DE3526122A1 - Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfung - Google Patents
Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfungInfo
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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
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.
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.
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.
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).
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.
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.
l) Steigrohr (16) und Dampf-Wasser-Abscheider (2) sind in einem Winkel größer gleich 45° gegen die Horizontale geneigt.
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DE19853526122 DE3526122A1 (de) | 1985-07-22 | 1985-07-22 | Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfung |
DE19853527708 DE3527708A1 (de) | 1985-07-22 | 1985-08-02 | Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfung und umwaelzung des waermetraegers durch naturkonvektion |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19853526122 DE3526122A1 (de) | 1985-07-22 | 1985-07-22 | Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfung |
Publications (2)
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DE3526122A1 true DE3526122A1 (de) | 1987-01-22 |
DE3526122C2 DE3526122C2 (de) | 1990-06-28 |
Family
ID=6276393
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853526122 Granted DE3526122A1 (de) | 1985-07-22 | 1985-07-22 | Anlage zur erzeugung von prozessdampf durch solarenergie unter direktverdampfung |
Country Status (4)
Country | Link |
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JP (1) | JPS6222960A (de) |
AU (1) | AU586695B2 (de) |
DE (1) | DE3526122A1 (de) |
IL (1) | IL79325A0 (de) |
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