DE3812238C2 - Vorrichtung zum Umsetzen von Sonnenenergie in Prozeßwärme mittels eines keramische Rohre enthaltenden Wärmetauschers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umsetzen von Sonnenenergie in Prozeßwärme mittels eines keramische Rohre enthaltenden Wärmetauschers, bei welcher die in einer Wärmetauscherkammer angeordneten, von einem aufzuheizenden Gas um- oder durchströmten keramischen Rohre der gebündelten Sonnenlicht-Strahlung von einem Spiegelfeld ausgesetzt sind.

Aus der US 4 062 348 ist ein Wärmetauscher mit rohrförmigen, die Wärmetauscherkammer durchquerenden Wärmetauscherelementen bekannt, bei dem ein die Rohre durchströmendes Medium durch exotherme photochemische Prozesse in der Wärmetauscherkammer erhitzt wird.

Aus der FR 12 34 792 ist ebenfalls ein Wärmetauscher mit rohrförmigen, die Wärmetauscherkammer durchquerenden Wärmetauscherelementen bekannt, bei dem das die Rohre durchströmende Wasser durch vorbeiströmende heiße Luft erwärmt wird, die zuvor durch Sonnenstrahlung erhitzt wurde.

Aus der DE 28 29 765 A1 ist schließlich ein Solarenergiesammler mit rohrförmigen keramischen Absorbern bekannt, bei dem gebündelt einfallendes Licht von einem Spiegelfeld ein durchströmendes Arbeitsgas erhitzt. Der Gesamtstrom des Arbeitsgases wird dabei zunächst am Absorber vorbei und dann durch ihn durch geführt.

Diese bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie nicht die gesamten Rohrflächen (Innen- und Außenwandung) zur Wärmeübertragung nutzen. Sie haben damit nur einen begrenzten Wirkungsgrad.

Weiterhin bedingt die Führung des Gesamtstroms, des aufzuheizenden Mediums um oder durch die rohrförmigen Wärmetauscherelemente ein großes Temperaturgefälle zwischen Außenseite und Innenseite der Rohre. Dies beeinträchtigt die Standzeiten.

Hiervon ausgehend ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Umsetzen von Sonnenenergie in Prozeßwärme der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher bei gutem Wirkungsgrad hohe Standzeiten gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein Teilstrom des aufzuheizenden Gases durch die keramischen Rohre strömt, während ein anderer Teilstrom des aufzuheizenden Gases quer zu den keramischen Rohren durch die Wärmetauscherkammer geführt wird und die keramischen Rohre umströmt. Dabei werden in vorteilhafter Weise zwei Effekte wirksam. Zur Wärmeübertragung wird sowohl die gesamte innere als auch die gesamte äußere Rohrfläche genutzt, was den Wirkungsgrad erhöht, und es wird ein großes Temperaturgefälle zwischen Innenseite und Außenseite der Rohre vermieden, was die Standzeiten verbessert. Damit ist mit der Erfindung eine optimale verfahrenstechnische und wärmetechnische Lösung gelungen, welche darüber hinaus keine besondere Abdichtung der Rohre erfordert.

Gleichmäßige Strömungsverhältnisse in den Rohren erhält man insbesondere dann, wenn den Rohren der eine Teilstrom über eine gemeinsame Verteilerkammer zugeführt wird.

Mit dem gleichen Ziel wird vorzugsweise der die Rohre verlassende aufgeheizte eine Teilgasstrom in eine gemeinsame zweite Verteilerkammer abgeführt.

Durch eine Unterteilung der Verteilerkammern ist eine gute Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen möglich.

Der aufgeheizte erste Teilgasstrom und der aufgeheizte zweite Teilgasstrom werden nach dem Durchströmen der Wärmetauscherrohre und gegebenenfalls der zweiten Verteilerkammer sowie der Wärmetauscherkammer in einer gemeinsamen Heißgasableitung als Gesamtabgasstrom abgeführt.

Wenn die zweite Verteilerkammer über ein erstes Regelorgan eingangsseitig mit der Wärmetauscherkammer in Strömungsverbindung steht, kann das Gas, welches die Wärmetauscherrohre bereits durchströmt hat, wenigstens teilweise noch einmal durch die Wärmetauscherkammer selbst geführt werden, um neu die Rohre zu umströmen.

Die zweite Verteilerkammer kann dabei vorzugsweise über ein zweites Regelorgan mit der Heißgasableitung in Strömungsverbindung stehen, so daß die jeweiligen Anteile des aufgeheizten zweiten Teilstromes, welche in die Wärmetauscherkammer zurückgeführt bzw. unmittelbar in die Heißgasableitung überführt werden, genau festlegbar sind.

Die ersten und zweiten Regelorgane sind dabei gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal in Abhängigkeit von der Temperatur des Gesamtgasstromes und/oder der Wandtemperatur, vorzugsweise der Außenwandtemperatur der Rohre und/oder der Innenwandtemperatur der Rohre regelbar, so daß unter Berücksichtigung dieser Temperaturen eine optimale Aufteilung des aufgeheizten zweiten Teilstroms auf Rückführung in die Wärmetauscherkammer und Abführung in die Heißgasableitung vorgenommen werden kann.

Einen konstruktiv einfachen und kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung erhält man dann, wenn die erste und/oder die zweite Verteilerkammer mittels vorzugsweise parallel zueinander verlaufender Rohrböden von der Wärmetauscherkammer abgeteilt sind/ist.

Dabei verlaufen die beiden Rohrböden z. B. im vertikalen Abstand voneinander unter Einschluß der Wärmetauscherkammer vorzugsweise im wesentlichen horizontal und die Rohre sind frei hängend in Öffnungen des oberen Rohrbodens aufgenommen und durchragen mit ihren unteren Enden Öffnungen des unteren Rohrbodens. Damit durchqueren die Rohre bei einfacher Montage die Wärmetauscherkammer vollständig und sind leicht austauschbar. Auf besondere Dichtigkeit der Wärmetauscherrohre selbst bzw. deren Aufhängung in den Rohrböden braucht nicht geachtet zu werden, weil die Wärmetauscherrohre sowohl innen als auch außen vom Gas durchströmt bzw. umströmt sind.

Damit die Rohre einfach in den oberen Rohrboden eingehängt werden können, weisen sie an ihren oberen Enden vorzugsweise einen Auflagekragen auf, dessen Außendurchmesser größer ist als die Öffnungen im oberen Rohrboden, durch welche die Wärmetauscherrohre hindurchragen.

Das Material der Rohre kann vorzugsweise aus Keramik bestehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die gewonnene Prozeßwärme direkt in der Wärmetauschervorrichtung umgesetzt, beispielsweise wird direkt in der Wärmetauchervorrichtung ein chemischer Prozeß betrieben.

Anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 im Horizontalschnitt A-A (Fig. 2) schematisch eine die Erfindung aufweisende Wärmetauschervorrichtung,

Fig. 2 schematisch einen Vertikalschnitt B-B durch den Wärmetauscher von Fig. 1, und

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung A von Fig. 2.

Die Wärmetauschervorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 weist eine Wärmetauscherkammer 4 auf, in deren Eintrittsöffnung 20 die Sonnenlicht-Strahlung von einem Spiegelfeld eintritt und auf quer zur Strahlungsrichtung die Wärmetauscherkammer 4 durchquerende, als keramische Rohre 2 ausgebildete Wärmetauscherelemente fällt. Ein Teilstrom I des aufzuheizenden Gases wird mittels eines (nicht dargestellten) Kompressors über eine obere, den Rohren 2 gemeinsame Verteilerkammer 1 durch das Innere der vertikalen Rohre 2 geführt, während der andere Teilstrom II des aufzuheizenden Gases durch die Eintrittsöffnung 20 in die Wärmetauscherkammer 4 eintritt, die Rohre 2 außen umströmt und über eine hintere Austrittsöffnung 21 aus der Wärmetauscherkammer 4 in eine Heißgasableitung 7 abgeführt wird. Die unteren Enden 11 der Rohre 2 durchragen Öffnungen 12 eines unteren horizontalen Rohrbodens 9, mit Hilfe dessen, ähnlich wie die obere Verteilerkammer 1, eine untere Verteilerkammer 3 von der Wärmetauscherkammer 4 abgetrennt ist. Auf diese Weise gelangt der durch das Innere der Rohre 2 geführte Teilstrom I nach Aufheizung in die gemeinsame untere zweite Verteilerkammer 3. Aus der zweiten Verteilerkammer 3 kann der aufgeheizte Teilstrom I über eine Verbindungsleitung 22 in die Heißgasableitung 7 für den Gesamtstrom des aufgeheizten Gases abgeleitet werden. Im unteren Rohrboden 9, und zwar in der Nähe der Eintrittsöffnung 20 der Wärmetauscherkammer 4, befindet sich ein als Regelklappe oder Regelventil ausgebildetes Regelorgan 5. Ebenso befindet sich in der Verbindungsleitung 22 zwischen der Verteilerkammer 3 und der Heißgasableitung 7 ein solches als Regelklappe oder Regelventil ausgebildetes Regelorgan 6. Damit können frei wählbare Anteile des aufgeheizten Teilstroms I, welcher in die gemeinsame zweite Verteilerkammer 3 gelangt ist, entweder in die Wärmetauscherkammer 4 zurückgeführt werden, so daß sie die Rohre 2, welche sie vorher durchströmt haben, noch einmal von außen umströmen, oder sie können unmittelbar durch die Verbindungsleitung 22 in die Heißgasableitung 7 abgeführt werden. Die Regelstellung der Regelorgane 5, 6 ist in Abhängigkeit der Temperatur des Gesamtabgasstromes und/oder der Wandtemperatur, z. B. der Außenwandtemperatur der Rohre 2 und/oder der Innenwandtemperatur der Rohre 2 möglich, wozu entsprechende Temperaturfühler in dem Gesamtabgasstrom und/oder an der Außenwand der Rohre 2 und/oder der Innenwand der Rohre 2 vorgesehen sein können, welche mit den Regelorganen 5, 6 in Regelverbindung stehen.

Entsprechend Fig. 3 sind die Rohre 2 frei hängend in Öffnungen 10 eines oberen horizontalen Rohrbodens 8 aufgenommen. Sie sind damit auf einfache Weise montierbar und austauschbar. Zum Zwecke der Halterung am oberen Rohrboden 8 haben die Rohre 2 an ihrem oberen Ende 13 je einen nach außen radial wegstehenden Auflagekragen 14, dessen Außendurchmesser größer ist als der Durchmesser der jeweiligen Öffnung 10 in dem oberen Rohrboden 8 oder sind konisch ausgebildet.

Die Rohre 2 haben unter Berücksichtigung des zu verwendeten keramischen Materials vorzugsweise einen Mindestdurchmesser D von etwa 5 mm und eine Mindestwandstärke d von etwa 0,5 mm. Auf diese Weise ist eine hinreichend stabile Konstruktion gewährleistet.

Entsprechend der Darstellung von Fig. 1 verjüngt sich der Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherkammer 4 von der Eintrittsöffnung 20 zur Austrittsöffnung 21 hin. Die Rohre 2 sind in mehreren Querreihen im Abstand voneinander angeordnet. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist nur ein Beispiel. Sie kann beliebig an die jeweiligen Strömungs- und Wärmeübertragungsverhältnisse angepaßt werden. Beispielsweise kann sich der Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherkammer 4 auch in Strömungsrichtung erweitern oder konstant sein und/oder die Dichte der Rohre 2 in der Wärmetauscherkammer 4 kann in Strömungsrichtung zunehmen oder abnehmen. Durch unterschiedliche Aufteilung der Verteilerkammern 1, 3 und Beaufschlagung der einzelnen Teilkammern mit unterschiedlichen Volumenströmen ist eine gute Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen möglich und es kann Einfluß auf die Temperaturverteilung in der Vorrichtung genommen werden.

Damit ist für eine optimale Wärmeumwandlung der Sonnenlicht-Strahlung gesorgt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Umsetzen von Sonnenenergie in Prozeßwärme mittels eines keramische Rohre enthaltenden Wärmetauschers, bei welcher die in einer Wärmetauscherkammer (4) angeordneten, von einem aufzuheizenden Gas um- oder durchströmten keramischen Rohre (2) der gebündelten Sonnenlicht-Strahlung von einem Spiegelfeld ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom (I) des aufzuheizenden Gases durch die keramischen Rohre (2) strömt, während ein anderer Teilstrom (II) des aufzuheizenden Gases quer zu den keramischen Rohren (2) durch die Wärmetauscherkammer (4) geführt wird und die keramischen Rohre (2) umströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Rohren (2) der eine Teilstrom (I) über eine gemeinsame erste Verteilerkammer (1) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rohre (2) verlassende aufgeheizte Teilstrom (I) in eine gemeinsame zweite Verteilerkammer (3) abgeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verteilerkammer (1) und/oder die zweite Verteilerkammer (3) aus mindestens zwei Teilkammern bestehen, die nicht direkt untereinander in Verbindung stehen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeheizte erste Teilstrom (I) und der aufgeheizte zweite Teilstrom (II) in einer gemeinsamen Heißgasableitung (7) als Gesamtheißgasstrom abgeführt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verteilerkammer (3) über ein erstes Regelorgan (5) eingangsseitig mit der Wärmetauscherkammer (4) in Strömungsverbindung steht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verteilerkammer (3) über ein zweites Regelorgan (6) mit der Heißgasableitung (7) in Strömungsverbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Regelorgane (5, 6) in Abhängigkeit von der Temperatur des Gesamtheißgasstromes und/oder der Wandtemperatur, vorzugsweise der Außenwandtemperatur der Rohre (2) und/oder der Innenwandtemperatur der Rohre (2) regelbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Verteilerkammer (1, 3) mittels vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden Rohrböden (8, 9) von der Wärmetauscherkammer (4) abgeteilt sind/ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohrböden (8, 9) im vertikalen Abstand voneinander unter Einschluß der Wärmetauscherkammer (4) im wesentlichen horizontal verlaufen und die Röhre (2) frei hängend in Öffnungen (10) des oberen Rohrbodens (8) aufgenommen sind und mit ihren unteren Enden (11) Öffnungen (12) des unteren Rohrbodens (9) durchragen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2) an ihrem oberen Ende (13) einen Auflagekragen (14) aufweisen oder konisch ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandmaterial aus hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoffen, wie den Nickelbasislegierungen des Typs Inconel® 718 oder Hastelloy® X, besteht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandmaterial aus nichtmetallischen Werkstoffen, vorzugsweise aus keramischen, wie SiC, SiSiC oder SSN (gesintertes Siliziumnitrid) besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Rohre (2) aus einem porösen Werkstoff, wie Pantel®, besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnenne Prozeßwärme direkt in der Wärmetauschervorrichtung umgesetzt wird.