DE3526122A1 - Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Prozeßdampf durch Solarenergie unter Direktverdampfung nach dem Obergegriff des Patentanspruchs 1.

In dieser Anlage soll eine Direktverdampfung von z. B. Wasser und Umwälzung mittels Naturkonvektion erfolgen, wobei der Dampf in einem Solarkollektor erzeugt wird. Bekannt sind für diesen Zweck Zweitkreisanlagen mit Wärmetauschern und Umwälzpumpen. Diese verteuern jedoch eine solche Anlage. Darüber hinaus sind Pumpen Komponenten, die in den zur Anwendung solcher Solaranlagen vorgesehenen Entwicklungsländern unter Umständen gar nicht hergestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Solaranlage der eingangs beschriebenen Art zu schafffen, in welcher die zweiphasige Naturkonvektion bei einer Direktverdampfung von z. B. Wasser im offenen Kreislauf beherrscht werden kann, so daß eine kontinuierliche Dampfabgabe entsprechend der solaren Einstrahlung entsteht und keine Pumpe mehr im Dampfkreislauf benötigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführt sind. Weitere vorteilhafte Merkmale für eine Anlage mit Solarkollektor nach dem Einrohrprinzip sind im Kennzeichen des Patentanspruchs 2 aufgeführt. Letztlich sind in den Kennzeichen der Unteransprüche noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aufgeführt.

Durch die Dampf-Wasser-Abtrennung direkt hinter dem Kollektor kann nun die zweiphasige Naturkonvektion so beherrscht werden, daß eine kontinuierliche Dampfabgabe entsprechend der solaren Einstrahlung entsteht. Die Umwälzung erfolgt dabei durch die Höhendifferenzen in der Anlage. Durch diesen Direktkreislauf mit der Naturkonvektion kann nun aufgabengemäß der Wärmetauscher und die Umwälzpumpe eingespart werden. Von Vorteil ist bei der vorliegenden Erfindung, daß das kalte Kondensat nicht im Bereich des Dampfaustritts eingeleitet wird, wodurch Kavitation vermieden wird. Weiterhin kann im Siederohr eine Schicht- oder Wellenströmung mit einem extrem niedrigen Wärmeübergang im Dampfbereich vermieden werden. Der Auftrieb des abströmenden Dampf-Wasser-Gemisches kann für die Umwälzung der Mengenströme ausgenutzt werden. Bei der erfindungsgemäßen Solaranlage wird der Dampf soweit abgetrennt, daß noch eine ausreichende Überlaufmenge für den Siederohrdurchsatz gefördert wird, andererseits aber kein Pulsationseffekt mehr entsteht. Gegenüber den bekannten Solaranlage zur Prozeßdampferzeugung nach dem Zweikreisanlagenprinzip, bei welchem die im Kollektor gewonnene Solarenergie mittels eines Ölkreislauf zu einem Wärmetauscher transportiert wird, werden bei der vorliegenden Erfindung durch die Dampferzeugung direkt im Kollektor Wärmetauscher und Umwälzpumpe eingespart. Selbst wenn das Kondensat zum Kollektor durch eine Pumpe zurückgespeist würde, ist nur eine sehr geringe Pumpleistung erforderlich.

Beim Unterschreiten der solaren Mindesteinstrahlung kann die im System gespeicherte Wärme nicht mehr mit der vom Verbraucher geforderten Solltemperatur genutzt werden. Da Solaranlagen nicht so stark isoliert werden können, daß die im System gespeicherte Wärme über Nacht erhalten bleibt, wird die Aufheizzeit der Anlage am folgenden Betriebstag von der Wärmekapazität der Anlage mitbestimmt. Ein Wegfall des Wärmetauschers verbessert damit erheblich den Anlagennutzungsgrad.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigen:

die Fig. 1 die Seitenansicht einer Solaranlage mit Einzelrohrkollektor,

die Fig. 2 die Vorderansicht der Fig. 1,

die Fig. 3 eine andersartige Ausbildung des Dampf-Wasser- Abscheiders,

die Fig. 4 die Seitenansicht einer Solaranlage mit U-Rohr- Kollektor und

die Fig. 5 eine Vorderansicht der Fig. 4.

Die in der Fig. 1 gezeigte Anlage mit koaxialem Einzelrohrkollektor für den Betrieb mit Wasser bzw. Dampf besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen Kollektor 1 und dem Dampf-Wasser-Abscheider 2, die miteinander verbunden sind. Im Kollektor 1, dessen Gehäuse das Glasschutzrohr 3 bildet und vom Spiegel 4 her bestrahlt wird, ist eine Empfängerplatine 5 befestigt, auf welcher die Hauptelemente, das Siederohr 6 und das in ihm koaxial gelegene interne Rücklaufrohr 7 befestigt sind. Der Dampf-Wasser- Abscheider 2 ist oberhalb der Ebene 8 der beiden Rohre 6 und 7 gelegen, seine Achse 9 ist etwa 45° oder mehr gegen die Horizontale geneigt.

Das Siederohr 6 ist an seinem einen Ende 10 verschlossen, die Austrittsöffnung 11 des internen Rücklaufrohres reicht bis kurz vor das Ende 10, so daß im internen Rücklaufrohr 7 strömendes Wasser in das Siederohr 6 eintritt, darin zurückströmt und verdampft werden kann. Beide Rohre 6 und 7 treten zusammen an der Seitenwand 12 des Kollektors aus, wobei das interne Rücklaufrohr 7 mit seinem anderen Ende 14 am anderen Siederohr 13 stirnseitig aus ihm abgedichtet herausgeführt und damit mit seinem Innenraum 15 vom Inneren des Siederohrs 6 getrennt ist. Diese Trennung ist notwendig, da über den Rücklauf 14 eingeleitetes kaltes Kondensat und/oder Rücklaufwasser nicht im Bereich des Dampfaustrittes mit diesem in Berührung kommen darf, um Kavitation zu verhindern.

Der Zugang für das Rücklaufwasser und die Kondensatrückführung über das Ende 14 in dem Rücklaufrohr 7 sowie der für die Dampfabfuhr aus dem Siederohrende 13 folgt somit gemeinsam auf einer Seite des Kollektors 1. Dies ist vorteilhaft, damit die eine Seite des Kollektors frei für die Halterung des Glasrohres 3 bleibt und um Wärmespannungen zu verhindern.

Aus dem Innenraum des Siederohrs 6 führt im Bereich des Rohrendes 13 ein Steigrohr 16 nach oben, dessen Achse 9 schräg geneigt ist und das in den Sammelraum 17 des Dampf- Wasser-Abscheiders 2 führt. Der obere Teil 18 des Steigrohres 16 weist an seiner Unterseite eine zu dem Innenraum 17 hin gerichtete Öffnung 19 mit einer Abscheidekante 20 auf. Diese Ausbildung der Austrittsöffnung soll vermeiden, daß das austretende Wasser-Dampf-Gemisch direkt den den Dampfaustritt 21 anströmt. Bei größeren Durchmesserverhältnissen von Sammelraum 17 und Steigrohr 18 kann eine besondere Formgebung der Austrittsöffnung entfallen. Oberhalb dieser Öffnung 19 führt die Dampfaustrittsleitung 21 aus dem Innenraum 17 des Dampf-Wasser-Abscheiders. Am unteren Ende des Sammelraumes 17 befindet sich der Auslauf 22, der über das nach unten führende, externe Rücklaufrohr 23 an das andere Ende 14 des internen Rücklaufrohres 7 angeschlossen ist. Im Bereich dieses Anschlusses ist noch ein weiterer Anschluß 24 für vom Verbraucher eventuell zurückfließendes Kondensat vorgesehen, das damit einer neuen Verdampfung zugeführt werden kann. Zur Entleerung der Anlage ist unten am Siederohr 6 noch ein Anschluß 25 vorgesehen, der etwa im Bereich unter der Abzweigung des Steigrohres 16 liegt.

Die Funktion der Anlage ist nun wie folgt: Das über das interne Rücklaufrohr 6 in das Siederohr 7 eingetretene Rücklaufwasser bzw. Kondensat wird nun dort verdampft. Der in einem Temperaturbereich von 100°C bis 160°C entstehende Wasserdampf gelangt in das Steigrohr 16 und tritt aus der Öffnung in den Innenraum 17 des Dampf- Wasser- Abscheiders 2 ein. Das mitgerissene Wasser scheidet sich dabei in der Öffnung 19 ab, fließt nach unten ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Sammelraumes 17. Der Dampf gelangt dann über den Dampfaustritt 21 zu einem Verbraucher, verwendbares Kondensat wird dem Kreislauf über den Rücklauf 24 wieder zugeführt. Die beschriebene Anlage ist für den Betrieb mit Wasser bzw. Wasserdampf vorgesehen, prinzipiell eignet sich jedoch auch ein anderes Kühlmittel mit entsprechenden Verdampfungswerten für den Kreisprozeß.

Das Rücklaufwasser fließt dann durch den Auslauf 22 und das externe Rücklaufrohr 23 wieder zurück in den Innenraum 15 des internen Rücklaufrohres und wird einer erneuten Verdampfung im Siederohr 7 zugeführt. Dieser Kreislauf in Form einer Art Umlaufschleife erfolgt mittels Naturkonvektion, bei der dargestellten Ausführung im offenen Kreislaufsystem unter Direktverdampfung ohne Zwischenwärmetauscher oder ähnliche Elemente. Das Steigrohr 16 und die Rücklaufrohre 7 und 13 müssen die beim Verdampfen aus dem Siederohr 6 verdrängte Wassermenge aufnehmen, sie sind so bemessen, daß bei Anlaufen der Anlage kalte Wassermassen aus dem Steigrohr 16 in den Sammelraum 17 verdrängt werden, so daß keine Kavitation auftreten kann. Durch die koaxiale Lage des internen Rücklaufrohres 7 wird zusätzliche Oberfläche mit Wärmeverlusten vermieden.

Der Spiegel 26 des Rücklaufwassers im Sammelraum 17 liegt unterhalb der Kante 20 am Steigrohr 16 und so hoch über der/den Ebene(n) 8 des Siede- bzw. des internen Rücklaufrohres 6, 7, daß der resultierende statische Druck dort größer als der Druckverlust in dem bzw. in den Rücklaufrohren ist. Die Kante 20 am Steigrohr 16 liegt auch nach Aufnahme der aus dem Siederohr 6 nach dem Anfahren verdrängten Wassermenge im Sammelraum 17 noch über dem Wasserspiegel 26 in demselben, die Querschnittsfläche des Steigrohres 16 ist größer als die des Siederohres 6. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß das Siederohr 6 und das interne Rücklaufrohr 5 gemeinsam um etwa 1° abwärts in Richtung Steigrohr 16 geneigt sind, und daß Steigrohr 16 und Dampf-Wasser-Abscheider 2 in einem Winkel größer gleich 45° gegen die Horizontale gerichtet sind.

Wichtig ist, daß die Überströmöffnung 19 immer frei bleibt, auch wenn sich ein großer Teil des Kreislaufwassers im Sammelraum 17 befindet. Dazu muß die entsprechende Höhe vorhanden sein mit einem zusätzlichen Anteil für den Regelhub.

Die Fig. 3 zeigt die Verbindung von Siederohr/Steigrohr und internem Rücklaufrohr/Sammelraum direkt ohne externes Rücklaufrohr kompakt mittels eines einzigen Formteiles 27. Dabei liegt das Siederohr 28 zwar um das interne Rücklaufrohr 29 herum, die Mittelachsen 30 und 31 differieren jedoch in der Höhe voneinander bzw. liegen nicht in einer Ebene, was für die Gesamtfunktion jedoch ohne Belang ist.

Beide Rohre 28 und 29 sind schräg in das Formteil 27 von der einen Seite her eingesetzt, die andere Seite 32 besitzt zwei Bohrungen 33 und 34, deren eine 33 direkt ins Steigrohr 35 und deren ander 34 direkt in den Sammelraum 36 des Abscheidergehäuses 37 mündet. Die Wasserabscheidung erfolgt über die Kante 38 der Rohröffnung 39, die Dampfabfuhr über den Stutzen 40. Rückgeführtes Kondensat wird mittels der Bohrung 41 ins interne Rücklaufrohr 29 eingeleitet.

Die Anlage gemäß den Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführung nur durch die andersartige Ausbildung des eigentlichen Kollektors 1. Der Kollektor 1 weist hier ein U-förmig mit dem Siederohr 41 zusammengeführtes internes Rücklaufrohr 42 auf, wobei deren Mittelachsen 43 und 44 nicht in einer Ebene liegen müssen, wie dargestellt. Dies ist jedoch, wie bereits vorher ausgeführt, ohne Belang.

Das Glasschutzrohr 45 des Kollektors ist evakuiert. Das Steigrohr 16 führt direkt aus dem Siederohr 41, externes 23 und internes Rücklaufrohr 42 sind ähnlich verbunden wie bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2. Alle übrigen Positionen entsprechen denen in den Fig. 1 und 2 und sind in dem zugehörigen Beschreibungsteil genannt und daher hier nicht mehr extra beschrieben. Die Gesamtfunktion der Anlage gemäß den Fig. 4 und 5 bezüglich der Dampferzeugung ist dieselbe wie diejenige nach den Fig. 1 und 2.

Bezugszeichenliste:

 1 Kollektor
 2 Dampf-Wasser-Abscheider
 3 Glasschutzrohr
 4 Spiegel
 5 Empfängerplatine
 6 Siederohr
 7 internes Rücklaufrohr
 8 Rohrebene
 9 Achse
10 Siederohrende
11 Austrittsöffnung
12 Seitenwand
13 Siederohrende
14 Rücklaufrohrende
15 Innenraum
16 Steigrohr
17 Sammelraum
18 oberes Rohrteil
19 Öffnung
20 Kante
21 Dampfaustritt
22 Auslauf
23 externes Rücklaufrohr
24 Anschlußkondensatrücklauf
25 Anschlußentleerung
26 Rücklaufwasserspiegel
27 Formteil
28 Siederohr
29 internes Rücklaufrohr
30 Mittelachse bzw. Ebene
31 Mittelachse bzw. Ebene
32 Seite
33 Bohrung
34 Bohrung
35 Steigrohr
36 Sammelraum
37 Abscheidegehäuse
38 Kante
39 Rohröffnung
40 Stutzen
41 Siederohr
42 internes Rücklaufrohr
43 Mittelachse bzw. Ebene
44 Mittelachse bzw. Ebene

Claims (6)

1. Anlage zur Erzeugung von Prozeßdampf durch Solarenergie unter Direktverdampfung und Umwälzung des Wärmeträgers durch Naturkonvektion, mit einem Solarkollektor, der ein Siederohr zur Erzeugung und Abfuhr des Dampfes zum Verbraucher sowie ein, an ein Ende des Siederohrs angeschlossenes internes Rücklaufrohr aufweist, welches den Wärmeträger wie z. B. Wasser dem Siederohr zuführt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) oberhalb der/den Ebene(n) (8, 43, 44) des Siederohrs (6, 41) und des internen Rücklaufrohres (7, 42) ist ein Dampf-Wasser-Abscheider (2) mit Sammelraum (17) und in diesen einmündendem Steigrohr (16) angeordnet, welches von oben her an dem anderen Ende (13) des Siederohrs (6) angeschlossen ist,
b) die untere Kante (20) der Austrittsöffnung (19) am Steigrohr (16) für das Dampf-Wasser-Gemisch ist über der/den Ebene(n) (8, 43, 44) von Siederohr (6, 41) bzw. internem Rücklaufrohr (7, 42) gelegen,
c) der Sammelraum (17) des Abscheiders für das Rücklaufwasser weist einen Auslauf (22) auf, der direkt oder mittels eines externen Rücklaufrohres (23) an das interne Rücklaufrohr (7, 42) des Kollektors (1) angeschlossen ist,
d) der Spiegel (26) des Rücklaufwassers im Sammelraum (17) liegt unterhalb der Kante (20) am Steigrohr (16) und so hoch über der/den Ebene(n) (8, 43, 44) des Siede- bzw. des internen Rücklaufrohrs (6, 7, 41, 42), daß der resultierende statische Druck dort größer als der Druckverlust in dem/den Rücklaufrohr(en) (7, 44) ist.

2. Anlage nach Anspruch 1 mit einem Solarkollektor (1) nach dem Einrohrprinzip mit konzentrisch im Siederohr (2) gelegenen, internen Rücklaufrohr (7), gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
e) das Siederohr (6) ist an einem Ende (10) stirnseitig geschlossen, das interne Rücklaufrohr (7) reicht mit seiner Austrittsöffnung (11) bis kurz vor das Ende (10),
f) die Anschlüsse für die Dampfabfuhr aus dem Siederohr (6) und für das Rücklaufwasser in das interne Rücklaufrohr (7) liegen gemeinsam auf der anderen Seite bzw. am anderen Ende des Kollektors,
g) das andere Ende (14 des internen Rücklaufrohres (7) ist aus dem Siederohr (6) herausgeführt und mit seinem Innenraum (15) von diesem abgetrennt.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:
h) die Kante (20 am Steigrohr (16) liegt auch nach Aufnahme der aus dem Siederohr (6, 41) nach dem Anfahren verdrängten Wassermenge im Sammelraum (17) noch über dem Wasserspiegel (26) in demselben.

4. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:
i) die Querschnittsfläche des Steigrohres (16) ist größer als die des Siederohrs (6).

5. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:
k) Siederohr (6, 41) und internes Rücklaufrohr (7, 42) sind gemeinsam um etwa 1° abwärts in Richtung Steigrohr (16) geneigt.

6. Anlage nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:
l) Steigrohr (16) und Dampf-Wasser-Abscheider (2) sind in einem Winkel größer gleich 45° gegen die Horizontale geneigt.