WO2012041679A2 - Vorrichtung zur speicherung von heissen, korrosiv wirkenden flüssigkeiten sowie verwendung der vorrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for receiving hot, corrosive liquids, comprising a space enclosed with a wall for receiving the liquid. Furthermore, the invention also relates to a use of the device.
  • a device for receiving hot, corrosive liquids for example, a container which is used for receiving a heat storage medium in a solar power plant.
  • heat is generated during the daytime, as long as the sun is shining, with the help of solar energy.
  • the heat is used to generate electricity.
  • the heat is used to evaporate water and to drive a generator to generate electricity with the generated water vapor.
  • solar energy is used to heat up a heat storage medium. This is stored in a well insulated container.
  • the heated heat storage medium is removed and used, for example, to evaporate water.
  • the heat storage medium gives off heat and is cooled.
  • the cold heat storage medium is then passed, for example, into a second cold storage storage tank.
  • large solar power plants require very large heat storage.
  • it is necessary to heat the heat storage medium to correspondingly high temperatures.
  • a heat accumulator is currently being operated in a solar power plant with a working temperature in the range between 290 and 390 ° C.
  • an attempt is currently being made to extend the temperature range to 550 ° C or even to temperatures above it.
  • heat storage media for example, salt melts are used. Due to the large amount of heat storage medium needed to operate a large solar power plant, alternatives are also sought here.
  • Alternative heat Storage media are, for example, also those containing sulfur. Both molten salts and sulfur-containing thermal storage media cause corrosion at high temperatures to the usually made of steel containers. For example, some nitrate melts at temperatures of more than 550 ° C can lead to embrittlement of various stainless steels. Although the stainless steels remain stable, they are sensitive to shocks.
  • Materials that resist the corrosive substances even at high temperatures are, for example, ceramics and glasses. In general, however, these can not be connected to large structures, as is necessary for the containers for heat storage, seal-free. Applied sealing material can be corrosively attacked at high temperatures. In addition, these materials are generally brittle and, when connected to a building, can not carry high internal pressures.
  • Object of the present invention is therefore to provide a device for receiving hot, corrosive liquids, which is corrosion resistant and dense and has sufficient mechanical stability to accommodate large amounts of liquid can.
  • a device for receiving hot, corrosive liquids which comprises a wall enclosed space for receiving the liquid, wherein the space has an internal insulation.
  • the internal insulation can either rest directly against the wall of the container or it can be formed a gap between the inner insulation and the wall.
  • the internal insulation prevents the hot liquid contained in the space from coming into contact with the wall. Due to the insulating effect of the internal insulation, the temperature of the side facing the wall is significantly lower than the temperature of the hot liquid. This will achieve that the temperature of the wall bounding the space can be kept below the temperature at which corrosion occurs.
  • the internal insulation In order to protect the internal insulation, especially in the case of a gap between the internal insulation and the wall of the space in which the liquid is contained, from inadmissible forces acting thereon, the internal insulation preferably has passages through which the liquid can flow. This adjusts a pressure balance on the inside of the insulation and the outside of the insulation. The internal insulation thus does not need to be stable against an internal pressure. In particular, when the gap between the inner insulation and the wall is not uniform, or even the inner insulation partially rests against the wall and partially creates a gap, liquid flows through the passages in the gap until a pressure equalization occurs. A deformation of the inner insulation, which could possibly lead to destruction, is thereby avoided.
  • the design of the passages is such that liquid can flow into the passages, but does not use convection. This allows liquid to flow out of the container through the passages, but no mass transfer occurs in the passages once they are filled.
  • the liquid contained in the passages then also acts in an insulating manner. Although the liquid comes into contact with the wall of the room due to the passage through the passages, it has a lower temperature than the liquid in the reservoir, the thickness of the insulation being chosen such that the temperature in the region of the wall is so low that that no or at least minimal corrosion occurs.
  • the inner insulation has expansion joints.
  • the expansion joints are preferably also sized so that no convection begins therein.
  • the passages in the inner insulation for pressure equalization simultaneously serve as expansion joints, which are used to prevent destruction of the inner insulation by thermal expansion. In this way it is possible to control even loads due to temperature changes without destroying the internal insulation.
  • the extent of the passages and / or the expansion joints is dependent on the viscosity of the liquid contained in the space.
  • the internal insulation can be constructed, for example, from essentially cuboidal elements.
  • Substantially parallelepiped elements also include elements in which the width increases outwardly to conform to a container having a circular cross-section so that the expansion joints between the elements have a uniform width, as well as elements in the form of circular segments attached to are adapted to the diameter of the container are designed.
  • the passages or expansion joints are, for example, gaps between the cuboidal elements.
  • a further prevention of convection is possible in that the cuboidal elements are stacked offset to build the internal insulation. A gap between two cuboidal elements is then only as high as such a cuboidal element and is interrupted by a parallelepiped element of the next row.
  • the internal insulation can be both self-supporting as well as formed by attachment of insulating elements on the wall.
  • insulating elements are stacked to form an inner wall, whereby it can stand freely or rest against the wall of the room. It is particularly preferred if the self-supporting internal insulation has expansion joints.
  • the second insulating layer may be formed of the same material as the internal insulation. It is also possible to use two different materials.
  • the inner insulation which is preferably self-supporting
  • the inner insulation which is preferably self-supporting
  • the second insulating layer to be highly insulating Material, such as glass foam, contains.
  • the internal insulation can also be made up of more than two layers. In this case, at least one layer is preferably a self-supporting internal insulation, the remaining layers may or may not be self-supporting. It is also possible, for example, to build up alternately self-supporting insulating layers and highly insulating material in several layers. Furthermore, however, it is also possible that all layers of the insulation are self-supporting.
  • the second insulating layer when the second insulating layer is not self-supporting, it is advantageous if this is limited both on the inside and on the outside by a self-supporting internal insulation. However, it is preferred if each layer of the insulation is self-supporting.
  • a seal made of a corrosion-resistant material is received between the inner insulation and the wall.
  • the seal made of corrosion-resistant material may be, for example, an inliner, for example in the form of a corrugated sheet.
  • a seal made of a corrosion-resistant material it is possible to use a non-corrosion-resistant metal for the wall.
  • Corrosion-resistant materials for example corrosion-resistant stainless steels, are generally expensive and also have lower strength values than steels which are not resistant to corrosion in relation to the liquid contained in the space.
  • the seal made of the corrosion-resistant material it is possible to make the wall of the enclosed space, for example a container, of a steel which is not stable to the liquid contained in the space. The seal made of the corrosion-resistant material prevents the liquid contained in the space from coming into contact with the wall.
  • the device for storing the hot, corrosive liquid is, for example, a container.
  • This generally has a wall and a lid, so that a closed space is formed, in which the hot, corrosive liquid is contained.
  • the wall of the container may, for example, from the typical materials for container construction z. B steel or stainless steel to be built.
  • a seal made of a corrosion-resistant material it is possible to use materials for the wall of the container, which are not resistant to corrosion compared to the liquid contained in the container.
  • Suitable corrosion-resistant materials from which the seal can be made are, for example, graphite or aluminum. If the device for storing hot, corrosive liquids is a container, it is usually closed with a container lid. On the container lid insulating elements are then also attached. Due to the insulation of the container lid, it is also avoided in the area of the container lid that - especially when the container is completely filled - the container lid comes into contact with the hot, corrosive liquid. In addition, it is avoided that heat is released through the container lid to the environment.
  • the storage space enclosed by a wall can also be a cavity in the ground.
  • the cavity can be a natural cavity; alternatively, it is also possible to artificially create a cavity, for example.
  • the advantage of a cavity in the ground is that greater heights of the memory can be realized, since they can be loaded by a higher hydrostatic pressure than conventional containers, since the forces occurring due to the hydrostatic pressure are absorbed on the wall of the soil.
  • a large height for the room is particularly useful if the contained in the room, corrosive liquid is a heat storage, which is to be operated as a stratified storage. In a heat storage system operated as a stratified storage tank, there is cold liquid at the bottom and hot liquid at the top.
  • a cavity in the ground is that a heat storage for a solar power plant can be operated well above 440 ° C even under pressure and at maximum temperature, as even with large storage systems, a system pressure of more than 1 bar can be applied.
  • the hot, corrosive liquid can be stored in a cavity in the ground in the absence of air, which can greatly reduce the risk of fire.
  • the in-situ insulation of the cavity in the soil prevents the hot, corrosive liquid from coming into contact with the soil and releasing substances from the soil or reacting with them and carrying away the solutes or the reaction products.
  • the substances or reaction products dissolved from the soil can, for example, be added to other components of a plant in which the Device for storing hot, corrosive liquids is used, causing damage caused by increased corrosion or deposits.
  • a cavity in the ground for example, can be artificially generated completely above ground, for example, by artificially heaping up a mound in which such a cavity is formed.
  • a cavity in the ground can be partially underground, whereby both naturally occurring cavities and artificial cavities can be used. It is also possible that the cavity is completely subterranean. In this case, natural cavities are used in particular.
  • an internal insulation is introduced into the cavity in the ground. This serves in particular to avoid, as already described above, that liquid which is stored in the cavity dissolves substances from the soil or reacts with substances from the soil.
  • the material of the internal insulation both when used in a container as well as when used in a cavity in the ground, are suitable, for example, alumina, silicon carbide, silica, aluminum foam, glass foam or mixtures thereof. It is also possible to provide several layers, wherein the layers can be made of different materials.
  • the device for storing the hot, corrosive liquid is a container, in particular a container with a metal wall, for example a steel wall
  • the container wall despite the internal insulation has a temperature that lead to injury, for example, when touched can.
  • the container wall is additionally surrounded by an outer insulation.
  • mineral fiber mats or standard glass foam panels are suitable.
  • a sheet metal such as zinc sheet, it can be avoided that moisture penetrates into the insulation.
  • the inventive device for receiving hot, corrosive liquids is particularly suitable for receiving a heat storage medium in a solar power plant, such as a parabolic trough solar power plant.
  • Heat storage media that may be employed include, for example, molten salts or sulfur-containing thermal storage media.
  • Sulfur-containing heat storage medium is in particular elemental sulfur.
  • Particularly suitable as anion-containing additives are those which do not oxidize the sulfur at the operating temperature to corresponding oxidation products, for example sulfur oxides, sulfur halides or sulfur oxide halides. It is furthermore advantageous if the anions-containing additives dissolve well in the sulfur.
  • Preferred anion-containing additives are ionic compounds of a metal of the Periodic Table of the Elements with monatomic or polyatomic singly or multiply negatively charged anions.
  • Metals of the ionic compounds are, for example, alkali metals, preferably sodium, potassium; Alkaline earth metals, preferably magnesium, calcium, barium; Metals of the 13th group of the Periodic Table of the Elements, preferably aluminum; Transition metals, preferably manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc.
  • halides and polyhalides for example fluoride, chloride, bromide, iodide, triiodide
  • Chalcogenides and polychalcogenides for example, oxide, hydroxide, sulfide, hydrosulfide, disulfide, trisulfide, tetrasulfide, pentasulfide, hexasulfide, selenide, telluride
  • Pnicogenides for example amide, imide, nitride, phosphide, arsenide
  • Pseudohalides for example, cyanide, cyanate, thiocyanate
  • complex anions for example, phosphate, hydrogen phosphate, dihydrogen phosphate, sulfate, hydrogen sulfate, sulfite, hydrogen sulfite, thiosulfate, hexacyanoferrate, tetrachloroaluminate, tet
  • anion-containing additives are: aluminum (III) chloride, iron (III) chloride, ferrous sulfide, sodium bromide, potassium bromide, sodium iodide, potassium iodide, potassium thiocyanate, sodium thiocyanate, disodium sulfide (Na 2 S), disodium tetrasulfide (Na 2 S 4 ), disodium pentasulfide (Na 2 S 5 ), dipotassium pentasulfide (K 2 S 5 ), dipotassium hexasulfide (K 2 S 6 ), calcium tetrasulfide (CaS 4 ), barium trisulfide (BaS 3 ), dipotassiumselenide (K 2 Se), tripotassium phosphide ( K 3 P), potassium hexacyanoferrate (II), potassium hexacyanoferrate (III), copper (I) thiocyanate, potassium triio
  • Anions containing additives for the purposes of this application are furthermore mixtures of two or more compounds of a metal of the Periodic Table of the Elements with monatomic or polyatomic formally singly or multiply negatively charged anions, preferably anions composed of non-metal atoms.
  • the quantitative ratio of the individual components is not critical.
  • the mixture according to the invention preferably contains elemental sulfur in the range from 50 to 99.999% by weight, preferably in the range from 80 to 99.99% by weight, more preferably 90 to 99.9% by weight, in each case based on the total mass of mixture according to the invention.
  • the mixture according to the invention preferably contains anions-containing additives in the range from 0.001 to 50% by weight, preferably in the range from 0.01 to 20% by weight, more preferably 0 to 1 to 10% by weight, based in each case on the total mass the mixture according to the invention.
  • the mixture according to the invention may contain further additives, for example additives which lower the melting point of the mixture.
  • the proportion of further additives is generally in the range from 0.01 to 50% by weight, in each case based on the total mass of the mixture.
  • 0.20 ⁇ x ⁇ 0.95. In a particularly preferred embodiment of the invention, 0.50 ⁇ x ⁇ 0.90. In another preferred embodiment of the invention, 3.0 ⁇ y ⁇ 6.0. In a particularly preferred embodiment of the invention y 4.0, 5.0 or 6.0.
  • M 1 , M 2 , M 3 , M 4 Li, Na, K, Rb, Cs and M 1 is not equal to M 2 , M 3 is not equal to M 4 and 0.05 ⁇ x ⁇ 1, 0.05 ⁇ z ⁇ 1, 2.0 ⁇ y ⁇ 6.0 and m the Mole fraction with 0.05 ⁇ m ⁇ 0.95.
  • 0.20 ⁇ x ⁇ 1. In a particularly preferred embodiment of the invention, 0.50 ⁇ x ⁇ 1. In another preferred embodiment of the invention, 3.0 ⁇ y ⁇ 6.0. In a particularly preferred embodiment of the invention y 4.0, 5.0 or 6.0.
  • 0.20 ⁇ m ⁇ 0.80 In a further preferred embodiment of the invention, 0.20 ⁇ m ⁇ 0.80. In a particularly preferred embodiment of the invention, 0.33 ⁇ m ⁇ 0.80.
  • M 1 and M 3 K
  • M 2 and M 4 Na, 0.20 ⁇ x ⁇ 1, 0.20 ⁇ z ⁇ 0.95, 3.0 ⁇ y ⁇ 6, 0 and 0.20 ⁇ m ⁇ 0.95.
  • M 1 and M 3 K
  • the device according to the invention can also be used as a container or reactor, which are exposed to high-temperature corrosion and are always operated with the same medium.
  • the device according to the invention is unsuitable because the space enclosed by the wall can only be cleaned with difficulty. Unavoidable gussets and crevices hold back media residues that are difficult or impossible to remove.
  • FIG. 1 shows a device designed as a layer accumulator for receiving hot, corrosive liquids
  • a section of a self-supporting internal insulation an exemplary construction of an internal insulation with insulation boards, a structure of a container lid with insulating elements, a structure of a container wall with self-supporting internal insulation, a schematic representation of a device for receiving hot, corrosive liquids as a cavity in the ground,
  • FIG. 7 shows the structure of the self-supporting internal insulation in a cavity in the ground
  • FIG. 8 device designed as a storage composite for receiving hot, corrosive liquids
  • FIG. 9 shows a flange connection with internal insulation
  • Figure 10 is a flap with internal insulation.
  • FIG. 1 shows a device designed as a layer store for receiving a hot, corrosive liquid.
  • a stratified storage 1, as shown in FIG. 1, can be used, for example, as a heat store in a solar power plant.
  • the stratified storage 1 comprises a container 3, which is constructed, for example, from a metallic material, for example steel.
  • a container wall 5 is made of the metallic material, wherein the wall thickness of the container wall 5 is selected so that it is mechanically stable against the pressures occurring in the container.
  • the downward increasing hydrostatic pressure of a liquid contained in the container 7 should be considered.
  • a further lid 1 1 may be provided, which rests on completely filled container 3 on the liquid contained in the container 3 7, so that no gas is contained in the container 3.
  • 1 1 compensation areas 13 can be provided on the further dekel. These can be designed, for example, in the form of a bellows.
  • the further cover 1 1 can be positively connected to the container wall 5, for example by a welding process.
  • a gas-tight connection is possible.
  • With an increase in the liquid level or a decrease in the liquid level then raises or lowers the other lid 11 so that it always closes the container so that no gas is contained in the container.
  • a first manifold 15 When using the container 3 as a stratified storage 1 is located in the upper region of the container 3, a first manifold 15. About the first manifold 15 evenly hot liquid can be added to the container. At the same time, in order to keep the liquid level in the container constant, via a second manifold 17 on Bottom of the container removed 3 colder liquid. Cold liquid is uniformly withdrawn through the first distributor 15 and the second distributor 17, so that preferably no convection flow and therefore very little vertical heat conduction in the container are established. In this way it is possible to store liquid in the container in such a way that the lower part contains the generally colder liquid with a higher density and in the upper part the warmer liquid with a lower density.
  • the liquid in the container has two temperatures, namely a higher temperature in the upper region and a lower temperature in the lower region. Between the hot and the cold area, a temperature boundary layer is formed. Since the heat conduction in the liquid can not be prevented, in the real case, however, no sharp separation between hot and cold liquid is possible, but it forms a temperature transition from the hot to the colder liquid. Due to thermal conduction, the transition becomes increasingly blurred as the duration of storage increases.
  • a molten salt or a sulfur-containing heat storage medium is used as the liquid 7 serving as a heat storage medium.
  • sulfur-containing heat storage medium is particularly elementary Sulfur, which may, however, be contaminated or may contain other additives.
  • Both molten salts and sulfur are highly corrosive at higher temperatures than ferrous or nickel containing materials. For example, nitrate melts at temperatures of more than 550 ° C lead to the embrittlement of stainless steels. The stainless steels remain stable, but are shock sensitive.
  • Sulfur-containing heat storage media for example, sulfur with 1% potassium sulfide, produce in typical iron / nickel stainless steels at temperatures above 350 ° C, a noticeable corrosion, which leads to increasing temperature of 500 ° C in a short time for sweeping destruction of stainless steels.
  • chloride-containing molten salts are highly corrosive at high temperatures.
  • an internal insulation 19 is received in the container 3.
  • the internal insulation 19 prevents the liquid 7 contained in the container 3 from coming into contact with the wall 21, which encloses the space receiving the liquid 7.
  • the temperature at the wall 21 is significantly lower than the temperature of the liquid 7 in the container 3.
  • An exemplary construction of the internal insulation 19 is shown in FIG.
  • the internal insulation, as shown in Figure 2 is self-supporting.
  • essentially cuboidal, optionally to match the rounding of the container also slightly trapezoidal elements 23 or elements 23 in the form of circular segments are arranged offset in two rows.
  • the column 25 serve to compensate for different temperature expansions of the materials of internal insulation 19 and container wall 5.
  • the cuboidal elements 23 stacked one above the other in rows, wherein it is preferable to each stacked cuboidal elements 23 also arranged offset from one another.
  • the staggered arrangement, the column 25 are limited in their geometric extension.
  • the gaps 25 are dimensioned so that no convective flow is formed.
  • liquid 7 can flow into the column 25, however, a constant mass transfer in the gaps after they have been once filled with the liquid 7 should be avoided.
  • the liquid contained in the gaps 25 then also insulates.
  • the design in two staggered rows it is avoided that liquid passes through the inner insulation 19 to the wall 21.
  • the internal insulation it is also possible for the internal insulation to be constructed from a row of cuboidal elements 23. In this case, the liquid passes through the gap 25 to the wall 21. Due to the insulating effect of the insulation 19 and the design of the column 25 such that no convective flow occurs, the temperature of the column 25 is also reduced flowed liquid, so that the temperature of the liquid 21 coming into contact with the wall is lower than the temperature of the liquid 7 in the container 3.
  • the thickness of the insulation 19 is chosen so that the temperature of the liquid passing through the gap 25 is so in that the temperature is below the temperature at which the liquid is highly corrosive to the material of the wall 21.
  • FIG. 3 shows an exemplary construction of an internal insulation made of insulating boards.
  • the internal insulation 19 which is shown in FIG. 3, is not self-supporting.
  • the internal insulation 19 comprises individual insulation panels 27, which are mounted on the wall 21.
  • the wall thickness of the wall 21 which forms the container wall 5 is selected so that the wall 21 is stable against forces acting on it, for example due to the hydrodynamic pressure of the liquid contained in the container.
  • the insulation boards 27 are fastened to the wall 21, for example, with suitable wall hooks 29.
  • wall hooks 29 The advantage of using wall hooks 29 is that the individual insulation panels 27 of the internal insulation 19 can be mounted in a simple manner and, if necessary, also dismantled again.
  • this has the disadvantage that a simple disassembly is no longer possible.
  • a gap 25 is formed.
  • the dimensions of the column 25 are to be selected in the embodiment shown in Figure 3 so that no convective flow in the gap 25 is formed.
  • the gap 25 is filled by incoming liquid during filling, but this then remains in the gap 25 and thus also serves for insulation.
  • the insulating panels 26 are generally not flush against the wall 21, liquid also flows behind the insulating wall. plates 27. Due to the insulation with the insulation boards 27, the liquid that comes into contact with the wall 21, but already cooled so far that it no longer acts on the wall 21 corrosive.
  • a corrosion-resistant coating 31 In order to protect the insulation boards 27 against corrosion, it is possible to provide these additionally with a corrosion-resistant coating 31.
  • any coating known to the person skilled in the art is suitable as the corrosion-resistant coating. Suitable coatings are, for example, coatings with enamel or Al 2 O 3 coating.
  • a coating 31 of the insulation boards 27 is particularly useful if a material is used as the material for the insulation boards 27, which is not stable to the liquid 7 contained in the container.
  • a possible construction of a container lid with insulating elements is shown in FIG.
  • FIG 4 for a container lid substantially corresponds to the structure of a container wall shown in Figure 3 with insulating panels mounted thereon.
  • 33 insulating elements 35 are mounted on the container lid.
  • the attachment of the insulating elements 35 can be done, for example, analogously as shown in Figure 3 by means of hooks 37. However, an attachment for example by screwing or gluing is possible.
  • gaps 25 are formed between the individual insulating elements 35 in order to be able to compensate for different thermal expansions of insulating material of the insulating elements 35 and of the material of the container lid 33.
  • FIG. 5 shows a construction of a container wall with self-supporting internal insulation.
  • the container wall 5 is formed by a force-bearing steel shell. This is designed so that it is mechanically stable and can absorb, for example by acting pressures acting forces without deforming.
  • the container wall 5 is followed by a corrosion-resistant seal 39.
  • the corrosion resistant Seal 39 is, for example, a stainless steel inliner. This can be designed, for example, in the form of a corrugated sheet.
  • the corrosion-resistant seal 39 is followed on the inside by a first insulating layer 41.
  • the first insulating layer 41 is preferably self-supporting and composed of quasi-shaped elements which are stacked on top of one another. Between the individual cuboid elements of the first insulating layer 41, it is advantageous if gaps are formed, as is also illustrated, for example, in FIG.
  • the first insulating layer 41 is made of, for example, a high heat insulating material. As a result, a good insulation is achieved.
  • the first insulating layer 41 is followed by a second insulating layer 43.
  • the second insulating layer 43 is made, for example, of an abrasion-resistant material, so that this particular also serves to ensure that the internal insulation 19 is not damaged by movement of the liquid in the container.
  • the second insulating layer 43 is preferably self-supporting and layered, for example, cuboidal elements. Again, it is advantageous if 43 gaps are formed between the individual elements of the second insulating layer in order to compensate for different thermal expansions of the materials of the first insulating layer 41, the second insulating layer 43 and the container wall 5 can. Through the gap 25 between the individual elements of the first insulating layer 41 and the second insulating layer 43, liquid can flow in the direction of the wall 21. The liquid then collects on the corrosion-resistant seal 39. The fact that there is liquid on both sides of the insulation 19, which in each case has the same pressure due to pressure equalization, it is avoided that acts on the insulation 19, a high internal pressure, not from the Outside is compensated. A deformation of the inner insulation 19 is thereby largely avoided.
  • the outer insulation 45 may be formed of, for example, conventional insulating materials such as mineral fibers or glass fibers. To make the container weatherproof, the outer insulation 45 then becomes For example, covered with sheets 47.
  • the sheets 47 that are used, for example, commercially available zinc sheets, which are particularly weather resistant.
  • FIG. 6 schematically shows a device for receiving hot, corrosive liquids in the form of a cavity in the ground.
  • the device for receiving the hot, corrosive liquid as a cavity 49 in the soil 51.
  • This has the advantage that no container limitation in the form of a container wall 5, which is stable to high pressures, is necessary.
  • the forces acting on the wall 21 forces are absorbed by the soil 51.
  • the device may also be a layered memory. If the device for receiving the liquid is a stratified storage, then a first feed 53 is provided in the upper region, through which hot heat storage medium can be fed into the cavity 49 or can be removed from the cavity 49 and a second feed 55, the opens into the lower region of the cavity 49 and can be removed or supplied via the cold heat storage medium.
  • the function otherwise corresponds to that of the heat accumulator shown in FIG.
  • the inner insulation 19 also comprises a first insulating layer 41 in the embodiment shown in FIG and a second insulating layer 43.
  • the second insulating layer 43 is preferably self-supporting and comes into contact with the liquid 7 contained in the cavity 49.
  • the second insulation 43 is this layered, for example, of cuboidal elements.
  • the first insulating layer 41 serves as additional insulation and is made, for example, of a material which can bear pressure, so that the second insulating layer 43 is pressed against the first insulating layer 41 due to the pressure of the liquid contained in the cavity 49 the forces acting thereby are carried by the first insulating layer 41.
  • the first insulating layer 41 may be formed of glass foam or insulating stones, for example.
  • passages 57 are formed in the inner insulation 19.
  • the passages 57 serve as relief leaks through which the liquid can flow behind the internal insulation 19.
  • the passages 57 are thereby designed so that a convective flow is avoided, so that once fluid flows through the passages 57 and, for example, in cavities 59, which are located behind the inner insulation 19, flows and fills them. If the liquid contained in the cavity 49 is sulfur, it cools in the cavities 59 and solidifies, whereby the inner insulation 19 is supported by back pressure. In order to ensure a continuous pressure equalization, it is advantageous if the temperature at the passages 57 always remains so high that the sulfur does not solidify but continues to exist as a melt. For this purpose, it is possible, for example, to provide temperature sensors with which the temperature is measured. If the temperature decreases too much, it is then possible, for example, to melt the solidified sulfur again by using suitable heating elements.
  • FIG. 9 shows a flange connection with internal insulation.
  • a flange 63 is formed on the container 3.
  • a conduit 65 is connected to a second flange 67.
  • the second flange 67 is partially designed concentrically around the conduit 65, wherein between the flange 67 and the conduit 65 insulating material 69 is added.
  • the inner insulation 19 is achieved in the region of the flange.
  • first flange 62 and second flange 67 are accomplished by conventional joining means, e.g. by means of screws 71.
  • a sealing element is usually positioned between the first flange 63 and the second flange 67.
  • a flap in a duct, which is designed with an inner insulation, is shown in FIG.
  • fittings are, for example, flaps 73.
  • the internal insulation 19 is interrupted, wherein a stop 75 is located in the region of the interruption.
  • the flap 73 can be placed so that it abuts against the stop 75.
  • the flap 73 can be opened.
  • the use of the internal insulation 19 prevents the hot material flowing through the conduit 65 from coming into direct contact with the material of the conduit 65.
  • these are preferably provided with a high-temperature and corrosion-resistant coating 77.
  • both in pipes and fittings as well as in the container can be designed a system that is operated with hot, corrosive liquids.
  • a plant is for example a solar power plant, for example a parabolic trough solar power plant.
  • a container with internal insulation is sulfur with a temperature of 390 ° C.
  • the container has an internal insulation 19 made of refractory bricks.
  • the container wall is made of steel. On the outside, the steel is enclosed by a mineral wool outside insulation.
  • Table 1 shows the temperatures that occur at the transitions from brick to steel, steel to mineral wool and mineral wool to the environment.
  • Table 1 Temperature profile in a device according to the invention with internal insulation of refractory bricks
  • the temperature decreases 154 ° C from the inside of the refractory bricks to the outside of the refractory bricks.
  • the temperature at which the melt possibly passing through the refractory bricks comes into contact with the steel container wall is therefore 236.41 ° C. this is a Temperature at which most steels are corrosion resistant to sulfur and sulfur contained additives. Corrosion therefore does not occur.
  • the internal insulation consists of a layer of refractory bricks and a layer of glass foam, which adjoins the refractory bricks. Between the glass foam layer and the steel container wall is a gap into which sulfur has flowed.
  • Table 2 Temperature profile in a device according to the invention with two insulating layers
  • the additional layer of glass foam preferably made of borosilicate glass or quartz glass, which is introduced between the container wall of steel and the refractory bricks, the temperature is reduced to the wall of steel so far that it has only 30 ° C. Corrosion on the steel shell at this temperature is no longer expected.
  • the sulfur which is between the glass foam and the steel container wall, is solid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten (7), umfassend einen mit einer Wandung (21) umschlossenen Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit (7), wobei der Raum eine innenliegende Isolierung (19) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Vorrichtung zur Speicherung von korrosiv wirkenden Flüssigkeiten zur Speicherung eines Schwefel enthaltenden Wärmespeichermedium.

Description

Vorrichtung zur Speicherung von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten sowie Verwendung der Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten, umfassend einen mit einer Wandung umschlossenen Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Verwendung der Vorrichtung.
Eine Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten ist zum Beispiel ein Behälter, der zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums in einem Solarkraftwerk eingesetzt wird. In einem Solarkraftwerk wird tagsüber, solange die Sonne scheint, mit Hilfe der Solarenergie Wärme erzeugt. Die Wärme wird zur Erzeugung von Strom genutzt. Im Allgemeinen wird die Wärme genutzt, um Wasser zu verdampfen und mit dem erzeugten Wasserdampf einen Generator zur Erzeugung von Strom anzutreiben. Um ein Solarkraftwerk kontinuierlich betreiben zu können, wird mit Hilfe der Sonnenenergie ein Wärmespeichermedium aufgeheizt. Dieses wird in einem gut isolierten Behälter gespeichert. Zur Entnahme von Wärme, zum Beispiel wenn die Sonne nicht scheint, wird das erwärmte Wärmespeichermedium entnommen und zum Beispiel zum Verdampfen von Wasser genutzt. Hierbei gibt das Wärmespeichermedium Wärme ab und wird abgekühlt. Das kalte Wärmespeichermedium wird dann zum Beispiel in einen zweiten Behälter für kaltes Wärmespeichermedium geleitet. Um einen unterbrechungsfreien Betrieb in einem Solarkraftwerk zu ermöglichen, benötigen große Solarkraftwerke sehr große Wärmespeicher. Um in einem Solarkraftwerk das Wasser zu verdampfen und den Dampf auf eine für den Betrieb sinnvolle Temperatur zu erhitzen, ist es notwendig, das Wärmespeichermedium auf entsprechend hohe Temperaturen zu erwärmen. So wird derzeit ein Wärmespeicher in einem Solarkraftwerk mit einer Arbeitstemperatur im Bereich zwischen 290 und 390 °C betrieben. Zudem wird derzeit versucht, den Temperaturbereich auf 550 °C oder sogar auf Temperaturen darüber zu erweitern.
Als Wärmespeichermedien werden zum Beispiel Salzschmelzen eingesetzt. Aufgrund der großen Menge an Wärmespeichermedium, die benötigt wird, um ein großes Solarkraftwerk zu betreiben, wird hier auch nach Alternativen gesucht. Alternative Wärme- speichermedien sind zum Beispiel auch solche, die Schwefel enthalten. Sowohl bei Salzschmelzen als auch bei Schwefel enthaltenden Wärmespeichermedien tritt bei hohen Temperaturen eine Korrosion an den üblicherweise aus Stahl gefertigten Behältern auf. So können zum Beispiel einige Nitratschmelzen bei Temperaturen von mehr als 550 °C zur Versprödung von verschiedenen Edelstählen führen. Die Edelstähle bleiben dabei zwar stabil, werden aber schlagempfindlich. Bei hoch schwefelhaltigen Speichermaterialien, zum Beispiel Schwefel, der 1 Gew.-% Kaliumsulfid enthält, wird bei Temperaturen oberhalb von 350 °C eine merkbare Korrosion erzeugt, die bei zunehmender Temperatur ab 400 °C zu einer schnellen durchgreifenden Zerstörung von typischen Eisen- und Nickel basierten Edelstählen führt. Auch Chlorid-haltige Salzschmelzen wirken bei hohen Temperaturen stark korrosiv. Bei niedrigeren Temperaturen ist die Korrosivität deutlich geringer, zum Teil auch überhaupt nicht gegeben.
Materialien, die den korrosiven Stoffen auch bei hohen Temperaturen widerstehen, sind zum Beispiel Keramiken und Gläser. Im Allgemeinen können diese allerdings nicht zu großen Bauwerken, wie dies für die Behälter zur Wärmespeicherung notwendig ist, dichtungsfrei verbunden werden. Eingesetztes Dichtungsmaterial kann bei hohen Temperaturen korrosiv angegriffen werden. Darüber hinaus sind diese Materialien im Allgemeinen spröde und können zu einem Bauwerk verbunden keine hohen Innendrü- cke tragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten bereitzustellen, die korrosionsfest und dicht ist und eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, um auch große Mengen an Flüssigkeit aufnehmen zu können.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten, die einen mit einer Wandung umschlossenen Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit umfasst, wobei der Raum eine innenliegende Isolierung auf- weist.
Die innenliegende Isolierung kann dabei entweder direkt an der Wandung des Behälters anliegen oder aber es kann ein Spalt zwischen der innenliegenden Isolierung und der Wandung ausgebildet sein.
Durch die innenliegende Isolierung wird vermieden, dass die in dem Raum enthaltene heiße Flüssigkeit mit der Wandung in Kontakt kommt. Durch die isolierende Wrkung der innenliegenden Isolierung ist die Temperatur der der Wandung zugewandten Seite deutlich niedriger als die Temperatur der heißen Flüssigkeit. Hierdurch wird erreicht, dass die Temperatur der den Raum begrenzenden Wandung unterhalb der Temperatur gehalten werden kann, bei der Korrosion auftritt.
Um die innenliegende Isolierung insbesondere bei einem Spalt zwischen der innenliegenden Isolierung und der Wandung des Raumes, in dem die Flüssigkeit aufgenommen ist, vor unzulässigen darauf wirkenden Kräften zu schützen, weist die innenliegende Isolierung vorzugsweise Durchgänge auf, durch die die Flüssigkeit fließen kann. Hierdurch stellt sich ein Druckausgleich auf der Innenseite der Isolierung und der Au- ßenseite der Isolierung ein. Die innenliegende Isolierung braucht somit nicht stabil gegen einen von innen wirkenden Druck zu sein. Insbesondere, wenn der Spalt zwischen der innenliegenden Isolierung und der Wandung nicht gleichmäßig ist, oder auch die innenliegende Isolierung teilweise an der Wandung anliegt und teilweise ein Spalt entsteht, fließt Flüssigkeit durch die Durchgänge in den Spalt, bis sich ein Druckausgleich einstellt. Eine Verformung der innenliegenden Isolierung, die gegebenenfalls zu einer Zerstörung führen könnte, wird dadurch vermieden.
Die Gestaltung der Durchgänge ist dabei derart, dass Flüssigkeit in die Durchgänge fließen kann, aber keine Konvektion einsetzt. Hierdurch ist es möglich, dass Flüssigkeit aus dem Behälter durch die Durchgänge fließt, jedoch kein Stoffaustausch in den Durchgängen erfolgt, nachdem diese einmal gefüllt sind. Insbesondere bei einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit der zu speichernden Flüssigkeit, zum Beispiel bei einer Schwefelschmelze, wirkt dann auch die in den Durchgängen enthaltene Flüssigkeit isolierend. Die Flüssigkeit kommt zwar aufgrund des Durchtritts durch die Durchgänge mit der Wandung des Raumes in Kontakt, weist jedoch eine niedrigere Temperatur auf als die Flüssigkeit im Speicher, wobei die Dicke der Isolierung so gewählt wird, dass die Temperatur im Bereich der Wandung so niedrig ist, dass keine oder zumindest nur minimale Korrosion auftritt. Um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Materials der innenliegenden Isolierung und der Wandung, mit der Raum umschlossen ist, auszugleichen, ist es bevorzugt, wenn die innenliegende Isolierung Dehnungsfugen aufweist. Die Dehnungsfugen sind vorzugsweise ebenfalls so bemessen, dass darin keine Konvektion einsetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform dienen die Durchgänge in der innenliegenden Iso- lierung zum Druckausgleich gleichzeitig als Dehnungsfugen, die eingesetzt werden, um eine Zerstörung der innenliegenden Isolierung durch Wärmedehnung zu verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, auch Belastungen durch Temperaturwechsel ohne Zerstörung der innenliegenden Isolierung zu beherrschen. Das Maß der Durchgänge und/oder der Dehnungsfugen ist dabei abhängig von der Viskosität der im Raum enthaltenen Flüssigkeit.
Auch bei offenporigen feuerfesten Isolationssteinen, aus denen die innenliegende Iso- lierung zum Beispiel hergestellt werden kann, verringert zwar in die Poren eindringende Flüssigkeit die Isolationsqualität der Dämmsteine, jedoch reicht die geringe Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit, zum Beispiel von Schwefel, aus, um eine ausreichend starke Isolierung aufzubauen. Die innenliegende Isolierung kann zum Beispiel aus im Wesentlichen quaderförmigen Elementen aufgebaut sein. Im Wesentlichen quaderförmige Elemente umfassen auch Elemente, bei denen die Breite zur Anpassung an einen Behälter mit kreisförmigem Querschnitt nach außen hin zunimmt, so dass die Dehnungsfugen zwischen den Elementen eine gleichmäßige Breite aufweisen, sowie Elemente, die in Form von Kreis- Segmenten, die an den Durchmesser des Behälters angepasst sind, gestaltet sind. Die Durchgänge beziehungsweise Dehnungsfugen sind zum Beispiel Spalte zwischen den quaderförmigen Elementen. Eine weitere Verhinderung der Konvektion ist dadurch möglich, dass die quaderförmigen Elemente zum Aufbau der innenliegenden Isolierung versetzt geschichtet werden. Ein Spalt zwischen zwei quaderförmigen Elementen ist dann jeweils nur so hoch wie ein solches quaderförmiges Element und wird von einem quaderförmigen Element der nächsten Reihe unterbrochen.
Die innenliegende Isolierung kann sowohl selbsttragend sein als auch durch Befestigung von Dämmelementen an der Wandung gebildet werden. Bei einer selbsttragen- den Isolierung werden zum Beispiel Dämmelemente zu einer innenliegenden Wand geschichtet, wobei diese frei stehen kann oder an der Wandung des Raumes anliegen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn die selbsttragende innenliegende Isolierung Dehnungsfugen aufweist. Um die Isolierung weiter zu verbessern, ist es möglich, zwischen der Wandung und der innenliegenden Isolierung eine zweite Isolierschicht auszubilden. Die zweite Isolierschicht kann dabei aus dem gleichen Material gebildet sein wie die innenliegende Isolierung. Auch ist es möglich, zwei unterschiedliche Materialien einzusetzen. Wenn zwischen der Wandung und der innenliegenden Isolierung eine zweite Isolierschicht aufgenommen ist, so ist es zum Beispiel möglich, dass die innenliegende Isolierung, die vorzugsweise selbsttragend ist, aus einem abrasionsfesten Material, beispielsweise feuerfestem Stein aus Aluminiumoxid, gebildet wird und die zweite Isolierschicht ein hochisolierendes Material, beispielsweise Glasschaum, enthält. Die innenliegende Isolierung kann auch aus mehr als zwei Schichten aufgebaut sein. Dabei ist vorzugsweise mindestens eine Schicht eine selbsttragende innenliegende Isolierung, die übrigen Schichten können selbsttragend sein oder auch nicht. Auch ist es zum Beispiel möglich, abwechselnd selbsttragende Isolierschichten und hoch isolierendes Material in mehreren Schichten aufzubauen. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass sämtliche Schichten der Isolierung selbsttragend sind.
Insbesondere wenn die zweite Isolierschicht nicht selbsttragend ist, ist es vorteilhaft, wenn diese sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite von einer selbsttragenden innenliegenden Isolierung begrenzt wird. Bevorzugt ist es jedoch, wenn jede Schicht der Isolierung selbsttragend ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der innenliegenden Isolierung und der Wandung eine Dichtung aus einem korrosionsstabilen Werkstoff aufgenommen. Die Dichtung aus korrosionsstabilem Werkstoff kann zum Beispiel ein Inliner, beispielsweise in Form eines Wellblechs, sein. Durch den Einsatz einer Dichtung aus einem korrosionsstabilen Werkstoff ist es möglich, für die Wandung ein nicht korrosionsstabiles Metall einzusetzen. Korrosionsstabile Werkstoffe, zum Beispiel korrosionsbe- ständige Edelstähle, sind im Allgemeinen teuer und weisen auch geringere Festigkeitswerte auf als Stähle, die gegenüber der im Raum enthaltenen Flüssigkeit nicht korrosionsstabil sind. Durch den Einsatz der Dichtung aus dem korrosionsstabilen Werkstoff ist es möglich, die Wandung des umschlossenen Raumes, zum Beispiel eines Behälters, aus einem Stahl zu fertigen, der nicht stabil ist gegenüber der im Raum enthaltenen Flüssigkeit. Mit Hilfe der Dichtung aus dem korrosionsstabilen Werkstoff wird vermieden, dass die Flüssigkeit, die in dem Raum enthalten ist, mit der Wandung in Kontakt kommt.
Die Vorrichtung zur Speicherung der heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeit ist zum Beispiel ein Behälter. Dieser weist im Allgemeinen eine Wandung und einen Deckel auf, so dass ein geschlossener Raum entsteht, in dem die heiße, korrosiv wirkende Flüssigkeit enthalten ist. Die Wandung des Behälters kann zum Beispiel aus für den Behälterbau typischen Materialien z. B Stahl oder Edelstahl errichtet werden. Insbesondere, wenn eine Dichtung aus einem korrosionsstabilen Werkstoff eingesetzt wird, ist es möglich, für die Wandung des Behälters auch Werkstoffe einzusetzen, die gegenüber der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit nicht korrosionsstabil sind.
Geeignete korrosionsstabile Werkstoffe, aus denen die Dichtung gefertigt sein kann, sind zum Beispiel Graphit oder Aluminium. Wenn die Vorrichtung zur Speicherung von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten ein Behälter ist, so ist dieser üblicherweise mit einem Behälterdeckel verschlossen. Am Behälterdeckel werden dann ebenfalls Isolierelemente angebracht. Durch die Isolie- rung des Behälterdeckels wird auch im Bereich des Behälterdeckels vermieden, dass - insbesondere bei vollständig gefülltem Behälter - der Behälterdeckel mit der heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeit in Kontakt kommt. Zudem wird vermieden, dass über den Behälterdeckel Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Neben einem Behälter kann der mit einer Wandung umschlossene Speicherraum auch eine Kavität im Erdreich sein. Hierbei ist es einerseits möglich, dass die Kavität eine natürliche Kavität ist, alternativ ist es auch möglich, zum Beispiel künstlich eine Kavität zu erzeugen. Der Vorteil einer Kavität im Erdreich ist, dass größere Höhen des Speichers realisierbar sind, da diese durch einen höheren hydrostatischen Druck belastet werden können als herkömmliche Behälter, da die durch den hydrostatischen Druck auftretenden Kräfte auf die Wandung vom Erdreich aufgenommen werden. Eine große Höhe für den Raum ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die im Raum enthaltene, korrosiv wirkende Flüssigkeit ein Wärmespeicher ist, der als Schichtenspeicher betrieben werden soll. In einem als Schichtenspeicher betriebenen Wärmespeicher befindet sich unten kalte Flüssigkeit und oben heiße Flüssigkeit. Durch eine große Höhe wird die Zeit, bis ein Temperaturausgleich aufgrund von Wärmeleitung erfolgt ist, erhöht. Auf diese Weise ist es möglich, sehr große Wärmespeicher, zum Beispiel für Solarkraftwerke, zu realisieren, die zum Beispiel als Tagesspeicher, Wochenspeicher und prinzipiell auch Monatsspeicher oder sogar Jahresspeicher eingesetzt werden können. Dies ist insbesondere deshalb hilfreich, weil natürliche Energiequellen wie Wnd und Sonne fluktuieren.
Ein weiterer Vorteil einer Kavität im Erdreich ist, dass ein Wärmespeicher für ein Solarkraftwerk auch unter Druck und bei Maximaltemperatur deutlich oberhalb von 440 °C betrieben werden kann, da auch bei großen Speichern ein Systemdruck von mehr als 1 bar angelegt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die heiße, korrosiv wirkende Flüssigkeit in einer Kavität im Erdreich unter Luftausschluss aufbewahrt werden kann, wodurch eine Brandgefahr stark reduziert werden kann. Durch die innenliegende Isolierung der Kavität im Erdreich wird vermieden, dass die heiße, korrosiv wirkende Flüssigkeit mit dem Erdreich in Kontakt kommt und Substanzen aus dem Erdreich löst oder mit diesen reagiert und die gelösten Stoffe oder die Reaktionsprodukte mit sich fortträgt. Die aus dem Erdreich gelösten Stoffe oder Reaktionsprodukte können zum Beispiel an weiteren Komponenten einer Anlage, in der die Vorrichtung zur Speicherung von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten eingesetzt wird, Schäden durch verstärkte Korrosion oder durch Ablagerungen auslösen.
Eine Kavität im Erdreich kann zum Beispiel vollständig oberirdisch künstlich erzeugt werden, zum Beispiel indem ein Hügel künstlich aufgeschüttet wird, in dem eine solche Kavität ausgebildet ist. Weiterhin kann eine Kavität im Erdreich teilweise unterirdisch sein, wobei sowohl bereits natürlich entstandene Kavitäten als auch künstliche Kavitä- ten genutzt werden können. Auch ist es möglich, dass die Kavität vollständig unterirdisch angelegt ist. In diesem Fall werden insbesondere natürliche Kavitäten genutzt. Erfindungsgemäß wird in die Kavität im Erdreich eine innenliegende Isolierung eingebracht. Diese dient insbesondere dazu, wie vorstehend bereits beschrieben, zu vermeiden, dass Flüssigkeit, die in der Kavität gespeichert wird, Substanzen aus dem Erdreich löst oder mit Substanzen aus dem Erdreich reagiert. Als Material der innenliegenden Isolierung, sowohl bei Einsatz in einem Behälter als auch bei Einsatz in einer Kavität im Erdreich, eignen sich zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Aluminiumschaum, Glasschaum oder Mischungen daraus. Auch ist es möglich, mehrere Schichten vorzusehen, wobei die Schichten aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können.
Insbesondere wenn die Vorrichtung zur Speicherung der heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeit ein Behälter ist, insbesondere ein Behälter mit einer Metallwandung, beispielsweise einer Stahlwandung, ist es möglich, dass die Behälterwandung trotz der innenliegenden Isolierung eine Temperatur aufweist, die zum Beispiel bei Berührung zu Verletzungen führen kann. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die Behälterwand zusätzlich von einer Außenisolierung umgeben wird. Zur Außenisolierung eignen sich zum Beispiel Mineralfasermatten oder Standard-Glasschaumplatten. Mit einer zusätzlichen Verkleidung durch ein Blech, beispielsweise Zinkblech, kann vermieden werden, dass Feuchtigkeit in die Isolierung eindringt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten eignet sich insbesondere zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums in einem Solarkraftwerk, beispielsweise einem Parabolrinnen-Solarkraftwerk. Wärmespeichermedien, die eingesetzt werden können, sind zum Beispiel Salzschmelzen oder Schwefel enthaltende Wärmespeichermedien. Als Schwefel enthaltendes Wärmespeichermedium eignet sich insbesondere elementarer Schwefel. Um den Dampfdruck und den Schmelzdruck anzupassen ist es vorteilhaft, dem Schwefel mindestens ein Anio- nen enthaltendes Additiv zuzugeben. Als Anionen enthaltende Additive eignen sich insbesondere solche, die bei der Betriebstemperatur den Schwefel nicht zu entsprechenden Oxidationsprodukten, beispielsweise Schwefeloxide, Schwefelhalogenide oder Schwefeloxidhalogenide oxidie- ren. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die Anionen enthaltenden Additive gut im Schwefel lösen.
Bevorzugte Anionen enthaltende Additive sind ionische Verbindungen eines Metalls des Periodensystems der Elemente mit einatomigen oder mehratomigen einfach oder mehrfach negativ geladenen Anionen.
Metalle der ionischen Verbindungen sind zum Beispiel Alkalimetalle, vorzugsweise Natrium, Kalium; Erdalkalimetalle, vorzugsweise Magnesium, Calcium, Barium; Metalle der 13. Gruppe des Periodensystems der Elemente, vorzugsweise Aluminium; Übergangsmetalle, vorzugsweise Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Zink.
Beispiele für derartige Anionen sind: Halogenide und Polyhalogenide, beispielsweise Fluorid, Chlorid, Bromid, lodid, Triiodid; Chalkogenide und Polychalkogenide, beispielsweise Oxid, Hydroxid, Sulfid, Hydrogensulfid, Disulfid, Trisulfid, Tetrasulfid, Pentasulfid, Hexasulfid, Selenid, Tellurid; Pnicogenide, beispielsweise Amid, Imid, Nit- rid, Phosphid, Arsenid; Pseudohalogenide, beispielsweise Cyanid, Cyanat, Thiocyanat; komplexe Anionen, beispielsweise Phosphat, Hydrogenphoshat, Dihydrogenphosphat, Sulfat, Hydrogensulfat, Sulfit, Hydrogensulfit, Thiosulfat, Hexacyanoferrate, Tetrachloroaluminat, Tetrachloroferrat. Beispiele für Anionen enthaltenden Additive sind: Aluminium(lll)-chlorid, Eisen(lll)- chlorid, Eisen(ll)-sulfid, Natriumbromid, Kaliumbromid, Natriumiodid, Kaliumiodid, Kaliumthiocyanat, Natriumthiocyanat, Dinatriumsulfid (Na2S), Dinatriumtetrasulfid (Na2S4), Dinatriumpentasulfid (Na2S5), Dikaliumpentasulfid (K2S5), Dikaliumhexasulfid (K2S6), Calciumtetrasulfid (CaS4), Bariumtrisulfid (BaS3), Dikaliumselenid (K2Se), Trikaliumphosphid (K3P), Kaliumhexacyanoferrat (II), Kaliumhexacyanoferrat (III), Kup- fer(l)-thiocyanat, Kaliumtriiodid, Cäsiumtriiodid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Cäsiumhydroxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Cäsiumoxid, Kaliumcyanid, Kaliumcyanat, Natriumtetraaluminat, Mangan(ll)-sulfid, Cobalt(ll)-sulfid, Nickel(ll)-sulfid, Kupfer(ll)- sulfid, Zinksulfid, Trinatriumphosphat, Dinatriumhydrogenphosphat, Natrium- dihydrogenphosphat, Dinatriumsulfat, Natriumhydrogensulfat, Dinatriumsulfit, Natriumhydrogensulfit, Natriumthiosulfat, Trikaliumphosphat, Dikaliumhydrogenphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat, Dikaliumsulfat, Kaliumhydrogensulfat, Dikaliumsulfit, Kaliumhydrogensulfit, Kaliumthiosulfat. Anionen enthaltenden Additive im Sinne dieser Anmeldung sind weiterhin Mischungen von zwei oder mehreren Verbindungen eines Metalls des Periodensystems der Elemente mit einatomigen oder mehratomigen formal einfach oder mehrfach negativ geladenen Anionen, vorzugsweise Anionen aufgebaut aus Nichtmetallatomen. Hierbei ist nach derzeitigem Kenntnisstand das Mengenverhältnis der Einzelkomponenten nicht kritisch.
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Mischung elementaren Schwefel im Bereich von 50 bis 99,999 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 80 bis 99,99 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 99,9 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der erfindungsgemäßen Mischung.
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Mischung Anionen enthaltenden Additive im Bereich von 0,001 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 20 Gew.- %, besonders bevorzugt 0, 1 bis 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der erfindungsgemäßen Mischung.
Die erfindungsgemäße Mischung kann weitere Zusatzstoffe enthalten, beispielsweise Additive, die den Schmelzpunkt der Mischung herabsetzen. Der Anteil an weiteren Zu- satzstoffen liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,01 bis 50 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung.
Weiterhin können auch Mischungen von Alkalipolysulfiden der allgemeinen Formel (M1 xM2 (1_x))2Sy eingesetzt werden, wobei M1, M2 = Li, Na, K, Rb, Cs bedeuten und M1 ungleich M2 ist sowie 0,05 < x < 0,95 und 2,0 < y < 6,0 sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 = K und M2 = Na.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,20 < x < 0,95. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,50 < x < 0,90. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 3,0 < y < 6,0. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist y = 4,0, 5,0 oder 6,0.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 = K, M2 = Na, 0,20 < x < 0,95 und 3,0 < y < 6,0. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 = K, M2 = Na, 0,50 < x < 0,90 und y = 4,0, 5,0 oder 6,0. Ebenfalls geeignet sind Mischungen von Alkalipolysulfiden und Alkalithiocyanaten gemäß der allgemeinen Formel
((M1 xM2 (1_x))2Sy)m (M3 zM (1_z)SCN)(1_m) wobei M1, M2, M3, M4 = Li, Na, K, Rb, Cs bedeuten und M1 ungleich M2, M3 ungleich M4 ist sowie 0,05 < x < 1 , 0,05 < z < 1 , 2,0 < y < 6,0 und m der Stoffmengenanteil mit 0,05 < m < 0,95 sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K und M2 und M4 = Na.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,20 < x < 1. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,50 < x < 1. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 3,0 < y < 6,0. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist y = 4,0, 5,0 oder 6,0.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,20 < z < 1. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,50 < z < 1.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,20 < m < 0,80. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist 0,33 < m < 0,80.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K, M2 und M4 = Na, 0,20 < x < 1 , 0,20 < z < 0,95, 3,0 < y < 6,0 und 0,20 < m < 0,95.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K, M2 und M4 = Na, 0,50 < x < 1 , 0,50 < z < 0,95, y = 4,0, 5,0 oder 6,0 und 0,33 < m < 0,80. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K, x = 1 , z = 1 , y = 4,0, 5,0 oder 6,0 und 0,33 < m < 0,80.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K, x = 1 , z = 1 , y = 4 und m = 0,5. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K, x = 1 , z = 1 , y = 5 und m = 0,5. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist M1 und M3 = K, x = 1 , z = 1 , y = 6 und m = 0,5.
Neben dem Einsatz zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums in einem Solarkraftwerk kann die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch auch als Behälter oder Reaktor eingesetzt werden, die Hochtemperaturkorrosion ausgesetzt sind und immer mit dem selben Medium betrieben werden. Für den Betrieb mit unterschiedlichen Medien ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ungeeignet, da der von der Wandung umschlossene Raum nur schwierig gereinigt werden kann. Unvermeidbare Zwickel und Spalte halten Medienreste zurück, die sich nicht oder nur sehr schwer entfernen lassen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine als Schichtenspeicher ausgebildete Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten,
einen Ausschnitt einer selbsttragenden innenliegenden Isolierung, einen beispielhaften Aufbau einer innenliegenden Isolierung mit Dämmplatten, einen Aufbau eines Behälterdeckels mit Isolierelementen, einen Aufbau einer Behälterwand mit selbsttragender innenliegender Isolierung, eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten als Kavität im Erdreich,
Figur 7 den Aufbau der selbsttragenden innenliegenden Isolierung in einer Kavität im Erdreich, Figur 8 als Speicherverbund gestaltete Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten, Figur 9 eine Flanschverbindung mit innenliegender Isolierung,
Figur 10 eine Klappe mit innenliegender Isolierung.
In Figur 1 ist eine als Schichtenspeicher ausgebildete Vorrichtung zur Aufnahme einer heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeit dargestellt.
Ein Schichtenspeicher 1 , wie er in Figur 1 dargestellt ist, kann zum Beispiel als Wärmespeicher in einem Solarkraftwerk eingesetzt werden. Der Schichtenspeicher 1 umfasst einen Behälter 3, der zum Beispiel aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, aufgebaut ist. Hierzu wird eine Behälterwand 5 aus dem metallischen Werkstoff gefertigt, wobei die Wandstärke der Behälterwand 5 so gewählt wird, dass diese mechanisch stabil ist gegenüber den im Behälter auftretenden Drücken. Hierbei ist insbesondere der nach unten zunehmende hydrostatische Druck einer im Behälter enthaltenen Flüssigkeit 7 zu berücksichtigen. Verschlossen ist der Behälter 3 mit einem Behälterdeckel 9. Zusätzlich kann ein weiterer Deckel 1 1 vorgesehen sein, der bei vollständig gefülltem Behälter 3 auf der im Behälter 3 enthaltenen Flüssigkeit 7 aufliegt, so dass kein Gas im Behälter 3 enthalten ist. Um Schwankungen im Flüssigkeitsstand auszugleichen ist es möglich, dass an dem weiteren De- ekel 1 1 Ausgleichsbereiche 13 vorgesehen sind. Diese können zum Beispiel in Form eines Balgens gestaltet sein. Durch den Ausgleichsbereich 13 lässt sich der weitere Deckel 1 1 formschlüssig mit der Behälterwand 5, zum Beispiel durch ein Schweißverfahren, verbinden. Hierdurch ist eine gasdichte Verbindung möglich. Bei einer Zunahme des Flüssigkeitsstandes oder bei einer Abnahme des Flüssigkeitsstandes hebt oder senkt sich dann der weitere Deckel 11 , so dass dieser den Behälter immer so abschließt, dass kein Gas im Behälter enthalten ist. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den Ausgleich von Änderungen des Volumens des Speichermaterials bei Temperaturänderung durch Zufuhr beziehungsweise Entnahme von Flüssigkeit zum Beispiel aus einem Puffertank zu realisieren.
Bei Einsatz des Behälters 3 als Schichtenspeicher 1 befindet sich im oberen Bereich des Behälters 3 ein erster Verteiler 15. Über den ersten Verteiler 15 kann gleichmäßig heiße Flüssigkeit in den Behälter zugegeben werden. Gleichzeitig wird, um den Flüssigkeitsstand im Behälter konstant zu halten, über einen zweiten Verteiler 17 am Boden des Behälters 3 kältere Flüssigkeit entnommen. Durch den ersten Verteiler 15 und den zweiten Verteiler 17 wird gleichmäßig kalte Flüssigkeit entnommen, so dass sich bevorzugt keine Konvektionsströmung und damit eine sehr geringe vertikale Wärmeleitung im Behälter einstellt. Auf diese Weise ist es möglich, Flüssigkeit so im Behäl- ter zu speichern, dass im unteren Bereich die im Allgemeinen kältere Flüssigkeit mit höherer Dichte und im oberen Bereich die wärmere Flüssigkeit mit geringerer Dichte enthalten ist. Im idealen Fall hat die Flüssigkeit im Behälter zwei Temperaturen, nämlich eine höhere Temperatur im oberen Bereich und eine niedrige Temperatur im unteren Bereich. Zwischen dem heißen und dem kalten Bereich bildet sich eine Tempera- turgrenzschicht aus. Da die Wärmeleitung in der Flüssigkeit nicht unterbunden werden kann, ist im realen Fall jedoch keine scharfe Trennung zwischen heißer und kalter Flüssigkeit möglich, sondern es bildet sich ein Temperaturübergang von der heißen zur kälteren Flüssigkeit. Durch Wärmeleitung wird der Übergang mit zunehmender Dauer der Speicherung immer unschärfer.
In einem Solarkraftwerk erfolgt die Zufuhr von heißerer Flüssigkeit über den ersten Verteiler 15 und die Entnahme von kälterer Flüssigkeit über den zweiten Verteiler 17, wenn die als Wärmespeichermedium eingesetzte Flüssigkeit durch Sonnenenergie aufgeheizt wird. Wenn die Sonne nicht scheint, jedoch weiterhin Strom im Solarkraft- werk erzeugt werden soll, wird die im Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme zur Verdampfung von Wasser zum Antrieb der die Generatoren antreibenden Turbinen genutzt. Hierzu wird das heiße Wärmespeichermedium über den ersten Verteiler 15 aus dem Behälter 3 entnommen, gibt Wärme in einen Wärmetauscher ab, in dem das als Betriebsflüssigkeit eingesetzte Wasser verdampft und überhitzt wird, und das ab- gekühlte Wärmespeichermedium wird dann über den zweiten Verteiler 17 im unteren Bereich des Behälters wieder zugeführt. Durch die Entnahme von heißem Wärmespeichermedium aus dem Behälter 3 bzw. durch die Entnahme von kaltem Wärmespeichermedium beim Aufheizen verschiebt sich jeweils die Temperaturgrenzschicht im Behälter 3. Beim Aufheizen des Wärmespeichermediums, d.h. bei Zufuhr von hei- ßem Wärmespeichermedium über den ersten Verteiler 15 und Entnahme von kälterer Flüssigkeit über den zweiten Verteiler 7 verschiebt sich die Temperaturgrenzschicht nach unten, wohingegen bei Nutzung der in der Flüssigkeit 7 gespeicherten Wärme die Temperaturgrenzschicht nach oben hin verschoben wird, da die Menge an heißem Wärmespeichermedium im Behälter 3 abnimmt und die Menge an kaltem Wärmespei- chermedium, dessen Wärme bereits genutzt wurde, zunimmt.
Als Flüssigkeit 7, die als Wärmespeichermedium dient, wird zum Beispiel eine Salzschmelze oder ein Schwefel enthaltendes Wärmespeichermedium eingesetzt. Als Schwefel enthaltendes Wärmespeichermedium eignet sich insbesondere elementarer Schwefel, der jedoch verunreinigt sein kann oder weitere Additive enthalten kann. Sowohl Salzschmelzen als auch Schwefel wirken bei höheren Temperaturen gegenüber eisen- oder nickelhaltigen Werkstoffen stark korrosiv. So führen zum Beispiel Nitratschmelzen bei Temperaturen von mehr als 550 °C zur Versprödung von Edel- stählen. Die Edelstähle bleiben zwar stabil, werden jedoch schlagempfindlich. Schwefel enthaltende Wärmespeichermedien, zum Beispiel Schwefel mit 1 % Kaliumsulfid, erzeugen bei typischen Eisen/Nickeledelstählen bei Temperaturen oberhalb von 350 °C eine merkbare Korrosion, die mit zunehmender Temperatur ab 500 °C in kurzer Zeit zur durchgreifenden Zerstörung der Edelstähle führt.
Auch chloridhaltige Salzschmelzen wirken bei hohen Temperaturen stark korrosiv.
Um die Korrosion zu unterbinden, ist erfindungsgemäß in dem Behälter 3 eine innenliegende Isolierung 19 aufgenommen. Durch die innenliegende Isolierung 19 wird ver- mieden, dass die im Behälter 3 enthaltene Flüssigkeit 7 mit der Wandung 21 , die den die Flüssigkeit 7 aufnehmenden Raum umschließt, in Kontakt kommt. Zudem ist aufgrund der Isolierung die Temperatur an der Wandung 21 deutlich niedriger als die Temperatur der Flüssigkeit 7 im Behälter 3. Ein beispielhafter Aufbau der innenliegenden Isolierung 19 ist in Figur 2 dargestellt. Die innenliegende Isolierung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, ist selbsttragend. Hierzu sind im Wesentlichen quaderförmige, gegebenenfalls um der Rundung des Behälters zu entsprechen auch leicht trapezartige Elemente 23 oder auch Elemente 23 in Form von Kreissegmenten in zwei Reihen versetzt angeordnet. Zwischen je zwei quaderförmigen Elementen 23 einer Reihe befindet sich ein Spalt 25. Die Spalte 25 dienen zum Ausgleich unterschiedlicher Temperaturausdehnungen der Werkstoffe von innenliegender Isolierung 19 und Behälterwand 5. Zum Aufbau der innenliegenden Isolierung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, werden die quaderförmigen Elemente 23 übereinander reihenweise geschichtet, wobei es bevorzugt ist, jeweils übereinander liegende quader- förmige Elemente 23 ebenfalls versetzt zueinander anzuordnen. Durch die versetzte Anordnung werden die Spalte 25 in ihrer geometrischen Ausdehnung begrenzt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Spalte 25 so bemessen sind, dass keine konvektive Strömung entsteht. Es kann zwar Flüssigkeit 7 in die Spalte 25 strömen, jedoch sollte ein ständiger Stoffaustausch in den Spalten, nachdem diese einmal mit der Flüssigkeit 7 befüllt sind, vermieden werden. Insbesondere bei schlecht wärmeleitenden Flüssigkeiten, wie dies zum Beispiel bei einer Schwefelschmelze der Fall ist, isoliert dann auch die in den Spalten 25 enthaltene Flüssigkeit. Durch die Gestaltung in zwei versetzten Reihen, wie dies in Figur 2 dargestellt ist, wird vermieden, dass Flüssigkeit durch die innenliegende Isolierung 19 bis an die Wandung 21 gelangt. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die innenliegende Isolierung aus einer Reihe quaderförmiger Elemente 23 aufgebaut wird. In diesem Fall gelangt die Flüssigkeit durch die Spalte 25 bis an die Wandung 21. Aufgrund der isolie- renden Wirkung der Isolierung 19 und durch die Gestaltung der Spalte 25 derart, dass keine konvektive Strömung auftritt, reduziert sich auch die Temperatur der durch die Spalte 25 geflossenen Flüssigkeit, so dass die Temperatur der mit der Wandung 21 in Kontakt tretenden Flüssigkeit niedriger ist als die Temperatur der Flüssigkeit 7 im Behälter 3. Die Dicke der Isolierung 19 wird dabei so gewählt, dass die Temperatur der durch die Spalte tretenden Flüssigkeit 25 so ist, dass die Temperatur unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Flüssigkeit stark korrosiv auf das Material der Wandung 21 wirkt.
In Figur 3 ist ein beispielhafter Aufbau einer innenliegenden Isolierung aus Dämmplat- ten dargestellt. Im Unterschied zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform einer innenliegenden Isolierung 19 ist die innenliegende Isolierung 19, die in Figur 3 dargestellt ist, nicht selbsttragend. Die innenliegende Isolierung 19 umfasst einzelne Dämmplatten 27, die an der Wandung 21 montiert sind. Die Wandstärke der Wandung 21 , die die Behälterwand 5 bildet, ist so gewählt, dass die Wandung 21 gegen auf diese wir- kende Kräfte, beispielsweise durch den hydrodynamischen Druck der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit, stabil ist.
Zur Isolierung sind die Dämmplatten 27 zum Beispiel mit geeigneten Wandhaken 29 an der Wandung 21 befestigt. Der Vorteil des Einsatzes von Wandhaken 29 ist, dass die einzelnen Dämmplatten 27 der innenliegende Isolierung 19 auf einfache Weise montiert und im Bedarfsfall auch wieder demontiert werden können. Neben der Befestigung mit Wandhaken 29 ist es jedoch auch möglich, die Dämmplatten 27 auf jede beliebige andere, dem Fachmann bekannte Weise an der Wandung 21 zu befestigen. So ist es zum Beispiel auch möglich, die Dämmplatten zum Beispiel mit der Wandung 21 zu verkleben. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine einfache Demontage nicht mehr möglich ist.
Zum Ausgleich von auftretenden Spannungen sind auch die Dämmplatten 27 so montiert, dass jeweils zwischen zwei Dämmplatten 27 ein Spalt 25 entsteht. Die Abmaße der Spalte 25 sind auch in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform so zu wählen, dass keine konvektive Strömung im Spalt 25 entsteht. Hierdurch wird der Spalt 25 durch einlaufende Flüssigkeit beim Befüllen gefüllt, diese verbleibt jedoch dann im Spalt 25 und dient so ebenfalls zur Isolierung. Da die Dämmplatten 26 im Allgemeinen nicht bündig an der Wandung 21 anliegen, strömt auch Flüssigkeit hinter die Dämm- platten 27. Durch die Isolierung mit den Dämmplatten 27 ist die Flüssigkeit, die mit der Wandung 21 in Kontakt kommt, jedoch bereits soweit abgekühlt, dass diese nicht mehr auf die Wandung 21 korrosiv wirkt. Um die Dämmplatten 27 gegen Korrosion zu schützen, ist es möglich, diese zusätzlich mit einer korrosionsfesten Beschichtung 31 zu versehen. Als korrosionsfeste Beschich- tung eignet sich dabei jede beliebige, dem Fachmann bekannte Beschichtung. Geeignete Beschichtungen sind zum Beispiel Beschichtungen mit Emaille oder Al203- Beschichtung.
Eine Beschichtung 31 der Dämmplatten 27 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn als Material für die Dämmplatten 27 ein Material eingesetzt wird, welches nicht gegenüber der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit 7 stabil ist. Ein möglicher Aufbau eines Behälterdeckels mit Isolierelementen ist in Figur 4 dargestellt.
Der in Figur 4 dargestellte Aufbau für einen Behälterdeckel entspricht im Wesentlichen dem in Figur 3 dargestellten Aufbau einer Behälterwand mit daran montierten Dämm- platten.
Um auch eine Isolierung nach oben zu gewährleisten, werden am Behälterdeckel 33 Dämmelemente 35 angebracht. Die Befestigung der Dämmelemente 35 kann zum Beispiel analog wie in Figur 3 dargestellt mit Hilfe von Haken 37 erfolgen. Jedoch ist auch eine Befestigung zum Beispiel durch Verschraubungen oder Verkleben möglich. In Abhängigkeit vom eingesetzten Material für die Dämmelemente 35 und der im Behälter zu speichernden Flüssigkeit 7 ist es möglich, die Dämmelemente 35 mit einer korrosionsfesten Beschichtung 31 zu beschichten. Auch am Behälterdeckel 33 ist es bevorzugt, wenn zwischen den einzelnen Dämmelementen 35 Spalte 25 ausgebildet wer- den, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Dämmmaterial der Dämmelemente 35 und des Materials des Behälterdeckels 33 ausgleichen zu können.
In Figur 5 ist ein Aufbau einer Behälterwand mit selbsttragender innenliegender Isolierung dargestellt.
Die Behälterwand 5 wird durch eine krafttragende Stahlhülle gebildet. Diese ist so gestaltet, dass sie mechanisch stabil ist und die zum Beispiel durch auftretende Drücke wirkenden Kräfte aufnehmen kann, ohne sich zu verformen. Auf der Innenseite schließt sich an die Behälterwand 5 eine korrosionsfeste Dichtung 39 an. Die korrosionsfeste Dichtung 39 ist zum Beispiel ein Edelstahl-Inliner. Dieser kann zum Beispiel in Form eines Wellblechs gestaltet sein. Durch den Einsatz der korrosionsfesten Dichtung 39 ist es möglich, als Material für die Behälterwand 5 einen Stahl zu verwenden, der gegenüber der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit nicht korrosionsstabil ist. Durch die korro- sionsfeste Dichtung 39 wird vermieden, dass die Flüssigkeit mit dem Material der Behälterwand 5 in Kontakt kommen kann.
An die korrosionsfeste Dichtung 39 schließt sich auf der Innenseite eine erste Isolierschicht 41 an. Die erste Isolierschicht 41 ist vorzugsweise selbsttragend und aus qua- derförmigen Elementen, die übereinander geschichtet werden, aufgebaut. Zwischen den einzelnen quaderförmigen Elementen der ersten Isolierschicht 41 ist es vorteilhaft, wenn Spalte ausgebildet werden, wie dies zum Beispiel auch in Figur 2 dargestellt ist. Die erste Isolierschicht 41 ist zum Beispiel aus einem hoch wärmedämmenden Material. Hierdurch wird eine gute Isolierung erzielt. An die erste Isolierschicht 41 schließt sich eine zweite Isolierschicht 43 an. Die zweite Isolierschicht 43 ist zum Beispiel aus einem abrasionsfesten Material gefertigt, so dass diese insbesondere auch dazu dient, dass die innenliegende Isolierung 19 nicht durch Bewegung der Flüssigkeit im Behälter beschädigt wird. Auch die zweite Isolierschicht 43 ist vorzugsweise selbsttragend und zum Beispiel aus quaderförmigen Elementen geschichtet. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn zwischen den einzelnen Elementen der zweiten Isolierschicht 43 Spalte ausgebildet sind, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Materialien der ersten Isolierschicht 41 , der zweiten Isolierschicht 43 und der Behälterwand 5 ausgleichen zu können. Durch die Spalte 25 zwischen den einzelnen Elementen der ersten Isolierschicht 41 und der zweiten Isolierschicht 43 kann Flüssigkeit in Richtung der Wandung 21 fließen. Die Flüssigkeit sammelt sich dann an der korrosionsfesten Dichtung 39. Dadurch, dass sich auf beiden Seiten der Isolierung 19 Flüssigkeit befindet, die aufgrund Druckausgleichs jeweils den gleichen Druck aufweist, wird vermieden, dass auf die Isolierung 19 ein hoher Innendruck wirkt, der nicht von der Außenseite ausgeglichen wird. Eine Verformung der innenliegenden Isolierung 19 wird hierdurch weitgehend vermieden.
Da trotz der innenliegenden Isolierung 19 die Temperatur an der Behälterwand 5 so hoch sein kann, dass zum Beispiel bei Berührung mit der Behälterwand 5 Verletzungen drohen, ist es weiterhin möglich, dass sich an die Behälterwand 5 an der Außenseite eine Außenisolierung 45 anschließt. Die Außenisolierung 45 kann zum Beispiel aus herkömmlichen Isoliermaterialien, beispielsweise Mineralfasern oder Glasfasern gebildet sein. Um den Behälter wetterfest zu gestalten, wird die Außenisolierung 45 dann zum Beispiel mit Blechen 47 verkleidet. Die Bleche 47, die eingesetzt werden, sind zum Beispiel handelsübliche Zinkbleche, die insbesondere witterungsfest sind.
In Figur 6 ist schematisch eine Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirken- den Flüssigkeiten in Form einer Kavität im Erdreich dargestellt.
Im Unterschied zu dem in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Aufbau ist es alternativ auch möglich, die Vorrichtung zur Aufnahme der heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeit als Kavität 49 im Erdreich 51 zu gestalten. Dies hat den Vorteil, dass keine Behälter- begrenzung in Form einer Behälterwand 5, die gegenüber hohen Drücken stabil ist, notwendig ist. Die auf die Wandung 21 wirkenden Kräfte werden vom Erdreich 51 aufgenommen. Die Vorrichtung kann zum Beispiel ebenfalls ein Schichtenspeicher sein. Wenn die Vorrichtung zur Aufnahme der Flüssigkeit ein Schichtenspeicher ist, so ist ein erster Zulauf 53 im oberen Bereich vorgesehen, durch den heißes Wärmespei- chermedium in die Kavität 49 zugeführt werden kann oder aus der Kavität 49 entnommen werden kann und ein zweiter Zulauf 55, der in den unteren Bereich der Kavität 49 mündet und über den kaltes Wärmespeichermedium entnommen bzw. zugeführt werden kann. Die Funktion entspricht ansonsten der des in Figur 1 dargestellten Wärmespeichers.
Im Unterschied zu einem Wärmespeicher in Form eines Behälters ist es bei einer Kavität 49 im Erdreich 51 möglich, sehr viel größere Höhen des Speichers zu realisieren. Hierdurch kann bei gleich großer Menge an Wärmespeichermedium der Durchmesser reduziert werden, so dass die Temperaturgrenzschicht verkleinert wird. Dies ermöglicht es, den Wärmespeicher über einen längeren Zeitraum zu betreiben, ohne dass ein vollständiger Temperaturausgleich durch Wärmeleitung erfolgt. Dies ist insbesondere möglich, weil das Erdreich sehr viel größere Druckkräfte aufnehmen kann als eine übliche Behälterwand 5 aus Stahl. Um zu vermeiden, dass durch die in der Kavität 49 enthaltene, als Wärmespeichermedium dienende Flüssigkeit Substanzen aus dem Erdreich 51 gelöst werden und gegebenenfalls mit der Flüssigkeit zu unerwünschten Produkten reagieren, wird die Kavität 49 ebenso wie der in Figur 1 dargestellte Behälter mit einer innenliegenden Isolierung 19 verkleidet. Der Aufbau der innenliegenden Isolierung 19 ist dabei im Wesentlichen der gleiche, wie der in den Figuren 3 und 5 dargestellte.
Eine weitere Möglichkeit für einen Aufbau einer innenliegenden Isolierung 19 in einer Kavität im Erdreich 51 ist in Figur 7 dargestellt. Die innenliegende Isolierung 19 um- fasst auch in der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform eine erste Isolierschicht 41 und eine zweite Isolierschicht 43. Die zweite Isolierschicht 43 ist vorzugsweise selbsttragend und kommt mit der in der Kavität 49 enthaltenen Flüssigkeit 7 in Kontakt. Die zweite Isolierung 43 ist hierzu zum Beispiel aus quaderförmigen Elementen geschichtet. Die erste Isolierschicht 41 dient als Zusatzisolierung und ist zum Beispiel aus ei- nem Material gefertigt, das Druck tragen kann, so dass die zweite Isolierschicht 43 aufgrund des auf diese wirkenden Drucks der in der Kavität 49 enthaltenen Flüssigkeit gegen die erste Isolierschicht 41 gedrückt wird und die hierdurch wirkenden Kräfte von der ersten Isolierschicht 41 getragen werden. Die erste Isolierschicht 41 kann zum Beispiel aus Glasschaum oder Isoliersteinen gebildet sein.
Bevorzugt ist es, wenn Durchgänge 57 in der innenliegenden Isolierung 19 ausgebildet sind. Die Durchgänge 57 dienen dabei als Entlastungslecks, durch die Flüssigkeit hin- ter die innenliegende Isolierung 19 fließen kann.
Die Durchgänge 57 werden dabei so gestaltet, dass eine konvektive Strömung vermieden wird, so dass einmal Flüssigkeit durch die Durchgänge 57 strömt und sich zum Beispiel in Hohlräume 59, die sich hinter der innen liegenden Isolierung 19 befinden, fließt und diese auffüllt. Wenn die in der Kavität 49 enthaltene Flüssigkeit Schwefel ist, kühlt sich diese in den Hohlräumen 59 ab und erstarrt, wodurch die innenliegende Isolierung 19 durch Hinterdruck gestützt wird. Um einen kontinuierlichen Druckausgleich zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn an den Durchgängen 57 die Temperatur immer so hoch bleibt, dass der Schwefel nicht erstarrt, sondern weiterhin als Schmelze vorliegt. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, Temperatursensoren vorzusehen, mit denen die Temperatur gemessen wird. Bei einer zu starken Temperaturabnahme ist es dann zum Beispiel möglich, durch den Einsatz von geeigneten Heizelementen den erstarrten Schwefel wieder zu schmelzen. Entsprechend gilt das gleiche auch für den Einsatz von zum Beispiel Salzschmelzen, die ebenfalls im Bereich der Durchgänge 57 im flüssigen Zustand gehalten werden sollten und bei einer zu starken Temperaturabnahme dann zum Beispiel geheizt werden können, um diese erneut zu verflüssigen. Um sehr große Wärmespeicher mit entsprechend großer Querschnittsfläche realisieren zu können, ist es möglich, Speicherverbunde mit innenliegenden Mauerungen vorzusehen. Ein solcher ist beispielhaft in Figur 8 dargestellt. Durch den Einsatz eines Speicherverbundes ist es möglich, die Spannweite eines Behälterdaches in statisch realisierbaren Größen zu halten. Die Kavität 49 wird zur Erzeugung des Speicherver- bundes durch innenliegende Isolierungen 19 in einzelne Einzelspeicher 61 geteilt. In den Einzelspeichern ist jeweils die gleiche Flüssigkeit enthalten, beispielsweise eine Schwefelschmelze. Die jeweiligen Einzelspeicher, die durch die innenliegende Isolierung 19 voneinander getrennt sind, werden vorteilhafterweise mit Durchführungen hydrostatisch verbunden. Dies ermöglicht es, den Flüssigkeitsstand in den einzelnen Einzelspeichern 61 gleichmäßig zu halten.
In Figur 9 ist eine Flanschverbindung mit innenliegender Isolierung dargestellt.
Um Flüssigkeit in den Behälter zuführen zu können oder entnehmen zu können, ist es notwendig, Leitungen mit dem Behälter zu verbinden. Die Verbindung mit Leitungen erfolgt üblicherweise durch geeignete Flansche. Eine solche Flanschverbindung ist beispielhaft in Figur 9 dargestellt. Hierzu ist am Behälter 3 ein Flansch 63 ausgebildet. Eine Leitung 65 ist mit einem zweiten Flansch 67 verbunden. Der zweite Flansch 67 ist dabei teilweise konzentrisch um die Leitung 65 gestaltet, wobei zwischen dem Flansch 67 und der Leitung 65 Isoliermaterial 69 aufgenommen ist. Gleichzeitig befindet sich zwischen dem ersten Flansch 63 am Behälter 3 und dem zweiten Flansch 67 die innenliegende Isolierung 19. Durch diese Gestaltung wird eine gleichmäßige Isolierung auch im Bereich des Flansches erzielt. Die Verbindung von erstem Flansch 62 und zweitem Flansch 67 erfolgt durch übliche Verbindungsmaßnahmen, z.B. mittels Schrauben 71. Zusätzlich wird üblicherweise zwischen erstem Flansch 63 und zweitem Flansch 67 ein Dichtelement positioniert. Eine Klappe in einer Leitung, die mit einer Innenisolierung ausgestaltet ist, ist in Figur 10 dargestellt.
Um insbesondere Leitungen, die von der heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeit durchströmt werden, vor Korrosion zu schützen, ist es weiterhin möglich, die Leitungen ebenfalls mit einer innenliegenden Isolierung 19 zu versehen. Um die Durchströmung zu steuern ist es zum Beispiel möglich, Armaturen einzusetzen. Derartige Armaturen sind zum Beispiel Klappen 73. Im Bereich der Klappe 73 ist die innenliegende Isolierung 19 unterbrochen, wobei sich im Bereich der Unterbrechung ein Anschlag 75 befindet. Um die Leitung 65 zu schließen, kann die Klappe 73 so gestellt werden, dass diese an den Anschlag 75 anschlägt. Durch Drehung der Klappe 73 kann die Leitung 65 geöffnet werden. Der Einsatz der innenliegenden Isolierung 19 verhindert, dass das heiße Material, das durch die Leitung 65 strömt, in unmittelbaren Kontakt mit dem Material der Leitung 65 kommt. Um den Anschlag 75 und die Klappe 73 zu schützen, sind diese vorzugsweise mit einer Hochtemperatur- und korrosionsfesten Beschichtung 77 versehen.
Durch die innenliegende Isolierung 19 sowohl in Leitungen und Armaturen als auch im Behälter lässt sich eine Anlage gestalten, die mit heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten betrieben wird. Eine solche Anlage ist zum Beispiel ein Solarkraftwerk, beispielsweise ein Parabolrinnensolarkraftwerk.
Beispiele
Beispiel 1
In einem Behälter mit innenliegender Isolierung befindet sich Schwefel mit einer Tem- peratur von 390°C. Der Behälter weist eine innenliegende Isolierung 19 aus feuerfesten Ziegeln auf. Die Behälterwand ist aus Stahl gebildet. An der Außenseite ist der Stahl von einer Außenisolierung aus Mineralwolle umschlossen.
In Tabelle 1 sind die Temperaturen gezeigt, die jeweils an den Übergängen von Ziegel zu Stahl, Stahl zu Mineralwolle und Mineralwolle zur Umgebung auftreten.
Tabelle 1 : Temperaturverlauf in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit innenliegender Isolierung aus feuerfesten Ziegeln
Figure imgf000023_0001
Aus dem Temperaturverlauf ist zu sehen, dass die Temperatur von der Innenseite der feuerfesten Ziegel zur Außenseite der feuerfesten Ziegel um 154°C abnimmt. Die Temperatur, mit der möglicherweise durch die feuerfesten Ziegel tretende Schmelze in Kontakt mit der Behälterwand aus Stahl kommt, liegt somit bei 236,41 °C. Dies ist eine Temperatur, bei der die meisten Stähle gegenüber Schwefel und im Schwefel enthaltene Additive korrosionsfest sind. Eine Korrosion tritt somit nicht auf.
Beispiel 2
Betrachtet wird ein Aufbau, bei der heißer Schwefel mit einer Temperatur von 390°C mit der innenliegenden Isolierung in Kontakt kommt. Die innenliegende Isolierung ist aus einer Schicht feuerfester Ziegel und aus einer Glasschaumschicht, die sich an die feuerfesten Ziegel anschließt, aufgebaut. Zwischen der Glasschaumschicht und der Behälterwand aus Stahl befindet sich ein Spalt, in den Schwefel geflossen ist.
Die Temperaturen jeweils an der Außenseite der einzelnen Schichten sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2: Temperaturverlauf in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Isolierschichten
Figure imgf000025_0001
Durch die zusätzliche Schicht aus Glasschaum vorzugsweise aus Borosilikatglas oder Quarzglas, die zwischen der Behälterwand aus Stahl und den feuerfesten Ziegeln eingebracht ist, wird die Temperatur an der Wand aus Stahl so weit reduziert, dass diese lediglich 30 °C aufweist. Eine Korrosion an der Stahlhülle bei dieser Temperatur ist nicht mehr zu erwarten. Der Schwefel, der sich zwischen dem Glasschaum und der Behälterwand aus Stahl befindet, ist fest.
Zudem ist keine Außenisolierung notwendig, da die Temperatur der Behälterwand aus Stahl bereits so niedrig ist, dass keine Gefährdung bei Berührung besteht.
Bezugszeichenliste
1 Schichtenspeicher 41 erste Isolierschicht
3 Behälter 25 43 zweite Isolierschicht
5 Behälterwand 45 Außenisolierung
7 Flüssigkeit 47 Blech
9 Behälterdeckel 49 Kavität
1 1 weiterer Deckel 51 Erdreich
13 Ausgleichsbereich 30 53 erster Zulauf
15 erster Verteiler 55 zweiter Zulauf
17 zweiter Verteiler 57 Durchgang
19 innen liegende Isolierung 59 Hohlraum
21 Wandung 61 Einzelspeicher
23 quaderförmiges Element 35 63 Flansch
25 Spalt 65 Leitung
27 Dämmplatte 67 zweiter Flansch
29 Wandhaken 69 Isoliermaterial
31 korrosionsfeste Beschichtung 71 Schraube
33 Behälterdeckel 40 73 Klappe
35 Dämmelement 75 Anschlag
37 Haken 77 Hochtemperatur- und korrosions¬
39 korrosionsfeste Dichtung feste Beschichtung

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Aufnahme von heißen, korrosiv wirkenden Flüssigkeiten (7), umfassend einen mit einer Wandung (21) umschlossenen Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Raum eine innenliegende Isolierung (19) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Isolierung (19) Durchgänge (25, 57) aufweist, durch die die im Raum zu speichernde Flüssigkeit (7) fließen kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Isolierung (19) selbsttragend ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Isolierung (19) aus einzelnen Elementen (27) aufgebaut ist, die an der Wandung (21) des umschlossenen Raums befestigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Isolierung (19) aus im Wesentlichen quaderförmigen Elementen (23) aufgebaut ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge Spalte (25) zwischen den quaderförmigen Elementen (23) sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Isolierung (19) aus einer erste Isolierschicht (41) und einer sich an die erste Isolierschicht anschließende zweite Isolierschicht (43) aufgebaut ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der innenliegenden Isolierung (19) und der Wandung (21) eine Dichtung (39) aus einem korrosionsstabilen Metall aufgenommen ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der innenliegenden Isolierung (19) Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliziumdioxid, Aluminiumschaum, Glasschaum oder eine Mischung daraus enthält.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennnzeichnet, dass der mit einer Wandung (21) umschlossene Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit (7) ein Behälter (3) ist.
1 1. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (21) des Behälters (3) aus Stahl oder Edelstahl gefertigt ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) mit einem Behälterdeckel (11) verschlossen ist und am Behälterde- ekel (11) Isolierelemente (35) angebracht sind.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der die Flüssigkeit (7) aufnehmende umschlossene Raum eine Kavität (49) im Erdreich (51) ist.
14. Verwendung der Vorrichtung zur Speicherung von korrosiv wirkenden Flüssigkeiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Speicherung eines Schwefel enthaltenden Wärmespeichermediums.
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