EP2999936A1 - Wärmeübertrager, verfahren zur wartung bzw. herstellung und zum betreiben eines wärmeübertragers, kraftwerk und verfahren zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Wärmeübertrager, verfahren zur wartung bzw. herstellung und zum betreiben eines wärmeübertragers, kraftwerk und verfahren zur erzeugung elektrischer energie

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Publication number
EP2999936A1
EP2999936A1 EP14725369.4A EP14725369A EP2999936A1 EP 2999936 A1 EP2999936 A1 EP 2999936A1 EP 14725369 A EP14725369 A EP 14725369A EP 2999936 A1 EP2999936 A1 EP 2999936A1
Authority
EP
European Patent Office
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tube bundle
temperature range
heat exchanger
temperature
heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14725369.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Seeholzer
Andrew Lochbrunner
Hubert KÖPF
Konrad Braun
Heiko Schuster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP14725369.4A priority Critical patent/EP2999936A1/de
Publication of EP2999936A1 publication Critical patent/EP2999936A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0083—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium
    • F28D7/0091—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium the supplementary medium flowing in series through the units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/26—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass heat exchangers or the like
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    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
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    • F28D20/0034—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material
    • F28D2020/0047—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material using molten salts or liquid metals

Definitions

  • Heat exchanger method for the maintenance or production and operation of a heat exchanger, power plant and method for generating electrical energy
  • the invention relates to a heat exchanger, a method for maintenance and a method for producing a heat exchanger, a method for operating a heat exchanger, a power plant, in particular a solar thermal power plant, and a method for generating electrical energy.
  • the heat exchanger according to the invention serves for the indirect heat exchange between a first heat carrier and a second heat carrier.
  • the respective heat transfer medium can be a liquid, gaseous or supercritical medium which absorbs an amount of heat inside or outside a power plant process and also releases it again inside or outside a power plant process.
  • the heat transfer medium can also serve as a working medium in the
  • Power plant process to absorb thermal energy to supply it to a device in which the thermal energy is converted into mechanical work.
  • WO 201 1/077248 A2 discloses a device for generating electrical energy using solar energy. This is heat from a first
  • a working medium such as water or ammonia generated steam, with which a steam turbine is driven, which is mechanically connected to a power generator for generating the electric current.
  • the working medium can be supplied by means of solar radiation or indirectly via a heat transfer medium, such as thermal oil or molten salt, heat.
  • This heat carrier can in turn also by means of Solar energy has been heated.
  • a directly or indirectly heated heat carrier can serve as a buffer in times when more electrical energy is required than can be provided by conversion of solar energy.
  • molten salts typically eutectic mixtures of KNO3 and NaNOß, can be used.
  • Salt melts can be heated as described above in a direct manner or via another heat transfer medium, such as thermal oil, to temperatures of 250 ° C to 400 ° C and 600 ° C and stored in flat-bottom tanks. Alternatively, or after storage, the heat of the molten salt can be discharged directly or indirectly to a working medium.
  • another heat transfer medium such as thermal oil
  • Tube bundle heat exchanger used. To heat a molten salt as a heat carrier for solar applications, the tube bundle of such
  • FR 2501832 A1 discloses a heat exchanger for indirect
  • This heat exchanger comprises a pipe system for receiving a heat carrier, which is divided into a first tube bundle and a second tube bundle.
  • the second tube bundle is designed interchangeable as well
  • the second tube bundle is designed as a U-tube bundle and / or with a smaller volume than the first tube bundle.
  • a tubular heat exchanger with U-tube bundle is also the CH 271219 A removable. Furthermore, a conventional shell-and-tube heat exchanger is shown in FIG. This tube bundle heat exchanger is referred to below as a heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 comprises a jacket 10, which encloses a jacket space 11.
  • a pipe system 30 is arranged, wherein the individual tubes of the pipe system 30 are arranged in a bundle, which Helix or
  • Inlet nozzle 12 into the shell space 1 1 and passes through the core tube 20 and / or through the shell space 11 to the outlet 13, from which it is forwarded.
  • a second heat transfer medium 3 flows through a first inlet device 33 into the pipe system 30, where it is distributed in the individual pipes and led out through the first outlet device 34. Due to the relatively large surface area of the pipe system 30 in the jacket space 1, heat is transferred efficiently between the first heat carrier 2 and the second heat carrier 3. Heat from the first heat carrier 2 to the second heat carrier 3 or heat from the second heat carrier 3 to the first heat carrier 2 can occur here be transmitted.
  • Inlet 33 a temperature of 620 ° C and at the outlet of the first
  • Outlet 34 a temperature of 290 ° C. It can be seen that a large amount of heat has been transferred from the steam as the second heat carrier 3 to the molten salt as the first heat carrier 2.
  • stainless steels are often used for the pipe system 30 for this purpose. Such stainless steels must be used at a thermal load of more than 593 ° C (according to ASME standard of the American Society of Mechanical Engineers) or at a thermal load of 585 ° C (according to AD-2000 leaflets, the calculation or the evaluation method pretend; or according to VDTÜV material data sheets that specify the temperatures and the respective creep strengths related to the load time) to creep resistance. In order not to exceed the permissible creep, such components must often be examined or replaced after a certain load change number and / or life.
  • the creep deformation depends on the respective homologous temperature, since high-melting materials have a high binding energy.
  • the homologous temperature is calculated from the melting temperature of the respective material, taking into account certain factors. For iron, the homologous temperature is z. B. about 450 ° C. This means that thermally highly stressed components of a
  • Heat exchanger according to their creep defined by their respective creep resistance, must be designed. This requires the use of relatively expensive materials in the heat exchanger. However, it must be assumed that despite appropriate design of highly thermally stressed components of a
  • Heat exchanger in particular a tube bundle, nevertheless in a relatively short time
  • Time intervals have to be maintained and / or replaced. Especially with very large and efficient heat exchangers such maintenance or
  • the present invention is based on the object, a heat exchanger and a method for manufacturing or maintenance and for operating a
  • Heat exchanger to provide, with which simple constructive way and with low manufacturing and / or maintenance costs cost
  • a heat exchanger for indirect heat exchange between a first heat carrier and a second heat carrier comprising a pipe system for receiving a heat carrier, wherein the pipe system is subdivided or subdividable into at least a first tube bundle and a second, exchangeable tube bundle. It is envisaged that the first tube bundle for operation over a first period of time in a first
  • Temperature range and the second tube bundle is designed for operation over a second period of time in a second temperature range, wherein the temperatures of the second temperature range are higher than the temperatures of the first
  • Temperature range and the second period of time is shorter than the first period.
  • the first temperature range is limited by a maximum temperature which is lower than the temperature of the material of the first tube bundle above which creep of the material of the first tube bundle begins at the given mechanical load of the first tube bundle.
  • the second temperature range is limited by a maximum temperature which is equal to or higher than the temperature of the material of the second tube bundle, above which creep the material of the second tube bundle at the given mechanical load of the second tube bundle.
  • the first heat carrier may be in particular a molten salt or water, steam, ammonia, supercritical carbon dioxide or thermal oil while flowing through the jacket space of the heat exchanger.
  • Heat transfer medium may in particular be steam or hot water.
  • Heat transfer medium flows through the pipe system.
  • the two tube bundles with one or more releasable mechanical connecting elements in a fluidic interface, such. As a flange, connected together.
  • the second tube bundle is designed such that it can be removed from the first tube bundle with plannable manual or automatically performed operations or movements and can therefore be replaced by another tube bundle.
  • the second tube bundle is designed for operating temperatures which are higher than the operating temperatures for which the first tube bundle is designed. In this case, even slight overlaps of the respective, the tube bundles associated temperature ranges may be possible, where it is only important that the
  • Average temperature of the second temperature range is higher than that
  • the respective tube bundle is designed such that within the respective planned
  • both tube bundles are made of substantially the same material and / or with the same wall thickness of the respective tubes or the same number of tubes. Due to the higher thermal load of the second tube bundle, this has a reduced life compared to the first tube bundle, since in the second tube bundle the allowable creeping stress is reached earlier than in the first tube bundle.
  • the temperature of the material above which creep of the material of the first tube bundle begins at the given mechanical stress can also be referred to as a homologous temperature or as a minimum creep temperature.
  • the determination of the respective permissible creep or creep strength is known to the person skilled in the art.
  • the permissible creep resistance can be e.g. according to ASME in accordance with ASME Section II / D and for AD materials in accordance with the VDTÜV material data sheets.
  • Fixing and vibration tendency and resulting residual stresses these tube bundles are designed such that a respective tube bundle in the associated temperature range over its associated time works, namely the first tube bundle in a first, low temperature range over a longer period of time and the second tube bundle in a second , higher
  • the first tube bundle and / or the second tube bundle is made of stainless steel, wherein in particular the material TP304 according to ASME or 1.4301 according to AD-Merkblatt / DIN is advantageously applicable.
  • TP304 according to ASME or 1.4301 according to AD-Merkblatt / DIN is advantageously applicable.
  • AD-Merkblatt / DIN is advantageously applicable.
  • the material Inconel 625 and for carbon steels the material P91 for sheets and T91 for pipes can be used.
  • carbon steels can also be used to realize cost-effective tube bundles.
  • the heat exchanger may be a wound heat exchanger, as it is for. B. is used in various large-scale processes such as methanol scrubbing, natural gas liquefaction or ethylene production.
  • a coiled heat exchanger comprises a plurality of tubes wound in multiple layers around a central core tube.
  • the tubes and the core tube are surrounded by a jacket, which thus limits the shell space in which the tube bundle and the core tube are located.
  • the tubes are brought together in perforated trays at the ends of the heat exchanger in one or more bundles and connected to inlets and outlets in the jacket of the heat exchanger.
  • the pipes of the Heat exchanger can be acted upon with one or more separate heat transfer streams.
  • the heat transfer medium flowing through the jacket tube exchanges heat with the heat transfer medium in the pipe system.
  • a coiled heat exchanger can be constructed both shell side and tube side self-draining.
  • certain heat transfer medium such as. B. molten salts, in a simplified manner and remove. This also ensures a self-emptying, since a solidification of the molten salt in
  • Heat exchanger (below the melting temperature) can lead to the destruction of the heat exchanger.
  • the first temperature range used to design the tube bundles is in
  • the second temperature range is limited by a minimum temperature of 560 ° C to 600 ° C.
  • a maximum temperature of the first temperature range between 570 ° C and 590 ° C, in particular 580 ° C
  • a minimum temperature of the second temperature range between 570 ° C and 590 ° C, in particular 580 ° C has proven.
  • Temperature range is limited by a minimum temperature of 270 ° C to 310 ° C and the second temperature range by a maximum temperature of 600 ° C to 640 ° C.
  • the first temperature range is through a
  • the first temperature range should be limited by a maximum temperature of 400 ° C to 450 ° C, and the second
  • Temperature range may be limited by a minimum temperature of 400 ° C to 450 ° C.
  • the temperature ranges mentioned serve for the concrete design of the tube bundles and thus for determining the concrete technical or structural features.
  • the second tube bundle has a smaller volume than the first tube bundle. This has the advantage that the second tube bundle is easily and quickly interchangeable with a low cost of materials.
  • the second tube bundle is a U-tube bundle.
  • Such a tube bundle has the advantage of easy assembly and disassembly.
  • the entire pipe system is integrated in the shell space of the heat exchanger, wherein the second tube bundle is connected to a shell segment and this shell segment is also exchanged with exchange of the second tube bundle.
  • the jacket has a releasable opening, through which the second
  • Tube bundle can be replaced.
  • the pipe system can be configured such that the second
  • Tube bundle is fluidly separated from the first tube bundle.
  • first tube bundle and the second tube bundle are fluidically coupled with each other.
  • a device for separating the flow path between the first and the second tube bundle is provided in a favorable embodiment.
  • a further aspect of the present invention is a method for the maintenance of a heat exchanger according to the invention, in which a functionally limited second tube bundle is exchanged for a functional second tube bundle.
  • a functionally restricted second tube bundle can be a tube bundle which has already been used and which has been worn mainly because of the high thermal load, in which the danger of exceeding the permissible creeping stress under normal operating conditions of the heat exchanger is present.
  • Such a second tube bundle is exchanged for a new or new or at least functional tube bundle. This has the advantage of being heat-related
  • Tube bundle and the second tube bundle is separated.
  • a method for producing a heat exchanger according to the invention in which a pipe system is mounted for receiving a heat carrier, wherein as components of the pipe system a first tube bundle and a second, exchangeable tube bundle are mounted, wherein the first tube bundle for the operation over a first period of time in a first period
  • Temperature range and the second tube bundle is designed for operation over a second period of time in a second temperature range, and the temperatures of the second temperature range are higher than the temperatures of the first
  • Temperature range and the second period of time is shorter than the first period.
  • the first temperature range is limited by a maximum temperature which is lower than the temperature of the material of the first tube bundle, above that at the given mechanical load of the first tube bundle
  • Creep of the material of the first tube bundle begins. Alternatively or
  • the second temperature range is limited by a maximum temperature which is equal to or higher than the temperature of the material of the second tube bundle, above which creep of the material of the second tube bundle begins at the given mechanical load of the second tube bundle.
  • the first temperature range is preferably limited by a maximum temperature of 550 ° C to 600 ° C and the second temperature range preferably by a minimum temperature of 560 ° C to 600 ° C, and the first temperature range by a minimum temperature of 270 ° C to 310 ° C and the second
  • Another aspect of the present invention is a method for operating a heat exchanger according to the invention for the indirect heat exchange between a first heat transfer medium and a second heat transfer medium, which is a pipe system for receiving a heat carrier, which at least in a first tube bundle and a second, exchangeable tube bundle is subdivided or subdivided wherein during operation of the heat exchanger, the first tube bundle is operated for a first time period in a first temperature range and the second tube bundle for a second time period in a second temperature range, wherein the temperatures of the second temperature range are higher than the temperatures of the first
  • Temperature range and the second period of time is shorter than the first period.
  • the first tube bundle is operated in a first temperature range, which is limited by a maximum temperature which is lower than the temperature of the material of the first tube bundle, above which creep of the material of the first at the given mechanical load of the first tube bundle Tube bundle sets, and the second tube bundle is operated in a second temperature range, which is limited by a maximum temperature which is equal to or higher than the temperature of the material of the second tube bundle above which creep at the given mechanical load of the second tube bundle Material of the second tube bundle begins.
  • the first tube bundle can be operated in a first temperature range, which is limited by a minimum temperature of 270 ° C to 310 ° C and a maximum temperature of 550 ° C and 600 ° C
  • the second tube bundle can be operated in a second temperature range, the one by one
  • Minimum temperature of 560 ° C to 600 ° C and a maximum temperature of 600 ° C to 640 ° C is limited.
  • the first temperature range is limited by a minimum temperature between 280 ° C to 300 ° C, especially 290 ° C, and a maximum temperature between 570 ° C and 590 ° C, in particular 580 ° C.
  • the second temperature range is preferably limited by a minimum temperature between 570 ° C and 590 ° C, in particular 580 ° C, and by a maximum temperature of 610 ° C to 630 ° C, in particular 620 ° C.
  • the first tube bundle is operated with a first time duration and the second tube bundle is operated with a second time duration. Due to the different thermal load of the individual Tube bundle is the first time period longer than the second time period, so that the first tube bundle is operated for a longer time than the second tube bundle.
  • Heat exchanger is stopped and the second tube bundle is replaced.
  • the invention is also directed to a power plant, in particular to a
  • Solar thermal power plant which serves to generate electrical energy and comprises a heat exchanger according to the invention for the indirect heat exchange between a first heat transfer medium and a second heat transfer medium.
  • a heat exchanger according to the invention for the indirect heat exchange between a first heat transfer medium and a second heat transfer medium.
  • the heat exchanger according to the invention is advantageously applicable in a solar thermal power plant, since due to the
  • Heat exchanger is ensured and therefore a wear-related failure of the power plant can be counteracted.
  • the heat transfer media used in this solar thermal power plant may be the fluids described at the outset to explain the state of the art.
  • the present invention is supplemented by a method for generating electrical energy, in which the inventive method for operating a
  • Heat exchanger is carried out, being transferred from a first heat transfer medium to a second heat transfer heat and the heat of the second
  • Heat transfer medium is at least partially converted into electrical energy. This conversion can in particular by using the heat to generate steam, use of its mechanical energy and conversion of mechanical energy into electrical energy, eg. B. in a turbine, done. This means that here the heat of the second heat carrier is used indirectly to generate electrical energy.
  • this method can be provided that the heat of the second heat exchanger is transferred to a further heat exchanger, and the heat is at least partially converted into electrical energy.
  • this further heat carrier in turn be the first heat carrier, so that the second heat carrier only serves as a memory.
  • Heat transfer medium preferably water or steam
  • the second heat carrier is a molten salt
  • Fig. 2 shows a heat exchanger according to the invention in sectional view.
  • the conventional heat exchanger as shown in Fig. 1, has already been discussed to explain the prior art.
  • FIG. 2 An inventive heat exchanger 1 is shown in Fig. 2.
  • This heat exchanger 1 also comprises a jacket 10, which encloses a jacket space 11.
  • the core tube 20 is arranged to the helix or Screw-shaped, the pipe system 30 extends.
  • the pipe system 30 is divided into a first tube bundle 31 at the lower side of the heat exchanger 1 and a second tube bundle 32 at the upper side of the heat exchanger 1.
  • an inlet connection 12 for an inflowing volume flow of the first heat transfer medium 2 is arranged on the underside.
  • an outlet 13 is arranged at the top of the shell. After entering through the inlet port 12 flows through the first heat carrier 2, the z.
  • a molten salt or water or steam or ammonia supercritical carbon dioxide or thermal oil can be, the shell space 11 and / or the core tube 20 and flows out of the outlet 13 out.
  • the second heat carrier 3 which z. B. steam or hot water, flows into the first tube bundle 31 through a first inlet means 33 and through a first outlet means 34 from the first tube bundle 31 out.
  • the second heat carrier 3 flows into the second tube bundle 32 through a second
  • the temperature of the second heat carrier 3 when entering the first tube bundle 31 at the first inlet device 33 is about 580 ° C.
  • At the first outlet 34 of the first tube bundle 31 its temperature is about 290 ° C.
  • Tube bundle 32 at the second inlet means 35 is about 620 ° C, and at the second outlet means 36 of the second tube bundle 32 its temperature is about 580 ° C.
  • the first tube bundle 31 and the second tube bundle 32 are fluidically decoupled from each other, so that no flow path between the two
  • Tube bundles 31, 32 must be severed.
  • the second tube bundle can be removed from the first tube bundle 31 in a simpler, faster and cost-effective manner, so that maintenance-related downtime of the heat exchanger 1 can be minimized.
  • the second tube bundle is for operation in the given higher temperature range, but due to the higher thermal load and the associated earlier achievement of the permissible
  • Heat exchanger 1 first heat transfer medium 2 second heat carrier. 3
  • Pipe system 30 first tube bundle 31 second tube bundle 32 first inlet device 33 first outlet 34 second inlet 35 second outlet 36th

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), ein Verfahren zur Wartung und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, ein Kraftwerk, insbesondere ein Solarthermiekraftwerk, und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie. Es ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager (1) ein Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers umfasst, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites, austauschbares Rohrbündel (32) unterteilt ist oder unterteilbar ist. Das erste Rohrbündel (31) ist für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) ist für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer. Dabei ist vorgesehen, dass der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31) ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels (31) einsetzt, und/ oder dass der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.

Description

Beschreibung
Wärmeübertrager, Verfahren zur Wartung bzw. Herstellung und zum Betreiben eines Wärmeübertragers, Kraftwerk und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, ein Verfahren zur Wartung und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, ein Kraftwerk, insbesondere ein Solarthermiekraftwerk, und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager dient dabei zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger. Der jeweilige Wärmeträger kann dabei ein flüssiges, gasförmiges oder überkritisches Medium sein, welches innerhalb oder außerhalb eines Kraftwerkprozesses eine Wärmemenge aufnimmt und es ebenfalls innerhalb oder außerhalb eines Kraftwerkprozesses wieder abgibt. Dabei kann der Wärmeträger auch dazu dienen, als Arbeitsmedium im
Kraftwerksprozess thermische Energie aufzunehmen, um diese einer Einrichtung zuzuführen, in der die thermische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird.
Es ist bekannt, dass in Solarthermiekraftwerken in einem thermodynamischen
Kreisprozess aus Sonnenenergie elektrischer Strom erzeugt werden kann. So offenbart die WO 201 1/077248 A2 eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung von Solarenergie. Hierbei wird Wärme von einem ersten
Wärmeträger auf einen zweiten Wärmeträger übertragen und die Wärme des zweiten Wärmeträgers zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt.
Üblicherweise wird in Solarthermiekraftwerken aus einem Arbeitsmedium wie z. B. Wasser oder Ammoniak Dampf erzeugt, mit dem eine Dampfturbine angetrieben wird, die mechanisch an einen Stromgenerator zur Erzeugung des elektrischen Stroms angeschlossen ist. Dem Arbeitsmedium kann dabei mittels Sonneneinstrahlung oder auch indirekt über einen Wärmeträger, wie zum Beispiel Thermoöl oder Salzschmelze, Wärme zugeführt werden. Dieser Wärmeträger kann wiederum ebenfalls mittels Sonnenenergie erhitzt worden sein. Ein direkt oder indirekt erwärmter Wärmeträger kann als Zwischenspeicher in Zeiten dienen, in denen mehr elektrische Energie nachgefragt wird als durch Umwandlung von Sonnenenergie bereit gestellt werden kann.
Zur Wärmespeicherung können insbesondere Salzschmelzen, typischerweise eutektische Mischungen aus KNO3 und NaNOß, eingesetzt werden. Diese
Salzschmelzen können wie oben beschrieben in direkter Weise oder auch über einen anderen Wärmeträger, wie zum Beispiel Thermoöl, auf Temperaturen von 250°C bis 400°C bzw. 600°C aufgeheizt werden und in Flachbodentanks gespeichert werden. Alternativ oder nach der Speicherung kann die Wärme der Salzschmelze direkt oder indirekt an ein Arbeitsmedium abgegeben werden.
Zur Übertragung der Wärme zwischen einer Salzschmelze bzw. einem anderen Wärmeträger und einem weiteren Wärmeträger werden bevorzugt
Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt. Zur Erwärmung einer Salzschmelze als Wärmeträger für Solaranwendungen werden die Rohrbündel eines derartigen
Rohrbündelwärmetauschers am warmen Ende mit Temperaturen und von bis zu 620°C beaufschlagt.
Die FR 2501832 A1 offenbart einen Wärmeübertrager zum indirekten
Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten
Wärmeträger. Dieser Wärmeübertrager umfasst ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches in ein erstes Rohrbündel sowie ein zweites Rohrbündel unterteilt ist. Das zweite Rohrbündel ist austauschbar gestaltet sowie
strömungstechnisch vom ersten Rohrbündel separierbar.
Die DE 3007610 A1 , die US 2012/21 1206 A1 sowie die GB 184443 A offenbaren Bündelwärmetauscher, die Rohrbündel aufweisen, die in unterschiedlichen
Temperaturbereichen betrieben werden. Dabei ist das zweite Rohrbündel als U- Rohrbündel und/oder mit einem geringeren Volumen als das erste Rohrbündel ausgestaltet.
Ein Röhrenwärmeaustauscher mit U-Rohrbündel ist ebenfalls der CH 271219 A entnehmbar. Weiterhin ist ein herkömmlicher Rohrbündelwärmetauscher in Fig. 1 dargestellt. Dieser Rohrbündelwärmetauscher wird im Folgenden als Wärmeübertrager 1 bezeichnet. Der Wärmeübertrager 1 umfasst einen Mantel 10, der einen Mantelraum 11 einschließt. In dem Mantelraum 1 ist ein Rohrsystem 30 angeordnet, wobei die einzelnen Rohre des Rohrsystems 30 in einem Bündel angeordnet sind, welches Helix- bzw.
Schraubengang-förmig um ein Kernrohr 20 gewunden ist. An der Unterseite des Mantels 10 ist ein Einlassstutzen 12 angeordnet, und an der Oberseite des Mantels 10 ist ein Auslassstutzen 13 angeordnet. Ein erster Wärmeträger 2 tritt durch den
Einlassstutzen 12 in den Mantelraum 1 1 ein und gelangt durch das Kernrohr 20 und/oder durch dem Mantelraum 11 zum Auslassstutzen 13, von dem es weitergeleitet wird.
Ein zweiter Wärmeträger 3 strömt durch eine erste Einlasseinrichtung 33 in das Rohrsystem 30, wo es sich in den einzelnen Rohren verteilt und durch die erste Auslasseinrichtung 34 herausgeleitet wird. Durch die relativ große Oberfläche des Rohrsystems 30 im Mantelraum 1 erfolgt effizient eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Wärmeträger 2 und dem zweiten Wärmeträger 3. Dabei kann Wärme vom ersten Wärmeträger 2 auf den zweiten Wärmeträger 3 oder auch Wärme vom zweiten Wärmeträger 3 auf den ersten Wärmeträger 2 übertragen werden.
Bei Verwendung einer Salzschmelze als ersten Wärmeträger 2 hat diese bei Eintritt in den Einlassstutzen 12 z. B. eine Temperatur von 270°C und beim Austritt aus dem Auslassstutzen 13 eine Temperatur von 580°C. Bei gleichzeitiger Verwendung von Wasserdampf als zweiten Wärmeträger 3 hat dieser bei Einlass in die erste
Einlasseinrichtung 33 eine Temperatur von 620°C und bei Auslass aus der ersten
Auslasseinrichtung 34 eine Temperatur von 290°C. Es ist ersichtlich, dass eine große Wärmemenge vom Dampf als zweiten Wärmeträger 3 auf die Salzschmelze als ersten Wärmeträger 2 übertragen worden ist.
Auf Grund der hohen thermischen Belastung des Rohrsystems muss dieses mit einer hohen Festigkeit, insbesondere mit einer hohen Kriechfestigkeit ausgelegt sein. Um die geforderten Festigkeitswerte zu erfüllen, werden zu diesem Zweck oftmals Edelstähle für das Rohrsystem 30 verwendet. Derartige Edelstähle müssen bei einer thermischen Belastung von mehr als 593°C (nach ASME - Standard der American Society of Mechanical Engineers) bzw. bei einer thermischen Belastung von 585°C (nach AD- 2000 Merkblättern, die die Berechnungs- bzw. die Bewertungsmethode vorgeben; bzw. nach VDTÜV-Werkstoffdatenblättern, die die Temperaturen und die jeweiligen Kriechfestigkeiten bezogen auf die Beanspruchungszeit vorgeben) auf Kriechfestigkeit berechnet werden. Um die zulässige Kriechspannung nicht zu überschreiten, müssen derartige Bauteile oftmals nach einer bestimmten Lastwechselzahl und/oder Lebensdauer untersucht bzw. ausgetauscht werden.
Unter dem Kriechen, das in Abhängigkeit von der Zeit zu einer verringerten Festigkeit führt, wird eine zeit- und temperaturabhängige sowie durch eine Last verursachte plastische Verformung eines Werkstoffes bezeichnet.
Die Kriechverformung hängt dabei von der jeweiligen homologen Temperatur ab, da hochschmelzende Materialien eine hohe Bindungsenergie aufweisen. Die homologe Temperatur errechnet sich aus der Schmelztemperatur des jeweiligen Materials unter Einbeziehung bestimmter Faktoren . Bei Eisen beträgt die homologe Temperatur z. B. ca. 450°C. Das heißt, dass thermisch hochbelastete Komponenten eines
Wärmeübertragers entsprechend ihres Kriechverhaltens, definiert durch ihre jeweilige Kriechfestigkeit, ausgelegt werden müssen. Dies erfordert den Einsatz relativ teurer Materialien im Wärmeübertrager. Es muss jedoch davon ausgegangen werden, dass trotz entsprechender Auslegung thermisch hochbelastete Bauteile eines
Wärmeübertragers, insbesondere eines Rohrbündels, trotzdem in relativ kurzer
Zeitintervallen gewartet und/oder ausgetauscht werde müssen. Insbesondere bei sehr großen und leistungsfähigen Wärmeübertragern ist eine solche Wartung bzw.
Reparatur jedoch sehr kostenintensiv und zeitaufwändig. Aus der US 3,841 ,271 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt, der mehrere parallel angeordnete Rohrbündel aufweist. Diese Rohrbündel sind mit Schraub- und
Schweißverbindungen am Gehäuse befestigt. Alle Rohrbündel sind dabei denselben Temperaturen ausgesetzt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung bzw. Wartung und zum Betreiben eines
Wärmeübertragers zur Verfügung zu stellen, mit denen einfacher konstruktiver Weise sowie mit geringen Fertigungs- und/oder Wartungsaufwand kostengünstig die
Übertragung von Wärme ermöglicht wird. Weitere Aspekte der Aufgabe sind die Realisierung eines Kraftwerkes und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 genannten Wärmeübertrager, durch das in Anspruch 8 genannte Verfahren zur Herstellung oder Wartung eines
erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, durch das in Anspruch 10 genannte Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, durch das in Anspruch 13 genannte Kraftwerk und das in Anspruch 14 genannte Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung oder Wartung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist im Unteranspruch 9 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist in Anspruch 1 1 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur
Erzeugung elektrischer Energie ist im Unteranspruch 15 angegeben. Es wird erfindungsgemäß ein Wärmeübertrager zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger, umfassend ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers, zur Verfügung gestellt, wobei das Rohrsystem wenigstens in ein erstes Rohrbündel und ein zweites, austauschbares Rohrbündel, unterteilt ist oder unterteilbar ist. Es ist vorgesehen, dass das erste Rohrbündel für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten
Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer.
Der erste Temperaturbereich ist durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt. Alternativ oder hinzukommend ist der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die gleich groß oder höher als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels einsetzt.
Der erste Wärmeträger kann dabei insbesondere eine Salzschmelze oder auch Wasser, Wasserdampf, Ammoniak, überkritisches Kohlendioxid oder Thermoöl sein und dabei den Mantelraum des Wärmeübertragers durchströmen. Der zweite
Wärmeträger kann insbesondere Dampf oder heißes Wasser sein. Der zweite
Wärmeträger durchströmt das Rohrsystem. In bevorzugter Ausgestaltung sind die beiden Rohrbündel mit einem oder mehreren lösbaren mechanischen Verbindungselementen in einer strömungstechnischen Schnittstelle, wie z. B. einen Flansch, miteinander verbunden. Das zweite Rohrbündel ist dabei derart ausgestaltet, dass es mit planbaren manuellen oder automatisch durchzuführenden Operationen bzw. Bewegungen vom ersten Rohrbündel entfernbar ist und demzufolge durch ein anderes Rohrbündel ersetzt werden kann.
Alternativ ist vorgesehen, dass dasselbe zweite Rohrbündel, welches nach der Herausnahme aus dem Wärmeübertrager aufgearbeitet und/oder gewartet wurde, wieder an seine vorherige Position im Wärmeübertrager eingesetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei Erreichung der zulässigen Kriechspannung nicht das gesamte Rohrsystem ausgetauscht werden muss, sondern nur das zweite Rohrbündel, wodurch ein geringerer Wartungsaufwand entsteht und eine geringere Wartungszeit sowie ein geringerer Materialaufwand anfällt.
Das zweite Rohrbündel ist für Betriebstemperaturen ausgelegt, die höher sind als die Betriebstemperaturen, für die das erste Rohrbündel ausgelegt ist. Dabei können auch geringfügige Überschneidungen der jeweiligen, den Rohrbündeln zugeordneten Temperaturbereiche möglich sein, wobei es lediglich darauf ankommt, dass die
Durchschnittstemperatur des zweiten Temperaturbereiches höher ist als die
Durchschnittstemperatur des ersten Temperaturbereiches. Vorzugsweise ist das jeweilige Rohrbündel derart ausgelegt, dass innerhalb der jeweiligen geplanten
Betriebsdauer und/oder Betriebstemperatur die tatsächliche Kriechspannung in dem Rohrbündel eine zulässige Kriechspannung nicht überschreitet.
So kann vorgesehen sein, dass beide Rohrbündel aus im Wesentlichen dem selben Material und/ oder mit der selben Wandstärke der jeweiligen Rohre bzw. der selben Rohr-Anzahl ausgeführt sind. Auf Grund der höheren thermischen Belastung des zweiten Rohrbündels hat dieses im Vergleich zum ersten Rohrbündel eine verringerte Lebensdauer, da im zweiten Rohrbündel die zulässige Kriechspannung früher erreicht wird als im ersten Rohrbündel. Die Temperatur des Werkstoffes, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt, kann auch als homologe Temperatur oder als minimale Kriechtemperatur bezeichnet werden. Die Ermittlung der jeweiligen zulässigen Kriechspannung bzw. der Kriechfestigkeit ist dabei dem Fachmann bekannt.
Die zulässige Kriechfestigkeit lässt sich z.B. nach ASME entsprechend ASME Section II / D und für AD-Werkstoffe nach den VDTÜV-Werkstoffdatenblättern ermitteln.
Das heißt, dass durch bestimmte technische Eigenschaften der Rohrbündel, wie z. B. ihr Material, ihre Wandstärken, ihre Formgebung und/oder Größe sowie ihre
Befestigung und Schwingungsneigung sowie daraus resultierende Eigenspannungen diese Rohrbündel derart ausgelegt sind, dass ein jeweiliges Rohrbündel in dem ihm zugeordneten Temperaturbereich über die ihm zugeordnete Zeitdauer funktioniert, nämlich das erste Rohrbündel in einem ersten, niedrigen Temperaturbereich über eine längere Zeitdauer und das zweite Rohrbündel in einem zweiten, höheren
Temperaturbereich über eine kürzere Zeitdauer.
Vorzugsweise ist das erste Rohrbündel und/oder das zweite Rohrbündel aus Edelstahl gefertigt, wobei insbesondere der Werkstoff TP304 nach ASME bzw. 1.4301 nach AD- Merkblatt / DIN vorteilhaft anwendbar ist. Für Nickel-Basis-Legierungen ist
vorzugsweise der Werkstoff Inconel 625 und für Kohlenstoffstähle der Werkstoff P91 für Bleche und T91 für Rohre einsetzbar.
Allerdings können auch - zur Realisierung kostengünstiger Rohrbündel - Kohlenstoffstähle eingesetzt werden.
Insbesondere kann der Wärmetauscher ein gewickelter Wärmetauscher sein, wie er z. B. in verschiedenen großtechnischen Prozessen wie der Methanolwäsche, der Erdgasverflüssigung oder der Ethylenerzeugung verwendet wird. Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher umfasst mehrere Rohre, die in mehreren Lagen um ein zentrales Kernrohr gewickelt sind. Die Rohre sowie das Kernrohr sind von einem Mantel umgeben, der somit den Mantelraum, in dem sich die Rohrbündel sowie das Kernrohr befinden, begrenzt. Üblicherweise sind die Rohre in Lochböden an den Enden des Wärmetauschers in ein oder mehreren Bündeln zusammengeführt und mit Ein- und Auslässen im Mantel des Wärmeübertragers verbunden. Die Rohre des Wärmeübertragers können mit einem oder mehreren separaten Wärmeträgerströmen beaufschlagt werden. Der durch das Mantelrohr strömende Wärmeträger tritt mit dem Wärmeträger im Rohrsystem in Wärmeaustausch. Ein derartiger gewickelter Wärmeübertrager kann sowohl mantelseitig als auch rohrseitig selbstleerend konstruiert sein. Dadurch lassen sich bestimmte Wärmeträger, wie z. B. Salzschmelzen, in vereinfachter weise zu- und abführen. Dadurch ist auch eine Selbstentleerbarkeit gewährleistet, da ein Erstarren der Salzschmelze im
Wärmetauscher (bei Unterschreitung der Schmelztemperatur) zur Zerstörung des Wärmetauschers führen kann.
Außerdem ist ein derartig ausgeführter Wärmeübertrager relativ unempfindlich gegenüber in großen Temperaturintervallen vollzogenen Temperaturlastwechseln.
Der zur Auslegung der Rohrbündel dienende erste Temperaturbereich ist in
bevorzugter weise durch eine Maximaltemperatur von 550°C bis 600°C begrenzt, und der zweite Temperaturbereich ist durch eine Minimaltemperatur von 560°C bis 600°C begrenzt. Dabei hat sich eine Maximaltemperatur des ersten Temperaturbereichs zwischen 570°C und 590°C, insbesondere 580°C, und eine Minimaltemperatur des zweiten Temperaturbereiches zwischen 570°C und 590°C, insbesondere 580°C bewährt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste
Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist. Vorzugsweise ist dabei der erste Temperaturbereich durch eine
Minimaltemperatur von 280 °C bis 300 °C, insbesondere 290 °C, und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 610 °C bis 630 °C,
insbesondere 620 °C, begrenzt. Bei Verwendung eines Kohlenstoffstahls sollte der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 400 °C bis 450 °C begrenzt sein, und der zweite
Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 400 °C bis 450 °C begrenzt sein.
Die genannten Temperaturbereiche dienen zur konkreten Auslegung der Rohrbündel und somit zur Festlegung der konkreten technischen bzw. konstruktiven Merkmale. In einer günstigen Auslegung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass das zweite Rohrbündel ein geringeres Volumen als das erste Rohrbündel aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das zweite Rohrbündel leicht und schnell sowie mit einem geringen Materialaufwand austauschbar ist.
Hinzukommend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das zweite Rohrbündel ein U-Rohr-Bündel ist. Ein solches Rohrbündel hat den Vorteil der leichten Montage und Demontage. Außerdem kann vorgesehen sein, dass das gesamte Rohrsystem im Mantelraum des Wärmeübertragers integriert ist, wobei das zweite Rohrbündel an ein Mantelsegment angeschlossen ist und dieses Mantelsegment bei Austausch des zweiten Rohrbündels ebenfalls mit ausgetauscht wird. In alternativer Ausgestaltung weist der Mantel eine freigebbare Öffnung auf, durch die hindurch das zweite
Rohrbündel ausgetauscht werden kann.
Insbesondere kann das Rohrsystem derart ausgestaltet sein, dass das zweite
Rohrbündel strömungstechnisch vom ersten Rohrbündel separiert ist.
Alternativ ist vorgesehen, dass das erste Rohrbündel und das zweite Rohrbündel strömungstechnisch miteinander gekoppelt sind. Bei strömungstechnischer Kopplung ist in günstiger Ausgestaltung eine Einrichtung zur Trennung des Strömungspfades zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrbündel vorgesehen.
In diesem Fall erfolgt bei Entnahme oder Austausch des zweiten Rohrbündels eine Trennung des Rohrsystems an der genannten strömungstechnischen Schnittstelle. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Wartung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, bei dem ein funktionseingeschränktes zweites Rohrbündel gegen ein funktionsfähiges zweites Rohrbündel ausgetauscht wird. Ein funktionseingeschränktes zweites Rohrbündel kann dabei ein bereits benutztes und hauptsächlich wegen der hohen thermischen Belastung abgenutztes Rohrbündel sein, bei dem die Gefahr der Überschreitung der zulässigen Kriechspannung unter normalen Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers gegeben ist. Ein solches zweites Rohrbündel wird gegen ein neues oder neuwertiges bzw. zumindest funktionsfähiges Rohrbündel ausgetauscht. Das hat den Vorteil, dass bei wärmebedingten
Verschleißerscheinungen nur noch das höher belastete Rohrbündel ausgetauscht werden muss. Demzufolge kann eine Reparatur und/oder Wartung des Wärmeübertragers mit geringerem Material-, Zeit- sowie Personal-Aufwand erfolgen.
In der Ausgestaltung des Wärmeübertragers, in der beide Rohrbündel
strömungstechnisch miteinander verbunden sind, ist beim erfindungsgemäßen
Verfahren zur Wartung des Wärmeübertragers insbesondere vorgesehen, dass beim Austausch des zweiten Rohrbündels ein Strömungspfad zwischen dem ersten
Rohrbündel und dem zweiten Rohrbündel getrennt wird. In ähnlicher Weise wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zur Verfügung gestellt, bei dem ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers montiert wird, wobei als Bestandteile des Rohrsystems ein erstes Rohrbündel und ein zweites, austauschbares Rohrbündel montiert werden, wobei das erste Rohrbündel für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten
Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, und die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer.
Dabei ist der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels ein
Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt. Alternativ oder
hinzukommend ist der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels einsetzt. Das heißt, dass das erste Rohrbündel und das zweite Rohrbündel unterschiedlich sind, nämlich hinsichtlich ihrer Auslegung für bestimmte Temperaturbereiche und
Betriebsdauern.
Auch hier ist der erste Temperaturbereich vorzugsweise durch eine Maximaltemperatur von 550 °C bis 600 °C und der zweite Temperaturbereich vorzugsweise durch eine Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C begrenzt, sowie der erste Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite
Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger, der ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel und ein zweites, austauschbares Rohrbündel unterteilt ist oder unterteilbar ist, umfasst, wobei beim Betrieb des Wärmeübertragers das erste Rohrbündel über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer.
Dabei ist vorgesehen, dass das erste Rohrbündel in einem ersten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt, und das zweite Rohrbündel in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels einsetzt.
Insbesondere kann das erste Rohrbündel in einem ersten Temperaturbereich betrieben werden, der durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und eine Maximaltemperatur von 550 °C und 600 °C begrenzt ist, und das zweite Rohrbündel kann in einem zweiten Temperaturbereich betrieben werden, der durch eine
Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C und eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist. Dabei ist vorzugsweise der erste Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur zwischen 280 °C bis 300 °C, insbesondere 290 °C, und eine Maximaltemperatur zwischen 570 °C und 590 °C, insbesondere 580 °C begrenzt. Der zweite Temperaturbereich ist bevorzugt durch eine Minimaltemperatur zwischen 570 °C und 590 °C, insbesondere 580 °C, sowie durch eine Maximaltemperatur von 610 °C bis 630 °C, insbesondere 620 °C begrenzt. Das erste Rohrbündel wird dabei mit einer ersten Zeitdauer betrieben und das zweite Rohrbündel mit einer zweiten Zeitdauer betrieben. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Belastung der einzelnen Rohrbündel ist die erste Zeitdauer länger als die zweite Zeitdauer, so dass das erste Rohrbündel eine längere Zeit betrieben wird als das zweite Rohrbündel.
Zwecks Austausch des zweiten Rohrbündels ist in bevorzugter Weise vorgesehen, dass zumindest der mittels des zweiten Rohrbündels realisierte
Wärmeaustauschprozess zwischen dem ersten Wärmeträger und dem zweiten
Wärmeträger gestoppt wird und das zweite Rohrbündel ausgetauscht wird. In einfacher Ausgestaltung des Verfahrens bedeutet dies, dass der Betrieb des gesamten
Wärmeübertragers gestoppt wird und das zweite Rohrbündel ausgetauscht wird. In alternativer Ausgestaltung bedeutet dies, dass der Betrieb des ersten Rohrbündels aufrecht erhalten wird und der Betrieb des zweiten Rohrbündels gestoppt wird und das zweite Rohrbündel ausgetauscht wird.
Nach Austausch des zweiten Rohrbündels kann der Wärmeaustauschprozess zwischen dem ersten Wärmeträger und dem zweiten Wärmeträger mittels des neuen zweiten Rohrbündels wieder aufgenommen werden. Das bedeutet, dass während der Betriebsdauer oder Lebenszeit des Wärmeübertragers ein Austausch des zweiten Rohrbündels erfolgt. Die Erfindung richtet sich außerdem auf ein Kraftwerk, insbesondere auf ein
Solarthermiekraftwerk, welches zur Erzeugung elektrischer Energie dient und einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger umfasst. In Abhängigkeit von der geforderten Leistung kann es notwendig sein, zur Übertragung einer definierten Wärmemenge zwischen den Wärmeträgern mehrere erfindungsgemäße Wärmeübertrager parallel zu betreiben. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist vorteilhaft in einem Solarthermiekraftwerk anwendbar, da auf Grund der
Austauschbarkeit des zweiten Rohrbündels die Funktionsfähigkeit des
Wärmeübertragers gewährleistet ist und demzufolge einem verschleißbedingten Ausfall des Kraftwerkes entgegengewirkt werden kann.
Die in diesem Solarthermiekraftwerk verwendeten Wärmeträger können die eingangs zur Erläuterung des Standes der Technik bezeichneten Fluide sein. Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines
Wärmeübertragers durchgeführt wird, wobei von einem ersten Wärmeträger auf einen zweiten Wärmeträger Wärme übertragen wird und die Wärme des zweiten
Wärmeträgers zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Umwandlung kann dabei insbesondere über Nutzung der Wärme zur Erzeugung von Dampf, Nutzung dessen mechanischer Energie und Umsetzung der mechanischen Energie in elektrische Energie, z. B. in einer Turbine, erfolgen. Das heißt, dass hier die Wärme des zweiten Wärmeträgers indirekt zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird.
In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Wärme des zweiten Wärmeübertragers auf einen weiteren Wärmeübertrager übertragen wird, und dessen Wärme zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei kann dieser weitere Wärmeträger wiederum der erste Wärmeträger sein, so dass der zweite Wärmeträger lediglich als Speicher dient. In diesem Fall ist der erste
Wärmeträger bevorzugt Wasser bzw. Dampf, und der zweite Wärmeträger ist eine Salzschmelze. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden
Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen herkömmlichen Wärmeübertrager in Schnittansicht,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in Schnittansicht. Auf den herkömmlichen Wärmeübertrager, wie in er Fig. 1 dargestellt ist, wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Auch dieser Wärmeübertrager 1 umfasst einen Mantel 10, der einen Mantelraum 11 einschließt. Im Mantelraum 1 1 ist das Kernrohr 20 angeordnet, um das sich Helix- bzw. Schraubengang-förmig das Rohrsystem 30 erstreckt. Das Rohrsystem 30 ist in ein erstes Rohrbündel 31 an der unteren Seite des Wärmeübertragers 1 und in ein zweites Rohrbündel 32 an der oberen Seite des Wärmeübertragers 1 unterteilt. Am Mantel 10 ist an der Unterseite ein Einlassstutzen 12 für einen einströmenden Volumenstrom des ersten Wärmeträgers 2 angeordnet. Zur Abführung des Volumenstroms des ersten Wärmeträgers 2 aus dem Mantelraum 1 1 ist an der Oberseite des Mantels 10 ein Auslassstutzen 13 angeordnet. Nach Eintritt durch den Einlassstutzen 12 durchströmt der erste Wärmeträger 2, der z. B. eine Salzschmelze oder ebenfalls Wasser oder Wasserdampf oder Ammoniak, überkritisches Kohlendioxid oder Thermoöl sein kann, den Mantelraum 11 und/oder das Kernrohr 20 und strömt aus dem Auslassstutzen 13 heraus.
Der zweite Wärmeträger 3, welcher z. B. Dampf oder heißes Wasser sein kann, strömt in das erste Rohrbündel 31 durch eine erste Einlasseinrichtung 33 ein und durch eine erste Auslasseinrichtung 34 aus dem ersten Rohrbündel 31 heraus. Außerdem strömt der zweite Wärmeträger 3 in das zweite Rohrbündel 32 durch eine zweite
Einlasseinrichtung 35 ein und durch eine zweite Auslasseinrichtung 36 aus. Die Temperatur des zweiten Wärmeträgers 3 bei Eintritt in das erste Rohrbündel 31 an der ersten Einlasseinrichtung 33 beträgt dabei ca. 580°C. An der ersten Auslasseinrichtung 34 des ersten Rohrbündels 31 beträgt seine Temperatur ca. 290°C.
Die Temperatur des zweiten Wärmeträgers 3 bei Einströmung in das zweite
Rohrbündels 32 an der zweiten Einlasseinrichtung 35 beträgt ca. 620°C, und an der zweiten Auslasseinrichtung 36 des zweiten Rohrbündels 32 beträgt seine Temperatur ca. 580°C.
In der dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind das erste Rohrbündel 31 und das zweite Rohrbündel 32 strömungstechnisch voneinander entkoppelt, so dass kein Strömungspfad zwischen den beiden
Rohrbündeln 31 , 32 durchtrennt werden muss.
Das zweite Rohrbündel lässt sich auf Grund seiner separaten Anordnung in einfacher, schneller und kostengünstiger weise vom ersten Rohrbündel 31 entfernen und austauschen, so dass eine wartungsbedingte Ausfallzeit des Wärmeübertragers 1 minimiert werden kann. Das zweite Rohrbündel ist dabei für den Betrieb im angegebenen höheren Temperaturbereich, jedoch auf Grund der höheren thermischen Belastung und der damit verbundenen früheren Erreichung der zulässigen
Kriechspannung für eine kürzere Betriebsdauer ausgelegt.
Bezugszeichenliste
Wärmeübertrager 1 erster Wärmeträger 2 zweiter Wärmeträger 3
Mantel 10
Mantelraum 11
Einlassstutzen 12
Auslassstutzen 13
Kernrohr 20
Rohrsystem 30 erstes Rohrbündel 31 zweites Rohrbündel 32 erste Einlasseinrichtung 33 erste Auslasseinrichtung 34 zweite Einlasseinrichtung 35 zweite Auslasseinrichtung 36

Claims

Patentansprüche
Wärmeübertrager (1 ) zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger
(2) und einem zweiten Wärmeträger
(3), umfassend ein
Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites, austauschbares Rohrbündel (32) unterteilt ist oder unterteilbar ist, wobei das erste Rohrbündel (31 ) für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, und die Temperaturen des zweiten
Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des
Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31) ein Kriechen des
Materials des ersten Rohrbündels (31) einsetzt, und/ oder dass der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur von 550 °C bis 600 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C begrenzt ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist.
4. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohrbündel (32) ein geringeres Volumen als das erste Rohrbündel (31) aufweist.
5. . Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Rohrbündel (32) ein U-Rohr-Bündel ist.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Rohrbündel (32) strömungstechnisch vom ersten Rohrbündel (31) separiert ist.
7. Verfahren zur Wartung eines Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein funktionseingeschränktes zweites Rohrbündel (32) gegen ein funktionsfähiges zweites Rohrbündel (32) ausgetauscht wird.
8. Verfahren zur Wartung eines Wärmeübertragers nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass beim Austausch des zweiten Rohrbündels (32) ein Strömungspfad zwischen dem ersten Rohrbündel (31 ) und dem zweiten
Rohrbündel (32) getrennt wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers montiert wird, wobei als Bestandteile des Rohrsystems ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites, austauschbares Rohrbündel (32) montiert werden,
wobei das erste Rohrbündel (31) für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, und die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer,
und wobei der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31 ) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31) ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels (31 ) einsetzt, und/ oder dass der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers zum indirekten
Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger (2) und einem zweiten Wärmeträger (3), der ein Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites,
austauschbares Rohrbündel (32) unterteilt ist oder unterteilbar ist, umfasst, bei dem das erste Rohrbündel (31) über eine erste Zeitdauer in einem ersten
Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohrbündel (31 ) in einem ersten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31 ) ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels (31 ) einsetzt, und das zweite Rohrbündel (32) in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur von 550 °C bis 600 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C begrenzt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 10 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der mittels des zweiten Rohrbündels (32) realisierte Wärmeaustauschprozess zwischen dem ersten Wärmeträger (2) und dem zweiten Wärmeträger (3) gestoppt wird und das zweite Rohrbündel (32) ausgetauscht wird.
Kraftwerk, insbesondere Solarthermiekraftwerk, zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend einen Wärmeübertrager (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger (2) und einem zweiten Wärmeträger (3).
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 durchgeführt wird und dabei Wärme von einem ersten Wärmeträger (2) auf einen zweiten Wärmeträger (3) übertragen wird und die Wärme des zweiten
Wärmeträgers (3) zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 15, bei dem die Wärme vom zweiten Wärmeüberträger (3) auf einen weiteren Wärmeüberträger übertragen wird, und dessen Wärme zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird.
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