DE10208487A1 - Verfahren zur Nutzung der Wärme hocherhitzter Heißluft - Google Patents

Verfahren zur Nutzung der Wärme hocherhitzter Heißluft

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Abstract

Ein Solarturmkraftwerk weist einen auf einem Turm (10) montierten luftdurchströmten Strahlungsreceiver (11) auf, der Heißluft an einen Heißluft-Sand-Wärmetauscher (16) liefert. Darin wird Sand durch Wärmeaustausch mit der Heißluft aufgewärmt und einem Heißspeicher (21) zugeführt. Der Heißspeicher (21) ist mit einem Sand-Luft-Wärmetauscher (25) verbunden, in welchem der Sand seine Wärme an unter hohem Druck stehende Luft abgibt. Die so aufgeheizte Luft wird der Brennkammer (38) einer Gasturbine (39) zugeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Wärme hocherhitzter Heißluft sowie ein Solarturmkraftwerk mit einem hocherhitzte Heißluft liefernden Strahlungsreceiver.
  • In der älteren (nicht vorveröffentlichten) Patentanmeldung DE 101 49 806 ist ein Solarturmkraftwerk beschrieben. Bei einem Solarturmkraftwerk konzentriert ein Heliostatfeld aus Spiegeln, die dem Sonnenstand nachgeführt sind, die solare Strahlung auf einen Strahlungsreceiver, der auf einem Turm angeordnet ist. Ein volumetrischer Strahlungsreceiver besteht aus einem luftdurchlässigen porösen Material mit großer volumenbezogener Oberfläche, in dem die konzentrierte Solarstrahlung absorbiert wird, wobei das Material sich auf Temperaturen erwärmt, die über 1000°C liegen können. Durch das poröse Material wird Umgebungsluft gesaugt, welche sich dabei um entsprechend hohe Temperaturen erwärmt. Durch die konvektive Übertragung der Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium Luft wird das Receivermaterial gekühlt. Die heiße Luft wird einem nachgeschalteten Wärmekraftprozess zugeführt und beispielsweise zur Dampferzeugung benutzt.
  • Eine Schwierigkeit besteht darin, von der hocherhitzten Luft, die eine Temperatur in der Größenordnung von 1000°C haben kann, die Wärme so abzuführen, dass sie technisch nutzbar ist. Es gibt kaum Baumaterialien, die den hohen Lufttemperaturen standhalten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nutzung der Wärme von hocherhitzter Heißluft anzugeben, mit dem es gelingt, die Wärme der hocherhitzten Luft mit hohem Wirkungsgrad und in technisch einfach zu realisierender Weise an einen Wärmeverbraucher zu übertragen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren der im Patentanspruch 1 angegebenen Art. Dieses Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
    • - Wärmeabgabe von der hocherhitzten Heißluft an rieselfähigen Sand in einem Heißluft-Sand-Wärmetauscher,
    • - Wärmeabgabe von dem Sand an unter mindestens 20 bar stehende Druckluft,
    • - Zuführen der erwärmten Druckluft zu der Brennkammer einer Gasturbine.
  • Hierbei wird der solarerhitzte Sand, der im wesentlichen drucklos ist und allenfalls einem Förderdruck ausgesetzt wird, in ein Druckluftsystem eingebracht. Durch die Erhitzung der Druckluft wird der Gesamtwirkungsgrad um 10 bis 15% höher als im Falle der Aufheizung atmosphärischer Luft. Außer einer Erhöhung des Wirkungsgrades ergibt sich eine erhebliche Verringerung der Anlagenkosten wegen des geringeren Luftvolumens.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass zunächst eine Wärmeübertragung von der hocherhitzten Heißluft auf rieselfähigen Sand erfolgt. Die Energiedichte von Sand, insbesondere Quarzsand, ist um den Faktor 1000 höher als die Energiedichte der hocherhitzten Luft. Hieraus folgt, dass die notwendigen Dimensionen der Rohre geringer sind als bei Lufttransport. Durch die Erhöhung der Energiedichte von heißer Luft zu heißem Sand ist es möglich, dass die nachgeschalteten Komponenten gekühlt werden können, was kostengünstigere Bauweisen ermöglicht. Dies beruht darauf, dass die spezifischen Oberflächen in der Größenordnung der Zunahme der Energiedichte abnehmen und somit die Kühlleistung und damit die Energieverluste klein werden.
  • Der Sand wird als Wärmeenergieträgermedium zwischen der hocherhitzten unkomprimierten Heißluft und der Druckluft benutzt. Quarzsand ist inkompressibel, sodass beim Eintrag in ein Drucksystem keine Kompressionsarbeit geleistet werden muss. Der Wärmeübergang zwischen Luft und Sand ist sehr hoch und kann technisch bei geringen Druckverlusten realisiert werden.
  • Die Verwendung von Sand als Energieträgermedium ermöglicht auch eine Energiespeicherung, wobei ein Heißspeicher vorgesehen sein kann, in dem der aufgeheizte Sand so lange gespeichert wird, bis seine Wärme benötigt wird.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Solarturmkraftwerk mit einem auf einem Turm montierten luftdurchströmten Strahlungsreceiver, der Heißluft an einen Heißluft-Sand-Wärmetauscher zum Aufheizen von rieselfähigem Sand liefert. Dieses Solarturmkraftwerk weist erfindungsgemäß einen Sand-Luft-Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme des aufgeheizten Sandes an druckbeaufschlagte Luft auf.
  • Unter hocherhitzter Heißluft wird im Rahmen der Erfindung Luft mit einer Temperatur von mehr als 650°C, insbesondere von mehr als 800°C, verstanden. Unter druckbeaufschlagter Luft bzw. Druckluft wird Luft von mehr als 20 bar, insbesondere mehr als 30 bar, vorzugsweise von mehr als 40 bar, verstanden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasturbine ein Abhitzekessel nachgeschaltet ist, der Speisewasser einer Dampfturbine aufheizt. Auf diese Weise kann die Abwärme der Gasturbine zur Dampferzeugung innerhalb eines gekoppelten Dampfkraftprozesses benutzt werden, welcher aus den wesentlichen Komponenten Abhitzekessel, Dampfturbine, Kondensator und Speisewasserpumpe besteht. Im Abhitzekessel wird jedoch nur ein Teil der Vorwärmung des Frischdampfes und des überhitzten Dampfes für die Dampfturbine erzeugt.
  • Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Prinzipschaubild einer ersten Ausführungsform eines Solarturmkraftwerkes mit nachgeschaltetem Gasturbinenkreislauf und Dampfturbinenkreislauf,
  • Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Heißluft-Sand-Gegenstromwärmetauschers, und
  • Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Heißluft-Sand- Gegenstromwärmetauschers.
  • Gemäß Fig. 1 weist das Solarturmkraftwerk einen Turm 10 auf, auf dem ein Strahlungsreceiver 11 angeordnet ist. Der Strahlungsreceiver 11 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Material, insbesondere Keramik, das porös und somit luftdurchlässig ist. Auf den Strahlungsreceiver fällt Solarstrahlung 12, die von einem auf der Erde angeordneten Heliostatfeld auf den Stahlungsreceiver reflektiert und gebündelt wird. Der Strahlungsreceiver 11 ist ein thermischer Absorber, der von der Solarstrahlung 12 auf Temperaturen von über 1000°C erwärmt wird. Ein Gebläse 13 saugt durch eine Leitung 14 Luft durch den Strahlungsreceiver 11 hindurch. Infolge der Saugwirkung wird kalte Außenluft 15 in den Strahlungsreceiver eingesaugt, wo sie sich erwärmt. Die Heißluft gelangt durch Leitung 14 in einen Heißluft-Sand-Gegenstromwärmetauscher 16 und verlässt diesen nach Abkühlung durch eine Leitung 17. Die Luft wird dann als abgekühlte Luft 18 mit einer Temperatur, die höher ist als diejenige der Außenluft 15, vor die Ansaugfläche des Strahlungsreceivers 11 geblasen.
  • Die Luft wird dem Heißluft-Sand-Wärmetauscher 16 als Heißluft von unten zugeführt. Im Innenraum des Wärmetauschers 16 steigt die heiße Luft auf. In den Innenraum des Heißluft-Sand-Wärmetauschers 16 mündet eine Sandleitung 20, durch die kalter Sand zugeführt wird, der in dem Innenraum im Gegenstrom zu der aufsteigenden Heißluft herabsinkt. Dabei gibt die Heißluft ihre Wärme an den Sand ab. Der auf diese Weise erhitzte Sand fällt in einen Heißspeicher 21, der im unteren Bereich des Turmes 10 angeordnet ist. Der Heißspeicher 21 ist ein Behälter, der mit hitzebeständigem Material ausgekleidet ist und in dem der Sand mit einer Temperatur von beispielsweise 800°C enthalten ist.
  • Aus dem Heißspeicher 21 kann der heiße Sand durch eine Sandleitung 22 an einen Sand-Luft-Wärmetauscher 25 abgegeben werden, der Bestandteil eines Gasturbinenkreislaufs 19 ist. Der Sand- Luft-Wärmetauscher 25 ist ebenfalls ein Gegenstromwärmetauscher, in dem der Sand unter Schwerkraftwirkung herabrieselt, während unter hohem Druck stehende Luft aufsteigt und dabei Wärme von dem heißen Sand annimmt. Am Boden des Sand-Luft-Wärmetauschers 25 wird der Sand über eine Sandleitung 26 abgeführt und einem Fließbettkühler 27 zugeführt. Der Fließbettkühler enthält Wärmetauscherschlangen 28, 29, die von einem flüssigen oder dampfförmigen Wärmeträgermedium durchströmt werden und einen Verdampfer bzw. Überhitzer bilden. An diese Wärmetauscherschlangen gibt der Sand seine restliche Wärme ab. Durch eine Sandleitung 30 wird der kalte Sand von dem Sandkühler 27 zu einem Kaltspeicher 31 übertragen, in dem kalter Sand mit einer Temperatur von beispielsweise 150°C bereit gehalten wird. Der Auslass 32 des Kaltspeichers 31 ist mit der Sandleitung 20 verbunden. In der Sandleitung 20 ist eine (nicht dargestellte) Fördereinrichtung zur Förderung des Sandes mit Hilfe von Luft enthalten. Der Sand wird somit in einem geschlossenen Kreislauf gefördert, welcher den Heißspeicher 21, den Kaltspeicher 31 sowie den Heißluft-Sand-Wärmetauscher 16 enthält.
  • Dem Sand-Luft-Wärmetauscher 25 wird über eine Druckluftleitung 35 druckbeaufschlagte Luft zugeführt, die von einem Verdichter 36 aus der Umgebungsluft angesaugt und auf einen Druck von über 40 bar verdichtet wurde. Der Sand-Luft-Wärmetauscher 25 steht unter diesem hohen Luftdruck. Die Druckluft wird dem Wärmetauscher von unten zugeführt und verlässt ihn an seiner Oberseite, wobei sie im Gegenstrom zu dem herabrieselnden Sand strömt und dabei erwärmt wird. Dem Sand-Luft-Wärmetauscher ist ein Entstauber 36 in Form eines Zyklons nachgeschaltet. Der aus der Druckluft abgeschiedene Staub wird über eine Staubleitung 33 der Sandleitung 26 zugeführt.
  • Die heiße Druckluft wird über eine Druckluftleitung 37 der Brennkammer 38 einer Gasturbine 39 als Verbrennungsluft zugeführt.
  • Die Auslaßleitung 40 der Gasturbine 39 ist mit einem Abhitzekessel 41 verbunden. Der Abhitzekessel 41 ist ein Wärmetauscher, der die Restwärme der Gasturbine an einen Dampfturbinenkreislauf 45 abgibt, welcher in geschlossenem Kreislauf eine Dampfturbine 46, einen Kondensator 47, eine Speisewasserpumpe 48 und eine zum Abhitzekessel 41 gehörende Heizschlange 49 enthält.
  • In dem Drucksystem des Sand-Luft-Wärmetauschers 25 wird die vom Verdichter 36 kommende Druckluft im Gegenstrom vom erhitzten Sand auf etwa 800°C erwärmt. Mit dem Druckniveau steigt der spezifische Wirkungsgrad der Gasturbine 39 und sinkt die Baugröße der Anlage. Die Gasturbine 39 treibt einen (nicht dargestellten) Generator zur Erzeugung elektrischer Energie.
  • Die Dampferzeugung verteilt sich optional auf den Fließbettkühler 27 und den Abhitzekessel 41. Im Fließbettkühler 27 wird der Sand aus einem Temperaturniveau zwischen 400 und 600°C zur Dampferzeugung auf 80 bis 150°C abgekühlt, bevor er dem Kaltspeicher 31 zugeführt wird. Der Fließbettkühler 27 kann entweder druckbeaufschlagt oder drucklos betrieben werden. Demnach kann eine Druckschleuse alternativ vor oder hinter dem Fließbettkühler 27 angeordnet sein. Die Druckschleuse bewirkt, dass die betreffende Sandleitung z. B. die Sandleitung 26, drucklos ist.
  • Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Heißluft-Sand-Wärmetauschers 16. Dieser weist ein aufrechtstehendes zylindrisches Gehäuse 51 auf, das unten einen trichterförmigen Boden 52 hat, von dem eine vertikale Leitung 53 in das obere Ende des Heißspeichers 21 führt. Das Dach 54 des Behälters 31 enthält einen Kaltluft-Sammelraum 55. In den unteren Bereich des Behälters 51 führt die Heißluftleitung 14 hinein. In dem Behälter 51 befindet sich ein horizontales Lochblech 57 zur gleichmäßigen Verteilung der aufsteigenden Heißluftströmung über den gesamten Behälterquerschnitt. Die aufsteigende Heißluft gibt ihre Wärme an den herabrieselnden Sand ab und verlässt den Behälter als Kaltluft durch das obere Behälterende. Der Sand wird durch die Sandleitung 20 in das obere Ende des Behälters 51 eingeleitet und dort mit Sanddüsen verteilt, aus denen er herabrieselt. Der Sand sinkt ausschließlich unter Schwerkraftwirkung im freien Fall im Behälter 51 herab und wird von dem Boden 52 in die Heißsandleitung 53 geleitet.
  • In Fig. 3 ist ein Heißluft-Sand-Wärmetauscher 16 dargestellt, der im Innern eines zylindrischen senkrechten Gehäuses 51 mehrere schräge Leitbleche 60 aufweist, die eine aus Schrägflächen bestehende Kaskade bilden, auf der der Sand 61, der durch die Sandleitung 20 zugeführt wird, herabfällt. Zwischen jeweils zwei Leitblechen befindet sich eine Strecke freien Falls 62, in der der Sand herabrieselt. Die Leitbleche 60 haben eine solche Schräge, dass der Sand auf ihnen gleitet. Nach dem Verlassen des letzten Leitblechs 60 fällt der Sand auf den trichterförmigen Boden 62 von wo er in die Heißsandleitung 53 geleitet wird. Während des Absinkens in dem Gehäuse 51 wird der Sand 61 durch die aufsteigende Heißluft zunehmend im Gegenstrom erhitzt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Nutzung der Wärme von hocherhitzter Heißluft, mit den Schritten
- Wärmeabgabe von der Heißluft an rieselfähigen Sand in einem Heißluft-Sand-Wärmetauscher (16),
- Wärmeabgabe von dem Sand an unter mindestens 20 bar stehende Druckluft,
- Zuführen der erwärmten Druckluft zu der Brennkammer (38) einer Turbine (39).
2. Solarturmkraftwerk mit einem auf einem Turm (10) montierten luftdurchströmten Strahlungsreceiver (11), der Heißluft an einen Heißluft-Sand-Wärmetauscher (16) zum Aufheizen von rieselfähigem Sand liefert, und mit einem Sand-Luft-Wärmetauscher (25) zur Abgabe von Wärme des aufgeheizten Sandes an druckbeaufschlagte Luft.
3. Solarturmkräftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sand-Luft-Wärmetauscher (25) ein Entstauber (36) nachgeschaltet ist.
4. Solarturmkraftwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand-Luft-Wärmetauscher (25) druckbeaufschlagte Heißluft an eine Gasturbine (39) liefert.
5. Solarturmkraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasturbine (39) ein Abhitzekessel (41) nachgeschaltet ist, der Speisewasser einer Dampfturbine (46) aufheizt.
6. Solarturmkraftwerk nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand-Luft-Wärmetauscher (25) mit einem Fließbettkühler (27) in Reihe geschaltet ist.
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