DE3003160C2 - Wärmetauscher für Solarkraftwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Solarkraftwerke, bei dem Sonnenwärme mit Temperaturen von über 800°C an einen unter hohem Druck stehenden Gasstrom weitergegeben wird mit Hilfe von Flüssigmetall-Wärmerohren aus hochlegiertem Edelstahl, deren Verdampfungszonen aus einer ebenen Wärmetauscherwand herausragen, in der sie befestigt sind und deren Kondensationszonen sich in einem gasdurchströmten Zwischenraum befinden, wobei die Enden der Wärmerohre in einer zweiten Wärmetauscherwand befestigt sind.

Wärmetauscher der o. a. Art bestehen zum einen aus ebenen Wärmetauscherwänden, die den Austauschraum begrenzen, und zum anderen aus Wärmerohren, die im Wärmetauscherraum verlaufen und eine Wand des Wärmetauschers durchstoßen, wobei ihre Verdampfungszone sich außerhalb des Wärmetauschers befindet. Die Wärmerohre dienen gleichzeitig dazu, dem Wärmetauscher eine mechanische Festigkeit zu geben; sie wirken gewissermaßen wie Zuganker, die die beiden ebenen Wände miteinander verbinden.

Nachfolgend werden sowohl die Anforderungen, die an die Wärmerohre, wie auch die Anforderungen, die an die Wände des Wärmetauschers gestellt werden, näher erläutert, wobei diese Anforderungen erheblich von den sonst üblichen Anforderungen an Wärmetauscher abweichen, da im vorliegenden Fall die Verwendung des Wärmetauschers für Solarkraftwerke mit sehr hohen auftretenden Temperaturen vorgesehen ist.

Es ist bekannt, daß Flüssigmetall-Wärmerohre problemlos bis zu Temperaturen von ca. 600° C betrieben werden können. Dabei wird als Strukturmaterial (Rohrmaterial) ein hochlegierter Stahl verwendet (z. B. Inconel). Bei Temperaturen über 600°C zeigen alle hochlegierten Edelstahle jedoch ein Langzeit-Fließverhalten, das mehr oder weniger stark ist und je nach der verwendeten Legierung bei einer weiter erhöhten Temperatur mehr oder weniger ansteigt.

Außer hochlegierten Edelstahlen kommen als Strukturmaterialien nur noch refraktäre Metalle in Betracht (Wolfram, Tantal, Molybdän), die außer einem extrem hohen Preis und der schwierigen Verarbeitbarkeit auch nicht in jedem Maß geliefert werden können und außerdem, wie z. B. Molybdän, nicht an Luft betrieben werden können. Aus diesen Gründen kommen die refraktären Materialien für einen großtechnischen Einsatz nicht in Betracht

Wie erwähnt zeigen alle Superlegierungen ein Langzeit-Kriechverhalten, das mit steigender Temperatur zunimmt Dies ist bei den Rohrwandungen der Wärmerohre unproblematisch, da die rohriörmige Gestalt an sich genügend Strukturfestigkeit bietet führt jedoch bei den ebenen Wärmetauscherwandungen zu sehr großen Wandstärken und damit zu einem erheblichen Gewicht, sehr großem Volumen und hohen Kosten.

Bei Temperaturen um oder über 800° C lassen sich hochlegierte Superstähle zwar noch verwenden, jedoch nur mit großen Wandstärken. Andererseits sind Wärmerohre, die mit Natrium betrieben werden, bei ca. 800° C in einem optimalen Arbeitsbereich und auch bei vielen technischen Prozessen werden Temperaturen um 800° C erwünscht.

Das problematische Langzeit-Fließverhaiten unter Spannungskräften bei hohen Temperaturen tritt nicht nur in den Rohren der Wärmerohre auf, sondern vor allem in den planen Wänden-des Wärmetauschers, da ja das Kühlgas unter hohem Druck (ca. 10 bar) steht und die Kräfte in den nicht gekrümmten Wänden besonders hoch werden, so daß hier eine Wanddicke von mehreren Zentimetern notwendig wird. Dies gilt für die Vorderwand und die Rückwand des Wärmetauschers, da die Wärmerohre praktisch isotherm sind und folglich sich in beiden Wänden die gleichen Temperaturen einstellen.

Es stellte sich das Problem, den Wärmeübergang zwischen den Wärmerohren und den Wärmetauscherwänden zu vermindern. Dieses Problem konnte für die in Nähe der Verdampfungszone befindliche Wärmetauscherwand nicht gelöst werden, und diese Wand besteht aus einem hochlegierten Stahl von erheblicher Wandstärke und einer Isolierschicht. Eine Verbesserung für die rückwärtige Wand des Wärmetauschers konnte jedoch gefunden werden, so daß der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, den Wärmeübergang zwischen der rückwärtigen Wärmetauscherwand und den in ihr befestigten Enden der Wärmerohre zu vermindern.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß bei einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß sich innerhalb der Wärmerohre im Bereich der zweiten Wand ein isolierendes Gaspolster befindet.

Wird den Wärmerohren ein Inertgas (z. B. N2 oder Edelgas) in geringen Mengen zugegeben, so sammelt sich das Inertgas während des Betriebs am hinteren, wärmeabgebenden Teil der Wärmerohre, da der Natriumdampf kondensiert, nicht aber das Inertgas. Das Inertgas blockiert so den rückwärtigen Teil der Wärmerohre.

Bekannt sind zwar temperaturstabilisierte Wärmerohre mit Gaspolster (z. B. DE-AS 24 39 442). Jedoch blieb deren Verhalten für Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art bisher unbeobachtet und es wurde auch nicht wahrgenommen, daß ein Gaspolster als isolierende Schicht zur Verminderung des Wärmeübergangs zwischen Wärmerohr und Wärmetauscherwandung verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 ein Solarkraftwerk in prinzipieller Darstellung,

Fig.2 eine axonometrische Teilansicht eines Wärmetauschers,

F i g. 3 ein Diagramm für den Wärmeübergang zwischen Wärmerohr und Wärmetauscherwänden und

Fig.4 das Anfahrverhalten der Wärmerohre im Diagramm.

F i g. 1 zeigt das Prinzip eines ^olarkraftwerkes, wobei die von der Sonne 2 ausgesandte Strahlung 4 mittels Spiegel 6, die auf der Erdoberfläche 8 angeordnet sind, in einem Absorber 10 gesammelt u ird. Der Absorber 10 befindet sich auf einem Turm 12 und steht mit einer nicht gezeigten Wärmekraftmaschine und einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie in Verbindung. Durch die Spiegel 6 werden am Absorber Temperaturen von über 800° C erreicht.

Die Strahlung der Spiegel 6 trifft am Absorber auf die Verdampfungszone 16 eines in Fig.2 gezeigten Wärmerohrs 14. Zahlreiche Wärmerohre bilden zusammen mit zwei ebenen Wänden 18, 20 einen Wärmetauscher 22. Dabei ragen die Verdampfungszonen 16 der Wärmerohre aus der einen Wand 18 heraus und sind in dieser befestigt. Die Kondensationszonen 24 der Wärmerohre befinden sich in einem gasdurchströmten Raum 26, der unter hohem Druck steht. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind die Wärmerohre im Bereich der Kondensationszone 24 mit Rippen 28 versehen. Das zweite Ende 30 der Wärmerohre im Bereich der Wärmesenke ist in der zweiten Wärmetauscherwand 20 befestigt. Beide Wände 18,20 bestehen aus hochlegiertem Edelstahl und weisen gegenüber dem gasdurchströmten Raum 26 eine Isolierschicht 32 bzw. 34 auf.

In Fig. 2 ist ein Wärmerohr teilweise aufgebrochen dargestellt, wobei außer der Kapillarstruktur 36 durch Richtungspfeile Dampfstrom 38 und Kondensatstrom 40 eingezeichnet sind. Es befindet sich im Wärmerohr 14 am zweiten Ende 30 ein Gaspolster 42 aus einem Inertgas (N2 oder Edelgas). Dieses isolierende Gaspolster bewirkt eine Verringerung des Wärmetransports aus dem Wärmerohr 14 in die hintere Wand 20 des Wärmetauschers. Die hintere Wand 20 des Wärmetauschers bleibt dadurch kälter und kann somit bei gleicher mechanischer Belastung sehr viel dünner ausgeführt werden; gleichzeitig wird das Startverhalten des Wärmerohrs durch das isolierende Gaspolster 42

verbessert, wie weiter unten anhand von Fig.4 beschrieben wird.

Nachfolgend werden einige Angaben über Werkstoffe und Abmessungen als Beispiel wiedergegeben.

Werkstoff der Wärmetauscherwände 18, 20:

Incone! 601

Abstand der Wärmetauscherwände: ca. 1,50 m

Wandstärke, Wand 18: ca. 30 mm

Wandstärke, Wand 20: ca. 5 mm

Isoliermaterial 32, 34: Steinwolle

Werkstoff Wärmerohr 14: Inconel 601

Wärmeträger: Natrium oder Kalium

Länge des Wärmerohrs: ca. 1,80 m

Durchmesser außen: 60 mm

Gaspolster: Nj oder Edelgas (Argon, Xenon)

Art der Verbindung zwischen Wärmerohr 14 und

Wänden 18, 20: vakuumdichte Schweißverbindung (WIG-Schweißung)

Gas im Raum 26: Luft oder Helium

Druck im Raum 26: 10 bar

Strömungsgeschwindigkeit im Raum 26:

ca. 5—10 m/sek

Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf längs eines Wärmerohrs 14 mit Gaspolster 42 (gestrichelt eingezeichnet) und ohne Gaspolster (durchgezogen eingezeichnet). Es zeigt sich, daß die Temperatur 7Ϊ in der hinteren Wand 20 bei dem Wärmerohr mit Gaspolster

wesentlich unterhalb der Temperatur T₂ des Wärmerohrs ohne Gaspolster liegt. Der Unterschied zwischen Ή und T₂ beträgt ca. 250°C.

Fig.4 zeigt das Leistungsverhalten eines Wärmerohrs 14 über der Betriebstemperatur. Das Wärmerohr

kann innerhalb des schraffierten Bereichs arbeiten. Liegt eine Leistung außerhalb des schraffierten Bereichs, so wird die maximale Leistung des Wärmerohrs überschritten und das Wärmerohr versagt (Durchbrennen). Durch das Gaspolster 42 wird vor

allem bei tieferer Temperatur, wo die Ausdehnung des Gases größer ist, die effektive Austauschfläche verringert und deshalb bei gleicher Leistung und gleicher Temperatur des Kühlgases die Wärmerohr-Temperatur von T]_H auf T_2H erhöht. Damit rückt die Leistung in den

erlaubten Bereich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für Solarkraftwerke, bei dem Sonnenwärme mit Temperaturen von über 800° Can einen unter hohem Druck stehenden Gasstrom weitergegeben wird mit Hilfe von Flüssigmetall-Wärmerohren aus hochlegiertem Edelstahl, deren Verdampfungszonen aus einer ebenen Wärmetauscherwand herausragen, in der sie befestigt sind und deren Kondensationszonen sich in einem gasdurchströmten Zwischenraum befinden, wobei die Enden der Wärmerohre in einer zweiten Wärmetauscherwand befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Wärmerohre (14) im Bereich der zweiten Wand (20) ein isolierendes Gaspolster (42) befindet

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gaspolster (42) ein Inertgas (N2 oder Edelgas) verwendet wird.