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Behälter, insbesondere Heißwasserspeicher in Rraftwerken
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Die Erfindung betrifft einen Behälter zur Lagerung großer Mengen von
unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck stehendem Wasser, insbesondere Heißwasserspeicher
für Kraftwerke zur Spitzenlastdeckung, wobei der Behälter unterirdisch angeordnet
und die Behälterwand durch den sie umgebenden Fels entlastet ist.
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In einem derartigen Behälter wird in Schwachlastzeiten des Kraftwerkes
eine Menge hocherhitzten Wassers gespeichert. Dabei wird das heiße Wasser in den
oberen Teil des Behälters eingespeist, während gleichzeitig aus dem unteren Teil
des Behälters kaltes Wasser verdrängt wird. Aufgrund der Dichteunterschiede zwischen
kaltem und heißem Wasser bildet sich eine Trennfläche aus. Das Ausspeichern erfolgt
in entgegengesetzter Richtung, indem das Heißwasser als Speisewasser direkt in den
Dampferzeuger eingespeist wird, während kaltes Wasser in den Behälter eingefüllt
wird. Je nach dem Ladezustand des Speichers verschiebt sich die Trennfläche zwischen
dem kalten und dem heißen Wasser in vertikaler Richtung. Die Behälterwand unterliegt
damit wechselnden Temperaturen.
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Die größte Speichermöglichkeit je Volumeneinheit besitzt Wasser bei
einer Temperatur von 325 OC und einem Druck von 123 bar, und zwar von 233 Mcal/m3.
Ein Dampferzeuger für eine elektrische 6 Leistung von iooo MW liefert je Stunde
2,6 x 10 mal = 9,64 x 3 1o6 MJ, das sind 11.ooo m Heißwasser des genannten Zustands.
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Ein Behälter für die Speicherung der am Wochenende also in 40 Stunden
anfallenden Wärme muß folglich einen Inhalt von 3 440.ooo m besitzen. Da solche
Behälter als oberirdische Stahlbehälter nicht mehr hergestellt werden können, ist
es
bekannt, sie unterirdisch in eine Felskaverne einzubauen, damit
anstatt der Behälterwand der geodätische Druck der aufliegenden Erd- und Gesteinsmassen
die Druckkraft aufnimmt.
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Der bekannte mit einer Außenisolierung versehene Behälter wird so
in die Felskaverne eingelassen, daß zwischen Behälter und Felswand ein Zwischenraum
verbleibt. Dieser Zwischenraum wird zur Druckübertragung mit einem flüssigen oder
gasförmigen Druckmedium (z.B. Wasser oder Luft) gefüllt. Das setzt voraus, daß die
Felskaverne hermetisch abgedichtet ist, was zwar bei Salzstöcken, nicht aber bei
Fels der Fall sein kann. Man kann sich zwar damit behelfen, daß man versucht, die
Felswand durch Beton abzudichten. Jedoch besteht auch dann weiterhin die Gefahr,
daß das Druckmedium entweicht oder daß Sickerwasser in den unter Druck stehenden
Zwischenraum eindringt. Schließlich ist auch ein kompliziertes Regelsystem erforderlich,
um den Druck im Zwischenraum aufrecht zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Unterbringung eines
zur Speicherung großer Mengen an Heißwasser dienenden Behälters in einer Felskaverne
zu vereinfachen.
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Das geschieht, ausgehend von einem Behälter der eingangs genannten
Art, gemäß der Erfindung dadurch, daß der Behälter fest in dem Fels verankert ist
und mit ihm in wärmeleitendem Kontakt steht und daß auf der Innenseite der Behälterwand
eine unter dem Innendruck des Behälters stehende, von außen gekühlte Innenisolierung
angeordnet ist.
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Bei dieser Anordnung wird auf einen Zwischenraum zwischen Behälter-
und Felswand ganz verzichtet, so daß die oben erwähnten Nachteile nicht mehr auftreten
können. Dieser Behälter kann daher wesentlich einfacher in einer Felskaverne angeordnet
werden. Die notwendige Isolierung ist dabei auf die Innenseite
des
Behälters verlegt. Innerhalb der Erdkruste steigt die Temperatur des Gesteins mit
zunehmender Tiefe an. Auf diese Tatsache nimmt die Erfindung Rücksicht, indem durch
die Kühlung der Behälterwand die Möglichkeit geschaffen wird, die Temperatur der
drucktragenden Behälterwand weitgehend unverändert bei der Untergrundtemperatur
zu halten.
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Diese Temperatur läßt sich in einfacher Weise dadurch einhalten, daß
die Kühlkanäle zwischen der Behälterwand und der Innenisolierung vorgesehen und
vorzugsweise in Form einer mehrgängigen Schraube geführt sind. Parallel zu der Behälterwand
ist eine Trennwand angeordnet und der Windungssinn der auf beiden Seiten der Trennwand
schraubenlinienförmig geführten Kanäle entgegensetzt. Durch eine entsprechende Schaltung
und Beaufschlagung dieser Kühlkanäle läßt sich die Temperatur der Behälterwand in
gewünschter Weise beeinflussen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt den Längsschnitt durch
einen Behälter gemäß der Erfindung dar.
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Der dargestellte Behälter 1 dient zur Energiespeicherung in Form einer
Heißwasserspeicherung in einem Kraftwerk, das auch ein Kernkraftwerk sein kann.
Diese Speicherung erfolgt vorzugsweise nach dem in der Einleitung der Beschreibung
erwähnten Verfahren. Das heiße Wasser, das z.B. eine Temperatur von
300
OC und einen Druck von E 88 bar aufweist und in den Speisewasservorwärmern des Kraftwerkes
auf diesen Zustand gebracht wurde, wird durch das Heißwasserrohr 2 eingespeist.
Das Heißwasserrohr 2 ist dickwandig, um den Innendruck aufnehmen zu können. Außen
ist es von einer Isolierung 3 umgeben.
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Die Entnahme erfolgt ebenfalls durch das Heißwasserrohr 2, jedoch
in entgegengesetzter Richtung und unter der Wirkung einer Hochdruckpumpe. Durch
ein in der ähe des Behälterbodens mündendes Rohr wird im Wechsel mit dem Heißwasser
kaltes Wasser eingefüllt bzw. entnommen. Das Einspeisen des kalten Wassers kann
auf eine andere, später noch beschriebene Weise erfolgen.
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Der Behälter 1 ist in eine Felskaverne 4 eingelassen. Die Tiefe des
Behälters 1 unterhalb der Erdoberfläche wird so groß gewählt, daß der den Behälter
1 umgebende Erddruck gleich dem Innendruck im Behälter 1 ist. Für die o.a. Bedingungen
wird eine Tiefe von ' 390 m angestrebt.
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Die Rauhigkeit der Felswand wird durch Hintergießen mit Zement 5 ausgeglichen.
Der Behälter 1 wird so in die Felskaverne 4 eingesetzt, daß die Behälterwand 6 an
der Felswand bzw. an dem Zement 5 dicht anliegt und sich somit direkt auf ihr abstützt.
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An die Behälterwand 6 angeschweißte Steinanker 7 halten den Behälter
1 besonders während der Montage in Position.
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Auf der dem Behälterinneren zugewandten Seite ist die Behälterwand
6 mit einer Innenisolierung 8 belegt. Diese Isolierung hat die Aufgabe, die Behälterwand
6 vor der Temperatur des Heißwassers zu schützen. Außerdem soll sich der Temperatureinfluß
der sich je nach Ladungszustand verschiebenden Trennfläche zwischen heißem und kaltem
Wasser nicht auf die Behälterwand
auswirken. Die Innenisolierung
8 ist im dargestellten Fall als Serie von gewellten Blechen dargestellt, die zwischen
sich Räume bilden, die mit stagnierendem Wasser gefüllt sind.
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Es können auch andere bekannte Mittel für die Isolierung verwendet
werden. Wichtig ist aber, daß sie auf der Innenseite der Behälterwand angeordnet
sind. Zum Behälterinneren und zur Behälterwand 6 hin ist die Innenisolierung 8 durch
je ein Abdeckblech 9, 1o abgeschlossen. Innerhalb der Isolierung 8 wird durch nicht
näher dargestellte Öffnungen in den gewellten Blechen und in dem inneren Abdeckblech
9 der gleiche Druck wie im Behälter 1 eingestellt.
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Durch eine außen an der Innenisolierung 8 aufgebrachte Kühlung wird
die durch die Isolierung 8 dringende Wärme abgeführt und der erforderliche Temperaturgradient
eingehalten. Zur Kühlung ist zwischen der Behälterwand 6 und Innenisolierung 8 ein
Raum freigehalten, durch den mehrere, parallel geschaltete Kühlkanäle 11 nach der
Art einer mehrgängigen Schraube geführt sind. Parallel zur Behälterwand ist durch
den genannten Raum ein Metallblech als Trennwand 12 so angeordnet, daß auf beiden
Seiten schraubenförmig angeordnete Kühlkanäle entstehen.
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Dabei ist der Windungssinn der zwischen Trennwand 12 und Behälterwand
6 vorhandenen Kühlkanäle 11 dem Windungssinn der zwischen Trennwand 12 und Innenisolierung
8 entstandenen Kühlkanäle 13 entgegengesetzt.
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Die Trennwand 12 stützt sich über Stege 14 auf der Behälterwand 6
und der Innenisolierung 8 ab. Diese Stege 14, die Flach- oder Profileisen sein können,
sind, wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet, schraubenlinienförmig geführt
und an die Behälterwand 6, das äußere Abdeckblech 1o der Innenisolierung 8 und die
Trennwand 12 angeschweißt. Sie stellen gleichzeitig die Begrenzung der Kühlkanäle
11 und 13 dar.
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Die Kühlkanäle 11 und 13 stehen über den zwischen den Boden 15 des
Behälters 1 und der unteren Stirnfläche der Innenisolierung 8 gebildeten Zwischenraum
mit dem Inneren des Behälters 1 und miteinander in Verbindung. Für den Fall, daß
die Innenisolierung 8 auf dem Boden 15 aufsteht, sind im Bereich des Bodens 15 durch
die Innenisolierung 8 besondere Kanäle 16 geführt.
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Damit stehen auch die Kühlkanäle 11, 13 unter dem Innendruck des Behälters
1.
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Als Kühlmittel kann das kalte, in den unteren Teil des Behälters 1
eingespeiste bzw. aus ihm entnommene Wasser verwendet werden.
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Zur Zu- bzw. Abführung des Wassers dienen zwei Ringsammler 17, 18,
die über Anschlußstutzen 19, 20 mit den äußeren oder den inneren Kühlkanälen 11
bzw. 13 verbunden sind. Die Anzahl der Anschlußstutzen richtet sich nach der Größe
des Behälters 1.
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Bei einem Behälter von 400.000 m3 sind etwa 12 bis 15 Stutzen erforderlich.
Zu jedem der beiden Ringsammler 17, 18 führt eine eigene Zuleitung 21 bzw. 22, in
der jeweils ein Ventil 23, 24 angeordnet ist. Auf diese Weise wird es möglich, die
äußeren und inneren Kühlkanäle 11, 13 je nach Bedarf unterschiedlich stark zu beaufschlagen.
In verschiedenen Höhenlagen sina in den Kühlkanälen 11, 13 über den Behälterumfang
verteilt Fernthermometer bekannter Bauart angeordnet. Diese Fernthermometer üben
Regelimpulse auf die Ventile 23, 24 aus, so daß die gewünschte Temperatur an der
Innenisolierung 8 und der Behälterwand 6 automatisch gesteuert werden kann.
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Beide Ringsammler 17, 18 sind außerdem noch durch eine mit Hilfe eines
Ventils 25 absperrbare Kurzschluß leitung 26 verbunden. Diese Kurzschlußleitung
26 ist durch einen Kühler 27 geführt.
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Das Ein- und Ausspeichern geschieht auf die folgende Weise: Während
des Einspeicherns wird das heiße Wasser durch das Heißwasserrohr 2 eingefüllt. Dadurch
wird das gleiche Volumen an kaltem Wasser aus dem unteren Teil des Behälters 1 verdrängt.
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Das kalte Wasser gelangt dabei aus den Kanälen 16 in die äußeren und
inneren Kühlkanäle 11, 13 und von dort durch die Anschlußstutzen 19, 20 in die Ringsammler
17, 18, aus denen es bei geöffneten Ventilen 23, 24 durch die Zuleitungen 21, 22
abgeführt wird. Während dieser Zeit ist das Ventil 25 in der Kurzschlußleitung 26
geschlossen.
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Während des Ausspeicherns des Heißwassers durch das Heißwasserrohr
2 wird bei geöffnetem Ventil 23 mit Hilfe der Pumpe 28 kaltes Wasser nur durch die
äußeren Kühlkanäle 11 in den unteren Teil des Behälters 1 eingedrückt. Dabei werden
bei geschlossenem Ventil 24 die inneren Kühlkanäle nicht beaufschlagt.
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Wird weder Wasser entnommen noch eingefüllt, so sind die Ventile 23,
24 geschlossen. Bei geöffnetem Ventil 25 wird das in den Kühlkanälen 11, 13 vorhandene
Wasser durch die Kurzschlußleitung 26 und den Kühler 27 im Kreislauf geführt. Dabei
stellt sich in den an der Behälterwand liegenden, äußeren Kühlkanälen 11 eine Abwärts
strömung und in den an der Innenisolierung 8 liegenden, inneren Kühlkanälen 13 eine
Aufwärtsströmung ein.
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Durch diese Schaltung wird keine Pumpleistung benötigt, weil sich
der Betrieb durch Thermosyphonwirkung aufrecht erhält, denn das an der Isolierung
fließende Wasser ist immer heißer und damit spezifisch leichter. Sollte im Einzelfall
die Thermosyphonwirkung nicht ausreichen, so kann die Strömung mit Hilfe einer Pumpe
unterstützt werden.
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Diese zuletzt beschriebene Kühlmittelführung ist auch dann vorgesehen,
wenn in dem Behälter Heißwasser von einer über die Höhe des Behälters einheitlichen
Temperatur gespeichert wird.
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In diesem Fall erfolgt eine Ein und Ausspeicherung des Heißwassers
über ein in der Nähe des Behälterbodens 15 mündendes, innerhalb der Innenisolierung
8 verlegtes Rohr. In diesem Fall ist auch der Boden 15 mit einer Innenisolierung,
wie sie weiter oben beschrieben ist, belegt.