WO2011060870A1 - Wärmetauscher zur dampferzeugung für solarkraftwerke - Google Patents

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WO2011060870A1
WO2011060870A1 PCT/EP2010/006512 EP2010006512W WO2011060870A1 WO 2011060870 A1 WO2011060870 A1 WO 2011060870A1 EP 2010006512 W EP2010006512 W EP 2010006512W WO 2011060870 A1 WO2011060870 A1 WO 2011060870A1
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heat
heat exchanger
inlet
outlet
tubes
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Dirk Band
Wolfgang Hegner
Jörg Stahlhut
Vitali Tregubow
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Balcke-Dürr GmbH
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    • F28D7/087—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration in the form of parallel conduits coupled by bent portions assembled in arrays, each array being arranged in the same plane
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    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
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    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/185—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding with additional preformed parts

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for generating steam for solar power plants.
  • Modular heat exchangers are known from the prior art, which according to the so-called order to run principle, natural or forced circulation, work.
  • the heat exchanger comprises a number of heat exchanger modules, for example a preheater module, one or more evaporator modules and a superheater module, which are interconnected by means of respective inlet and outlet headers, circulation pipes and an external steam drum to form a functional unit.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a heat exchanger, which allows a compact design, cost-effective production and safe operation.
  • the heat exchanger according to the invention for generating steam for solar power plants comprises an outer jacket with an inlet and an outlet for a heat-emitting medium. Furthermore, the heat exchanger comprises an inlet and an outlet header for a heat-absorbing medium, preferably water, wherein the inlet and the outlet header are arranged substantially inside the outer shell.
  • a tube bundle with a number of tube layers with continuous tubes which are formed by the heat-emitting medium completely flow around and which are formed as flow paths for the heat-absorbing medium from the inlet collector to the outlet collector. In this case, the tube bundle is formed meandering.
  • the heat exchanger according to the invention is designed for generating steam according to the forced-circulation principle, so that the heat-absorbing medium fed into the inlet collector successively undergoes preheating, evaporation and superheating in the course of the flow paths, so that a superheated steam exits from the outlet collector.
  • the energy required for the preheating, evaporation and overheating is provided essentially only by the heat transfer from the heat-emitting medium to the heat-absorbing medium within the outer shell.
  • the heat exchanger combines at least three different apparatus, namely preheater, evaporator and superheater, in one. Due to the meandering arrangement of the tubes, the heat exchange takes place according to the counter or cross flow principle.
  • the meandering tubes are flowed through by a heat-absorbing medium, preferably water.
  • the meandering arrangement of the tube bundles reduces the overall size of the heat exchanger, improves the heat transfer from the heat-emitting to the heat-absorbing medium and also increases the thermo-elasticity of the structure.
  • the heat-absorbing medium preferably water
  • the water which enters the heat exchanger via the inlet header in the liquid state is preheated in the direction of the outlet header in the course of its flow within the heat exchanger tubes. vaporizes and overheats, so that via the outlet collector, a superheated steam leaves the heat exchanger, which can be fed to the steam turbine to generate electricity.
  • continuous tubes means that each tube, which respectively defines a flow path for the heat-absorbing medium, has no branching or mixing points between the inlet collector and the outlet collector. This means that no parts of the tube bundle are outside of the outer jacket and that the pipes are completely surrounded by the heat-emitting medium. So no external energy sources are needed to promote preheating, evaporation or overheating.
  • the heating surfaces of the continuous tubes themselves thus form successively the preheater, evaporator and superheater zones viewed in the direction of flow. Externally, these individual "zones" are not recognizable, since only one tube bundle is arranged between the inlet header and the outlet header and the tube bundle has a constant course with a repetitive meandering pattern.
  • the heat exchanger can be set up either horizontally or vertically.
  • vertical placement is preferred because it allows even better land use.
  • several of the heat exchangers according to the invention can be operated side by side in parallel on a relatively small area.
  • the space conditions are unfavorable because the parabolic trough collectors take up a lot of space.
  • the space-saving design of the heat exchanger according to the invention allows an almost location-independent installation, so that the flow paths of the heated media can be shortened to the heat exchanger expedient manner.
  • the temperatures of the heat-emitting medium when entering the heat exchanger are higher, so that the heat yield is better.
  • a further preferred embodiment of the invention provides that the tube bundle has a number of vertical tube layers in a vertical position, each tube layer is formed from an equal number of tubes, and that the tube layers are arranged so that the tubes of the individual Pipe layers in the horizontal direction are aligned exactly juxtaposed, wherein the flow directions of the heat-absorbing medium in the horizontally adjacent, arranged transversely to the central axis of the outer shell pipe sections are opposite.
  • the design of the tube bundles in individual tube layers allows an extremely compact design. The fact that the tubes lie horizontally exactly next to each other, conventional spacers between the tubes can be used.
  • the inlet and the outlet header have a circular cross-section.
  • the tubes of a pipe layer on a circumferential line of the inlet or outlet collector are offset from each other by an equal angle with the inlet and outlet collector. In this way, the manufacturing process is facilitated because there is enough space for welding, machining or other work on the collectors.
  • the tubes of the adjacent pipe layers are connected to the inlet or outlet collector, that the tubes of a pipe layer with respect to the tubes of the adjacent pipe layer are offset by an angle on an adjacent circumferential line of the respective inlet and outlet collector ,
  • the peripheral surfaces of the inlet and outlet collector can be optimally utilized, so that the arrangement of the pipe layers can be made compact. There is still enough space for welding, machining or other work on the collectors.
  • the tube bundle on a separate section in which takes place predominantly the preheating of the heat-absorbing medium can be realized for example by a local separation within the outer shell. It is also possible to control the flow of the heat-emitting medium and thus the temperature distribution in the heat exchanger so that in this preheater section takes place mainly the preheating of the heat-absorbing medium. Alternatively, the preheating could be completely outside the outer jacket, ie in a separate pre-heating warmer, done. In this case, the heat exchanger according to the invention would be designed primarily for the evaporation and overheating of the heat-absorbing medium.
  • the tube bundle has a separate section in which predominantly the evaporation of the heat-absorbing medium takes place.
  • the separate evaporator section can be realized for example by a local separation within the outer shell. It is also possible to control the flow of the heat-emitting medium and thus the temperature distribution in the heat exchanger so that in this evaporator section mainly the evaporation of the heat-absorbing medium takes place. Alternatively, the evaporation could completely outside the outer shell, d. H. in a separate evaporator. In this case, the heat exchanger according to the invention would be designed primarily for preheating and overheating of the heat-absorbing medium.
  • the tube bundle on a separate section in which takes place predominantly the overheating of the heat-absorbing medium can be realized for example by a local separation within the outer jacket. It is also possible to control the flow of the heat-emitting medium and thus the temperature distribution in the heat exchanger so that in this superheater section takes place mainly the overheating of the heat-absorbing medium. Alternatively, the overheating could be completely outside the outer shell, d. H. in a separate superheater, done. In this case, the heat exchanger according to the invention would be designed primarily for the preheating and the evaporation of the heat-absorbing medium.
  • the tubes are connected via nipples to the inlet and outlet header.
  • the connection of the compact tube bundle at the inlet and outlet collector is simplified.
  • the connection between the nipples and the individual tubes is preferably cohesively, for example by welding. The welding process can be automated. Subsequently, the welds are checked individually, for example with the help of X-rays.
  • the tubes are connected without nipple directly to the inlet or outlet collector.
  • the connection between the collectors and the individual tubes is preferably cohesively, for example by welding.
  • the welding process can also be automated here. Subsequently, the welds are checked individually, for example with the help of X-rays.
  • the nipples are in turn cohesively, for example by welding, connected to the inlet and outlet collector. Again, the welding process can take place automatically.
  • the nipples are made directly from the material of the inlet and outlet collector by machining.
  • the nipples can be milled out of the initially tubular material of the inlet or outlet collector. This will reduce any damage due to welding. In addition, this eliminates the examination of the individual welds between the nipples and the respective collector.
  • the tubes of the tube bundle are arranged in an inner housing, which is arranged concentrically within the outer shell and having an inlet and an outlet opening for the heat-emitting medium.
  • the cross-sectional profile of the inner housing is preferably rectangular, so that the Rohbündel is as closely as possible enclosed by this inner housing.
  • the additional enclosure of the heat exchanging components provides further insulation between the heat exchanger modules and the environment.
  • the inlet and the outlet opening of the inner housing may be connected to the corresponding inlet or outlet nozzle in such a way that a separate space between the outer shell and the inner housing is provided.
  • a flow of the heat-emitting medium along the inner wall of the outer shell can be allowed.
  • the inlet and the outlet are arranged for the heat-emitting medium in the vertical installation of the heat exchanger in the lower part of the outer shell.
  • the compactness of the heat exchanger is further increased.
  • the maintenance is facilitated because the shell-side connections are located within reach of the ground.
  • the space between the outer shell and the inner housing is used as a flow channel for the heat-emitting medium.
  • the hot heat-emitting medium passes through the inlet port of the outer shell and the inlet opening of the inner housing in the interior of the inner housing and flows upward.
  • Fig. 1 is a side view of an embodiment of the heat exchanger according to the invention.
  • Fig. 2 is a sectional view taken along the line A-A of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a detail view "X" of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a sectional view taken along the line B-B of Fig. 3;
  • FIG. 5 is a detail view of the inlet header of FIGS. 1 and 2; FIG.
  • Fig. 6 is a plan view of the inlet header of Fig. 5;
  • FIGS 1 and 2 show an embodiment of the heat exchanger according to the invention 1.
  • the heat exchanger 1 is placed vertically in a space-saving manner.
  • the outer casing 2 is an inner housing 3, which has a rectangular cross-sectional profile.
  • the meandering tubes of the tube bundle 1 1 are arranged.
  • the heat-absorbing medium for example water, enters the heat exchanger 1 via the inlet header 6. After flowing through the tubes of the tube bundle 1 1 it passes out of the heat exchanger 1 via the outlet collector 7. On the way from the inlet collector 6 to the outlet collector 7, the water is preheated, then evaporated and then superheated. The exiting from the heat exchanger 1 superheated steam is passed to generate electricity in the downstream steam turbine (not shown).
  • the heat-emitting medium is preferably thermal oil, which is heated to about 400 ° C in the absorber tubes of the parabolic troughs.
  • thermal oil enters via the inlet port 4 of the outer shell 2 in the heat exchanger 1. From there it flows in the direction of the laßstutzens 5 and flows around the meandering shaped tube bundle 1 1. After the thermal oil has given off a portion of its heat energy to the water, it passes through the outlet nozzle 5 from the heat exchanger 1 out.
  • the shell-side flow of the thermal oil can be directed so that the thermal oil in the lower part of the heat exchanger 1 and exits.
  • the space between the inner housing 3 and the outer shell 2 serves as a flow path for the downwardly flowing thermal oil.
  • both the inlet and the outlet are arranged in the lower region of the vertically mounted heat exchanger 1.
  • FIG. 2 two tubes of a pipe layer are indicated.
  • the number of tubes and the tube layers of a tube bundle 1 1 can be adjusted according to the different conditions.
  • FIG. 3 a tube layer 20 with four tubes 21, 22, 23, 24 is shown. Therein clearly the meandering pattern of the tube bundle 1 1 can be seen.
  • FIG. 4 illustrates the arrangement of the individual pipe layers 20, 30 to each other.
  • each tube In the tube sections 15 (FIG. 3), which are arranged transversely to the central axis 10 of the outer jacket 1, each tube has an opposite direction of the tube flow with respect to its horizontally adjacent tube when mounted vertically. This means, for example, that the flow in the tube 21 is opposite to the flow in the horizontally adjacent tube 34.
  • This opposite flow in the respectively adjacent pipe layers 20, 30 additionally ensures a uniform temperature distribution within the heat exchanger 1. Due to the uniform and compact arrangement of pipes and pipe layers to each other simple spacers 12 can be used.
  • FIG. 5 an inventive collector is shown enlarged. These are the inlet header 6. Inlet and outlet header 6, 7 differ only slightly from each other.
  • the nipples 22a, 33a which serve to fasten the tubes 22, 33 to the inlet header 6, can be seen in the cut.
  • the nipples 21 a, 22 a, 23 a, 24 a, and thus also the tubes 21, 22, 23, 24 of the first tube layer 20 lie on a first circumferential line 13 and each open at an equal angle ⁇ offset in the collector 6. Also open the tubes 31, 32, 33, 34 with the respective nipples 31a, 32a, 33a, 34a on an adjacent circumferential line 14 offset by the same angle ⁇ in the collector 6th
  • Figure 6 shows a plan view of the collector 6.
  • the angle a by which a pipe is displaced from one layer of the next tube of the same position, in this case is in each case 45 °.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung für Solarkraftwerke, umfassend: einen Außenmantel mit einem Einlass- und einem Auslassstutzen für ein wärmeabgeben des Medium, einen Eintritts- und einen Austrittssammler für ein wärmeaufnehmendes Medium, vorzugsweise Wasser, wobei der Eintritts- und der Austrittssammler im Wesentlichen innerhalb des Außenmantels angeordnet sind, ein Rohrbündel innerhalb des Außenmantels mit einer Anzahl von Rohrlagen mit durchgehenden Rohren, welche vom wärmeabgebenden Medium vollständig umströmbar ausgebildet sind und welche als Strömungswege für das wärmeaufnehmende Medium vom Eintrittssammler zum Austrittssammler ausgebildet sind, wobei das Rohrbündel mäanderartig ausgebildet ist, wobei der Wärmetauscher für die Dampferzeugung nach dem Zwangsdurchlauf-Prinzip ausgelegt ist, so dass das in den Eintrittssammler eingespeiste wärmeaufnehmende Medium im Verlauf der Strömungswege nacheinander eine Vorwärmung, eine Verdampfung und eine Überhitzung erfährt, so dass aus dem Austrittssammler ein überhitzter Dampf austritt, und wobei die für die Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung erforderliche Energie im Wesentlichen allein durch die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden Medium auf das wärmeaufnehmende Medium innerhalb des Wärmetauschers zur Verfügung gestellt wird.

Description

WÄRMETAUSCHER ZUR DAMPFERZEUGUNG FÜR SOLARKRAFTWERKE
[0001 ] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung für Solarkraftwerke.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind modular aufgebaute Wärmetauscher bekannt, welche nach dem sogenannten Um lauf- Prinzip, Natur- oder Zwangsumlauf, arbeiten. Dabei umfasst der Wärmetauscher eine Anzahl von Wärmetauschermodulen, beispielsweise ein Vorwärmermodul, ein oder mehrere Verdampfermodule und ein Überhitzermodul, die mittels jeweiliger Eintritts- und Austrittssammler, Umlaufrohre und einer externen Dampftrommel zu einer funktionellen Einheit zusammengeschaltet werden.
[0003] In Solarkraftwerken treten unter anderem in Abhängigkeit von der Jahreszeit, Tageszeit und auch der Wetterlage häufig große Last- und Temperaturwechsel auf, so dass sich die Auslegung des Dampferzeugers für solarthermische Kraftwerke als schwierig erweist. Schnelle Anfahrgeschwindig- keiten mit hohen Temperaturgradienten, geringer Platzbedarf sowie geringe Herstellungs- und Betriebskosten sind nur einige der wichtigen Anforderungen an einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung für eine Solarkraftanlage.
[0004] Es besteht also Bedarf an noch kompakteren und noch effizienteren Wärmetauschern für Solarkraftanlagen, die zudem kostengünstig hergestellt und sicher betrieben werden können.
[0005] Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher anzugeben, welcher eine kompakte Bauweise, eine kostengünstige Herstellung sowie einen sicheren Betrieb ermöglicht.
[0006] Die Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Anspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben. [0007] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Dampferzeugung für Solarkraftwerke umfasst einen Außenmantel mit einem Einlass- und einem Auslassstutzen für ein wärmeabgebendes Medium. Ferner umfasst der Wärmetauscher einen Eintritts- und einen Austrittssammler für ein wärmeaufnehmendes Medium, vorzugsweise Wasser, wobei der Eintritts- und der Austrittssammler im Wesentlichen innerhalb des Außenmantels angeordnet sind. Darüber hinaus befindet sich innerhalb des Außenmantels ein Rohrbündel mit einer Anzahl von Rohrlagen mit durchgehenden Rohren, welche vom wärmeabgebenden Medium vollständig umströmbar ausgebildet sind und welche als Strömungswege für das wärmeaufnehmende Medium vom Eintrittssammler zum Austrittssammler ausgebildet sind. Dabei ist das Rohrbündel mäanderartig ausgebildet ist. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist für eine Dampferzeugung nach dem Zwangsdurchlauf-Prinzip ausgelegt, so dass das in den Eintrittssammler eingespeiste wärmeaufnehmende Medium im Verlauf der Strömungswege nacheinander eine Vorwärmung, eine Verdampfung und eine Überhitzung erfährt, so dass aus dem Austrittssammler ein überhitzter Dampf austritt. Dabei wird die für die Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung erforderliche Energie im Wesentlichen nur durch die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden Medium auf das wärmeaufnehmende Medium innerhalb des Außenmantels zur Verfügung gestellt.
[0008] Der Wärmetauscher vereint also mindestens drei verschiedene Apparate, nämlich Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer, in einem. Durch die mäanderartige Anordnung der Rohre erfolgt der Wärmeaustausch nach dem Gegen- bzw. Kreuzstromprinzip. Die mäanderförmigen Rohre werden von einem wärmeaufnehmenden Medium, vorzugsweise Wasser, durchströmt. Durch die mä- anderförmige Anordnung der Rohrbündel wird die Baugröße des Wärmetauschers insgesamt verringert, die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden zum wärmeaufnehmenden Medium verbessert und ferner die Thermoelastizität des Aufbaus erhöht.
[0009] Durch die Auslegung des Wärmetauschers zur Dampferzeugung für Solarkraftanlagen nach dem Zwangsdurchlauf-Prinzip, d. h. das eingespeiste wärmeaufnehmende Medium, vorzugsweise Wasser, wird„in einem Durchlauf" vom Eintrittssammler hin zum Austrittssammler vorgewärmt, anschließend verdampft und anschließend überhitzt, wird ein äußert kompakter und effizienter Dampferzeuger verwirklicht. Anstelle der Verwendung von mehreren, separaten Wärmetauschermodulen, die eine kostenaufwändige und komplizierte Zusammenschaltung benötigen, wird das Wasser, welches in flüssigem Zustand über den Eintrittssammler in den Wärmetauscher eintritt, im Verlauf seiner Strömung innerhalb der Wärmetauscherrohre in Richtung Austrittssammler vorgewärmt, verdampft und überhitzt, so dass über den Austrittssammler ein überhitzter Dampf den Wärmetauscher verlässt, welcher der Dampfturbine zur Stromgewinnung zugeführt werden kann. [0010] Durch die Einsparung von zusätzlichen Dampftrommeln, Umlaufleitungen und Verbindungen zwischen den Einzelmodulen werden nicht nur Materialkosten in erheblichem Maße reduziert, sondern auch die Herstellungs- und Betriebskosten, da ein Großteil von aufwändigen Schweißarbeiten und die anschließende Prüfung derselben entfallen. Durch den Wegfall der sich außerhalb des Außenmantels befindlichen Bauteile, wie beispielsweise Dampftrommel sowie diversen Rohrleitungen, wird erfindungsgemäß ein kompakter Aufbau ermöglicht und zugleich ein höherer Wirkungsgrad des Wärmetauschers erzielt, da die Wärmeübertragung zur Dampferzeugung im Wesentlichen nur innerhalb des Außenmantels des Wärmetauschers stattfindet und somit keine zusätzlichen Wärmeverluste aufgrund von sich außerhalb des Wärmetauscheraußenmantels befindlichen Bauteile auftreten.
[0011 ] „Durchgehende Rohre" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jedes Rohr, welches jeweils einen Strömungsweg für das wärmeaufnehmende Medium definiert, zwischen dem Eintrittssammler und dem Austrittssammler keinerlei Verzweigungs- oder Vermischungsstellen aufweist. Die Rohre verlaufen zudem vollständig„innerhalb des Außenmantels", das bedeutet, dass keine Teile des Rohrbündels sich außerhalb des Außenmantels befinden und dass die Rohre vollständig vom wärmeabgebenden Medium umströmt werden. Es werden also keinerlei externe Energiequellen benötigt, die eine Vorwärmung, Verdampfung oder Überhitzung fördern. Die Heizflächen der durchgehenden Rohre selbst bilden also in Strömungsrichtung betrachtet nacheinander die Vorwärmer-, Verdampferund Überhitzerzone. Äußerlich sind diese einzelnen„Zonen" nicht erkennbar, da nur ein Rohrbündel zwischen dem Eintrittssammler und dem Austrittssammler angeordnet ist und das Rohrbündel einen gleichbleibenden Verlauf mit sich wiederholendem Mäander-Muster aufweist.
[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann der Wärmetauscher entweder horizontal oder vertikal aufgestellt werden. Die vertikale Aufstellung jedoch ist bevorzugt, da sie eine noch bessere Flächennutzung erlaubt. Dabei können mehrere der erfindungsgemäßen Wärmetauscher nebeneinander parallel auf einer relativ kleinen Fläche betrieben werden. Bei thermischen Solarkraftanlagen sind die Platzverhältnisse ungünstig, da die Parabolrinnenkollektoren sehr viel Platz einnehmen. Die platzsparende Bauweise der erfindungsgemäßen Wärmetauscher erlaubt eine fast ortsungebundene Aufstellung, so dass die Strömungswege der aufgeheizten Medien zum Wärmetauscher zweckmäßiger Weise verkürzt werden können. Die Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums bei Eintritt in den Wärmetauscher sind höher, so dass die Wärmeausbeute besser wird. [0013] Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Rohrbündel bei vertikaler Aufstellung eine Anzahl von vertikalen Rohrlagen aufweist, wobei jede Rohrlage aus einer gleichen Anzahl von Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen so angeordnet sind, dass die Rohre der einzelnen Rohrlagen in horizontaler Richtung genau nebeneinander liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums in den horizontal benachbarten, quer zur Mittelachse des Außenmantels angeordneten Rohrabschnitten entgegengesetzt sind. Die Ausführung der Rohrbündel in einzelnen Rohrlagen ermöglicht eine extrem kompakte Bauweise. Dadurch dass die Rohre horizontal genau nebeneinander liegen, können herkömmliche Abstandhalter zwischen den Rohren verwendet werden. Die entgegengesetzte Strömung in den horizontal benachbarten Rohrabschnitten, die quer zur Mittelachse des Außenmantels angeordnet sind, begünstigt die symmetrische Temperaturverteilung im Wärmetauscher in Bezug auf die Mittelachse. Entsprechendes gilt auch bei der horizontalen Aufstellung des Wärmetauschers. In diesem Fall liegen dann die Rohrlagen gegenüber der vertikalen Aufstellung um 90° verdreht, horizontal übereinander.
[0014] Vorzugsweise weisen der Eintritts- und der Austrittssammler einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dabei sind die Rohre einer Rohrlage auf einer Umfangslinie des Eintritts- bzw. Austrittssammlers voneinander um einen gleichen Winkel versetzt mit dem Eintritts- bzw. Austrittssammler verbunden. Auf diese Weise wird das Herstellungsverfahren erleichtert, da genug Platz für Schweißarbeiten, spanende Fertigung oder sonstige Arbeiten an den Sammlern geboten wird.
[0015] Weiterhin bevorzugt, sind die Rohre der benachbarten Rohrlagen so mit dem Eintritts- bzw. Austrittssammler verbunden, dass die Rohre der einen Rohrlage bezüglich der Rohre der benachbarten Rohrlage um einen Winkel versetzt auf einer benachbarten Umfangslinie des jeweiligen Eintritts- und Austrittssammlers angeordnet sind. Hierdurch können die Umfangsflächen der Ein- bzw. Austrittssammler optimal ausgenutzt werden, so dass die Anordnung der Rohrlagen kompakt gestaltet werden kann. Es bleibt immer noch genügend Platz für Schweißarbeiten, spanende Fertigung oder sonstige Arbeiten an den Sammlern.
[0016] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Rohrbündel einen separaten Abschnitt auf, in dem vorwiegend die Vorwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet. Der separate Vorwärmerabschnitt kann beispielsweise durch eine örtliche Trennung innerhalb des Außenmantels realisiert werden. Es ist auch möglich, die Strömung des wärmeabgebenden Medium und folglich die Temperaturverteilung im Wärmetauscher so zu steuern, dass in diesem Vorwärmerabschnitt hauptsächlich die Vorwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet. Alternativ könnte auch die Vorwärmung komplett außerhalb des Außenmantels, d. h. in einem separaten Vor- wärmer, erfolgen. In diesem Fall wäre der erfindungsgemäße Wärmetauscher vorwiegend für die Verdampfung und die Überhitzung des wärmeaufnehmenden Mediums ausgelegt.
[001 7] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Rohrbündel einen separaten Abschnitt auf, in dem vorwiegend die Verdampfung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet. Der separate Verdampferabschnitt kann beispielsweise durch eine örtliche Trennung innerhalb des Außenmantels realisiert werden. Es ist auch möglich, die Strömung des wärmeabgebenden Medium und folglich die Temperaturverteilung im Wärmetauscher so zu steuern, dass in diesem Verdampferabschnitt hauptsächlich die Verdampfung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet. Alternativ könnte auch die Verdampfung komplett außerhalb des Außenmantels, d. h. in einem separaten Verdampfer, erfolgen. In diesem Fall wäre der erfindungsgemäße Wärmetauscher vorwiegend für die Vorwärmung und die Überhitzung des wärmeaufnehmenden Mediums ausgelegt.
[0018] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Rohrbündel einen separaten Abschnitt auf, in dem vorwiegend die Überhitzung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet. Der separate Überhitzerabschnitt kann beispielsweise durch eine örtliche Trennung innerhalb des Außenmantels realisiert werden. Es ist auch möglich, die Strömung des wärmeabgebenden Medium und folglich die Temperaturverteilung im Wärmetauscher so zu steuern, dass in diesem Überhitzerabschnitt hauptsächlich die Überhitzung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet. Alternativ könnte auch die Überhitzung komplett außerhalb des Außenmantels, d. h. in einem separaten Überhitzer, erfolgen. In diesem Fall wäre der erfindungsgemäße Wärmetauscher vorwiegend für die Vorwärmung und die Verdampfung des wärmeaufnehmenden Mediums ausgelegt.
[0019] Vorzugsweise sind die Rohre über Nippel mit dem Eintritts- und Austrittssammler verbunden. Hierdurch wird die Verbindung des kompakten Rohrbündels am Eintritts- und Austrittssammler vereinfacht. Die Verbindung zwischen den Nippeln und den einzelnen Rohren erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen. Der Schweißvorgang kann automatisiert ablaufen. Anschließend werden die Schweißnähte einzeln überprüft, beispielsweise mit Hilfe des Röntgens.
[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre ohne Nippel direkt mit dem Eintritts- bzw. Austrittssammler verbunden. Auch in diesem Fall erfolgt die Verbindung zwischen den Sammlern und den einzelnen Rohren vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen. Der Schweißvorgang kann auch hier automatisiert ablaufen. Anschließend werden die Schweißnähte einzeln überprüft, beispielsweise mit Hilfe des Röntgens. [0021 ] Vorzugsweise sind die Nippel ihrerseits stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, mit dem Eintritts- und Austrittssammler verbunden. Auch hier kann der Schweißvorgang automatisch ablaufen.
[0022] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Nippel direkt aus dem Material des Eintritts- bzw. Austrittssammlers spanend gefertigt. Beispielsweise können die Nippel aus dem zunächst rohrförmigen Material des Eintritts- bzw. Austrittssammlers herausgefräst sein. Hierdurch werden eventuelle Schäden infolge von Schweißarbeiten verringert. Zudem entfällt hierdurch die Prüfung der einzelnen Schweißnähte zwischen den Nippeln und dem jeweiligen Sammler.
[0023] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Rohre des Rohrbündels in einem Innengehäuse angeordnet, welches konzentrisch innerhalb des Außenmantels angeordnet ist und eine Ein- und eine Austrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium aufweist. Das Querschnittsprofil des Innengehäuses ist vorzugsweise rechteckig, so dass das Rohbündel möglichst eng von diesem Innengehäuse umschlossen wird. Durch die zusätzliche Umschließung der wärmeaustauschenden Komponenten wird eine weitere Isolierung zwischen den Wärmetauschermodulen und der Umgebung geschaffen. Dabei können die Eintritts- und die Austrittsöffnung des Innengehäuses mit dem korrespondieren Einlass- bzw. Auslassstutzen derart verbunden sein, dass ein abgetrennter Raum zwischen dem Außenmantel und dem Innengehäuse geschaffen wird. Alternativ kann auch eine Strömung des wärmeabgebenden Medium entlang der Innenwandung des Außenmantels zugelassen werden.
[0024] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Einlass- und der Auslassstutzen für das wärmeabgebende Medium bei der vertikalen Aufstellung des Wärmetauschers im unteren Teil des Außenmantels angeordnet. Hierdurch wird die Kompaktheit des Wärmetauschers noch weiter erhöht. Ferner werden dadurch die Wartungsarbeiten erleichtert, da die mantelseitigen Anschlüsse in greifbarer Bodennähe angeordnet sind. Dabei wird der Raum zwischen dem Außenmantel und dem Innengehäuse als Strömungskanal für das wärmeabgebende Medium genutzt. Das heiße wärmeabgebende Medium tritt über den Einlassstutzen des Außenmantels und die Eintrittsöffnung des Innengehäuses in das Innere des Innengehäuses und strömt nach oben. Anschließend strömt das wärmeabgebende Medium durch den ringförmigen Strömungskanal, welcher durch die konzentrische Anordnung des Außenmantels und des Innengehäuses entsteht, zurück nach unten, wo es dann über den Auslassstutzen den Außenmantel verlässt. Auf diese Weise wird die Verweilzeit des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher verlängert, so dass die Wärmeübertragung zum wärmeaufnehmenden Medium insgesamt verbessert wird. [0025] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Detailansicht„X" aus Fig. 2;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus Fig. 3;
Fig. 5 eine Detailansicht des Eintrittssammlers aus Fig. 1 und 2;
Fig. 6 eine Draufsicht des Eintrittssammlers aus Fig. 5;
[0026] Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Der Wärmetauscher 1 ist in platzsparender Weise vertikal aufgestellt. In dem Außenmantel 2 befindet sich ein Innengehäuse 3, welches ein rechteckiges Querschnittsprofil aufweist. In dem Innengehäuse 3 sind die mäanderförmig verlaufenden Rohre des Rohrbündels 1 1 angeordnet. Das wärmeaufnehmende Medium, beispielsweise Wasser, tritt über den Eintrittssammler 6 in den Wärmetauscher 1 ein. Nach dem Durchströmen der Rohre des Rohrbündels 1 1 tritt es über den Austrittssammler 7 aus dem Wärmetauscher 1 heraus. Auf dem Weg vom Eintrittssammler 6 zum Austrittssammler 7 wird das Wasser vorgewärmt, anschließend verdampft und anschließend überhitzt. Der aus dem Wärmetauscher 1 austretende überhitzte Dampf wird zur Stromerzeugung in die nachgeschaltete Dampfturbine (nicht dargestellt) geleitet. Äußerlich sind die einzelnen„Zonen", nämlich Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer, nicht erkennbar. Der nach dem Zwangsdurchlauf-Prinzip, beispielsweise Benson-Prinzip, arbeitende Wärmetauscher 1 zur Dampferzeugung erzeugt aus dem Speisewasser, das in flüssiger Form in den Eintrittssammler eintritt, im Laufe der Strömung innerhalb des Wärmetauschers 1 einen überhitzten Wasserdampf, welcher dem Austrittssammler 7 entnommen werden kann. Damit entfallen die üblicherweise verwendeten Dampftrommeln, Umlaufrohre, Eintritts- und Austrittssammler sowie unzählige Schweißnähte, so dass die Kompaktheit erhöht wird und die Produktionskosten eingespart werden. Die Pratzen 8 dienen der Montage des Wärmetauschers 1. Über die Mannlöcher 9, die durchsichtige Glasfenster und/oder Verschlussmittel aufweisen, können in einfacher Weise Wartungsarbeiten durchgeführt werden.
[0027] Beim wärmeabgebenden Medium handelt es sich um vorzugsweise Thermoöl, welches in den Absorberrohren der Parabolrinnen auf ca. 400 °C erhitzt wird. Alternativ können flüssige Salze oder andere geeignete Wärmeträgermedien verwendet werden. Das Thermoöl tritt über den Einlassstutzen 4 des Außenmantels 2 in den Wärmetauscher 1 ein. Von dort strömt es in Richtung des Aus- lassstutzens 5 und umströmt dabei das mäanderartig geformte Rohrbündel 1 1. Nach dem das Thermoöl einen Teil seiner Wärmeenergie an das Wasser abgegeben hat, tritt es über den Austrittsstutzen 5 aus dem Wärmetauscher 1 heraus.
[0028] Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die mantelseitige Strömung des Thermoöl derart geleitet werden, dass das Thermoöl im unteren Teil des Wärmetauschers 1 ein- und austritt. Dabei dient der Raum zwischen dem Innengehäuse 3 und dem Außenmantel 2 als Strömungsweg für das nach unten strömende Thermoöl. In diesem Fall sind sowohl der Einlass- als auch der Auslassstutzen im unteren Bereich des vertikal aufgestellten Wärmetauschers 1 angeordnet.
[0029] In Figur 2 sind zwei Rohre einer Rohrlage angedeutet. Selbstverständlich kann die Anzahl der Rohre sowie der Rohrlagen eines Rohrbündels 1 1 den unterschiedlichen Bedingungen entsprechend angepasst werden. So ist beispielsweise in Figur 3 eine Rohrlage 20 mit vier Rohren 21 , 22, 23, 24 dargestellt. Darin ist deutlich das mäanderartige Muster des Rohrbündels 1 1 erkennbar.
[0030] Figur 4 verschaulicht die Anordnung der einzelnen Rohrlagen 20, 30 zueinander. In den Rohrabschnitten 15 (Fig. 3), die quer zur Mittelachse 10 des Außenmantels 1 angeordnet sind, weist jedes Rohr bezüglich seines horizontal benachbarten Rohres bei vertikaler Aufstellung eine entgegengesetzte Richtung der Rohrströmung auf. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Strömung im Rohr 21 der Strömung im horizontal benachbarten Rohr 34 entgegengesetzt ist. Diese entgegengesetzte Strömung in den jeweils benachbarten Rohrlagen 20, 30 sorgt zusätzlich für eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Wärmetauschers 1. Aufgrund der gleichmäßigen und kompakten Anordnung von Rohren und Rohrlagen zueinander können einfache Abstandshalter 12 verwendet werden.
[0031 ] In Figur 5 wird ein erfindungsgemäßer Sammler vergrößert dargestellt. Es handelt sich hierbei um den Eintrittssammler 6. Eintritts- und Austrittssammler 6, 7 unterscheiden sich nur geringfügig voneinander. Cut erkennbar sind die Nippel 22a, 33a, die der Befestigung der Rohre 22, 33 am Eintrittssammler 6 dienen. Die Nippel 21 a, 22a, 23a, 24a und somit auch die Rohre 21 , 22, 23, 24 der ersten Rohrlage 20 liegen auf einer ersten Umfangslinie 13 und münden jeweils um einen gleichen Winkel α versetzt in den Sammler 6. Ebenso münden die Rohre 31 , 32, 33, 34 mit den jeweiligen Nippeln 31a, 32a, 33a, 34a auf einer benachbarten Umfangslinie 14 um den gleichen Winkel α versetzt in den Sammler 6.
[0032] Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf den Sammler 6. Der Winkel a, um den ein Rohr einer Lage vom nächsten Rohr der gleichen Lage versetzt ist, beträgt in diesem Fall jeweils 45°. Die zweite La- ge 30, die zur ersten Lage 20 benachbart ist, ist auf dem Sammler 6 gegenüber der ersten Lage 20 um genau ß = 22,5° versetzt angeordnet, so dass die Rohre 31 , 32, 33, 34 der zweiten Lage 30 in Figur 6 jeweils mittig zwischen den Rohren 21 , 22, 23, 24 der ersten Lage 20 sichtbar sind. Durch diese regelmäßig horizontal und vertikal versetzte Anordnung von Nippeln am Sammler 6 bleibt trotz der hohen Kompaktheit immer ein genügender Abstand für Schweißarbeiten oder weitere Fertigungsschritte.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Wärmetauscher (1 ) zur Dampferzeugung für Solarkraftwerke, umfassend:
einen Außenmantel (2) mit einem Einlass- (4) und einem Auslassstutzen (5) für ein wärmeabgebendes Medium,
einen Eintritts- (6) und einen Austrittssammler (7) für ein wärmeaufnehmendes Medium, vorzugsweise Wasser, wobei der Eintritts- (6) und der Austrittssammler (7) im Wesentlichen innerhalb des Außenmantels (2) angeordnet sind,
ein Rohrbündel (11 ) innerhalb des Außenmantels (2) mit einer Anzahl von Rohrlagen (20, 30) mit durchgehenden Rohren (21 , 22, 23, 24, 33, 34), welche vom wärmeabgebenden Medium vollständig umströmbar ausgebildet sind und welche als Strömungswege für das wärmeaufnehmende Medium vom Eintrittssammler (6) zum Austrittssammler (7) ausgebildet sind,
wobei das Rohrbündel (1 1 ) mäanderartig ausgebildet ist,
wobei der Wärmetauscher (1 ) für die Dampferzeugung nach dem Zwangsdurchlauf-Prinzip ausgelegt ist, so dass das in den Eintrittssammler (6) eingespeiste wärmeaufnehmende Medium im Verlauf der Strömungswege nacheinander eine Vorwärmung, eine Verdampfung und eine Überhitzung erfährt, so dass aus dem Austrittssammler (7) ein überhitzter Dampf austritt, und wobei die für die Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung erforderliche Energie im Wesentlichen allein durch die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden Medium auf das wärmeaufnehmende Medium innerhalb des Wärmetauschers (1 ) zur Verfügung gestellt wird.
2. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (1) horizontal oder vertikal aufstellbar ist, wobei der Wärmetauscher (1) vorzugsweise vertikal aufgestellt ist.
3. Wärmetauscher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (1) bei vertikaler Aufstellung eine Anzahl von vertikal benachbarten Rohrlagen (20, 30) aufweist, wobei jede Rohrlage (20, 30) aus einer gleichen Anzahl von Rohren (21, 22, 23, 24, 33, 34) gebildet wird, und dass die Rohrlagen (20, 30) so angeordnet sind, dass die Rohre (21, 22, 23, 24, 33, 34) der einzelnen Rohrlagen (20, 30) in horizontaler Richtung genau nebeneinander liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums in den horizontal benachbarten, quer zur Mittelachse (10) des Außenmantels (2) angeordneten Rohrabschnitten (15) entgegengesetzt sind.
4. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Eintritts- (6) und der Austrittssammler (7) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, und die Rohre (21, 22, 23, 24) einer Rohrlage (20) auf einer Umfangslinie (13) des Eintritts- (6) und Austrittssammlers (7) voneinander um einen gleichen Winkel (a) versetzt mit dem Eintritts- (6) und Austrittssammler (7) verbunden sind.
5. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (21, 22, 23, 24, 33, 34) der benachbarten Rohrlagen (20, 30) so mit dem Eintritts- (6) und Austrittssammler (7) verbunden sind, dass die Rohre (33, 34) der einen Rohrlage (30) bezüglich der Rohre (21, 22, 23, 24) der benachbarten Rohrlage (20) um einen Winkel (ß) versetzt auf einer benachbarten Umfangslinie (14) des Eintritts- (6) und Austrittssammlers (7) angeordnet sind.
6. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rohrbündel (11) einen separaten Abschnitt aufweist, in dem vorwiegend die Vorwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet.
7. Wärmetauscher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rohrbündel (11) einen separaten Abschnitt aufweist, in dem vorwiegend die Verdampfung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet.
8. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rohrbündel (11) einen separaten Abschnitt aufweist, in dem vorwiegend die Überhitzung des wärmeaufnehmenden Mediums stattfindet.
9. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (21, 22, 23, 24, 33, 34) über Nippel (21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a) mit dem Eintritts- (6) bzw. Austrittssammler (7) verbunden sind.
10. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (21, 22, 23, 24, 33, 34) ohne Nippel direkt mit dem Eintritts- (6) bzw. Austrittssammler (7) verbunden sind.
11. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nippel (21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a) stoffschlüssig mit dem Eintritts- (6) bzw. dem Austrittssammler (7) verbunden sind.
12. Wärmetauscher (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nippel (21a, 22a, 23a, 24a, 31a, 32a, 33a, 34a) aus dem Material des Eintritts- (6) bzw. Austrittssammlers (7) spanend gefertigt sind.
13. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rohrbündel (11) in einem Innengehäuse (3) angeordnet ist, welches konzentrisch innerhalb des Außenmantels (2) angeordnet ist und eine Ein- und eine Austrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium aufweist.
14. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Einlass- (4) und der Auslassstutzen (5) für das wärmeabgebende Medium bei der vertikalen Aufstellung des Wärmetauschers (1) im unteren Teil des Außenmantels (2) angeordnet sind.
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