WO2012028492A2 - Solarthermischer absorber zur direktverdampfung, insbesondere in einem solarturm-kraftwerk - Google Patents

Solarthermischer absorber zur direktverdampfung, insbesondere in einem solarturm-kraftwerk Download PDF

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Martin Effert
Joachim Franke
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a solar thermal absorber, in particular for a solar tower power plant, comprising a continuous evaporator heating surface with evaporator tubes.
  • the invention further relates to a solar tower power plant with a solar thermal absorber.
  • solar thermal power plants are one of the SUST ⁇ term alternatives to conventional power generation.
  • Another option is direct evaporation in so-called solar tower power plants.
  • a solar thermal power plant with solar tower and direct evaporation consists of a solar field, the solar tower and a conventional power plant part, in which the thermal energy of the water vapor in electrical energy is converted.
  • the solar field consists of heliostats that focus their light on ei ⁇ nen housed in the tower absorbers.
  • the absorber consists of one or more continuous evaporator heating surfaces, in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate and possibly also to overheat.
  • the steam generated is then expanded in a conventional power plant part in a turbine after subsequent further overheating, then condensed and the absorber fed again.
  • the turbine drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy.
  • the upper limit of the permissible heat flow densities is determined by the pipe material and by the quality of the cooling mechanisms .
  • continuous steam generators are not subject to any pressure limitation, so that live steam pressures well above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
  • the heating leads a number of evaporator tubes, which together form the VerdampferMapflache the absorber tube wall, to ei ⁇ ner complete evaporation of a flow medium - water or water vapor - in the evaporator tubes in one go.
  • the flow medium - usually water - may optionally prior to its vaporization one of Verdampfershirts- surface flow medium-sided upstream preheater üb ⁇ SHORT- also referred to as an economizer, is supplied and preheated there.
  • the invention is based on the object of specifying a so ⁇ larthermischen absorber of the type mentioned above, the reliability and stability is improved even under different ⁇ load conditions compared to the conventional direct evaporation based absorbers. Furthermore, an improved solar tower power plant will be specified.
  • a solar thermal absorber comprising steam pipes an evaporator with a number of United ⁇ , wherein at least one evaporator tube for Forming a swirl-producing inner profile at least one insert is arranged in the pipe interior.
  • the invention is based on the insight that in particular ⁇ sondere very high for solar tower plants to ver Heilden direct expansion heat current densities can cause cooling problems of evaporator tubes. Therefore, the assurance of sufficient cooling of the evaporator tubes is of great importance, and measures to improve the cooling behavior of the evaporator tubes directly support the operational safety and operating flexibility.
  • the invention therefore aims to ensure adequate cooling in the evaporator tubes. This is an essential prerequisite, in particular, for large-scale future-generation solar tower power plants with very high power densities and high steam conditions.
  • the invention proposes for the first time to arrange in the solar thermal absorber or in parts of the absorber heating of the evaporator the use of smooth tubes with mounting bodies, which impose a twist on the fluid supplied.
  • this swirl body By using this swirl body, the cooling of the evaporator tubes is significantly improved compared to plain tubes.
  • the swirl bodies can be used in pipe materials in which, for manufacturing reasons, no internal ribbing can be produced.
  • the invention is based on the finding that the multiphase flow within the solar thermal absorber with direct evaporation in an evaporator tube to improve the heat transfer should have a twist, so that the liquid phase is guided due to the rotation of the inner wall of the evaporator tube and this as possible ⁇ moderately wetted.
  • suitable flow-guiding elements inside the tube should be arranged for the targeted production and upright attitude ⁇ such a swirl flow.
  • the flow guide is particularly favorable when on the one hand neither a "Überdrallen" occurs with large pressure losses along the flow path, on the other hand, the swirl effect is still intense enough to the liquid phase of the flow medium over the ge ⁇ entire pipe circumference to the pipe inner wall to lead.
  • the swirl effect is still intense enough to the liquid phase of the flow medium over the ge ⁇ entire pipe circumference to the pipe inner wall to lead.
  • At supercritical pressures increased by a swirl unchanged mass flow density velocity of the fluid also causes an increase relative to the wall of the heat ⁇ transition and, through improved cooling of greater power for
  • the flow-guiding elements should be arranged substantially in the manner of an inner profile on the inner wall of the evaporator tube and the tube cross-section in the center not or only slightly obstruct.
  • the swirl-producing internal profile in the solar thermal absorber should be realized by tube internals or inserts which can be made in the desired shape independently of the evaporator tubes and retrofitted into the tube.
  • wires or tapes are provided which, after introduction into the evaporator tube, helically wind along the inner wall of the tube, so that a substantial part of the tube cross-section remains free (more than 50%) and the steam inside the tube thus remains free accumulate and can flow away.
  • Appropriate design specifications can be when running as an insert component particularly simple and precise vice ⁇ sets, as this is usually provided only wires or metal ⁇ bands with the matching cross-sectional profile is available and brought into the desired arrangement Müs ⁇ sen, z. B. by twisting and / or bending.
  • the pitch angle of the respective wire with respect to a reference plane oriented perpendicular to the tube axis is at least 30 ° and preferably at most 70 °. Especially advantageous is a pitch angle from the interval 40 ° to 55 °.
  • the respective wire has a round or an in substantial rectangular cross-section.
  • the edges can be reworked so that comparatively steep Flankenwin ⁇ angle and sharp-edged transitions can be realized in particular.
  • the wires can vary in diameter depending on the diameter of the evaporator tube and depending on the intended flow and temperature conditions. In general, a wire diameter or a mean cross-sectional dimension of 5% to 15% of the inner diameter of the smooth tube is advantageous.
  • the respective wire or the tube insert formed from the wires sits at the intended operating temperature of the evaporator tube as a result of its residual stress in the interior of the tube.
  • the wire material and the inherent tension are thus matched to the geometric conditions such that creeping or slipping of the individual turns is prevented against one another.
  • a kit comprising in the interior of the evaporator tube at least one
  • Sheet metal frame with a number of large-area recesses wherein the insert is twisted in the longitudinal direction, and wherein the longitudinal edges of the respective sheet metal frame at least partially abut the pipe inner wall.
  • the twist generation is unlike the closed twisted tapes of the near-edge sections, that causes the recesses bordering or bordering edge webs, which each helically wind along the pipe inner wall and thereby have the ribs of conventional finned tubes similar shape and similar function.
  • the contiguous with the "over-twisting" negative effects of conventional twisted tapes can be avoided. Instead, is achieved even with moderate swirl intensity and at a comparatively low pressure loss, a uniform wetting of the Rohrin nenwand with liquid fluid.
  • a possible alternative to the swirling bodies are internally ribbed pipes, which are industrially produced at an extra cost compared to a smooth pipe. According to the current state of knowledge, these internally ribbed tubes can only be produced on an industrial scale for materials with a chromium content of ⁇ 5%. If the use of higher quality materials is required by the high heating in the absorber of a solar tower or by material stresses occurring, then the cooling of the evaporator tubes of the solar thermal absorber can be Winnipegge ⁇ provides by the swirl body in the form of a spin-generating insert.
  • the on ⁇ transfer is achieved by a solar tower power plant with a thermal solar absorber according to the invention.
  • the solar thermal absorber is connected on the fluid side to the water-steam circuit of a steam turbine plant.
  • 3 is a sectional view of an evaporator tube with a spin-forming inner profile ausbil ⁇ denden insert
  • 4 is a sectional view of an evaporator tube with a spin-forming inner profile ausbil ⁇ Denden insert, which consists of a single twisted sheet metal frame
  • the solar tower power plant 1 comprises a solar tower 2, at the vertically upper end of a receiver 3 is arranged.
  • the receiver 3 comprises a solar thermal absorber 4, for example in the form of an absorber tube wall 5 of conventional design (see FIG. 2).
  • a heliostat field 6 with a number of heliostats 7 is placed concentrically around the solar tower 2 on the ground.
  • the heliostat field 6 with the heliostat 7 is designed for focusing the direct solar radiation I s .
  • the individual heliostats 7 are arranged and aligned so that the direct solar radiation I s is focused by the sun in the form of concentrated solar radiation I c on the receiver 3.
  • the solar radiation is thus concentrated on the tip of the solar tower 2 by a field of individually tracked mirrors, the heliostat 7.
  • a solar thermal absorber 4 for example an absorber tube wall 5, which converts the radiation into heat and transfers the heat to a heat transfer medium, for example water in the tube bundles. The water is thereby directly evaporated.
  • the steam produced in the absorber by direct evaporation can be supplied as live steam to a conventional power plant process with a steam turbine.
  • a solar thermal absorber 4 comprising an absorber tube wall 5, as it is integrated, for example, in the form of an absorber tube wall 5 into the receiver 3 of the solar tower power plant 1 of FIG.
  • Concentrated solar radiation I c meets focused on a variety of heat-transmitting tubes, the so-called evaporator tubes 10.
  • the evaporator tubes 10 are on the input side of the evaporator ⁇ inlet 8 fluidly connected to a manifold 9.
  • the evaporator tubes 10 are connected to a collector 12.
  • a heating region H is formed which can be acted upon directly by intensive concentrated solar radiation I c .
  • a plurality of evaporator tubes 10 are arranged in parallel connection.
  • the exemplary embodiment is a vertically oriented piping. But it is also possible that the evaporator tubes 10 of the solar ⁇ thermal absorber 4 are aligned horizontally inclined by an inclination angle, or spirally wound.
  • the evaporator tubes 10 in the heating area H are heated very strongly by the concentrated solar radiation I c , the evaporator tubes 10 delivering the heat to a flow medium, for example water, in the evaporator tubes 10.
  • the flow medium is vaporized directly in the evaporator tubes 10 by the concentrated solar radiation I c .
  • cold flow medium in particular cold water, enters the distributor 9 and is distributed to the plurality of evaporator tubes 10.
  • the absorber ⁇ pipe wall 5 In operation of the solar ⁇ thermal absorber 4, it is particularly critical always exactly in dependence of the existing heat supply of the primary solar radiation required Whywitzmassen- current through the Absorberloom Structure, respectively, the absorber ⁇ pipe wall 5, to provide to the required or desired fluid state at the absorber outlet, respectively at the evaporator outlet 11 during unsteady processes, in particular to ensure cloud passage through the heliostat 6.
  • the water / vapor mixture available at the evaporator outlet 11 can, if appropriately over- heat are delivered as live steam with a live steam temperature of the steam turbine not shown for generating electrical energy.
  • 3 shows in a sectional view a section of evaporator tube used for the tubing of the absorber pipe wall 5 of the solar- ⁇ mix absorber 4 10.
  • an insert is inserted 22, forming a swirl-generating internal profile for improving the heat transfer behavior.
  • the insert 22 comprises in the embodiment, three wires 24 extending in the manner of a three-start thread with a constant slope angle ⁇ (and therefore with a constant pitch) ⁇ wall inside the pipe along overcome 26th As a result of their residual stress, the wires 24 are firmly against the tube inner wall 26. In addition, the wires 24 are each fixed at several points, in particular in the vicinity of their two ends, by spot welding to the tube inner wall 26.
  • the wires 24 are in the embodiment as well as the
  • Pipe inner wall 26 of the receiving smooth tube 20 of ei ⁇ nem high temperature resistant metallic material with high chromium content there are also other suitable materials which are familiar to the expert, for. Eg 13CrMo44.
  • the cross-sectional profile of the wires 24 is an important design criterion.
  • the geometrical parameters are usually chosen similar to the ribs of conventional finned tubes.
  • FIG. 4 shows a cut-away view of a section of an evaporator tube 10 used for contacting the absorber tube wall 5 of the solar thermal absorber 4.
  • Insert 22 is inserted into the tube interior 18 of a smooth tube 20, which forms a spin-producing inner profile to improve the heat transfer behavior.
  • the insert 22 comprises a sheet-metal frame 25 twisted in the longitudinal direction, ie around the tube axis, which has a plurality of large-area recesses 27.
  • the sheet metal frame 25 is twisted about its longitudinal axis and introduced in this prestressed state in a smooth tube 20 provided as an evaporator tube 10.
  • the sheet metal frame 25 be ⁇ stands as well as the tube wall 38 of the receiving it smooth tube 20 made of a highly heat-resistant metallic material with a high chromium content.
  • a highly heat-resistant metallic material with a high chromium content.
  • other suitable Ma ⁇ terialien that are familiar to the expert, are used.
  • the geometrical parameters are usually chosen similar to the ribs of conventional finned tubes.
  • it can also take place a location-dependent adaptation and optimization, which takes on the course of Heating with ⁇ profile along the fürvierverdampferlik Structure 13 of the so ⁇ larthermischen absorber 4 into consideration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber (4), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), umfassend eine Durchlaufverdampferheizfläche (13) mit einer Anzahl von Verdampferrohren (10), wobei bei einem Verdampferrohr (10) mindestens ein Einsatz (22) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils im Rohrinnenraum (18) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturm-Kraftwerk (1) für Direktverdampfung mit einem solarthermischen Absorber (4) im Solarturm (2), dessen Durchlaufverdampferheizfläche (13) mit einer Anzahl von Verdampferrohren (10) ausgestattet ist, die zu Kühlungszwecken ein drallerzeugendes Innenprofil aufweisen.

Description

Beschreibung
Solarthermischer Absorber zur Direktverdampfung, insbesondere in einem Solarturm-Kraftwerk
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, umfassend eine Durchlaufverdampferheizfläche mit Verdampferrohren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturmkraftwerk mit einem solarthermischen Absorber.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegengetreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Energieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Genera¬ tionen dar.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine der nachhal¬ tigen Alternativen zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkol- lektoren oder Fresnel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solar- Turm Kraftwerken dar. Ein solarthermisches Kraftwerk mit So- lar-Turm und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, dem Solar-Turm und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die ihr Licht auf ei¬ nen in dem Turm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer oder mehreren Durchlaufverdampfer- heizflächen, in denen die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen. Der erzeugte Dampf wird nach gegebenenfalls weiterer Überhitzung anschließend in einem konventionellen Kraftwerkssteil in einer Turbine entspannt, anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zugeführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie wandelt.
In einem Solarturm-Kraftwerk ist die eingebrachte Sonnenenergie durch die Größe des Heliostatenfeldes begrenzt. Ein Teil der Einstrahlung wird vom Absorber reflektiert und ist für den thermodynamischen Kraftwerkprozess verloren. Diese Verluste wachsen mit der Größe der Heizfläche. Deshalb sind bei gegebener thermischer Leistung kompakte Absorber mit möglichst kleiner Heizfläche anzustreben. Dies führt durch die Konzentrierung der eingestrahlten Sonnenenergie auf kleine Flächen zu sehr hohen Wärmestromdichten, im Allgemeinen höheren Wärmestromdichten als in fossil befeuerten thermischen Kraftwerken. Deshalb ist bei dem Konzept der Direktverdampfung in einem Solarturm-Kraftwerk die Kühlung der Absorberheizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten auszule¬ gen .
Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsmechanis¬ men bestimmt.
Im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger unterliegen Durchlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks.
Besondere Bedeutung kommt bei dem Konzept der Direktverdampfung der Verbesserung des Betriebsverhaltens und Betriebssi¬ cherheit des in den Solarturm integrierten Absorbers zu, der eine Verdampferheizfläche aufweist, in der die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen.
In einem direkt solar beheizten Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Verdampferrohren, die zusammen die Verdampferheizflache der Absorberrohrwand bilden, zu ei¬ ner vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums - Wasser bzw. Wasserdampf - in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - kann gegebenenfalls vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheiz- fläche strömungsmediums-seitig vorgeschalteten Vorwärmer, üb¬ licherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt werden.
Durch die hohen Wärmestromdichten entsteht insbesondere das Problem, dass es in den Verdampferheizflächen, genauer gesagt in den Verdampferrohren zu Siedekrisen wie Dry-out oder Filmsieden (DNB) kommt, bei denen die Benetzung der Rohrwand verloren geht und es zu einer stellenweisen Überhitzung kommen kann .
In fossil beheizten Dampferzeugern wird dieses Problem durch den Einsatz innenberippter Rohre gelöst. Durch die innenbe- rippten Rohre wird der Strömung ein Drall aufgeprägt, der bei unterkritischen Drücken zur Separation der Wasser- und Dampfphase führt. Das Wasser wird vermehrt an die Rohrinnenwand geleitet, wodurch die Wärmeübergangseigenschaften verbessert werden. Die Innenwand ist bis zu hohen Dampfgehalten benetzt und optimal gekühlt.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen so¬ larthermischen Absorber der oben genannten Art anzugeben, dessen Betriebssicherheit und Stabilität auch bei unter¬ schiedlichen Belastungszuständen gegenüber den herkömmlichen auf Direktverdampfung basierenden Absorbern verbessert ist. Des Weiteren soll ein verbessertes Solarturm-Kraftwerk angegeben werden.
Bezüglich des solarthermischen Absorbers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen solarthermischen Absorber umfassend eine Verdampferheizfläche mit einer Anzahl von Ver¬ dampferrohren, wobei bei wenigstens einem Verdampferrohr zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens ein Einsatz im Rohrinnenraum angeordnet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass insbe¬ sondere bei Solarturmanlagen mit direkter Verdampfung die zu verzeichnenden sehr hohen Wärmestromdichten zu Kühlungsproblemen von Verdampferrohren führen können. Deshalb kommt der Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung der Verdampferrohre eine große Bedeutung zu, und Maßnahmen zur Verbesserung des Kühlungsverhaltens der Verdampferrohre unterstützen die Betriebssicherheit und Betriebsflexibilität unmittelbar. Die Erfindung zielt daher auf die Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung in den Verdampferrohren ab. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung insbesondere für großtechnische So- larturm-Kraftwerksanlagen der zukünftigen Generation mit sehr hohen Leistungsdichten und hohen Dampfzuständen.
Ein wichtiges Auslegungskriterium sind die Wärmeübergangs¬ eigenschaften des solarthermischen Absorbers mit Verdampferrohren zur direkten Dampferzeugung . Ein hoher Wärmeübergang ermöglicht eine besonders effektive Beheizung des das Ver¬ dampferrohr durchströmenden Mediums bei gleichzeitig zuverlässiger Kühlung des Verdampferrohres an sich.
Um den technischen Anforderung zu begegnen schlägt die Erfindung erstmals vor, in dem solarthermischen Absorber oder in Teilen der Absorberheizfläche des Verdampfers den Einsatz von Glattrohren mit Einbaukörpern anzuordnen, die dem zugeführten Fluid einen Drall aufprägen. Durch den Einsatz dieser Drallkörper wird die Kühlung der Verdampferrohre im Vergleich zu Glattrohren wesentlich verbessert. Die Drallkörper können dabei bei Rohrmaterialien zum Einsatz kommen, in denen aus fertigungstechnischen Gründen keine Innenberippung hergestellt werden kann.
Durch den Einsatz von drallerzeugenden Einbaukörpern in den Verdampferrohren erhöht sich die Betriebssicherheit eines so¬ larthermischen Kraftwerks mit Solar-Turm. Die Kühlung der Verdampferrohre wird durch den Drallkörper deutlich verbessert, da die Innenseite des Verdampferrohres bis hin zu hohen Dampfgehalten vollständig benetzt ist. Die als "Dry-out" be¬ kannte Siedekrise (Austrocknen des Verdampferrohres) mit deutlich reduziertem Wärmeübergang tritt erst bei hohen
Dampfgehalten auf. Trocknet die Wand erst bei hohen Dampf¬ gehalten aus, so ist die Wasserphase fast vollständig ver¬ dampft und über eine hohe Dampfgeschwindigkeit wird eine aus¬ reichende Dampfkühlung sichergestellt. Durch die auf der In¬ nenseite der Rohrwand gleichmäßige Kühlung werden die Tempe¬ raturdifferenzen zwischen stark und weniger stark beheizten Abschnitten des Rohrumfangs minimiert. Dies führt zu niedri¬ gen sekundären thermischen Spannungen und ebenfalls zu einer hohen Betriebssicherheit des solarthermischen Absorbers. Wei¬ terhin ist der Wärmeübergang im Post-Dryout-Gebiet gegenüber den Verhältnissen im Glattrohr wesentlich höher. Zusätzlich kann in geneigten oder in horizontal verlaufenden Abschnitten der Verdampferheizfläche mit Drallkörpern das Auftreten einer Schichtung der Zweiphasenströmung verhindert bzw. zu deutlich niedrigeren Massenstromdichten verschoben werden.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Mehrphasenströmung innerhalb des solarthermischen Absorbers mit Direktverdampfung in einem Verdampferrohr zur Verbesserung des Wärmeüberganges einen Drall aufweisen sollte, so dass die flüssige Phase infolge der Rotation an die Innenwand des Verdampferrohres geführt wird und diese möglichst gleich¬ mäßig benetzt. Für eine gezielte Herstellung und Aufrechter¬ haltung einer derartigen Drallströmung sollten daher geeignete strömungsführende Elemente im Rohrinneren angeordnet sein. Wie sich herausgestellt hat, ist die Strömungsführung dann besonders günstig, wenn einerseits weder ein „Überdrallen" mit großen Druckverlusten entlang des Strömungsweges auftritt, andererseits die Drallwirkung dennoch intensiv genug ist, um die flüssige Phase des Strömungsmediums über den ge¬ samten Rohrumfang an die Rohrinnenwand zu leiten. Bei überkritischen Drücken bewirkt die durch einen Drall bei unveränderter Massenstromdichte erhöhte Geschwindigkeit des Fluids relativ zur Wand ebenfalls eine Erhöhung des Wärme¬ übergangs und ermöglicht durch verbesserte Kühlung größere Leistung für ein vorgegebenes Feld von Heliostaten.
Zur Vermeidung hoher Druckverluste, die zu einem hohen Eigenenergiebedarf für die Speisewasserpumpe in einem Solarturm- Kraftwerk führen, und zur Sicherstellung der Dampfabfuhr im Rohrinneren sollten die strömungsführenden Elemente im Wesentlichen in der Art eines Innenprofils an der Innenwand des Verdampferrohres angeordnet sein und den Rohrquerschnitt im Zentrum nicht oder nur geringfügig versperren. Um überdies die mit den Rippenrohren konventioneller Bauart verbundenen Fertigungslimitierungen zu umgehen, sollte das drallerzeugende Innenprofil im solarthermischen Absorber durch Rohreinbauten oder Einsätze verwirklicht werden, die unabhängig von den Verdampferrohren in der gewünschten Form hergestellt werden können und nachträglich in das Rohr eingezogen werden.
Zu diesem Zweck sind bei dem hier vorgestellten neuen Konzept Drähte oder Bänder vorgesehen, die sich nach dem Einbringen in das Verdampferrohr schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlangwinden, so dass ein wesentlicher Teil des Rohrquerschnitts (mehr als 50 %) frei bleibt und der Dampf im Rohrinneren somit akkumulieren und abströmen kann.
Weiterhin wurde erkannt, dass eine einfache, d. h. eingängige Schraubenfeder in der Regel nur einen schwachen Drall erzeugt. Die Strömung kann dabei über den an der Rohrinnenwand anliegenden Draht scheren. Aufgrund der geringeren Rotation kommt es dann zu einem früheren Auftreten der Siedekrise. Dieser Effekt könnte zwar beispielsweise durch einen größeren Drahtdurchmesser (analog einer größeren Rippenhöhe) kompensiert werden, jedoch führt dies bei einer Drahtanordnung in der Art einer einfachen Schraubfeder leicht zu einem Ansammeln oder Aufstauen der Wasserphase im Zwickel zwischen der Rohrwand und dem Drahteinsatz an der angeströmten Seite bei gleichzeitigem Austrocknen der Innenwandbereiche längsseitig des Drahtes auf der Leeseite, d. h. zu einer unzureichenden Kühlung der entsprechenden Wandbereiche. Derartige Nachteile werden gemäß dem hier vorgestellten Konzept vermieden, indem eine Mehrzahl von Drähten in der Art eines mehrgängigen Gewindes jeweils schraubenförmig an der Rohrinnenwand anliegt. Bei dieser Ausführung wird auch bei moderater Drallstärke und vergleichsweise geringem Druckverlust eine gleichmäßige Be¬ netzung der Rohrinnenwand mit flüssigem Strömungsmittel er¬ reicht; ein Überdrallen der Strömung wird andererseits voll¬ ständig vermieden.
Besonders vorteilhaft ist zudem, dass im Gegensatz zu Rippen¬ rohren herkömmlicher Bauart, die durch einen Verformungspro- zess unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte aus Glatt¬ rohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsicht¬ lich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Profilhöhe, Gangzahl, Steigungswinkel, Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Entsprechende Designvorgaben können bei der Ausführung als Einsatzbauteil besonders einfach und präzise umge¬ setzt werden, da hierzu in der Regel nur Drähte oder Metall¬ bänder mit dem passenden Querschnittsprofil zur Verfügung gestellt und in die gewünschte Anordnung gebracht werden müs¬ sen, z. B. durch Drillung und/oder Verbiegung.
Bei Verdampferrohren mit üblichen Dimensionen und Abmessungen ist eine Anordnung der Drähte in der Art eines zwei- oder dreigängigen Gewindes besonders zweckmäßig. Aber auch vier- bis sechsgängige Ausführungen können vorteilhaft sein; bei Verdampferrohren mit besonders großem Durchmesser sind sogar achtgängige Varianten denkbar. Vorteilhafterweise beträgt der Steigungswinkel des jeweiligen Drahtes gegenüber einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene mindestens 30° und vorzugsweise höchstens 70°. Ganz besonders vorteilhaft ist ein Steigungswinkel aus dem Intervall 40° bis 55°.
Für eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbar keit weist der jeweilige Draht einen runden oder einen im sentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Bei der letztgenannten Aus führungs form können insbesondere die Kanten nachbearbeitet sein, so dass sich vergleichsweise steile Flankenwin¬ kel und scharfkantige Übergänge realisieren lassen. Die Dräh- te können je nach Durchmesser des Verdampferrohres und je nach den vorgesehenen Strömungs- und Temperaturverhältnissen im Durchmesser variieren. Im Allgemeinen ist ein Drahtdurchmesser bzw. eine mittlere Querschnittsausdehnung von 5 % bis 15 % des Innendurchmessers des Glattrohres vorteilhaft.
Vorteilhafterweise sitzt der jeweilige Draht bzw. der aus den Drähten gebildete Rohreinsatz bei der vorgesehenen Betriebstemperatur des Verdampferrohres infolge seiner Eigenspannung rutschfest im Rohrinnenraum. Das Drahtmaterial und die Eigen- Spannung sind also derart auf die geometrischen Verhältnisse abgestimmt, dass ein Kriechen oder ein Verrutschen der einzelnen Windungen gegeneinander unterbunden ist.
In einer alternativen Realisierungsform des Rohreinsatzes im solarthermischen Absorbers umfasst der drallerzeugende Ein¬ satz im Innenraum des Verdampferrohres mindestens einen
Blechrahmen mit einer Anzahl großflächiger Ausnehmungen, wobei der Einsatz in Längsrichtung verdrillt ist, und wobei die Längskanten des jeweiligen Blechrahmens zumindest teilweise an der Rohrinnenwand anliegen.
Weiterhin ist es gerade bei einem vergleichsweise langen, sich über die gesamte Höhe des solarthermischen Absorbers erstreckenden Verdampferrohres wünschenswert, entlang seiner Längsausdehnung je nach Ort unterschiedliche Führungsprofile im Rohrinneren vorzusehen, die der räumlichen Entwicklung bzw. Variation sowohl des Dampfanteils als auch des Behei¬ zungsprofils Rechnung tragen. Ein derartiges Konzept lässt sich vorteilhafterweise dadurch realisieren, dass eine Mehr- zahl von Einsätzen in das Verdampferrohr eingebracht ist, die in jeweils getrennten Rohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist. Da sich ferner herausgestellt hat, dass der Drall nach einmaliger Generie¬ rung auch bei einer Zweiphasenströmung mindestens über eine Strömungsstrecke von fünf Rohrdurchmessern erhalten bleibt, ist keine vollständige, lückenlose Bestückung des Rohres not wendig. Vielmehr können die Einsätze durch Zwischenräume von einander beabstandet in das Verdampferrohr eingebaut sein.
Die Drallerzeugung wird anders als bei den geschlossenen Twisted Tapes von den randnahen Abschnitten, d. h., den die Ausnehmungen umrandenden oder einfassenden Randstegen bewirkt, die sich jeweils schraubenförmig an der Rohrinnenwand entlang winden und dabei eine den Rippen herkömmlicher Rippenrohre ähnliche Gestalt und ähnliche Funktion haben. Die mit dem „Überdrallen" zusammenhängenden negativen Effekte herkömmlicher Twisted Tapes werden vermieden. Stattdessen wird auch bei moderater Drallstärke und bei vergleichsweise geringem Druckverlust eine gleichmäßige Benetzung der Rohrin nenwand mit flüssigem Strömungsmittel erreicht. Eventuell vorhandene endseitige Querstege und die Querstege, die gege¬ benenfalls zwischen jeweils zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Ausnehmungen vorgesehen sind, haben ledig lieh eine Stützfunktion für den Rohreinsatz und stören die Drallströmung im Zentrum des Verdampferrohres nur unwesent¬ lich.
Besonders vorteilhaft ist bei dem neuen Konzept, dass im Ge¬ gensatz zu den Rippenrohren, die unter Einsatz erheblicher Verformungskräfte durch einen Verformungsprozess aus Glatt¬ rohren hergestellt werden, eine große Flexibilität hinsicht¬ lich der strömungsrelevanten Parameter, wie etwa Windungszahl, Breite der Randstege (entsprechend der Rippenhöhe bei Rippenrohren), Flankenwinkel und Scharfkantigkeit besteht. Entsprechende Designvorgaben können bei der Ausführung als Einsatzbauteil besonders einfach und präzise umgesetzt wer¬ den, da hierzu in der Regel nur ein bzw. mehrere geeignet ausgestanzte oder ausgeschnittene Bleche oder Metallbänder bereitgestellt und unter Verdrillung in ein vergleichsweise einfach zu fertigendes Glattrohr eingebracht werden müssen.
Eine mögliche Alternative zu den Drallkörpern sind innenbe- rippte Rohre, die mit Aufpreis gegenüber einem Glattrohr großtechnisch hergestellt werden. Nach heutigem Kenntnisstand sind diese innenberippten Rohre aber nur für Materialien mit einem Chromgehalt <5% großtechnisch herstellbar. Ist durch die hohe Beheizung in dem Absorber eines Solar-Turms oder durch auftretende Materialspannungen der Einsatz von höherwertigen Materialien erforderlich, so kann durch die Drallkörper in Form eines drallerzeugenden Einsatzes die Kühlung der Verdampferrohre des solarthermischen Absorbers sicherge¬ stellt werden.
Bezüglich des verbesserten Solarturm-Kraftwerks wird die Auf¬ gabe gelöst durch ein Solarturm-Kraftwerk mit einem solarthermischen Absorber gemäß der Erfindung. Dabei ist in dem Solarturm-Kraftwerk der solarthermische Absorber strömungsme- diumseitig in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinen- anlage geschaltet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt
FIG 1 Solarturm-Kraftwerk,
FIG 2 einen solarthermischen Absorber mit Verdampferrohren
FIG 3 eine geschnittene Ansicht eines Verdampferrohres mit einem ein drallerzeugendes Innenprofil ausbil¬ denden Einsatz, FIG 4 eine geschnittene Ansicht eines Verdampferrohres mit einem ein drallerzeugendes Innenprofil ausbil¬ denden Einsatz, der aus einem einzigen verdrillten Blechrahmen besteht,
Gleiche Teile sind allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen .
FIG 1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm- Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Receiver 3 angeordnet ist. Der Receiver 3 umfasst einen solarthermischen Absorber 4, beispielsweise in Form einer Absorberrohrwand 5 konventioneller Bauart (siehe FIG 2) . Ein Heliostatenfeld 6 mit einer Anzahl von Heliosta- ten 7 ist am Boden um den Solarturm 2 konzentrisch herum platziert. Das Heliostatenfeld 6 mit den Heliostaten 7 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung Is ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 7 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung Is von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung Ic auf den Receiver 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, den Heliostaten 7, auf die Spitze des Solarturms 2 konzentriert. In der Turmspitze befindet sich ein so- larthermischer Absorber 4, beispielsweise eine Absorberrohrwand 5, die die Strahlung in Wärme umwandelt und die Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser in den Rohrbündeln abgibt. Das Wasser wird hierdurch direkt verdampft. Der im Absorber durch Direktverdampfung erzeugte Dampf kann als Frischdampf einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zugeführt werden.
In FIG 2 ist ein solarthermischer Absorber 4 umfassend eine Absorberrohrwand 5 dargestellt, wie sie beispielsweise in Ausführung als Absorberrohrwand 5 in den Receiver 3 des So- larturmkraftwerks 1 der FIG 1 integriert ist. Konzentrierte Solarstrahlung Ic trifft fokussiert auf eine Vielzahl von Wärmeübertragenden Rohren, die so genannten Verdampferrohre 10. Die Verdampferrohre 10 sind eingangsseitig am Verdampfer¬ eintritt 8 mit einem Verteiler 9 strömungstechnisch verbunden. Am Verdampferaustritt 11 sind die Verdampferrohre 10 mit einem Sammler 12 verbunden. In einer Durchlaufverdampferheiz- fläche 13 ist ein Heizbereich H gebildet, der mit intensiver konzentrierter Solarstrahlung Ic direkt beaufschlagbar ist. Im Heizbereich H sind eine Vielzahl von Verdampferrohren 10 in paralleler Verschaltung angeordnet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine vertikal ausgerichtete Verrohrung. Es ist aber auch möglich, dass die Verdampferrohre 10 des solar¬ thermischen Absorbers 4 horizontal ausgerichtet, um einen Neigungswinkel geneigt, oder spiralförmig gewickelt sind.
Im Betrieb der solar beheizten Absorberrohrwand 5 werden die Verdampferrohre 10 im Heizbereich H durch die konzentrierte Solarstrahlung Ic sehr stark aufgeheizt, wobei die Verdampferrohre 10 die Wärme an ein Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, in den Verdampferrohren 10 abgeben. Das Strömungsmedium wird dabei in den Verdampferrohren 10 durch die konzent- rierte Solarstrahlung Ic direkt verdampft. Das verdampfte
Wasser verlässt als Nutzdampf den Verdampferaustritt 11 und kann gegebenenfalls nach weiterer Überhitzung in einer nicht dargestellten Überhitzerheizfläche in einem nicht näher dargestellten konventionellen Kraftwerksteil als Arbeitsmedium zur Entspannung in einer Dampfturbine benutzt werden. Am Verdampfereintritt 8 tritt kaltes Strömungsmedium, insbesondere kaltes Wasser, in den Verteiler 9 ein und wird auf die Vielzahl der Verdampferrohre 10 verteilt. Im Betrieb des solar¬ thermischen Absorbers 4 ist es besonders kritisch in Abhän- gigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassen- strom durch die Absorberheizfläche, respektive die Absorber¬ rohrwand 5, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Absorberaustritt, respektive am Verdampferaustritt 11 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 6 zu gewährleisten. Das am Verdampferaustritt 11 zur Verfügung stehende Wasser-/Dampfgemisch kann bei entsprechender Über- hitzung als Frischdampf mit einer Frischdampftemperatur der nicht näher dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie zugestellt werden. FIG 3 zeigt in einer geschnittenen Ansicht einen Ausschnitt eines für die Berohrung der Absorberrohrwand 5 des solarther¬ mischen Absorbers 4 eingesetzten Verdampferrohres 10. In den Rohrinnenraum 18 eines Glattrohres 20 ist ein Einsatz 22 eingebracht, der zur Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens ein drallerzeugendes Innenprofil ausbildet. Der Einsatz 22 umfasst im Ausführungsbeispiel drei Drähte 24, die sich in der Art eines dreigängigen Gewindes mit konstantem Steigungs¬ winkel (und damit mit konstanter Ganghöhe) an der Rohrinnen¬ wand 26 entlangwinden. Infolge ihrer Eigenspannung liegen die Drähte 24 fest an der Rohrinnenwand 26 an. Zusätzlich sind die Drähte 24 jeweils an mehreren Stellen, insbesondere in der Nähe ihrer beiden Enden, durch Punktschweißung an der Rohrinnenwand 26 fixiert. Die Drähte 24 bestehen im Ausführungsbeispiel wie auch die
Rohrinnenwand 26 des sie aufnehmenden Glattrohres 20 aus ei¬ nem hochwarmfesten metallischen Werkstoff mit hohem Chromanteil. Daneben existieren natürlich auch noch andere geeignete Materialien, die dem Fachmann geläufig sind, z. B. 13CrMo44. Neben der Anzahl der Drähte 24 (Gangzahl der Schraubenfeder) und dem Steigungswinkel ist das Querschnittsprofil der Drähte 24 ein wichtiges Auslegungskriterium. Insbesondere können aufgrund der vom Glattrohr 20 separaten Fertigung des jeweiligen Drahtes 24 dessen Höhe und Breite sowie der Flankenwin- kel gegenüber der Rohrinnenwand 26 und die Schärfe der Kanten beliebig vorgegeben werden. In erster Näherung werden in der Regel die geometrischen Parameter ähnlich wie bei den Rippen konventioneller Rippenrohre gewählt. Darüber hinaus kann aber auch noch eine ortsabhängige Anpassung und Optimierung erfol- gen, die auf den Verlauf des Beheizungsprofils entlang der Durchlaufverdampferheizfläche H des solarthermischen Absor¬ bers 4 Rücksicht nimmt. FIG 4 zeigt m einer geschnittenen Ansicht einen Ausschnitt eines für die Berührung der Absorberrohrwand 5 des solarther- mischen Absorbers 4 eingesetzten Verdampferrohres 10. In den Rohrinnenraum 18 eines Glattrohres 20 ist ein Einsatz 22 eingebracht, der zur Verbesserung des Wärmeübergangsverhaltens ein drallerzeugendes Innenprofil ausbildet. Der Einsatz 22 umfasst im Ausführungsbeispiel einen in Längsrichtung, d. h. um die Rohrachse verdrillten Blechrahmen 25, der eine Mehrzahl großflächiger Ausnehmungen 27 aufweist.
Der Blechrahmen 25 ist um seine Längsachse verdrillt und in diesem vorgespannten Zustand in ein als Verdampferrohr 10 vorgesehenes Glattrohr 20 eingebracht. Der Blechrahmen 25 be¬ steht wie auch die Rohrwand 38 des ihn aufnehmenden Glattrohres 20 aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff mit hohem Chromanteil. Natürlich können auch andere geeignete Ma¬ terialien, die dem Fachmann geläufig sind, zum Einsatz kommen. Aufgrund der vom Glattrohr 20 separaten Fertigung des Blechrahmens 25 können insbesondere die Höhe und Breite sowie der Steigungswinkel der von den Längskanten 30 gebildeten Schraubenlinien beliebig vorgegeben werden. In erster Näherung werden in der Regel die geometrischen Parameter ähnlich wie bei den Rippen konventioneller Rippenrohre gewählt. Darüber hinaus kann aber auch noch eine ortsabhängige Anpassung und Optimierung erfolgen, die auf den Verlauf des Beheizungs¬ profils entlang der Durchlaufverdampferheizfläche 13 des so¬ larthermischen Absorbers 4 Rücksicht nimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermischer Absorber (4), insbesondere für ein So- larturm-Kraftwerk (1), umfassend eine Durchlaufverdampfer- heizfläche (13) mit einer Anzahl von Verdampferrohren (10), wobei bei wenigstens einem Verdampferrohr (10) mindestens ein Einsatz (22) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils im Rohrinnenraum (18) angeordnet ist.
2. Solarthermischer Absorber (4) nach Anspruch 1, wobei sich der Einsatz (22) im Verdampferrohr (10) in Form eines mehrgängigen Gewindes schraubenförmig an der Rohrinnenwand (26, 36) entlang windet.
3. Solarthermischer Absorber (4) nach Anspruch 2, bei dem der Steigungswinkel des Einsatzes (22) gegenüber einer senk¬ recht zur Rohrachse orientierten Bezugsebene mindestens 30° und vorzugsweise höchstens 70° beträgt.
4. Solarthermischer Absorber (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einsatz (22) ein Draht (24) ist.
5. Solarthermischer Absorber (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einsatz (22) einen oder mehrere Blechrahmen (25) mit einer Anzahl großflächiger Ausnehmungen (27) um- fasst, und wobei der Einsatz (22) in Längsrichtung verdrillt ist und mit seinen Längskanten (30) zumindest teilweise an der Rohrinnenwand (36) anliegt.
6. Solarthermischer Absorber (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von Einsätzen (22), die in jeweils getrennten Verdampferrohrabschnitten angeordnet sind, wobei der jeweilige Einsatz (22) mit seinen geometrischen Parametern an die im Betrieb vorgesehene lokale Beheizung und/oder an die lokalen Strömungsverhältnisse angepasst ist.
7. Solarturmkraftwerk (1) mit einem solarthermischen Absorber (4), wobei der Absorber (4) eine Durchlaufverdampferheizflä- che (13) mit einer Anzahl von Verdampferrohren (10) umfasst, wobei in wenigstens einem Verdampferrohr (10) zur Bildung eines drallerzeugenden Innenprofils mindestens einen Einsatz (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
8. Solarturmkraftwerk (1) nach Anspruch 7,
bei dem der solarthermische Absorber (4) strömungsmediumsei- tig in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinenanlage geschaltet ist.
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