung abgegeben werden kann. Solche Sicherheitsmaßnahmen sind aber nicht dazu geeignet einen starken Druckanstieg als Folge eines kompletten Rohrabrisses (ein sogenannter 2F-Bruch) abzufangen, sondern sie dienen lediglich dazu die Auswirkung eines weniger hohen Druckanstiegs bei einer Rohrleckage beherrschbar zu machen. Die Anbringung solcher Sicherheitsventile oder auch Berstscheiben zur Abführung eines solchen Gemischs aus Wärmeträgermedium und Dampf an die Umgebung bzw. auch in einen Expansionsbehälter kann bestenfalls nur kleinere Druckspitzen im Falle einer Rohrleckage kompensieren, aber nicht den deutlich höheren Druckanstieg im Falle eines kompletten Rohrabrisses.Therefore, additional pressure relief valves or rupture disks are provided for pressure equalization on the outer shell of the steam generator, can be discharged through the heat carrier or flow medium to the environment at a pressure increase. However, such safety measures are not suitable for absorbing a strong increase in pressure as a result of a complete tube crack (a so-called 2F breakage), but merely serve to make it possible to control the effect of a less high pressure increase in the case of a pipe leak. The attachment of such safety valves or rupture disks for discharging such a mixture of heat transfer medium and steam to the environment or in an expansion tank can compensate only smaller pressure peaks in the event of pipe leakage at best, but not the much higher pressure increase in the event of a complete pipe crack.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Wärmetauscher und insbesondere einen Dampferzeuger bereitzustellen, der die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet.The object of the invention is to provide a heat exchanger and in particular a steam generator which overcomes the disadvantages described above.
Diese Aufgabe wird mit dem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the heat exchanger having the features of claim 1.
Dadurch, dass im Wärmetauscher eine Wandung so vorgesehen ist, dass sie ein kompressibles Medium vom Wärmeträgermedium und/oder Arbeitsmedium trennt und die Wandung so ausgebildet ist, dass im Falle eines Druckanstiegs im Wärmetauscher das kompressible Medium einen Druckausgleich bewirkt, kann bereits innerhalb des Wärmetauschers eine Kompensation eines deutlichen Druckanstiegs, der durch eine Leckage aber auch durch einen Rohrbruch bewirkt wird, erreicht werden. Das für einen solchen Störfall benötigte Volumen an kompressiblem Medium wird dabei zuvor durch entsprechende dynamische Simulationen ermittelt. Das nicht ganz auszuschließenden Ereignis einer Rohrleckage aber auch ein Rohrbruch und der durch das ausströmende Strömungsmedium bewirkte Druckanstieg des Wärmeträger- bzw. Arbeitsmediums im Druckbehälter ist so durch das Einbringen eines solchen kompressiblen Mediums in den ansonsten mit inkompressiblem Wärmeträger- bzw. Arbeitsmedium gefüllten Druckbehälter mit einfachstem apparatetechnischem Aufwand zu beherrschen.The fact that in the heat exchanger, a wall is provided so that it separates a compressible medium from the heat transfer medium and / or working fluid and the wall is designed so that in the event of a pressure increase in the heat exchanger, the compressible medium causes pressure equalization, can already within the heat exchanger Compensation of a significant increase in pressure, which is caused by leakage but also by a pipe break can be achieved. The volume of compressible medium required for such a malfunction is determined beforehand by appropriate dynamic simulations. The not entirely exclude event of pipe leakage but also a pipe break and caused by the outflowing fluid pressure increase of the heat transfer medium or working fluid in the pressure vessel is so simple by the introduction of such a compressible medium in the otherwise filled with incompressible heat carrier or working fluid pressure vessel To control apparatus-technical effort.
Sind in der Außenwandung zusätzlich Druckausgleichmittel, wie beispielsweise Ventile, vorgesehen, kann falls erforderlich der Druckausgleich zweistufig erfolgen. Im Falle eines Störfalls wird abhängig von der entstehenden Druckspitze zuerst ein Teil des Drucks vom kompressiblen Medium aufgenommen und damit kompensiert, und erst wenn das kompressible Medium einen maximal zulässigen Wert überschreitet, erfolgt zusätzlich ein Druckausgleich beispielsweise über die zusätzlichen Ventile oder Berstscheiben in der Außenwandung. So können auf einfache Art und Weise insbesondere hohe Druckspitzen, die bei einem Rohrbruch im Wärmetauscher entstehen, zuerst durch das kompressible Medium abgefangen werden, ohne dass Wärmeträger- oder Arbeitsmedium an die Umgebung abgegeben werden müssen.If additional pressure compensation means, such as valves, are provided in the outer wall, the pressure compensation can take place in two stages if necessary. In the case of an accident, depending on the resulting pressure peak, a portion of the pressure is first taken up by the compressible medium and compensated, and only when the compressible medium exceeds a maximum allowable value, in addition, a pressure compensation, for example via the additional valves or rupture discs in the outer wall. Thus, in a simple manner, in particular high pressure peaks that occur in a pipe break in the heat exchanger, first by the compressible medium be caught without heat transfer or working medium must be discharged to the environment.
Vorzugsweise kommt als kompressibles Medium ein inertes Gas wie zum Beispiel Stickstoff zum Einsatz, das bereits in der Anlage, in die der Wärmetauscher eingebunden ist, verwendet wird. Ein erfindungsgemäß so ausgebildeter Wärmetauscher kommt vorzugsweise in solarthermischen Kraftwerken als Dampferzeuger und/oder als Zwischenüberhitzer zur Anwendung.An inert gas, such as nitrogen, which is already used in the system in which the heat exchanger is incorporated, is preferably used as the compressible medium. A heat exchanger designed in accordance with the invention is preferably used in solar thermal power plants as a steam generator and / or as a reheater.
Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:The invention will now be explained by way of example with reference to the following figures. Show it:
Der in
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Dampferzeugers, bei der vorteilhafterweise zudem die Kanalwandung
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmetauscher kann dabei nicht nur, wie zuvor beschrieben als Dampferzeuger bei solarthermischen Kraftwerken zum Einsatz kommen, sondern beispielsweise auch als Zwischenüberhitzer, solange der Wärmetauscher so ausgebildet ist, dass das kompressible Medium nicht direkt mit den Rohren in Berührung kommt und nicht wesentlich die Strömung des Wärmeträgermediums beeinflusst. Wesentlich bei jeder Ausführungsart ist letztendlich, dass mittels eines solchen erfindungsgemäß bereit gestellten kompressiblen Mediums im Wärmetauscher, ein Druckausgleich bei einem plötzlichen Druckanstieg infolge einer Leckage der Rohre herbeigeführt werden kann. Alternativ könnte ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmetauscher auch als Großwasserraumkessel ausgebildet sein, wobei hier im Gegensatz zum Durchlaufdampferzeuger das Wärmeträgermedium W hier innerhalb der Rohre des Heizflächenpakets
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