EP4134609A1 - Steam creation device - Google Patents

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EP4134609A1
EP4134609A1 EP21190535.1A EP21190535A EP4134609A1 EP 4134609 A1 EP4134609 A1 EP 4134609A1 EP 21190535 A EP21190535 A EP 21190535A EP 4134609 A1 EP4134609 A1 EP 4134609A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchange
housing
steam generator
exchange element
flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP21190535.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Duschl
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RD Estate GmbH and Co KG
Original Assignee
RD Estate GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by RD Estate GmbH and Co KG filed Critical RD Estate GmbH and Co KG
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    • F28D21/0003Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator for generating steam for power generation, for example by means of a steam engine or a steam turbine.
  • the steam generator can be connected to a biomass furnace, biogas plant or a pellet heater, for example.
  • Steam generators are generally used to generate steam. These steam generators usually have a combustion chamber (the furnace) in which fuel is heated or burned to generate heat. Alternatively, the still hot exhaust gas from a biogas plant can be used to provide the required heat. This heat in the form of a heat transfer medium is guided past a heat exchanger, for example, in order to evaporate water flowing in the heat exchanger. The water vapor thus generated can then be used to generate energy, for example in a steam engine.
  • each tube winding comprising an alternating sequence of tube sections and tube bends and the tube bends being designed as deflections by 180° with respect to an associated bend axis and having the same bending radii , out.
  • This tube bundle heat exchanger is characterized in that along each tube winding the arc axes of tube bends which are connected to the same tube section are at an angle to one another and the arc axes of tube bends between which a tube section, a tube bend and another tube section are arranged in direct succession, run parallel.
  • the efficiency in this case depends strongly on the distance of the tube bundle heat exchanger to the housing and strongly on the flow type of the heat exchange fluid in the tube bundles to the thermal energy generated by fuel. This means that wall losses that are generated by a flow past between the shell-and-tube heat exchanger and a surrounding housing without the heat exchanger being flowed through cannot be prevented in such a configuration. Thus, the heat exchange efficiency is not optimal.
  • the DE 20 2007 017 403 U1 discloses a tube bundle heat exchanger, in particular for the heat exchange from heating gas to heating water or drinking water, the tube bundle heat exchanger having a water space through which a heating water flow or drinking water flow can flow and a water space of having a heating gas flow through which the heating gas space can flow.
  • the heating gas pipes forming the heating gas can be flown through in parallel or in series.
  • the steam generator has a housing, a first heat exchange element arranged in the housing and through which a heat exchange fluid can flow, and at least one second heat exchange element arranged in the housing through which water can flow to generate steam.
  • the heat exchange fluid can be the waste heat originating from a biomass furnace, biogas plant or a pellet heating system, which can flow through the first heat exchange element and thus through the steam generator.
  • the second heat exchange element is water, corresponding to steam generation.
  • a heat transfer medium is further disposed within the hollow housing for transferring heat from the heat exchange fluid flowing through the first heat exchange element to the water flowing through the second heat exchange element to generate steam.
  • the heat transfer medium is a salt bath.
  • the steam generator is able to exchange heat.
  • pressures between 50 and 800 bar, preferably 30 to 500 bar, particularly preferably 30 to 180 bar, but also low pressures between four and ten bar steam pressure can be generated.
  • the salt is crystalline in the idle state and is liquefied by being heated with or via the first heat exchange element, through which the heat exchange fluid can flow, so that the molten salt is heated by the heat exchange fluid and the salt is thus heated liquefied and absorbing energy.
  • the salt bath acts as a liquid salt, such as a molten nitrate, and thus improves heat transfer from the heat exchange fluid to the water.
  • a particularly flexible system can be realized, which can generate steam pressure of up to 800 bar at a wide variety of pressures, but also a particularly reliable steam generator can be achieved.
  • the heat exchange fluid can flow through the first heat exchange element in a first flow direction from an inlet of the housing to an outlet of the housing.
  • the first direction of flow corresponds to a direction of flow of the heat exchange fluid through the heat exchanger arranged in the housing. If, for example, the housing has an elongated shape, this first direction of flow corresponds to a longitudinal extension of the housing.
  • the heat exchange fluid can be, for example, a combustion gas from the combustion of a fuel, for example in the form of undried, low-grade biomass, in a combustion chamber of an already known moving grate furnace or the exhaust gas of a biogas plant. This means that electricity can be generated from residues.
  • different temperature ranges can occur in the steam generator.
  • the heat exchange fluid also known as heating fluid
  • this is usually between 600°C and 1000°C, preferably 900°C.
  • temperatures of 450° C. to 500° C., preferably 470° C. usually occur in the steam generator.
  • Salts can also be used which already at 130°C - 150°C change from a crystalline to a liquid state of aggregation, ie an operating state.
  • the flexibility of the steam generator is particularly advantageous here, and the generation of the desired steam pressure is particularly easy to control.
  • pressures of seven bar can be used (e.g. for the food industry) and shortly thereafter, by increasing the flow rate, pressures of up to 800 bar can be generated without the need for other, additional or different resistant materials, configurations or Configurations must be provided.
  • a particularly flexible device for generating steam that can be used multiple times can thus be provided with just one compact device and one housing.
  • the heat exchange fluid can be flue gas.
  • the generation of steam is independent of the heat source.
  • the heat exchange fluid can not only be present as flue gas through the combustion of biomass, but the heat exchange fluid can also be generated, for example, through the combustion of fossil fuels, such as coal or natural gas. This heat exchange fluid can then flow analogous to flue gas through the first heat exchange element.
  • the first heat exchange element can have a multiplicity of tubes which extend along the first flow direction.
  • the heat exchange fluid for example flue gas
  • the housing may enter the housing at an inlet through the plurality of tubes and flow through the housing through the tubes, preferably straight tubes, along the first flow direction.
  • the housing has a plurality of tubes through which the heat exchange fluid flows.
  • the surface area for heat transfer to the heat transfer medium and thus to the water in the second heat exchange elements is increased and reliable shielding of the heat exchange fluid from the salt bath is ensured. This reduces or prevents ignitability in the event of leaks or the like and thus increases the (long-term) operational reliability of the steam generator.
  • the water can flow through the second heat exchange element in a second flow direction.
  • the first flow direction and the second flow direction can run essentially perpendicularly or essentially parallel to one another.
  • the second flow direction corresponds to a flow direction of the water through the housing.
  • the plurality of tubes of the first heat exchange element may extend from the inlet of the housing to the outlet housing of the housing.
  • the second heat exchange element also extends from an inlet to an outlet of the housing essentially parallel to the plurality of tubes of the heat exchange element.
  • substantially is to be understood here in such a way that, for example, turns, windings or the like, which are used to enable a maximum tube length of the second heat exchange element in the housing, are not used when evaluating the parallelism and/or perpendicular arrangement the first direction of flow and the second direction of flow should be taken into account in relation to one another.
  • the second heat exchange element can have a plurality of tube windings, such that the second heat exchange element extends essentially perpendicularly or essentially parallel to the first flow direction from the inlet of the housing to the outlet of the housing.
  • the tubes of the first heat exchange element described above can extend along this longitudinal direction and the second heat exchange element can have a tube which has a plurality of tube windings .
  • a large surface area of the second heat exchange element can thus be achieved, and thus a large surface area can be provided for heat transfer.
  • This pipeline of the second heat exchange element can be essentially parallel to the extension of the housing, ie for example mostly horizontally through the box-like housing described as an example, or in the Substantially perpendicular to the extension of the housing, so for example mostly extend vertically through the box-like housing described as an example.
  • the second heat exchange element can have a plurality of U-shaped tube coils.
  • the tube of the second heat exchange element can run essentially in a parallel direction to the plurality of tubes of the first heat exchange element will be realized.
  • the pipe can be “snaked” as frequently as possible from the inlet to the outlet and from this outlet back to the inlet and back again from the inlet to the outlet, etc.
  • the tube of the second heat exchange element achieves as many windings as possible from the inlet to the outlet of the housing with the U-shaped tube windings with a predominant extension in the vertical direction.
  • the second heat exchange element may comprise a plurality of tube coils extending in circles or in a helical configuration.
  • the plurality of tube coils extending in circles or helices can lie in the salt bath located in the housing and due to the circular shape or helix shape maximize the surface area of the second heat exchange element, e.g. a tube through which water flows, and thus the heat transfer from the allow first heat exchange element on the salt bath or directly on the second heat exchange element.
  • the second heat exchange element e.g. a tube through which water flows
  • the second heat exchange element may include a plurality of helical coils of tubing such that the second heat exchange element extends substantially perpendicularly or substantially parallel to the first flow direction from the inlet of the housing to the outlet of the housing.
  • the helical tube windings are arranged helically between or around the tubes.
  • the tubes extending from the inlet of the housing to the outlet of the housing through which the heat exchange fluid, e.g. flue gas, passes may be directly wrapped by the tube coils or may have the tube coils between the tubes.
  • both the first heat exchange element and the second heat exchange element are completely surrounded by the salt bath.
  • the second heat exchange element can be located between the tubes in the housing extend.
  • the tubes of the first heat exchange element can extend from the inlet of the housing to the outlet of the housing and have tube windings of the second heat exchange element arranged therein, for example in the vertical and/or horizontal direction in the interstices thereof. This enables an arrangement that is as compact as possible with a maximum heat exchange surface at the same time.
  • the second heat exchange element can be arranged in the housing in such a way that it contacts the first heat exchange element at at least one point, preferably at a plurality of points in the housing.
  • Such a configuration enables not only the heat transfer from the first heat exchange element to the salt bath and from the salt bath to the second heat exchange element (i.e. an indirect heat transfer by means of the salt bath heat storage medium), but also the most direct possible heat transfer from the first to the second heat exchange element can be made possible. This increases the efficiency of heat transfer.
  • a multiplicity of second heat exchange elements can preferably be arranged in the housing.
  • the salt bath serves as a heat transfer medium and can also store thermal energy.
  • a large number of steam pressures can thus be generated simultaneously in the steam generator with the same heat transfer medium and independently of its temperature or the combusted material with the same arrangement be generated.
  • Such a configuration is particularly advantageous since it allows a large number of vapor pressures to be generated with the same compact configuration—and without the structure of the system having to be changed in the process.
  • the steam generator can also have at least one pump which is arranged in the housing and is designed to circulate the salt bath.
  • the steam generator can be divided into several segments along the first flow direction.
  • the segments are connected to one another in such a way that the heat exchange fluid can flow through the segments from the inlet of the housing to the outlet of the housing along the first flow direction.
  • each segment of the housing can be at least a second heat exchange element can be provided and the second heat exchange elements in the segments of the housing are connected to one another in a fluid-tight manner.
  • this configuration is to be understood in such a way that the heat transfer medium can flow through each segment along the first flow direction, for example through a large number of tubes, and in each of these segments heat is transferred to a second heat exchange element for generating steam by means of the salt bath.
  • the number of tubes of the first heat exchange element in a first segment does not have to correspond to the number of tubes in a further segment. Rather, this configuration is to be understood such that a heat exchange fluid flow can be realized through all segments along the first flow direction, but more tubes can be provided in a particularly hot area/segment than in an area with a lower temperature. It is therefore sufficient that the incoming heat exchange fluid can flow through the housing with the multiple segments.
  • the heat exchange elements provided in each segment have different configurations.
  • a second heat exchange element in a first segment of the housing can have U-shaped tube windings, whereas a second heat exchange element can be configured in a helical shape in a further segment of the housing.
  • the tube windings There are no limitations with regard to the variation of the tube windings, as long as there is at least one overall tube through which the water for steam generation can flow within the housing.
  • a large number of second heat exchange elements can also be provided in one or more segments of the housing. This means that configurations are also possible in which a first, second heat exchange element flows through several segments of the housing for heat exchange, while a second, second heat exchange element flows through only a single segment of the housing in order to also generate steam in a second tube.
  • the steam generator can be designed in such a way that the water can first flow through the last segment in the first flow direction and then through the first segment in the first flow.
  • a pure countercurrent can be generated, i.e. the heat exchange fluid flows from an inlet of the housing to an outlet of the housing, whereas the water for generating steam flows "from the back to the front", i.e. from an outlet to an inlet of the housing .
  • the water can thus be preheated at the coldest point, that is to say when it enters the last segment of the housing, in order then to be flown into a front part of the housing of the steam generator for overheating.
  • the segments can be connected to one another in such a way that a flow of oxidizable material contained in the heat exchange fluid from one segment into another segment along the first flow can be prevented.
  • oxidizable material can be understood, for example, as residues from biomass combustion, which are transported, for example, in the flue gas.
  • grids or the like can be provided so that the oxidizable material cannot flow from segment to segment.
  • Such a configuration can preferably also be provided in front of the first segment in a first flow direction, so that the oxidizable material contained in the heat exchange fluid can be prevented from entering the housing.
  • the salt bath can contain a nitrate salt.
  • At least two different salt baths can be provided in the segments, which are stored separately from one another in the segments.
  • a salt bath can be used that is as efficient as possible and adapted to the temperatures prevailing in the respective segments.
  • a salt bath in a first segment along the first direction of flow, can be used which is operated at a salt temperature of 350°C to 550°C, whereas a second salt bath in a further segment along the first direction of flow at a specific salt bath temperature from 150°C to 400°C without becoming crystalline or thermally decomposing.
  • the salt bath may contain potassium sodium nitrate.
  • the salt bath in the last segment in the first flow direction can have potassium sodium calcium nitrate and the salt bath in at least one further segment can have potassium sodium nitrate.
  • the potassium-sodium-calcium nitrate provided in the last segment liquefies at lower temperatures and can therefore efficiently store and transfer heat
  • the potassium-sodium nitrate provided in the at least one other segment is particularly temperature-stable and thus for efficient heat transfer and heat storage suitable for overheating.
  • the potassium-sodium-calcium nitrate in the last segment can be operated at a specific salt bath temperature of 150 °C to 400 °C, whereas the potassium-sodium nitrate in at least one further segment at a correct salt bath temperature of 350 °C to 550°C can be operated.
  • the salt bath allows a high heat transfer at different temperatures and also has a "high forgiving" with regard to temperature fluctuations and fluctuating energy contents.
  • the salt bath enables high heat homogeneity and can thus counteract the problems described above of the different steam temperatures and the variable energy content of the biomass used, for example.
  • Steam generator 1 shown comprises a housing 2 in which a first heat exchange element 3 and a second heat exchange element 4 are arranged.
  • a heat exchange fluid can flow through the first heat exchange element 3 .
  • flue gas produced by biomass combustion is used as an example of such a heat exchange fluid.
  • Another example of such a heat exchange fluid would be the waste heat from a biogas plant.
  • the flue gas is fed to the steam generator 1 via a funnel 13 .
  • the housing 2 of the steam generator 1 has an inlet 6 to which the funnel 13 is connected, and an outlet 7 . Accordingly, the flue gas can flow through the housing 2 from the inlet 6 to the outlet 7 .
  • this direction of flow is referred to as “first direction of flow 5”. That is, the flue gas flows through the housing 2 along the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2.
  • the first heat exchange element 3 has a multiplicity of tubes 8 which extend along the direction in which the housing 2 extends, ie from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 .
  • the housing 2 has a “box-like” design, that is to say it extends essentially along a depth direction of the housing 2 and has a rectangular cross section.
  • the width and/or height and the depth of the housing 2 are not limiting for steam generation and can be configured according to space requirements and/or desired configurations.
  • the first flow direction 5 corresponds to the longitudinal extent of the housing 2.
  • the water in the second heat exchange element 4 is heated by the flue gas flowing from the first heat exchange element 3 or the flue gas flowing therein and is thus brought from a liquid state to a vapor state.
  • This steam can then be used to generate electricity, for example.
  • the current can be used in a steam engine and/or a steam turbine, which are fed with the generated steam.
  • the second heat exchange element 4 is designed as a single tube 8 which extends through the housing 2 of the steam generator 1 with windings.
  • second flow direction 9 the flow direction of the water in the second heat exchange element 4.
  • the second heat exchange element 4 in the form of a tube 8 has a multiplicity of tube windings 10 .
  • These tube windings 10 are, as in figure 2 recognizable, arranged in the housing 2 in such a way that the second heat exchange element 4 extends essentially perpendicularly to the first flow direction 5 from the inlet 6 of the housing 2 to the outlet 7 of the housing 2 and with U-shaped tube winding sections along the largest possible tube length and thus tube surface its extension from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 is achieved.
  • the tube 8 of the second heat exchange element 4 has a large number of tube sections running vertically in the embodiment shown, so that the U-shaped Tube coil sections connected tube coils 10 extend substantially perpendicular to the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2.
  • first direction of flow 5 and the second direction of flow 9 may run essentially parallel to one another.
  • the shape of the U-shaped tube windings 10 (cf. figure 2 ) not limited to this.
  • the second heat exchange element 4 can have a multiplicity of tube windings 10 extending in circles or in the shape of a snail.
  • the second heat exchange element 4 has a plurality of helical tube windings 10, which extend substantially perpendicularly or parallel to the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 and between the tubes 8 or around them helically.
  • figure 1 also illustrates that the second heat exchange element 4 with the U-shaped tube windings 10 extends between the tubes 8 in the housing 2 .
  • the first flow direction 5 runs essentially along a horizontal direction
  • the second flow direction 9 runs essentially vertically.
  • the second heat exchange element 4 extends along several levels in a width direction, because the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 extend essentially perpendicularly to the first flow direction 5. Detached from this, however, it is also possible for the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 to along a vertical direction in different planes in a height direction of the casing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3 or a mixture thereof inside the casing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3 .
  • the second heat exchange element 4 is arranged in the housing 2 in such a way that it contacts the first heat exchange element 3 in the housing 2 .
  • the embodiment shown in the figures is also divided along the first flow direction 5 into a plurality of segments 11, 12, two segments 11, 12 here by way of example. However, using more than two segments 11, 12 is also conceivable without problems.
  • the segments 11, 12 are connected to one another in such a way that the flue gas can flow along the first flow direction 5 through the segments 11, 12 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 and in each segment 11, 12 of the housing 2 at least one second heat exchange element 4 is provided.
  • a connecting pipe 14 is provided between the two second heat exchange elements 4 in the segments 11, 12 of the housing 2, so that the second heat exchange elements 4 are connected to one another in a fluid-tight manner and water can flow through the entire housing 2 to generate steam.
  • the steam generator 1 it is also possible that not only a single second heat exchange element 4 is provided in each segment 11, 12 of the housing 2 and/or that a plurality of segments 11, 12 have to be provided at all. In a further embodiment that is not shown, it is also possible for the steam generator 1 to have only a single segment with a first heat exchange element 3 and a second heat exchange element 4 .
  • the water as in figure 1 and figure 2 shown, first flowed through the last segment 11 in the first flow direction 5 and then flowed through the first segment 12 in the first flow direction 5 .
  • the water can first be preheated and then overheated. This means that the water enters the steam generator 1 on an outlet side of the housing 2, flows against the first flow direction 5 of the flue gas in the last segment 11 in the first flow direction 5 and is then conveyed via the connecting pipe 14 to an inlet side of the first segment 12 in flows in a flow direction of the housing 2 (see figure 2 ).
  • a heat transfer medium is arranged in the housing 2 in order to transfer heat from the heat exchange fluid (here flue gas) flowing through the first heat exchange element 3 to the water flowing through the second heat exchange element 4 in order to generate steam.
  • the heat transfer medium is a salt bath covering the first heat exchange element 3 and the second heat exchange element 4 .
  • At least one pump can be arranged in the housing 2, which is designed to circulate this salt bath in order to thus increase forced convection.
  • the segments 11, 12 are connected to one another in such a way that a flow of oxidizable material contained in the heat exchange fluid, which upon contact with the salt bath, for example in the event of a leak, from one segment 12 can be prevented in a further segment 11 along the first flow direction 5.
  • This can be done, for example, via a lattice arrangement, not shown, which prevents the entry of flammable material into one of the segments 11, 12.
  • this salt bath can be filled into the housing 2 via the inlet connection 15 .
  • the salt bath fills the gaps between the first heat exchange element 3 and the second heat exchange element 4 in the housing 2 and can fill it completely. Accordingly, this salt bath can serve as a heat transfer medium and energy store in order to increase the homogeneity of the energy transfer.
  • the salt bath can contain a nitrate salt, in particular a potassium sodium nitrate.
  • At least two different salt baths can be provided in the respective segments 11, 12 separately from each other.
  • a suitable nitrate salt can thus be used, adapted to the prevailing temperatures in the corresponding segments 11, 12 of the housing 2.
  • the use of potassium-sodium-calcium nitrate salt in the last segment 11 in the first flow direction 5 and potassium-sodium nitrate in at least one further segment 12 is particularly preferred.
  • the flue gas occurs as a heat exchange fluid over the Funnel 13 enters the housing 2 and flows through the tubes 8 of the first heat exchange element 3 along the first flow direction 5 to the outlet 7 of the housing 2.
  • the heat exchange fluid transfers the heat to the salt bath filling the casing 2 as a heat transfer medium and a heat storage medium. This arrangement then heats the water present in the pipes of the second heat exchange element 4 and thus generates steam.
  • problems due to fluctuating steam parameters which can be attributed, for example, to non-constant fuel or its calorific value, can be counteracted even at supercritical pressures of over 350 bar.
  • a tube 8 for seven bar steam, another tube 8 for 16 bar steam and a fourth tube 8 for high-pressure steam (e.g. 500 bar) for engines and turbines can be produced with the same device. This is controlled by the flow rate in the respective tubes 8 of the second heat exchange element 4 .
  • the potassium-sodium-calcium nitrate described in the last segment 11 in the first flow direction 5 serves as a so-called low-temperature salt and can be used or liquid up to 400° C. and thus serves as a preheater.
  • the potassium sodium nitrate provided in the at least one further segment 12 becomes liquid from about 200° C. and can be used up to a salt bath temperature of 550° C.
  • the net length of the tube 8 is significantly reduced relative to use without such a transfer medium.
  • Such a shortening of the tube reduces the pressure loss in the second heat exchange element 4 and, correspondingly, the pressure itself can in turn be controlled much better.

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger, welcher ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wärmetauschelement, das von einem Wärmetauschfluid durchströmbar ist, und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wärmetauschelement, das zur Dampferzeugung von Wasser durchströmbar ist, aufweist. Ferner weist der Dampferzeuger ein Wärmetransfermedium, das in dem Gehäuse angeordnet ist, um zur Dampferzeugung Wärme von dem durch das erste Wärmetauschelement strömende Wärmetauschfluid auf das durch das zweite Wärmetauschelement strömende Wasser zu übertragen, auf, wobei das Wärmetransfermedium ein Salzbad ist.The present invention relates to a steam generator which has a housing, a first heat exchange element arranged in the housing and through which a heat exchange fluid can flow, and at least one second heat exchange element arranged in the housing through which water can flow to generate steam. The steam generator further includes a heat transfer medium disposed within the housing for transferring heat from the heat exchange fluid flowing through the first heat exchange element to the water flowing through the second heat exchange element to generate steam, the heat transfer medium being a salt bath.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger zur Erzeugung von Dampf zur Energiegewinnung beispielsweise mittels eines Dampfmotors oder einer Dampfturbine. Dafür ist der Dampferzeuger zum Beispiel an eine Biomassefeuerung, Biogasanlage oder einen Pelletsheizer koppelbar.The present invention relates to a steam generator for generating steam for power generation, for example by means of a steam engine or a steam turbine. For this purpose, the steam generator can be connected to a biomass furnace, biogas plant or a pellet heater, for example.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Zum Erzeugen von Wasserdampf werden im Allgemeinen Dampferzeuger verwendet. Diese Dampferzeuger weisen meist eine Brennkammer (die Feuerung), in der Brennmaterial erhitzt bzw. verbrannt wird, um Wärme zu erzeugen, auf. Alternativ kann auch das noch heiße Abgas einer Biogasanlage genutzt werden, um die erforderliche Wärme bereitzustellen. Diese Wärme in Form eines Wärmetransfermediums wird zum Beispiel an einem Wärmetauscher vorbeigeführt, um so in dem Wärmetauscher strömendes Wasser zu verdampfen. Der dadurch erzeugte Wasserdampf kann dann zur Energiegewinnung genutzt werden, zum Beispiel in einem Dampfmotor.Steam generators are generally used to generate steam. These steam generators usually have a combustion chamber (the furnace) in which fuel is heated or burned to generate heat. Alternatively, the still hot exhaust gas from a biogas plant can be used to provide the required heat. This heat in the form of a heat transfer medium is guided past a heat exchanger, for example, in order to evaporate water flowing in the heat exchanger. The water vapor thus generated can then be used to generate energy, for example in a steam engine.

Zur effizienten Dampf- und Energieerzeugung sind hohe Drücke und damit verbunden auch hohe Temperaturen erforderlich. Dies führt zur thermischen Ausdehnung des Wärmetauschers und zu Spannungen im Material des Wärmetauschers.Efficient steam and energy generation requires high pressures and the associated high temperatures. This leads to thermal expansion of the heat exchanger and stresses in the material of the heat exchanger.

Im Stand der Technik geht beispielsweise aus der DE 10 2010 046 804 A1 ein Rohrbündel-Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohrwicklungen, die von einem gemeinsamen Auslassraum für ein Wärmetauschmedium ausgehen und in einen gemeinsamen Auslassraum münden, wobei jede Rohrwicklung eine alternierende Abfolge von Rohrstücken und Rohrbögen umfasst und wobei die Rohrbögen als Umlenkung um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse ausgebildet sind und gleiche Biegeradien aufweisen, hervor. Dieser Rohrbündel-Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass entlang jeder Rohrwicklung die Bogenachsen von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück angeschlossen sind, in Winkelstellung zueinander stehen und die Bogenachsen von Rohrbögen zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück, ein Rohrbogen und ein weiteres Rohrstück angeordnet sind, parallel verlaufen.In the prior art, for example, from the DE 10 2010 046 804 A1 a tube bundle heat exchanger with a Multiplicity of tube windings, which emanate from a common outlet space for a heat exchange medium and open into a common outlet space, each tube winding comprising an alternating sequence of tube sections and tube bends and the tube bends being designed as deflections by 180° with respect to an associated bend axis and having the same bending radii , out. This tube bundle heat exchanger is characterized in that along each tube winding the arc axes of tube bends which are connected to the same tube section are at an angle to one another and the arc axes of tube bends between which a tube section, a tube bend and another tube section are arranged in direct succession, run parallel.

Jedoch hängt die Effizienz hierbei stark vom Abstand des Rohrbündel-Wärmetauschers zum Gehäuse und stark von der Strömungsart des Wärmetauschfluids in den Rohrbündeln zu der durch Brennmaterial erzeugten Wärmenergie ab. Das heißt, dass Wandverluste, die durch ein Vorbeiströmen zwischen dem Rohrbündel-Wärmetauscher und einem umgebenden Gehäuse erzeugt werden, ohne dass der Wärmetauscher durchströmt wird, in einer solchen Ausgestaltung nicht verhindert werden können. Somit ist die Wärmetauscheffizienz nicht optimal.However, the efficiency in this case depends strongly on the distance of the tube bundle heat exchanger to the housing and strongly on the flow type of the heat exchange fluid in the tube bundles to the thermal energy generated by fuel. This means that wall losses that are generated by a flow past between the shell-and-tube heat exchanger and a surrounding housing without the heat exchanger being flowed through cannot be prevented in such a configuration. Thus, the heat exchange efficiency is not optimal.

Des Weiteren ist es gemäß einer solchen Ausgestaltung nicht möglich, Spannungen in den Rohrbündeln durch eine thermische Ausdehnung, die durch die hohen Temperaturen des Wärmetauschfluids erzeugt wird, auszugleichen.Furthermore, according to such an embodiment, it is not possible to compensate for stresses in the tube bundles due to thermal expansion that is generated by the high temperatures of the heat exchange fluid.

Auch die DE 20 2007 017 403 U1 offenbart einen Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere für den Wärmeaustauch von Heizgas auf Heizungswasser oder Trinkwasser, wobei der Rohrbündel-Wärmetauscher einen von einem Heizungswasserstrom oder Trinkwasserstrom durchströmbaren Wasserraum und einen von einem Heizgasstrom durchströmbaren Heizgasraum aufweist. Hierbei sind die das Heizgas bildenden Heizgasrohre parallel oder seriell durchströmbar.Also the DE 20 2007 017 403 U1 discloses a tube bundle heat exchanger, in particular for the heat exchange from heating gas to heating water or drinking water, the tube bundle heat exchanger having a water space through which a heating water flow or drinking water flow can flow and a water space of having a heating gas flow through which the heating gas space can flow. In this case, the heating gas pipes forming the heating gas can be flown through in parallel or in series.

Hierbei treten die oben beschriebenen Probleme ebenfalls auf und außerdem ist die Effizienz des Wärmeaustauschs niedrig, da dieser im Gleichstrom betrieben wird.Here, too, the problems described above occur, and in addition, the efficiency of heat exchange is low because it is co-current.

Darüber hinaus ist es bei der Dampferzeugung mit Biomasse in bisher bekannten Dampferzeugern besonders kritisch, einen undefinierten und gegebenenfalls schwankenden Energiegehalt der Brennmasse (im Gegensatz zu, beispielsweise, Kohle) und damit die schwankenden Dampfparameter bei der Dampferzeugung auszugleichen. Kann dies nicht ausreichend ausgeglichen werden, kommt es zu einer Schwankung der Dampftemperatur, was - beispielsweise bei der Verwendung von Dampfturbinen - zur Beeinträchtigung oder gar Beschädigung dieser Dampfturbinen führen kann.In addition, when generating steam with biomass in previously known steam generators, it is particularly critical to compensate for an undefined and possibly fluctuating energy content of the fuel mass (in contrast to, for example, coal) and thus the fluctuating steam parameters during steam generation. If this cannot be adequately compensated for, the steam temperature will fluctuate, which—for example when steam turbines are used—can lead to impairment or even damage to these steam turbines.

Bisher bekannte Ausgestaltungen verwenden aufgrund dessen einen zusätzlichen Dampfspeicherkessel, um so geringe Druckverluste zu realisieren und der Schwankung entgegenzuwirken.For this reason, previously known configurations use an additional steam storage tank in order to achieve low pressure losses and to counteract the fluctuation.

Eine solche Ausgestaltung ist jedoch bei Hochdrücken zum Beispiel über 250 bar, nicht mehr anwendbar, da ein hohes Risiko der Zerstörung, zum Beispiel in Form einer Explosion, gegeben ist.However, such a configuration can no longer be used at high pressures, for example above 250 bar, since there is a high risk of destruction, for example in the form of an explosion.

Somit besteht bisheriger Bedarf an einer Lösung für einen Dampferzeuger beim Einsatz mit Biomasse und Hochdrücken, welcher nicht nur Hochdruck-resistent, sondern auch einfach und kostengünstig realisierbar ist.Thus, there has been a previous need for a solution for a steam generator when used with biomass and high pressures, which is not only resistant to high pressure, but can also be implemented easily and inexpensively.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effiziente Vorrichtung zur Dampferzeugung (einen Dampferzeuger) vorzusehen, bei der mit einer einfachen Ausgestaltung und sogar bei schwankendem Energiegehalt der Brennmasse, ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet und ein hoher Wirkungskraft erzielt werden kann, sowie die obigen Nachteile vermindert oder sogar verhindert werden können.It is therefore the object of the present invention to provide an efficient device for generating steam (a steam generator) in which, with a simple design and even with fluctuating energy content of the fuel mass, reliable operation can be ensured and a high level of efficiency can be achieved, and the above disadvantages can be reduced or can even be prevented.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den weiteren Ansprüchen der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.This object is solved by a device having the features of claim 1. Preferred configurations can be found in the further claims of the following description and the drawings.

Gemäß einem Aspekt weist der Dampferzeuger ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wärmetauschelement, das von einem Wärmetauschfluid durchströmbar ist, und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wärmetauschelement, das zur Dampferzeugung von Wasser durchströmbar ist, auf.According to one aspect, the steam generator has a housing, a first heat exchange element arranged in the housing and through which a heat exchange fluid can flow, and at least one second heat exchange element arranged in the housing through which water can flow to generate steam.

Hierbei kann das Wärmetauschfluid das aus einer Biomassefeuerung, Biogasanlage oder einer Pelletheizung stammenden Abwärme sein, welche durch das erste Wärmetauschelement und damit durch den Dampferzeuger strömen kann. Das zweite Wärmetauschelement ist entsprechend zur Dampferzeugung Wasser.Here, the heat exchange fluid can be the waste heat originating from a biomass furnace, biogas plant or a pellet heating system, which can flow through the first heat exchange element and thus through the steam generator. The second heat exchange element is water, corresponding to steam generation.

Ferner ist in dem hohlen Gehäuse ein Wärmetransfermedium angeordnet, um zur Dampferzeugung Wärme von dem durch das erste Wärmetauschelement strömende Wärmetauschfluid auf das durch das zweite Wärmetauschelement strömende Wasser zu übertragen. Bei dem Wärmetransfermedium handelt es sich um ein Salzbad.A heat transfer medium is further disposed within the hollow housing for transferring heat from the heat exchange fluid flowing through the first heat exchange element to the water flowing through the second heat exchange element to generate steam. The heat transfer medium is a salt bath.

Entsprechend ist der Dampferzeuger in der Lage, Wärme auszutauschen. In der vorliegenden Wärmetauschanordnung des Dampferzeugers können Drücke zwischen 50 und 800 bar, bevorzugt 30 bis 500 bar, besonders bevorzugt 30 bis 180 bar, aber auch geringe Drücke zwischen vier und zehn bar Dampfdruck erzeugt werden.Accordingly, the steam generator is able to exchange heat. In the present heat exchange arrangement of the steam generator, pressures between 50 and 800 bar, preferably 30 to 500 bar, particularly preferably 30 to 180 bar, but also low pressures between four and ten bar steam pressure can be generated.

Das heißt, eine solche Anordnung ist aufgrund des wärmeübertragenden Salzbades besonders flexibel einsetzbar und es können sowohl niedrige Drücke im Bereich von beispielsweise sieben bar für die Lebensmittelproduktion, als auch Hochdruck-Dampfströme im Bereich von 500 bis 800 bar erzeugt werden, ohne dass dabei der schwankende Energiegehalt der Biomasse kritisch für die Vorrichtung selbst wäre. Auch eine komplexe Anordnung mit einem zusätzlichen Dammspeicherkessel, um geringe Druckverluste zu realisieren, ist in einer solchen Ausgestaltung unnötig. Somit kann nicht nur eine besonders flexible, sondern auch kostengünstige Vorrichtung zur Dampferzeugung realisiert werden.This means that such an arrangement can be used particularly flexibly due to the heat-transferring salt bath and both low pressures in the range of, for example, seven bar for food production, and high-pressure steam flows in the range of 500 to 800 bar can be generated without the fluctuating Energy content of the biomass would be critical for the device itself. A complex arrangement with an additional dam storage tank to achieve low pressure losses is also unnecessary in such a configuration. Thus, not only a particularly flexible, but also a cost-effective device for generating steam can be realized.

Zudem ist eine Zerstörung oder Explosion zuverlässig vermeidbar, da im Ruhezustand das Salz kristallin ist und durch die Erwärmung mit bzw. über das erste Wärmetauschelement, das von dem Wärmetauschfluid durchströmbar ist, verflüssigt, sodass die Salzschmelze durch das Wärmetauschfluid erwärmt wird und sich somit das Salz verflüssigt und Energie aufnimmt.In addition, destruction or explosion can be reliably avoided, since the salt is crystalline in the idle state and is liquefied by being heated with or via the first heat exchange element, through which the heat exchange fluid can flow, so that the molten salt is heated by the heat exchange fluid and the salt is thus heated liquefied and absorbing energy.

Das heißt, das Salzbad agiert als flüssiges Salz, beispielsweise als Nitratschmelze, und verbessert somit die Wärmeübertragung vom Wärmetauschfluid zum Wasser.That is, the salt bath acts as a liquid salt, such as a molten nitrate, and thus improves heat transfer from the heat exchange fluid to the water.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung, kann also nicht nur ein besonders flexibles System realisiert werden, welches bei verschiedensten Drücken bis zu 800 bar Dampfdruck erzeugen kann, sondern auch ein besonders betriebssicherer Dampferzeuger erreicht werden.According to such an embodiment, not only one can A particularly flexible system can be realized, which can generate steam pressure of up to 800 bar at a wide variety of pressures, but also a particularly reliable steam generator can be achieved.

Das erste Wärmetauschelement kann in einer ersten Strömungsrichtung von einem Einlass des Gehäuses zu einem Auslass des Gehäuses von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sein.The heat exchange fluid can flow through the first heat exchange element in a first flow direction from an inlet of the housing to an outlet of the housing.

Das heißt, die erste Strömungsrichtung entspricht hierbei einer Strömungsrichtung des Wärmetauschfluids durch den im Gehäuse angeordneten Wärmetauscher. Wenn also beispielsweise das Gehäuse eine längliche Form aufweist, entspricht diese erste Strömungsrichtung einer longitudinalen Erstreckung des Gehäuses.This means that the first direction of flow corresponds to a direction of flow of the heat exchange fluid through the heat exchanger arranged in the housing. If, for example, the housing has an elongated shape, this first direction of flow corresponds to a longitudinal extension of the housing.

Das Wärmetauschfluid kann, wie eingangs erwähnt, zum Beispiel ein Verbrennungsgas aus der Verbrennung eines Brennmaterials, beispielsweise in Form von ungetrockneter, minderwertiger Biomasse, in einer Brennkammer einer bereits bekannten Vorschubrostfeuerung oder das Abgas einer Biogasanlage sein. Dadurch kann Strom aus Reststoffen erzeugt werden. Abhängig vom Wärmetauschfluid können verschiedene Temperaturbereiche im Dampferzeuger auftreten.As mentioned above, the heat exchange fluid can be, for example, a combustion gas from the combustion of a fuel, for example in the form of undried, low-grade biomass, in a combustion chamber of an already known moving grate furnace or the exhaust gas of a biogas plant. This means that electricity can be generated from residues. Depending on the heat exchange fluid, different temperature ranges can occur in the steam generator.

Abhängig vom Wärmetauschfluid können verschiedene Temperaturbereiche im Dampferzeuger auftreten. Wird im Dampferzeuger das Wärmetauschfluid, auch als Heizfluid benennbar, durch Pelletverbrennung erzeugt, hat dies üblicherweise zwischen 600°C und 1000°C, bevorzugt 900°C. Wird Abgas einer Biogasanlage als Wärmetauschfluid verwendet, treten im Dampferzeuger üblicherweise Temperaturen von 450°C bis 500°C, bevorzugt 470°C auf. Zudem können Salze verwendet werden, die bereits ab 130°C - 150°C von einem kristallinen in einen flüssigen Aggregatszustand, d.h. einem Betriebszustand übergehen.Depending on the heat exchange fluid, different temperature ranges can occur in the steam generator. If the heat exchange fluid, also known as heating fluid, is produced in the steam generator by burning pellets, this is usually between 600°C and 1000°C, preferably 900°C. If exhaust gas from a biogas plant is used as the heat exchange fluid, temperatures of 450° C. to 500° C., preferably 470° C., usually occur in the steam generator. Salts can also be used which already at 130°C - 150°C change from a crystalline to a liquid state of aggregation, ie an operating state.

Hierbei gestaltet sich die Flexibilität des Dampferzeugers als besonders vorteilhaft und die Erzeugung des gewünschten Dampfdrucks als besonders einfach steuerbar.The flexibility of the steam generator is particularly advantageous here, and the generation of the desired steam pressure is particularly easy to control.

Durch die hohen Energiespeicherfähigkeiten des verwendeten Salzbades, ist es möglich, dass der zu erzeugende Druck lediglich über die Strömungsgeschwindigkeit des durch das zweite Wärmetauschelement strömende Wasser zu regulieren. Dies kann über eine einfache Pumpe erfolgen.Due to the high energy storage capabilities of the salt bath used, it is possible to regulate the pressure to be generated only via the flow rate of the water flowing through the second heat exchange element. This can be done with a simple pump.

Beispielsweise können, bei Bedarf, Drücke von sieben bar (beispielsweise für die Lebensmittelindustrie) gefahren werden und kurz darauf, durch eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit, Drücke von bis zu 800 bar erzeugt werden, ohne dass dabei andere, zusätzliche oder verschiedene resistente Materialen, Konfigurationen oder Ausgestaltungen vorgesehen werden müssen.For example, if required, pressures of seven bar can be used (e.g. for the food industry) and shortly thereafter, by increasing the flow rate, pressures of up to 800 bar can be generated without the need for other, additional or different resistant materials, configurations or Configurations must be provided.

Somit kann mit nur einer kompakten Vorrichtung und einem Gehäuse eine besonders flexible und multiple anwendbare Vorrichtung zur Dampferzeugung vorgesehen werden.A particularly flexible device for generating steam that can be used multiple times can thus be provided with just one compact device and one housing.

Das Wärmetauschfluid kann Rauchgas sein.The heat exchange fluid can be flue gas.

Die Dampferzeugung ist im vorliegenden Fall unabhängig von der Wärmequelle. Somit kann das Wärmetauschfluid nicht nur durch die Verbrennung von Biomasse als Rauchgas vorliegen, sondern das Wärmetauschfluid kann beispielsweise auch durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen, wie z.B. Kohle oder Erdgas, erzeugt werden. Dieses Wärmetauschfluid kann dann analog zu Rauchgas durch das erste Wärmetauschelement strömen.In the present case, the generation of steam is independent of the heat source. Thus, the heat exchange fluid can not only be present as flue gas through the combustion of biomass, but the heat exchange fluid can also be generated, for example, through the combustion of fossil fuels, such as coal or natural gas. This heat exchange fluid can then flow analogous to flue gas through the first heat exchange element.

Ferner kann das erste Wärmetauschelement eine Vielzahl von Rohren aufweisen, die sich entlang der ersten Strömungsrichtung erstrecken.Furthermore, the first heat exchange element can have a multiplicity of tubes which extend along the first flow direction.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann das Wärmetauschfluid, zum Beispiel Rauchgas, durch die Vielzahl von Rohren in das Gehäuse an einem Einlass eintreten und durch die Rohre, bevorzugt geradlinige Rohre, entlang der ersten Strömungsrichtung durch das Gehäuse strömen.According to such an embodiment, the heat exchange fluid, for example flue gas, may enter the housing at an inlet through the plurality of tubes and flow through the housing through the tubes, preferably straight tubes, along the first flow direction.

Mit anderen Worten, das Gehäuse weist eine Vielzahl von Rohren auf, durch welche das Wärmetauschfluid geströmt wird. Dadurch wird die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Wärmetransfermedium und damit an das Wasser in den zweiten Wärmetauschelementen erhöht und eine sichere Abschirmung des Wärmetauschfluids vom Salzbad sichergestellt. Dadurch wird eine Entzündbarkeit bei Leckagen oder dergleichen reduziert bzw. verhindert und somit die (langzeit-) Betriebssicherheit des Dampferzeugers erhöht.In other words, the housing has a plurality of tubes through which the heat exchange fluid flows. As a result, the surface area for heat transfer to the heat transfer medium and thus to the water in the second heat exchange elements is increased and reliable shielding of the heat exchange fluid from the salt bath is ensured. This reduces or prevents ignitability in the event of leaks or the like and thus increases the (long-term) operational reliability of the steam generator.

Ferner kann das zweite Wärmetauschelement in einer zweiten Strömungsrichtung von dem Wasser durchströmbar sein. Hierbei können die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.Furthermore, the water can flow through the second heat exchange element in a second flow direction. In this case, the first flow direction and the second flow direction can run essentially perpendicularly or essentially parallel to one another.

Das heißt, die zweite Strömungsrichtung entspricht einer Strömungsrichtung des Wassers durch das Gehäuse.That is, the second flow direction corresponds to a flow direction of the water through the housing.

Wie oben beschrieben, können sich die mehreren Rohre des ersten Wärmetauschelements vom Einlass des Gehäuses zum Auslassgehäuse des Gehäuses erstrecken. Somit kann sich, z.B., bei einer im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Anordnung der Wärmetauschelemente, das zweite Wärmetauschelement ebenfalls von einem Einlass zu einem Auslass des Gehäuses im Wesentlichen parallel zu der Vielzahl von Rohren des Wärmetauschelements erstrecken.As described above, the plurality of tubes of the first heat exchange element may extend from the inlet of the housing to the outlet housing of the housing. Thus, for example, with an arrangement of the heat exchange elements running essentially parallel to one another, the second heat exchange element also extends from an inlet to an outlet of the housing essentially parallel to the plurality of tubes of the heat exchange element.

Der Begriff "im Wesentlichen" ist hierbei also so zu verstehen, dass zum Beispiel Wendungen, Wicklungen oder dergleichen, welche verwendet werden, um eine maximale Rohrlänge des zweiten Wärmetauschelements in dem Gehäuse zu ermöglichen, nicht bei der Bewertung der Parallelität und/oder senkrechten Anordnung der ersten Strömungsrichtung und der zweiten Strömungsrichtung zueinander beachtet werden sollen.The term "substantially" is to be understood here in such a way that, for example, turns, windings or the like, which are used to enable a maximum tube length of the second heat exchange element in the housing, are not used when evaluating the parallelism and/or perpendicular arrangement the first direction of flow and the second direction of flow should be taken into account in relation to one another.

Das zweite Wärmetauschelement kann eine Vielzahl von Rohrwicklungen aufweisen, sodass sich das zweite Wärmetauschelement im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zur ersten Strömungsrichtung von dem Einlass des Gehäuses zu dem Auslass des Gehäuses erstreckt.The second heat exchange element can have a plurality of tube windings, such that the second heat exchange element extends essentially perpendicularly or essentially parallel to the first flow direction from the inlet of the housing to the outlet of the housing.

Das heißt, bei einer "boxartigen" Ausgestaltung, d.h. bei einer sich im Wesentlichen länglich erstreckenden Form eines Gehäuses, können die oben beschriebenen Rohre des ersten Wärmetauschelements sich entlang dieser Längsrichtung erstrecken und das zweite Wärmetauschelement kann ein Rohr aufweisen, welches eine Vielzahl von Rohrwicklungen aufweist. Somit kann eine große Oberfläche des zweiten Wärmetauschelements erzielt werden, und somit eine große Oberfläche zur Wärmeübertragung bereitgestellt werden.That is, in a "box-like" configuration, i.e. in a substantially elongated shape of a housing, the tubes of the first heat exchange element described above can extend along this longitudinal direction and the second heat exchange element can have a tube which has a plurality of tube windings . A large surface area of the second heat exchange element can thus be achieved, and thus a large surface area can be provided for heat transfer.

Diese Rohrleitung des zweiten Wärmetauschelements kann sich dabei im Wesentlichen parallel zur Erstreckung des Gehäuses, also beispielsweise größtenteils horizontal durch das beispielhaft beschriebene boxartige Gehäuse, oder im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckung des Gehäuses, also beispielsweise größtenteils vertikal durch das beispielhaft beschriebene boxartige Gehäuse erstrecken.This pipeline of the second heat exchange element can be essentially parallel to the extension of the housing, ie for example mostly horizontally through the box-like housing described as an example, or in the Substantially perpendicular to the extension of the housing, so for example mostly extend vertically through the box-like housing described as an example.

Das zweite Wärmetauschelement kann eine Vielzahl von U-förmigen Rohrwicklungen aufweisen.The second heat exchange element can have a plurality of U-shaped tube coils.

Somit kann bei einer parallelen Anordnung der ersten Strömungsrichtung zur zweiten Strömungsrichtung (und somit einer parallelen Anordnung der Vielzahl von Rohren des ersten Wärmetauschelements zu dem zweiten Wärmetauschelement) ein Verlauf des Rohres des zweiten Wärmetauschelements im Wesentlichen in einer parallelen Richtung zu den mehreren Rohren des ersten Wärmetauschelements realisiert werden. Dabei kann durch die U-förmigen Rohrwicklungen ein möglichst häufiges "Schlängeln" des Rohres vom Einlass zum Auslass und von diesem Auslass zurück zum Einlass und wieder zurück vom Einlass zum Auslass, etc. erzielt werden kann.Thus, with a parallel arrangement of the first flow direction to the second flow direction (and thus a parallel arrangement of the plurality of tubes of the first heat exchange element to the second heat exchange element), the tube of the second heat exchange element can run essentially in a parallel direction to the plurality of tubes of the first heat exchange element will be realized. As a result of the U-shaped pipe windings, the pipe can be “snaked” as frequently as possible from the inlet to the outlet and from this outlet back to the inlet and back again from the inlet to the outlet, etc.

Umgekehrt bedeutet dies, dass bei einer senkrechten Anordnung der ersten Strömungsrichtung zur zweiten Strömungsrichtung, das Rohr des zweiten Wärmetauschelements möglichst viele Wicklungen von dem Einlass zu dem Auslass des Gehäuses mit den U-förmigen Rohrwicklungen mit einer überwiegenden Erstreckung in vertikaler Richtung erzielt.Conversely, this means that with a perpendicular arrangement of the first flow direction to the second flow direction, the tube of the second heat exchange element achieves as many windings as possible from the inlet to the outlet of the housing with the U-shaped tube windings with a predominant extension in the vertical direction.

Im oben bereits mehrfach skizzierten Beispiel eines boxartigen Gehäuses mit einer sich im Wesentlichen länglich erstreckenden Form, bedeutet dies, dass die mehreren Rohre des ersten Wärmetauschelements sich entlang der longitudinalen Erstreckung des Gehäuses erstrecken und die Rohrwicklungen, insbesondere U-förmige Rohrwicklungen des Rohres des zweiten Wärmetauschelements, sich im Wesentlichen in einer senkrechten, das heißt in diesem Beispiel vertikalen Richtung zu der länglichen Erstreckung des Gehäuses, sich erstrecken.In the example of a box-like housing with a substantially elongated shape already outlined several times above, this means that the multiple tubes of the first heat exchange element extend along the longitudinal extent of the housing and the tube windings, in particular U-shaped tube windings, of the tube of the second heat exchange element , essentially in a perpendicular, i.e. vertical in this example, direction to the elongation of the housing.

Alternativ dazu, kann das zweite Wärmetauschelement eine Vielzahl von sich in Kreisen oder schneckenförmig ersteckenden Rohrwicklungen aufweisen.Alternatively, the second heat exchange element may comprise a plurality of tube coils extending in circles or in a helical configuration.

Das heißt, die Vielzahl von sich in Kreisen oder schneckenförmig ersteckenden Rohrwicklungen können in dem sich im Gehäuse befindlichen Salzbad liegen und aufgrund der Kreisform oder Schneckenform die Oberfläche des zweiten Wärmetauschelements, beispielsweise ein Rohr, durch welches Wasser strömt, maximieren und somit die Wärmeübertragung von dem ersten Wärmetauschelements auf das Salzbad bzw. direkt auf das zweite Wärmetauschelement ermöglichen.That is, the plurality of tube coils extending in circles or helices can lie in the salt bath located in the housing and due to the circular shape or helix shape maximize the surface area of the second heat exchange element, e.g. a tube through which water flows, and thus the heat transfer from the allow first heat exchange element on the salt bath or directly on the second heat exchange element.

Das zweite Wärmetauschelement kann eine Vielzahl von schraubenförmigen Rohrwicklungen aufweisen, sodass sich das zweite Wärmetauschelement im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zur ersten Strömungsrichtung von dem Einlass des Gehäuses zu dem Auslass des Gehäuses erstreckt. Hierbei sind die schraubenförmigen Rohrwicklungen zwischen den Rohren oder um diese herum schraubenförmig angeordnet.The second heat exchange element may include a plurality of helical coils of tubing such that the second heat exchange element extends substantially perpendicularly or substantially parallel to the first flow direction from the inlet of the housing to the outlet of the housing. Here, the helical tube windings are arranged helically between or around the tubes.

Das heißt, die sich von dem Einlass des Gehäuses zu dem Auslass des Gehäuses erstreckenden Rohre, durch welche das Wärmetauschfluid, beispielsweise Rauchgas, verläuft, können von den Rohrwicklungen direkt umwickelt sein oder können die Rohrwicklungen zwischen den Rohren aufweisen.That is, the tubes extending from the inlet of the housing to the outlet of the housing through which the heat exchange fluid, e.g. flue gas, passes may be directly wrapped by the tube coils or may have the tube coils between the tubes.

In jedem Fall, sind sowohl das erste Wärmetauschelement als auch das zweite Wärmetauschelement vollständig von dem Salzbad umgeben.In any case, both the first heat exchange element and the second heat exchange element are completely surrounded by the salt bath.

Das zweite Wärmetauschelement kann sich zwischen den Rohren im Gehäuse erstrecken.The second heat exchange element can be located between the tubes in the housing extend.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung können die Rohre des ersten Wärmetauschelements sich von dem Einlass des Gehäuses zu dem Auslass des Gehäuses erstrecken und beispielsweise in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in den Zwischenräumen davon darin angeordnete Rohrwicklungen des zweiten Wärmetauschelements aufweisen. Somit wird eine möglichst kompakte Anordnung bei gleichzeitig maximaler Wärmeaustauschoberfläche ermöglicht.According to such a configuration, the tubes of the first heat exchange element can extend from the inlet of the housing to the outlet of the housing and have tube windings of the second heat exchange element arranged therein, for example in the vertical and/or horizontal direction in the interstices thereof. This enables an arrangement that is as compact as possible with a maximum heat exchange surface at the same time.

Das zweite Wärmetauschelement kann so im Gehäuse angeordnet sein, dass es das erste Wärmetauschelement an mindestens einer Stelle, bevorzugt an mehreren Stellen im Gehäuse, kontaktiert.The second heat exchange element can be arranged in the housing in such a way that it contacts the first heat exchange element at at least one point, preferably at a plurality of points in the housing.

Eine solche Ausgestaltung ermöglicht, dass nicht nur die Wärmeübertragung von dem ersten Wärmetauschelement auf das Salzbad und von dem Salzbad auf das zweite Wärmetauschelement (also eine indirekte Wärmeübertragung mittels des Salzbad Wärmespeichermediums) ermöglicht wird, sondern es kann auch eine möglichst direkte Wärmeübertragung von dem erstem zu dem zweitem Wärmetauschelement ermöglicht werden. Dies steigert die Effizienz der Wärmeübertragung.Such a configuration enables not only the heat transfer from the first heat exchange element to the salt bath and from the salt bath to the second heat exchange element (i.e. an indirect heat transfer by means of the salt bath heat storage medium), but also the most direct possible heat transfer from the first to the second heat exchange element can be made possible. This increases the efficiency of heat transfer.

Bevorzugt kann eine Vielzahl von zweiten Wärmetauschelementen im Gehäuse angeordnet sein.A multiplicity of second heat exchange elements can preferably be arranged in the housing.

Wie eingangs beschrieben, dient das Salzbad als Wärmetransfermedium und kann Wärmeenergie zusätzlich speichern. Durch die Anwendung einer Vielzahl von zweiten Wärmetauschelementen kann somit mit dem gleichen Wärmetransfermedium und unabhängig von dessen Temperatur bzw. dem verbrannten Material mit der gleichen Anordnung eine Vielzahl von Dampfdrücken gleichzeitig im Dampferzeuger erzeugt werden.As described at the beginning, the salt bath serves as a heat transfer medium and can also store thermal energy. By using a large number of second heat exchange elements, a large number of steam pressures can thus be generated simultaneously in the steam generator with the same heat transfer medium and independently of its temperature or the combusted material with the same arrangement be generated.

Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da dadurch mit der gleichen kompakten Ausgestaltung eine Vielzahl von Dampfdrücken erzeugt werden kann - und zwar ohne, dass dabei die Struktur des Systems verändert werden muss.Such a configuration is particularly advantageous since it allows a large number of vapor pressures to be generated with the same compact configuration—and without the structure of the system having to be changed in the process.

Darüber hinaus ist aufgrund der Energiespeicherfähigkeit des Wärmetransfermediums, das heißt des Salzbades, eine äußerst schnelle Anpassung der Dampferzeugung möglich. Das heißt, rein durch die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit im zweiten Wärmetauschelement kann beispielsweise binnen weniger Minuten von Niederdruck (zum Beispiel sieben bar) auf Hochdruck (500 bis 800 bar) mit derselben, betriebssicheren und effizienten Vorrichtung geschaltet werden.In addition, due to the energy storage capacity of the heat transfer medium, i.e. the salt bath, an extremely rapid adjustment of the steam generation is possible. This means that simply by controlling the flow rate in the second heat exchange element, it is possible to switch from low pressure (e.g. seven bar) to high pressure (500 to 800 bar) within a few minutes with the same reliable and efficient device.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Dampferzeuger ferner mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpe aufweisen, welche ausgestaltet ist, das Salzbad zu zirkulieren.According to a further aspect, the steam generator can also have at least one pump which is arranged in the housing and is designed to circulate the salt bath.

Aufgrund dieser Pumpe kann somit eine Zirkulation erzeugt werden, welche die erzwungene Konvektion erhöht, da somit das Salzbad an den Rohren des ersten Wärmetauschelements sowie dem Rohr bzw. den Rohrwicklungen des zweiten Wärmetauschelements vorbei gefördert wird und somit das wärmespeichernde Wärmetransfermedium in Form eines Salzbades die Wärmeübertragung drastisch steigert.Because of this pump, a circulation can be generated which increases the forced convection, since the salt bath is conveyed past the tubes of the first heat exchange element and the tube or the tube windings of the second heat exchange element and thus the heat-storing heat transfer medium in the form of a salt bath facilitates the heat transfer drastically increased.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Dampferzeuger entlang der ersten Strömungsrichtung in mehrere Segmente unterteilt sein. Hierbei sind die Segmente so miteinander verbunden, dass das Wärmetauschfluid entlang der ersten Strömungsrichtung durch die Segmente vom Einlass des Gehäuses zum Auslass des Gehäuses strömen kann. In jedem Segment des Gehäuses kann mindestens ein zweites Wärmetauschelement vorgesehen sein und die zweiten Wärmetauschelemente in den Segmenten des Gehäuses sind fluiddicht miteinander verbunden.According to a further aspect, the steam generator can be divided into several segments along the first flow direction. In this case, the segments are connected to one another in such a way that the heat exchange fluid can flow through the segments from the inlet of the housing to the outlet of the housing along the first flow direction. In each segment of the housing can be at least a second heat exchange element can be provided and the second heat exchange elements in the segments of the housing are connected to one another in a fluid-tight manner.

Mit anderen Worten, diese Ausgestaltung ist so zu verstehen, dass jedes Segment entlang der ersten Strömungsrichtung beispielsweise durch eine Vielzahl von Rohren mit dem Wärmetransfermedium durchströmbar ist und in jedem dieser Segmente eine Wärmeübertragung auf ein zweites Wärmetauschelements zur Dampferzeugung mittels des Salzbads realisiert wird.In other words, this configuration is to be understood in such a way that the heat transfer medium can flow through each segment along the first flow direction, for example through a large number of tubes, and in each of these segments heat is transferred to a second heat exchange element for generating steam by means of the salt bath.

Hierbei muss die Anzahl der Rohre des ersten Wärmetauschelements in einem ersten Segment nicht der Anzahl der Rohre in einem weiteren Segment entsprechen. Diese Ausgestaltung ist vielmehr so zu verstehen, dass eine Wärmetauschfluidströmung durch alle Segmente entlang der ersten Strömungsrichtung realisiert werden kann, jedoch beispielsweise in einem besonders heißen Bereich/Segment mehr Rohre vorgesehen sein können als in einem Bereich mit einer niedrigeren Temperatur. Es reicht also aus, dass das eintretende Wärmetauschfluid das Gehäuse mit den mehreren Segmenten durchströmen kann.In this case, the number of tubes of the first heat exchange element in a first segment does not have to correspond to the number of tubes in a further segment. Rather, this configuration is to be understood such that a heat exchange fluid flow can be realized through all segments along the first flow direction, but more tubes can be provided in a particularly hot area/segment than in an area with a lower temperature. It is therefore sufficient that the incoming heat exchange fluid can flow through the housing with the multiple segments.

Zudem ist es denkbar, dass die in jedem Segment vorgesehenen Wärmetauschelemente verschiedene Ausgestaltungen aufweisen. Beispielsweise kann ein zweites Wärmetauschelements in einem ersten Segment des Gehäuses U-förmige Rohrwicklungen aufweisen, wohingegen ein zweites Wärmetauschelement in einem weiteren Segment des Gehäuses schneckenförmig ausgestaltet sein kann. Hierbei gibt es keine Limitierungen hinsichtlich der Variation der Rohrwicklungen, solange sich mindestens ein Gesamtrohr ergibt, durch welches das Wasser zur Dampferzeugung innerhalb des Gehäuses strömen kann.In addition, it is conceivable that the heat exchange elements provided in each segment have different configurations. For example, a second heat exchange element in a first segment of the housing can have U-shaped tube windings, whereas a second heat exchange element can be configured in a helical shape in a further segment of the housing. There are no limitations with regard to the variation of the tube windings, as long as there is at least one overall tube through which the water for steam generation can flow within the housing.

Ferner ist zu verstehen, dass in jedem dieser Segmente eine wie oben beschriebene Pumpe vorgesehen sein kann.It is further understood that a pump as described above may be provided in each of these segments.

Auch eine Vielzahl von zweiten Wärmetauschelementen kann in einem oder mehreren Segmenten des Gehäuses vorgesehen sein. Das heißt, es sind auch Ausgestaltungen möglich, in denen ein erstes zweites Wärmetauschelement mehrere Segmente des Gehäuses zum Wärmeaustausch durchströmt, während ein zweites zweites Wärmetauschelement nur ein einzelnes Segment des Gehäuses durchströmt, um somit ebenfalls Dampf in einem zweiten Rohr zu erzeugen.A large number of second heat exchange elements can also be provided in one or more segments of the housing. This means that configurations are also possible in which a first, second heat exchange element flows through several segments of the housing for heat exchange, while a second, second heat exchange element flows through only a single segment of the housing in order to also generate steam in a second tube.

Ferner kann der Dampferzeuger so ausgestaltet sein, dass das Wasser zuerst durch das in der ersten Strömungsrichtung letzte Segment strömbar ist und dann durch das in der ersten Strömung erste Segment strömbar ist.Furthermore, the steam generator can be designed in such a way that the water can first flow through the last segment in the first flow direction and then through the first segment in the first flow.

Somit kann beispielsweise ein reiner Gegenstrom erzeugt werden, das heißt, dass das Wärmetauschfluid von einem Einlass des Gehäuses zu einem Auslass des Gehäuses strömt, wohingegen das Wasser zur Dampferzeugung "von hinten nach vorne", also von einem Auslass zu einem Einlass des Gehäuses, strömt.Thus, for example, a pure countercurrent can be generated, i.e. the heat exchange fluid flows from an inlet of the housing to an outlet of the housing, whereas the water for generating steam flows "from the back to the front", i.e. from an outlet to an inlet of the housing .

Darüber hinaus kann somit das Wasser an der kältesten Stelle, also im letzten Segment des Gehäuses eintreten, vorgewärmt werden, um dann zur Überhitzung in einen vorderen Teil des Gehäuses des Dampferzeugers geströmt zu werden.In addition, the water can thus be preheated at the coldest point, that is to say when it enters the last segment of the housing, in order then to be flown into a front part of the housing of the steam generator for overheating.

Die Segmente können so miteinander verbunden sein, dass eine Strömung von im Wärmetauschfluid enthaltenen oxidierbaren Material von einem Segment in ein weiteres Segment entlang der ersten Strömung verhindert werden kann.The segments can be connected to one another in such a way that a flow of oxidizable material contained in the heat exchange fluid from one segment into another segment along the first flow can be prevented.

Unter dem Begriff "oxidierbares Material" können zum Beispiel Reste der Biomasseverbrennung, die beispielsweise im Rauchgas transportiert werden, verstanden werden. Hierbei können beispielsweise Gitter oder dergleichen vorgesehen sein, so dass das oxidierbare Material nicht von Segment zu Segment strömen kann.The term "oxidizable material" can be understood, for example, as residues from biomass combustion, which are transported, for example, in the flue gas. In this case, for example, grids or the like can be provided so that the oxidizable material cannot flow from segment to segment.

Bevorzugt kann auch eine solche Ausgestaltung vor dem ersten Segment in einer ersten Strömungsrichtung vorgesehen sein, sodass ein Eintreten des im Wärmetauschfluid enthaltenen oxidierbaren Material in das Gehäuse verhindert werden kann.Such a configuration can preferably also be provided in front of the first segment in a first flow direction, so that the oxidizable material contained in the heat exchange fluid can be prevented from entering the housing.

Solche Anordnungen sind vorteilhaft für die Betriebssicherheit, denn so kann eine Leckage und ein damit verbundener Kontakt von entzündlichem oxidierbarem Material mit dem Salzbad verhindert werden.Such arrangements are advantageous for operational safety, since a leak and the associated contact of flammable, oxidizable material with the salt bath can be prevented.

Ferner kann das Salzbad ein Nitratsalz aufweisen.Furthermore, the salt bath can contain a nitrate salt.

Dies ist nicht nur besonders kostengünstig, sondern auch zur Energiespeicherung bei hohen Temperaturen des Wärmetransfermediums, zum Beispiel bei Rauchgas mit bis zu 900 °C, ohne chemische Zersetzung verwendbar. Somit wird eine möglichst betriebssichere und effiziente Ausgestaltung des Dampferzeugers realisiert.This is not only particularly cost-effective, but can also be used to store energy at high temperatures of the heat transfer medium, for example in the case of flue gas at up to 900° C., without chemical decomposition. A configuration of the steam generator which is as operationally reliable and efficient as possible is thus implemented.

In den Segmenten können mindestens zwei verschiedene Salzbäder vorgesehen sein, welche in den Segmenten getrennt voneinander gespeichert sind.At least two different salt baths can be provided in the segments, which are stored separately from one another in the segments.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann eine möglichst effiziente und an die in den jeweiligen Segmenten vorherrschenden Temperaturen angepasste Verwendung eines Salzbades ermöglicht werden.According to such an embodiment, a salt bath can be used that is as efficient as possible and adapted to the temperatures prevailing in the respective segments.

Beispielsweise kann in einem ersten Salzbad in einem ersten Segment entlang der ersten Strömungsrichtung ein Salzbad verwendet werden, welches bei einer Salztemperatur von 350°C bis 550°C betrieben wird, wohingegen ein zweites Salzbad in einem weiteren Segment entlang der ersten Strömungsrichtung bei einer konkreten Salzbadtemperatur von 150°C bis 400°C verwendet werden kann ohne dabei kristallin zu werden oder sich thermisch zu zersetzen.For example, in a first salt bath in a first segment along the first direction of flow, a salt bath can be used which is operated at a salt temperature of 350°C to 550°C, whereas a second salt bath in a further segment along the first direction of flow at a specific salt bath temperature from 150°C to 400°C without becoming crystalline or thermally decomposing.

Das Salzbad kann Kalium-Natrium-Nitrat aufweisen.The salt bath may contain potassium sodium nitrate.

Das Salzbad im in der ersten Strömungsrichtung letzten Segment kann Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat aufweisen und das Salzbad in mindestens einem weiteren Segment kann Kalium-Natrium-Nitrat aufweisen.The salt bath in the last segment in the first flow direction can have potassium sodium calcium nitrate and the salt bath in at least one further segment can have potassium sodium nitrate.

Während das im letzten Segment vorgesehene Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat bei bereits niedrigeren Temperaturen verflüssigt und somit effizient Wärme speichern und übertragen kann, ist das in dem mindestens einem weiteren Segment vorgesehene Kalium-Natrium-Nitrat besonders temperaturstabil und somit zur effizienten Wärmeübertragung und Wärmespeicherung bei der Überhitzung geeignet.While the potassium-sodium-calcium nitrate provided in the last segment liquefies at lower temperatures and can therefore efficiently store and transfer heat, the potassium-sodium nitrate provided in the at least one other segment is particularly temperature-stable and thus for efficient heat transfer and heat storage suitable for overheating.

Das heißt, auch wenn hinten zwischen 180°C und 200°C Dampftemperatur vorliegen, ist das im letzten Segment vorgesehene Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat noch flüssig, wohingegen das Kalium-Natrium-Nitrat im mindestens einem weiteren Segment schon fest wäre. Somit ist bei einer Anordnung, in der das Wasser zuerst in das letzte Segment strömt, dort auch eine effiziente Wärmeübertragung und Speicherung der Wärme im Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat möglich.This means that even if the steam temperature is between 180°C and 200°C at the back, the potassium-sodium-calcium nitrate provided in the last segment is still liquid, whereas the potassium-sodium nitrate in at least one further segment would already be solid. Thus, with an arrangement in which the water flows first into the last segment, efficient heat transfer and storage of the heat in the potassium-sodium-calcium nitrate is also possible there.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann also das Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat im letzten Segment bei einer konkreten Salzbadtemperatur von 150°C bis 400°C betrieben werden, wohingegen das Kalium-Natrium-Nitrat in mindestens einem weiteren Segment bei einer korrekten Salzbadtemperatur von 350°C bis 550°C betrieben werden kann.According to such an embodiment, the potassium-sodium-calcium nitrate in the last segment can be operated at a specific salt bath temperature of 150 °C to 400 °C, whereas the potassium-sodium nitrate in at least one further segment at a correct salt bath temperature of 350 °C to 550°C can be operated.

Gemäß den oben beschriebenen Ausgestaltungen kann eine besonders effiziente und günstige, sowie flexible Dampferzeugung realisiert werden, denn das Salzbad gewährt einen hohen Wärmeübergang bei verschiedensten Temperaturen und weist zudem eine "hohe Verzeihlichkeit" hinsichtlich Temperaturschwankungen und schwankenden Energiegehalten auf. Das heißt, das Salzbad ermöglicht eine hohe Wärmehomogenität und kann somit den oben beschriebenen Problemen der unterschiedlichen Dampftemperatur und dem variablen Energiegehalt der, zum Beispiel verwendeten Biomasse, entgegenwirken.According to the configurations described above, a particularly efficient and cheap, as well as flexible steam generation can be realized, because the salt bath allows a high heat transfer at different temperatures and also has a "high forgiving" with regard to temperature fluctuations and fluctuating energy contents. This means that the salt bath enables high heat homogeneity and can thus counteract the problems described above of the different steam temperatures and the variable energy content of the biomass used, for example.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Nachfolgend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Dampferzeuger gemäß einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben. Solche Dampferzeuger werden beispielsweise zur Dampferzeugung für die Energiegewinnung zum Beispiel in einer Dampfmaschine oder einem Dampfmotor verwendet. Es zeigen:

  • Figur 1: eine perspektivische Darstellung eines Dampferzeugers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Figur 2: eine schematische Querschnittsdarstellung des Wärmetauschers aus Figur 1.
A steam generator according to an exemplary embodiment is described below with reference to schematic drawings. Such steam generators are used, for example, to generate steam for generating energy, for example in a steam engine or a steam engine. Show it:
  • figure 1 1: a perspective representation of a steam generator according to an exemplary embodiment.
  • figure 2 : a schematic cross-sectional view of the heat exchanger figure 1 .

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

Der in Figur 1 gezeigte Dampferzeuger 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein erstes Wärmetauschelement 3 und ein zweites Wärmetauschelement 4 angeordnet sind.the inside figure 1 Steam generator 1 shown comprises a housing 2 in which a first heat exchange element 3 and a second heat exchange element 4 are arranged.

Das erste Wärmetauschelement 3 ist von einem Wärmetauschfluid durchströmbar. In der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform wird Rauchgas als Beispiel eines solchen Wärmetauschfluids verwendet, welches durch eine Biomasseverbrennung erzeugt worden ist. Ein weiteres Beispiel für ein solches Wärmetauschfluid wäre die Abwärme einer Biogasanlage.A heat exchange fluid can flow through the first heat exchange element 3 . In the following description of an embodiment, flue gas produced by biomass combustion is used as an example of such a heat exchange fluid. Another example of such a heat exchange fluid would be the waste heat from a biogas plant.

Das Rauchgas wird über einen Trichter 13 zum Dampferzeuger 1 geführt. Insbesondere weist das Gehäuse 2 des Dampferzeugers 1 einen Einlass 6, an dem der Trichter 13 angeschlossen ist, so wie einen Auslass 7 auf. Dementsprechend kann das Rauchgas das Gehäuse 2 von dem Einlass 6 zu dem Auslass 7 durchströmen. Diese Strömungsrichtung wird in der beschriebenen Ausführungsform als "erste Strömungsrichtung 5" bezeichnet. Das heißt, das Rauchgas durchströmt das Gehäuse 2 entlang der ersten Strömungsrichtung 5 vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2.The flue gas is fed to the steam generator 1 via a funnel 13 . In particular, the housing 2 of the steam generator 1 has an inlet 6 to which the funnel 13 is connected, and an outlet 7 . Accordingly, the flue gas can flow through the housing 2 from the inlet 6 to the outlet 7 . In the embodiment described, this direction of flow is referred to as “first direction of flow 5”. That is, the flue gas flows through the housing 2 along the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2.

In der gezeigten Ausführungsform weist das erste Wärmetauschelement 3 eine Vielzahl von Rohren 8 auf, welche sich entlang der Erstreckungsrichtung des Gehäuses 2, das heißt vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2, erstrecken.In the embodiment shown, the first heat exchange element 3 has a multiplicity of tubes 8 which extend along the direction in which the housing 2 extends, ie from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 .

In der gezeigten Ausführungsform des Dampferzeugers 1 ist das Gehäuse 2 "boxartig" ausgestaltet, das heißt, es erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Tiefenrichtung des Gehäuses 2 und weist einen rechtwinkligen Querschnitt auf. Die Breite und/oder Höhe sowie die Tiefe des Gehäuses 2 sind jedoch für die Dampferzeugung nicht limitierend und können nach Platzbedarf und/oder Wunschausgestaltungen konfiguriert werden. In der gezeigten Ausführungsform entspricht die erste Strömungsrichtung 5 der Längserstreckung des Gehäuses 2.In the embodiment of the steam generator 1 shown, the housing 2 has a “box-like” design, that is to say it extends essentially along a depth direction of the housing 2 and has a rectangular cross section. However, the width and/or height and the depth of the housing 2 are not limiting for steam generation and can be configured according to space requirements and/or desired configurations. In the embodiment shown, the first flow direction 5 corresponds to the longitudinal extent of the housing 2.

Das zweite Wärmetauschelement 4 wird in dieser Ausführungsform zur Dampferzeugung von Wasser durchströmt. Mit anderen Worten, das Wasser im zweiten Wärmetauschelement 4 wird durch die vom ersten Wärmetauschelement 3 bzw. dem darin strömenden Rauchgas erwärmt und somit von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand gebracht wird. Dieser Dampf kann anschließend beispielsweise zur Stromerzeugung verwendet werden. Hierbei kann der Strom in einem Dampfmotor und/oder einer Dampfturbine verwendet werden, welche mit dem erzeugten Dampf gespeist werden. In der gezeigten Ausführungsform ist das zweite Wärmetauschelement 4 als ein einziges Rohr 8 ausgestaltet, welches sich mit Wicklungen durch das Gehäuse 2 des Dampferzeugers 1 erstreckt.In this embodiment, water flows through the second heat exchange element 4 to generate steam. In other words, the water in the second heat exchange element 4 is heated by the flue gas flowing from the first heat exchange element 3 or the flue gas flowing therein and is thus brought from a liquid state to a vapor state. This steam can then be used to generate electricity, for example. Here, the current can be used in a steam engine and/or a steam turbine, which are fed with the generated steam. In the embodiment shown, the second heat exchange element 4 is designed as a single tube 8 which extends through the housing 2 of the steam generator 1 with windings.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass aus Illustrationszwecken der Deckel des Gehäuses 2 (an einer Oberseite davon) in Figur 1 nicht dargestellt worden ist, sodass das Innenleben des Gehäuses 2 in der isometrischen Ansicht von Figur 1 erkennbar ist.At this point it should be noted that, for purposes of illustration, the cover of the housing 2 (at an upper side thereof) in figure 1 has not been shown, so that the inner workings of the housing 2 in the isometric view of figure 1 is recognizable.

In dieser Ausführungsform wird die Strömungsrichtung des Wassers im zweiten Wärmetauschelement 4 als "zweite Strömungsrichtung 9" bezeichnet.In this embodiment, the flow direction of the water in the second heat exchange element 4 is referred to as "second flow direction 9".

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist das zweite Wärmetauschelement 4 in Form eines Rohrs 8 eine Vielzahl von Rohrwicklungen 10 auf. Diese Rohrwicklungen 10 sind, wie in Figur 2 erkennbar, so im Gehäuse 2 angeordnet, dass sich das zweite Wärmetauschelement 4 im Wesentlichen senkrecht zur ersten Strömungsrichtung 5 von dem Einlass 6 des Gehäuses 2 zu dem Auslass 7 des Gehäuses 2 erstreckt und mit U-förmigen Rohrwicklungsabschnitten eine möglichst große Rohrlänge und damit Rohroberfläche entlang seiner Erstreckung vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2 erzielt.As can be seen from the figures, the second heat exchange element 4 in the form of a tube 8 has a multiplicity of tube windings 10 . These tube windings 10 are, as in figure 2 recognizable, arranged in the housing 2 in such a way that the second heat exchange element 4 extends essentially perpendicularly to the first flow direction 5 from the inlet 6 of the housing 2 to the outlet 7 of the housing 2 and with U-shaped tube winding sections along the largest possible tube length and thus tube surface its extension from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 is achieved.

Das heißt, während sich die Rohre 8 des ersten Wärmetauschelements 3 vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2 geradlinig erstrecken, weist das Rohr 8 des zweiten Wärmetauschelements 4 eine Vielzahl von in der gezeigten Ausführungsform vertikal verlaufenden Rohrabschnitten auf, sodass die mit U-förmigen Rohrwicklungsabschnitten verbundenen Rohrwicklungen 10 sich im Wesentlichen senkrecht zur ersten Strömungsrichtung 5 von dem Einlass 6 zu dem Auslass 7 des Gehäuses 2 erstrecken.That is, while the tubes 8 of the first heat exchange element 3 extend in a straight line from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2, the tube 8 of the second heat exchange element 4 has a large number of tube sections running vertically in the embodiment shown, so that the U-shaped Tube coil sections connected tube coils 10 extend substantially perpendicular to the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2.

Gemäß einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform ist es jedoch ebenso möglich, dass die erste Strömungsrichtung 5 und die zweite Strömungsrichtung 9 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.According to a further embodiment that is not shown, however, it is also possible for the first direction of flow 5 and the second direction of flow 9 to run essentially parallel to one another.

Darüber hinaus ist die Form der U-förmigen Rohrwicklungen 10 (vgl. Figur 2) nicht darauf beschränkt.In addition, the shape of the U-shaped tube windings 10 (cf. figure 2 ) not limited to this.

Ebenso kann das zweite Wärmetauschelement 4 in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Vielzahl von sich in Kreisen oder schneckenförmig ersteckenden Rohrwicklungen 10 aufweisen.Likewise, in an embodiment that is not shown, the second heat exchange element 4 can have a multiplicity of tube windings 10 extending in circles or in the shape of a snail.

Ebenso ist es in einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform möglich, dass das zweite Wärmetauschelement 4 eine Vielzahl von schraubenförmigen Rohrwicklungen 10 aufweist, welche sich im Wesentlichen senkrecht oder parallel zur ersten Strömungsrichtung 5 vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2 erstrecken und sich zwischen den Rohren 8 oder um diese herum schraubenförmig erstrecken.It is the same in another, not shown Embodiment possible that the second heat exchange element 4 has a plurality of helical tube windings 10, which extend substantially perpendicularly or parallel to the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 and between the tubes 8 or around them helically.

Figur 1 veranschaulicht zudem, dass sich das zweite Wärmetauschelement 4 mit den U-förmigen Rohrwicklungen 10 zwischen den Rohren 8 im Gehäuse 2 erstreckt. figure 1 also illustrates that the second heat exchange element 4 with the U-shaped tube windings 10 extends between the tubes 8 in the housing 2 .

In der in den Figuren veranschaulichten Ausführungsform verläuft die erste Strömungsrichtung 5 im Wesentlichen entlang einer horizontalen Richtung, wohingegen die zweite Strömungsrichtung 9 im Wesentlichen vertikal verläuft. Ebenso ist es jedoch ermöglicht, den Dampferzeuger 1 "hochkant" anzuordnen, sodass eine erste Strömungsrichtung 5 in einer vertikalen Richtung und die zweite Strömungsrichtung 9 im Wesentlichen in einer horizontalen Richtung verläuft. Sollte der Platzbedarf dies erfordern, ist ebenso eine geneigte Anordnung des Gehäuses 2 denkbar.In the embodiment illustrated in the figures, the first flow direction 5 runs essentially along a horizontal direction, whereas the second flow direction 9 runs essentially vertically. However, it is also possible to arrange the steam generator 1 "upright", so that a first flow direction 5 runs in a vertical direction and the second flow direction 9 runs essentially in a horizontal direction. If the space requirement requires this, an inclined arrangement of the housing 2 is also conceivable.

In der in Figur 1 und in Figur 2 veranschaulichten Ausführungsform erstreckt sich das zweite Wärmetauschelement 4 entlang mehrerer Ebenen in einer Breitenrichtung, denn die Rohrwicklungen 10 des zweiten Wärmetauschelements 4 erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zur ersten Strömungsrichtung 5. Losgelöst davon ist es jedoch ebenso möglich, dass die Rohrwicklungen 10 des zweiten Wärmetauschelements 4 sich entlang einer vertikalen Richtung in verschiedenen Ebenen in einer Höhenrichtung des Gehäuses 2 zwischen den Rohren 8 des ersten Wärmetauschelements 3 oder einer Mischung daraus innerhalb des Gehäuses 2 zwischen den Rohren 8 des ersten Wärmetauschelements 3 erstrecken.in the in figure 1 and in figure 2 In the illustrated embodiment, the second heat exchange element 4 extends along several levels in a width direction, because the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 extend essentially perpendicularly to the first flow direction 5. Detached from this, however, it is also possible for the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 to along a vertical direction in different planes in a height direction of the casing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3 or a mixture thereof inside the casing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3 .

Hierbei ist das zweite Wärmetauschelement 4 so im Gehäuse 2 angeordnet, dass es das erste Wärmetauschelement 3 im Gehäuse 2 kontaktiert.In this case, the second heat exchange element 4 is arranged in the housing 2 in such a way that it contacts the first heat exchange element 3 in the housing 2 .

Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform ist zudem entlang der ersten Strömungsrichtung 5 in mehrere Segmente 11, 12, hier beispielhaft zwei Segmente 11, 12 unterteilt. Eine Verwendung von mehr als zwei Segmenten 11, 12 ist jedoch ebenfalls ohne Probleme denkbar.The embodiment shown in the figures is also divided along the first flow direction 5 into a plurality of segments 11, 12, two segments 11, 12 here by way of example. However, using more than two segments 11, 12 is also conceivable without problems.

Hierbei sind die Segmente 11, 12 so miteinander verbunden, dass das Rauchgas entlang der ersten Strömungsrichtung 5 durch die Segmente 11, 12 vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2 strömen kann und in jedem Segment 11, 12 des Gehäuses 2 mindestens ein zweites Wärmetauschelement 4 vorgesehen ist. Wie in Figur ersichtlich ist, ist dabei ein Verbindungsrohr 14 zwischen den beiden zweiten Wärmetauschelementen 4 in den Segmenten 11, 12 des Gehäuses 2 vorgesehen, sodass die zweiten Wärmetauschelemente 4 fluiddicht miteinander verbunden sind und dass Wasser zur Dampferzeugung das komplette Gehäuse 2 durchlaufen kann.The segments 11, 12 are connected to one another in such a way that the flue gas can flow along the first flow direction 5 through the segments 11, 12 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 and in each segment 11, 12 of the housing 2 at least one second heat exchange element 4 is provided. As can be seen in FIG. 1, a connecting pipe 14 is provided between the two second heat exchange elements 4 in the segments 11, 12 of the housing 2, so that the second heat exchange elements 4 are connected to one another in a fluid-tight manner and water can flow through the entire housing 2 to generate steam.

Es ist zudem möglich, dass nicht nur in jedem Segment 11, 12 des Gehäuses 2 ein einziges zweites Wärmetauschelement 4 vorgesehen ist und/oder dass überhaupt mehrere Segmente 11, 12 vorgesehen sein müssen. In einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, dass der Dampferzeuger 1 nur ein einzelnes Segment mit einem ersten Wärmetauschelement 3 und einem zweiten Wärmetauschelement 4 aufweist.It is also possible that not only a single second heat exchange element 4 is provided in each segment 11, 12 of the housing 2 and/or that a plurality of segments 11, 12 have to be provided at all. In a further embodiment that is not shown, it is also possible for the steam generator 1 to have only a single segment with a first heat exchange element 3 and a second heat exchange element 4 .

Wie beschrieben, ist es zudem möglich, eine Vielzahl von zweiten Wärmetauschelementen 4 in mindestens einem Segment 11, 12 anzuordnen. Somit können, geregelt über die Fluidströmungsgeschwindigkeit des Wassers zur Dampferzeugung, mit nur einem Rauchgasstrom als Wärmetransfermedium, verschiedene Dampfdrücke erzeugt werden.As described, it is also possible to use a large number of second heat exchange elements 4 in at least one segment 11, 12 to arrange. Different steam pressures can thus be generated, controlled by the fluid flow rate of the water for steam generation, with only one flue gas flow as the heat transfer medium.

Unabhängig von der Anzahl von zweiten Wärmetauschelementen 4 im Gehäuse 2 bzw. in den Segmenten 11, 12 des Gehäuses 2, kann das Wasser, wie in Figur 1 und Figur 2 dargestellt, zuerst durch das in der ersten Strömungsrichtung 5 letzte Segment 11 geströmt werden und dann durch das in der ersten Strömungsrichtung 5 erste Segment 12 geströmt werden. Somit kann zunächst eine Vorwärmung des Wassers und eine anschließende Überhitzung dessen erzielt werden. Das heißt, das Wasser tritt an einer Auslassseite des Gehäuses 2 in den Dampferzeuger 1 ein, strömt entgegen der ersten Strömungsrichtung 5 des Rauchgases das letzte Segment 11 in der ersten Strömungsrichtung 5 und wird anschließend über das Verbindungsrohr 14 zu einer Einlassseite des ersten Segments 12 in einer Strömungsrichtung des Gehäuses 2 geströmt (s. Figur 2).Regardless of the number of second heat exchange elements 4 in the housing 2 or in the segments 11, 12 of the housing 2, the water, as in figure 1 and figure 2 shown, first flowed through the last segment 11 in the first flow direction 5 and then flowed through the first segment 12 in the first flow direction 5 . In this way, the water can first be preheated and then overheated. This means that the water enters the steam generator 1 on an outlet side of the housing 2, flows against the first flow direction 5 of the flue gas in the last segment 11 in the first flow direction 5 and is then conveyed via the connecting pipe 14 to an inlet side of the first segment 12 in flows in a flow direction of the housing 2 (see figure 2 ).

In dem Gehäuse 2 ist ein Wärmetransfermedium angeordnet, um zur Dampferzeugung Wärme von dem durch das erste Wärmetauschelement 3 strömende Wärmetauschfluid (hier Rauchgas) auf das durch das zweite Wärmetauschelement 4 strömende Wasser zu übertragen. Hierbei ist das Wärmetransfermedium ein Salzbad, welches das erste Wärmetauschelement 3 und das zweite Wärmetauschelement 4 bedeckt.A heat transfer medium is arranged in the housing 2 in order to transfer heat from the heat exchange fluid (here flue gas) flowing through the first heat exchange element 3 to the water flowing through the second heat exchange element 4 in order to generate steam. Here, the heat transfer medium is a salt bath covering the first heat exchange element 3 and the second heat exchange element 4 .

Hierbei kann in dem Gehäuse 2 mindestens eine Pumpe angeordnet sein, welche ausgestaltet ist, dieses Salzbad zu zirkulieren, um somit eine erzwungene Konvektion zu steigern.In this case, at least one pump can be arranged in the housing 2, which is designed to circulate this salt bath in order to thus increase forced convection.

In der mit Segmenten 11, 12 ausgebildeten und in den Figuren dargestellten Ausführungsform sind die Segmente 11, 12 so miteinander verbunden, dass eine Strömung von im Wärmetauschfluid enthaltenen oxidierbaren Material, welches bei Kontakt mit dem Salzbad, zum Beispiel bei einer Leckage, von einem Segment 12 in ein weiteres Segment 11 entlang der ersten Strömungsrichtung 5 verhindert werden kann. Dies kann beispielhaft über eine nicht dargestellte Gitteranordnung erfolgen, welche den Eintritt von entflammbarem Material in eines der Segmente 11, 12 verhindert.In the embodiment formed with segments 11, 12 and shown in the figures, the segments 11, 12 are connected to one another in such a way that a flow of oxidizable material contained in the heat exchange fluid, which upon contact with the salt bath, for example in the event of a leak, from one segment 12 can be prevented in a further segment 11 along the first flow direction 5. This can be done, for example, via a lattice arrangement, not shown, which prevents the entry of flammable material into one of the segments 11, 12.

Wie in Figur 1 und Figur 2 dargestellt, kann dieses Salzbad über Einlassstutzen 15 in das Gehäuse 2 gefüllt werden. Somit füllt das Salzbad die Zwischenräume zwischen dem ersten Wärmetauschelement 3 und dem zweiten Wärmetauschelement 4 im Gehäuse 2 und kann dieses vollständig ausfüllen. Entsprechend kann dieses Salzbad als Wärmetransfermedium und Energiespeicher dienen, um so die Homogenität der Energieübertragung zu steigern.As in figure 1 and figure 2 shown, this salt bath can be filled into the housing 2 via the inlet connection 15 . Thus, the salt bath fills the gaps between the first heat exchange element 3 and the second heat exchange element 4 in the housing 2 and can fill it completely. Accordingly, this salt bath can serve as a heat transfer medium and energy store in order to increase the homogeneity of the energy transfer.

Das Salzbad kann ein Nitratsalz, insbesondere ein Kalium-Natrium-Nitrat aufweisen.The salt bath can contain a nitrate salt, in particular a potassium sodium nitrate.

In der illustrierten Ausführungsform können mindestens zwei verschiedene Salzbäder in den jeweiligen Segmenten 11, 12 getrennt voneinander vorgesehen sein. Somit kann angepasst an die jeweils vorliegenden Temperaturen in den entsprechenden Segmenten 11, 12 des Gehäuses 2 ein passendes Nitratsalz verwendet werden. Besonders bevorzugt ist eine Anwendung von Kalium-Natrium-Calcium-Nitratsalz im in der ersten Strömungsrichtung 5 letzten Segment 11 und Kalium-Natrium-Nitrat in mindestens einem weiteren Segment 12.In the illustrated embodiment, at least two different salt baths can be provided in the respective segments 11, 12 separately from each other. A suitable nitrate salt can thus be used, adapted to the prevailing temperatures in the corresponding segments 11, 12 of the housing 2. The use of potassium-sodium-calcium nitrate salt in the last segment 11 in the first flow direction 5 and potassium-sodium nitrate in at least one further segment 12 is particularly preferred.

Somit tritt das Rauchgas als Wärmetauschfluid über den Trichter 13 in das Gehäuse 2 ein und strömt durch die Rohre 8 des ersten Wärmetauschelements 3 entlang der ersten Strömungsrichtung 5 zum Auslass 7 des Gehäuses 2.Thus, the flue gas occurs as a heat exchange fluid over the Funnel 13 enters the housing 2 and flows through the tubes 8 of the first heat exchange element 3 along the first flow direction 5 to the outlet 7 of the housing 2.

Währenddessen überträgt das Wärmetauschfluid die Wärme auf das Salzbad als Wärmetransfermedium und Wärmespeichermedium, welches das Gehäuse 2 füllt. Durch diese Anordnung wird dann das in den Rohrleitungen des zweiten Wärmetauschelements 4 vorhandenen Wassers erhitzt und somit Dampf erzeugt.Meanwhile, the heat exchange fluid transfers the heat to the salt bath filling the casing 2 as a heat transfer medium and a heat storage medium. This arrangement then heats the water present in the pipes of the second heat exchange element 4 and thus generates steam.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann eine Problematik aufgrund von schwankenden Dampfparametern, der zum Beispiel auf nicht konstanten Brennstoff bzw. dessen Brennwert zurückzuführen ist, selbst bei überkritischen Drücken von über 350 bar entgegengewirkt werden.According to such an embodiment, problems due to fluctuating steam parameters, which can be attributed, for example, to non-constant fuel or its calorific value, can be counteracted even at supercritical pressures of over 350 bar.

Das heißt, selbst wenn zum Beispiel Rauchgas mit einer Temperatur von 900°C in den Dampferzeuger 1 eintritt, wird die Wärmeenergie zunächst auf das Wärmetransfermedium in Form eines Salzbades übertragen. Hierbei ist es, im Falle von mehreren zweiten Wärmetauschelementen 4 ebenfalls möglich, dass eines dieser Wärmetauschelemente nicht von Wasser durchströmt wird, falls dieses gerade nicht benötigt wird. Aufgrund der Anordnung des Wärmetransfermedium im Gehäuse 2 des Dampferzeugers 1 kann dabei eine Zerstörung oder Überhitzung des Leerrohrs des zweiten Wärmetauschelements 4 verhindert werden, denn das Salzbad ist nicht nur als Wärmetransfermedium vorgesehen, sondern kann überdies auch Wärmenergie speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Ein solches Salzbad wird oft auch als "Nitratschmelze" bezeichnet. Dieses kann bis zu 550°C erhitzt werden, ohne sich dabei zu zersetzen.This means that even if, for example, flue gas with a temperature of 900°C enters the steam generator 1, the heat energy is first transferred to the heat transfer medium in the form of a salt bath. In the case of a plurality of second heat exchange elements 4, it is also possible that water does not flow through one of these heat exchange elements if it is not needed at the time. Due to the arrangement of the heat transfer medium in the housing 2 of the steam generator 1, destruction or overheating of the empty tube of the second heat exchange element 4 can be prevented, because the salt bath is not only intended as a heat transfer medium, but can also store heat energy and release it again if necessary. Such a salt bath is often also referred to as a "nitrate melt". This can be heated up to 550°C without decomposing.

Darüber hinaus kann auch zum Beispiel im Lebensmittelbereich ein Rohr 8 für sieben bar Dampf, ein weiteres Rohr 8 für 16 bar Dampf sowie ein viertes Rohr 8 für Hochdruckdämpfe (beispielsweise 500 bar) für Motoren und Turbinen mit der gleichen Vorrichtung erzeugt werden. Dies wird durch die Strömungsgeschwindigkeit in den jeweiligen Rohren 8 des zweiten Wärmetauschelements 4 gesteuert.In addition, for example in the food sector a tube 8 for seven bar steam, another tube 8 for 16 bar steam and a fourth tube 8 for high-pressure steam (e.g. 500 bar) for engines and turbines can be produced with the same device. This is controlled by the flow rate in the respective tubes 8 of the second heat exchange element 4 .

Das beschriebene Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat im letzten Segment 11 in der ersten Strömungsrichtung 5 dient als sogenanntes Niedertemperatursalz und ist bis 400°C verwendbar bzw. flüssig und dient somit als Vorwärmer. Das in dem mindestens einen weiteren Segment 12 vorgesehene Kalium-Natrium-Nitrat wird ab ca. 200°C flüssig und ist bis 550°C Salzbad-Temperatur verwendbar.The potassium-sodium-calcium nitrate described in the last segment 11 in the first flow direction 5 serves as a so-called low-temperature salt and can be used or liquid up to 400° C. and thus serves as a preheater. The potassium sodium nitrate provided in the at least one further segment 12 becomes liquid from about 200° C. and can be used up to a salt bath temperature of 550° C.

Gemäß einer solchen Anordnung ist druckloses Speichern von Energie und höhere Drücke realisierbar.According to such an arrangement, pressureless storage of energy and higher pressures can be realized.

Überdies ist aufgrund der Verwendung des Wärmetransfermedium die reine Länge des Rohrs 8 relativ zu einer Verwendung ohne eines solchen Transfermediums deutlich reduziert. Durch eine solche Rohrverkürzung wird der Druckverlust im zweiten Wärmetauschelement 4 reduziert und entsprechend der Druck selbst wiederrum deutlich besser steuerbar.Moreover, due to the use of the heat transfer medium, the net length of the tube 8 is significantly reduced relative to use without such a transfer medium. Such a shortening of the tube reduces the pressure loss in the second heat exchange element 4 and, correspondingly, the pressure itself can in turn be controlled much better.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE LIST

11
Dampferzeugersteam generator
22
GehäuseHousing
33
erstes Wärmetauschelementfirst heat exchange element
44
zweites Wärmetauschelementsecond heat exchange element
55
erste Strömungsrichtungfirst direction of flow
66
Einlassinlet
77
Auslassoutlet
88th
RohrPipe
99
zweite Strömungsrichtungsecond direction of flow
1010
Rohrwicklungentube windings
1111
letztes Segmentlast segment
1212
weiteres Segmentanother segment
1313
Trichterfunnel
1414
Verbindungsrohrconnecting pipe
1515
Einlassstutzeninlet port

Claims (21)

Dampferzeuger (1), aufweisend: ein Gehäuse (2); ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wärmetauschelement (3), das von einem Wärmetauschfluid durchströmbar ist; und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wärmetauschelement (4), das zur Dampferzeugung von Wasser durchströmbar ist, ein Wärmetransfermedium, das in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, um zur Dampferzeugung Wärme von dem durch das erste Wärmetauschelement (3) strömende Wärmetauschfluid auf das durch das zweite Wärmetauschelement (4) strömende Wasser zu übertragen, wobei das Wärmetransfermedium ein Salzbad ist. Steam generator (1), comprising: a housing (2); a first heat exchange element (3) arranged in the housing and through which a heat exchange fluid can flow; and at least one second heat exchange element (4) arranged in the housing, through which water can flow to generate steam, a heat transfer medium which is arranged in the housing (2) in order to transfer heat from the heat exchange fluid flowing through the first heat exchange element (3) to the water flowing through the second heat exchange element (4) to generate steam, wherein the heat transfer medium is a salt bath. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Wärmetauschelement (3) in einer ersten Strömungsrichtung (5) von einem Einlass (6) des Gehäuses (2) zu einem Auslass (7) des Gehäuses (2) von dem Wärmetauschfluid durchströmbar ist.Steam generator (1) according to claim 1, wherein the heat exchange fluid can flow through the first heat exchange element (3) in a first flow direction (5) from an inlet (6) of the housing (2) to an outlet (7) of the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Wärmetauschfluid Rauchgas ist.Steam generator (1) according to claim 1 or 2, wherein the heat exchange fluid is flue gas. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das erste Wärmetauschelement (3) eine Vielzahl von Rohren (8) aufweist, die sich entlang der ersten Strömungsrichtung (5) erstrecken.Steam generator (1) according to claim 2 or 3, wherein the first heat exchange element (3) comprises a plurality of tubes (8) extending along the first flow direction (5). Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das zweite Wärmetauschelement (4) in einer zweiten Strömungsrichtung (9) von dem Wasser durchströmbar ist, und
wobei die erste Strömungsrichtung (5) und die zweite Strömungsrichtung (9) im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Steam generator (1) according to one of claims 2 to 4, wherein the water can flow through the second heat exchange element (4) in a second flow direction (9), and
wherein the first direction of flow (5) and the second direction of flow (9) are essentially perpendicular or essentially parallel to one another.
Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das zweite Wärmetauschelement (4) eine Vielzahl von Rohrwicklungen (10) aufweist, so dass sich das zweite Wärmetauschelement (4) im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zur ersten Strömungsrichtung (5) von dem Einlass (6) des Gehäuses (2) zu dem Auslass (7) des Gehäuses (2) erstreckt.Steam generator (1) according to one of claims 2 to 5, wherein the second heat exchange element (4) has a multiplicity of tube windings (10), so that the second heat exchange element (4) extends essentially perpendicularly or essentially parallel to the first flow direction (5). extends from the inlet (6) of the housing (2) to the outlet (7) of the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 6, wobei das zweite Wärmetauschelement (4) eine Vielzahl von U-förmigen Rohrwicklungen (10) aufweist.Steam generator (1) according to claim 6, wherein the second heat exchange element (4) comprises a plurality of U-shaped tube coils (10). Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 6, wobei das zweite Wärmetauschelement (4) eine Vielzahl von sich in Kreisen oder schneckenförmig ersteckenden Rohrwicklungen (10) aufweist.Steam generator (1) according to claim 6, wherein the second heat exchange element (4) comprises a plurality of tube coils (10) extending in circles or in a helix. Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das zweite Wärmetauschelement (4) eine Vielzahl von schraubenförmigen Rohrwicklungen (10) aufweist, so dass sich das zweite Wärmetauschelement (4) im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zur ersten Strömungsrichtung (5) von dem Einlass (6) des Gehäuses (2) zu dem Auslass (7) des Gehäuses (2) erstreckt, und
wobei sich die schraubenförmigen Rohrwicklungen (10) zwischen den Rohren (8) oder um diese herum schraubenförmig erstrecken.
Steam generator (1) according to one of claims 4 to 6, wherein the second heat exchange element (4) has a multiplicity of helical tube windings (10), so that the second heat exchange element (4) extends essentially perpendicularly or essentially parallel to the first flow direction (5 ) extends from the inlet (6) of the housing (2) to the outlet (7) of the housing (2), and
the helical tube coils (10) extending helically between or around the tubes (8).
Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei sich das zweite Wärmetauschelement (4) zwischen den Rohren (8) im Gehäuse (2) erstreckt.Steam generator (1) according to any one of claims 4 to 8, wherein the second heat exchange element (4) extends between the tubes (8) in the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Wärmetauschelement (4) so im Gehäuse (2) angeordnet ist, dass es das erste Wärmetauschelement (3) an mindestens einer Stelle, bevorzugt an mehreren Stellen, im Gehäuse (2) kontaktiert.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the second heat exchange element (4) is arranged in the housing (2) such that it contacts the first heat exchange element (3) at at least one point, preferably at several points, in the housing (2). . Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von zweiten Wärmetauschelementen im Gehäuse (2) angeordnet ist.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein a plurality of second heat exchange elements are arranged in the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dampferzeuger (1) ferner mindestens eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Pumpe aufweist, welche ausgestaltet ist, das Salzbad zu zirkulieren.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the steam generator (1) further comprises at least one pump which is arranged in the housing (2) and is designed to circulate the salt bath. Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei der Dampferzeuger (1) entlang der ersten Strömungsrichtung (5) in mehrere Segmente (11, 12) unterteilt ist, wobei die Segmente (11, 12) so miteinander verbunden sind, dass das Wärmetauschfluid entlang der ersten Strömungsrichtung (5) durch die Segmente (11, 12) vom Einlass (6) des Gehäuses (2) zum Auslass (7) des Gehäuses (2) strömen kann, und wobei in jedem Segment (11, 12) des Gehäuses (2) mindestens ein zweites Wärmetauschelement (4) vorgesehen ist, und wobei die zweiten Wärmetauschelemente in den Segmenten (11, 12) des Gehäuses (2) fluiddicht miteinander verbunden sind. Steam generator (1) according to one of claims 2 to 13, wherein the steam generator (1) is divided into a plurality of segments (11, 12) along the first flow direction (5), wherein the segments (11, 12) are connected to one another in such a way that the heat exchange fluid flows along the first flow direction (5) through the segments (11, 12) from the inlet (6) of the housing (2) to the outlet (7) of the housing (2 ) can flow, and at least one second heat exchange element (4) being provided in each segment (11, 12) of the housing (2), and wherein the second heat exchange elements in the segments (11, 12) of the housing (2) are connected to one another in a fluid-tight manner. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 14, wobei der Dampferzeuger (1) so ausgestaltet ist, dass das Wasser zuerst durch das in der ersten Strömungsrichtung (5) letzte Segment (11) strömbar ist und dann durch das in der ersten Strömungsrichtung (5) erste Segment (12) strömbar ist.Steam generator (1) according to claim 14, wherein the steam generator (1) is designed such that the water can flow first through the last segment (11) in the first flow direction (5) and then through the first segment (11) in the first flow direction (5). Segment (12) is flowable. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Segmente (11, 12) so miteinander verbunden sind, dass eine Strömung von im Wärmetauschfluid enthaltenen oxidierbaren Material von einem Segment in ein weiteres Segment entlang der ersten Strömungsrichtung (5) verhindert wird.Steam generator (1) according to claim 14 or 15, wherein the segments (11, 12) are connected to one another in such a way that a flow of oxidizable material contained in the heat exchange fluid from one segment into another segment along the first flow direction (5) is prevented. Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmetransfermedium mindestens das erste Wärmetauschelement (3) und das zweite Wärmetauschelement bedeckt (4).Steam generator (1) according to any one of the preceding claims, wherein the heat transfer medium covers at least the first heat exchange element (3) and the second heat exchange element (4). Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Salzbad ein Nitratsalz aufweist.Steam generator (1) according to any one of the preceding claims, wherein the salt bath comprises a nitrate salt. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 18, wobei das Salzbad Kalium-Natrium-Nitrat aufweist.Steam generator (1) according to claim 18, wherein the salt bath comprises potassium sodium nitrate. Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei in den Segmenten (11, 12) mindestens zwei verschiedene Salzbäder vorgesehen sind, welche in den Segmenten (11, 12) getrennt voneinander gespeichert sind.Steam generator (1) according to one of claims 14 to 19, wherein at least two different salt baths are provided in the segments (11, 12), which are stored separately from one another in the segments (11, 12). Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 20, wobei das Salzbad im in der ersten Strömungsrichtung (5) letzten Segment (11) Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat aufweist, und
wobei das Salzbad in mindestens einem weiteren Segment (12) Kalium-Natrium-Nitrat aufweist.
Steam generator (1) according to claim 20, wherein the salt bath in the first flow direction (5) last segment (11) has potassium-sodium-calcium nitrate, and
wherein the salt bath has potassium sodium nitrate in at least one further segment (12).
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