DE202014101401U1 - Thermal storage device - Google Patents

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Abstract

Wärmespeichereinrichtung mit einem Speicherraum (16) für ein sensibles Speichermaterial und einem Wärmetauscher (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) für einen Wärmetausch zwischen einem gasförmigen oder flüssigen Primär-Wärmeträgermedium und einem gasförmigen Zwischen-Wärmeträgermedium, insbesondere Wasserdampf, ausgestaltet ist, und dass der Speicherraum (16) mit der Zwischen-Wärmeträgermedium-Seite des Wärmetauschers (18) derart fluidverbunden ist, dass der Speicherraum (16) zur Beladung/Erwärmung von darin vorgesehenem sensiblem Speichermaterial in Feststoffform mit dem Zwischen-Wärmeträgermedium, das in dem Wärmetauscher erhitzt wurde, durchströmt werden kann.Heat storage device with a storage space (16) for a sensitive storage material and a heat exchanger (18), characterized in that the heat exchanger (18) for a heat exchange between a gaseous or liquid primary heat transfer medium and a gaseous intermediate heat transfer medium, in particular water vapor, is configured in that the storage space (16) is fluidly connected to the intermediate heat transfer medium side of the heat exchanger (18) in such a way that the storage space (16) for loading / heating therein the sensitive storage material provided in solid form with the intermediate heat transfer medium contained in the heat transfer medium Heat exchanger was heated, can be flowed through.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichereinrichtung mit einem Speicherraum für ein sensibles Speichermaterial und einem Wärmetauscher. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftwerk, insbesondere ein solarthermisches Kraftwerk, mit einem Energieerzeuger zur Erwärmung eines Primär-Wärmeträgermediums und einem Verbraucher, der mit dem Energieerzeuger durch eine Primär-Wärmeträgermedium-Leitung verbunden ist.The present invention relates to a heat storage device having a storage space for a sensitive storage material and a heat exchanger. Furthermore, the invention relates to a power plant, in particular a solar thermal power plant, with an energy generator for heating a primary heat transfer medium and a consumer, which is connected to the energy generator by a primary heat transfer medium line.
  • Erneuerbare oder regenerative Energiequellen gelten, neben einer höheren Energieeffizienz, als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik. Zu ihnen zählen Wasserkraft, Windenergie, Sonnenenergie, Erdwärme und nachwachsende Rohstoffe. Dabei kommt der Nutzung der Sonnenenergie eine besondere Bedeutung zu, da diese gerade in südlichen Ländern nahezu unbeschränkt zur Verfügung stehen. Zur Nutzung der Sonnenenergie kommen solarthermische Kraftwerke, welche die Wärme der Sonne über Absorber (Receiver) als primäre Energiequelle verwenden, und Fotovoltaikanlagen, in denen Sonnenstrahlung unmittelbar zur Stromerzeugung genutzt werden, zum Einsatz. Solarthermische Kraftwerke erreichen je nach Bauart höhere Wirkungsgrade als Fotovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße. Sie sind auch nur in besonders sonnenreichen Regionen der Erde wirtschaftlich einsetzbar. Der Vorteil von solarthermischen Kraftwerken liegt jedoch darin, dass sich im Vergleich zu Fotovoltaikanlagen ein Energiespeicher kostengünstig integrieren lässt.Renewable or regenerative energy sources, along with higher energy efficiency, are the most important pillar of a sustainable energy policy. They include hydro, wind, solar, geothermal and renewable resources. The use of solar energy is of particular importance, since these are almost unlimited available in southern countries. For the use of solar energy solar thermal power plants, which use the heat of the sun via absorbers (receivers) as a primary source of energy, and photovoltaic systems, in which solar radiation are used directly for power generation, are used. Solar thermal power plants achieve higher efficiencies than photovoltaic systems depending on the design, but have higher operating and maintenance costs and require a certain minimum size. They are only economically usable in particularly sunny regions of the earth. The advantage of solar thermal power plants, however, lies in the fact that an energy storage device can be integrated cost-effectively in comparison with photovoltaic systems.
  • Solarthermische Kraftwerke verwenden grundsätzlich fokussierende Reflektorflächen, um einfallendes Sonnenlicht auf einen Absorber (Receiver) zu bündeln. Dabei kommen beispielsweise Parabolrinnen-Kollektoren zum Einsatz. Diese bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 m. In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben, so dass dieses erhitzt wird. Alternativ werden auch Fresnel-Spiegel-Kollektoren oder Parabolid-Spiegel-Kollektoren verwendet.Solar thermal power plants basically use focusing reflector surfaces to focus incident sunlight onto an absorber (receiver). For example, parabolic trough collectors are used. These consist of arched mirrors that focus the sunlight onto an absorber tube running in the focal line. Depending on the type of construction, the length of such collectors is between 20 and 150 m. In the absorber tubes, the concentrated solar radiation is converted into heat and delivered to a circulating heat transfer medium, so that it is heated. Alternatively, Fresnel mirror collectors or parabolide mirror collectors are also used.
  • Ferner gibt es Solarturm-Kraftwerke, auch Zentralreceiverkraftwerke genannt. Bei diesen richten sich hunderte bis tausende positionierende Spiegel (Heliostate) so aus, dass das Sonnenlicht auf einen zentraler Absorber (Receiver) reflektiert wird. Durch starke Konzentration der Sonneneinstrahlung entstehen an der der Spitze des Turms Temperaturen bis zu mehreren 1000°C.There are also solar tower power plants, also called Zentralreceiverkraftwerke. Hundreds to thousands of positioning mirrors (heliostats) are designed to reflect the sunlight onto a central absorber (receiver). Due to the strong concentration of solar radiation, temperatures of up to several 1000 ° C occur at the top of the tower.
  • In allen Arten von solarthermischen Kraftwerken wird ein Wärmeträgermedium erhitzt, bei dem es sich in der Regel um Thermoöl oder überhitzten Wasserdampf handelt. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390°C erreichbar, die in einem Wärmeübertrager zur Dampferzeugung genutzt werden. Die direkte Dampferzeugung (DISS = direct solar steam) kommt ohne solche Wärmeübertrager aus, da der überhitzte Wasserdampf direkt in den Absorbern erzeugt wird. Damit sind Temperaturen von über 500°C möglich. Der Wasserdampf wird anschließend wie in einem Dampfkraftwerk einer zentral angeordneten Dampfturbine zugeführt, die an einen Generator gekoppelt ist.In all types of solar thermal power plants, a heat transfer medium is heated, which is usually thermal oil or superheated steam. In thermal oil systems temperatures of up to 390 ° C can be reached, which are used in a heat exchanger for steam generation. The direct generation of steam (DISS = direct solar steam) does not require such heat exchangers as the superheated steam is generated directly in the absorbers. This allows temperatures of over 500 ° C. The steam is then supplied as in a steam power plant of a centrally located steam turbine, which is coupled to a generator.
  • In Solarturmkraftwerken wie beispielsweise dem solarthermischen Demonstrations- und Versuchskraftwerk in Jülich, dient Luft als Wärmeübertragermedium. Da die Arbeitstemperatur mit 600°C bis 800°C sehr hoch ist, ist es effizienter als andere solarthermische Kraftwerke. Insbesondere ist aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen Luft und dem Dampferzeuger ein verhältnismäß kleiner Luftmassenstrom notwendig, um die notwendige Leistung übertragen zu können. Schwankungen im Leistungsangebot der Sonnenstrahlen sollen bei dieser Anlage mittels eines sensiblen Schüttgutspeichers aus Formsteinen oder Keramikkugeln ausgeglichen werden. Zum Laden dieses sensiblen Speichermaterials wird die im Receiver erhitzte Luft durch das sensible Speichermaterial geführt, um dieses im Direktkontakt zu erhitzen. In ähnlicher Weise werden sensible Speichermaterialien in Winderhitzern eingesetzt, die der Wärmerückgewinnung in Industrieprozessen dienen. Hierbei ist das eingesetzte Wärmeträgermedium zur Beladung des sensiblen Speichermaterials heißes Gichtgas aus Schmelzöfen. Zur Entladung des sensiblen Wärmespeichers wird Frischluft eingesetzt, die nach der Vorwärmung (Heißwind) durch das sensible Speichermaterial einem Brenner zugeführt wird.In solar tower power plants such as the solar thermal demonstration and experimental power plant in Jülich, air serves as a heat transfer medium. Since the working temperature of 600 ° C to 800 ° C is very high, it is more efficient than other solar thermal power plants. In particular, due to the high temperature difference between the air and the steam generator, a relatively small air mass flow is necessary in order to transfer the necessary power. Variations in the range of services offered by the sun's rays should be compensated in this system by means of a sensitive bulk material store made of molded blocks or ceramic balls. To charge this sensitive storage material, the heated air in the receiver is passed through the sensitive storage material to heat it in direct contact. Likewise, sensitive storage materials are used in home heaters for heat recovery in industrial processes. Here, the heat transfer medium used to load the sensitive storage material hot blast furnace gas from melting furnaces. Fresh air is used to discharge the sensitive heat accumulator. After preheating (hot wind), it is fed through the sensitive storage material to a burner.
  • In Parabolrinnenkraftwerken wird zur Speicherung von Wärme flüssiges Nitratsalz als Wärmespeichermedium eingesetzt. Das Salz befindet sich zunächst in einem ersten Tank, wird in einem Wärmeübertrager von einer Anfangstemperatur von ca. 300°C auf 400°C erhitzt und in einen zweiten Tank gepumpt. Diese Zweitank-Flüssigsalzspeicher haben den Nachteil, dass das eingesetzte Flüssigsalz nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich arbeitsfähig ist. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die Erstarrungstemperatur des Salzes nicht unterschritten wird. Darüber hinaus sind die eingesetzten Salze korrosiv, so dass teure Stähle verwendet werden müssen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Ein weiterer Nachteil des Einsatzes von Flüssigsalz als Wärmespeicher besteht darin, dass das Salz selbst hohe Investitionskosten mit sich bringt.In parabolic trough power plants liquid nitrate salt is used as a heat storage medium for the storage of heat. The salt is initially in a first tank, is heated in a heat exchanger from an initial temperature of about 300 ° C to 400 ° C and pumped into a second tank. These two-tank liquid salt storage have the disadvantage that the liquid salt used is only able to work in a limited temperature range. It must be ensured that the solidification temperature of the salt is not undershot. In addition, the salts used are corrosive, so expensive steels used to ensure safe operation. Another disadvantage of the use of molten salt as a heat storage is that the salt itself brings high investment costs.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmespeichereinrichtung und ein thermisches Kraftwerk anzugeben, die eine effiziente Wärmespeicherung zu niedrigen Kosten ermöglichen.The object of the present invention is to provide a heat storage device and a thermal power plant, which allow efficient heat storage at low cost.
  • Diese Aufgabe ist bei einer Wärmespeichereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher für einen Wärmetausch zwischen einem gasförmigen oder flüssigen Primar-Wärmeträgermedium und einem gasförmigen Zwischen-Wärmeträgermedium, insbesondere Wasserdampf, ausgestaltet ist, und dass der Speicherraum mit der Zwischen-Wärmeträgermedium-Seite des Wärmetauschers derart fluidverbunden ist, dass der Speicherraum zur Beladung/Erwärmung von darin vorgesehenen sensiblem Speichermaterial in Feststoffform mit dem Zwischen-Wärmeträgermedium, das in dem Wärmetauscher erhitzt wurde, durchströmt werden kann.This object is achieved in a heat storage device of the type mentioned above in that the heat exchanger for a heat exchange between a gaseous or liquid primary heat transfer medium and a gaseous intermediate heat transfer medium, in particular water vapor, is designed, and that the storage space with the intermediate heat transfer medium Side of the heat exchanger is fluidly connected such that the storage space for loading / heating of therein provided sensitive storage material in solid form with the intermediate heat transfer medium, which has been heated in the heat exchanger, flows through.
  • Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, sensible Speichermaterialien zur Speicherung von Wärme einzusetzen, wie sie in Solarturmkraftwerken oder in Winderhitzern zum Einsatz kommen. Anders als im Stand der Technik wird jedoch das Primär-Wärmeträgermedium, welches in dem Absorber (Receiver) eines solarthermischen Kraftwerks erhitzt wird, nicht unmittelbar durch das sensible Speichermaterial geführt. Vielmehr findet eine Wärmeübertragung von dem Primär-Wärmeträgermedium an ein gasförmiges Zwischen-Wärmeträgermedium statt, welches dann dem sensiblen Wärmespeicher zugeführt wird. Mit anderen Worten werden erfindungsgemäß das Primär-Wärmeträgermedium und das Zwischen-Wärmeträger-Medium voneinander getrennt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass als Primär-Wärmeträgermedium beliebige gasförmige oder flüssige Wärmeträgermedien zum Einsatz kommen können, und zwar insbesondere auch Thermoöl, welches üblicherweise in solarthermischen Kraftwerken als Wärmeträgermedium genutzt wird. Ferner kann als Zwischen-Wärmeträgermedium, welches zum Laden des sensiblen Speichermaterials genutzt wird, jedes gasförmige Wärmeträgermedium und hier insbesondere auch überhitzter Wasserdampf eingesetzt werden. Überhitzter Wasserdampf hat gegenüber Luft den Vorteil, das der notwendige Massenstrom bei gleicher Leistung etwa halbiert werden kann, da Wasserdampf in dem Arbeitsbereich von 200°C bis 550°C eine etwa doppelt so hohe Wärmekapazität wie Luft aufweist. Hierdurch kann die Größe des Wärmeübertragers beim Einsatz von Wasserdampf gegenüber dem Einsatz von Luft signifikant verringert werden und/oder es können die verursachten Druckverluste im Wärmeübertrager reduziert werden.The invention is therefore based on the idea of using sensitive storage materials for storing heat, as used in solar tower power plants or in superheaters. Unlike in the prior art, however, the primary heat transfer medium, which is heated in the absorber (receiver) of a solar thermal power plant, not directly passed through the sensitive storage material. Rather, there is a heat transfer from the primary heat transfer medium to a gaseous intermediate heat transfer medium, which is then fed to the sensitive heat storage. In other words, according to the invention, the primary heat transfer medium and the intermediate heat transfer medium are separated from each other. This embodiment has the advantage that any gaseous or liquid heat transfer media can be used as the primary heat transfer medium, and in particular also thermal oil, which is usually used in solar thermal power plants as the heat transfer medium. Further, as an intermediate heat transfer medium, which is used for charging the sensitive storage material, each gaseous heat transfer medium and here in particular superheated steam can be used. Overheated steam has the advantage over air that the necessary mass flow can be approximately halved with the same power, since water vapor in the working range of 200 ° C to 550 ° C has about twice as high heat capacity as air. As a result, the size of the heat exchanger when using steam compared to the use of air can be significantly reduced and / or it can be reduced, the pressure losses caused in the heat exchanger.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zwischen-Wärmeträgermedium-Seite des Wärmetauschers und der Speicherraum unter Bildung eines geschlossenen Zwischen-Wärmeträgermedium-Kreislaufs durch eine Zirkulationsleitung miteinander verbunden oder verbindbar sind, in der bevorzugt eine Fördervorrichtung insbesondere in der Form eines Gebläses untergebracht ist. Hierzu weisen der Wärmetauscher und der Speicherraum entsprechende Anschlüsse zum Verbinden mit der Zirkulationsleitung auf. Bei dieser Ausgestaltung wird auf der Zwischen-Wärmeträgermedium-Seite ein geschlossener Kreislauf gebildet, in welchem das Zwischen-Wärmeträgermedium beim Beladen des sensiblen Speichermaterials zunächst durch den Wärmetauscher geführt wird, um dort Wärmeenergie von dem Primär-Wärmeträgermedium aufzunehmen, und anschließend durch den Speicherraum geleitet wird, um Wärmeenergie an das sensible Speichermaterial in direktem Kontakt mit diesem abzugeben. Anschließend wird das Zwischen-Wärmeträgermedium über die Zirkulationsleitung wieder zum Wärmetauscher zurückgeführt. In umgekehrter Weise wird zum Entladen des Speichermaterials das Zwischen-Wärmeträgermedium zunächst durch den Speicherraum geleitet, um dort unter Abkühlung des sensiblen Speichermaterials Wärmeenergie aufzunehmen, die es dann im Wärmetauscher an das Primär-Wärmeträgermedium abgibt. Anschließend wird das Zwischen-Wärmeträgermedium über die Zirkulationsleitung wieder zum Speicherraum zurückgeführt, um dort wieder Wärme aufzunehmen. In der Zirkulationsleitung ist zweckmäßigerweise ein Gebläse vorgesehen, dessen Wirkungsrichtung umschaltbar ist, um das Zwischen-Wärmeträgermedium in der einen oder anderen Richtung durch die Rezirkulationsleitung zu fördern.According to one embodiment of the invention, it is provided that the intermediate heat transfer medium side of the heat exchanger and the storage space are connected or connectable to form a closed intermediate heat transfer medium circuit by a circulation line, preferably housed in a conveying device in the form of a blower is. For this purpose, the heat exchanger and the storage space have corresponding connections for connection to the circulation line. In this embodiment, a closed circuit is formed on the intermediate heat transfer medium side, in which the intermediate heat transfer medium during loading of the sensitive storage material is first passed through the heat exchanger to receive there heat energy from the primary heat transfer medium, and then passed through the storage space is to give heat energy to the sensitive storage material in direct contact with this. Subsequently, the intermediate heat transfer medium via the circulation line is returned to the heat exchanger. In the reverse manner, the intermediate heat transfer medium is first passed through the storage space for discharging the storage material, there to absorb heat energy under cooling of the sensitive storage material, which then emits it in the heat exchanger to the primary heat transfer medium. Subsequently, the intermediate heat transfer medium via the circulation line is returned to the storage space again to absorb heat there. In the circulation line, a fan is expediently provided whose direction of action can be switched over in order to convey the intermediate heat transfer medium in one or the other direction through the recirculation line.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Wasserdampf als Zwischen-Wärmeträgermedium bei Umgebungsdruck durch den Wärmetauscher und den Speicherraum geführt wird, wobei insbesondere zwischen der Fördereinrichtung und dem Wärmetauscherdruck im Beladebetrieb der Wärmespeichereinrichtung abgebaut wird, indem das Zwischen-Wärmeträgermedium aus dem System gelassen wird und/oder im Endladebetrieb der Wärmespeichereinrichtung Wasser in das Zwischen-Wärmeträgermedium eingespritzt wird, um den Druck zu erhöhen. Hierzu ist zweckmäßigerweise zwischen dem Gebläse und dem Wärmetauscher ein Ventil oder eine Öffnung zum Ablassen von Wasserdampf unter Verringerung des Drucks in der Zirkulationsleitung vorgesehen. Das Ventil kann beispielsweise als ein Regelventil ausgebildet sein. In gleicher Weise ist bevorzugt in der Rezirkulationsleitung insbesondere zwischen dem Gebläse und dem Wärmetauscher eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Wasser in das zirkulierende Zwischen-Wärmeträgermedium vorgesehen. Während des Betriebes ist eine Regulierung der sich im Umlauf befindlichen Dampfmenge notwendig, um zu verhindern, dass das Druckniveau in der Anlage im laufenden Betrieb abfällt oder ansteigt. Hierzu wird der Druck in der Anlage durch geeignete Sensoren erfasst, und aufgrund der erfassten Druckwerte werden das Ventil zum Ablassen von Wasserdampf bzw. die Einspritzeinrichtung betätigt.In one embodiment of the invention, it is provided that water vapor is conducted as an intermediate heat transfer medium at ambient pressure through the heat exchanger and the storage space, wherein in particular between the conveyor and the heat exchanger pressure in the loading operation of the heat storage device is reduced by the intermediate heat transfer medium is left out of the system and / or in the discharge operation of the heat storage device water is injected into the intermediate heat transfer medium to increase the pressure. For this purpose, a valve or an opening for discharging water vapor is expediently provided between the fan and the heat exchanger while reducing the pressure in the circulation line. The valve may be formed, for example, as a control valve. In the same way is preferred in the recirculation line in particular between the fan and the Heat exchanger provided an injection device for injecting water into the circulating intermediate heat transfer medium. During operation, it is necessary to regulate the amount of steam circulating in order to prevent the pressure level in the system from falling or increasing during operation. For this purpose, the pressure in the system is detected by suitable sensors, and due to the detected pressure values, the valve for releasing water vapor or the injection device are actuated.
  • Die Erfindung sieht vor, das Druckniveau am Gebläseaustritt zu erfassen, da dort die höchsten Drücke auftreten, und durch gezielte Wassereindüsung bzw. durch Ablassen von Wasserdampf die Wasserdampfmenge und damit das Druckniveau in dem geschlossenen System zu regulieren. Bezüglich der Regelung des Drucks ist zwischen dem Beladebetrieb und dem Entladebetrieb zu unterscheiden. Beim Beladebetrieb soll durch das Ablassen von Wasserdampf das steigende Druckniveau reguliert werden. Aufgrund des Überdrucks ist nur ein Regelventil oder eine Öffnung hierfür notwendig. Das Ablassen von Wasserdampf zwischen dem Gebläse und dem Wärmetauscher bringt den Vorteil mit sich, dass an dieser Position das vorherrschende Temperaturniveau niedrig ist, wodurch Verluste minimiert werden. Während des Entladevorgangs wird an gleicher Stelle flüssiges Wasser eingespritzt/eingedüst. Auch hier ist das Temperaturniveau am niedrigsten, und durch den nun vorherrschenden Unterdruck ist auch hier keine Pumpe notwendig. Zudem verteilt sich das Wasser durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Wasserdampfs hinter dem Gebläse zügig, und die thermische Trägheit des Wärmetauschers sorgt für eine schnelle Verdampfung.The invention provides to detect the pressure level at the blower outlet, since there the highest pressures occur, and to regulate the amount of steam and thus the pressure level in the closed system by targeted injection of water or by discharging water vapor. With regard to the regulation of the pressure, a distinction must be made between the loading operation and the unloading operation. During loading operation, the rising pressure level should be regulated by releasing water vapor. Due to the overpressure only a control valve or an opening is necessary for this. The discharge of water vapor between the fan and the heat exchanger has the advantage that at this position the prevailing temperature level is low, thereby minimizing losses. During the discharge process liquid water is injected / injected at the same place. Again, the temperature level is lowest, and the now prevailing negative pressure no pump is necessary here. In addition, due to the high flow rate of the water vapor behind the blower, the water spreads quickly, and the thermal inertia of the heat exchanger ensures rapid evaporation.
  • Bei der Außerbetriebnahme der erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung muss das Wasser aus dem System entfernt werden. Hierzu ist es erforderlich, den Wasserdampf zu kondensieren und das sensible Speichermaterial zu trocknen. Zu diesem Zweck wird kalte Umgebungsluft in den Wasserdampf eingeblasen, wozu ein entsprechender Lufteinlass vorgesehen ist. Auf diese Weise kühlt sich der Wasserdampf bzw. das schon bald vorhandene Dampf/Luftgemisch an dieser Stelle schlagartig ab. Gleichzeitig wird die gleiche Menge an feuchter Luft aus dem System abgeführt, wozu ein entsprechender Wasserdampf/Kondensat-Auslass vorgesehen ist. Der Lufteinlass und der Wasserdampf/Kondensat-Auslass sind dabei vorzugsweise auf gleicher Höhe angeordnet und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform etwa mittig von dem Wärmetauscherraum in Bezug auf die Strömungsrichtung des Wasserdampfs positioniert. Damit wird der Wärmetauscher genutzt, um den Wasserdampf vor der Lufteinblasung vorzukühlen und nach der Lufteinblasung/Kondensatabscheidung wieder aufzuwärmen. In diesem Betriebsmodus wird das Primär-Wärmeträgermedium mit einer geringeren Temperatur als im Beladebetrieb durch den Wärmetauscher geführt. Alternativ/zusätzlich ist es auch möglich, die Menge des durch den Wärmetauscher strömenden Primär-Wärmeträgermediums zu reduzieren. Es hat sich gezeigt, dass eine Eintrittstemperatur in Strömungsrichtung des Wasserdampfs an dem zum Speicherraum weisenden Endbereich des Wärmetauschers zweckmäßigweise bei 140°C liegt.When decommissioning the heat storage device according to the invention, the water must be removed from the system. For this purpose it is necessary to condense the water vapor and to dry the sensitive storage material. For this purpose, cold ambient air is injected into the water vapor, for which purpose a corresponding air inlet is provided. In this way, the water vapor or the soon to be present steam / air mixture cools down abruptly at this point. At the same time, the same amount of moist air is removed from the system, for which a corresponding steam / condensate outlet is provided. The air inlet and the steam / condensate outlet are preferably arranged at the same height and, according to a preferred embodiment, positioned approximately centrally from the heat exchanger space with respect to the direction of flow of the water vapor. Thus, the heat exchanger is used to pre-cool the water vapor before the air injection and reheat after the air injection / condensate separation. In this operating mode, the primary heat transfer medium is passed through the heat exchanger at a lower temperature than in the loading operation. Alternatively / additionally, it is also possible to reduce the amount of primary heat transfer medium flowing through the heat exchanger. It has been found that an inlet temperature in the direction of flow of the water vapor at the end region of the heat exchanger facing the storage space is expediently at 140.degree.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:Hereinafter, the present invention will be described with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. In the drawing shows:
  • 1 ein Funktionsschaltbild eines solarthermischen Kraftwerkes gemäß der vorliegenden Erfindung, 1 a functional diagram of a solar thermal power plant according to the present invention,
  • 2 ein Diagramm, in welchem der Druck- und Temperaturverlauf in der Wärmespeichereinrichtung des solarthermischen Kraftwerkes von 1 während des Beladebetriebes dargestellt ist, 2 a diagram in which the pressure and temperature profile in the heat storage device of the solar thermal power plant of 1 is displayed during the loading operation,
  • 3 ein Diagramm, in welchem der Druck- und Temperaturverlauf in der Wärmespeichereinrichtung des solarthermischen Kraftwerkes von 1 im Entladebetrieb dargestellt ist, 3 a diagram in which the pressure and temperature profile in the heat storage device of the solar thermal power plant of 1 is shown in the unloading operation,
  • 4 schematisch die Funktionsweise der Wärmespeichereinrichtung bei deren Außerbetriebnahme, und 4 schematically the operation of the heat storage device when decommissioning, and
  • 5 den Temperaturverlauf im Wärmeübertrager während des Entwässerungsvorgangs. 5 the temperature profile in the heat exchanger during the dewatering process.
  • In der Zeichnung ist ein solarthermisches Kraftwerk gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, das als Parabolrinnen-Kraftwerk ausgebildet ist. Dieses besitzt in an sich bekannter Weise einen Kraftwerkblock und einen Solarblock. Der Kraftwerkblock ist als Dampfturbinenblock ausgebildet und umfasst einen Wasserdampfkreislauf mit einer Wasserdampfleitung 1, in welcher hintereinander ein Dampferzeuger 2, eine Dampfturbine 3, welche einen Generator G antreibt, und ein Kühlturm 4 vorgesehen sind. Der Dampferzeuger 2 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch drei in Reihe geschaltete Wärmetauscher 2a, 2b, 2c gebildet, die auf ihrer kalten Seite nacheinander von zu erhitzendem Wasser/Wasserdampf durchströmt werden. Dabei wird Wasser in dem ersten Wärmetauscher 2a vorgewärmt, in dem zweiten Wärmetauscher 2b verdampft und im dritten Wärmetauscher 2c überhitzt. Die Dampfturbine 3 umfasst eine Hochdruck-Turbinenstufe 3a und eine Niedrigdruck-Turbinenstufe 3b. Zwischen der Hochdruck-Turbinenstufe 3a und der Niedrigdruck-Turbinenstufe 3b ist ein Zwischenerhitzer 5 in Form eines weiteren Wärmetauschers vorgesehen, der dazu dient, den Wasserdampf, welcher die Hochdruck-Turbinenstufe 3a verlässt, vor dem Eintritt in die Niedrigdruck-Turbinenstufe 3b einer Zwischenerhitzung zu unterziehen.In the drawing, a solar thermal power plant according to the present invention is shown, which is designed as a parabolic trough power plant. This has in a conventional manner a power plant block and a solar block. The power plant block is designed as a steam turbine block and includes a steam circuit with a steam line 1 , in which one behind the other a steam generator 2 , a steam turbine 3 which drives a generator G, and a cooling tower 4 are provided. The steam generator 2 is in the illustrated embodiment by three series-connected heat exchanger 2a . 2 B . 2c formed, which are flowed through on its cold side of successively heated water / steam. In this case, water in the first heat exchanger 2a preheated in the second heat exchanger 2 B evaporated and in the third heat exchanger 2c overheated. The steam turbine 3 includes a high pressure turbine stage 3a and a low-pressure turbine stage 3b , Between the high-pressure turbine stage 3a and the low pressure turbine stage 3b is a reheater 5 provided in the form of a further heat exchanger, which serves to the water vapor, which the high-pressure turbine stage 3a leaves before entering the low pressure turbine stage 3b to undergo an intermediate heating.
  • Die heiße Seite der drei Wärmetauscher 2a, 2b, 2c des Dampferzeugers 2 ist an einen geschlossenen Primär-Wärmeträgermedium-Kreislauf des Solarblocks angeschlossen, in welchem ein Primär-Wärmeträgermedium – hier ein Thermoöl – zirkuliert. Der Primär-Wärmeträgermedium-Kreislauf umfasst hierzu eine Primär-Wärmeträgermedium-Leitung, nachfolgend kurz Thermoöl-Leitung 6 genannt, die einen Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a besitzt, in welcher das Thermoöl im Gegenstrom zu dem Wasserdampf die drei Wärmetauscher 2c, 2b, 2a durchströmt, um unter Abgabe von wärmeüberhitzten Wasserdampf in dem Wasserdampferzeuger 2 zu erzeugen. Der Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a ist auslassseitig über einen Rückführungs-Leitungsabschnitt 6b der Thermoöl-Leitung 6 mit dem Einlass eines Linienabsorbers 7 verbunden, welcher in der Brennlinie eines Parabolrinnenreflektors 8 angeordnet ist und dazu dient, das Thermoöl zu erhitzen. Der Auslass des Linienabsorbers 7 ist unter Bildung eines geschlossenen Thermoöl-Kreislaufs mit dem Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a über einen Zuführungs-Leitungsabschnitt 6c verbunden.The hot side of the three heat exchangers 2a . 2 B . 2c of the steam generator 2 is connected to a closed primary heat transfer medium circuit of the solar block, in which a primary heat transfer medium - here a thermal oil - circulates. For this purpose, the primary heat transfer medium circuit comprises a primary heat transfer medium line, hereinafter referred to as thermal oil line 6 called a steam generator line section 6a has, in which the thermal oil in countercurrent to the water vapor, the three heat exchangers 2c . 2 B . 2a flows through, with delivery of heat superheated steam in the steam generator 2 to create. The steam generator line section 6a is on the outlet side via a return line section 6b the thermal oil pipe 6 with the inlet of a line absorber 7 connected, which in the focal line of a parabolic trough reflector 8th is arranged and serves to heat the thermal oil. The outlet of the line absorber 7 is to form a closed thermal oil circuit with the steam generator line section 6a via a feed line section 6c connected.
  • Die Thermoöl-Leitung 6 umfasst eine erste, den Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a mit dem Dampferzeuger 5 umgehende Zwischenerhitzer-Bypassleitung 6d, um der heißen Seite des Wärmetauschers des Zwischenüberhitzers 5 heißes Thermoöl zuzuführen.The thermal oil pipe 6 includes a first, the steam generator line section 6a with the steam generator 5 immediate reheater bypass line 6d to the hot side of the heat exchanger of the reheater 5 to feed hot thermal oil.
  • Die Zwischenerhitzer-Bypassleitung 6d ist einlassseitig mit dem Zuführungs-Leitungsabschnitt 6c und auslassseitig mit dem Rückführungs-Leitungsabschnitt 6b über Ventile 10, 11 verbunden, über welche der Fluidstrom durch den Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a und die Zwischenerhitzer-Bypassleitung 6a reguliert wird. Die Ventile 10, 11 sind dabei an den Schnittpunkten zwischen einerseits dem Zuführ-Leitungsabschnitt 6c, dem Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a und der Zwischenerhitzer-Bypassleitung 6d und andererseits der Zwischenerhitzer-Bypassleitung 6b, dem Dampferzeuger-Leitungsabschnitt 6a und dem Rückführungs-Leitungsabschnitt 6b vorgesehen.The reheater bypass line 6d is inlet side with the supply line section 6c and outlet side with the return line section 6b over valves 10 . 11 connected, via which the fluid flow through the steam generator line section 6a and the reheater bypass line 6a is regulated. The valves 10 . 11 are doing at the intersections between on the one hand the feed line section 6c , the steam generator line section 6a and the reheater bypass line 6d and on the other hand, the reheater bypass line 6b , the steam generator line section 6a and the return line section 6b intended.
  • Ferner gehört zu der Thermoöl-Leitung 6 eine den Dampferzeuger 2 umgehende Wärmespeicher-Bypassleitung 6e, die einlassseitig an den Zuführungs-Leitungsabschnitt 6c und auslassseitig an den Rückführungs-Leitungsabschnitt 6b ebenfalls über Ventile 13, 14 angeschlossen ist, über welche der Fluidstrom durch die Wärmespeicher-Bypassleitung 6e reguliert wird. An die Wärmespeicher-Bypassleitung 6e ist eine Wärmespeichereinrichtung 15 angeschlossen, in welcher Wärme zwischengespeichert werden kann. Die Wärmespeichereinrichtung 15 umfasst einen Speicherraum 16, in welchem ein sensibles, schüttgutförmiges Speichermaterial vorgesehen ist, ein Gebläse 17 und einen Wärmetauscher 18, die unter Bildung eines geschlossenen Wasserdampfkreislaufs hintereinander in einer Zirkulationsleitung, hier einer Wasserdampfleitung 19 angeordnet sind, in welcher Wasserdampf als ein Zwischen-Wärmeträgermedium zirkuliert wird. Die Wärmespeichereinrichtung 15 ist über den Wärmetauscher 18 mit der Wärmespeicher-Bypassleitung 6e gekoppelt, um Wärmeenergie zwischen dem die Wärmespeicher-Bypassleitung 6e durchströmenden Thermoöl und dem in der Wärmespeichereinrichtung 15 zirkulierenden Wasserdampf in der einen oder anderen Richtung zu übertragen.Furthermore belongs to the thermal oil line 6 a the steam generator 2 immediate heat storage bypass line 6e , the inlet side of the supply line section 6c and on the outlet side to the return line section 6b also via valves 13 . 14 is connected, via which the fluid flow through the heat storage bypass line 6e is regulated. To the heat storage bypass line 6e is a heat storage device 15 connected, in which heat can be cached. The heat storage device 15 includes a memory space 16 , in which a sensitive, bulk-material storage material is provided, a blower 17 and a heat exchanger 18 , the formation of a closed water vapor cycle in a row in a circulation line, here a steam line 19 are arranged, in which water vapor is circulated as an intermediate heat transfer medium. The heat storage device 15 is over the heat exchanger 18 with the heat storage bypass line 6e Coupled to heat energy between the heat storage bypass line 6e flowing through thermal oil and in the heat storage device 15 circulating water vapor in one direction or the other.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Wärmetauscher 18 einen Wärmespeicherraum 18a, welcher von dem Wasserdampf frei durchströmt wird. In dem Wärmespeicherraum 18a sind Wärmetauscherrohre 18b vorgesehen, welche von dem Thermoöl durchströmt und von dem Wasserdampf umströmt werden. Die Wärmetauscherrohre 18b sind dabei in üblicher Weise in mehreren Rohrreihen hintereinander angeordnet.In the illustrated embodiment, the heat exchanger has 18 a heat storage room 18a , which is flowed through by the water vapor freely. In the heat storage room 18a are heat exchanger tubes 18b provided, which flows through the thermal oil and are flowed around by the water vapor. The heat exchanger tubes 18b are arranged in a conventional manner in several rows of tubes one behind the other.
  • In einem Beladebetrieb wird dabei der Wasserdampf in der Wasserdampfleitung 19 der Wärmespeichereinrichtung 15 wie in 1 gezeigt durch das Gebläse zirkuliert, wobei es in dem Wärmetauscher 18 Wärmeenergie von dem durch die Wärmespeicher-Bypassleitung 12 strömenden Thermoöl aufnimmt. Der so erhitzte Wasserdampf strömt dann durch den Speicherraum 16, um an das dort vorhandene sensible Speichermaterial Energie im Direktkontakt abzugeben und das Speichermaterial auf diese Weise zu erhitzen. Nach dem Verlassen des Speicherraums 16 strömt der Wasserdampf durch die Wasserdampfleitung 19 zum Wärmetauscher 18 zurück, um dort wieder erhitzt zu werden.In a loading operation while the water vapor in the steam line 19 the heat storage device 15 as in 1 shown circulated through the blower, being in the heat exchanger 18 Heat energy from that through the heat storage bypass line 12 incoming thermal oil absorbs. The thus heated steam then flows through the storage space 16 in order to deliver energy in direct contact to the sensitive storage material present there and to heat the storage material in this way. After leaving the storage room 16 the water vapor flows through the water vapor line 19 to the heat exchanger 18 back to be reheated there.
  • In einem Entladebetrieb wird der Wasserdampf in umgekehrter Richtung wie im Beladebetrieb mittels des Gebläses 17 durch die Wasserdampfleitung 19 gefördert, wobei es in dem Speicherraum 16 Wärmeenergie von dem dort vorhandenen, aufgeheizten sensiblen Speichermaterial im Direktkontakt zu diesem aufnimmt. Nach dem Verlassen des Speicherraums 16 strömt der Wasserdampf durch den Wärmetauscher 18, um Wärmeenergie an das durch die Wärmespeicher-Bypassleitung 12 strömende Thermoöl abzugeben. Der abgekühlte Wasserdampf strömt dann über die Wasserdampf-Leitung 19 zum Speicherraum 16 zurück, um dort wieder erhitzt zu werden.In a discharge operation, the water vapor is in the reverse direction as in the loading operation by means of the blower 17 through the steam line 19 promoted, it being in the storage space 16 Receives thermal energy from the there existing, heated sensitive storage material in direct contact to this. After leaving the storage room 16 the water vapor flows through the heat exchanger 18 . to heat energy to that through the heat storage bypass line 12 to give off flowing thermal oil. The cooled water vapor then flows over the steam line 19 to the storage room 16 back to be reheated there.
  • Wesentlich ist, dass die Wärmespeichereinrichtung 15 bei Umgebungsdruck betrieben wird, d. h. dass der Druck des Wasserdampfs in dem System etwa auf der Höhe des atmosphärischen Drucks liegt. Während des Betriebs ist eine Regulierung der sich im Umlauf befindlichen Dampfmenge notwendig, um zu verhindern, dass das Druckniveau in der Wärmespeichereinrichtung 15 im laufenden Betrieb abfällt oder ansteigt. Hierzu wird das Druckniveau jeweils am Austritt des Gebläses 8 durch einen Drucksensor 23, 24 erfasst, da dort die höchsten Drücke auftreten. Zur Regelung des Drucks ist zwischen dem Gebläse 17 und dem Wärmetauscher 18 ein Regelventil 25 vorgesehen, über welches der Druck einstellbar ist. An dieser Stelle ist das vorherrschende Temperaturniveau niedrig, wodurch Verluste minimiert werden.It is essential that the heat storage device 15 operated at ambient pressure, that is, that the pressure of the water vapor in the system is approximately at the level of the atmospheric pressure. During operation, regulation of the amount of steam circulating is necessary to prevent the pressure level in the heat storage device 15 during operation falls or rises. For this purpose, the pressure level at the outlet of the blower 8th through a pressure sensor 23 . 24 detected, since the highest pressures occur there. To regulate the pressure is between the blower 17 and the heat exchanger 18 a control valve 25 provided over which the pressure is adjustable. At this point, the prevailing temperature level is low, which minimizes losses.
  • Während des Entladevorgangs wird an gleicher Stelle flüssiges Wasser über eine Einspritzeinrichtung 26 in die Wasserdampfleitung 19 eingespritzt. Auch hier ist das Temperaturniveau am niedrigsten, und durch den nun vorherrschenden Unterdruck ist auch keine Pumpe notwendig. Zudem verteilt sich das Wasser durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit hinter dem Gebläse 17 zügig, und die thermische Trägheit des Wärmetauschers 18 sorgt für eine schnelle Verdampfung.During the unloading process, liquid water is introduced at the same point via an injection device 26 in the steam line 19 injected. Again, the temperature level is lowest, and the now prevailing negative pressure no pump is necessary. In addition, the water is distributed by the high flow rate behind the blower 17 brisk, and the thermal inertia of the heat exchanger 18 ensures a fast evaporation.
  • In der 2 sind der Relativdruckverlauf P und der Temperaturverlauf T des zirkulierenden Wasserdampfes während des Beladebetriebs dargestellt. Ebenso sind der Wärmetauscher 17 als Wärmequelle WQ und der sensible Speicherraum mit dem eingefüllten sensiblen Speichermaterial als Wärmesenke WS gezeigt. Schließlich sind in dem Diagramm auch die Verluste V dargestellt.In the 2 the relative pressure curve P and the temperature profile T of the circulating water vapor are shown during the loading operation. Likewise, the heat exchanger 17 shown as the heat source WQ and the sensitive storage space with the filled-in sensitive storage material as a heat sink WS. Finally, the losses V are also shown in the diagram.
  • In gleicher Weise sind in der 3 der relative Relativdruckverlauf P und der Temperaturverlauf T des zirkulierenden Wasserdampfs während des Entladebetriebs dargestellt. Hier sind der Wärmetauscher 17 als Wärmesenke WS und der sensible Speicherraum 16 mit dem eingefüllten sensiblen Speichermaterial als Wärmequelle WQ eingezeichnet. Ebenso sind in dem Diagramm auch die Verluste V dargestellt.In the same way are in the 3 the relative relative pressure curve P and the temperature profile T of the circulating water vapor during the unloading operation shown. Here are the heat exchanger 17 as heat sink WS and the sensitive storage space 16 drawn with the filled-in sensitive storage material as a heat source WQ. Likewise, the losses V are shown in the diagram.
  • Bei der Außerbetriebnahme der Wärmespeichereinrichtung 15 muss das Wasser aus dem System entfernt werden. Hierzu ist es erforderlich, den Wasserdampf zu kondensieren und durch Zugabe von Umgebungsluft das sensible Speichermaterial in dem Speicherraum 16 zu trocknen. Zur Außerbetriebnahme wird das Thermoöl erhitzt. Als Heizvorrichtung kann ein spezieller Heizer eingesetzt werden, es ist jedoch auch möglich, Solarkollektoren einzusetzen oder wie in der Zeichnung dargestellt, eine Beheizung über den Parabolrinnen-Reflektor 8 in der Absorberleitung 7 vorzunehmen. Wie in 4 dargestellt ist, wird etwa in der Mitte des Wärmetauschers 18 Umgebungsluft über einen Einlass 20 mit einem Einlassventil 27 in den Wärmetauscherraum 18a des Wärmetauschers 18 eingeblasen. An gleicher Stelle ist ein Auslass 21 mit einem nicht dargestellten Auslassventil vorgesehen, über welchen dem Wärmetauscherraum 18a feuchte Luft entzogen wird. Das Einlassventil 27 ist mit einem Drucksensor 28 gekoppelt, der in Richtung des Speicherraums hinter dem Einlass 20/Auslass 21 liegt, und wird in Abhängigkeit des erfassten Drucks gesteuert. In gleicher Weise wird das Auslassventil betätigt, um eine entsprechende Menge feuchte Luft aus dem System zu entfernen. Auf diese Weise kühlt sich bei der Außerbetriebnahme Wasserdampf bzw. das schon bald vorhandene Dampf-/Luftgemisch an dieser Stelle schlagartig ab. Der Wärmetauscher 18 wird genutzt, um die Luft vor der Lufteinblasung vorzukühlen und nach der Lufteinblasung/Kondensat Abscheidung wieder aufzunehmen. Die Temperaturverläufe der Luft TLuft und des bis TÖl sind in 5 dargestellt. Dabei wurde angenommen, dass nach der sechsten Rohrreihe des Wärmetauschers ca. 18 kg/sec Luft mit einer Temperatur von 20°C in den Wärmetauscher 18 eingeblasen werden. Der Luftmassenstrom wurde auf 30 kg/sec und der Ölmassenstrom auf 16 kg/sec eingestellt.When decommissioning the heat storage device 15 the water must be removed from the system. For this purpose, it is necessary to condense the water vapor and by adding ambient air, the sensitive storage material in the storage space 16 to dry. For decommissioning the thermal oil is heated. As a heater, a special heater can be used, but it is also possible to use solar panels or as shown in the drawing, a heating via the parabolic trough reflector 8th in the absorber line 7 make. As in 4 is shown is approximately in the middle of the heat exchanger 18 Ambient air through an inlet 20 with an inlet valve 27 in the heat exchanger room 18a of the heat exchanger 18 blown. At the same place is an outlet 21 provided with an outlet valve, not shown, via which the heat exchanger space 18a moist air is withdrawn. The inlet valve 27 is with a pressure sensor 28 coupled in the direction of the storage space behind the inlet 20 / outlet 21 is, and is controlled depending on the detected pressure. Likewise, the exhaust valve is actuated to remove an appropriate amount of moist air from the system. In this way, when decommissioning water vapor or the soon-existing steam / air mixture cools down abruptly at this point. The heat exchanger 18 is used to pre-cool the air before the air injection and to resume deposition after the air injection / condensate. The temperature curves of the air T air and the to T oil are in 5 shown. It was assumed that after the sixth row of tubes of the heat exchanger about 18 kg / sec of air at a temperature of 20 ° C in the heat exchanger 18 be blown. The air mass flow was set to 30 kg / sec and the oil mass flow to 16 kg / sec.
  • Als Zwischen-Wärmetauschermedium kann prinzipiell jedes gasförmige Wärmeträgermedium zu Einsatz kommen, insbesondere auch Luft. Wasserdampf besitzt allerdings den Vorteil, dass er einfach zu handhaben ist, und gegenüber dem Einsatz von Luft hat Wasserdampf den Vorteil, dass Wasserdampf in dem Arbeitsbereich von 200°C bis 550°C eine etwa doppelt so hohe Wärmekapazität wie Luft aufweist. Damit lässt sich der notwendige Massenstrom bei gleicher Leistung etwa halbieren.In principle, any gaseous heat transfer medium can be used as the intermediate heat exchanger medium, in particular also air. However, water vapor has the advantage that it is easy to handle, and compared to the use of air, steam has the advantage that water vapor in the working range of 200 ° C to 550 ° C has about twice as high heat capacity as air. Thus, the necessary mass flow can be approximately halved with the same power.
  • Der Vorteil durch den Einsatz von Wasserdampf soll in nachfolgender Beispielrechnung verdeutlicht werden. Für den vorliegenden Fall wurden folgende Parameter vorausgesetzt:
    Parameter Wert
    Thermoöl-Massenstrom 40,9 kg/s
    Anzahl Speichermodule 14
    Wärmestrom pro Modul 10000 kW
    Eintrittstemperatur Öl 390°C
    Eintrittstemperatur Luft bzw. Wasserdampf 275°C
    Wirkungsgrad Wärmeübertrager 87
    Wärmekapazitätsstromverhältnis 1
    Rippenrohrausführung G-Fin
    Rippenrohrlänge 15 m
    Innendurchmesser Rohr 24 mm
    Wandstärke Rohr 2 mm
    Rippendicke (a_fin) 0,3 mm
    Rippenabstand (p_fin) 2,3 mm
    Tip to Tip Clearance 2,5 mm
    Anzahl Durchgänge pro Rohrebene 1
    Wärmeleitfähigkeit Stahl 46 W/mK
    Dichte Stahl 7860 kg/m3
    The advantage of using water vapor should be clarified in the following example calculation. For the present case, the following parameters have been assumed:
    parameter value
    Thermal oil mass flow 40.9 kg / s
    Number of memory modules 14
    Heat flow per module 10000 kW
    Inlet temperature oil 390 ° C
    Inlet temperature air or water vapor 275 ° C
    Efficiency heat exchanger 87
    Heat capacity flow ratio 1
    Finned tube design G-Fin
    Finned tube length 15 m
    Inner diameter tube 24 mm
    Wall thickness tube 2 mm
    Rib thickness (a_fin) 0.3 mm
    Rib distance (p_fin) 2.3 mm
    Tip to Tip Clearance 2.5 mm
    Number of passes per tube level 1
    Thermal conductivity steel 46 W / mK
    Dense steel 7860 kg / m 3
  • Ausgehend von diesen Vorgaben, die sich unabhängig von dem eingesetzten Wärmeträgermedium ergeben, wurden Auslegungsrichtungen durchgeführt. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Ergebnisse dargestellt, die das Energieeinsparpotential belegen:
    Parameter Wasserdampf Luft
    Energiebedarf pro Modul 35,7 kW 71,4 kW
    Energiebedarf für alle Module 500 kW 1000 kW
    Anzahl Rohrreihen 16 15
    Rohre pro Reihe 86 92
    Gesamtanzahl Rohre 1376 1380
    Optimale Rippenhöhe 8 mm 8 mm
    Based on these specifications, which result independently of the heat transfer medium used, design directions were carried out. Table 2 below shows the results that demonstrate the energy saving potential:
    parameter Steam air
    Energy requirement per module 35.7 kW 71.4 kW
    Energy requirement for all modules 500 kW 1000 kW
    Number of rows of tubes 16 15
    Pipes per row 86 92
    Total number of tubes 1376 1380
    Optimum rib height 8 mm 8 mm
  • Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, kann mit einer gleichen Anzahl von Rippenrohren (hier 1380) durch den Einsatz von Wasserdampf der Energiebedarf der Wärmespeichereinrichtung gegenüber Luft halbiert werden. Die in der Tabelle dargestellten Ergebnisse sind die für den jeweiligen Anwendungsfall besten Ergebnisse. Es wären z. B. andere Konfigurationen mit abweichenden Rohranordnungen möglich, diese würden jedoch alle eine höhere Gesamtzahl an Rohren erfordern.As can be seen from Table 2, with an equal number of finned tubes (here 1380) by the use of water vapor, the energy requirement of the heat storage device relative to air can be halved. The results presented in the table are the best results for the respective application. It would be z. For example, other configurations with different pipe arrangements may be possible, but these would all require a higher total number of pipes.

Claims (16)

  1. Wärmespeichereinrichtung mit einem Speicherraum (16) für ein sensibles Speichermaterial und einem Wärmetauscher (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) für einen Wärmetausch zwischen einem gasförmigen oder flüssigen Primär-Wärmeträgermedium und einem gasförmigen Zwischen-Wärmeträgermedium, insbesondere Wasserdampf, ausgestaltet ist, und dass der Speicherraum (16) mit der Zwischen-Wärmeträgermedium-Seite des Wärmetauschers (18) derart fluidverbunden ist, dass der Speicherraum (16) zur Beladung/Erwärmung von darin vorgesehenem sensiblem Speichermaterial in Feststoffform mit dem Zwischen-Wärmeträgermedium, das in dem Wärmetauscher erhitzt wurde, durchströmt werden kann.Heat storage device with a storage space ( 16 ) for a sensitive storage material and a heat exchanger ( 18 ), characterized in that the heat exchanger ( 18 ) is designed for a heat exchange between a gaseous or liquid primary heat transfer medium and a gaseous intermediate heat transfer medium, in particular water vapor, and that the storage space ( 16 ) with the intermediate heat transfer medium side of the heat exchanger ( 18 ) is fluidly connected such that the storage space ( 16 ) can be flowed through for loading / heating of therein provided sensitive storage material in solid form with the intermediate heat transfer medium, which has been heated in the heat exchanger.
  2. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen-Wärmeträgermedium-Seite des Wärmetauschers (18) und der Speicherraum (16) unter Bildung eines Zwischen-Wärmeträgermedium- Kreislaufs durch eine Zirkulationsleitung (19) miteinander verbunden oder verbindbar sind. Heat storage device according to claim 1, characterized in that the intermediate heat transfer medium side of the heat exchanger ( 18 ) and the memory space ( 16 ) to form an intermediate heat transfer medium circuit through a circulation line ( 19 ) are interconnected or connectable.
  3. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) und der Speicherraum (16) Anschlüsse zum Verbinden mit der Zirkulationsleitung (19) aufweisen.Heat storage device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger ( 18 ) and the memory space ( 16 ) Connections for connection to the circulation line ( 19 ) exhibit.
  4. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zirkulationsleitung (19) ein Gebläse (17) vorgesehen ist.Heat storage device according to claim 2 or 3, characterized in that in the circulation line ( 19 ) a blower ( 17 ) is provided.
  5. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gebläse (17) und dem Wärmetauscher (18) ein Ventil oder eine Öffnung zum Ablassen von Zwischen-Wärmeträgermedium unter Verringerung des Drucks in der Zirkulationsleitung (19) vorgesehen ist.Heat storage device according to claim 4, characterized in that between the blower ( 17 ) and the heat exchanger ( 18 ) a valve or an opening for discharging intermediate heat transfer medium while reducing the pressure in the circulation line ( 19 ) is provided.
  6. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Regelventil ausgebildet ist.Heat storage device according to claim 5, characterized in that the valve is designed as a control valve.
  7. Wärmespeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zirkulationsleitung (19) insbesondere zwischen dem Gebläse (17) und dem Wärmetauscher (18) eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Wasser in das zirkulierende Zwischen-Wärmeträgermedium vorgesehen ist.Heat storage device according to one of claims 2 to 6, characterized in that in the circulation line ( 19 ) in particular between the blower ( 17 ) and the heat exchanger ( 18 ) is provided an injection device for injecting water into the circulating intermediate heat transfer medium.
  8. Wärmespeichereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) einen Wärmetauscherraum (18a) aufweist, der von dem Zwischen-Wärmeträgermedium durchströmt wird, und dass in dem Wärmetauscherraum (18a) Wärmetauscherrohre (18b) vorgesehen sind, die von dem Primär-Wärmeträgermedium durchströmt werden.Heat storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 18 ) a heat exchanger space ( 18a ), which is flowed through by the intermediate heat transfer medium, and that in the heat exchanger space ( 18a ) Heat exchanger tubes ( 18b ) are provided, which are flowed through by the primary heat transfer medium.
  9. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherraum (18) einen Lufteinlass (20) und einen Wasserdampf/Kondensat-Auslass (21) aufweist.Heat storage device according to claim 8, characterized in that the heat exchanger space ( 18 ) an air intake ( 20 ) and a steam / condensate outlet ( 21 ) having.
  10. Wärmespeichereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass (20) und der Wasserdampf/Kondensat-Auslass (21) auf gleicher Höhe und vorzugsweise mittig von dem Wärmetauscherraum (18a) in Bezug auf die Strömungsrichtung des Zwischen-Wärmetauschermediums positioniert sind.Heat storage device according to claim 9, characterized in that the air inlet ( 20 ) and the water vapor / condensate outlet ( 21 ) at the same height and preferably in the middle of the heat exchanger space ( 18a ) are positioned with respect to the flow direction of the intermediate heat exchange medium.
  11. Wärmespeichereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) auf einer Primär-Wärmeträgermedium-Seite mit einer Primär-Wärmeträgermedium-Leitung (6) verbunden oder verbindbar ist und insbesondere Anschlüsse zur Verbindung mit der Primär-Wärmeträgermedium-Leitung (6) aufweist.Heat storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 18 ) on a primary heat transfer medium side with a primary heat transfer medium line ( 6 ) is connected or connectable and in particular connections for connection to the primary heat transfer medium line ( 6 ) having.
  12. Kraftwerk, insbesondere solarthermisches Kraftwerk, mit einer Energiequelle (7, 8) zur Erwärmung eines Primär-Wärmeträgermediums und einem Verbraucher (2), der mit der Energiequelle durch eine Primär-Wärmeträgermedium-Leitung (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Primär-Wärmeträgermedium-Leitung (6) eine Wärmespeichereinrichtung (15) nach einem der vorherigen Ansprüche angeschlossen ist.Power plant, in particular solar thermal power plant, with an energy source ( 7 . 8th ) for heating a primary heat transfer medium and a consumer ( 2 ) connected to the energy source by a primary heat transfer medium line ( 6 ), characterized in that to the primary heat transfer medium line ( 6 ) a heat storage device ( 15 ) is connected according to one of the preceding claims.
  13. Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Primär-Wärmeträgermedium ein Thermoöl ist.Power plant according to claim 12, characterized in that the primary heat transfer medium is a thermal oil.
  14. Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher als ein Wärmetauscher ausgebildet ist oder wenigstens einen Wärmetauscher (2a, 2b, 2c) aufweist.Power plant according to claim 12 or 13, characterized in that the consumer is designed as a heat exchanger or at least one heat exchanger ( 2a . 2 B . 2c ) having.
  15. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (2) und die Energiequelle (7, 8) in der Primär-Wärmeträgermedium-Leitung unter Bildung eines geschlossenen Primär-Wärmeträgermedium-Kreislaufes verbunden sind.Power plant according to one of claims 12 to 14, characterized in that the consumer ( 2 ) and the energy source ( 7 . 8th ) are connected in the primary heat transfer medium line to form a closed primary heat transfer medium circuit.
  16. Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinrichtung (15) in einer den Verbraucher (2) umgehenden Wärmespeicher-Bypassleitung (6a) der Primär-Wärmeträgermedium-Leitung (6) vorgesehen ist, wobei in der Wärmespeicher-Bypassleitung (6a) und/oder an den Verbindungspunkten zwischen der Wärmespeicher-Bypassleitung (6a) und einem Zuführungs-Leitungsabschnitt (6c) sowie einem Rückführungs-Leitungsabschnitt (6b) der Primär-Wärmeträgermedium-Leitung (6) Ventile (13, 14) vorgesehen sind, um den Durchfluss durch die Wärmespeicher-Bypassleitung (12) zu steuern.Power plant according to claim 15, characterized in that the heat storage device ( 15 ) in one the consumer ( 2 ) immediate heat storage bypass line ( 6a ) of the primary heat transfer medium line ( 6 ) is provided, wherein in the heat storage bypass line ( 6a ) and / or at the connection points between the heat storage bypass line ( 6a ) and a supply line section ( 6c ) and a return line section ( 6b ) of the primary heat transfer medium line ( 6 ) Valves ( 13 . 14 ) are provided to the flow through the heat storage bypass line ( 12 ) to control.
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