EP4273447A1 - Steam generator - Google Patents

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Publication number
EP4273447A1
EP4273447A1 EP22172048.5A EP22172048A EP4273447A1 EP 4273447 A1 EP4273447 A1 EP 4273447A1 EP 22172048 A EP22172048 A EP 22172048A EP 4273447 A1 EP4273447 A1 EP 4273447A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow channel
housing
heat exchange
steam generator
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22172048.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Duschl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RD Estate GmbH and Co KG
Original Assignee
RD Estate GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RD Estate GmbH and Co KG filed Critical RD Estate GmbH and Co KG
Priority to EP22172048.5A priority Critical patent/EP4273447A1/en
Priority to PCT/EP2023/061758 priority patent/WO2023213925A1/en
Publication of EP4273447A1 publication Critical patent/EP4273447A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/06Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being molten; Use of molten metal, e.g. zinc, as heat transfer medium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1884Hot gas heating tube boilers with one or more heating tubes

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator for generating steam to generate energy, for example by means of a steam engine or a steam turbine.
  • the steam generator can be coupled 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 conducted past a heat exchanger, for example, in order to evaporate water flowing in the heat exchanger. The water vapor generated in this way can then be used to generate energy, for example in a steam engine.
  • a combustion chamber the furnace
  • 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 conducted past a heat exchanger, for example, in order to evaporate water flowing in the heat exchanger.
  • the water vapor generated in this way can then be used to generate energy, for example in a steam engine.
  • DE 10 2010 046 804 A1 a tube bundle heat exchanger with a plurality of tube windings extending from a common outlet space for a heat exchange medium and into one common outlet space, each pipe winding comprising an alternating sequence of pipe sections and pipe bends and the pipe bends being designed as a deflection of 180 ° with respect to an assigned bend axis and having the same bending radii.
  • This tube bundle heat exchanger is characterized in that along each tube winding the arch axes of pipe bends that are connected to the same pipe section are in an angular position to one another and the arch axes of pipe bends between which a pipe section, a pipe bend and another pipe section are arranged in direct succession, run parallel.
  • the efficiency here depends heavily on the distance of the tube bundle heat exchanger to the housing and strongly on the type of flow of the heat exchange fluid in the tube bundles to the thermal energy generated by fuel. This means that wall losses, which are generated by a flow past between the tube bundle heat exchanger and a surrounding housing without the heat exchanger being flowed through, cannot be prevented in such a configuration.
  • the heat exchange efficiency is therefore 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 heating gas space through which a heating gas flow can flow.
  • the heating gas pipes forming the heating gas are parallel or can be flowed through in series.
  • Such decomposed salt can corrode the metal of the remaining steam generator and cause leakage.
  • the steam generator has a housing and a flow channel through which a heat exchange fluid can flow from an inlet of the flow channel to an outlet of the flow channel.
  • At least a portion of the flow channel is arranged in the housing. This can be arranged as the first heat exchange element in the housing.
  • the flow channel can be flowed through as a first heat exchange element from an inlet of the housing to an outlet of the housing in a first flow direction.
  • the steam generator also has a second heat exchange element arranged in the housing. Water can flow through this to generate steam.
  • a heat transfer medium is arranged in the housing.
  • the housing is filled with a heat transfer medium.
  • the heat transfer medium is provided to transfer heat from a heat exchange fluid flowing through the flow channel to the water flowing through the second heat exchange element. This allows steam to be generated.
  • the heat transfer medium is a salt bath.
  • the cross section of the flow channel is larger at the inlet of the flow channel than at the outlet of the flow channel.
  • cross section of the flow channel is to be understood as the internal dimension of the flow channel. If the flow channel is designed as a cylindrical tube, the “cross section is of the flow channel” is to be understood as the inner diameter of the pipe. In other words, the “cross section of the flow channel” is to be understood as the effective flow cross section of the flow channel.
  • the heat exchange fluid can be flue gas.
  • the heat exchange fluid can be waste heat from a biomass furnace, biogas plant or a pellet heating system, which can flow through the flow channel or the first heat exchange element and thus through the steam generator.
  • Such a steam generator is able to exchange heat as homogeneously as possible due to the heat transfer medium, while local overheating can be prevented.
  • pressures between 50 and 800 bar preferably 30 to 500 bar, particularly preferably 30 to 180 bar, but also lower pressures between 4 and 10 bar steam pressure can be generated.
  • the salt is crystalline when at rest liquefied by the heating with or via the first heat exchange element through which the heat exchange fluid can flow, so that the salt melt is heated by the heat exchange fluid and the salt thus liquefies and absorbs energy.
  • the salt bath acts as a liquid salt, for example as a nitrate melt, and thus improves the heat transfer from the heat exchange fluid to the water.
  • the energy input into the salt can be made as large as possible at the beginning. This can prevent local overheating or decomposition of the salt.
  • the operational safety of such a steam generator can also be further improved due to a larger cross section at the inlet of the flow channel compared to the outlet of the flow channel, since the initial flow velocities, for example of flue gas as a heat transfer fluid, can be reduced.
  • the heat exchange fluid can, as mentioned at the beginning, for example a combustion gas from the combustion of a fuel, for example in the form of undried, low-quality biomass, in a combustion chamber of an already known feed grate furnace or the exhaust gas from a biogas plant. This allows electricity to be generated from waste materials. Depending on the heat exchange fluid, 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.
  • the homogeneous heat transfer properties of the salt bath enable flue gas temperatures of over 1000°C, in particular 1300°C and more, to be "run” without endangering the safety of the steam generator. Furthermore, the claimed embodiment enables a homogeneous heat transfer or heat input into the water to generate steam to be achieved even with fluctuating flue gas temperature peaks.
  • temperatures of 450°C to 500°C, preferably 470°C usually occur in the steam generator.
  • salts can be used that change from a crystalline to a liquid state of aggregation, i.e. an operating state, at temperatures as low as 130°C - 150°C.
  • the flexibility of the steam generator is particularly advantageous and the generation of the desired steam pressure is particularly easy to control.
  • the pressure to be generated can only be regulated via the flow velocity by increasing the flow of the water flowing through the second heat exchange element. This can be done using a simple pump.
  • pressures of seven bar can be achieved (for example for the food industry) and shortly afterwards, 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 arrangements must be provided.
  • a particularly flexible and multiple-use device for steam generation can therefore be provided with just one compact device and one housing.
  • 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 through the first heat exchange element in a similar way to flue gas.
  • the first heat exchange element may have a ceramic jacket at least in a section at the inlet of the housing.
  • an area at the inlet of the first heat exchange element within the housing may have a Have ceramic layer.
  • Such a design is particularly valuable with a view to increasing the efficiency of steam generation, since high-temperature flue gas streams of, for example, 1000 ° C can be used to a particularly great extent due to their radiant energy.
  • the ceramic insulation of the initial area of the first heat exchange element enables the thermal energy of the high-temperature flue gas to be transferred to the salt bath without running the risk of the salt bath decomposing. This means that the radiant energy of the high-temperature flue gas can be used particularly efficiently with high operational reliability.
  • the ceramic casing can preferably be formed from calcium aluminate.
  • At least a section of the first heat exchange element at the outlet of the housing may not have a ceramic casing in order to be able to use the remaining residual heat of the heat exchange fluid after the first heat exchange element flows through the housing to generate steam.
  • the ceramic casing can be provided on an inside of the first heat exchange element.
  • overstressing of the first heat immersion element i.e. of the flow channel within the housing, particularly in the area of the flow entry into the housing, can be reliably prevented. This undoubtedly increases operational safety and ensures the longevity and reliability of the steam generator.
  • Ribs can also be provided on the outside of the first heat exchange element, at least in the area of the ceramic casing, preferably over the entire extent of the first heat exchange element. Such ribs can extend into the interior of the housing.
  • the ribs act like a ribbed heat exchanger and further increase the energy transfer from the heat exchange fluid (e.g. flue gas) to the salt bath.
  • the heat exchange fluid e.g. flue gas
  • the heat input into the salt bath can be adjusted as desired via the thickness of the ceramic casing and the size and distance of the ribs.
  • the ribs are preferably steel ribs.
  • An additional ceramic layer can also be provided on the housing itself in order to insulate the steam generator even more towards the outside of the housing and to maximize the energy input from the flow channel to the salt bath and then further to the water in the second heat exchange element. This minimizes potential heat loss and allows the process parameters to be adjusted to be even more stable.
  • the housing is supported on a base.
  • a preheating section is provided in the flow channel. This preheating section is arranged in the base.
  • the steam generator is designed in such a way that the heat exchange fluid first passes through the preheating section of the flow channel and then through the first Heat exchange element flows in the section of the flow channel arranged in the housing.
  • the heat exchange fluid can first flow through the preheating section, which is arranged in the base, before it enters the housing of the steam generator.
  • the cross section of the flow channel is largest at the inlet of the flow channel, i.e. at the inlet of the preheating section, the flow velocity of the heat exchange fluid is at the same time lowest, so that the salt bath can effectively be preheated from outside the housing without the lines of the flow channel being in the area within the housing, i.e. in the area of the first heat exchange element, are overused.
  • the base is preferably made of concrete.
  • the housing is preferably made of stainless steel.
  • the preheating section of the flow channel is preferably made of ceramic.
  • the preheating section of the flow channel is particularly preferably formed from calcium aluminate.
  • the preheating section can be divided into a first and a second half.
  • the first and second halves can be made monolithic.
  • first half is to be understood as the side/half of the preheating section of the flow channel facing the housing and the “second half” as the half/side facing away from the housing.
  • the first and second halves of the preheating section are preferably made from different ceramic materials.
  • the first half of the preheating section has silicon carbide.
  • an improved thermal conductivity of the first half of the preheating section cannot be achieved with higher temperature resistance and the desired thermal conductivity can be “set”.
  • the second half ensures improved insulation from the surroundings.
  • the ceramic design of the flow channel ensures that overloading of the flow channel is prevented even at very high heat exchange fluid temperatures (for example above 800 ° C) and thus safe and reliable operation of the steam generator can be ensured. At the same time, due to the ceramic properties, preheating of the salt bath via the flow channel or via the preheating section of the flow channel in the base is ensured.
  • heating or “preheating section” is to be understood as meaning that the salt bath is first heated through the preheating section and further heating then takes place in the section of the flow channel that flows through the housing.
  • the term “preheating” does not exclude the fact that the majority of the heat transfer from the heat exchange fluid to the salt bath already takes place in this preheating section of the flow channel.
  • the heat exchange fluid can enter the preheating section at 1300°C and transfer thermal energy to the salt bath via the ceramic configuration and the housing.
  • the heat exchange fluid can then enter the housing itself with an exemplary temperature of approximately 600°C and leave it again with a residual heat temperature of approximately 500°C.
  • the salt bath can also reach approx. 500°C in continuous operation.
  • a tube-water heat exchanger preferably with helical turns, can be provided in a preferred embodiment in order to further utilize the residual heat temperature of approximately 500 ° C can. This allows the overall efficiency of the steam generator to be increased even further.
  • the preheating section of the flow channel can be a cast ceramic element in the base or a tube made of ceramic in the base.
  • the preheating section of the flow channel can be coated with a ceramic layer, particularly preferably a layer made of calcium aluminate.
  • weld seams for example of the housing and/or the flow channel in the area of the housing, often represent the most heavily loaded areas and the most critical points for leaks and corrosion.
  • a ceramic layer for example in the form of thermal barrier sleeves, can be provided in the area of the weld seams.
  • heat energy can be introduced evenly and without “peaks” into the steel surfaces and accordingly into the salt.
  • the wall thickness of the preheating section preferably decreases along its direction of extension.
  • the degree of transfer to the housing and the salt bath located therein can be increased along the direction of extension of the preheating section. This means that as the extension increases, a higher degree of heat transfer and thus preheating of the salt bath can be ensured.
  • the heat exchange fluid can ensure homogeneous heating and thus liquefaction of the salt bath due to the flow through the preheating section before the heat exchange fluid flows through the housing in the area of the first heat exchange element for further heat exchange.
  • the preheating section of the flow channel arranged in the base can contact the housing directly.
  • a silicon carbide sand layer can optionally be provided in the base between the housing and the preheating section of the flow channel.
  • Such a layer has particularly good heat conduction properties and heat transfer properties.
  • silicon carbide sand can be filled into an intermediate membrane wall between the preheating section of the flow channel and the outside of the housing.
  • the preheating section is arranged both on the underside of the housing and on one side of the housing and that heat exchange fluid, e.g. flue gas, flows through this area.
  • the heat exchange fluid on the underside of the housing can serve as a kind of “tub heater” and the intermediate membrane wall can regulate the heat coupling in a side area of the housing.
  • the silicon carbide sand can be present alone or, if the heat transfer is to be reduced, mixed with quartz sand.
  • this achieves a cascade-shaped gradation of heat transfer from the ceramic of the preheating section to the silicon carbide sand layer, to the metal of the housing, to the salt bath and finally to metal pipes of the second heat exchange element and thus to the water.
  • the cross section of the flow channel in the preheating section is preferably constant.
  • the cross section of the preheating section is constant throughout the base and at the same time has the largest cross section of the flow channel.
  • the preheating section has a constant and larger cross section than the flow channel within the housing, i.e. in the area in which it functions as the first heat exchange element.
  • the cross section of the flow channel is larger at an inlet of the section of the flow channel arranged in the housing than at the outlet of the section of the flow channel arranged in the housing.
  • the section of the flow channel which is arranged as the first heat exchange element in the housing, has a larger cross section at the inlet than at the outlet.
  • the cross section can change iteratively, i.e. H. in stages, reduce. However, it is also possible for the cross section to decrease continuously along its direction of extension.
  • the flow channel preferably has several U-shaped pipe windings.
  • the flow channel can be "meandered" as much as possible from the inlet to the outlet and thus the potential surface for heat transfer to the housing in the preheating section or directly to the salt bath in the area within the housing can be reached.
  • the preheating section of the flow channel has at least one U-shaped pipe winding, so that the heat exchange fluid is guided from an inlet of the flow channel along the direction of extension of the housing in the base, with a U-shaped one at the end of the housing Change of direction is experienced and then returned towards the inlet of the housing in order to then continue to flow through the flow channel through the housing.
  • At least one U-shaped tube winding is also provided in the area of the flow channel, which extends in the area of the housing.
  • the U-shaped pipe windings are therefore preferably provided in the preheating section and/or the section of the flow channel which is arranged in the housing.
  • the steam generator preferably has several flow channels.
  • These flow channels preferably run parallel to one another and can each be flowed through by the heat exchange fluid.
  • the heat transfer surface on the flow channel in the preheating section and in the housing can be further increased, and thus a homogeneous and uniform heat transfer to the salt bath and thus also to the water intended for steam generation in the second heat exchange element can take place.
  • the salt bath preferably has a nitrate salt.
  • the salt bath particularly preferably contains a potassium-sodium nitrate.
  • the nitrate salt is not only particularly cost-effective, but can also be used to store energy at high temperatures of the heat transfer medium, for example with flue gas up to 900 °C, without chemical decomposition. This ensures that the steam generator is designed to be as operationally reliable and efficient as possible.
  • potassium sodium nitrate is also particularly temperature-stable and therefore suitable for efficient heat transfer and heat storage in the event of overheating.
  • the heat transfer medium here the salt bath, preferably covers at least the first heat exchange element and the second heat exchange element.
  • the salt bath ensures high heat transfer at a wide range of temperatures and also has a "high forgivability" with regard to temperature fluctuations and fluctuating energy contents.
  • the salt bath enables a high level of heat homogeneity and can therefore counteract the problems described above of different steam temperatures and the variable energy content of the biomass used, for example.
  • the high initial cross-section of the flow channel ensures that the flow velocities are reduced at the start of heat transfer and thus heat hotspots, overheating or even decomposition of the salt bath can be prevented.
  • the preheating section provided in the base ensures that the salt bath is preheated before the heat exchange fluid enters the housing and that heat can be transferred particularly efficiently to the water in the second heat exchange element to generate steam.
  • the width of the base is slightly increased in relation to the housing in order to better illustrate the flow channels contained in the base.
  • the silicon carbide layer described in more detail below, was also shown at a distance from the flow channel and the housing.
  • the silicon carbide can also be filled into a cavity or recesses between the housing and the base, so that there is no distance from the silicon carbide layer.
  • Fig. 1 represents a perspective view of a steam generator 1 according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 1 It can be seen that the steam generator 1 has a housing 2 and a base 20.
  • the base 20 is in Figure 1 shown opened by a section in order to better illustrate the flow path through the base 20, which will be described in more detail below.
  • the in Fig. 1 Steam generator 1 shown comprises a housing 2 in which a flow channel and a second heat exchange element 4 are arranged.
  • a heat exchange fluid can flow through the first heat exchange element 3.
  • flue gas is used as an example of such a heat exchange fluid, which was generated by biomass combustion.
  • Another example of such a heat exchange fluid would be the waste heat from a biogas plant.
  • the flue gas is led 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 through the flow channel.
  • This flow direction is referred to as “first flow direction 5” in the described embodiment. This means that the flue gas flows through the housing 2 along the first flow direction 5 from the inlet 6 to Outlet 7 of housing 2.
  • a preheating section 21 of the flow channel 3 is also provided. How Figure 1 As can be seen, the flue gas first flows through this preheating section 21 of the flow channel before it reaches the inlet 6 of the housing 2.
  • the first heat exchange element 3 has a plurality of tubes 8, that is, a plurality of flow channels, which extend along the direction of extension of the housing 2, that is, from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2.
  • the housing 2 is designed "box-like", that is, it extends essentially along a depth direction of the housing 2 and has a rectangular cross section.
  • the width and/or height as well as 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 thus from a liquid state to one brought to a vaporous state.
  • This steam can then be used, for example, to generate electricity.
  • the electricity can be used in a steam engine and/or a steam turbine, which is fed with the steam generated.
  • the second heat exchange element 4 is designed as a single tube, which extends with windings through the housing 2 of the steam generator 1.
  • the flow direction of the water in the second heat exchange element 4 is referred to as the “second flow direction”.
  • the second heat exchange element 4 has a plurality of tube windings 10 in the form of a tube. These tube windings 10 are, as in Fig. 1 can be seen, so arranged in the housing 2 that the second heat exchange element 4 extends essentially perpendicular 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 the tube surface its extension from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2. In cross section through the steam generator Figure 2 For improved illustration, the second heat exchange element 4 is not shown.
  • the pipe of the second heat exchange element 4 has a plurality of pipe sections which run vertically in the embodiment shown, so that the pipe windings connected to U-shaped pipe winding sections 10 extend essentially perpendicular to the first flow direction 5 from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2.
  • first flow direction 5 and the second flow direction it is also possible for the first flow direction 5 and the second flow direction to run essentially parallel to one another.
  • each pipe 8 i.e. the respective flow channels of the steam generator through which flue gas flows
  • the flue gas can, for example, from the inlet 6 of the housing (or, if provided, from the inlet of the preheating section 21 of the flow channel) first run along the first flow direction 5, then run through the U-shaped pipe winding in the opposite direction and thus in Flow back in the direction of inlet 6.
  • the flue gas can, for example, from the inlet 6 of the housing (or, if provided, from the inlet of the preheating section 21 of the flow channel) first run along the first flow direction 5, then run through the U-shaped pipe winding in the opposite direction and thus in Flow back in the direction of inlet 6.
  • the flue gas first flows through a lower pocket 21a before it can flow back through a side pocket 21b via a U-shaped pipe winding. After the flue gas has flowed through the side pocket 21b of the preheating section 21, it is flowed into the plurality of tubes 8.
  • U-shaped Pipe windings of the flow channel 3 can be provided in the preheating section 21 and / or the section of the flow channel that is arranged in the housing.
  • U-shaped pipe windings are provided both in the preheating section 21 and in the section of the flow channel which is arranged in the housing 2.
  • Such a flow pattern is also determined by the directional information in the respective pipes 8 in Fig. 2 and the preheating section 21 in the base 20 in Fig. 1 illustrated and will be explained in more detail below.
  • the arrow in the preheating section 21 in the base 20 of the steam generator makes it clear and unambiguous that the incoming flue gas first flows through a lower part of the base 20 in the preheating section 21, that is, through the lower pocket 21a, for heat transfer to the housing 2, then has a U-shaped tube winding, in order to then flow back laterally from the housing in a direction opposite to the first flow direction 5 through the side pocket 21b of the preheating section 21 for further heat transfer to the housing 2.
  • Fig. 1 also illustrates that the second heat exchange element 4 with the U-shaped tube windings 10 extends between the tubes 8 and the housing 2.
  • the first flow direction 5 runs essentially along a horizontal direction, whereas the second flow direction runs essentially vertically.
  • the steam generator 1 it is also possible to arrange the steam generator 1 "upright", so that a first flow direction 5 is in a vertical direction and the second flow direction is in Essentially runs in a horizontal direction. If the space requirement requires this, an inclined arrangement of the housing 2 is also conceivable.
  • the second heat exchange element 4 extends along several planes in a width direction, because the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 extend essentially perpendicular to the first flow direction 5.
  • the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 it is also possible for the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 to extend along a vertical direction in different planes in a height direction of the housing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3 or a mixture thereof within the housing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3.
  • 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 to generate steam.
  • the heat transfer medium is a salt bath which covers the first heat exchange element 3 and the second heat exchange element 4 in the housing 2.
  • this salt bath can be filled into the housing 2 via inlet connection 15.
  • the salt bath thus fills the spaces 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 storage in order to increase the homogeneity of the energy transfer.
  • the salt bath can have a nitrate salt, in particular a potassium-sodium nitrate.
  • the flow channel within the housing can be in the in Fig 1
  • the embodiment shown, i.e. the first heat exchange element 3, has a tapering cross section within the housing 2. Accordingly, the cross section at an inlet 6 of the flow channel is larger than at an outlet 7 of the flow channel.
  • This narrowing of the cross section can be provided, for example, in the area of the U-shaped pipe windings of the flow channel. Alternatively, it is possible for the taper to take place along the first flow direction 5.
  • a problem due to fluctuating steam parameters which is due, for example, to non-constant fuel or its calorific value, can be prevented even at supercritical pressures of over 350 bar.
  • a pipe 8 for seven bar steam, another pipe 8 for 16 bar steam and a third pipe 8 for high-pressure steam (for example 500 bar) for engines and turbines can be provided with the same device. This is controlled by the flow speed in the respective tubes 8 of the second heat exchange element 4.
  • the energy input into the salt bath is kept highest at the inlet of the flow channel and at the same time the flow velocity at the inlet of the flow channel is kept lowest.
  • a steam generator can be realized which can be operated permanently and safely at a maximum pressure of 0.1 bar on the molten salt.
  • a monitoring device (not shown) can be provided on the housing 2 for process monitoring.
  • such a monitoring device can be designed in the form of a tube provided on an upper side of the housing 2, which opens into a water bath.
  • Fig. 2 is the basic structure of the steam generator 1 analogous to the steam generator of Fig. 1 designed with slightly modified proportions.
  • the base 20 is made of concrete, preferably HT concrete.
  • FIG. 2 Analogous to the representation of Fig. 1 , the cross section is in Fig. 2 along line AA from Figure 1 A heat exchange fluid flows through the flow channel shown from an inlet of the flow channel to an outlet of the flow channel and a section of the flow channel is arranged as a first heat exchange element 3 in the housing 2. Furthermore illustrated Fig. 2 a preheating section 21 of the flow channel, which is arranged in the base 20 and can be divided into the lower pocket 21a and the side pocket 21b connected by a U-shaped pipe coil.
  • the flow channel has a section in the housing 2 in which it functions as a first heat exchange element 3 and a preheating section 21 arranged upstream thereof and running through the base 20.
  • the steam generator of the illustrated embodiment is designed so that the heat exchange fluid first flows through the preheating section 21 of the flow channel and then through the section of the flow channel arranged in the housing 2 as the first heat exchange element 3.
  • the flow channel in the area of the base 20 is made of ceramic, in particular made of calcium aluminate.
  • both the preheating section 21 and the section of the flow channel 3, which is arranged in the housing 2 have at least one U-shaped tube winding, so that the heat exchange fluid entering at the inlet of the flow channel 3 can flow through the flow channel parallel to the direction of extension of the housing and then can flow in the opposite direction again in the direction of the inlet of the flow channel parallel to it, in order to then be able to flow into the housing 2 of the steam generator through a further U-shaped pipe winding of the flow channel.
  • the flow is along the direction of extension from the inlet of the flow channel along the housing, that is, along the first flow direction 5 of Fig. 1 , through an "X" and the flow in the opposite direction through a point (".") in Fig. 2 illustrated.
  • the section of the flow channel which is arranged in the housing 2 and functions as the first heat exchange element 3, also has several U-shaped tube windings, so that the heat exchange fluid is guided through the housing over the longest possible extent can.
  • the heat exchange fluid first passes through the preheating sections 21 of the two shown here, parallel flow channels flow from the inlet of the preheating section 21 along the housing 2 through the lower pocket 21a on the outside of the housing and flow back in the opposite flow direction at the end of the housing 2 in the longitudinal direction through the side pocket 21b.
  • the heat exchange fluid then passes through the section of the flow channel arranged in the housing 2 and serving as the first heat exchange element 3. Consequently, the heat of the heat exchange fluid in the preheating section 21 can first be given off to the housing 2 and thus to the salt bath contained therein. This means that overstressing of the section of the flow channel in the housing (first heat exchange element 3) is excluded.
  • the cross section of the flow channel 3 is largest in the area of the preheating section 21.
  • the cross section of the preheating section 21 is larger than the cross section of the flow channel 3 within the housing 2. Consequently, the heat input into the salt bath is greatest in the area of the preheating section 21 due to the reduced flow velocity and the salt bath can be preheated accordingly.
  • a silicon carbide sand layer 22 may be provided between the housing 3 and the preheating section 21.
  • the larger cross section of the flow channel 3 in the area of the preheating section 21 enables the flow velocity at the beginning of the flow through the flow channel 3 to be kept as low as possible.
  • the cross section remains constant in the entire area of the preheating section 21 of the flow channel and is reduced only in the area of the first heat exchange element 3.
  • the wall thickness of the preheating section 21 is reduced along its direction of extension. In this way, initial overheating can be avoided and uniform heat transfer to the housing or the salt bath contained therein can be achieved over the extent of the preheating section 21.

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Abstract

Dampferzeuger (1), aufweisend: ein Gehäuse (2); einen Strömungskanal, der von einem Einlass des Strömungskanals zu einem Auslass des Strömungskanals von einem Wärmetauschfluid, bevorzugt Rauchgas, durchströmbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Strömungskanals als erstes Wärmetauschelement (3) in dem Gehäuse (2) angeordnet ist; mindestens ein in dem Gehäuse (2) 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 den Strömungskanal strömenden Wärmetauschfluid auf das durch das zweite Wärmetauschelement (4) strömende Wasser zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransfermedium ein Salzbad ist, und der Querschnitt des Strömungskanals an dem Einlass des Strömungskanals größer ist als an dem Auslass des Strömungskanals.Steam generator (1), comprising: a housing (2); a flow channel through which a heat exchange fluid, preferably flue gas, can flow from an inlet of the flow channel to an outlet of the flow channel, at least a portion of the flow channel being arranged as a first heat exchange element (3) in the housing (2); at least one second heat exchange element (4) arranged in the housing (2), through which water can flow to generate steam; a heat transfer medium arranged in the housing (2) to transfer heat from the heat exchange fluid flowing through the flow channel to the water flowing through the second heat exchange element (4) to generate steam, characterized in that the heat transfer medium is a salt bath, and the Cross section of the flow channel is larger at the inlet of the flow channel than at the outlet of the flow channel.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

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 to generate energy, for example by means of a steam engine or a steam turbine. For this purpose, the steam generator can be coupled 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 conducted past a heat exchanger, for example, in order to evaporate water flowing in the heat exchanger. The water vapor generated in this way 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.To generate steam and energy efficiently, high pressures and associated high temperatures are required. 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, DE 10 2010 046 804 A1 a tube bundle heat exchanger with a plurality of tube windings extending from a common outlet space for a heat exchange medium and into one common outlet space, each pipe winding comprising an alternating sequence of pipe sections and pipe bends and the pipe bends being designed as a deflection of 180 ° with respect to an assigned bend axis and having the same bending radii. This tube bundle heat exchanger is characterized in that along each tube winding the arch axes of pipe bends that are connected to the same pipe section are in an angular position to one another and the arch axes of pipe bends between which a pipe section, a pipe bend and another pipe 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 here depends heavily on the distance of the tube bundle heat exchanger to the housing and strongly on the type of flow of the heat exchange fluid in the tube bundles to the thermal energy generated by fuel. This means that wall losses, which are generated by a flow past between the tube bundle heat exchanger and a surrounding housing without the heat exchanger being flowed through, cannot be prevented in such a configuration. The heat exchange efficiency is therefore 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 a configuration, it is not possible to compensate for stresses in the tube bundles due to thermal expansion 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 heating gas space through which a heating gas flow can flow. The heating gas pipes forming the heating gas are parallel or can be flowed through in series.

Hierbei treten die oben beschriebenen Probleme ebenfalls auf und außerdem ist die Effizienz des Wärmeaustauschs niedrig, da dieser im Gleichstrom betrieben wird.The problems described above also occur here and the efficiency of the heat exchange is low because it is operated in direct 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 der schwankende Energiegehalt 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 the fluctuating energy content cannot be adequately compensated for, the steam temperature will fluctuate, which - for example when using steam turbines - 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 designs use an additional steam storage boiler in order to achieve low pressure losses and 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 design is no longer applicable at high pressures, for example over 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.There is therefore a current need for a solution for a steam generator when used with biomass and high pressures, which is not only high pressure resistant, but can also be implemented easily and cost-effectively.

Losgelöst davon ist bisher die Eigenschaft eines Salzbades als Energiespeicher über einen längeren Zeitraum nur in fremden technischen Gebieten bekannt.Apart from this, the property of a salt bath as an energy storage device over a longer period of time has so far only been known in foreign technical areas.

So offenbart zum Beispiel US 2012/067551 A1 eine Anordnung, mit welcher in einem Solarpark mit Solarpanelen Sonnenenergie, welche durch Parabolspiegel gesammelt wird, in einem solchen Salzbad gespeichert werden kann. Zu einem späteren Zeitpunkt, zum Beispiel in der Nacht, kann dann die im Salzbad gespeicherte Energie verwendet werden, um Strom in sonneneinstrahlungslosen Phasen zu erzeugen, um somit eine konstante Stromerzeugung sicherzustellen.For example, revealed US 2012/067551 A1 an arrangement with which solar energy, which is collected by parabolic mirrors, can be stored in such a salt bath in a solar park with solar panels. At a later point in time, for example at night, the energy stored in the salt bath can then be used to generate electricity in phases without sunlight, thus ensuring constant electricity generation.

Selbst wenn man Salzbäder als ein zwischengeschaltetes Wärmetransfermedium in einem (Hochdruck-)Dampferzeuger verwenden würde, kann es zu Stabilitätsproblemen in der Wärmeübertragung kommen.Even if one were to use salt baths as an intermediate heat transfer medium in a (high-pressure) steam generator, stability problems in the heat transfer can arise.

Diese sind vor allem auf lokale Hotspots im Salzbad, zum Beispiel an Ecken oder bei Strömungsabrissen, zurückzuführen.These are primarily due to local hotspots in the salt bath, for example at corners or during flow stalls.

Dies ist besonders nachteilig, da dadurch ein dauerhaftes Glühen von Metallkomponenten eines solchen Dampferzeugers aufgrund einer Überhitzung sowie eine Zersetzung des Salzes hervorgerufen werden kann.This is particularly disadvantageous because it can cause permanent glowing of metal components of such a steam generator due to overheating and decomposition of the salt.

Ein solches zersetztes Salz kann das Metall des verbleibenden Dampferzeugers angreifen und zu Leckagen führen.Such decomposed salt can corrode the metal of the remaining steam generator and cause leakage.

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, reliable operation can be guaranteed and a high level of effectiveness can be achieved, and the above disadvantages can be reduced or reduced 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 task is solved by a device with the features of claim 1. Preferred configurations can be found in the further claims of the following description and drawings.

Gemäß einem Aspekt weist der Dampferzeuger ein Gehäuse sowie ein Strömungskanal, der von einem Einlass des Strömungskanals zu einem Auslass des Strömungskanals von einem Wärmetauschfluid durchströmbar ist, auf.According to one aspect, the steam generator has a housing and a flow channel through which a heat exchange fluid can flow from an inlet of the flow channel to an outlet of the flow channel.

Mindestens ein Abschnitt des Strömungskanals ist in dem Gehäuse angeordnet. Dieser kann als erstes Wärmetauschelement in dem Gehäuse angeordnet sein. Mit anderen Worten, der Strömungskanal ist also als erstes Wärmetauschelement von einem Einlass des Gehäuses zu einem Auslass des Gehäuses in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar.At least a portion of the flow channel is arranged in the housing. This can be arranged as the first heat exchange element in the housing. In other words, the flow channel can be flowed through as a first heat exchange element from an inlet of the housing to an outlet of the housing in a first flow direction.

Der Dampferzeuger weist ferner ein in dem Gehäuse angeordnetes zweite Wärmetauschelement auf. Dieses ist zur Dampferzeugung von Wasser durchströmbar.The steam generator also has a second heat exchange element arranged in the housing. Water can flow through this to generate steam.

Darüber hinaus ist ein Wärmetransfermedium in dem Gehäuse angeordnet.In addition, a heat transfer medium is arranged in the housing.

Mit anderen Worten, das Gehäuse ist mit einem Wärmetransfermedium befüllt. Das Wärmetransfermedium ist vorgesehen, um Wärme von einem durch den Strömungskanal strömenden Wärmetauschfluid auf das durch das zweite Wärmetauschelement strömende Wasser zu übertragen. Somit kann Dampf erzeugt werden.In other words, the housing is filled with a heat transfer medium. The heat transfer medium is provided to transfer heat from a heat exchange fluid flowing through the flow channel to the water flowing through the second heat exchange element. This allows steam to be generated.

Bei dem Wärmetransfermedium handelt es sich um ein Salzbad.The heat transfer medium is a salt bath.

Des Weiteren ist der Querschnitt des Strömungskanals an dem Einlass des Strömungskanals größer als an dem Auslass des Strömungs kanals.Furthermore, the cross section of the flow channel is larger at the inlet of the flow channel than at the outlet of the flow channel.

Der "Querschnitt des Strömungskanals" ist hierbei als Innenmaß des Strömungskanals zu verstehen. Ist der Strömungskanal als zylindrisches Rohr ausgestaltet, ist somit der "Querschnitt des Strömungskanals" entsprechend als Innendurchmesser des Rohrs zu verstehen. Mit anderen Worten, der "Querschnitt des Strömungskanals" ist als effektiver Strömungsquerschnitt des Strömungskanal zu verstehen.The “cross section of the flow channel” is to be understood as the internal dimension of the flow channel. If the flow channel is designed as a cylindrical tube, the “cross section is of the flow channel" is to be understood as the inner diameter of the pipe. In other words, the "cross section of the flow channel" is to be understood as the effective flow cross section of the flow channel.

Bei dem Wärmetauschfluid kann es sich um Rauchgas handeln. Darüber hinaus kann das Wärmetauschfluid, eine aus einer Biomassefeuerung, Biogasanlage oder einer Pelletsheizung stammenden Abwärme sein, welche durch den Strömungskanal bzw. das erste Wärmetauschelement und damit durch den Dampferzeuger strömen kann.The heat exchange fluid can be flue gas. In addition, the heat exchange fluid can be waste heat from a biomass furnace, biogas plant or a pellet heating system, which can flow through the flow channel or the first heat exchange element and thus through the steam generator.

Ein solcher Dampferzeuger ist in der Lage aufgrund des Wärmetransfermediums möglichst homogen Wärme auszutauschen, während lokale Überhitzungen verhindert werden können.Such a steam generator is able to exchange heat as homogeneously as possible due to the heat transfer medium, while local overheating can be prevented.

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 geringere Drücke zwischen 4 und 10 bar Dampfdruck erzeugt werden.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 lower pressures between 4 and 10 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.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, as well as 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.

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.A complex arrangement with an additional dam storage boiler to achieve low pressure losses is also unnecessary in such a design. This means that not only a particularly flexible but also 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 because the salt is crystalline when at rest liquefied by the heating with or via the first heat exchange element through which the heat exchange fluid can flow, so that the salt melt is heated by the heat exchange fluid and the salt thus liquefies and absorbs energy.

Das heißt, das Salzbad agiert als flüssiges Salz, beispielsweise als Nitratschmelze, und verbessert somit die Wärmeübertragung vom Wärmetauschfluid zum Wasser.This means that the salt bath acts as a liquid salt, for example as a nitrate melt, and thus improves the heat transfer from the heat exchange fluid to the water.

Gleichzeitig kann durch die Veränderung des Querschnitts zwischen Einlass und Auslass des Strömungskanals, der Energieeintrag in das Salz zu Beginn möglichst groß ausgelegt werden. Dadurch können lokale Überhitzungen bzw. Zersetzungen des Salzes verhindert werden.At the same time, by changing the cross section between the inlet and outlet of the flow channel, the energy input into the salt can be made as large as possible at the beginning. This can prevent local overheating or decomposition of the salt.

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 und langlebiger Dampferzeuger erreicht werden.According to such a design, not only can a particularly flexible system be realized, which can generate steam pressure of up to 800 bar at a wide range of pressures, but also a particularly reliable and long-lasting steam generator can be achieved.

Auch die Betriebssicherheit eines solchen Dampferzeugers kann aufgrund eines größeren Querschnitts am Einlass des Strömungskanals im Vergleich zum Auslass des Strömungskanals weitere verbessert werden, da die anfänglichen Strömungsgeschwindigkeiten, zum Beispiel von Rauchgas als Wärmetransferfluid, herabgesetzt werden können.The operational safety of such a steam generator can also be further improved due to a larger cross section at the inlet of the flow channel compared to the outlet of the flow channel, since the initial flow velocities, for example of flue gas as a heat transfer fluid, can be reduced.

Somit herrschen beim Eintritt in den Strömungskanal geringere Strömungsgeschwindigkeiten aufgrund des größeren Querschnitts im Strömungskanal. Dies wiederum ermöglicht, dass eine Überhitzung des Salzes und eine potenzielle Zersetzung des Salzbades verhindert werden kann.Thus, when entering the flow channel, there are lower flow velocities due to the larger cross section in the flow channel. This in turn allows overheating of the salt and potential decomposition of the salt bath to be prevented.

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.The heat exchange fluid can, as mentioned at the beginning, for example a combustion gas from the combustion of a fuel, for example in the form of undried, low-quality biomass, in a combustion chamber of an already known feed grate furnace or the exhaust gas from a biogas plant. This allows electricity to be generated from waste materials. 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.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 pellet combustion, this is usually between 600°C and 1000°C, preferably 900°C.

Losgelöst davon ermöglichen die homogenen Wärmeübertragungseigenschaften des Salzbades, dass auch Rauchgastemperaturen von über 1000°C, insbesondere 1300°C und mehr "gefahren" werden können, ohne dabei die Sicherheit des Dampferzeugers zu gefährden. Ferner ermöglicht die beanspruchte Ausgestaltung, dass selbst bei stark schwankenden Rauchgastemperaturspitzen ein homogener Wärmeübergang bzw. Wärmeeintrag in das Wasser zur Dampferzeugung erzielt werden kann.Separately, the homogeneous heat transfer properties of the salt bath enable flue gas temperatures of over 1000°C, in particular 1300°C and more, to be "run" without endangering the safety of the steam generator. Furthermore, the claimed embodiment enables a homogeneous heat transfer or heat input into the water to generate steam to be achieved even with fluctuating flue gas temperature peaks.

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, das heißt einem Betriebszustand übergehen.If exhaust gas from a biogas plant is used as a heat exchange fluid, temperatures of 450°C to 500°C, preferably 470°C, usually occur in the steam generator. In addition, salts can be used that change from a crystalline to a liquid state of aggregation, i.e. an operating state, at temperatures as low as 130°C - 150°C.

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 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 durch Steigerung des Durchflusses 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 that the pressure to be generated can only be regulated via the flow velocity by increasing the flow of the water flowing through the second heat exchange element. This can be done using 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 necessary, pressures of seven bar can be achieved (for example for the food industry) and shortly afterwards, 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 arrangements 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 and multiple-use device for steam generation can therefore be provided with just one compact device and one housing.

Die Dampferzeugung ist im vorliegenden Fall außerdem 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 this case, steam generation is also 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 through the first heat exchange element in a similar way to flue gas.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das erste Wärmetauschelement zumindest in einem Abschnitt am Einlass des Gehäuses eine Keramik-Ummantelung aufweisen.According to a further aspect, the first heat exchange element may have a ceramic jacket at least in a section at the inlet of the housing.

Mit anderen Worten, ein Bereich am Einlass des ersten Wärmetauschelements innerhalb des Gehäuses kann eine Keramikschicht aufweisen.In other words, an area at the inlet of the first heat exchange element within the housing may have a Have ceramic layer.

Eine solche Ausgestaltung ist mit Blick auf die Effizienzsteigerung bei der Dampferzeugung besonders wertvoll, da dabei Hochtemperatur-Rauchgasströme von beispielsweise 1000°C auf Grund ihrer Strahlungsenergie besonders stark genutzt werden kann. Hierbei ermöglicht die Keramik-Isolierung des Anfangsbereichs des ersten Wärmetauschelements, dass die Wärmeenergie des Hochtemperatur-Rauchgases auf das Salzbad übertragen werden kann, ohne dabei Gefahr zu laufen, dass es zu einer Zersetzung des Salzbades kommt. Somit kann bei hoher Betriebssicherheit die Strahlungsenergie des Hochtemperatur-Rauchgases besonders effizient genutzt werden.Such a design is particularly valuable with a view to increasing the efficiency of steam generation, since high-temperature flue gas streams of, for example, 1000 ° C can be used to a particularly great extent due to their radiant energy. The ceramic insulation of the initial area of the first heat exchange element enables the thermal energy of the high-temperature flue gas to be transferred to the salt bath without running the risk of the salt bath decomposing. This means that the radiant energy of the high-temperature flue gas can be used particularly efficiently with high operational reliability.

Bevorzugt kann die Keramik-Ummantelung aus Calcium-Aluminat geformt sein.The ceramic casing can preferably be formed from calcium aluminate.

Im Gegensatz kann, besonders bevorzugt, zumindest ein Abschnitt des ersten Wärmetauschelements am Auslass des Gehäuses keine Keramik-Ummantelung aufweisen, um auch die verbleibende Restwärme des Wärmetauschfluids nach einer Durchströmung des Gehäuses durch das erste Wärmetauschelements zur Dampferzeugung nutzen zu können.In contrast, particularly preferably, at least a section of the first heat exchange element at the outlet of the housing may not have a ceramic casing in order to be able to use the remaining residual heat of the heat exchange fluid after the first heat exchange element flows through the housing to generate steam.

Hierbei kann die Keramik-Ummantelung an einer Innenseite des ersten Wärmetauschelements vorgesehen sein. Somit kann eine Überbeanspruchung des ersten Wärmetauchelements, d.h. des Strömungskanals innerhalb des Gehäuses, insbesondere im Bereich des Strömungseintritts in das Gehäuse, sicher verhindert werden. Zweifelsohne steigert dies die Betriebssicherheit und sichert die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Dampferzeugers.Here, the ceramic casing can be provided on an inside of the first heat exchange element. Thus, overstressing of the first heat immersion element, i.e. of the flow channel within the housing, particularly in the area of the flow entry into the housing, can be reliably prevented. This undoubtedly increases operational safety and ensures the longevity and reliability of the steam generator.

Um den Energieeintrag in das Salzbad weiter zu steigern können, außerdem zumindest in dem Bereich der Keramik-Ummantelung, bevorzugt über die gesamte Erstreckung des ersten Wärmetauschelements, an der Außenseite des ersten Wärmetauschelements Rippen vorgesehen sein. Solche Rippen können sich in das Innere des Gehäuses hinein erstrecken.To further increase the energy input into the salt bath Ribs can also be provided on the outside of the first heat exchange element, at least in the area of the ceramic casing, preferably over the entire extent of the first heat exchange element. Such ribs can extend into the interior of the housing.

Entsprechend wirken die Rippen wie ein Rippenwärmetauscher und steigern die Energieübertragung von dem Wärmetauschfluid (z.B. Rauchgas) auf das Salzbad weiter.Accordingly, the ribs act like a ribbed heat exchanger and further increase the energy transfer from the heat exchange fluid (e.g. flue gas) to the salt bath.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann über die Dicke der Keramik-Ummantelung sowie durch die Größe und den Abstand der Rippen der Wärmeeintrag in das Salzbad beliebig eingestellt werden.According to such a configuration, the heat input into the salt bath can be adjusted as desired via the thickness of the ceramic casing and the size and distance of the ribs.

Bevorzugt handelt es sich bei den Rippen um Stahlrippen.The ribs are preferably steel ribs.

Ebenso kann auch am Gehäuse selbst eine zusätzliche Keramikschicht vorgesehen sein, um den Dampferzeuger nach außerhalb des Gehäuses hin noch stärker zu isolieren und den Energieeintrag vom Strömungskanal auf das Salzbad und dann weiter auf das Wasser im zweiten Wärmetauschelement zu maximieren. So wird ein potenzieller Wärmeverlust minimiert und die Prozessparameter können noch stabiler eingestellt werden.An additional ceramic layer can also be provided on the housing itself in order to insulate the steam generator even more towards the outside of the housing and to maximize the energy input from the flow channel to the salt bath and then further to the water in the second heat exchange element. This minimizes potential heat loss and allows the process parameters to be adjusted to be even more stable.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Gehäuse auf einem Sockel abgestützt. Hierbei ist im Strömungskanal ein Vorwärmabschnitt vorgesehen. Dieser Vorwärmabschnitt ist in dem Sockel angeordnet.According to a further aspect, the housing is supported on a base. A preheating section is provided in the flow channel. This preheating section is arranged in the base.

Entsprechend ist der Dampferzeuger so ausgestaltet, dass das Wärmetauschfluid zuerst durch den Vorwärmabschnitt des Strömungskanals und dann durch den in dem als erstes Wärmetauschelement in dem Gehäuse angeordneten Abschnitt des Strömungskanals strömt.Accordingly, the steam generator is designed in such a way that the heat exchange fluid first passes through the preheating section of the flow channel and then through the first Heat exchange element flows in the section of the flow channel arranged in the housing.

Entsprechend kann also das Wärmetauschfluid zunächst durch den Vorwärmabschnitt strömen, welcher im Sockel angeordnet ist, bevor es in das Gehäuse des Dampferzeugers eintritt.Accordingly, the heat exchange fluid can first flow through the preheating section, which is arranged in the base, before it enters the housing of the steam generator.

Konkret bedeutet dies, dass dadurch das Gehäuse sowie das darin eingefüllte Salzbad durch den Vorwärmabschnitt mit dem größtmöglichen Querschnitt des Strömungskanals vorgewärmt werden können.Specifically, this means that the housing and the salt bath filled therein can be preheated by the preheating section with the largest possible cross section of the flow channel.

Nachdem am Einlass des Strömungskanals, also beim Einlass des Vorwärmabschnitts, der Querschnitt des Strömungskanals am größten ist, ist gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmetauschfluids am geringsten, sodass effektiv eine Vorwärmung des Salzbades von außerhalb des Gehäuses erfolgen kann, ohne dass die Leitungen des Strömungskanals im Bereich innerhalb des Gehäuses, also im Bereich des ersten Wärmetauschelements, überstrapaziert werden.Since the cross section of the flow channel is largest at the inlet of the flow channel, i.e. at the inlet of the preheating section, the flow velocity of the heat exchange fluid is at the same time lowest, so that the salt bath can effectively be preheated from outside the housing without the lines of the flow channel being in the area within the housing, i.e. in the area of the first heat exchange element, are overused.

Bevorzugt ist der Sockel aus Beton geformt.The base is preferably made of concrete.

Dadurch kann eine sichere und hochtemperaturresistente Abstützung des Strömungskanals und des Gehäuses sichergestellt werden.This ensures secure and high-temperature-resistant support for the flow channel and the housing.

Bevorzugt ist das Gehäuse aus Edelstahl geformt.The housing is preferably made of stainless steel.

Aufgrund dessen kann eine hohe Korrosionsbeständigkeit, auch bei höheren Temperaturen, zum Beispiel des Salzbades, sichergestellt werden, und ein zuverlässiger und sicherer Betrieb über einen längeren Zeitraum ermöglicht werden.Due to this, high corrosion resistance can be ensured, even at higher temperatures, for example in the salt bath, and reliable and safe operation over a longer period of time can be made possible.

Bevorzugt ist der Vorwärmabschnitt des Strömungskanals aus Keramik geformt. Besonders bevorzugt ist der Vorwärmabschnitt des Strömungskanals aus Calcium-Aluminat geformt.The preheating section of the flow channel is preferably made of ceramic. The preheating section of the flow channel is particularly preferably formed from calcium aluminate.

Ferner kann der Vorwärmabschnitt in einer bevorzugten Ausgestaltungsform in eine erste und eine zweite Hälfte unterteilt sein. Die erste und zweite Hälfte können monolithisch hergestellt sein.Furthermore, in a preferred embodiment, the preheating section can be divided into a first and a second half. The first and second halves can be made monolithic.

In diesem Kontext ist die "erste Hälfte" als die dem Gehäuse zugewandte Seite/Hälfte des Vorwärmabschnitts des Strömungskanals und die "zweite Hälfte" als die dem Gehäuse abgewandte Hälfte/Seite zu verstehen.In this context, the “first half” is to be understood as the side/half of the preheating section of the flow channel facing the housing and the “second half” as the half/side facing away from the housing.

Bevorzugt sind die erste und zweite Hälfte des Vorwärmabschnitts aus unterschiedlichen Keramik-Materialien hergestellt.The first and second halves of the preheating section are preferably made from different ceramic materials.

Hierbei ist besonders bevorzugt, dass die erste Hälfte des Vorwärmabschnitts Silicium-Carbid aufweist. Dadurch kein bei höherer Temperaturresistenz eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit der ersten Hälfte des Vorwärmabschnitts erzielt und die gewünschte Wärmeleitfähigkeit "eingestellt" werden. Parallel dazu stellt die zweite Hälfte eine verbesserte Isolierung zur Umgebung sicher.It is particularly preferred that the first half of the preheating section has silicon carbide. As a result, an improved thermal conductivity of the first half of the preheating section cannot be achieved with higher temperature resistance and the desired thermal conductivity can be “set”. At the same time, the second half ensures improved insulation from the surroundings.

Die Keramikausgestaltung des Strömungskanals stellt sicher, dass auch bei sehr hohen Wärmetauschfluidtemperaturen (zum Beispiel oberhalb von 800 °C) eine Überbelastung des Strömungskanals verhindert und somit eine sichere und zuverlässige Betriebsweise des Dampferzeugers sichergestellt werden kann. Gleichzeitig ist aufgrund der Keramikeigenschaften ein Vorwärmen des Salzbades über den Strömungskanal bzw. über den Vorwärmabschnitt des Strömungskanals im Sockel sichergestellt.The ceramic design of the flow channel ensures that overloading of the flow channel is prevented even at very high heat exchange fluid temperatures (for example above 800 ° C) and thus safe and reliable operation of the steam generator can be ensured. At the same time, due to the ceramic properties, preheating of the salt bath via the flow channel or via the preheating section of the flow channel in the base is ensured.

Hierbei ist der Begriff "Vorwärmen" bzw. "Vorwärmabschnitt" so zu verstehen, dass eine erste Erwärmung des Salzbades durch den Vorwärmabschnitt erfolgt und eine weitere Erwärmung dann in dem Abschnitt des Strömungskanals erfolgt, der durch das Gehäuse strömt.Here, the term “preheating” or “preheating section” is to be understood as meaning that the salt bath is first heated through the preheating section and further heating then takes place in the section of the flow channel that flows through the housing.

Der Begriff "Vorwärmen" schließt dabei jedoch nicht aus, dass der größte Teil des Wärmeübergangs vom Wärmetauschfluid auf das Salzbad bereits in diesem Vorwärmabschnitt des Strömungskanals erfolgt. So kann z.B. das Wärmetauschfluid mit 1300°C in den Vorwärmabschnitt eintreten und Wärmeenergie über die Keramikausgestaltung und das Gehäuse an das Salzbad übertragen. Anschließend kann das Wärmetauschfluid mit einer beispielhaften Temperatur von ca. 600°C in das Gehäuse selbst eintreten und dieses mit einer Restwärmetemperatur von ca. 500°C wieder verlassen.However, the term “preheating” does not exclude the fact that the majority of the heat transfer from the heat exchange fluid to the salt bath already takes place in this preheating section of the flow channel. For example, the heat exchange fluid can enter the preheating section at 1300°C and transfer thermal energy to the salt bath via the ceramic configuration and the housing. The heat exchange fluid can then enter the housing itself with an exemplary temperature of approximately 600°C and leave it again with a residual heat temperature of approximately 500°C.

Somit kann das Salzbad im Dauerbetrieb ebenfalls ca. 500°C aufweisen.This means that the salt bath can also reach approx. 500°C in continuous operation.

Um auch die Restwärme des Wärmetauschfluids von ca. 500°C nutzen zu können, kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Rohr-Wasser-Wärmetauscher, bevorzugt mit schneckenförmigen Windungen, vorgesehen sein, um auch die Restwärmetemperatur von ca. 500°C noch weiter nutzen zu können. Dadurch kann der Gesamt-Wirkungsgrad des Dampferzeugers noch weiter gesteigert werden.In order to be able to use the residual heat of the heat exchange fluid of approximately 500 ° C, a tube-water heat exchanger, preferably with helical turns, can be provided in a preferred embodiment in order to further utilize the residual heat temperature of approximately 500 ° C can. This allows the overall efficiency of the steam generator to be increased even further.

Beispielhaft kann der Vorwärmabschnitt des Strömungskanals ein eingegossenes Keramikelement in dem Sockel bzw. ein Rohr aus Keramik in dem Sockel sein.By way of example, the preheating section of the flow channel can be a cast ceramic element in the base or a tube made of ceramic in the base.

Darüber hinaus kann analog dazu, der Vorwärmabschnitt des Strömungskanals mit einer Keramikschicht, besonders bevorzugt eine Schicht aus Calcium-Aluminat, beschichtet sein.In addition, analogously, the preheating section of the flow channel can be coated with a ceramic layer, particularly preferably a layer made of calcium aluminate.

In einem solchen Dampferzeuger stellen oftmals die Schweißnähte, z.B. des Gehäuses und/oder des Strömungskanals im Bereich des Gehäuses, die am stärksten belasteten Bereiche und die kritischsten Punkte für Leckagen und Korrosion dar.In such a steam generator, the weld seams, for example of the housing and/or the flow channel in the area of the housing, often represent the most heavily loaded areas and the most critical points for leaks and corrosion.

Um Leckagen oder Korrosion vorzugbeugen, kann in einer bevorzugten Ausgestaltungsform eine Keramikschicht, z.B. in Form von thermischen Barrierehülsen, im Bereich der Schweißnähte vorgesehen sein.In order to prevent leaks or corrosion, in a preferred embodiment a ceramic layer, for example in the form of thermal barrier sleeves, can be provided in the area of the weld seams.

Dadurch kann eine zusätzliche Ummantelung des Stahls mit einer temperaturresistenten Schicht erzielt werden. Entsprechend kann der Strömungskanal bzw. das Gehäuse vor zu hohen Wärmestromdichten geschützt werden.This allows the steel to be additionally coated with a temperature-resistant layer. Accordingly, the flow channel or the housing can be protected from heat flux densities that are too high.

Darüber hinaus kann dadurch erreicht werden, dass Wärmeenergie gleichmäßig und ohne "Peaks" in die Stahlflächen und dementsprechend in das Salz eingeleitet werden kann.In addition, it can be achieved that heat energy can be introduced evenly and without “peaks” into the steel surfaces and accordingly into the salt.

Bevorzugt nimmt die Wandstärke des Vorwärmabschnitts entlang seiner Erstreckungsrichtung ab.The wall thickness of the preheating section preferably decreases along its direction of extension.

Selbst wenn am Einlass des Strömungskanals und damit am Einlass des Vorwärmabschnitts des Strömungskanals die höchste Temperatur des Wärmetauschfluids bei gleichzeitig niedrigster Strömungsgeschwindigkeit anliegt, kann dabei das Risiko der Überbelastung des Strömungskanals sichergestellt und ein stabiler Wärmeübergang ermöglicht werden.Even if the highest temperature of the heat exchange fluid is present at the inlet of the flow channel and thus at the inlet of the preheating section of the flow channel and at the same time the lowest flow speed, the risk of overloading the flow channel can be ensured and a stable heat transfer can be made possible.

In Ergänzung dazu kann aufgrund der abnehmenden Wandstärke der Übertragungsgrad auf das Gehäuse und das darin befindliche Salzbad entlang der Erstreckungsrichtung des Vorwärmabschnitts erhöht werden. Somit mit zunehmender Erstreckung ein höherer Grad der Wärmeübertragung und damit Vorwärmung des Salzbades sichergestellt werden.In addition, due to the decreasing wall thickness, the degree of transfer to the housing and the salt bath located therein can be increased along the direction of extension of the preheating section. This means that as the extension increases, a higher degree of heat transfer and thus preheating of the salt bath can be ensured.

Gemäß einer solchen Anordnung kann also das Wärmetauschfluid aufgrund des Durchströmens des Vorwärmabschnitts eine homogene Erwärmung und damit Verflüssigung des Salzbades sicherstellen, bevor das Wärmetauschfluid im Bereich des ersten Wärmetauschelements zum weiteren Wärmeaustausch durch das Gehäuse strömt.According to such an arrangement, the heat exchange fluid can ensure homogeneous heating and thus liquefaction of the salt bath due to the flow through the preheating section before the heat exchange fluid flows through the housing in the area of the first heat exchange element for further heat exchange.

Der im Sockel angeordnete Vorwärmabschnitt des Strömungskanals kann das Gehäuse direkt kontaktieren. Zum verbesserten Steuern des Wärmeübergangs kann jedoch im Sockel zwischen Gehäuse und Vorwärmabschnitt des Strömungskanals optional eine Silizium-Carbid-Sand-Schicht vorgesehen sein.The preheating section of the flow channel arranged in the base can contact the housing directly. However, for improved control of the heat transfer, a silicon carbide sand layer can optionally be provided in the base between the housing and the preheating section of the flow channel.

Eine solche Schicht weist besonders gute Wärmeleitungseigenschaften und Wärmeübertragungseigenschaften auf.Such a layer has particularly good heat conduction properties and heat transfer properties.

Dadurch kann der Wärmeeintrag über das Gehäuse in das Salzbad verbessert werden.This allows the heat input via the housing into the salt bath to be improved.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann dabei Silicium-Carbid-Sand in eine Zwischenmembranwand zwischen dem Vorwärmabschnitt des Strömungskanal und der Außenseite des Gehäuses gefüllt werden.In a particularly preferred embodiment, silicon carbide sand can be filled into an intermediate membrane wall between the preheating section of the flow channel and the outside of the housing.

Hierbei ist besonders bevorzugt, dass der Vorwärmabschnitt sowohl an der Unterseite des Gehäuses also auch einer Seite des Gehäuses angeordnet ist und in diesen Bereich von Wärmetauschfluid, z.B. Rauchgas, durchströmt wird. So kann das Wärmetauschfluid an der Unterseite des Gehäuses als eine Art "Wannenheizung" dienen und die Zwischenmembranwand in einem Seitenbereich des Gehäuses die Wärme-Einkopplung regulieren.It is particularly preferred that the preheating section is arranged both on the underside of the housing and on one side of the housing and that heat exchange fluid, e.g. flue gas, flows through this area. The heat exchange fluid on the underside of the housing can serve as a kind of “tub heater” and the intermediate membrane wall can regulate the heat coupling in a side area of the housing.

Hierbei kann der Silicium-Carbid-Sand allein, oder falls der Wärmeübergang verringert werden soll, mit Quarzsand gemischt vorliegen.The silicon carbide sand can be present alone or, if the heat transfer is to be reduced, mixed with quartz sand.

Insbesondere wird dadurch eine kaskadenförmige Abstufung der Wärmeübertragung von der Keramik des Vorwärmabschnittes auf die Silizium-Carbid-Sand-Schicht, auf das Metall des Gehäuses, auf das Salzbad und abschließend auf Metallrohre des zweiten Wärmetauschelements und somit auf das Wasser erreicht.In particular, this achieves a cascade-shaped gradation of heat transfer from the ceramic of the preheating section to the silicon carbide sand layer, to the metal of the housing, to the salt bath and finally to metal pipes of the second heat exchange element and thus to the water.

Bevorzugt ist der Querschnitt des Strömungskanals in dem Vorwärmabschnitt konstant.The cross section of the flow channel in the preheating section is preferably constant.

Mit anderen Worten, der Querschnitt des Vorwärmabschnitts ist im gesamten Sockel konstant und gleichzeitig mit dem größten Querschnitt des Strömungskanals versehen.In other words, the cross section of the preheating section is constant throughout the base and at the same time has the largest cross section of the flow channel.

Noch anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Vorwärmabschnitt einen konstanten und größeren Querschnitt als der Strömungskanal innerhalb des Gehäuses, also in dem Bereich, in dem er als erstes Wärmetauschelement fungiert, aufweist.To put it another way, this means that the preheating section has a constant and larger cross section than the flow channel within the housing, i.e. in the area in which it functions as the first heat exchange element.

Ein solch großer, konstanter Querschnitt des Vorwärmabschnitts des Strömungskanals stellt eine ausreichende und sichere Vorwärmung des Salzbades innerhalb des Gehäuses sicher.Such a large, constant cross section of the preheating section of the flow channel ensures sufficient and safe preheating of the salt bath within the housing.

Bevorzugt ist der Querschnitt des Strömungskanals an einem Einlass des Abschnitts des Strömungskanals, der in dem Gehäuse angeordnet ist, größer als an dem Auslass des Abschnitts des Strömungskanals, der in dem Gehäuse angeordnet ist.Preferably, the cross section of the flow channel is larger at an inlet of the section of the flow channel arranged in the housing than at the outlet of the section of the flow channel arranged in the housing.

Mit anderen Worten, der Abschnitt des Strömungskanals, der als erstes Wärmetauschelement im Gehäuse angeordnet ist, weist am Einlass einen größeren Querschnitt als am Auslass auf.In other words, the section of the flow channel, which is arranged as the first heat exchange element in the housing, has a larger cross section at the inlet than at the outlet.

Der Querschnitt kann hierbei sich iterativ, d. h. in Stufen, reduzieren. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass der Querschnitt kontinuierlich entlang seiner Erstreckungsrichtung abnimmt.The cross section can change iteratively, i.e. H. in stages, reduce. However, it is also possible for the cross section to decrease continuously along its direction of extension.

Bevorzugt weist der Strömungskanal mehrere U-förmige Rohrwicklungen auf.The flow channel preferably has several U-shaped pipe windings.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann also ein möglichst zahlreiches "Schlängeln" des Strömungskanals vom Einlass zum Auslass erzielt werden und somit die potenzielle Oberfläche für Wärmeübertragung an das Gehäuse im Vorwärmabschnitt bzw. direkt an das Salzbad im Bereich innerhalb des Gehäuses erreicht werden.According to such a configuration, the flow channel can be "meandered" as much as possible from the inlet to the outlet and thus the potential surface for heat transfer to the housing in the preheating section or directly to the salt bath in the area within the housing can be reached.

Besonders bevorzugt, weist dabei der Vorwärmabschnitt des Strömungskanals mindestens eine U-förmige Rohrwicklung auf, sodass das Wärmetauschfluid von einem Einlass des Strömungskanals entlang der Erstreckungsrichtung des Gehäuses im Sockel geführt wird, am Ende des Gehäuses eine U-förmige Richtungsänderung erlebt und dann wieder in Richtung des Einlasses des Gehäuses zurückgeführt wird, um dann weiter durch den Strömungskanal durch das Gehäuse zu strömen.Particularly preferably, the preheating section of the flow channel has at least one U-shaped pipe winding, so that the heat exchange fluid is guided from an inlet of the flow channel along the direction of extension of the housing in the base, with a U-shaped one at the end of the housing Change of direction is experienced and then returned towards the inlet of the housing in order to then continue to flow through the flow channel through the housing.

Ferner ist besonders bevorzugt, dass auch im Bereich des Strömungskanals, der sich im Bereich des Gehäuses erstreckt, mindestens eine U-förmige Rohrwicklung vorgesehen ist.Furthermore, it is particularly preferred that at least one U-shaped tube winding is also provided in the area of the flow channel, which extends in the area of the housing.

Somit kann auch im Bereich des Strömungskanals innerhalb des Gehäuses, also im Bereich in dem er als erstes Wärmetauschelement fungiert, sichergestellt werden, dass ein hoher Wärmeübergang realisierbar ist.This means that it can also be ensured in the area of the flow channel within the housing, i.e. in the area in which it functions as the first heat exchange element, that a high level of heat transfer can be achieved.

Bevorzugt sind also die U-förmigen Rohrwicklungen in dem Vorwärmabschnitt und/oder dem Abschnitt des Strömungskanals, der in dem Gehäuse angeordnet ist, vorgesehen.The U-shaped pipe windings are therefore preferably provided in the preheating section and/or the section of the flow channel which is arranged in the housing.

Bevorzugt weist der Dampferzeuger mehrere Strömungskanäle auf.The steam generator preferably has several flow channels.

Diese Strömungskanäle verlaufen bevorzugt parallel zueinander und sind jeweils von dem Wärmetauschfluid durchströmbar.These flow channels preferably run parallel to one another and can each be flowed through by the heat exchange fluid.

Somit kann die Wärmeübertragungsoberfläche am Strömungskanal im Vorwärmabschnitt und im Gehäuse weiter erhöht werden, und somit eine homogene und gleichmäßige Wärmeübertragung auf das Salzbad und damit auch auf das zur Dampferzeugung vorgesehene Wasser im zweiten Wärmetauschelement erfolgen.Thus, the heat transfer surface on the flow channel in the preheating section and in the housing can be further increased, and thus a homogeneous and uniform heat transfer to the salt bath and thus also to the water intended for steam generation in the second heat exchange element can take place.

Bevorzugt weist das Salzbad ein Nitratsalz auf. Besonders bevorzugt weist das Salzbad ein Kalium-Natrium-Nitrat auf.The salt bath preferably has a nitrate salt. The salt bath particularly preferably contains a potassium-sodium nitrate.

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

Parallel dazu ist das Kalium-Natrium-Nitrat ebenfalls besonders temperaturstabil und somit zur effizienten Wärmeübertragung und Wärmespeicherung bei Überhitzung geeignet.At the same time, potassium sodium nitrate is also particularly temperature-stable and therefore suitable for efficient heat transfer and heat storage in the event of overheating.

Somit kann zum Beispiel eine Salzbadtemperatur von 350° bis 565 °C anliegen, ohne eine Gefährdung für die Betriebssicherheit des Dampferzeugers darzustellen.This means, for example, that a salt bath temperature of 350° to 565°C can be present without posing a risk to the operational safety of the steam generator.

Bevorzugt bedeckt das Wärmetransfermedium, hier das Salzbad, mindestens das erste Wärmetauschelement und das zweite Wärmetauschelement.The heat transfer medium, here the salt bath, preferably covers at least the first heat exchange element and the second heat exchange element.

Gemäß den oben beschriebenen Ausgestaltungen kann eine besonders betriebssichere, effiziente und günstige, sowie flexible Dampferzeugung realisiert werden, denn das Salzbad gewährt eine hohe Wärmeübertragung 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 Dampftemperaturen und dem variablen Energiegehalt, der, zum Beispiel verwendeten Biomasse, entgegenwirken.According to the configurations described above, a particularly reliable, efficient and inexpensive, as well as flexible steam generation can be realized, because the salt bath ensures high heat transfer at a wide range of temperatures and also has a "high forgivability" with regard to temperature fluctuations and fluctuating energy contents. This means that the salt bath enables a high level of heat homogeneity and can therefore counteract the problems described above of different steam temperatures and the variable energy content of the biomass used, for example.

Darüber hinaus stellt der hohe Anfangsquerschnitt des Strömungskanals sicher, dass die Strömungsgeschwindigkeiten zu Beginn der Wärmeübertragung reduziert sind und somit Wärmehotspots, Überhitzungen oder sogar Zersetzungen des Salzbades verhindert werden können. In Ergänzung oder alternativ dazu stellt der im Sockel vorgesehene Vorwärmabschnitt sicher, dass bereits vor Eintritt des Wärmetauschfluids in das Gehäuse das Salzbad vorgewärmt und so besonders effizient Wärme zur Dampferzeugung an das Wasser im zweiten Wärmetauschelement übertragen werden kann.In addition, the high initial cross-section of the flow channel ensures that the flow velocities are reduced at the start of heat transfer and thus heat hotspots, overheating or even decomposition of the salt bath can be prevented. In addition or as an alternative to this, the preheating section provided in the base ensures that the salt bath is preheated before the heat exchange fluid enters the housing and that heat can be transferred particularly efficiently to the water in the second heat exchange element to generate steam.

Aufgrund dessen können Stabilitätsprobleme, die zum Beispiel durch einen Strömungsabriss der Strömung des Wärmetauschfluids durch das Rohr bzw. im Salz verhindert und somit ein homogener Wärmeübergang sichergestellt werden.Due to this, stability problems can arise, for example due to a stall in the flow of the heat exchange fluid through the pipe or in the salt can be prevented and thus a homogeneous heat transfer can be ensured.

In Ergänzung dazu können lokale Hotspots zum Beispiel in Ecken des Gehäuses oder aufgrund der oben beschriebenen Strömungsabrisse hervorgerufene Hotspots verhindert werden. Entsprechend kann einem dauerhaften Glühen des Gehäuses, des Strömungskanals und/oder des zweiten Wärmetauschelements und damit einer Überbelastung des Salzes, welches sich gegebenenfalls zersetzen würde, verhindert werden.In addition, local hotspots, for example in corners of the housing or hotspots caused by the flow stalls described above, can be prevented. Accordingly, permanent glowing of the housing, the flow channel and/or the second heat exchange element and thus overloading of the salt, which would possibly decompose, can be prevented.

Aufgrund dessen kann auch ein Angriff des Metalls durch das zersetzte Salz verhindert werden.Because of this, attack on the metal by the decomposed salt can also be prevented.

Dies ist insbesondere dadurch sichergestellt, dass lediglich im Bereich des Einlasses des Strömungskanals der Energieeintrag in das Salzbad am höchsten ist und entlang der Erstreckungsrichtung des Strömungskanals abnimmt.This is ensured in particular by the fact that the energy input into the salt bath is highest only in the area of the inlet of the flow channel and decreases along the direction of extension of the flow channel.

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 isometrische Darstellung eines Dampferzeugers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wobei die Oberseite des Gehäuses und die Seitenwand des Sockels zu Darstellungszwecken weggelassen worden bzw. geschnitten dargestellt sind.
  • Figur 2: eine zu Darstellungszwecken leicht modifizierte schematische Querschnittsdarstellung des Dampferzeugers gemäß der beispielhaften Ausführungsform entlang der Schnittlinie A-A von Figur 1.
A steam generator according to an exemplary embodiment is described below using schematic drawings. Such steam generators are used, for example, to generate steam for energy generation, for example in a steam engine or a steam engine. Show it:
  • Figure 1 : an isometric view of a steam generator according to an exemplary embodiment, wherein the top of the housing and the side wall of the base have been omitted or shown in section for illustrative purposes.
  • Figure 2 : a schematic cross-sectional view of the steam generator according to the exemplary embodiment, slightly modified for illustration purposes, along section line AA of Figure 1 .

Wie im vorhergehenden Absatz bereits angedeutet, ist Figur 2 mit Blick auf die Proportionen und die gezeigten Merkmale nicht vollständig identisch zur isometrischen Darstellung des Dampferzeugers in Figur 1.As already indicated in the previous paragraph Figure 2 In view of the proportions and the features shown, it is not completely identical to the isometric representation of the steam generator in Figure 1 .

Dies wurde vor allem deshalb durchgeführt, um im Querschnitt von Figur 2 der vorliegenden Anmeldung die Kerneigenschaften der wichtigsten Merkmale des Dampferzeugers und deren Ausgestaltung hervorzuheben.This was done primarily to see the cross section of Figure 2 The present application highlights the core properties of the most important features of the steam generator and their design.

Konkret werden dabei zum Bespiel die Bereite des Sockels im Verhältnis zum Gehäuse etwas vergrößert, um die im Sockel enthaltenen Strömungskanäle besser zu veranschaulichen. Ebenso wurde die nachfolgend genauer beschriebene Silicium-Carbid Schicht beabstandet zum Strömungskanal und zum Gehäuse dargestellt. Das Silicium-Carbid kann jedoch auch in einen Hohlraum bzw. Aussparungen zwischen Gehäuse und Sockel gefüllt sein, so dass kein Abstand zur Silicium-Carbid Schicht gegeben ist.Specifically, for example, the width of the base is slightly increased in relation to the housing in order to better illustrate the flow channels contained in the base. The silicon carbide layer, described in more detail below, was also shown at a distance from the flow channel and the housing. However, the silicon carbide can also be filled into a cavity or recesses between the housing and the base, so that there is no distance from the silicon carbide layer.

Auch der im Gehäuse selbst verlaufende Teil des Strömungskanals, nachfolgend als erstes Wärmetauschelement bezeichnet, und die entsprechenden Rohre wurden zu Darstellungszwecken vergrößert abgebildet.The part of the flow channel running in the housing itself, hereinafter referred to as the first heat exchange element, and the corresponding pipes have also been shown enlarged for illustration purposes.

All diese Proportionen können jedoch variieren und sind in den Figuren rein exemplarischer Natur.However, all these proportions can vary and are purely exemplary in nature in the figures.

Es versteht sich, dass Figuren 1 und 2 sich auf die gleiche Ausführungsform beziehen und in keinem Widerspruch stehen bzw. als Alternativen oder dergleichen verstanden werden sollen.It is understood that Figures 1 and 2 refer to the same embodiment and are not intended to contradict each other or be understood as alternatives or the like.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

Fig. 1 stellt eine perspektive Darstellung eines Dampferzeugers 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dar. Fig. 1 represents a perspective view of a steam generator 1 according to an exemplary embodiment.

Fig. 1 ist dabei zu entnehmen, dass der Dampferzeuger 1 ein Gehäuse 2 und einen Sockel 20 aufweist. Der Sockel 20 ist in Figur 1 durch einen Schnitt geöffnet dargestellt, um den nachfolgend genauer beschriebenen Strömungsverlauf durch den Sockel 20 besser darzustellen. Fig. 1 It can be seen that the steam generator 1 has a housing 2 and a base 20. The base 20 is in Figure 1 shown opened by a section in order to better illustrate the flow path through the base 20, which will be described in more detail below.

Der Sockel 20 und die darin enthaltenen Komponenten werden im Detail mit Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.The base 20 and the components contained therein are described in detail with reference to Fig. 2 described.

Der in Fig. 1 gezeigte Dampferzeuger 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Strömungskanal und ein zweites Wärmetauschelement 4 angeordnet sind.The in Fig. 1 Steam generator 1 shown comprises a housing 2 in which a flow channel 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 is used as an example of such a heat exchange fluid, which was generated by biomass combustion. 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.The flue gas is led to the steam generator 1 via a funnel 13.

In diesem Zusammenhang weist das Gehäuse 2 des Dampferzeugers 1 einen Einlass 6, an dem der Trichter 13 angeschlossen ist, sowie einen Auslass 7 auf. Dementsprechend kann das Rauchgas das Gehäuse 2 von dem Einlass 6 zu dem Auslass 7 durch den Strömungskanal 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.In this context, 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 through the flow channel. This flow direction is referred to as “first flow direction 5” in the described embodiment. This means that the flue gas flows through the housing 2 along the first flow direction 5 from the inlet 6 to Outlet 7 of housing 2.

In der hier beschriebenen Ausführungsform ist außerdem ein Vorwärmabschnitt 21 des Strömungskanals 3 vorgesehen. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, strömt das Rauchgas zunächst durch diesen Vorwärmabschnitt 21 des Strömungskanals, bevor es zum Einlass 6 des Gehäuses 2 gelangt.In the embodiment described here, a preheating section 21 of the flow channel 3 is also provided. How Figure 1 As can be seen, the flue gas first flows through this preheating section 21 of the flow channel before it reaches the inlet 6 of the housing 2.

Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass kein Vorwärmabschnitt vorgesehen ist, so dass das Rauchgas direkt vom Einlass 6 des Gehäuses 2 entlang der ersten Strömungsrichtung 5 zum Auslass 7 des Gehäuses 2 strömt.However, it is also possible that no preheating section is provided, so that the flue gas flows directly from the inlet 6 of the housing 2 along the first flow direction 5 to the outlet 7 of the housing 2.

In der gezeigten Ausführungsform weist das erste Wärmetauschelement 3 eine Vielzahl von Rohren 8, das heißt eine Vielzahl von Strömungskanälen 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 plurality of tubes 8, that is, a plurality of flow channels, which extend along the direction of extension of the housing 2, that is, 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 is designed "box-like", that is, it extends essentially along a depth direction of the housing 2 and has a rectangular cross section. However, the width and/or height as well as 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. Dieser Dampf kann anschließend beispielsweise zur Stromerzeugung verwendet werden. Hierbei kann der Strom in einem Dampfmotor und/oder einer Dampfturbine verwendet werden, welcher mit dem erzeugten Dampf gespeist wird. In der gezeigten Ausführungsform ist das zweite Wärmetauschelement 4 als ein einziges Rohr 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 thus from a liquid state to one brought to a vaporous state. This steam can then be used, for example, to generate electricity. The electricity can be used in a steam engine and/or a steam turbine, which is fed with the steam generated. In the embodiment shown, the second heat exchange element 4 is designed as a single tube, which extends with windings through the housing 2 of the steam generator 1.

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

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

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist das zweite Wärmetauschelement 4 in Form eines Rohrs eine Vielzahl von Rohrwicklungen 10 auf. Diese Rohrwicklungen 10 sind, wie in Fig. 1 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. Im Querschnitt durch den Dampferzeuger gemäß Figur 2 wird zur verbesserten Darstellung auf die Abbildung des zweiten Wärmetauschelements 4 verzichtet.As can be seen from the figures, the second heat exchange element 4 has a plurality of tube windings 10 in the form of a tube. These tube windings 10 are, as in Fig. 1 can be seen, so arranged in the housing 2 that the second heat exchange element 4 extends essentially perpendicular 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 the tube surface its extension from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2. In cross section through the steam generator Figure 2 For improved illustration, the second heat exchange element 4 is not shown.

Das heißt, während sich die Rohre 8 des ersten Wärmetauschelements 3 vom Einlass 6 zum Auslass 7 des Gehäuses 2 geradlinig erstrecken nachdem das Rauchgas den Vorwärmabschnitt 21 durchlaufen hat, weist das Rohr 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 pipes 8 of the first Heat exchange element 3 extends in a straight line from the inlet 6 to the outlet 7 of the housing 2 after the flue gas has passed through the preheating section 21, the pipe of the second heat exchange element 4 has a plurality of pipe sections which run vertically in the embodiment shown, so that the pipe windings connected to U-shaped pipe winding sections 10 extend essentially 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 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.However, according to a further embodiment, not shown, it is also possible for the first flow direction 5 and the second flow direction to run essentially parallel to one another.

Ebenso ist es möglich, dass ein jedes Rohr 8, also die jeweiligen Strömungskanäle des Dampferzeugers durch welche Rauchgas strömt, mindestens eine, bevorzugt mehrere U-förmige Rohrwicklungen aufweist. Ist dies der Fall, kann das Rauchgas z.B. vom Einlass 6 des Gehäuses (bzw. falls vorgesehen, vom Einlass des Vorwärmabschnitts 21 des Strömungskanals) zunächst entlang der ersten Strömungsrichtung 5 verlaufen, dann durch die U-förmige Rohrwicklung in entgegengesetzter Richtung verlaufen und somit in Richtung des Einlasses 6 zurückströmen. Ein solcher Verlauf ist in Figur 1 und 2 dargestellt. Wie dem im Sockel 21 vorgesehenen Vorwärmabschnitt 21 und dem darin dargestellten Pfeil entnommen werden kann, strömt das Rauchgas zunächst durch eine untere Tasche 21a bevor es über eine U-förmige Rohrwicklung durch eine seitliche Tasche 21b zurückströmen kann. Nachdem die seitliche Tasche 21b des Vorwärmabschnitts 21 vom Rauchgas durchströmt worden ist, wird es in die Vielzahl von Rohren 8 geströmt.It is also possible for each pipe 8, i.e. the respective flow channels of the steam generator through which flue gas flows, to have at least one, preferably several, U-shaped pipe windings. If this is the case, the flue gas can, for example, from the inlet 6 of the housing (or, if provided, from the inlet of the preheating section 21 of the flow channel) first run along the first flow direction 5, then run through the U-shaped pipe winding in the opposite direction and thus in Flow back in the direction of inlet 6. Such a course is in Figure 1 and 2 shown. As can be seen from the preheating section 21 provided in the base 21 and the arrow shown therein, the flue gas first flows through a lower pocket 21a before it can flow back through a side pocket 21b via a U-shaped pipe winding. After the flue gas has flowed through the side pocket 21b of the preheating section 21, it is flowed into the plurality of tubes 8.

Konkret bedeutet dies außerdem, dass die U-förmigen Rohrwicklungen des Strömungskanals 3 im Vorwärmabschnitt 21 und/oder dem Abschnitt des Strömungskanals, der in dem Gehäuse angeordnet ist, vorgesehen sein kann. Zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform wird, in Anlehnung an Fig. 2, davon ausgegangen, dass sowohl im Vorwärmabschnitt 21 als auch im Abschnitt des Strömungskanals, der in dem Gehäuse 2 angeordnet ist, U-förmige Rohrwicklungen vorgesehen sind.Specifically, this also means that the U-shaped Pipe windings of the flow channel 3 can be provided in the preheating section 21 and / or the section of the flow channel that is arranged in the housing. To explain the preferred embodiment, based on Fig. 2 , it is assumed that U-shaped pipe windings are provided both in the preheating section 21 and in the section of the flow channel which is arranged in the housing 2.

Eine solcher Strömungsverlauf ist außerdem durch die Richtungsangaben in den jeweiligen Rohren 8 in Fig. 2 sowie dem Vorwärmabschnitt 21 im Sockel 20 in Fig. 1 veranschaulicht und wird weiter unten nochmals detaillierter erläutert.Such a flow pattern is also determined by the directional information in the respective pipes 8 in Fig. 2 and the preheating section 21 in the base 20 in Fig. 1 illustrated and will be explained in more detail below.

Ferner lässt der Pfeil im Vorwärmabschnitt 21 im Sockel 20 des Dampferzeugers klar und eindeutig verstehen, dass das eintretende Rauchgas zunächst durch einen unteren Teil des Sockels 20 im Vorwärmabschnitt 21, das heißt durch die untere Tasche 21a, zur Wärmeübertragung auf das Gehäuse 2 strömt, dann eine U-Förmige Rohrwicklung aufweist, um dann seitlich vom Gehäuse in einer der ersten Strömungsrichtung 5 entgegengesetzten Richtung durch die seitliche Tasche 21b des Vorwärmabschnitts 21 zur weiteren Wärmeübertragung auf das Gehäuse 2 zurückzuströmen.Furthermore, the arrow in the preheating section 21 in the base 20 of the steam generator makes it clear and unambiguous that the incoming flue gas first flows through a lower part of the base 20 in the preheating section 21, that is, through the lower pocket 21a, for heat transfer to the housing 2, then has a U-shaped tube winding, in order to then flow back laterally from the housing in a direction opposite to the first flow direction 5 through the side pocket 21b of the preheating section 21 for further heat transfer to the housing 2.

Fig. 1 veranschaulicht zudem, dass sich das zweite Wärmetauschelement 4 mit den U-förmigen Rohrwicklungen 10 zwischen den Rohren 8 und dem Gehäuse 2 erstreckt. Fig. 1 also illustrates that the second heat exchange element 4 with the U-shaped tube windings 10 extends between the tubes 8 and 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 im Wesentlichen vertikal verläuft. Ebenso ist es jedoch möglich, den Dampferzeuger 1 "hochkant" anzuordnen, sodass eine erste Strömungsrichtung 5 in einer vertikalen Richtung und die zweite Strömungsrichtung 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 runs essentially vertically. However, it is also possible to arrange the steam generator 1 "upright", so that a first flow direction 5 is in a vertical direction and the second flow direction is in Essentially runs in a horizontal direction. If the space requirement requires this, an inclined arrangement of the housing 2 is also conceivable.

In der in Fig. 1 und in Fig. 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 Fig. 1 and in Fig. 2 In the illustrated embodiment, the second heat exchange element 4 extends along several planes in a width direction, because the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 extend essentially perpendicular to the first flow direction 5. Separately, however, it is also possible for the tube windings 10 of the second heat exchange element 4 to extend along a vertical direction in different planes in a height direction of the housing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3 or a mixture thereof within the housing 2 between the tubes 8 of the first heat exchange element 3.

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 im Gehäuse 2 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 to generate steam. Here, the heat transfer medium is a salt bath which covers the first heat exchange element 3 and the second heat exchange element 4 in the housing 2.

Wie in Fig. 1 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 Fig. 1 shown, this salt bath can be filled into the housing 2 via inlet connection 15. The salt bath thus fills the spaces 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 storage 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 have a nitrate salt, in particular a potassium-sodium nitrate.

Ferner kann der Strömungskanal innerhalb des Gehäuses in der in Fig 1 gezeigten Ausführungsform, also das erste Wärmetauschelement 3, einen sich verjüngenden Querschnitt innerhalb des Gehäuses 2 aufweisen. Entsprechend ist der Querschnitt an einem Einlass 6 des Strömungskanals größer als an einem Auslass 7 des Strömungskanals.Furthermore, the flow channel within the housing can be in the in Fig 1 The embodiment shown, i.e. the first heat exchange element 3, has a tapering cross section within the housing 2. Accordingly, the cross section at an inlet 6 of the flow channel is larger than at an outlet 7 of the flow channel.

Diese Verjüngung des Querschnitts kann z.B. im Bereich der U-förmigen Rohrwicklungen des Strömungskanals vorgesehen sein. Alternativ ist es möglich, dass die Verjüngung entlang der ersten Strömungsrichtung 5 erfolgt.This narrowing of the cross section can be provided, for example, in the area of the U-shaped pipe windings of the flow channel. Alternatively, it is possible for the taper to take place along the first flow direction 5.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann eine Problematik aufgrund von schwankenden Dampfparametern, der zum Beispiel auf nicht konstantem Brennstoff bzw. dessen Brennwert zurückzuführen ist, selbst bei überkritischen Drücken von über 350 bar unterbunden werden.According to such an embodiment, a problem due to fluctuating steam parameters, which is due, for example, to non-constant fuel or its calorific value, can be prevented 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.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 several second heat exchange elements 4, it is also possible for water not to flow through one of these heat exchange elements if it is not currently needed. Due to the arrangement of the heat transfer medium in the housing 2 of the steam generator 1, destruction or overheating of the empty pipe 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 referred to as “nitrate melt”.

Dieses kann bis zu 565°C erhitzt werden, ohne sich dabei zu zersetzen.This can be heated up to 565°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 drittes Rohr 8 für Hochdruckdämpfe (beispielsweise 500 bar) für Motoren und Turbinen mit der gleichen Vorrichtung bereitgestellt 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 pipe 8 for seven bar steam, another pipe 8 for 16 bar steam and a third pipe 8 for high-pressure steam (for example 500 bar) for engines and turbines can be provided with the same device. This is controlled by the flow speed in the respective tubes 8 of the second heat exchange element 4.

Darüber hinaus wird aufgrund der Querschnittsverjüngung entlang der Wärmetauschfluidströmung durch das Gehäuse 2 der Energieeintrag in das Salzbad am Einlass des Strömungskanals am höchsten und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit am Einlass des Strömungskanals am geringsten gehalten.In addition, due to the cross-sectional taper along the heat exchange fluid flow through the housing 2, the energy input into the salt bath is kept highest at the inlet of the flow channel and at the same time the flow velocity at the inlet of the flow channel is kept lowest.

Somit kann eine Überbelastung des Salzbades auch bei Hochtemperaturanwendungen verhindert und eine möglichst homogene Wärmeübertragung erzielt werden. Somit ist eine drucklose Speicherung von Energie realisierbar, ohne dass dabei ein Betriebsrisiko auftritt und Überbelastungen riskiert werden würden.This means that overloading of the salt bath can be prevented, even in high-temperature applications, and heat transfer can be achieved as homogeneously as possible. This means that energy can be stored without pressure without any operational risk or risk of overloading.

Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann also ein Dampferzeuger realisiert werden, welcher bei einem maximalen Druck von 0,1 bar auf die Salzschmelze dauerhaft und sicher betrieben werden kann.According to such an embodiment, a steam generator can be realized which can be operated permanently and safely at a maximum pressure of 0.1 bar on the molten salt.

Eine weitere Absicherung kann hierbei durch das Vorsehen von (nicht dargestellte) Edelstahlblechen als (Sicherheits-) Membran realisiert werden. Selbst im unwahrscheinlichen Fall einer Leckage oder Korrosion im Gehäuse 2 ist somit das Gehäuse 2 nach außen hin zusätzlich abgesichert.Further protection can be achieved by providing stainless steel sheets (not shown) as a (safety) membrane. Even in the unlikely event of a leak or corrosion in the housing 2, the housing 2 is therefore additionally protected from the outside.

Des Weiteren kann zur Prozessüberwachung am Gehäuse 2 eine (nicht dargestellte) Überwachungseinrichtung vorgesehen sein.Furthermore, a monitoring device (not shown) can be provided on the housing 2 for process monitoring.

Beispielhaft kann eine solche Überwachungseinrichtung in Form eines an einer Oberseite des Gehäuses 2 vorgesehen Rohrs ausgestaltet sein, welches in ein Wasserbad mündet.For example, such a monitoring device can be designed in the form of a tube provided on an upper side of the housing 2, which opens into a water bath.

Würde es im Gehäuse 2 zu einer (unwahrscheinlichen) Leckage des Wärmetauschfluids in das Salzbad und/oder einer Zersetzung des Salzbades kommen, würden, z.B., Stickoxide und/oder Sauerstoff freigesetzt werden. Die entstandenen Gase könnten dann durch Wasserblasen im Wasser unverzüglich erfasst und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen abgeleitet werden.If there were an (unlikely) leakage of the heat exchange fluid into the salt bath in the housing 2 and/or decomposition of the salt bath, for example, nitrogen oxides and/or oxygen would be released. The resulting gases could then be immediately detected by water bubbles in the water and appropriate safety measures taken.

Darüber hinaus ermöglicht das Vorsehen eines Vorwärmeabschnitts 21 im Sockel 20, welcher das Gehäuse 2 trägt, dass bereits der Großteil des Wärmeeintrags über dieses Vorwärmabschnitt 21 des Strömungskanals 3 erfolgen kann.In addition, the provision of a preheating section 21 in the base 20, which carries the housing 2, enables the majority of the heat input to take place via this preheating section 21 of the flow channel 3.

In Fig. 2 ist die Grundstruktur des Dampferzeugers 1 analog zum Dampferzeuger von Fig. 1 mit leicht modifizierten Proportionen ausgestaltet. In der gezeigten Ausführungsform ist der Sockel 20 aus Beton, bevorzugt HT-Beton.In Fig. 2 is the basic structure of the steam generator 1 analogous to the steam generator of Fig. 1 designed with slightly modified proportions. In the embodiment shown, the base 20 is made of concrete, preferably HT concrete.

Analog zur Darstellung von Fig. 1, wird der im Querschnitt in Fig. 2 entlang der Linie A-A von Figur 1 dargestellte Strömungskanal von einem Einlass des Strömungskanals zu einem Auslass des Strömungskanals von einem Wärmetauschfluid durchströmt und ein Abschnitt des Strömungskanals ist als erstes Wärmetauschelement 3 in dem Gehäuse 2 angeordnet. Darüber hinaus veranschaulicht Fig. 2 einen Vorwärmabschnitt 21 des Strömungskanals, der in dem Sockel 20 angeordnet ist und in die untere Tasche 21a und die durch eine U-förmige Rohrwicklung verbundene seitliche Tasche 21b unterteilt werden kann.Analogous to the representation of Fig. 1 , the cross section is in Fig. 2 along line AA from Figure 1 A heat exchange fluid flows through the flow channel shown from an inlet of the flow channel to an outlet of the flow channel and a section of the flow channel is arranged as a first heat exchange element 3 in the housing 2. Furthermore illustrated Fig. 2 a preheating section 21 of the flow channel, which is arranged in the base 20 and can be divided into the lower pocket 21a and the side pocket 21b connected by a U-shaped pipe coil.

Mit anderen Worten, der Strömungskanal weist einen Abschnitt in dem Gehäuse 2 auf, in dem er als erstes Wärmetauschelement 3 fungiert sowie einen stromaufwärts davon angeordneten Vorwärmabschnitt 21, der durch den Sockel 20 verläuft.In other words, the flow channel has a section in the housing 2 in which it functions as a first heat exchange element 3 and a preheating section 21 arranged upstream thereof and running through the base 20.

Somit ist der Dampferzeuger der dargestellten Ausführungsform ausgestaltet, dass das Wärmetauschfluid zuerst durch den Vorwärmabschnitt 21 des Strömungskanals und dann durch den in dem als erstes Wärmetauschelement 3 in dem Gehäuse 2 angeordneten Abschnitt des Strömungskanals strömt. In der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung ist der Strömungskanal im Bereich des Sockels 20 aus Keramik, insbesondere aus Calcium-Aluminat geformt.Thus, the steam generator of the illustrated embodiment is designed so that the heat exchange fluid first flows through the preheating section 21 of the flow channel and then through the section of the flow channel arranged in the housing 2 as the first heat exchange element 3. In the in Fig. 2 In the embodiment shown, the flow channel in the area of the base 20 is made of ceramic, in particular made of calcium aluminate.

Wie bereits erwähnt weist die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung sowohl der Vorwärmabschnitt 21 als auch der Abschnitt des Strömungskanals 3, der in dem Gehäuse 2 angeordnet ist, mindestens eine U-förmige Rohrwicklung auf, sodass das am Einlass des Strömungskanals 3 eintretende Wärmetauschfluid den Strömungskanal parallel zur Erstreckungsrichtung des Gehäuses durchströmen kann und dann in entgegengesetzter Richtung wieder in Richtung des Einlasses des Strömungskanals parallel dazu strömen kann, um dann durch eine weitere U-förmige Rohrwicklung des Strömungskanals in das Gehäuse 2 des Dampferzeugers einströmen zu können.As already mentioned, the in Fig. 2 shown embodiment, both the preheating section 21 and the section of the flow channel 3, which is arranged in the housing 2, have at least one U-shaped tube winding, so that the heat exchange fluid entering at the inlet of the flow channel 3 can flow through the flow channel parallel to the direction of extension of the housing and then can flow in the opposite direction again in the direction of the inlet of the flow channel parallel to it, in order to then be able to flow into the housing 2 of the steam generator through a further U-shaped pipe winding of the flow channel.

Zur Veranschaulichung der Strömungsrichtung des Wärmetauschfluids ist die Strömung entlang der Erstreckungsrichtung vom Einlass des Strömungskanals entlang des Gehäuses, das heißt entlang der ersten Strömungsrichtung 5 von Fig. 1, durch ein "X" und die Strömung in entgegengesetzter Richtung durch einen Punkt (".") in Fig. 2 veranschaulicht.To illustrate the flow direction of the heat exchange fluid, the flow is along the direction of extension from the inlet of the flow channel along the housing, that is, along the first flow direction 5 of Fig. 1 , through an "X" and the flow in the opposite direction through a point (".") in Fig. 2 illustrated.

Analog dazu, weist, wie oben erwähnt, auch der Abschnitt des Strömungskanals, der in dem Gehäuse 2 angeordnet ist und dabei als erstes Wärmetauschelement 3 fungiert, mehrere U-förmige Rohrwicklungen auf, sodass das Wärmetauschfluid über eine möglichst lange Erstreckung durch das Gehäuse geführt werden kann.Analogous to this, as mentioned above, the section of the flow channel, which is arranged in the housing 2 and functions as the first heat exchange element 3, also has several U-shaped tube windings, so that the heat exchange fluid is guided through the housing over the longest possible extent can.

Somit kann, wie durch den Pfeil in Figur 1 angedeutet, in einer solchen Ausgestaltung, das Wärmetauschfluid zunächst durch die Vorwärmabschnitte 21 der hier gezeigten zwei, parallel zueinander verlaufenden Strömungskanäle vom Einlass des Vorwärmabschnitts 21 entlang des Gehäuses 2 durch die untere Tasche 21a an der Außenseite des Gehäuses strömen und am Ende des Gehäuses 2 in Längsrichtung durch die seitliche Tasche 21b wieder in der entgegengesetzten Strömungsrichtung zurückströmen.Thus, as indicated by the arrow in Figure 1 indicated, in such an embodiment, the heat exchange fluid first passes through the preheating sections 21 of the two shown here, parallel flow channels flow from the inlet of the preheating section 21 along the housing 2 through the lower pocket 21a on the outside of the housing and flow back in the opposite flow direction at the end of the housing 2 in the longitudinal direction through the side pocket 21b.

Im Anschluss tritt das Wärmetauschfluid durch den in dem Gehäuse 2 angeordneten als erstes Wärmetauschelement 3 dienenden Abschnitts des Strömungskanals. Folglich kann zunächst die Wärme des Wärmetauschfluids im Vorwärmabschnitt 21 an das Gehäuse 2 und damit an das darin enthaltene Salzbad abgegeben werden. Somit ist eine Überbeanspruchung des Abschnitts des Strömungskanals im Gehäuse (erstes Wärmetauschelement 3) ausgeschlossen.The heat exchange fluid then passes through the section of the flow channel arranged in the housing 2 and serving as the first heat exchange element 3. Consequently, the heat of the heat exchange fluid in the preheating section 21 can first be given off to the housing 2 and thus to the salt bath contained therein. This means that overstressing of the section of the flow channel in the housing (first heat exchange element 3) is excluded.

Darüber hinaus ist aus Fig. 2 zu entnehmen, dass der Querschnitt des Strömungskanals 3 im Bereich des Vorwärmabschnitts 21 am größten ist. Mit anderen Worten, der Querschnitt des Vorwärmabschnitts 21 ist größer als der Querschnitt des Strömungskanals 3 innerhalb des Gehäuses 2. Folglich ist der Wärmeeintrag in das Salzbad im Bereich des Vorwärmabschnitts 21 auf Grund der reduzierten Strömungsgeschwindigkeit am größten und das Salzbad kann entsprechend vorgewärmt werden.Beyond that is out Fig. 2 it can be seen that the cross section of the flow channel 3 is largest in the area of the preheating section 21. In other words, the cross section of the preheating section 21 is larger than the cross section of the flow channel 3 within the housing 2. Consequently, the heat input into the salt bath is greatest in the area of the preheating section 21 due to the reduced flow velocity and the salt bath can be preheated accordingly.

Um hierzu den Energieeintrag zu optimieren, kann, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Silizium-Carbid-Sand-Schicht 22 zwischen dem Gehäuse 3 und dem Vorwärmabschnitt 21 vorgesehen sein.In order to optimize the energy input, as in Fig. 2 shown, a silicon carbide sand layer 22 may be provided between the housing 3 and the preheating section 21.

Dadurch wird eine möglichst homogene Wärmeübertragung in das Gehäuse 2 sichergestellt.This ensures that heat transfer into the housing 2 is as homogeneous as possible.

Darüber hinaus ermöglicht der größere Querschnitt des Strömungskanals 3 im Bereich des Vorwärmabschnitts 21, dass die Strömungsgeschwindigkeit zu Beginn des Durchströmens des Strömungskanals 3 möglichst geringgehalten werden kann.In addition, the larger cross section of the flow channel 3 in the area of the preheating section 21 enables the flow velocity at the beginning of the flow through the flow channel 3 to be kept as low as possible.

Hierbei ist es ebenfalls möglich, dass zum Beispiel der Querschnitt im gesamten Bereich des Vorwärmabschnitts 21 des Strömungskanals konstant bleibt und sich lediglich im Bereich des ersten Wärmetauschelements 3 reduziert.It is also possible here that, for example, the cross section remains constant in the entire area of the preheating section 21 of the flow channel and is reduced only in the area of the first heat exchange element 3.

Analog dazu ist es ebenso denkbar, dass sich die Querschnitte des Vorwärmabschnitts 21 und/oder Querschnitte des Strömungskanals, in dem Abschnitt, in dem er als erstes Wärmetauschelement 3 dient, kontinuierlich oder stufenweise reduzieren.Analogous to this, it is also conceivable that the cross sections of the preheating section 21 and/or cross sections of the flow channel, in the section in which it serves as the first heat exchange element 3, reduce continuously or gradually.

Analog dazu ist es möglich, dass sich die Wandstärke des Vorwärmabschnitts 21 entlang seiner Erstreckungsrichtung reduziert. So kann eine anfängliche Überhitzung vermieden und über den Erstreckungsverlauf des Vorwärmabschnitts 21 gleichmäßige Wärmeübertragung an das Gehäuse bzw. das darin enthaltene Salzbad realisiert werden.Analogously, it is possible for the wall thickness of the preheating section 21 to be reduced along its direction of extension. In this way, initial overheating can be avoided and uniform heat transfer to the housing or the salt bath contained therein can be achieved over the extent of the preheating section 21.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

11
DampferzeugerSteam generator
22
GehäuseHousing
33
erstes Wärmetauschelementfirst heat exchange element
44
zweites Wärmetauschelementsecond heat exchange element
55
erste Strömungsrichtungfirst flow direction
66
Einlass des GehäusesInlet of the housing
77
Auslass des GehäusesOutlet of the housing
88th
RohrPipe
1010
Rohrwicklungen des zweiten WärmetauschelementsPipe windings of the second heat exchange element
1313
Trichterfunnel
1515
EinlassstutzenInlet connection
2020
Sockelbase
2121
VorwärmabschnittPreheating section
21a21a
untere Taschelower pocket
21b21b
seitliche Tascheside pocket
2222
Silizium-Carbid-Sand-SchichtSilicon carbide sand layer

Claims (15)

Dampferzeuger (1), aufweisend: ein Gehäuse (2); einen Strömungskanal, der von einem Einlass des Strömungskanals zu einem Auslass des Strömungskanals von einem Wärmetauschfluid, bevorzugt Rauchgas, durchströmbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Strömungskanals als erstes Wärmetauschelement (3) in dem Gehäuse (2) angeordnet ist; mindestens ein in dem Gehäuse (2) 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 den Strömungskanal strömenden Wärmetauschfluid auf das durch das zweite Wärmetauschelement (4) strömende Wasser zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransfermedium ein Salzbad ist, und der Querschnitt des Strömungskanals an dem Einlass des Strömungskanals größer ist als an dem Auslass des Strömungskanals. Steam generator (1), comprising: a housing (2); a flow channel through which a heat exchange fluid, preferably flue gas, can flow through from an inlet of the flow channel to an outlet of the flow channel, wherein at least a portion of the flow channel is arranged as a first heat exchange element (3) in the housing (2); at least one second heat exchange element (4) arranged in the housing (2), 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 flow channel to the water flowing through the second heat exchange element (4) in order to generate steam, characterized in that the heat transfer medium is a salt bath, and the cross section of the flow channel is larger at the inlet of the flow channel than at the outlet of the flow channel. Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) aus Edelstahl geformt ist.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the housing (2) is formed from stainless steel. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Wärmetauschelement (3) zumindest in einem Abschnitt am Einlass (6) des Gehäuses (2) eine Keramik-Ummantelung, bevorzugt aus Calcium-Aluminat, aufweist.Steam generator (1) according to claim 1 or 2, wherein the first heat exchange element (3) has a ceramic jacket, preferably made of calcium aluminate, at least in a section at the inlet (6) of the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 3, wobei die Keramik-Ummantelung an einer Innenseite des ersten Wärmetauschelements (3) vorgesehen ist, und zumindest in dem Bereich der Keramik-Ummantelung, bevorzugt über die gesamte Erstreckung des ersten Wärmetauschelements (3), an der Außenseite des ersten Wärmetauschelements (3) Rippen, bevorzugt, Stahlrippen, vorgesehen sind, welche sich in das Innere des Gehäuses hinein erstrecken. Steam generator (1) according to claim 3, wherein the ceramic casing is provided on an inside of the first heat exchange element (3), and at least in the area of the ceramic casing, preferably over the entire extent of the first heat exchange element (3), ribs, preferably steel ribs, are provided on the outside of the first heat exchange element (3), which extend into the interior of the housing. Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) auf einem Sockel (20) abgestützt ist, wobei der Strömungskanal einen Vorwärmabschnitt (21) aufweist, der in dem Sockel (20) angeordnet ist, und wobei der Dampferzeuger (1) so ausgestaltet ist, dass das Wärmetauschfluid zuerst durch den Vorwärmabschnitt (21) des Strömungskanals und dann durch den in dem als erstes Wärmetauschelement (3) in dem Gehäuse (2) angeordneten Abschnitt des Strömungskanals strömt. Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the housing (2) is supported on a base (20), wherein the flow channel has a preheating section (21) which is arranged in the base (20), and wherein the steam generator (1) is designed such that the heat exchange fluid flows first through the preheating section (21) of the flow channel and then through the section of the flow channel arranged in the housing (2) as the first heat exchange element (3). Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 5, wobei der Sockel (20) aus Beton geformt ist, und/oder der Vorwärmabschnitt (21) des Strömungskanals aus Keramik, bevorzugt aus Calcium-Aluminat, geformt ist. Steam generator (1) according to claim 5, wherein the base (20) is made of concrete, and/or the preheating section (21) of the flow channel is made of ceramic, preferably made of calcium aluminate. Dampferzeuger (1) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Wandstärke des Vorwärmabschnitts (21) entlang seiner Erstreckungsrichtung abnimmt.Steam generator (1) according to claim 5 or 6, wherein the wall thickness of the preheating section (21) decreases along its direction of extension. Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei im Sockel (20) zwischen Gehäuse (2) und Vorwärmabschnitt (21) des Strömungskanals eine Silizium-Carbid-Sand-Schicht (22) vorgesehen ist.Steam generator (1) according to one of claims 5 to 7, wherein a silicon carbide sand layer (22) is provided in the base (20) between the housing (2) and the preheating section (21) of the flow channel. Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Querschnitt des Strömungskanals in dem Vorwärmabschnitt (21) konstant ist.Steam generator (1) according to one of claims 5 to 8, wherein the cross section of the flow channel in the preheating section (21) is constant. Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt des Strömungskanals an einem Einlass (6) des Abschnitts des Strömungskanals, der in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, größer ist als an dem Auslass (7) des Abschnitts des Strömungskanals, der in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the cross section of the flow channel is larger at an inlet (6) of the section of the flow channel which is arranged in the housing (2) than at the outlet (7) of the section of the flow channel, which is arranged in the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungskanal mehrere U-förmige Rohrwicklungen (10) aufweist.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the flow channel has a plurality of U-shaped pipe windings (10). Dampferzeuger (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei der Strömungskanal mehrere U-förmige Rohrwicklungen (10) aufweist, und die U-förmigen Rohrwicklungen (10) in dem Vorwärmabschnitt (21) und/oder dem Abschnitt des Strömungskanals, der in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, vorgesehen sind. Steam generator (1) according to one of claims 5 to 11, wherein the flow channel has several U-shaped pipe windings (10), and the U-shaped pipe windings (10) are provided in the preheating section (21) and/or the section of the flow channel which is arranged in the housing (2). Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dampferzeuger (1) mehrere der Strömungskanäle aufweist, die parallel zueinander von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sind.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the steam generator (1) has several of the flow channels through which the heat exchange fluid can flow parallel to one another. Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Salzbad ein Nitratsalz, bevorzugt Kalium-Natrium-Nitrat, aufweist.Steam generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the salt bath has a nitrate salt, preferably potassium sodium nitrate. Dampferzeuger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmetransfermedium mindestens das erste Wärmetauschelement (3) und das zweite Wärmetauschelement (4) bedeckt.Steam generator (1) according to 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).
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