DE102013113302A1

DE102013113302A1 - Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung, Solarthermiekraftwerk und Bausatz für eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung

Info

Publication number: DE102013113302A1
Application number: DE102013113302.9A
Authority: DE
Inventors: Simon Ströder; Torsten Baumann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Um eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem ersten Medium auf ein zweites Medium zu schaffen, welche einfach und robust ausgebildet ist, wird vorgeschlagen, dass die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung eine Fluidführung für das erste Medium und eine Fluidführung und/oder eine Aufnahme für das zweite Medium umfasst, wobei die Fluidführung für das erste Medium mehrere gerade Leitungselemente und mehrere gekrümmte Leitungselemente umfasst, wobei mittels der geraden Leitungselemente und mittels der gekrümmten Leitungselemente ein Fluidführungspfad gebildet ist, welcher zumindest abschnittsweise an die Fluidführung und/oder an die Aufnahme für das zweite Medium angrenzt und/ oder zumindest abschnittsweise innerhalb der Fluidführung und/oder innerhalb der Aufnahme für das zweite Medium verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung.
Eine solche Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung kann insbesondere in einem Solarthermiekraftwerk verwendet werden. Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung dient dabei insbesondere der Übertragung von Wärme von einem rieselfähigen Schüttgut, welches mittels Solarstrahlung erhitzt wurde, auf ein Prozessmedium einer Turbinenvorrichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung bereitzustellen, welche einfach und robust ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem ersten Medium auf ein zweites Medium gelöst, wobei die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung eine Fluidführung für das erste Medium und eine Fluidführung und/oder eine Aufnahme für das zweite Medium umfasst, wobei die Fluidführung für das erste Medium mehrere gerade Leitungselemente und mehrere gekrümmte Leitungselemente umfasst, wobei mittels der geraden Leitungselemente und mittels der gekrümmten Leitungselemente ein Fluidführungspfad gebildet ist, welcher zumindest abschnittsweise an die Fluidführung und/oder an die Aufnahme für das zweite Medium angrenzt und/oder zumindest abschnittsweise innerhalb der Fluidführung und/oder innerhalb der Aufnahme für das zweite Medium verläuft.
Dadurch, dass die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung mehrere gerade Leitungselemente und mehrere gekrümmte Leitungselemente umfasst, kann die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung einfach und robust ausgebildet sein. Insbesondere können eine Vielzahl von einfach herstellbaren Gleichteilen zur Herstellung der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung verwendet werden.
Günstig kann es sein, wenn mittels der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung die Vorteile eines Rohrbündelwärmeübertragers und die Vorteile eines Keramik-Plattenwärmeübertragers kombinierbar sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die geraden Leitungselemente und/oder die gekrümmten Leitungselemente ein keramisches Material umfassen oder aus einem keramischen Material gebildet sind.
Als keramisches Material kann beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) vorgesehen sein. Ein solches Material hat insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen geringen Hohlraumanteil und/oder eine hohe Temperaturbeständigkeit.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann als Material für die geraden Leitungselemente und/oder die gekrümmten Leitungselemente eine Aluminiumoxidkeramik vorgesehen sein.
Die geraden Leitungselemente und/oder die gekrümmten Leitungselemente sind vorzugsweise aus einem abrasionsbeständigen und/oder mediendichten Material, insbesondere Keramikmaterial, gebildet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die geraden Leitungselemente und die gekrümmten Leitungselemente mittels Kalottenverbindungen und/oder mittels Steckverbindungen miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist eine mediendichte Verbindung ohne Zusatzelemente möglich. Hierzu weisen die geraden Leitungselemente und/oder die gekrümmten Leitungselemente vorzugsweise hochgenau bearbeitete Dichtflächen auf.
Günstig kann es sein, wenn die Fluidführung für das erste Medium Leitungselemente umfasst, welche jeweils ein oder zwei kalottenförmige Aufnahmen und/oder jeweils ein oder zwei kalottenförmige Vorsprünge umfassen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Fluidführung für das erste Medium Leitungselemente umfasst, welche jeweils ein oder zwei Steckvorsprünge und/oder jeweils ein oder zwei Steckaufnahmen umfassen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass jedes Leitungselement jeweils eine Aufnahme und einen Vorsprung umfasst.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass beispielsweise die geraden Leitungselemente jeweils zwei Vorsprünge aufweisen, während die gekrümmten Leitungselemente jeweils zwei Aufnahmen aufweisen. Entsprechend kann alternativ vorgesehen sein, dass die gekrümmten Leitungselemente jeweils zwei Vorsprünge aufweisen, während die geraden Leitungselemente jeweils zwei Aufnahmen aufweisen.
Die Vorsprünge sind vorzugsweise mit den Aufnahmen in Eingriff bringbar, insbesondere zur Herstellung der Kalottenverbindungen und/oder der Steckverbindungen.
Die Aufnahmen und/oder die Vorsprünge sind insbesondere in Endbereichen der Leitungselemente angeordnet, insbesondere an den Enden der Leitungselemente ausgebildet.
Die Leitungselemente sind insbesondere Rohrelemente.
Vorzugsweise sind die Leitungselemente gerade oder gekrümmte zylindrische Rohrelemente.
Zur Ausbildung der Kalottenverbindungen weisen die Leitungselemente insbesondere kugelkalottenförmige Anfasungen auf.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Fluidführungspfad der Fluidführung für das erste Medium im Wesentlichen mäanderförmig ausgebildet ist.
Vorzugsweise sind gerade Leitungselemente und gekrümmte Leitungselemente alternierend angeordnet, insbesondere längs des Fluidführungspfads alternierend angeordnet.
Die gekrümmten Leitungselemente sind vorzugsweise im Wesentlichen halbringförmig ausgebildet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Fluidführungspfad des ersten Mediums die Fluidführung und/oder die Aufnahme für das zweite Medium mehrfach kreuzt und/oder durchquert.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das durch die Fluidführung für das zweite Medium geführte Fluid mehrere Leitungselemente der Fluidführung für das erste Medium im Betrieb der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung umströmt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass benachbart zueinander angeordnete Leitungselemente gleichzeitig in einander entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmbar sind.
Die gekrümmten Leitungselemente bilden vorzugsweise Strömungsumlenkelemente, mittels welchen das erste Medium in einer Strömungsrichtung aus einem geraden Leitungselement abführbar und in einer dieser Strömungsrichtung entgegengesetzten weiteren Strömungsrichtung einem weiteren geraden Leitungselement zuführbar ist.
Die geraden Leitungselemente und die gekrümmten Leitungselemente sind vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden.
Die geraden Leitungselemente und die gekrümmten Leitungselemente können dabei einerseits ohne Zusatzelemente unmittelbar aneinander festlegbar sein.
Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung ein oder mehrere Verbindungselemente umfasst, mittels welchen die geraden Leitungselemente und die gekrümmten Leitungselemente, insbesondere lösbar, miteinander verbindbar sind.
Als Verbindungselemente können insbesondere Abstützelemente, Schellenelemente, Flanschverbindungselemente, Spannelemente, etc. vorgesehen sein.
Günstig kann es sein, wenn die Verbindungselemente aus einem thermisch isolierenden Material gebildet oder mit einem thermisch isolierenden Material versehen sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung eine Kühlvorrichtung umfasst, insbesondere um Verbindungselemente zur Verbindung der geraden Leitungselemente mit den gekrümmten Leitungselementen zu kühlen.
Die Fluidführung für das erste Medium umfasst vorzugsweise mehrere nacheinander mit dem ersten Medium durchströmbare Leitungselemente, welche bezüglich der Schwerkraftrichtung übereinander angeordnet sind, so dass das erste Medium entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben führbar ist.
Die Fluidführung und/oder die Aufnahme für das zweite Medium umfasst vorzugsweise ein Rohrelement, welches bezüglich der Schwerkraftrichtung von oben nach unten mit dem zweiten Medium durchströmbar ist.
Durch diese Art der Durchströmung der Fluidführung für das erste Medium und der Fluidführung für das zweite Medium kann insbesondere eine Kreuz-Gegenstrom-Schaltung der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung ermöglicht werden.
Aber auch unabhängig von der Schwerkraftrichtung kann vorzugsweise eine Kreuz-Gegenstrom-Schaltung ermöglicht werden, beispielsweise dadurch, dass mehrere nacheinander mit dem ersten Medium durchströmbare Leitungselemente, insbesondere gerade Leitungselemente, längs oder entgegen einer Strömungsrichtung des zweiten Mediums nacheinander angeordnet sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das erste Medium ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, Gas oder Dampf, ist oder umfasst.
Das zweite Medium ist vorzugsweise ein Fluid, insbesondere ein fließfähiges oder rieselfähiges Material, beispielsweise eine Schüttung aus rieselfähigen Teilchen im festen Aggregatzustand. Ferner kann vorgesehen sein, dass das zweite Medium ein Fluid, insbesondere ein fließfähiges oder rieselfähiges Material, beispielsweise eine Schüttung aus rieselfähigen Teilchen im festen Aggregatzustand, umfasst.
Das erste Medium ist insbesondere Wasser.
Das zweite Medium ist insbesondere eine rieselfähige Schüttung aus Keramikteilchen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Aufnahme und/oder die Fluidführung für das zweite Medium Aufnahmeabschnitte zur Aufnahme eines oder mehrerer Leitungselemente umfasst, wobei die Aufnahmeabschnitte insbesondere Durchtrittsöffnungen in Wandungen der Aufnahme und/oder der Fluidführung sind, in welchen die Leitungselemente verschiebbar und/oder nachgiebig gelagert sind.
Die Durchtrittsöffnungen sind insbesondere mittels radialen Abdichtungen, beispielsweise mittels Glimmerdichtungen, abgedichtet. Auf diese Weise kann ein unerwünschtes Heraustreten von dem zweiten Medium aus der Aufnahme und/ oder der Fluidführung für das zweite Medium verhindert werden.
Vorzugsweise sind die Leitungselemente der Fluidführung für das erste Medium und ein Rohrelement der Fluidführung für das zweite Medium mechanisch voneinander entkoppelt.
Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Solarthermiekraftwerk.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Solarthermiekraftwerk, welches eine Solarkollektorvorrichtung zur Aufnahme von Sonnenstrahlung zur Erhitzung eines Wärmeträgermediums, eine Turbinenvorrichtung zur Umwandlung von Wärme in mechanische und/oder elektrische Energie und eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung, insbesondere eine erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung, umfasst.
Das erfindungsgemäße Solarthermiekraftwerk weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Vorzugsweise ist das Wärmeträgermedium als zweites Medium der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung zuführbar.
Mittels der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung ist vorzugsweise Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das erste Medium übertragbar, welches zum Antreiben der Turbinenvorrichtung zu der Turbinenvorrichtung zuführbar ist.
Das erste Medium ist insbesondere Wasser, welches in der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung verdampft wird.
Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung eignet sich insbesondere zur Übertragung von Wärme bei sehr hohen Temperaturen, insbesondere mindestens ungefähr 600 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 800 °C oder sogar mindestens ungefähr 1000 °C.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Bausatz für eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung.
Der erfindungsgemäße Bausatz umfasst vorzugsweise mehrere gerade keramische Leitungselemente und mehrere gekrümmte keramische Leitungselemente zur Herstellung einer Fluidführung für ein erstes Fluid.
Ferner umfasst der Bausatz vorzugsweise eine Aufnahme und/oder eine Fluidführung für ein zweites Fluid, an welcher die geraden Leitungselemente und/oder die gekrümmten Leitungselemente anordenbar, insbesondere lösbar festlegbar, sind.
Mittels des Bausatzes kann vorzugsweise eine erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung hergestellt werden.
Der Bausatz weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung und/oder dem erfindungsgemäßen Solarthermiekraftwerk beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner können die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung, das erfindungsgemäße Solarthermiekraftwerk und/oder der erfindungsgemäße Bausatz für eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweisen.
Vorzugsweise eignet sich die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung zur Wärmeübertragung oberhalb derjenigen Temperaturbereiche, welche mit metallischen Wärmeübertragervorrichtungen erzielbar sind.
Die Leitungselemente der Fluidführung für das erste Medium sind vorzugsweise kraftschlüssig und vorzugsweise nicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Hierdurch können die Leitungselemente insbesondere zur Reinigung derselben einfach voneinander entfernt und erneut zusammengebaut werden.
Eine Kreuz-Gegenstrom-Schaltung weist vorzugsweise eine höhere Effektivität auf als eine reine Kreuzstrom-Schaltung.
Die Kreuz-Gegenstrom-Schaltung ist insbesondere durch den mäanderförmigen Fluidführungspfad der Fluidführung für das erste Medium umsetzbar.
Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung kann insbesondere eine Wanderbett-Wärmeübertragervorrichtung zur Wärmeauskopplung nach einem solaren Partikelreceiver sein.
Zur Abdichtung der Fluidführung für das erste Medium gegenüber der Fluidführung für das zweite Medium, insbesondere im Bereich von Durchtrittsöffnungen in Wandungen der Aufnahme und/oder der Fluidführung für das zweite Medium können Glimmerdichtungen und/oder Keramikschnurdichtungen vorgesehen sein.
Mittels der Leitungselemente ist insbesondere eine variable Verschaltung der Fluidführung für das erste Medium möglich.
Vorzugsweise weist die Fluidführung für das erste Medium eine Vielzahl von im Wesentlichen identisch ausgebildeten geraden Leitungselementen und eine Vielzahl von im Wesentlichen identisch ausgebildeten gekrümmten Leitungselementen auf.
Vorzugsweise kann die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung in der Kraftwerkstechnik als Partikelwärmeübertrager in Wirbelschichten oder Wanderbetten, zum Beispiel für eine Wärmeauskopplung bei solar oder fossil erhitzten Prozessen, Verwendung finden.
Ferner können Anwendungen mit Staub beladenen Strömungen, beispielsweise extern befeuerte Gasturbinen, vorgesehen sein.
Ferner kann die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung als Kondensator und/oder Verdampfer genutzt werden.
Auch in Gießereien oder zur Wärmerückgewinnung, beispielsweise aus heißen Abgasen, kann die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung Verwendung finden.
Zudem kann die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung allgemein in der chemischen Industrie, insbesondere bei der Verwendung von korrosiven Medien, Anwendung finden.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II in 1;
3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs III in 2;
4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IV in 1;
5 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung;
6 eine alternative Möglichkeit zur Verbindung von Leitungselementen einer Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung; und
7 eine weitere alternative Möglichkeit zur Verbindung von Leitungselementen einer Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 4 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung dient der Übertragung von Wärme von einem ersten Medium auf ein zweites Medium.
Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 kann insbesondere in einem als Ganzes mit 102 bezeichneten Solarthermiekraftwerk Verwendung finden.
Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 umfasst eine Fluidführung 104 für das erste Medium und eine Fluidführung 106 für das zweite Medium.
Die Fluidführung 104 für das erste Medium umfasst mehrere Leitungselemente 108, welche beispielsweise aus einem keramischen Material gebildet sind.
Die Leitungselemente 108 sind zudem insbesondere mediendicht ausgebildet. Das erste Medium kann somit vorzugsweise nicht unerwünscht durch Wandungen 110 der Leitungselemente 108 nach außen dringen.
Vorzugsweise umfasst die Fluidführung 104 für das erste Medium gerade Leitungselemente 108g und gekrümmte Leitungselemente 108k. Insbesondere sind mehrere im Wesentlichen identisch ausgebildete gerade Leitungselemente 108g und mehrere im Wesentlichen identisch ausgebildete gekrümmte Leitungselemente 108k vorgesehen.
Die Leitungselemente 108 sind insbesondere gerade oder gekrümmte Rohrelemente 112, so dass in einem Innern der Leitungselemente 108 das erste Medium geführt werden kann.
Die gekrümmten Leitungselemente 108k sind insbesondere halbringförmig ausgebildet und dienen als Strömungsumlenkelemente 114 zum Umlenken einer Strömungsrichtung 116 des ersten Mediums innerhalb der Fluidführung 104.
Mittels der Leitungselemente 108 ist insbesondere ein Fluidführungspfad 118 der Fluidführung 104 für das erste Medium gebildet.
Der Fluidführungspfad 118 ist insbesondere im Wesentlichen mäanderförmig ausgebildet.
Die Leitungselemente 108 können insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise sind jedoch kraftschlüssige Verbindungen zwischen den Leitungselementen 108 vorgesehen.
Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, sind hierzu insbesondere Abstützelemente 120 vorgesehen, mittels welchen die gekrümmten Leitungselemente 108k in Richtung der geraden Leitungselemente 108g gedrückt werden können.
Die Enden 122 der Leitungselemente 108 weisen Aufnahmen 124 und/oder Vorsprünge 126 auf.
Vorzugsweise sind mittels der Enden 122 der Leitungselemente 108 Kalottenverbindungen 128 und/oder Steckverbindungen 130 gebildet.
Beispielsweise weist ein Ende 122 eines Leitungselements 108 eine kugelkalottenförmige Anfasung 132 auf, mittels welcher eine Aufnahme 124, insbesondere eine Steckaufnahme 134, gebildet ist.
Ein Ende 122 eines weiteren Leitungselements 108 weist vorzugsweise einen hierzu korrespondierenden Vorsprung 126, insbesondere einen Steckvorsprung 136, auf.
Vorzugsweise ist auch der Vorsprung 126 mit einer entsprechend ausgebildeten kugelkalottenförmigen Anfasung 132 versehen.
Die komplementär zueinander ausgebildeten kugelkalottenförmigen Anfasungen 132 ermöglichen insbesondere eine zuverlässige Anlage der Enden 122 der Leitungselemente 108 aneinander.
Insbesondere kann hierdurch eine Abdichtung der Leitungselemente 108 auch ohne zusätzliches Dichtelement realisiert werden.
Zudem ermöglicht die Verwendung von derartigen kugelkalottenförmigen Anfasungen 132 einen automatischen Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen.
Die Abstützelemente 120 zur kraftschlüssigen Verbindung der Leitungselemente 108 miteinander können beispielsweise an einer Wandung 138 der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 vorgesehen sein.
Die Abstützelemente 120 weisen vorzugsweise thermische Isolationselemente 140 auf, um eine unerwünschte Wärmeübertragung von den Leitungselementen 108 auf die Wandung 138 der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 zu minimieren.
Die Fluidführung 106 für das zweite Medium ist insbesondere als ein Rohrelement 142 ausgebildet.
Die Fluidführung 106 kann dabei insbesondere der tatsächlichen Hindurchleitung des zweiten Mediums oder aber auch nur der Aufnahme des zweiten Mediums dienen.
Die Fluidführung 106 ist dann insbesondere eine Aufnahme 144 für das zweite Medium.
Das Rohrelement 142 der Fluidführung 106 für das zweite Medium umfasst eine Wandung 146, welche mit mehreren Aufnahmeabschnitten 148 versehen ist.
Die Aufnahmeabschnitte 148 dienen insbesondere der Aufnahme von Leitungselementen 108, insbesondere geraden Leitungselementen 108g, der Fluidführung 104 für das erste Medium.
Die Aufnahmeabschnitte 148 sind insbesondere als Durchtrittsöffnungen 150 ausgebildet.
Durch diese Durchtrittsöffnungen 150 sind im montierten Zustand der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 die geraden Leitungselemente 108g hindurchgeführt.
Um ein unerwünschtes Entweichen von dem zweiten Medium aus einem Innenraum 152 des Rohrelements 142 zu vermeiden, sind vorzugsweise Abdichtelemente 154 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 150 vorgesehen.
Die Abdichtelemente 154 sind insbesondere radial abdichtende Abdichtelemente 154.
Vorzugsweise dienen diese Abdichtelemente 154 zugleich der thermischen Isolation. Die Abdichtelemente 154 sind somit vorzugsweise auch Isolationselemente 156.
Die Abdichtelemente 154 können insbesondere Glimmerdichtungen oder Keramikschnurdichtungen sein.
Insbesondere durch die kraftschlüssige Verbindung der Leitungselemente 108 kann eine einfache Montage und Demontage der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100, insbesondere der Fluidführung 104 für das erste Medium, erfolgen.
Mittels mehrerer gerader Leitungselemente 108g und mehrerer gekrümmter Leitungselemente 108k ist insbesondere ein Bausatz 158 zur Herstellung einer Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100, insbesondere einer Fluidführung 104 für das erste Medium, bereitstellbar.
Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 lässt sich insbesondere dadurch herstellen, dass zunächst die geraden Leitungselemente 108g durch die Durchtrittsöffnungen 150 in dem Rohrelement 142 der Fluidführung 106 für das zweite Medium hindurchgeführt werden.
Im Anschluss daran werden die gekrümmten Leitungselemente 108k auf die geraden Leitungselemente 108g aufgesetzt und mittels der Abstützelemente 120 fixiert.
Die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Wie insbesondere 1 zu entnehmen ist, kann das erste Medium in einer ersten Strömungsrichtung 116 und bezüglich der Schwerkraftrichtung g an einem unteren Ende der Fluidführung 104 in die Fluidführung 104 eingebracht werden.
Das erste Medium, beispielsweise Wasser, strömt dann längs der Strömungsrichtung 116 innerhalb eines geraden Leitungselements 108g durch das Rohrelement 142 der Fluidführung 106 für das zweite Medium hindurch und wird dabei von dem durch das Rohrelement 142 strömenden zweiten Medium erhitzt.
Nach Durchströmen des geraden Leitungselements 108g gelangt das erste Medium zu einem ersten gekrümmten Leitungselement 108k, mittels welchem die Strömungsrichtung 116 umgekehrt wird, so dass das erste Medium mittels eines weiteren geraden Leitungselements 108g erneut durch den Innenraum 152 des Rohrelements 142 hindurchführbar ist.
Bei der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 wird das erste Medium insgesamt fünfmal durch den Innenraum 152 des Rohrelements 142 hindurchgeführt, um das erste Medium zu erhitzen.
Da die geraden Leitungselemente 108g, durch welche das erste Medium nacheinander hindurchgeführt wird, bezüglich der Schwerkraftrichtung g übereinander angeordnet sind und da die Fluidführung 106 für das zweite Medium in der Schwerkraftrichtung g von oben nach unten mit dem zweiten Medium durchströmt wird, ergibt sich ein Kreuz-Gegenstrom des ersten Mediums und des zweiten Mediums.
Hierdurch kann eine besonders effiziente Wärmeübertragung von dem zweiten Medium auf das erste Medium erfolgen.
Eine in 5 dargestellte zweite Ausführungsform einer Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass lediglich vier gerade Leitungselemente 108g vorgesehen sind, so dass das erste Medium den Innenraum 152 des Rohrelements 142 der Fluidführung 106 für das zweite Medium nur viermal durchquert.
Eine Einströmseite 160 der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 bildet daher zugleich eine Ausströmseite 162.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In den 6 und 7 sind verschiedene alternative Möglichkeiten zur Verbindung der Leitungselemente 108 miteinander vorgesehen.
Gemäß 6 ist beispielsweise eine Flanschverbindung 164 vorgesehen.
Die Enden 122 der Leitungselemente 108 umfassen vorzugsweise Materialverdickungen 166, an welchen Ringflansche 168 anlegbar sind.
Mittels Schraubverbindungen 170 sind diese Ringflansche 168 gegeneinander ziehbar.
Dabei sind zugleich die Leitungselemente 108 aufeinanderzu bewegbar und relativ zueinander festlegbar.
Gemäß 7 ist eine Schellenverbindung 172 zur Verbindung der Leitungselemente 108 vorgesehen.
Materialverdickungen 166 an den Enden 122 der Leitungselemente 108 werden hierbei insbesondere mittels eines Schellenelements 174 umgeben, um die Enden 122 der Leitungselemente 108 aufeinanderzu zu bewegen und die Leitungselemente 108 somit relativ zueinander festzulegen.
Die in den 6 und 7 dargestellten Möglichkeiten zur Verbindung der Leitungselemente 108 können alternativ oder ergänzend zu der Möglichkeit zur Verbindung der Leitungselemente 108 gemäß der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 vorgesehen sein.
Dadurch, dass bei den beschriebenen Ausführungsformen von Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtungen 100 stets mehrere gerade Leitungselemente 108g und mehrere gekrümmte Leitungselemente 108k vorgesehen sind, mittels welchen eine Fluidführung 104 für das erste Medium herstellbar oder gebildet ist, kann eine robuste Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung 100 einfach hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

100: Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung
102: Solarthermiekraftwerk
104: Fluidführung für das erste Medium
106: Fluidführung für das zweite Medium
108: Leitungselement
108g: gerades Leitungselement
108k: gekrümmtes Leitungselement
110: Wandung der Leitungselemente
112: Rohrelement
114: Strömungsumlenkelement
116: Strömungsrichtung
118: Fluidführungspfad
120: Abstützelement
122: Ende
124: Aufnahme
126: Vorsprung
128: Kalottenverbindung
130: Steckverbindung
132: kugelkalottenförmige Anfasung
134: Steckaufnahme
136: Steckvorsprung
138: Wandung der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung
140: thermisches Isolationselement
142: Rohrelement
144: Aufnahme für das zweite Medium
146: Wandung des Rohrelements
148: Aufnahmeabschnitt
150: Durchtrittsöffnung
152: Innenraum
154: Abdichtelement
156: Isolationselement
158: Bausatz
160: Einströmseite
162: Ausströmseite
164: Flanschverbindung
166: Materialverdickung
168: Ringflansch
170: Schraubverbindung
172: Schellenverbindung
174: Schellenelement
g: Schwerkraftrichtung

Claims

Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) zur Übertragung von Wärme von einem ersten Medium auf ein zweites Medium, umfassend eine Fluidführung (104) für das erste Medium und eine Fluidführung (106) und/oder eine Aufnahme (144) für das zweite Medium, wobei die Fluidführung (104) für das erste Medium mehrere gerade Leitungselemente (108g) und mehrere gekrümmte Leitungselemente (108k) umfasst, wobei mittels der geraden Leitungselemente (108g) und mittels der gekrümmten Leitungselemente (108k) ein Fluidführungspfad (118) gebildet ist, welcher zumindest abschnittsweise an die Fluidführung (106) und/oder an die Aufnahme (144) für das zweite Medium angrenzt und/oder zumindest abschnittsweise innerhalb der Fluidführung (106) und/oder innerhalb der Aufnahme (144) für das zweite Medium verläuft.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leitungselemente (108g) und/oder die gekrümmten Leitungselemente (108k) ein keramisches Material umfassen oder aus einem keramischen Material gebildet sind.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leitungselemente (108g) und die gekrümmten Leitungselemente (108k) mittels Kalottenverbindungen (128) und/oder mittels Steckverbindungen (130) miteinander verbunden sind.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführung (104) für das erste Medium Leitungselemente (108) umfasst, welche ein oder zwei kalottenförmige Aufnahmen (124) und/oder ein oder zwei kalottenförmige Vorsprünge (126) umfassen.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidführungspfad (118) im Wesentlichen mäanderförmig ausgebildet ist.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidführungspfad (118) des ersten Mediums die Fluidführung (106) und/oder die Aufnahme (144) für das zweite Medium mehrfach kreuzt und/oder durchquert.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zueinander angeordnete Leitungselemente (108) gleichzeitig in einander entgegengesetzten Strömungsrichtungen (116) durchströmbar sind.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Leitungselemente (108k) Strömungsumlenkelemente (114) bilden, mittels welchen das erste Medium in einer Strömungsrichtung (116) aus einem geraden Leitungselement (108g) abführbar und in einer dieser Strömungsrichtung (116) entgegengesetzten weiteren Strömungsrichtung (116) einem weiteren geraden Leitungselement (108g) zuführbar ist.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leitungselemente (108g) und die gekrümmten Leitungselemente (108k) formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) ein oder mehrere Verbindungselemente (120, 168, 174) umfasst, mittels welchen die geraden Leitungselemente (108g) und die gekrümmten Leitungselemente (108k), insbesondere lösbar, miteinander verbindbar sind.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführung (104) für das erste Medium mehrere nacheinander mit dem ersten Medium durchströmbare Leitungselemente (108) umfasst, welche bezüglich der Schwerkraftrichtung (g) übereinander angeordnet sind, so dass das erste Medium entgegen der Schwerkraftrichtung (g) nach oben führbar ist, und dass die Fluidführung (106) und/oder die Aufnahme (144) für das zweite Medium ein Rohrelement (112) umfasst, welches bezüglich der Schwerkraftrichtung (g) von oben nach unten mit dem zweiten Medium durchströmbar ist.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, Gas oder Dampf, ist oder umfasst und dass das zweite Medium ein Fluid, insbesondere ein fließfähiges oder rieselfähiges Material, beispielsweise eine Schüttung aus rieselfähigen Teilchen im festen Aggregatzustand, ist oder umfasst.
Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (144) und/oder die Fluidführung (106) für das zweite Medium Aufnahmeabschnitte (148) zur Aufnahme eines oder mehrerer Leitungselemente (108) umfasst, wobei die Aufnahmeabschnitte (148) insbesondere Durchtrittsöffnungen (150) in Wandungen (146) der Aufnahme (144) und/oder der Fluidführung (106) sind, in welchen die Leitungselemente (108) verschiebbar und/oder nachgiebig gelagert sind.
Solarthermiekraftwerk (102), umfassend eine Solarkollektorvorrichtung zur Aufnahme von Sonnenstrahlung zur Erhitzung eines Wärmeträgermediums, eine Turbinenvorrichtung zur Umwandlung von Wärme in mechanische und/oder elektrische Energie und eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Wärmeträgermedium als zweites Medium der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) zuführbar ist und wobei mittels der Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das erste Medium übertragbar ist, welches zum Antreiben der Turbinenvorrichtung zu der Turbinenvorrichtung zuführbar ist.
Bausatz (158) für eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100), insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmeübertragervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend: – mehrere gerade keramische Leitungselemente (108g) und mehrere gekrümmte keramische Leitungselemente (108k) zur Herstellung einer Fluidführung (104) für ein erstes Fluid; – eine Aufnahme (144) und/oder eine Fluidführung (106) für ein zweites Fluid, an welcher die geraden Leitungselemente (108g) und/oder die gekrümmten Leitungselemente (108k) anordenbar, insbesondere lösbar festlegbar, sind.