-
Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums, umfassend
einen Verdampferabschnitt und einen Überhitzerabschnitt, in welchem
dampfförmiges
Wärmeträgermedium überhitzbar
ist, wobei dem Überhitzerabschnitt
ein Latentwärmespeicher
vorgeschaltet ist, durch den Wärmeträgermedium
führbar
ist.
-
Die
Erfindung betrifft ferner einen Latentwärmespeicher zur Anordnung vor
einem Überhitzerabschnitt
und/oder in einem Überhitzerabschnitt
einer solchen Anlage.
-
Aus
der
US 2,933,885 ist
ein wärmeabsorbierendes
Akkumulatorsystem bekannt, welches einen isolierten Wärmeakkumulator
aufweist. Ein wärmeakkumulierendes
festes Medium ist innerhalb des Akkumulators angeordnet.
-
Aus
der
DE 41 21 460 C2 ist
ein Wärmespeichersystem
bekannt, welches eine Wärmequelle
und einen Wärmespeicher
umfasst. Der Wärmespeicher weist
einen das Wärmetransportmedium
kondensiert in Form eines Flüssigkeitsbades speichernden Ruths-Speicher
auf. Ferner ist eine Dampfkraftmaschine als Wärmesenke vorgesehen, wobei
eine Wärmeübertragung
mittels eines Wärmetransportmediums
erfolgt. Die Dampfkraftmaschine ist mit überkritischem Dampf des Wärmetransportmediums betrieben.
-
Aus
der
DE 39 32 988 C2 ist
eine Wärmespeichereinheit
bekannt, die einen Behälter
mit Öffnungen
zum Durchleiten eines fluiden Wärmeträgermediums
und einen innerhalb des Behälters
angeordneten Wärmespeicherkörper aufweist.
Der Wärmespeicherkörper umfasst
mindestens einen porösen
keramischen Formkörper,
in den ein Latentwärmespeichermaterial
eingebracht ist. Er ist von dem fluiden Wärmeträgermedium durchströmbar.
-
Aus
der
DE 196 18 684
A1 ist ein Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie
bekannt, bei dem durch Wärmezufuhr
geschmolzenes und heißes
Speichermaterial unter Ausnutzung der gespeicherten sensiblen Wärme auf
Umgebungstemperatur abgekühlt
wird. Danach kann die Erstarrungsenthatie im flüssigen Zustand über einen
beliebig langen Zeitraum ohne Wärmeverluste
gespeichert werden. Erst bei Energiebedarf erfolgt die Aktivierung
des Speichermaterials, die zur Kristallisation und damit Freisetzung
der thermischen Energie führt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei der sich auf einfache Weise thermische Energie speichern
lässt.
-
Diese
Aufgabe wird bei der Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Latentwärmespeicher
als Trennvorrichtung für
das dampfförmige
Wärmeträgermedium
und das flüssige
Wärmeträgermedium
ausgebildet ist und dass mindestens ein Durchströmungsrohr des Latentwärmespeichers,
durch das das Wärmeträgermedium
strömt,
so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich in ihm eine Zweiphasenströmung ausbilden kann,
wobei das mindestens eine Durchströmungsrohr mit seiner Rohrachse
bezogen auf die Schwerkraftrichtung im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist
und der Massenstrom an Wärmeträgermedium durch
das mindestens eine Durchströmungsrohr
so eingestellt ist, dass sich aufgrund Schwerkraftwirkung eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden kann.
-
Ein
Latentwärmespeicher
ist mit einem Phasenwechselmedium versehen, welches beispielsweise
einen Phasenwechsel von fest in flüssig bzw. flüssig in
fest durchführt.
Um einen Phasenwechsel von fest in flüssig durchführen zu können, muß thermische Energie aufgebracht
werden. Bei der Kondensation von der flüssigen Phase in die feste Phase wird
diese thermische Energie (latente Wärme) wieder freigesetzt. Im
Gegensatz zu sensibler Wärme, bei
der bei einer Temperaturerhöhung
auch die gespeicherte Wärmemenge
erhöht
wird, erfolgt die Speicherung latenter Wärme auf einem konstanten Temperaturniveau.
-
Bei
einem Verdampfungs-Überhitzungs-Prozeß wird ausgehend
von einem flüssigen
Wärmeträgermedium
ein überhitzter
Dampf erzeugt. In einem Zwischenstadium liegt ein Zweiphasengemisch
vor. Das Phasenwechselmedium des Latentwärmespeichers kann Energie bei
konstanter Temperatur aufnehmen, das heißt der Temperaturverlauf kann
dem Temperaturverlauf des verdampften Wärmeträgermediums folgen.
-
Dadurch,
daß erfindungsgemäß ein Latentwärmespeicher
dem Überhitzerabschnitt
vorgeschaltet ist, läßt sich
der Druckverlust in der Anordnung minimieren. Grundsätzlich muß der Druck
des Wärmeträgermediums
beim Beladen höher
liegen als beim Entladen, da beim Beladen die Kondensationstemperatur über dem
Schmelzpunkt des Phasenwechselmediums liegen muß, während beim Entladen die Siedetemperatur
des Wärmeträgermediums
unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmediums liegt.
Der Druck in dem Speicherabschnitt des Latentwärmespeichers, in dem das Schmelzen
des Phasenwechselmediums erfolgt, ist gegenüber dem Eintrittsdruck des
Wärmeträgermediums
nur um den Druckverlust im Verdampferabschnitt reduziert.
-
Dadurch
lässt sich
die Druckerhöhung,
mit der das Wärmeträgermedium
eingekoppelt wird, minimieren. Dies wiederum hat zur Folge, dass
das Druckniveau wenig gesteigert werden muss und deshalb die Anlage
nicht für
einen höheren
Druck ausgelegt werden muss, was wiederum die Investitionskosten
verringert.
-
Der
Latentwärmespeicher
ist als Trennvorrichtung für
dampfförmiges
Wärmeträgermedium
und flüssiges
Wärmeträgermedium
ausgebildet. Dadurch lässt
sich ein thermischer Speicher und ein Abscheider in die gleiche
Vorrichtung integrieren, so dass ein kosteneffektiver Aufbau und
ein kosteneffektiver Betrieb ermöglicht
wird.
-
Ein
Durchströmungsrohr
des Latentwärmespeichers,
durch das Wärmeträgermedium
strömt,
ist so angeordnet und ausgebildet, dass sich in ihm eine Zweiphasenströmung ausbilden
kann. Wenn sich eine Zweiphasenströmung ausbildet, dann kann eine Phasentrennung
erfolgen, das heißt
der Latentwärmespeicher
kann als Abscheider für
die flüssige
Phase wirken.
-
Das
Durchströmungsrohr
ist mit seiner Rohrachse bezogen auf die Schwerkraftrichtung im
wesentlichen horizontal. Weiterhin günstig ist es, wenn der Massenstrom
an Wärmeträgermedium
durch das Durchströmungsrohr
so eingestellt ist, dass sich aufgrund Schwerkraftwirkung eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden
kann. Es kann dadurch auf einfache Weise eine Phasentrennung erfolgen,
indem entsprechend die Dampfphase ausgekoppelt wird und in den Überhitzerabschnitt
eingekoppelt wird und die flüssige
Phase in den Verdampferabschnitt zurückgeführt wird.
-
Günstig ist
es, wenn der Latentwärmespeicher
mit einem Eingang eines Überhitzers
des Überhitzerabschnitts
verbunden ist. Dadurch wird vermieden, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums auf
Siedetemperatur abgesenkt werden muss.
-
Es
ist günstig,
wenn der Latentwärmespeicher
mit einem Ausgang eines Verdampfers des Verdampferabschnitts verbunden
ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher
mit einem Ausgang des Verdampferabschnitts verbunden ist, wobei
es aber auch grundsätzlich
möglich
ist, dass ein Latentwärmespeicher
einem letzten Verdampfer des Verdampferabschnitts vorgeschaltet
ist und beispielsweise zwischen zwei benachbarten Verdampfern des
Verdampferabschnitts sitzt.
-
In
einem Beladungsvorgang nimmt ein Phasenwechselmedium im Latentwärmespeicher
Wärme aus
dem Wärmeträgermedium
auf und in einem Entladungsvorgang gibt ein Phasenwechselmedium
im Latentwärmespeicher
Wärme an
das Wärmeträgermedium
ab.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Latentwärmespeicher so ausgebildet
ist, dass sensible Wärme
speicherbar ist. Bei Verdampfungsprozessen wird für Vorwärmung und Überhitzung
mehr sensible Wärme
benötigt,
als üblicherweise
von dem Phasenwechselmedium eines Latentwärmespeichers aufgenommen werden
kann. Über
entsprechende Ausbildung des Latentwärmespeichers insbesondere mit
einem Speichermaterial für
sensible Wärme
wird gewährleistet,
daß auch
die entsprechende sensible Energie für Vorwärmung und Überhitzung bereitgestellt werden
kann. Es wird also eine zusätzliche
Kapazität
für Wärme, nämlich sensible Wärme, bereitgestellt.
-
Insbesondere
wird dann abgetrenntes flüssiges
Wärmeträgermedium
von dem Latentwärmespeicher
zu einem Eingang des Verdampferabschnitts zurückgeführt. Mit diesem Wärmeträgermedium
läßt sich
beispielsweise eine Vorwärmung
für in den
Verdampferabschnitt eingekoppeltes Wärmeträgermedium erreichen.
-
Vorzugsweise
weist der Latentwärmespeicher
mindestens ein Durchströmungsrohr
für Wärmeträgermedium
auf, welches eingangsseitig an den Verdampferabschnitt gekoppelt
ist und ausgangsseitig an den Überhitzerabschnitt
gekoppelt ist. Durch dieses Durchströmungsrohr läßt sich Wärmeträgermedium dem Latentwärmespeicher
durchführen,
um so den Latentwärmespeicher
zu beladen bzw. zu entladen.
-
Eine
erhöhte
Kapazität
für die
Speicherung sensibler Energie lässt
sich erreichen, wenn das mindestens eine Durchströmungsrohr
von einem Speichermaterial für
sensible Wärme
umgeben ist. Bei dem Speichermaterial handelt es sich beispielsweise um
Beton, in das ein oder mehrere Durchströmungsrohre eingebettet sind.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem mindestens einen Durchströmungsrohr
ein Phasenwechselmedium angeordnet ist, an welchem zur Wärmeaufnahme
aus dem Wärmeträgermedium
und zur Wärmeabgabe
an das Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium
beiströmbar
ist. Dadurch läßt sich
eine Speicherung latenter Wärme
erreichen.
-
Um
eine hohe Kontaktfläche
zur Wärmeaufnahme
durch das Phasenwechselmedium und zur Wärmeabgabe aus dem Phasenwechselmedium
bereitzustellen, ist in dem mindestens einen Durchströmungsrohr
vorzugsweise eine Mehrzahl von beabstandeten Latentwärmespeicherelementen
angeordnet, welche mit einem Phasenwechselmedium versehen sind.
Das Wärmeträgermedium
kann dann an den Latentwärmespeicherelementen
vorbeiströmen, so
daß über den
Seitenbereich der Latentwärmespeicherelemente
Wärme aufgenommen
bzw. abgegeben werden kann.
-
Insbesondere
erstrecken sich die Latentwärmespeicherelemente
in einer Längsrichtung
des mindestens einen Durchströmungsrohrs.
Dadurch wird eine hohe Kontaktfläche
bereitgestellt, wobei die Latentwärmespeicherelemente die Ausbildung
einer Zweiphasenströmung
möglichst
wenig stören.
-
Vorzugsweise
sind die Latentwärmespeicherelemente
parallel ausgerichtet, so daß das
entsprechende Durchströmungsrohr
auch eine große freie
Querschnittsfläche
aufweist.
-
In
diesem Zusammenhang ist es ebenfalls günstig, wenn die Latentwärmespeicherelemente
in dem mindestens einen Durchströmungsrohr
so angeordnet sind, daß an
ihnen jeweils Wärmeträgermedium über den
gesamten Querschnittumfang vorbeiströmbar ist. Dadurch wird eine
hohe Kontaktfäche zur
Wärmeaufnahme
bzw. Wärmeabgabe
bereitgestellt.
-
Um
eine Phasentrennung zwischen Dampfphase und flüssiger Phase in dem Durchströmungsrohr
auf einfache Weise zu erreichen, ist vorteilhafterweise ein bezogen
auf die Schwerkraftrichtung oberer Bereich des mindestens einen
Durchströmungsrohrs,
wenn dieses horizontal ausgerichtet ist, frei von Latentwärmespeicherelementen.
In diesem oberen Bereich befindet sich dann die Dampfphase, die dem Überhitzerabschnitt
zugeführt
wird.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Durchströmungsrohren
vorgesehen ist, welche parallel ausgerichtet sind.
-
Zwischen
den Durchströmungsrohren
ist vorzugsweise Speichermaterial für sensible Wärme angeordnet.
Es läßt sich
dann eine zusätzliche
Kapazität
für die
Wärmespeicherung,
nämlich
für sensible Wärme, erreichen.
Weiterhin werden die Durchströmungsrohre
in dem Latentwärmespeicher
fixiert. Es werden auch Konvektionsströme zwischen den Durchströmungsrohren
verhindert.
-
Es
kann ein Latentwärmespeicher
im Überhitzerabschnitt
angeordnet sein, um auch hier eine Wärmespeicherung und eine Wärmeabgabe
erreichen zu können.
-
Vorteilhafterweise
ist der Latentwärmespeicher
im Überhitzerabschnitt
an den Latentwärmespeicher
gekoppelt, welcher dem Überhitzerabschnitt vorgeschaltet
ist. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß der Latentwärmespeicher,
welcher dem Überhitzerabschnitt
vorgeschaltet ist, Durchströmungsrohre
aufweist und der Latentwärmespeicher
im Überhitzerabschnitt
weitere Durchströmungsrohre
aufweist, wobei die Gesamtzahl der Strömungsrohre vorzugsweise kompakt
angeordnet ist und die den beiden Latentwärmespeichern zugeordneten Durchströmungsrohre
parallel ausgerichtet angeordnet sind.
-
Die
erfindungsgemäße Anlage
ist grundsätzlich
für alle
Verdampfungs- und Überhitzungsprozesse
einsetzbar, wie sie beispielsweise auch bei Kühlprozessen auftreten. Ein
wichtiger Einsatzzweck einer solchen Anlage liegt in der Gewinnung
elektrischer Energie aus thermischer Energie mittels Dampfturbinen.
Dampf kann dabei solarthermisch erzeugt werden. In diesem Fall umfaßt der Verdampferabschnitt
Solarkollektoren, beispielsweise (Parabol-) Rinnenkollektoren.
-
In
diesem Fall weist dann auch der Überhitzerabschnitt
Solarkollektoren auf.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn das Phasenwechselmedium des Latentwärmespeichers an
eine Verdampfungstemperatur des Wärmeträgermediums angepaßt ist.
Dadurch läßt sich
die Druckerhöhung
im System minimieren.
-
Die
erfindungsgemäße Anlage
kann in einem Dampfkraftwerk und insbesondere in einem solarthermischen
Dampfkraftwerk eingesetzt werden.
-
In
diesem Fall ist ein bevorzugtes Wärmeträgermedium Wasser.
-
Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher
bereitzustellen, welcher geeignet ist zur Speicherung thermischer Energie
bei Verdampfungs- und Überhitzungsprozessen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Latentwärmespeicher
zur Anordnung vor einem Überhitzerabschnitt
und/oder in einem Überhitzerabschnitt
einer Anlage zur Verdampfung eines flüssigen Wärmeträgermediums gelöst, wobei
mindestens ein Durchströmungsrohr
für Wärmeträgermedium
vorgesehen ist, in dem eine Mehrzahl von beabstandeten Latentwärmespeicherelementen
mit einem Phasenwechselmedium angeordnet ist und das Wärmeträgermedium
an den Latentwärmespeicherelementen
vorbeiströmbar
ist, und wobei das mindestens eine Durchströmungsrohr von einem Speichermaterial
für sensible
Wärme umgeben
ist.
-
Der
erfindungsgemäße Latentwärmespeicher
weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anlage
erwähnten
Vorteile auf.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Anlage
erläutert.
-
Insbesondere
lässt sich
ein solcher Latentwärmespeicher
als Trennvorrichtung für
flüssiges und
dampfförmiges
Wärmeträgermedium
einsetzen.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines solarthermischen Dampfkraftwerks,
bei dem ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anlage zur
Verdampfung zum Einsatz kommt;
-
2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers;
-
3 eine
vergrößerte Darstellung
des Bereiches A gemäß 2;
und
-
4 ein
Temperatur-Zeit-Diagramm bezüglich
Verdampfung und Überhitzung
des Wärmeträgermediums.
-
Ein
erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk, von
dem ein Ausführungsbeispiel
in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist,
umfasst eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Anlage zur Verdampfung
und Überhitzung
eines flüssigen
Wärmeträgermediums.
-
Bei
dem Wärmeträgermedium
handelt es sich beispielsweise um Wasser.
-
Die
Anlage 12 umfaßt
einen Verdampferabschnitt 14 mit mindestens einem Verdampferstrang, in
dem flüssiges
Wärmeträgermedium
verdampft wird, und einen Überhitzerabschnitt 16 mit
einem Überhitzerstrang,
in dem dampfförmiges
Wärmeträgermedium überhitzt
wird.
-
Ein
Ausgang 18 des Überhitzerabschnitts 16 ist
an eine Dampfturbine 20 gekoppelt, in welcher sich der
Dampf entspannt und durch die Umwandlung von mechanischer Energie
elektrischer Strom erzeugbar ist.
-
Von
der Dampfturbine 20 führt
eine Leitung 22 zu einem Wärmetauscher 24, über den
sich aus der Restwärme
von vor der Dampfturbine 20 abgeführtem Wärmeträgermedium Wärme gewinnen läßt. Von
dem Wärmetauscher 24 führt eine
Leitung 26 zu einem Eingang 28 des Verdampferabschnitts 14.
In der Leitung 26 ist eine Pumpe 30 angeordnet,
so daß Wärmeträgermedium
in einem Wärmeträgermediumkreis 32 (Dampfkreis)
zirkulierbar ist. In den Eingang 28 des Verdampferabschnitts 14 wird
flüssiges
Wärmeträgermedium
eingekoppelt, welches vorzugsweise vorgewärmt ist.
-
Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die primäre Wärmequelle
zur Verdampfung und Überhitzung
des Wärmeträgermediums
Solarenergie. Insbesondere wird das Wärmeträgermedium direkt verdampft.
-
Dazu
umfaßt
der Verdampferabschnitt Verdampfer 34, welche als Solarkollektoren
ausgebildet sind. In diesen Verdampfern 34 wird das Wärmeträgermedium
durch Absorberrohre geführt,
in welchen das Wärmeträgermedium
mit Solarstrahlung beaufschlagt ist, um so Wärme aufzunehmen.
-
Die
Verdampfer 34 sind insbesondere als Rinnenkollektoren ausgebildet,
wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von Rinnenkollektoren hintereinandergeschaltet
angeordnet sind. Es kann auch vorgesehen sein, daß parallele
Verdampferstränge
vorgesehen sind (in der Zeichnung nicht gezeigt).
-
Der Überhitzerabschnitt
umfaßt
seriell angeordnete Überhitzer 36,
wobei insbesondere eine Mehrzahl von Überhitzer vorgesehen ist. Bei
dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein erster Überhitzer 36a und
ein zweiter Überhitzer 36b vorgesehen.
-
Bei
den Überhitzern 36a und 36b handelt
es sich wiederum um Solarkollektoren wie beispielsweise Rinnenkollektoren,
durch die das (dampfförmige) Wärmeträgermedium,
welches von dem Verdampferabschnitt 14 geliefert wird,
in Absorberrohren geführt wird
und das Wärmeträgermedium
Wärme über Solarstrahlungsenergie
aufnimmt.
-
Der Überhitzerabschnitt 16 weist
einen Eingang 38 auf, über
den dampfförmiges
Wärmeträgermedium
von dem Verdampferabschnitt 14 her eingekoppelt wird. Diesem
Eingang 38 ist erfindungsgemäß ein Latentwärmespeicher 40 vorgeschaltet,
mittels dem sich thermische Energie in dem Dampfkraftwerk 10 speichern
läßt.
-
Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Latentwärmespeicher 40 an
einen Ausgang 42 des Verdampferabschnitts 14 gekoppelt.
Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich,
daß der
Latentwärmespeicher 40 im
Verdampferabschnitt 14 angeordnet ist, so daß der Ausgang 42 des
Verdampferabschnitt 14 direkt an den Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16 gekoppelt
ist. In diesem Fall (in der Zeichnung nicht gezeigt) ist der Latentwärmespeicher 40 dann
zwischen benachbarten Verdampfern 34a, 34b angeordnet.
-
Wie
unten noch näher
erläutert,
ist der Latentwärmespeicher 40 erfindungsgemäß als Trennvorrichtung 44 (als
Abscheider) für
Wärmeträgermedium
ausgebildet, über
die sich die dampfförmige Phase
und die flüssige
Phase des Wärmeträgermediums
trennen lassen. Die Dampfphase wird dem Überhitzerabschnitt 16 zugeführt. Flüssiges Wärmeträgermedium
wird von der Trennvorrichtung 44 über eine Leitung 46 zu
dem Eingang 28 des Verdampferabschnitts 14 zurückgeführt, so
daß das
flüssige Wärmeträgermedium
wiederum den Verdampferabschnitt 14 durchlaufen kann. Dadurch
ist sichergestellt, daß der
Dampfturbine 20 nur dampfförmiges Wärmeträgermedium zugeführt wird
mit einem minimierten Flüssigkeitsanteil.
-
In
der Leitung 46 ist eine Pumpe 48 zum Rücktransport
des flüssigen
Wärmeträgermediums angeordnet.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel,
bei welchem der Latentwärmespeicher 40 in
dem Verdampferabschnitt 14 angeordnet ist, ist vorzugsweise
eine separate Trennvorrichtung zwischen dem Verdampferabschnitt 14 und
dem Überhitzerabschnitt 16 vorgesehen,
um flüssiges
Wärmeträgermedium
abscheiden zu können
(in der Zeichnung nicht gezeigt).
-
Der
Latentwärmespeicher 40 umfaßt, wie
in 2 schematisch gezeigt, eine Mehrzahl von parallel
ausgerichteten Durchströmungsrohren 50.
Die Durchströmungsrohre 50 sind
dabei eingangsseitig an den Ausgang 42 des Verdampferabschnitts 14 gekoppelt
und ausgangsseitig an den Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16.
-
Vorzugsweise
ist ein Verteiler 52 vorgesehen (1), welcher
einen Eingang 54 aufweist, der an den Verdampferabschnitt 14 gekoppelt
ist. Dieser Verteiler 52 verteilt dann das Wärmeträgermedium, welches
von dem Verdampferabschnitt 14 geliefert wird, auf die
einzelnen Durchströmungsrohre
des Latentwärmespeichers 40.
-
Ferner
ist ein Sammler 56 vorgesehen, welcher einen Ausgang 58 aufweist.
Dieser Ausgang 58 wiederum ist an den Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16 gekoppelt.
Der Sammler 56 sammelt das dampfförmige Wärmeträgermedium, welches nach Durchströmung der
Durchströmungsrohre 50 geliefert
wird und stellt dieses dem Eingang 38 des Überhitzerabschnitts 16 bereit.
-
Die
Durchströmungsrohre 50 sind
in dem Latentwärmespeicher 40 in
ein Speichermaterial 60 für sensible Wärme eingebettet,
das heißt,
jedes Durchströmungsrohr 50 ist
von einem solchen Speichermaterial 60 umgeben. Bei diesem
Speichermaterial 60 kann es sich beispielsweise um Beton
handeln. Es dient dazu, wie unten noch näher erläutert wird, die Speicherkapazität des Latentwärmespeichers 40 bezüglich der
Speicherung von sensibler Wärme
zu erhöhen.
Weiterhin wird dadurch die Strukturstabilität des Latentwärmespeichers 40 erhöht und Konvektionsströmungen zwischen
den Durchströmungsrohre werden
verhindert.
-
Insbesondere
ist zwischen jeweils benachbarten Durchströmungsrohren 50a, 50b Speichermaterial 60 angeordnet.
-
Die
Durchströmungsrohre 50 weisen
eine Erstreckung in einer Längsrichtung 62 auf,
wobei diese Längserstreckung
vorzugsweise linear ist, das heißt eine Rohrachse ist eine
Gerade. Beispielsweise sind die Durchströmungsrohre 50 zylindrisch
ausgebildet mit einer Rohrwand 64, welche entsprechend
auf das Druckniveau des Wärmeträgermediums,
welche durch das jeweilige Durchströmungsrohr 50 durchströmt, ausgelegt
ist.
-
In
den Durchströmungsrohren 50 ist
eine Mehrzahl von Latentwärmespeicherelementen 66 angeordnet
(3).
-
Die
Latentwärmespeicherelemente 66 erstrecken
sich in einer Längsrichtung,
welche vorzugsweise parallel zu der jeweiligen Rohrachse des Durchströmungsrohrs 50 ist.
Sie sind in einem Innenraum 68 des jeweiligen Durchströmungsrohrs 50 angeordnet.
-
Die
Latentwärmespeicherelemente 66 sind mit
einem Phasenwechselmedium 70 versehen, welches bei den
relevanten Temperaturen einen Phasenwechsel durchführt, um
latente Wärme
aufnehmen zu können
bzw. latente Wärme
abgeben zu können.
Das Phasenwechselmedium 70 ist dabei in einem beispielsweise
rohrförmigen
Behälter 72 eingeschlossen.
Ein solcher Behälter 72 hat
eine Rohrachse, welche parallel zu der Rohrachse des jeweiligen Durchströmungsrohrs 50 orientiert
ist. In einem Innenraum des Behälters 72 sitzt
dann das Phasenwechselmedium 70.
-
Die
Latentwärmespeicherelemente 66 sind beabstandet
in dem Innenraum 68 des entsprechenden Durchströmungsrohrs 50 angeordnet,
so daß Wärmeträgermedium
um einen gesamten Querschnittsumfang jedes einzelnen Latentwärmespeicherelements 66 an
den Latentwärmespeicherelementen 66 vorbeiströmen kann.
Dadurch wird eine große
(Wärme-)
Kontaktfläche
für das
Phasenwechselmedium 70 bereitgestellt, so daß eine gute
Wärmeaufnahme
des Phasenwechselmediums aus dem Wärmeträgermedium bzw. eine gute Wärmeabgabe von
dem Phasenwechselmedium auf das Wärmeträgermedium gewährleistet
ist.
-
Der
Latentwärmespeicher 40 ist
vorzugsweise horizontal ausgerichtet angeordnet, so daß die Längsrichtung 62 parallel
zur Horizontalen bezogen auf die Schwerkraftrichtung 74 ist.
Dadurch kann sich, wie unten noch näher erläutert wird, eine Zweiphasenströmung in
dem Durchströmungsrohr 50 ausbilden
und insbesondere eine Zweiphasen-Schichtenströmung. Dadurch wiederum läßt sich dampfförmige Phase
und flüssige
Phase trennen.
-
Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, daß in einem
bezogen auf die Schwerkraftrichtung 74 oberen Bereich 76 des
Innenraums 68 der Durchströmungsrohre 50 keine
Latentwärmespeicherelemente 66 liegen.
Dieser obere Bereich 76 ist dabei ein Bereich, welcher
oberhalb einer Phasengrenze 78 zwischen flüssiger Phase 80 und
Dampfphase 82 des Wärmeträgermediums
liegt, sofern Wärmeträgermedium
in dem geeigneten Massestrom durch den Latentwärmespeicher 40 transportiert
wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verdampfungs-
und Überhitzungsverfahren
funktioniert wie folgt:
Dem Verdampferabschnitt 14 wird
flüssiges
Wärmeträgermedium
zugeführt,
das zuvor vorgewärmt
wurde (die entsprechende Vorwärmeinrichtung
ist in 1 nicht gezeigt). In dem Verdampferabschnitt 14 erwärmt sich
dann das Wärmeträgermedium
weiter und verdampft; dies ist in dem Temperatur-Zeit-Diagramm gemäß 4 durch
die Kurve 84 angedeutet. Im Bereich der Kurve 84 ist
das Wärmeträgermedium noch
flüssig.
-
Die
gewählten
Temperaturen und Drücke sind
dabei so, daß eine
Dampfturbine betreibbar ist. Beispielsweise liegt der Druckbereich
im Bereich zwischen 30 bis 100 bar. Das Wärmeträgermedium wird bei einer Temperatur,
die beispielsweise bei ca. 300 °C
liegt, isotherm verdampft. Dies ist durch die Kurve 86 angedeutet.
Im Bereich der Kurve 86 liegt im Verdampferabschnitt 14 Flüssigkeit
und Dampf vor (Zweiphasengebiet).
-
In
den Überhitzerabschnitt 16 wird
dampfförmiges
Wärmeträgermedium
einphasig eingekoppelt und der Dampf wird überhitzt. Dies ist durch die
Kurve 88 angedeutet. Der überhitzte Dampf wird dann der
Dampfturbine 20 auf dem Druckarbeitspunkt und dem Temperaturarbeitspunkt
der Dampfturbine 20 zugeführt. Beispielsweise liegt dieser
Temperaturarbeitspunkt im Bereich zwischen 400 °C und 540 °C.
-
Das
Phasenwechselmedium 70 ist so ausgewählt, daß seine Phasenwechseltemperatur
an die Verdampfungstemperatur (Kurve 86) angepaßt ist.
-
Das
Phasenwechselmedium wird so gewählt,
daß die
Phasenwechseltemperatur auf dem Temperaturniveau der Kurve 86 (4)
liegt. Ein Latentwärmespeicher 40 ist
deswegen besonders gut geeignet, da eben die Wärmeenergie bei einer konstanten
Temperatur, nämlich
der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmediums 70,
aufgenommen wird. Der Temperaturverlauf des Phasenwechselmediums 70 folgt
also im Zweiphasenbereich (im Bereich der Kurve 86 in 4)
dem Temperaturverlauf des verdampften Wärmeträgermediums.
-
Ein
Beispiel für
ein geeignetes Phasenwechselmedium ist Natriumnitrat.
-
Das
Druckniveau des Wärmeträgermediums bei
Eintritt in den Verdampferabschnitt 14 ist so gewählt, daß es oberhalb
des Druckarbeitspunktes der Dampfturbine 20 liegt. Beim
Beladen des Latentwärmespeichers 40 muß die Siedetemperatur
des Wärmeträgermediums über der
Schmelztemperatur des Phasenwechselmediums 70 liegen und
beim Entladen muß die
Siedetemperatur des Wärmeträgermediums
unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmediums 70 liegen,
so daß diese
Druckerhöhung
notwendig ist. Sie ist aber durch das erfindungsgemäße Vorsehen
des Latentwärmespeichers 40 aufgrund
seiner Vorschaltung vor den Überhitzerabschnitt 16 minimierbar.
In einem Bereich des Latentwärmespeichers 40,
in welchem ein Schmelzen des Phasenwechselmediums 70 erfolgt,
ist der Druck gegenüber
dem Eintrittsdruck nur um den Druckverlust des Verdampferabschnitts 14 reduziert. Es
muß kein überhitzter
Dampf auf Siedetemperatur abgekühlt
werden, was entsprechend hohe Druckverluste mit sich führen würde.
-
Das
in dem Verdampferabschnitt 14 erhitzte Wärmeträgermedium
wird dann durch die Durchströmungsrohre 50 des
Latentwärmespeichers 40 geführt.
-
Die
Durchströmungsrohre 50 haben
einen typischen Durchmesser in der Größenordnung 100 mm. Der Massenstrom
an Wärmeträgermedium,
welches durch die einzelnen Durchströmungsrohre 50 strömt, ist
so eingestellt, daß sich
in den jeweiligen Durchströmungsrohren 50 unter
Wirkung der Schwerkraft eine Zweiphasen-Schichtenströmung ausbilden
kann. Durch die entsprechende Formgebung der Latentwärmespeicherelemente 66 kann noch
dafür gesorgt
werden, daß die
Wellenbildung ("wavy
flow") reduziert
wird.
-
Es
findet dann in den jeweiligen Durchströmungsrohren 50 eine
Phasentrennung statt, das heißt
es bildet sich die Phasengrenze 78. Die flüssige Phase
kann dann am Ende der Durchströmungsrohre 50 aus
dem unteren Bereich der Durchströmrohre 56 entnommen
werden und über
die Leitung 46 zurückgeführt werden,
während
die Dampfphase 82 aus dem oberen Bereich dem Überhitzerabschnitt 16 zugeführt wird.
-
Für die Durchströmungsrohre 50 des
Latentwärmespeichers 40 lassen
sich verschiedene Zustände
unterscheiden:
- 1. Das Wärmeträgermedium in dem Durchströmungsrohr 50 liegt
auf einer unteren Prozeßtemperatur
und es findet keine Durchströmung
statt. Dementsprechend ist der Latentwärmespeicher 40 auch
nicht geladen.
- 2. Die Temperatur in dem Durchströmungsrohr 50 liegt
unterhalb der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmediums 70.
Flüssiges
Wärmeträgermedium
durchströmt
das jeweilige Durchströmungsrohr 50.
Es wird Energie in der Form von sensibler Wärme gespeichert.
- 3. Ein Zweiphasengemisch durchströmt den Latentwärmespeicher 40.
Die Temperatur in dem Durchströmungsrohr 50 liegt
oberhalb der Phasenwechseltemperatur, wobei das Phasenwechselmedium 70 aufgeschmolzen
wird, aber noch nicht vollständig
geschmolzen ist.
In dem Durchströmungsrohr 50 findet
eine Trennung in die flüssige
und dampfförmige
Phase statt. Flüssiges
Wärmeträgermedium
läßt sich
abscheiden.
- 4. Das Phasenwechselmedium 70 ist vollständig geschmolzen,
wobei man unterhalb einer maximalen Prozeßtemperatur liegt. Wärmeträgermedium
tritt überhitzt
in den Latentwärmespeicher 40 ein.
- 5. Die Temperatur in dem Durchströmungsrohr 50 und dem
umgebenden Speichermaterial 60 für sensible Wärme ist
so, daß die
maximale Prozeßtemperatur
erreicht ist. Im Durchströmungsrohr 50 wird überhitzter
Dampf bei Maximaltemperatur eingespeichert. Dieser eingespeicherte
Dampf wird als kurzfristige Reserve genutzt. Das System ist geladen.
-
Die
einzelnen Durchströmungsrohre 50 durchlaufen
die oben genannten fünf
Stadien nacheinander, wobei in dem gleichen Latentwärmespeicher 40 Durchströmungsrohre
vorhanden sein können, die
sich in unterschiedlichen Zuständen
befinden.
-
Zu
Beginn eines Ladungsvorgangs überwiegen
die Durchströmungsrohrmodule,
bei denen die unter Ziffer 1 genannten Bedingungen herrschen, während am
Ende eines Beladungsvorgangs bei geladenem Latentwärmespeicher 50 die
Durchströmungsrohrmodule
mit den Bedingungen gemäß Ziffer
5 vorherrschen.
-
Bei
konstanter Leistungsaufnahme bleibt die Anzahl der Durchströmungsrohre
mit den Zuständen gemäß Ziffern
2, 3 und 4 im wesentlichen konstant.
-
Beim
Entladen des Latentwärmespeichers 40 werden
die genannten Schritte umgekehrt durchlaufen und es können verschiedene
Zustände
unterschieden werden. Zu Beginn eines Entladevorgangs ist die Anzahl
der Durchströmungsrohre 50 mit
den Bedingungen gemäß Ziffer
1 gering. Wärmeträgermedium
wird durch Durchströmungsrohre
mit den Bedingungen gemäß Ziffer
2 auf Siedetemperatur gebracht und anschließend wird das Wärmeträgermedium
in Durchströmungsrohren
mit den Bedingungen gemäß Ziffer
3 verdampft. Die Überhitzung
erfolgt dann in Durchströmungsrohren,
in denen die Bedingungen gemäß Ziffer
4 und 5 herrschen.
-
Beim
Beladen finden, wie erwähnt,
Vorgänge,
die in den Zuständen
gemäß den Ziffern
1 bis 5 resultieren, zeitgleich statt. Damit liegen Durchströmungsrohrmodule
vor, in denen zeitgleich die genannten Bedingungen herrschen, wobei
zu bestimmten Zeiten bestimmte Gruppen dominieren.
-
Damit
die genannten unterschiedlichen Bedingungen erzielbar sind, weist
der Latentwärmespeicher 40 eine
Modulbauweise auf, welche durch die Anordnung der Mehrzahl von Durchströmungsrohren 50 bereitgestellt
ist.
-
Es
kann auch ein Latentwärmespeicher 90 in dem Überhitzerabschnitt 16 angeordnet
sein.
-
Grundsätzlich ist
es möglich,
daß der
Latentwärmespeicher 90 ein
von dem Latentwärmespeicher 40 getrennter
Speicher ist. Es ist jedoch auch möglich, daß die beiden Latentwärmespeicher 40 und 90 in
dem gleichen Gehäuse
angeordnet sind.
-
Der
Latentwärmespeicher 40 wird
dann mit Hilfe einer ersten Gruppe von Durchströmungsrohren gebildet, während der
Latentwärmespeicher 90 mit Hilfe
einer zweiten Gruppe von Durchströmungsrohren gebildet ist, Dieser
kombinierte Latentwärmespeicher
kann so konstruiert sein, wie in 2 gezeigt
und in diesem Zusammenhang beschrieben. Der entsprechende Verteiler 52 und
Sammler 56 ist dann so ausgebildet, daß eben auch Wärmeträgermedium
aus dem Überhitzerabschnitt 16 durch
entsprechende Durchströmungsrohre
durchführbar
ist.