WO2014187560A1 - Wärmeübertrager, verfahren zur wartung bzw. herstellung und zum betreiben eines wärmeübertragers, kraftwerk und verfahren zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), ein Verfahren zur Wartung und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, ein Kraftwerk, insbesondere ein Solarthermiekraftwerk, und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie. Es ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager (1) ein Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers umfasst, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites, austauschbares Rohrbündel (32) unterteilt ist oder unterteilbar ist. Das erste Rohrbündel (31) ist für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) ist für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer. Dabei ist vorgesehen, dass der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31) ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels (31) einsetzt, und/ oder dass der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Description
Beschreibung
Wärmeübertrager, Verfahren zur Wartung bzw. Herstellung und zum Betreiben eines Wärmeübertragers, Kraftwerk und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, ein Verfahren zur Wartung und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, ein Kraftwerk, insbesondere ein Solarthermiekraftwerk, und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager dient dabei zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger. Der jeweilige Wärmeträger kann dabei ein flüssiges, gasförmiges oder überkritisches Medium sein, welches innerhalb oder außerhalb eines Kraftwerkprozesses eine Wärmemenge aufnimmt und es ebenfalls innerhalb oder außerhalb eines Kraftwerkprozesses wieder abgibt. Dabei kann der Wärmeträger auch dazu dienen, als Arbeitsmedium im
Kraftwerksprozess thermische Energie aufzunehmen, um diese einer Einrichtung zuzuführen, in der die thermische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird.
Es ist bekannt, dass in Solarthermiekraftwerken in einem thermodynamischen
Kreisprozess aus Sonnenenergie elektrischer Strom erzeugt werden kann. So offenbart die WO 201 1/077248 A2 eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung von Solarenergie. Hierbei wird Wärme von einem ersten
Wärmeträger auf einen zweiten Wärmeträger übertragen und die Wärme des zweiten Wärmeträgers zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt.
Üblicherweise wird in Solarthermiekraftwerken aus einem Arbeitsmedium wie z. B. Wasser oder Ammoniak Dampf erzeugt, mit dem eine Dampfturbine angetrieben wird, die mechanisch an einen Stromgenerator zur Erzeugung des elektrischen Stroms angeschlossen ist. Dem Arbeitsmedium kann dabei mittels Sonneneinstrahlung oder auch indirekt über einen Wärmeträger, wie zum Beispiel Thermoöl oder Salzschmelze, Wärme zugeführt werden. Dieser Wärmeträger kann wiederum ebenfalls mittels
Sonnenenergie erhitzt worden sein. Ein direkt oder indirekt erwärmter Wärmeträger kann als Zwischenspeicher in Zeiten dienen, in denen mehr elektrische Energie nachgefragt wird als durch Umwandlung von Sonnenenergie bereit gestellt werden kann.
Zur Wärmespeicherung können insbesondere Salzschmelzen, typischerweise eutektische Mischungen aus KNO3 und NaNOß, eingesetzt werden. Diese
Salzschmelzen können wie oben beschrieben in direkter Weise oder auch über einen anderen Wärmeträger, wie zum Beispiel Thermoöl, auf Temperaturen von 250°C bis 400°C bzw. 600°C aufgeheizt werden und in Flachbodentanks gespeichert werden. Alternativ oder nach der Speicherung kann die Wärme der Salzschmelze direkt oder indirekt an ein Arbeitsmedium abgegeben werden.
Zur Übertragung der Wärme zwischen einer Salzschmelze bzw. einem anderen Wärmeträger und einem weiteren Wärmeträger werden bevorzugt
Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt. Zur Erwärmung einer Salzschmelze als Wärmeträger für Solaranwendungen werden die Rohrbündel eines derartigen
Rohrbündelwärmetauschers am warmen Ende mit Temperaturen und von bis zu 620°C beaufschlagt.
Die FR 2501832 A1 offenbart einen Wärmeübertrager zum indirekten
Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten
Wärmeträger. Dieser Wärmeübertrager umfasst ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches in ein erstes Rohrbündel sowie ein zweites Rohrbündel unterteilt ist. Das zweite Rohrbündel ist austauschbar gestaltet sowie
strömungstechnisch vom ersten Rohrbündel separierbar.
Die DE 3007610 A1 , die US 2012/21 1206 A1 sowie die GB 184443 A offenbaren Bündelwärmetauscher, die Rohrbündel aufweisen, die in unterschiedlichen
Temperaturbereichen betrieben werden. Dabei ist das zweite Rohrbündel als U- Rohrbündel und/oder mit einem geringeren Volumen als das erste Rohrbündel ausgestaltet.
Ein Röhrenwärmeaustauscher mit U-Rohrbündel ist ebenfalls der CH 271219 A entnehmbar.
Weiterhin ist ein herkömmlicher Rohrbündelwärmetauscher in Fig. 1 dargestellt. Dieser Rohrbündelwärmetauscher wird im Folgenden als Wärmeübertrager 1 bezeichnet. Der Wärmeübertrager 1 umfasst einen Mantel 10, der einen Mantelraum 11 einschließt. In dem Mantelraum 1 ist ein Rohrsystem 30 angeordnet, wobei die einzelnen Rohre des Rohrsystems 30 in einem Bündel angeordnet sind, welches Helix- bzw.
Schraubengang-förmig um ein Kernrohr 20 gewunden ist. An der Unterseite des Mantels 10 ist ein Einlassstutzen 12 angeordnet, und an der Oberseite des Mantels 10 ist ein Auslassstutzen 13 angeordnet. Ein erster Wärmeträger 2 tritt durch den
Einlassstutzen 12 in den Mantelraum 1 1 ein und gelangt durch das Kernrohr 20 und/oder durch dem Mantelraum 11 zum Auslassstutzen 13, von dem es weitergeleitet wird.
Ein zweiter Wärmeträger 3 strömt durch eine erste Einlasseinrichtung 33 in das Rohrsystem 30, wo es sich in den einzelnen Rohren verteilt und durch die erste Auslasseinrichtung 34 herausgeleitet wird. Durch die relativ große Oberfläche des Rohrsystems 30 im Mantelraum 1 erfolgt effizient eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Wärmeträger 2 und dem zweiten Wärmeträger 3. Dabei kann Wärme vom ersten Wärmeträger 2 auf den zweiten Wärmeträger 3 oder auch Wärme vom zweiten Wärmeträger 3 auf den ersten Wärmeträger 2 übertragen werden.
Bei Verwendung einer Salzschmelze als ersten Wärmeträger 2 hat diese bei Eintritt in den Einlassstutzen 12 z. B. eine Temperatur von 270°C und beim Austritt aus dem Auslassstutzen 13 eine Temperatur von 580°C. Bei gleichzeitiger Verwendung von Wasserdampf als zweiten Wärmeträger 3 hat dieser bei Einlass in die erste
Einlasseinrichtung 33 eine Temperatur von 620°C und bei Auslass aus der ersten
Auslasseinrichtung 34 eine Temperatur von 290°C. Es ist ersichtlich, dass eine große Wärmemenge vom Dampf als zweiten Wärmeträger 3 auf die Salzschmelze als ersten Wärmeträger 2 übertragen worden ist.
Auf Grund der hohen thermischen Belastung des Rohrsystems muss dieses mit einer hohen Festigkeit, insbesondere mit einer hohen Kriechfestigkeit ausgelegt sein. Um die geforderten Festigkeitswerte zu erfüllen, werden zu diesem Zweck oftmals Edelstähle für das Rohrsystem 30 verwendet. Derartige Edelstähle müssen bei einer thermischen Belastung von mehr als 593°C (nach ASME - Standard der American Society of Mechanical Engineers) bzw. bei einer thermischen Belastung von 585°C (nach AD- 2000 Merkblättern, die die Berechnungs- bzw. die Bewertungsmethode vorgeben;
bzw. nach VDTÜV-Werkstoffdatenblättern, die die Temperaturen und die jeweiligen Kriechfestigkeiten bezogen auf die Beanspruchungszeit vorgeben) auf Kriechfestigkeit berechnet werden. Um die zulässige Kriechspannung nicht zu überschreiten, müssen derartige Bauteile oftmals nach einer bestimmten Lastwechselzahl und/oder Lebensdauer untersucht bzw. ausgetauscht werden.
Unter dem Kriechen, das in Abhängigkeit von der Zeit zu einer verringerten Festigkeit führt, wird eine zeit- und temperaturabhängige sowie durch eine Last verursachte plastische Verformung eines Werkstoffes bezeichnet.
Die Kriechverformung hängt dabei von der jeweiligen homologen Temperatur ab, da hochschmelzende Materialien eine hohe Bindungsenergie aufweisen. Die homologe Temperatur errechnet sich aus der Schmelztemperatur des jeweiligen Materials unter Einbeziehung bestimmter Faktoren . Bei Eisen beträgt die homologe Temperatur z. B. ca. 450°C. Das heißt, dass thermisch hochbelastete Komponenten eines
Wärmeübertragers entsprechend ihres Kriechverhaltens, definiert durch ihre jeweilige Kriechfestigkeit, ausgelegt werden müssen. Dies erfordert den Einsatz relativ teurer Materialien im Wärmeübertrager. Es muss jedoch davon ausgegangen werden, dass trotz entsprechender Auslegung thermisch hochbelastete Bauteile eines
Wärmeübertragers, insbesondere eines Rohrbündels, trotzdem in relativ kurzer
Zeitintervallen gewartet und/oder ausgetauscht werde müssen. Insbesondere bei sehr großen und leistungsfähigen Wärmeübertragern ist eine solche Wartung bzw.
Reparatur jedoch sehr kostenintensiv und zeitaufwändig. Aus der US 3,841 ,271 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt, der mehrere parallel angeordnete Rohrbündel aufweist. Diese Rohrbündel sind mit Schraub- und
Schweißverbindungen am Gehäuse befestigt. Alle Rohrbündel sind dabei denselben Temperaturen ausgesetzt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung bzw. Wartung und zum Betreiben eines
Wärmeübertragers zur Verfügung zu stellen, mit denen einfacher konstruktiver Weise sowie mit geringen Fertigungs- und/oder Wartungsaufwand kostengünstig die
Übertragung von Wärme ermöglicht wird. Weitere Aspekte der Aufgabe sind die Realisierung eines Kraftwerkes und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie.
Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 genannten Wärmeübertrager, durch das in Anspruch 8 genannte Verfahren zur Herstellung oder Wartung eines
erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, durch das in Anspruch 10 genannte Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, durch das in Anspruch 13 genannte Kraftwerk und das in Anspruch 14 genannte Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung oder Wartung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist im Unteranspruch 9 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist in Anspruch 1 1 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur
Erzeugung elektrischer Energie ist im Unteranspruch 15 angegeben. Es wird erfindungsgemäß ein Wärmeübertrager zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger, umfassend ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers, zur Verfügung gestellt, wobei das Rohrsystem wenigstens in ein erstes Rohrbündel und ein zweites, austauschbares Rohrbündel, unterteilt ist oder unterteilbar ist. Es ist vorgesehen, dass das erste Rohrbündel für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten
Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer.
Der erste Temperaturbereich ist durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt. Alternativ oder hinzukommend ist der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die gleich groß oder höher als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels einsetzt.
Der erste Wärmeträger kann dabei insbesondere eine Salzschmelze oder auch Wasser, Wasserdampf, Ammoniak, überkritisches Kohlendioxid oder Thermoöl sein
und dabei den Mantelraum des Wärmeübertragers durchströmen. Der zweite
Wärmeträger kann insbesondere Dampf oder heißes Wasser sein. Der zweite
Wärmeträger durchströmt das Rohrsystem. In bevorzugter Ausgestaltung sind die beiden Rohrbündel mit einem oder mehreren lösbaren mechanischen Verbindungselementen in einer strömungstechnischen Schnittstelle, wie z. B. einen Flansch, miteinander verbunden. Das zweite Rohrbündel ist dabei derart ausgestaltet, dass es mit planbaren manuellen oder automatisch durchzuführenden Operationen bzw. Bewegungen vom ersten Rohrbündel entfernbar ist und demzufolge durch ein anderes Rohrbündel ersetzt werden kann.
Alternativ ist vorgesehen, dass dasselbe zweite Rohrbündel, welches nach der Herausnahme aus dem Wärmeübertrager aufgearbeitet und/oder gewartet wurde, wieder an seine vorherige Position im Wärmeübertrager eingesetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei Erreichung der zulässigen Kriechspannung nicht das gesamte Rohrsystem ausgetauscht werden muss, sondern nur das zweite Rohrbündel, wodurch ein geringerer Wartungsaufwand entsteht und eine geringere Wartungszeit sowie ein geringerer Materialaufwand anfällt.
Das zweite Rohrbündel ist für Betriebstemperaturen ausgelegt, die höher sind als die Betriebstemperaturen, für die das erste Rohrbündel ausgelegt ist. Dabei können auch geringfügige Überschneidungen der jeweiligen, den Rohrbündeln zugeordneten Temperaturbereiche möglich sein, wobei es lediglich darauf ankommt, dass die
Durchschnittstemperatur des zweiten Temperaturbereiches höher ist als die
Durchschnittstemperatur des ersten Temperaturbereiches. Vorzugsweise ist das jeweilige Rohrbündel derart ausgelegt, dass innerhalb der jeweiligen geplanten
Betriebsdauer und/oder Betriebstemperatur die tatsächliche Kriechspannung in dem Rohrbündel eine zulässige Kriechspannung nicht überschreitet.
So kann vorgesehen sein, dass beide Rohrbündel aus im Wesentlichen dem selben Material und/ oder mit der selben Wandstärke der jeweiligen Rohre bzw. der selben Rohr-Anzahl ausgeführt sind. Auf Grund der höheren thermischen Belastung des zweiten Rohrbündels hat dieses im Vergleich zum ersten Rohrbündel eine verringerte Lebensdauer, da im zweiten Rohrbündel die zulässige Kriechspannung früher erreicht wird als im ersten Rohrbündel.
Die Temperatur des Werkstoffes, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt, kann auch als homologe Temperatur oder als minimale Kriechtemperatur bezeichnet werden. Die Ermittlung der jeweiligen zulässigen Kriechspannung bzw. der Kriechfestigkeit ist dabei dem Fachmann bekannt.
Die zulässige Kriechfestigkeit lässt sich z.B. nach ASME entsprechend ASME Section II / D und für AD-Werkstoffe nach den VDTÜV-Werkstoffdatenblättern ermitteln.
Das heißt, dass durch bestimmte technische Eigenschaften der Rohrbündel, wie z. B. ihr Material, ihre Wandstärken, ihre Formgebung und/oder Größe sowie ihre
Befestigung und Schwingungsneigung sowie daraus resultierende Eigenspannungen diese Rohrbündel derart ausgelegt sind, dass ein jeweiliges Rohrbündel in dem ihm zugeordneten Temperaturbereich über die ihm zugeordnete Zeitdauer funktioniert, nämlich das erste Rohrbündel in einem ersten, niedrigen Temperaturbereich über eine längere Zeitdauer und das zweite Rohrbündel in einem zweiten, höheren
Temperaturbereich über eine kürzere Zeitdauer.
Vorzugsweise ist das erste Rohrbündel und/oder das zweite Rohrbündel aus Edelstahl gefertigt, wobei insbesondere der Werkstoff TP304 nach ASME bzw. 1.4301 nach AD- Merkblatt / DIN vorteilhaft anwendbar ist. Für Nickel-Basis-Legierungen ist
vorzugsweise der Werkstoff Inconel 625 und für Kohlenstoffstähle der Werkstoff P91 für Bleche und T91 für Rohre einsetzbar.
Allerdings können auch - zur Realisierung kostengünstiger Rohrbündel - Kohlenstoffstähle eingesetzt werden.
Insbesondere kann der Wärmetauscher ein gewickelter Wärmetauscher sein, wie er z. B. in verschiedenen großtechnischen Prozessen wie der Methanolwäsche, der Erdgasverflüssigung oder der Ethylenerzeugung verwendet wird. Ein derartiger gewickelter Wärmetauscher umfasst mehrere Rohre, die in mehreren Lagen um ein zentrales Kernrohr gewickelt sind. Die Rohre sowie das Kernrohr sind von einem Mantel umgeben, der somit den Mantelraum, in dem sich die Rohrbündel sowie das Kernrohr befinden, begrenzt. Üblicherweise sind die Rohre in Lochböden an den Enden des Wärmetauschers in ein oder mehreren Bündeln zusammengeführt und mit Ein- und Auslässen im Mantel des Wärmeübertragers verbunden. Die Rohre des
Wärmeübertragers können mit einem oder mehreren separaten Wärmeträgerströmen beaufschlagt werden. Der durch das Mantelrohr strömende Wärmeträger tritt mit dem Wärmeträger im Rohrsystem in Wärmeaustausch. Ein derartiger gewickelter Wärmeübertrager kann sowohl mantelseitig als auch rohrseitig selbstleerend konstruiert sein. Dadurch lassen sich bestimmte Wärmeträger, wie z. B. Salzschmelzen, in vereinfachter weise zu- und abführen. Dadurch ist auch eine Selbstentleerbarkeit gewährleistet, da ein Erstarren der Salzschmelze im
Wärmetauscher (bei Unterschreitung der Schmelztemperatur) zur Zerstörung des Wärmetauschers führen kann.
Außerdem ist ein derartig ausgeführter Wärmeübertrager relativ unempfindlich gegenüber in großen Temperaturintervallen vollzogenen Temperaturlastwechseln.
Der zur Auslegung der Rohrbündel dienende erste Temperaturbereich ist in
bevorzugter weise durch eine Maximaltemperatur von 550°C bis 600°C begrenzt, und der zweite Temperaturbereich ist durch eine Minimaltemperatur von 560°C bis 600°C begrenzt. Dabei hat sich eine Maximaltemperatur des ersten Temperaturbereichs zwischen 570°C und 590°C, insbesondere 580°C, und eine Minimaltemperatur des zweiten Temperaturbereiches zwischen 570°C und 590°C, insbesondere 580°C bewährt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste
Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist. Vorzugsweise ist dabei der erste Temperaturbereich durch eine
Minimaltemperatur von 280 °C bis 300 °C, insbesondere 290 °C, und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 610 °C bis 630 °C,
insbesondere 620 °C, begrenzt. Bei Verwendung eines Kohlenstoffstahls sollte der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 400 °C bis 450 °C begrenzt sein, und der zweite
Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 400 °C bis 450 °C begrenzt sein.
Die genannten Temperaturbereiche dienen zur konkreten Auslegung der Rohrbündel und somit zur Festlegung der konkreten technischen bzw. konstruktiven Merkmale.
In einer günstigen Auslegung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass das zweite Rohrbündel ein geringeres Volumen als das erste Rohrbündel aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das zweite Rohrbündel leicht und schnell sowie mit einem geringen Materialaufwand austauschbar ist.
Hinzukommend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das zweite Rohrbündel ein U-Rohr-Bündel ist. Ein solches Rohrbündel hat den Vorteil der leichten Montage und Demontage. Außerdem kann vorgesehen sein, dass das gesamte Rohrsystem im Mantelraum des Wärmeübertragers integriert ist, wobei das zweite Rohrbündel an ein Mantelsegment angeschlossen ist und dieses Mantelsegment bei Austausch des zweiten Rohrbündels ebenfalls mit ausgetauscht wird. In alternativer Ausgestaltung weist der Mantel eine freigebbare Öffnung auf, durch die hindurch das zweite
Rohrbündel ausgetauscht werden kann.
Insbesondere kann das Rohrsystem derart ausgestaltet sein, dass das zweite
Rohrbündel strömungstechnisch vom ersten Rohrbündel separiert ist.
Alternativ ist vorgesehen, dass das erste Rohrbündel und das zweite Rohrbündel strömungstechnisch miteinander gekoppelt sind. Bei strömungstechnischer Kopplung ist in günstiger Ausgestaltung eine Einrichtung zur Trennung des Strömungspfades zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrbündel vorgesehen.
In diesem Fall erfolgt bei Entnahme oder Austausch des zweiten Rohrbündels eine Trennung des Rohrsystems an der genannten strömungstechnischen Schnittstelle. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Wartung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, bei dem ein funktionseingeschränktes zweites Rohrbündel gegen ein funktionsfähiges zweites Rohrbündel ausgetauscht wird. Ein funktionseingeschränktes zweites Rohrbündel kann dabei ein bereits benutztes und hauptsächlich wegen der hohen thermischen Belastung abgenutztes Rohrbündel sein, bei dem die Gefahr der Überschreitung der zulässigen Kriechspannung unter normalen Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers gegeben ist. Ein solches zweites Rohrbündel wird gegen ein neues oder neuwertiges bzw. zumindest funktionsfähiges Rohrbündel ausgetauscht. Das hat den Vorteil, dass bei wärmebedingten
Verschleißerscheinungen nur noch das höher belastete Rohrbündel ausgetauscht
werden muss. Demzufolge kann eine Reparatur und/oder Wartung des Wärmeübertragers mit geringerem Material-, Zeit- sowie Personal-Aufwand erfolgen.
In der Ausgestaltung des Wärmeübertragers, in der beide Rohrbündel
strömungstechnisch miteinander verbunden sind, ist beim erfindungsgemäßen
Verfahren zur Wartung des Wärmeübertragers insbesondere vorgesehen, dass beim Austausch des zweiten Rohrbündels ein Strömungspfad zwischen dem ersten
Rohrbündel und dem zweiten Rohrbündel getrennt wird. In ähnlicher Weise wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zur Verfügung gestellt, bei dem ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers montiert wird, wobei als Bestandteile des Rohrsystems ein erstes Rohrbündel und ein zweites, austauschbares Rohrbündel montiert werden, wobei das erste Rohrbündel für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten
Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, und die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer.
Dabei ist der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels ein
Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt. Alternativ oder
hinzukommend ist der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels einsetzt. Das heißt, dass das erste Rohrbündel und das zweite Rohrbündel unterschiedlich sind, nämlich hinsichtlich ihrer Auslegung für bestimmte Temperaturbereiche und
Betriebsdauern.
Auch hier ist der erste Temperaturbereich vorzugsweise durch eine Maximaltemperatur von 550 °C bis 600 °C und der zweite Temperaturbereich vorzugsweise durch eine Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C begrenzt, sowie der erste Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite
Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger, der ein Rohrsystem zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel und ein zweites, austauschbares Rohrbündel unterteilt ist oder unterteilbar ist, umfasst, wobei beim Betrieb des Wärmeübertragers das erste Rohrbündel über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer.
Dabei ist vorgesehen, dass das erste Rohrbündel in einem ersten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels einsetzt, und das zweite Rohrbündel in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels einsetzt.
Insbesondere kann das erste Rohrbündel in einem ersten Temperaturbereich betrieben werden, der durch eine Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und eine Maximaltemperatur von 550 °C und 600 °C begrenzt ist, und das zweite Rohrbündel kann in einem zweiten Temperaturbereich betrieben werden, der durch eine
Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C und eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist. Dabei ist vorzugsweise der erste Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur zwischen 280 °C bis 300 °C, insbesondere 290 °C, und eine Maximaltemperatur zwischen 570 °C und 590 °C, insbesondere 580 °C begrenzt. Der zweite Temperaturbereich ist bevorzugt durch eine Minimaltemperatur zwischen 570 °C und 590 °C, insbesondere 580 °C, sowie durch eine Maximaltemperatur von 610 °C bis 630 °C, insbesondere 620 °C begrenzt. Das erste Rohrbündel wird dabei mit einer ersten Zeitdauer betrieben und das zweite Rohrbündel mit einer zweiten Zeitdauer betrieben. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Belastung der einzelnen
Rohrbündel ist die erste Zeitdauer länger als die zweite Zeitdauer, so dass das erste Rohrbündel eine längere Zeit betrieben wird als das zweite Rohrbündel.
Zwecks Austausch des zweiten Rohrbündels ist in bevorzugter Weise vorgesehen, dass zumindest der mittels des zweiten Rohrbündels realisierte
Wärmeaustauschprozess zwischen dem ersten Wärmeträger und dem zweiten
Wärmeträger gestoppt wird und das zweite Rohrbündel ausgetauscht wird. In einfacher Ausgestaltung des Verfahrens bedeutet dies, dass der Betrieb des gesamten
Wärmeübertragers gestoppt wird und das zweite Rohrbündel ausgetauscht wird. In alternativer Ausgestaltung bedeutet dies, dass der Betrieb des ersten Rohrbündels aufrecht erhalten wird und der Betrieb des zweiten Rohrbündels gestoppt wird und das zweite Rohrbündel ausgetauscht wird.
Nach Austausch des zweiten Rohrbündels kann der Wärmeaustauschprozess zwischen dem ersten Wärmeträger und dem zweiten Wärmeträger mittels des neuen zweiten Rohrbündels wieder aufgenommen werden. Das bedeutet, dass während der Betriebsdauer oder Lebenszeit des Wärmeübertragers ein Austausch des zweiten Rohrbündels erfolgt. Die Erfindung richtet sich außerdem auf ein Kraftwerk, insbesondere auf ein
Solarthermiekraftwerk, welches zur Erzeugung elektrischer Energie dient und einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger und einem zweiten Wärmeträger umfasst. In Abhängigkeit von der geforderten Leistung kann es notwendig sein, zur Übertragung einer definierten Wärmemenge zwischen den Wärmeträgern mehrere erfindungsgemäße Wärmeübertrager parallel zu betreiben. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist vorteilhaft in einem Solarthermiekraftwerk anwendbar, da auf Grund der
Austauschbarkeit des zweiten Rohrbündels die Funktionsfähigkeit des
Wärmeübertragers gewährleistet ist und demzufolge einem verschleißbedingten Ausfall des Kraftwerkes entgegengewirkt werden kann.
Die in diesem Solarthermiekraftwerk verwendeten Wärmeträger können die eingangs zur Erläuterung des Standes der Technik bezeichneten Fluide sein.
Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines
Wärmeübertragers durchgeführt wird, wobei von einem ersten Wärmeträger auf einen zweiten Wärmeträger Wärme übertragen wird und die Wärme des zweiten
Wärmeträgers zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Umwandlung kann dabei insbesondere über Nutzung der Wärme zur Erzeugung von Dampf, Nutzung dessen mechanischer Energie und Umsetzung der mechanischen Energie in elektrische Energie, z. B. in einer Turbine, erfolgen. Das heißt, dass hier die Wärme des zweiten Wärmeträgers indirekt zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird.
In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Wärme des zweiten Wärmeübertragers auf einen weiteren Wärmeübertrager übertragen wird, und dessen Wärme zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei kann dieser weitere Wärmeträger wiederum der erste Wärmeträger sein, so dass der zweite Wärmeträger lediglich als Speicher dient. In diesem Fall ist der erste
Wärmeträger bevorzugt Wasser bzw. Dampf, und der zweite Wärmeträger ist eine Salzschmelze. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden
Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen herkömmlichen Wärmeübertrager in Schnittansicht,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in Schnittansicht. Auf den herkömmlichen Wärmeübertrager, wie in er Fig. 1 dargestellt ist, wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Auch dieser Wärmeübertrager 1 umfasst einen Mantel 10, der einen Mantelraum 11 einschließt. Im Mantelraum 1 1 ist das Kernrohr 20 angeordnet, um das sich Helix- bzw.
Schraubengang-förmig das Rohrsystem 30 erstreckt. Das Rohrsystem 30 ist in ein erstes Rohrbündel 31 an der unteren Seite des Wärmeübertragers 1 und in ein zweites Rohrbündel 32 an der oberen Seite des Wärmeübertragers 1 unterteilt. Am Mantel 10 ist an der Unterseite ein Einlassstutzen 12 für einen einströmenden Volumenstrom des ersten Wärmeträgers 2 angeordnet. Zur Abführung des Volumenstroms des ersten Wärmeträgers 2 aus dem Mantelraum 1 1 ist an der Oberseite des Mantels 10 ein Auslassstutzen 13 angeordnet. Nach Eintritt durch den Einlassstutzen 12 durchströmt der erste Wärmeträger 2, der z. B. eine Salzschmelze oder ebenfalls Wasser oder Wasserdampf oder Ammoniak, überkritisches Kohlendioxid oder Thermoöl sein kann, den Mantelraum 11 und/oder das Kernrohr 20 und strömt aus dem Auslassstutzen 13 heraus.
Der zweite Wärmeträger 3, welcher z. B. Dampf oder heißes Wasser sein kann, strömt in das erste Rohrbündel 31 durch eine erste Einlasseinrichtung 33 ein und durch eine erste Auslasseinrichtung 34 aus dem ersten Rohrbündel 31 heraus. Außerdem strömt der zweite Wärmeträger 3 in das zweite Rohrbündel 32 durch eine zweite
Einlasseinrichtung 35 ein und durch eine zweite Auslasseinrichtung 36 aus. Die Temperatur des zweiten Wärmeträgers 3 bei Eintritt in das erste Rohrbündel 31 an der ersten Einlasseinrichtung 33 beträgt dabei ca. 580°C. An der ersten Auslasseinrichtung 34 des ersten Rohrbündels 31 beträgt seine Temperatur ca. 290°C.
Die Temperatur des zweiten Wärmeträgers 3 bei Einströmung in das zweite
Rohrbündels 32 an der zweiten Einlasseinrichtung 35 beträgt ca. 620°C, und an der zweiten Auslasseinrichtung 36 des zweiten Rohrbündels 32 beträgt seine Temperatur ca. 580°C.
In der dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind das erste Rohrbündel 31 und das zweite Rohrbündel 32 strömungstechnisch voneinander entkoppelt, so dass kein Strömungspfad zwischen den beiden
Rohrbündeln 31 , 32 durchtrennt werden muss.
Das zweite Rohrbündel lässt sich auf Grund seiner separaten Anordnung in einfacher, schneller und kostengünstiger weise vom ersten Rohrbündel 31 entfernen und austauschen, so dass eine wartungsbedingte Ausfallzeit des Wärmeübertragers 1 minimiert werden kann. Das zweite Rohrbündel ist dabei für den Betrieb im
angegebenen höheren Temperaturbereich, jedoch auf Grund der höheren thermischen Belastung und der damit verbundenen früheren Erreichung der zulässigen
Kriechspannung für eine kürzere Betriebsdauer ausgelegt.
Bezugszeichenliste
Wärmeübertrager 1 erster Wärmeträger 2 zweiter Wärmeträger 3
Mantel 10
Mantelraum 11
Einlassstutzen 12
Auslassstutzen 13
Kernrohr 20
Rohrsystem 30 erstes Rohrbündel 31 zweites Rohrbündel 32 erste Einlasseinrichtung 33 erste Auslasseinrichtung 34 zweite Einlasseinrichtung 35 zweite Auslasseinrichtung 36
Claims
Wärmeübertrager (1 ) zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger
(2) und einem zweiten Wärmeträger
(3), umfassend ein
Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites, austauschbares Rohrbündel (32) unterteilt ist oder unterteilbar ist, wobei das erste Rohrbündel (31 ) für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, und die Temperaturen des zweiten
Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten
Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des
Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31) ein Kriechen des
Materials des ersten Rohrbündels (31) einsetzt, und/ oder dass der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur von 550 °C bis 600 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C begrenzt ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist.
4. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohrbündel (32) ein geringeres Volumen als das erste Rohrbündel (31) aufweist.
5. . Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Rohrbündel (32) ein U-Rohr-Bündel ist.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Rohrbündel (32) strömungstechnisch vom ersten Rohrbündel (31) separiert ist.
7. Verfahren zur Wartung eines Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein funktionseingeschränktes zweites Rohrbündel (32) gegen ein funktionsfähiges zweites Rohrbündel (32) ausgetauscht wird.
8. Verfahren zur Wartung eines Wärmeübertragers nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass beim Austausch des zweiten Rohrbündels (32) ein Strömungspfad zwischen dem ersten Rohrbündel (31 ) und dem zweiten
Rohrbündel (32) getrennt wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers montiert wird, wobei als Bestandteile des Rohrsystems ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites, austauschbares Rohrbündel (32) montiert werden,
wobei das erste Rohrbündel (31) für den Betrieb über eine erste Zeitdauer in einem ersten Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) für den Betrieb über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich ausgelegt ist, und die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer,
und wobei der erste Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31 ) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31) ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels (31 ) einsetzt, und/ oder dass der zweite Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher ist als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers zum indirekten
Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger (2) und einem zweiten Wärmeträger (3), der ein Rohrsystem (30) zur Aufnahme eines Wärmeträgers, welches wenigstens in ein erstes Rohrbündel (31) und ein zweites,
austauschbares Rohrbündel (32) unterteilt ist oder unterteilbar ist, umfasst, bei dem das erste Rohrbündel (31) über eine erste Zeitdauer in einem ersten
Temperaturbereich und das zweite Rohrbündel (32) über eine zweite Zeitdauer in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Temperaturen des zweiten Temperaturbereiches höher sind als die Temperaturen des ersten Temperaturbereiches und die zweite Zeitdauer kürzer ist als die erste Zeitdauer, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohrbündel (31 ) in einem ersten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die geringer als die Temperatur des Werkstoffes des ersten Rohrbündels (31) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des ersten Rohrbündels (31 ) ein Kriechen des Materials des ersten Rohrbündels (31 ) einsetzt, und das zweite Rohrbündel (32) in einem zweiten Temperaturbereich betrieben wird, der durch eine Maximaltemperatur begrenzt ist, die gleich groß oder höher als die Temperatur des Werkstoffes des zweiten Rohrbündels (32) ist, oberhalb derer bei der gegebenen mechanischen Belastung des zweiten Rohrbündels (32) ein Kriechen des Materials des zweiten Rohrbündels (32) einsetzt.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Maximaltemperatur von 550 °C bis 600 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Minimaltemperatur von 560 °C bis 600 °C begrenzt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 10 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich durch eine
Minimaltemperatur von 270 °C bis 310 °C und der zweite Temperaturbereich durch eine Maximaltemperatur von 600 °C bis 640 °C begrenzt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der mittels des zweiten Rohrbündels (32) realisierte Wärmeaustauschprozess zwischen dem ersten Wärmeträger (2) und dem zweiten Wärmeträger (3) gestoppt wird und das zweite Rohrbündel (32) ausgetauscht wird.
Kraftwerk, insbesondere Solarthermiekraftwerk, zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend einen Wärmeübertrager (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem ersten Wärmeträger (2) und einem zweiten Wärmeträger (3).
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 durchgeführt wird und dabei Wärme von einem ersten Wärmeträger (2) auf einen zweiten Wärmeträger (3) übertragen wird und die Wärme des zweiten
Wärmeträgers (3) zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 15, bei dem die Wärme vom zweiten Wärmeüberträger (3) auf einen weiteren Wärmeüberträger übertragen wird, und dessen Wärme zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird.
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