DE3907768A1 - Solar-heated heat exchanger for high-temperature applications - Google Patents

Solar-heated heat exchanger for high-temperature applications

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Abstract

In a solar-heated heat exchanger for high-temperature applications, provision is made of a bunch (bundle) of thermal siphon tubes (31) which are subjected to concentrated solar rays (21) and are filled with a liquid metal (39). The solar heat source is used to heat the liquid metal, accompanied by the formation of vapour bubbles, and the thermal energy absorbed is transferred either by the liquid metal or the vapour thereof to a heat sink (36) which is arranged in a chamber (34) into which the respective upper ends of the thermal siphon tubes open. Such a heat exchanger is particularly suitable for transferring solar energy onto heater heads of multi-cylinder Stirling engines (37) or for heating water, vapour (steam) or gas. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen solarbeheizten Wärme­ tauscher für Hochtemperatur-Anwendungen, wie z. B. Dampf­ erzeuger oder Heißgasmotoren, wobei der Wärmetauscher mehrere Rohre enthält, die von konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagbar sind und wobei die Rohre einen Metallwärme­ träger enthalten, mit dem die Wärme von der Heizquelle auf eine Wärmesenke übertragbar ist.The invention relates to a solar heated heat exchanger for high temperature applications, such as B. steam generator or hot gas engines, the heat exchanger contains several tubes of concentrated solar radiation are acted upon and wherein the pipes a metal heat included carrier with which the heat from the heat source is on a heat sink is transferable.

Aus der DE 30 03 160 C2 ist ein Wärmetauscher dieser Art bekannt, der aus mehreren, parallel zueinander angeordneten Wärmerohren besteht, die mittels zweier senkrecht dazu ange­ ordneter Wände zusammengehalten sind. Jedes Wärmerohr ist dabei ein in sich geschlossenes System. Als Heizquelle dienen Solarstrahlen und die Wärmesenke ist ein unter hohem Druck und mit großer Geschwindigkeit durch das Wärme­ rohrbündel strömender Gasstrom. Dieses bekannte System ist jedoch nicht für solche Fälle anwendbar, bei denen der Gas­ strom sich in einem geschlossenen System unter bestimmten Bedingungen befindet, wie z. B. das Arbeitsgas eines Stirlingmotors, das auf möglichst kleinsten Raum auf hohe Temperaturen von 630°C aufgewärmt werden muß.DE 30 03 160 C2 describes a heat exchanger of this type known, which consists of several, arranged parallel to each other There are heat pipes, which are perpendicular to it by means of two orderly walls are held together. Every heat pipe is a self-contained system. As a heat source serve solar rays and the heat sink is an under high pressure and at high speed through the heat Pipe bundle of flowing gas stream. This well-known system is however not applicable to those cases where the gas flow in a closed system under certain Conditions, such as B. the working gas one Stirling engine that works in the smallest possible space on high Temperatures of 630 ° C must be warmed up.

Bei der bekannten Vorrichtung müßte die Wärmeenergie der Solarstrahlen über das in den Wärmerohren befindliche Flüssigmetall und schließlich weiter über den aufgeheizten Gasstrom als Zwischenträger auf das Arbeitsgas des Stirling­ motors übertragen werden. Hierzu wären Temperaturen des Zwischenträgergases von 2000°C bis 2100°C notwendig, um größtmögliche Wirkungsgrade zu erreichen.In the known device, the thermal energy would have to Solar rays over the one in the heat pipes Liquid metal and finally continue over the heated Gas flow as an intermediate carrier to the working gas of the Stirling motors are transmitted. This would be temperatures of Intermediate carrier gas from 2000 ° C to 2100 ° C necessary to to achieve the greatest possible efficiency.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem Solarenergie bei hohem Wirkungsgrad auf eine Wärmesenke unter Einbehaltung gleichmäßig hoher Temperaturen übertragen werden kann.The invention has for its object a heat to develop exchangers of the type mentioned at the beginning, with the Solar energy with high efficiency on a heat sink transfer with retention of uniformly high temperatures can be.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by the features of Claim 1 solved.

Hierbei werden außer dem Flüssigmetall keine Zwischenwärme­ träger benötigt, so daß der Vorteil des hohen Wärmeüber­ tragungskoeffizienten des Metalles für einen Betrieb bei möglichst niedrigen Temperaturen voll genützt werden kann. Durch die kommunizierenden Thermosyphonrohre herrscht in allen Rohen der gleiche Druck. Dieses und die im Siede­ prozeß verursachten Dampfblasen, die eine starke Umwälzung des Flüssigmetalls bewirken, führen zudem zu einer Homogeni­ sierung der Temperatur innerhalb des Wärmetauschers, so daß eine auch voluminöse Wärmesenke örtlich mit gleicher Temperatur beaufschlagt werden kann. Das Blasensieden er­ höht gleichzeitig die absorbierbare Wärmestromdichte und verkleinert damit die notwendige Baugröße des Wärme­ tauschers.Apart from the liquid metal, there is no intermediate heat carrier needed so that the advantage of high heat transfer load coefficient of the metal for an operation lowest possible temperatures can be fully used. Due to the communicating thermosiphon tubes in the same pressure for all raw ones. This and that in the boil process caused steam bubbles, which caused a strong revolution of the liquid metal also lead to homogeneity sation of the temperature within the heat exchanger, so that a voluminous heat sink locally with the same Temperature can be applied. The bubble boiling he at the same time increases the absorbable heat flow density and thus reduces the necessary size of the heat exchangers.

In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung münden die Thermosyphonrohre zumindest einseitig in einen gemeinsamen Sammler, der ebenfalls mit dem Flüssigmetall gefüllt ist. Als Flüssigmetall können vorzugsweise Alkalimetalle verwen­ det werden, wie Na, K, Li oder deren Kombination, wenn die Temperatur der Wärmesenke im Bereich von etwa 600°C und mehr gehalten werden soll. In a simple embodiment of the invention, the Thermosiphon tubes at least on one side in a common Collector that is also filled with the liquid metal. Alkali metals can preferably be used as the liquid metal det, such as Na, K, Li or a combination thereof, if the Heat sink temperature in the range of about 600 ° C and more to be held.  

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sammler als Speicher ausgebildet, d. h. volumenmäßig so groß ausgestaltet, daß das darin enthaltene Flüssigmetall für Perioden geringerer Sonneneinstrahlung als Speicher eine Pufferwirkung hat. Außerdem ermöglicht das Speichervolumen eine bessere Vermischung von Strömungen unterschiedlicher Temperaturen.According to a further embodiment of the invention, the Collector designed as storage, d. H. in terms of volume large designed that the liquid metal contained therein for periods of less solar radiation than storage Has a buffering effect. The storage volume also enables better mixing of different currents Temperatures.

Um die Temperaturstabilität auch bei stärker schwankender Solarenergieeinstrahlung aufrechtzuerhalten, empfiehlt es sich, den Wärmetauscherspeicher zusätzlich mit Füllmaterial hoher Wärmekapazität auszustatten, wie z. B. Edelstahl­ kugeln oder gekapselte Latentwärmespeicher-Materalien, wobei letztere sich z. B. in Form von Ringen an den nichtbeschich­ teten Rohrabschnitt befinden können.To the temperature stability even with more fluctuating It is recommended to maintain solar energy radiation itself, the heat exchanger storage additionally with filling material equip high heat capacity, such as. B. stainless steel bullets or encapsulated latent heat storage materials, wherein the latter z. B. in the form of rings on the non-coating can be located pipe section.

Zur direkten Wärmeübertragung von Flüssigmetall auf die Wärmesenke kann die Wärmesenke entweder im Sammler bzw. im Speicher oder in einer gesonderten Kammer von Flüssigmetall umgeben sein. Die Ausgestaltung richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall.For direct heat transfer from liquid metal to the The heat sink can either be in the collector or in the Storage or in a separate chamber of liquid metal be surrounded. The design depends on the respective application.

Bei der Verwendung einer gesonderten Kammer für die Wärme­ senke kann die Wärmesenke vom Flüssigmetall oder aber auch Metalldampf beaufschlagt werden.When using a separate chamber for heat can sink the heat sink from liquid metal or else Metal vapor can be applied.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich insbesondere für die Wärmeeinkopplung aus Solarstrahlen in das Arbeits­ gas von Heißgasmotoren, wobei im Falle eines mehrzylindrigen Motors sämtliche Erhitzerköpfe weitgehend homogen beauf­ schlagt werden können, so daß das Arbeitsgas jedes Zylinders auf die gleiche Temperatur gebracht werden kann. The heat exchanger according to the invention is particularly suitable for the coupling of heat from solar rays into the work gas from hot gas engines, being in the case of a multi-cylinder Motors operate all heater heads largely homogeneously can be struck so that the working gas of each cylinder can be brought to the same temperature.  

Für derartige Anwendungen sind insbesondere die erwähnten Alkalimetalle äls Wärmeträger geeignet.For such applications, those are particularly mentioned Alkali metals suitable as heat transfer medium.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit der ein Inertgas, z. B. Helium, Argon, in das Flüssigmetall intermittierend eingedüst werden kann, damit wird einerseits die Umwälzung des Flüssig­ metalles unterstützt und andererseits kann damit Siede­ verzügen entgegengewirkt werden.According to a further embodiment of the invention Device provided with which an inert gas, for. B. helium, Argon, into which liquid metal is injected intermittently can, on the one hand, the circulation of the liquid metal supports and on the other hand can boil delay can be counteracted.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung schematisch dargestellt.In the drawing are two embodiments of the invention shown schematically.

Fig. 1a und 1b zeigen einen Längsschnitt bzw. eine teil­ geschnittene Frontansicht des ersten Ausführungsbeispieles, und Fig. 1a and 1b show a longitudinal section and a partially cutaway front view of the first embodiment, and

Fig. 2 einen Längsschnitt des zweiten Ausführungsbei­ spieles. Fig. 2 shows a longitudinal section of the second game Ausführungsbei.

Nach Fig. 1a und 1b ist ein Wärmetauscher 10 gezeigt, der aus einem Bündel senkrecht stehender Thermosyphonrohre 11 besteht, die im unteren Bereich in einen Verteilerbehälter 12 und deren jeweiliges obere Ende in einen Speicherbehälter 13 münden. Weitere Bestandteile des Wärmetauschers 10 sind eine oder mehrere an höchster Stelle angeordnete Kammern 14 sowie Verbindungsleitungen 15, die die Kammern 14 mit dem Speicher 13 strömungstechnisch verbinden. In den Kammern 14 sind jeweils Wärmesenken 16 angeordnet. According to Fig. 1a and 1b, a heat exchanger 10 is shown, perpendicularly standing from a bundle Thermosyphonrohre 11 is that open in the lower region in a header tank 12 and their respective upper end to a storage container 13. Further components of the heat exchanger 10 are one or more chambers 14 arranged at the highest point and connecting lines 15 which connect the chambers 14 to the reservoir 13 in terms of flow technology. Heat sinks 16 are each arranged in the chambers 14 .

Sämtliche Raumteile des so ausgestalteten Wärmetauschers 10 stehen strömungstechnisch in Verbindung und sind vollständig mit einem Flüssigmetall 19 gefüllt. Für den Füll- bzw. Entleerungsvorgang ist am Sammler 12 ein Füllstutzen 20 vor­ gesehen.All parts of the room of the heat exchanger 10 configured in this way are fluidically connected and are completely filled with a liquid metal 19 . For the filling or emptying process, a filler neck 20 is seen on the collector 12 .

Die Thermosyphonrohre 11 sind nebeneinander angeordnet und werden von konzentrierter Solarstrahlung 21 beaufschlagt. Die Anlage ist so ausgelegt, daß das Flüssigmetall 19 durch die Solarenergie unter Bildung von Dampfblasen 23 zum Sieden gebracht und aufgrund der Thermokonvektion sowie der aufsteigenden Dampfblasen 23 innerhalb der Thermosyphon­ rohre 11 sowie im Speicher 13 und den Verbindungsrohren 15 umgewälzt wird. Ungleiche Temperaturströme werden durch das vergrößerte Speichervolumen so vermischt, daß an allen Wärmesenken 16 gleiche Wärmeströme herrschen und damit die Wärmesenken 16 auf gleiche Temperatur gebracht werden können. Dieses ist beispielsweise bei Heißgasmotoren bzw. Stirlingmotoren von besonderer Bedeutung, da ein hoher Wirkungsgrad bei mehrzylindrigen Maschinen nur dann er­ reicht werden kann, wenn das Arbeitsgas sämtlicher Zylinder auf gleiche Temperatur erwärmt wird.The thermosiphon tubes 11 are arranged side by side and are exposed to concentrated solar radiation 21 . The system is designed so that the liquid metal 19 is brought to a boil by the solar energy with the formation of vapor bubbles 23 and is circulated due to the thermal convection and the rising vapor bubbles 23 within the thermosiphon tubes 11 and in the memory 13 and the connecting tubes 15 . Unequal temperature flows are mixed by the increased storage volume so that the same heat flows prevail on all heat sinks 16 and thus the heat sinks 16 can be brought to the same temperature. This is of particular importance, for example, in hot gas engines or Stirling engines, since high efficiency in multi-cylinder machines can only be achieved if the working gas of all cylinders is heated to the same temperature.

Das Flüssigmetall 19 im Speicher 13 dient gleichzeitig als Speichermedium. Um die Pufferwirkung bei schwankender Solar­ einstrahlung zu erhöhen, können im Speicher 13 zusätzliche Stoffe hoher Wärmekapazität in Form von Edelstahlkugeln oder gekapseltem Wärmespeichermaterial 25 vorgesehen werden. Letzteres kann sich auch außerhalb, z. B. auf die unbestrahl­ ten Rohrabschnitte in Form von Ringen 41 befinden (Fig. 2). The liquid metal 19 in the memory 13 also serves as a storage medium. In order to increase the buffering effect in the event of fluctuating solar radiation, additional substances of high heat capacity in the form of stainless steel balls or encapsulated heat storage material 25 can be provided in the memory 13 . The latter can also occur outside, e.g. B. are on the unirrad tube sections in the form of rings 41 ( Fig. 2).

Um der Wärmesenke, insbesondere wenn diese voluminös ist, einen möglichst homogenen Wärmestrom zuführen zu können, empfiehlt es sich, Rücklaufleitungen vorzusehen, durch die das an der Wärmesenke abgekühlte und blasenfreie Flüssig­ metall in eine untere Zone des Wärmetauschers zurückfließen kann. Diese Maßnahme hilft zusätzlich bei der Entladung des Wärmespeichers (19), indem der kühlere Rückstrom den Inhalt des Wärmespeichers zur Wärmesenke 16 schiebt.In order to be able to supply a heat flow that is as homogeneous as possible, especially if it is voluminous, it is advisable to provide return lines through which the cooled and bubble-free liquid metal at the heat sink can flow back into a lower zone of the heat exchanger. This measure additionally helps in the discharge of the heat accumulator ( 19 ) in that the cooler backflow pushes the contents of the heat accumulator to the heat sink 16 .

Bei mehrteiligen Wärmesenken, wie z. B. Erhitzerköpfen von mehrzylindrigen Stirlingmotoren kann für jede Wärmesenke 16 eine getrennte Kammer 14 vorgesehen werden, die jedoch in direkter Verbindung miteinander stehen, wenn gleiche Temperaturen an den Wärmesenken 16 gefordert werden. Es ist aber auch möglich, eine einzige Kammer für mehrere Wärme­ senken vorzusehen.With multi-part heat sinks, such as. B. heater heads of multi-cylinder Stirling engines, a separate chamber 14 can be provided for each heat sink 16 , which, however, are in direct connection with one another when the same temperatures are required at the heat sinks 16 . But it is also possible to provide a single chamber for several heat sinks.

Die geometrische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärme­ tauscher richtet sich nach der jeweiligen Anwendung und dem Raumangebot. Die Thermosyphonrohre 11 sind jedoch insbe­ sondere in dem sonnenbeaufschlagten Bereich parallel neben­ einander angeordnet, wobei sie eine senkrechte oder auch schräge Lage einnehmen können.The geometric design of the heat exchanger according to the invention depends on the particular application and the space available. However, the thermosiphon tubes 11 are arranged in particular in the sun-exposed area in parallel next to each other, whereby they can assume a vertical or inclined position.

In Fig. 2 ist ein Wärmetauscher 30 gezeigt, bei dem kein Zwischenspeicher vorgesehen ist. Hier dient die Kammer 34 für die Erhitzerrohre 36 eines Stirlingmotors 37 als Ver­ teilerraum, in den die jeweilig oberen Enden der Thermo­ syphonrohre 31 münden. Die Kammer 34 ist in diesem Fall nicht mit Flüssigmetall gefüllt, sondern die Erhitzer­ köpfe 36 werden von Metalldampf 38 beaufschlagt. Die Thermo­ syphonrohre 31 sind bis nahe an die Kammer 34 mit Flüssig­ metall 39 gefüllt.In FIG. 2, a heat exchanger 30 is shown, is provided in which no buffer. Here, the chamber 34 for the heater tubes 36 of a Stirling engine 37 serves as a distributor space, into which the respective upper ends of the thermosiphon tubes 31 open. The chamber 34 is not filled with liquid metal in this case, but the heater heads 36 are acted upon by metal vapor 38 . The thermo siphon tubes 31 are filled up to the chamber 34 with liquid metal 39 .

Claims (12)

1. Solarbeheizter Wärmetauscher für Hochtemperatur-Anwen­ dungen, wobei der Wärmetauscher mehrere Rohre enthält, die von konzentrierter Solarstrahlung als Heizquelle beaufschlagbar sind und wobei die Rohre ein Flüssig­ metall als Wärmeträger enthalten, mit dem die Wärme­ energie von der Heizquelle auf eine Wärmesenke über­ tragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohre ein Bündel Thermosyphonrohre (11, 31) vorgesehen sind, die miteinander kommunizieren und so ausgelegt sind, daß das darin enthaltene Flüssig­ metall (19, 39) unter Berücksichtigung der Heiz­ quelle (21) und Wärmesenke (14, 34) unter Bildung von Dampfblasen (23) siedet und die Wärmesenke vom sieden­ den Metall oder Metalldampf beaufschlagbar ist.1. Solar-heated heat exchanger for high-temperature applications, the heat exchanger contains several tubes that can be acted upon by concentrated solar radiation as a heat source and the tubes contain a liquid metal as a heat transfer medium with which the heat energy from the heat source can be transferred to a heat sink , characterized in that a bundle of thermosiphon tubes ( 11 , 31 ) are provided as tubes, which communicate with one another and are designed such that the liquid metal ( 19 , 39 ) contained therein taking into account the heating source ( 21 ) and heat sink ( 14 , 34 ) boiling to form vapor bubbles ( 23 ) and the heat sink can be acted upon by boiling the metal or metal vapor. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermosyphonrohre zumindest einseitig in einen gemeinsamen Verteilerraum (12, 32) bzw. Sammel­ raum (19 bzw. 34) münden.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the thermosiphon tubes open at least on one side into a common distribution space ( 12 , 32 ) or collecting space ( 19 or 34 ). 3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum ein mit dem Flüssigmetall (19) gefüllter Speicher (13) ist.3. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the collecting space is a memory ( 13 ) filled with the liquid metal ( 19 ). 4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmesenke im Speicher bzw. im Sammelraum angeordnet und von Flüssigmetall umgeben ist. 4. Heat exchanger according to claim 2 or 3, characterized records that the heat sink in the memory or in Collection room arranged and surrounded by liquid metal is.   5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb die Dampfblasen (23) bis in die Nähe der Wärmesenke (16) steigen und dort implodieren.5. Heat exchanger according to claim 4, characterized in that the vapor bubbles ( 23 ) rise to near the heat sink ( 16 ) during operation and implode there. 6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (36) von Metall­ dampf (38) beaufschlagt wird.6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat sink ( 36 ) of metal vapor ( 38 ) is applied. 7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung des Wärme­ tauschers (10, 30) zur Erwärmung des Arbeitsgases von mehrzylindrigen Heißgasmotoren (37) das Wärmetauscher­ gehäuse die Erhitzerköpfe (36) des Heißgasmotors derart umschließt, daß die Erhitzerköpfe nahezu vollständig von Flüssigmetall (19) bzw. Metalldampf (38) umgeben sind.7. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that for the application of the heat exchanger ( 10 , 30 ) for heating the working gas of multi-cylinder hot gas engines ( 37 ), the heat exchanger housing encloses the heater heads ( 36 ) of the hot gas engine such that the heater heads almost are completely surrounded by liquid metal ( 19 ) or metal vapor ( 38 ). 8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigmetall ein Alkalimetall, wie K, Na, Li, vorgesehen ist.8. Heat exchanger according to claim 7, characterized in that as liquid metal an alkali metal such as K, Na, Li, is provided. 9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Wärme­ tauschers (10, 30) Speichermaterial hoher Wärme­ kapazität in Form von Latentwärmespeicherkapseln (25) oder Edelstahlkugeln und dergleichen vorgesehen ist. 9. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that within the heat exchanger ( 10 , 30 ) storage material high heat capacity in the form of latent heat storage capsules ( 25 ) or stainless steel balls and the like is provided. 10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der Inertgas intermittierend oder kontinuier­ lich eingedüst werden kann, z. B. über den Füll­ stutzen (20, 40).10. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that a device is provided with which inert gas can be injected intermittently or continuously, z. B. clip over the filling ( 20 , 40 ). 11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die bestrahlten Rohre in einem Hohlraum (42) (Cavity) befinden und von de­ fokussierter Solarstrahlung getroffen werden.11. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the irradiated tubes are in a cavity ( 42 ) (cavity) and are hit by de-focused solar radiation. 12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher eine Rücklaufleitung (43) für abgekühltes, dampfblasenfreies Flüssigmetall enthält.12. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger contains a return line ( 43 ) for cooled, vapor-bubble-free liquid metal.
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