DE2801189A1

DE2801189A1 - Regenerativ-waermetauscher

Info

Publication number: DE2801189A1
Application number: DE19782801189
Authority: DE
Inventors: Bill L Pierce
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1978-07-27
Also published as: IT7841508A0; ES465978A1; IL53453A0; FR2378249A1; JPS5392956A; IL53453A; IT1104435B

Description

PATENTANWALT

DIPL. ING. Ιί. HOLSEK

PHIIiIPPINE-WEIiSEB-STHASSB 14

8900 AUGSBURG

516475 TEIiKX 53 3 202 patol d

W. 907

Augsburg, den 5. Januar I978

Westinghouse Electric Corporation,
Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh,
Pennsylvania 15222, V.St.A.

Regenerativ-Wärmetauseher

Die Erfindung betrifft einen Regenerativ-Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Eauptanspruchs.

Die diskontinuierliche Verfügbarkeit bestimmter natürlicher Energiearten wie beispielsweise Sonnenenergie stellt eines der bei der praktischen Nutzbarmachung dieser Energiearten zu überwindenden Probleme dar. Die Energiespeicherung in Form von Wärme stellt eine Möglichkeit dar, die jedoch

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im Hinblick auf Wirkungsgrad und Kosten Schwierigkeiten bereitet.

Ein weiteres Erfordernis ist die Integration eines Energiespeichers in eine vollständige Energieversorgungsanlage, beispielsweise in ein Elektrizität erzeugendes Kraftwerk mit einem Turbinen-Generator-Satz. Ein Turbinen-Generator-Satz benötigt typischerweise einen verhältnismäßig konstanten Arbeitsmitteldruck, beispielsweise Dampfdruck^ am Turbineneinlaß, was bei einer diskontinuierlich Energie liefernden Wärmequelle schwierig zu bewerkstelligen ist.

Im Hinblick auf die schon gegenwärtig stattfindende und zukünftig vorgesehene Nutzbarmachung von diskontinuierlich oder stark schwankend Energie liefernden Energiequellen ist es deshalb wünschenswert, einen effektiv und wirtschaftlich arbeitenden Wärmespeicher zur Verfügung zu haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regenerativ-Wärmetauscher mit unmittelbarem Wärmeaustausch zu entwickeln, in welchem der Wärmeaustausch leicht steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

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Sin bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Zs zeigen:

Pig. I einen Vertikalschnitt durch einen

Regenerativ-Wärmetauscher nach der Erfindung,

Pig. 2 ein Blockschaltbild einer Energie

versorgungsanlage mit einem Wärmetauscher nach der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der

Strömungsmittelaustrittstemperaturänderung in Abhängigkeit von Änderungen des Flüssigkeitspegels in einem Wärmetauscher nach der Erfindung,

Fig. h eine graphische Darstellung des ther

mischen Leistungsverlaufs und der Leistungsverteilung in Abhängigkeit von der Zeit für die in Fig. 2 dargestellte Anlage, und

die Fig. 5 bis 9 Blockschaltbilder ähnlich Fig. 2 von

abgewandelten Energieversorgungsanlagen

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mit Wärmetauschern nach der Erfindung·.

Pig;. 1 zeigt einen eine Füllstein-Speichermasse enthaltenden Regenerativ-Wärmetauscher 10 für unmittelbaren Wärmeaustausch, in welcnem eine Flüssigkeit-Dampf-Phasenänderung· eines Arbeitsmittels stattfindet. Der Wärmetauscher v/eist einen Druckbehälter 12 auf, der in verschiedener Bauweise, beispielsweise aus Stahl oder Spannbeton oder (wie im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels) aus vorgespanntem Gußeisen hergestellt sein kann. Der dargestellte Druckbehälter besteht aus einer Anzahl von Gußeisensegmenten 14, die durch axiale Spannseile 16 und durch in Umfangsrichtung verlaufende Spannseile 18 vorgespannt sind. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Wärmespeicherkapazität des Wärmetauschers 10 ist der Druckbehälter mit einer Wärmeisolation 20 ausgekleidet, die aus Isolierplatten 22 besteht, die zwischen einer inneren !-Tetallauskleidung 24 und einer äußeren Metallauskleidung 26 angeordnet sind. Um den Inhalt des Wärmetauschers 10 tragen zu können, kann die Bodenisolation aus (nicht dargestellten) keramischen Ziegeln oder geschichteten Stahlplatten 30 bestehen. Über der Bodenisolation kann eine Tragplatte 31 angeordnet sein.

Innerhalb des Druckbehälters befindet sich, wie bereits

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erwähnt, eine Wärmespeichermasse 32, die aus Füllsteinen besteht, deren Zusammensetzung später noch erläutert wird. Die Form und die Größe der Füllsteine 34 können unterschiedlich sein, jedoch ist eine etwa kugelige Form zu bevorzugen, um einerseits eine große Wärmeaustauschfläche und andererseits ausreichend viel Leerraum zwischen den Füllsteinen für den Durchgang eines Arbeitsmittels bereitzustellen. Die Größe und die Packungsdichte der Füllsteine kann je nach den gewünschten thermischen Eigenschaften unterschiedlich sein. Die Füllsteine 34 sollten jedoch so ausreichend dicht gepackt sein, daß wesentliche Bewegungen der Füllsteine innerhalb des Druckbehälters infolge der Arbeitsmittelströmung oder infolge von Dehnungs- oder Zusammenziehungserscheinungen der Füllsteine und der diese umschließenden inneren Metallauskleidung 24 und der Isolation abgeschwächt werden.

Der Wärmetauscher 10 weist weiter einen oder mehrere obere Durchtrittskanäle 36 auf, durch welche das Arbeitsmittel in Dampfform in die Füllsteinpackung 32 eintreten oder aus dieser austreten kann. Außerdem weist der Wärmetauscher einen oder mehrere untere Durchtrittskanäle 38 auf, durch welche das Arbeitsmittel im flüssigen Zustand in die Füllsteinpackung 32 einströmen oder aus dieser ausströmen kann. Die Durchtrittskanäle 36 und 38 sind jeweils mit Rück-

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halteeinrichtungen versehen, beispielsweise mit Gittern 40, welche die Füllsteine 34 im Druckbehälter zurückhalten.

In der folgenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "Flüssigkeit-Dampf-Phasenänderung" sowohl den Phasenübergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand als auch vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand und der Begriff "Fest-flüssig-Phasenänderung" sowohl den Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand als auch vom flüssigen in den festen Zustand«

Die Steuerung des durch den Wärmetauscher gebildeten Wärmespeichersytems erfolgt hauptsächlich durch Veränderung des Flüssigkeitspegels 42 des Arbeitsmittels im Wärmetauscher. Wenn Wärmeenergie in den Wärmetauscher 10 eingeleitet und darin gespeichert werden soll, wird überhitzter Dampf aus einer Wärmequelle durch die oberen Durchtrittskanäle 36 hindurch in den Wärmetauscher eingeleitet. Durch Berührung mit den Füllsteinen 34 wird der überhitzte Dampf auf seine Sättigungstemperatur abgekühlt und kondensiert, wobei Wärmeenergie auf die Füllsteine 34 übertragen wird. Anfänglich ist ein Teil des Innenvolumens des Wärmetauschers 10 zwischen den Füllsteinen 34 mit flüssigem Arbeitsmittel gefüllt, dessen Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des Dampfes bei dem im Wärmetauscher herrschenden Arbeitsdruck liegt.

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Während den oberen, über dem Flüssigkeitspegel befindlichen Füllsteinen 34 durch den Dampf Wärmeenergie zugeführt wird, wird der Flüssigkeitspegel 42 abgesenkt, um weitere Füllsteine 34 dem überhitzten Dampf auszusetzen, damit diese die als überhitzung und latente Wärme vorliegende Energie des Arbeitsmittels absorbieren können. Unterhalb des Flüssigkeitspegels wird von den Füllsteinen der Füllsteinpackung Wärme von der kondensierten Flüssigkeit aufgenommen. Die durch den unteren Durchtrittskanal 38 abgelassene Flüssigkeit kann in einem Flüssigkeitsspeicher 44 (Fig. 2) gespeichert oder auf andere Weise in das Energieversorgungssystem zurückgeführt werden. Der Flüssigkeitsspeicher 44 kann vorzugsweise mit Hilfe eines gegenüber dem Arbeitsmittel inerten Gases unter Druck gesetzt werden oder es kann lediglich die Pumpenkapazität zur Arbeitsmittelförderung herangezogen werden. Zur Steigerung des Wirkungsgrades sind der Flüssigkeitsbehälter 44, die Verbindungsleitungen und die anderen Systemkomponenten vorzugsweise wärmeisoliert.

Der Flüssigkeitspegel 42 wird mittels Pegelsteuereinrichtungen 46 überwacht und gesteuert. Derartige Pegelsteuereinrichtungen sind an sich bekannt. Außerdem sind Temperatur- und Druckwandler 48 bzw. 50 vorgesehen. Eine Drucksteuerung ist insbesondere bei solchen Energieerzeugungssystemen kritisch, bei denen der Arbeitsmitteldampf

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unmittelbar in eine Turbine 52 eintritt, was einen verhältnismäßig konstanten Dampfdruck am Dampfeinlaßventil 54 erfordert. Die im Arbeitsmitteldampf enthaltene Energie kann auch zum Antrieb zahlreicher anderer Kraftmaschinenarten, beispielsweise von Gasturbinen oder Dieselmaschinen, oder unmittelbar als Prozeßwärme ausgenützt werden.

Soll vom Wärmetauscher 10 Wärmeenergie in Form von typischerweise überhitztem Arbeitsmitteldampf abgegeben werden, wird der Flüssigkeitspegel k2 in der Füllsteinpackung 32 angehoben, indem weitere Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher oder einer anderen Speiseflüssigkeitsquelle zugeleitet wird. Dabei kommt die nahe der Flüssigkeit-Dampf -Grenz schicht befindliche Flüssigkeit unmittelbar mit Füllsteinen 3*1 in Eerührung, deren Temperatur höher als die Sättigungstemperatur des Arbeitsmitteldampfes bei dem herrschenden Betriebsdruck ist. Das flüssige Arbeitsmittel wird deshalb verdampft und, während es weiter durch die Füllsteinpackung 32 hindurch nach oben steigt, überhitzt. Sodann tritt der überhitzte Arbeitsmitteldampf durch die oberen Durchtrittskanäle 36 aus.

Um die Wärmespeicherkapazität des Wärmetauschers 10 möglichst gut auszunützen, ohne auf die Möglichkeit der vollständigen Füllung mit Dampf oder Flüssigkeit zu verzichten,

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werden vorzugsweise 80 % bis 90 % der Höhe der Füllsteinpackung für den Flüssigkeitspegeländerungsbereich ausgenützt.

Das Arbeitsmittel kann Wasser sein, insbesondere bei solchen Energieerzeugungssystemen, die Wasserdampf als Turbinentreibmittel verwenden, wie es bei der in Fig. 2 gezeigten Anlage der Fall ist. Bei Anlagen, bei denen der Turbinenkreislauf vom Wärmequellenkreislauf getrennt ist (Fig. 5), können vorteilhafterweise organische Verbindungen als Arbeitsmittel im Wärmespeicherkreislauf Anwendung finden. Manche organische Arbeitsmittel haben Arbeitsdrücke von nur 1,75 bar. Durch niedrigere Arbeitsdrücke können die Konstruktionsdrücke und die Kosten des Druckbehälters 12 beträchtlich herabgesetzt werden. Bei der Festlegung der Parameter für eine vollständige Anlage müssen jedoch die Gesamtleistung der Wärmequelle und des Energieerzeugungssystems sowie deren Kosten und die Auswirkungen eines niedrigeren Arbeitsdruckes insgesamt berücksichtigt werden. Ein organisches Arbeitsmittel ist beispielsweise Monoisopropylbiphenyl (MIPB). Bei normalen Temperatur- und Druckbedingungen hat MIPB einen Siedepunkt von 295°C, so daß ein mit diesem Arbeitsmittel arbeitender Kreislauf zwischen einer Wärmequelle 56 bzw. einem Sonnenkollektor und einem Regenerativ-Wärmetauseher nahezu auf Atmosphärendruck arbeiten kann.

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Die Verwendung von aus besonderen "aterialien bestehenden Füllsteinen 3²J im Wärmetauscher 10 bringt erhebliche Vorteile. Die große Oberfläche pro Volumeneinheit und der vom Arbeitsmittel innerhalb der Füllsteinpackung 32 zurückzulegende verwundene V'eg stellt einen schnellen V/ärmeaustausch sicher.

Die Wärmeleitung durch die Füllsteinpackung 32 hindurch, deren Volumen zu etwa einem Drittel bis zur Hälfte von Dampf oder flüssigem Arbeitsmittel zwischen den Füllsteinen 3^ eingenommen wird, ist gering, da die Füllsteine einander jeweils nur an begrenzten Berührungsflächen berühren, insbesondere wenn kugelförmige FUllsteine verwendet werden. Die Füllsteine setzen auch die VJärmekonvektion in dem in der Füllsteinpackung befindlichen Dampf bzw. flüssigen Arbeitsmittel herab. Der Wärmeverlust durch die Wärmetauscherwände ist dadurch stark herabgesetzt und wird außerdem durch die Isolation gering gehalten.

Die Füllsteinpackung 32 kann massive, kugelförmige oder andere geometrische Formen aufweisende Füllsteirie enthalten, die auf normalen Wego Wärme speichern, oder die Füllsteine können in einer Schale eingeschlossenes Material enthalten, das bei Wärmeaufnahme oder -Abgabe einer Fest-flüssig-Phasenänderung unterliegt und dadurch Wärme außerdem in Form von Schmelzwärme speichert.

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Obwohl sich keine spezielle Materialzusammensetzung als besonders ideal geeignet für die Verwendung in den Füllsteinen des Wärmetauschers 10 herausgestellt hat, gibt die nachstehende Tafel I eine Zusammenstellung der in Frage kommenden Haterialien an, die als von einer Schale umschlossene, sehmelzwärmespeicherfähige Materialien verwendbar sind. Zu diesen Materialien gehören anorganische Salze, Salzeutektika und einige reine Elemente. Obwohl die in Tafel I angegebenen »jchmelzwärmewerte jeweils auf eine Gewichtseinheit bezogen sind, ist die Einordnung der anorganischen Salze auf Volumenbasis etwa gleich, da diese Materialien alle eine Dichte im Bereich von 2,0 g/cnr ois 2,5 g/cm haben. Im Falle der Salzeutektika hat sich stets gezeigt, daß die Schmelzwärme eines gegebenen Eutektikums kleiner als die höcnste Schmelzwärme und oftmals sogar geringer als die niedrigste Schmelzwärme der reinen Komponenten ist. Die für die Hutektika angegebenen Werte sind deshalb obere Grenzvier te.

- in -

Tafel I

^f*öp;liche Speichermaterialien für Schmelzwärme-Wärmeenergiespeicherunp;

	Salze	Schmelzpunkt	Schneizu"	rme ^
Material		(⁰C)	(cal/f-)
Anorganische
EiCl₃		232	13,0
SnCl₂		247	22,8
LiNO		254	87,8
ZnCl₂		283	40,6
NaNO		310	44,2
K₂HO₂O₇		484	--
CuLr		488	16,0
PbCl₂	Salzeutektika)^	498	20,3
PbO.B₂O₃	50 BeCl	500	--
Anorganische	27 LiOH
50 NaCl -	78 NaOH	215	(123,5 - .50	,W /TJfcäf·
73 NaOiI -	- 59,5 ZnCl₂	218	(50,0 - 208	,8)
22 NaLr -	45 LIt)H	260	(5:),7 - ¹K),	O)
40,5 NaCl	L) .Ir-L₁CIO ,	262	(12 5,5 - 'I"	,6)
55 LLLr -	t ■ > I. L ι' h	275	(Vi," · '■ ·*	,3)
')■) Na¹ )L -	■ r ff 1 .			■>)
YI Li: 1 -		(H ',
mi { i Ί ·	>	ι ι	. -)

H)I,

73 Liiir - 25 BaBr₂ 483 (48,6 - 21,9)

71 LiCl - 29 LiF 435 (112,3 - 249,¹O

38 K₀CO - 62 Li₂CO₃ 488 (56,4 - l44,8)

52 LiP - 48 KF 492 (249,4 - 116,2)

62 LiCl - 38 CaCl₂ 496 (112,3 - 61,1)

57,3 K₂CO₃ - 42,7 Li₂CO₃ 498 (56,4 - 144,8)

48 NaCl - 52 CaCl₂ 500 (123,5 - Cl,1)

61 LiCl - 39 Li₂CO 507 (112,3 - 144,8)

78 Li₃SO₁₁ - 8,5 A₂SO₁J -

13,5 -Ia₂SO₁₁ 512 (27,6 - 52,0 - 41,0)

80 Li₂SO₁₁ - 20 K₂SO₁₁ 535 (57,6 - 52,0)

Heine Elemente

15,4

14,4

12,0

5,0

Se	217
Sn	232
Bi	271
Tl	303

Hoi ntark unterschiedlichen verfügbaren Bezugswerten int der jeweils größere Wert angegeben

"Olare Zusammensetzungen
."(ihmelzw."rmcv:f?rte der beteiligten Salze

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Sämtlichen aufgeführten Salze reagieren mit und/oder lösen sich in Wasser in gewissem Maße, was Komplikationen wie beispielsweise eine starke Erhöhung der chemischen Reaktionsfähigkeit nach sich zieht. Bei Verwendung eines Salzes ist es deshalb zwingend erforderlich, daß eine Berührung mit Feuchtigkeit oder Viasserdampf oder mit anderen Arbeitsmitteln zuverlässig verhindert wird. Unter Berücksichtigung der chemischen Wechselwirkungen zwischen Salzen und Füllsteinmaterialien ist Graphit als äußere Schale für die Füllsteine zu bevorzugen, da es gegenüber allen in Frage kommenden Salzen in gleichem Maße inert ist. Andere in Frage kommende nichtmetallische Materialien sind Quarz und hochreines Aluminiumoxyd. Bei metallenen Füllsteinen ist die Frage der chemischen Verträglichkeit komplexer. Mit den meisten Hydroxiden sind schwachkohlenstoffhaltige Nickellegierungen und gewisse Nickelbasislegierungen wie beispielsweise Monel 400 verträglich. Reines Nickel ist ebenfalls mit gewissen Fluorid-Hydroxyd-Eutektika verträglich. Eine mit Hastelloy N bezeichnete Legierung hat sich in Berührung mit einer Anzahl von Fluoridgemischen im Flüssigsalzreaktorprogramm bewährt.

Manche Karbonate sind so reaktionsfreudig, daß gegenwärtig keine in ausreichendem Maße verträgliche Metalle oder Legierungen mit Ausnahme der teuren Edelmetalle und feuer-

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fester Metalle wie Molybdän und Wolfram bekannt sind. Die meisten Salze zeigen beträchtliche Volumenänderungen beim Schmelzen bzw. bei der Erstarrung und in vielen Fällen sind die Werte so extrem groß, daß die betreffenden Salze als Schmelzwärmespeicherstoffe wenig wünschenswert sind. Von den in Tafel I aufgeführten Salzen dehnt sich beispielsweise LiMO beim Schmelzen um 21,4 %₉ NaNO um 10,7 % und ZnCl_? um 11,6 %. Diese großen Volumenänderungen müssen bei der Auslegung der Füllsteine 34 sorgfältig in Betracht gezogen werden, um die Entstehung zu hoher Spannungen und dadurch mechanische Beschädigungen der äußeren Füllsteinschale während des Schmelzvorgangs zu verhindern. Eine starke Schrumpfung während der Erstarrung kann die Berührungsfläche zwischen dem Salz und der äußeren Füllsteinschale wesentlich herabsetzen und dadurch zu einem stark verschlechtertem Wärmeübergang beim folgenden Schmelzen führen.

Deshalb können vorteilhafterweise eutektische Gemische Anwendung finden, die beträchtliche Mengen von LiOH enthalten, da LiOH sich nach dem Schmelzen um nur 3,4 % zusammenzieht und deshalb die gesamte Volumenänderung von solchen Gemischen wesentlich herabsetzt.

Die Integration des Regenerativ-Wärmetauschers 10 in eine Energieerzeugungsanlage kann leicht auf verschiedene

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Weise erfolgen. Fig. 2 zeigt einen direkten, nach dem Rankine-Prozeß arbeitenden Kreislauf, bei welchem das Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, auch zum Antrieb der Turbine dient, die ihrerseits einen elektrischen Generator 58 antreibt, Im direkten Betrieb gelangt das Wasser in Form von überhitztem Dampf von der Wärmequelle 56, beispielsv/eise einem Sonnenkollektor, zur Turbine 52, von dieser in einen Kondensator 60 und wird als Kondensat mittels einer Speisewasserpumpe 62 zur Wärmequelle 56 zurückgefördert. Soll Wärmeenergie im Wärmetauscher 10 gespeichert oder aus diesem abgegeben werden, stehen alternative Strömungswege zur Verfügung. In den Fig. 2 und 5 bis 9 stellen die ausgefüllten Pfeilspitzen jeweils die Strömungswege bei der Speicherung von Wärmeenergie im Wärmetauscher 10 dar, während die nicht ausgefüllten Pfeilspitzen die Strömungswege bei der Abgabe von Wärmeenergie aus dem Wärmetauscher 10 angeben.

Die Energiespeicherung oder die Energieabgabe kann entweder als besonderer Vorgang oder jeweils kombiniert mit der Energiezufuhr von der "Wärmequelle 56 zur Turbine 52 stattfinden. Während der Energiespeicherung strömt sämtliches oder ein Teil des Arbeitsmittels von der Wärmequelle 56 (Fig. 2) durch die Leitung 62 zum Wärmetauseher 10 und durch eine Leitung 64 und ein Ventil 66 in den Flüssigkeitsspeicher 44 oder durch eine Leitung 6B und eine Pumpe 70 zur

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Wärmequelle zurück.

Während der Energieabgabe strömt das Arbeitsmittel entweder aus dem Flüssigkeitsspeicher 44 durch eine Leitung 72, eine Pumpe 74 und ein Ventil 76 in die Leitung 64 und in den Wärmetauscher 10 oder von der Speisewasserpumpe 62 durch ein Ventil 78 in die Leitung 64 und in den Wärmetauscher.

Ivenn die Wärmequelle 56 ausreichend viel Energie liefern kann, um sowohl die Turbine 52 als auch den Wärmetauscher zu speisen, kann die Temperatur des von der Wärmequelle kommenden Arbeitsmittels hauptsächlich durch Steuerung des Durchflusses durch die Pumpe 70 gesteuert werden. Der Druck in der von der Wärmequelle kommenden Dampfleitung 80 kann durch Steuerung des Flüssigkeitspegels im Wärmetauscher 10 gesteuert werden. Liegt dieser Druck oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts, wird der Flüssigkeitspegel im Wärmetauscher abgesenkt. Wenn dieser Druck dagegen unter einem vorgegebenen unteren Grenzwert liegt, xvird der Flüssigkeitspegel im Wärmetauscher angehoben. Dadurch erhält man im wesentlichen konstante Temperatur- und Druckbedingungen am Turbineneinlaßventil 5^.

Wenn die Wärmequelle 56 keine überschüssige Energie zur Speicherung im Wärmetauscher 10 mehr liefern kann, wird

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die Pumpe 70 abgeschaltet und die von der Pumpe 62 kommende Speisewasserströmung wird so aufgeteilt, daß eine entsprechend den jeweiligen thermischen Bedingungen, beispielsweise der Temperatur des von der Wärmequelle kommenden Dampfes, gesteuerte Speisewassermenge durch das Ventil 82 und die Leitung 84 zur Wärmequelle strömt, während der restliche Teil der Speisewasserströmung über das Ventil 78 in den Wärmetauscher eintritt. Der Druckpegel in der Leitung kann hier ebenfalls durch Steuerung des Flüssigkeitspegels im Wärmetauscher 10 beherrscht werden.

Wenn die Wärmequelle, beispielsweise ein Sonnenkollektor, außer Betrieb und aus dem Kreislauf abgetrennt ist, beispielsweise während der Nacht, kann der Dampfdruck in der Leitung 80 weiterhin durch Steurung des Flüssigkeitspegels im Wärmetauscher gesteuert werden, der dann eine zum Antrieb der Turbine 52 ausreichende Dampfströmung liefert, Nach einer längeren Zeit fortgesetzten Betriebs tritt bei dieser Betriebsart ein allmähliches Absinken der Dampftemperatur am Turbineneinlaßventil 54 ein. Diese Temperaturänderung ist aus Fig. 3 ersichtlich, in welcher die Abszisse den Flüssigkeitspegel im Wärmetauscher als Bruchteil des MaximalpegeIs und die Ordinate die Temperaturänderung am Wärmetauscheraus laß in Form des Bruches darstellt,

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wobei T die Auslaßtemperatur, T die Anfangstemperatur der

Füllsteinpackung und T die Speiseflüssigkeitstemperatur ist.

Ein vorteilhaftes Sicherheitsmerkmal dieses Wärmespeichersystems liegt in seinem Ansprechen auf eine plötzliche Turbinenabschaltung oder einen plötzlichen Lastverlust. Wenn eine plötzliche, nicht geplante Turbinenabschaltung auftritt, kann das Wärmetauschersystem bei ausreichender Überschußkapazität und Bemessung und bei geeigneter Steuerung der Pumpe 70 sämtliche von der Wärmequelle erzeugte Energie absorbieren. Eine Schnellabschaltung der Wärmequelle ist deshalb nicht erforderlich und es ist auch keine gesonderte künstliche Ersatzlast zur Vernichtung des Dampfes notwendig.

Fig. 4 zeigt den typischen Verlauf des Wärmeleistungspegels (Ordinate) und die Leistungsverteilung über einer Tagesperiode (Abszisse) für ein mit Sonnenwärme arbeitendes Energieerzeugungssystem mit einem Wärmespeicher. Dabei ist ein vereinfachter Verlauf des wechselnden elektrischen Energiebedarfs angenommen, der während des Arbeitstages einen höheren gleichbleibenden Wert erreicht und in den Abendstunden auf einen niedrigeren gleichbleibenden Wert abfällt, während am frühen Morgen nur ein geringer Bedarf besteht. Während des Zeitraums A gelangt die Ausgangswärmeleistung

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des Sonnenkollektors ausschließlich in den Speicher. !Jährend der Perioden B und D gelangt die Ausgangsleistung des Sonnenkollektors ausschließlich zur Turbine, während der Periode C wird die vom Sonnenkollektor gelieferte Energie sowohl dem als Speicher dienenden Wärmetauscher als auch der Turbine zugeführt und während der Periode Ξ wird die Turbine ausschließlich mit im Wärmetauscher gespeicherter Energie betrieben.

Die Fig. 5 bis 9 zeigen schematisch abgewandelte Energieerzeugungssysteme, bei denen jeweils der beschriebene Wärmetauscher 10 Anwendung findet. Das in Fig. 5 gezeigte System enthält einen gesonderten, vom Wärmeerzeugerkreislauf getrennten Turbinenkreislauf. Im Wärmeerzeugerkreislauf kann hier ein anderes Arbeitsmittel als im Turbinenkreislauf Anwendung finden und die beiden Kreisläufe können auf wesentlich verschiedenen Drücken arbeiten. Der die Wärmetauscherschleife enthaltende Wärmeerzeugerkreislauf kann mit einem organischen Arbeitsmittel und etwa auf Atmosphärendruck arbeiten, was die Kosten zahlreicher Komponenten dieses Kreislaufs beträchtlich vermindert. Diese Anordnung nach Fig. 5 erfordert einen zusätzlichen Wärmetauscher, der beispielsweise ein als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildeter Dampferzeuger sein kann, um die Wärmeenergie vom Wärneerzeugerkreislauf auf den Turbinenkreislauf zu übertragen.

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Dieser zusätzliche Wärmetauscher 86 setzt den Gesamtwirkungsgrad der Anlage herab, wenn die Turbine von der Wärmequelle 56 oder vom Speicherwärmetauscher 10 mit Energie gespeist wird.

Fig. 6 zeigt ein der Anlage nach Fig. 5 sehr ähnliches System. Hier ist jedoch der Wärmespeicherkreislauf von der Turbinenschleife und der Wärmeerzeugerschleife getrennt. Bei diesem System wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nicht beeinträchtigt, wenn die Turbine direkt von der Wärmequelle betrieben wird. Der Wirkungsgrad wird nur dann herabgesetzt, wenn die Turbine mit Energie aus dem Wärmespeicherkreislauf betrieben wird. Der isolierte Wärmespeicherkreislauf kann vorteilhafterweise mit einem organischen Arbeitsmittel arbeiten.

Je nach dem Temperaturabfall in der Turbine 52 kann der Turbinenabdampf im Kondensator 60 zur Speisung eines gesonderten Wärmeenergie-Verbraucherkreislaufs Ö8 ausgenützt werden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Diese Anordnung kann auch eine Turbinenumgehungsleitung 90 aufweisen, die direkt zum Kondensator führt.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 8 einen gesonderten Energieverbraucher 90, der direkt mit Dampf betrieben werden

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des Flüssigkeitsspeichers betragen bei geeigneter Isolation nur 1 % bis 2 % der gespeicherten Energie. Die Verminderung der gespeicherten Energie durch axiale Wärmeleitung durch
die Füllsteinpackung hindurch beträgt etwa 1 % und der
Energiebedarf zur Druckbeaufschlagung des Flüssigkeitsspeichers ebenfalls etwa 1 %. Der beschriebene Wärmetauscher besitzt deshalb einen Gesamtwirkungsgrad im Bereich von 90 % bis 95%» Außerdem können die Komponenten der Anlage und die Anlage selbst sehr zuverlässig ausgelegt werden, da der
Wärmetauscher und der Flüssigkeitsspeicher statische Komponenten sind, und da die benötigten Pumpen und Ventile im
wesentlichen unter den Speisewasserbedingungen arbeiten und verhältnismäßig geringe Druckdifferenzen über ihnen stehen.

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kann, der nicht durch den Kondensator hindurchgeleitet wird.

Fig. 9 zeigt eine komplexere Anordnung, die zusätzlich zu der den elektrischen Generator antreibenden Turbine 52 einen Hochtemperatur- und einen Niedertemperatur-Wärmeverbraucher 92 bzw. 9^ enthält. Außerdem weist diese Anordnung zwei als Wärmespeicher dienende Wärmetauscher auf, nämlich einen Hochtemperatur-Speicherwärmetauscher 10a und einen Niedertemperatur-Wärmespeicher 10b.

Der oben beschriebene, in Energieerzeugungsanlagen vorteilhafte Regenerativ-Wärmetauseher mit unmittelbarem Wärmeaustausch arbeitet mit einer Flüssigkeits-Dampf-Phasenänderung des Arbeitsmittels und kann auch mit einer festflüssig-Phasenänderung des Wärmespeichermaterials arbeiten, das deshalb eine verhältnismäßig hohe WärmeSpeicherkapazität besitzt. Der gesamte Wärmespeicherungswirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung kann extrem hoch sein. Durch Ausnützung von 80 % bis 90 % der Höhe der Füllsteinpackung im Wärmetauscher wird der Wirkungsgrad einer nachgeschalteten, einen elektrischen Generator treibenden Turbine in nur vernachlässigbarem Maße beeinflußt. Die zur Flüssigkeitspegelsteuerung benötigte Pumpenenergie beträgt bei dieser Wärmespeicher-Energieerzeugungsanlage nur etwa 1 % der gespeicherten Energie. Die Wärmeverluste des Wärmetauschers und

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Claims

Patentansprüche

1. Rerenerativ-V/srmetauscher mit einem wärmeisolierenden Druckbehälter, der unten mindestens eine Durchtrittsöffnung für eine Flüssigkeit und oben mindestens eine Durchtrittsöffnung für Dampf dieser Flüssigkeit aufweist und eine Speienermasse hoher Uärmespeieherkapazität enthält, gekennzeichnet durch dichtgepackte Füllsteine (34) als Speicherinas se und durch eine Flüssigkeitpegel-Steuereinrichtung (46), mittels welcher wahlweise eine Flussigkeit-Dampf-Zustandsänderung im Druckbehälter herbeiführbar ist.

2. V/ärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssirkeitspegel-Steuereinrichtung einen Pegelniesser (46) aufweist und den Flüssigkeitspegel jeweils zur energieübertragung auf die Füllsteine absenkt und jeweils zur iinergieabgabe von den Füllsteinen auf die Flüssigkeit anhebt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllsteine eine etwa sphäroidische Form naben.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch .-Gekennzeichnet, daß die Füllsteine eines der in

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Tafel I aufgelisteten Materialien entnalten.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis ²J₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Füllsteine jeweils aus einer Schale und einem davon umschlossenen Kern aus schmelzbarem Material noher Schmelzwärme bestehen.

6. Wärme tauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine an den Druckbehälter (12, 20) angeschlossene Wärmequelle und eine ebenfalls mit dem Druckbehälter verbundene Kraftmaschine.

7. wärmetauscher nacn einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Flüssigkeit eine organische Flüssigkeit ist oder enthält.

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