WO2015014348A1 - Geometrieanpassung eines rohres zum leiten einer salzschmelze - Google Patents

Geometrieanpassung eines rohres zum leiten einer salzschmelze Download PDF

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Max Mertins
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Novatec Solar Gmbh
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L53/00—Heating of pipes or pipe systems; Cooling of pipes or pipe systems
    • F16L53/30—Heating of pipes or pipe systems
    • F16L53/35—Ohmic-resistance heating
    • F16L53/38—Ohmic-resistance heating using elongate electric heating elements, e.g. wires or ribbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16L53/30—Heating of pipes or pipe systems
    • F16L53/35—Ohmic-resistance heating
    • F16L53/37—Ohmic-resistance heating the heating current flowing directly through the pipe to be heated

Definitions

  • the present invention relates to a tubular element for conducting a fluid liquefied by heat, wherein the tubular element is made of an electrically conductive material and at least two spaced apart in the longitudinal direction of the tubular element terminals for applying a heating voltage, wherein the tubular element further associated with an additional heating element inside is.
  • Such a tubular element is already known from WO 2012/156472 A1.
  • This tubular element is used to promote a molten salt through the absorber tube in a solar field, which is at a decommissioning of the solar field in the risk to cool and solidify it.
  • the molten salt In its solidified state, the molten salt has a greater density than in the liquid state, so that increases in a thawing of the molten salt, the internal pressure on the pipe.
  • said document provides to lay an additional heating element in the form of a wire line through the pipe, which is also acted upon in the course of heating the pipe with a voltage.
  • an initially thin hollow conduit is melted into the solidified salt by means of the additional heating element, through which the liquefied salt can be discharged. Due to this configuration, it is avoided that bubbles of already molten salt are formed within the pipe during continuous heating, which locally increase the internal pressure on the pipe members.
  • the present invention based on the object to provide a pipe element with an additional heating element, which allows the replacement of individual pipe elements from an entire line, without requiring additional steps for re-threading or connecting the Rajmoreimplantations.
  • a tubular element for guiding a liquefied by heat medium according to the features of claim 1. Further useful embodiments of such a tubular element can be taken from the subclaims.
  • an additional heating element along the inner wall is connected to at least two points with the tubular element.
  • a pipeline which is composed of a plurality of tubular elements, thus also has a plurality of additional heating elements, each of which is connected in each case only one of the tubular elements directly to the inner wall, so that in a separation of the entire line into individual
  • the pipe element itself and the additional heating element by the so-called Joule Effect Heating, ie to apply the full pipe material and the material of the additional heating element with a suitable heating voltage to the guided in the pipe element, optionally solidified medium melt.
  • the voltage is therefore applied equally to the tubular element as to the additional heating element, so that both the tubular element and the additional heating element will heat up and can hold or melt the medium in its liquid state by a transfer of this heat.
  • the additional heating element inside the tube the heat is transferred primarily to the salt.
  • the additional heating element will therefore first form a liquid film, which can be removed first from the overall arrangement.
  • the additional heating elements do not quite reach into the joint area of two pipe elements, but preferably end in the immediate vicinity, so that separation without influence on the additional heating elements is possible, but at the same time the adjacently starting additional heating elements likewise bring about greater heating and thus despite the interrupted additional heating element Chain creates a more or less continuous fluid channel in the overall arrangement.
  • the heat input is mainly homogeneous over the outer pipe wall, which can be well monitored temperature.
  • the local heat flux density is moderate, so the danger of hot spots is avoided. This is particularly advantageous if the tube is to be warmed up unfilled, e.g. to temper prior to salt filling.
  • a feed into the tubular element can also take place via the end faces of the tubular element, which are connected to the adjacent tubular elements. In this way it is possible to feed only at the beginning and at the end of the overall arrangement, so that the flow can flow from one tubular element to the next.
  • connection between the additional heating element and the inner wall of the tubular element can be made selectively, in particular at the two ends of the Pipe element, but also throughout the entire beautlement away, which thereby becomes practically a part of the pipe element.
  • the additional heating element can be connected with its ends selectively between the two ends of the tubular element with this.
  • the additional heating element is not affected, but rather only the pipe element is separated as such.
  • the auxiliary heating element may be an elongated rod having a round or polygonal cross section. But also wires, wire ropes and the like are used as additional heating elements in the pipe element alternatively or cumulatively.
  • the additional heating element can conform in shape to the inner wall of the tubular element, which is the case with a straight rod only when it is arranged in the longitudinal direction of the tubular element.
  • a spindle-shaped arrangement of the additional heating element can be realized and also other arrangements with alternative shaping are possible within the scope of the invention.
  • FIG. 1 shows a tube element with a round-rod-shaped additional heating element arranged in the tube element in a cross-sectional view through the middle of the tube element
  • FIG. 2 shows the pipe element according to FIG. 1 in a longitudinal section through the tube element shown shortened and in each case a part of the adjacent tube elements.
  • Figure 1 shows a tubular element 1, which is made of stainless steel. Also made of stainless steel is attached to the inner wall 2 of the tubular element 1 by means of a welded joint 6 additional heating element 5, which is made in the form of a round rod. A medium, for example a molten salt, is guided in the tube element 1, the solidified medium 7 being contained in the center of the tube element 1, which has already been melted into a film of liquefied medium 8 in a region around the additional heating element due to an already initiated heating ,
  • a medium for example a molten salt
  • the cross-sectional area ratios of the tubular element 1 to the cross section of the additional heating element 5 behave approximately as one to ten. Thus, the electrical resistances are present in about the same ratio.
  • the additional heating element 5 releases about one tenth of the heat output because of the parallel connection.
  • the area-specific heat output into the medium is slightly higher than on the inner wall 2 of the tubular element 1, since the heat introduced there flows in part as heat loss over the outer boundary. Therefore, a film of liquefied medium 8 will first be formed around the auxiliary heating element 5, forming a liquid channel quickly and providing a secure balance of volume expansion.
  • FIG. 2 shows the tubular element 1 in a lateral cross-sectional view, wherein the tubular element 1 is connected to adjacent tubular elements at its end faces 3 via welded connections 4. Marked at the transitions of individual pipe elements 1, by vertical lines in Figure 2, increases by the absence of the additional heating element 5, the resistance and thus the heat output. To- due to their spatial proximity, the heat conduction and the radiation via the end faces of the additional heating elements 5 also act on the region at the transitions, so that a continuous channel is nevertheless formed.
  • Figure 2 illustrates the pipe element 1 to a clearly shortened scale for illustrative purposes.
  • the pipe element 1 is long in relation to its diameter.
  • a tube element for conducting a fluid liquefied by heat for example a molten salt, to which additional heating elements are assigned in sections.

Abstract

Es ist bekannt, in Rohrleitungen ein Zusatzheizelement in Form eines aufgehängten Drahtes vorzusehen, welches es erlaubt, eine materialschonende Aufschmelzung eines in der Rohrleitung erkalteten, bei Umgebungstemperatur festen Mediums durchzuführen. Problematisch ist hierbei stets zum Einen, den Draht in eine aus mehreren Rohrelementen zusammengesetzte Rohrleitung einzufädeln und zum Anderen, einzelne Rohrelemente bedarfsweise auszutauschen. Dieses Problem löst die Erfindung mit einem Zusatzheizelement (5), welches mit der Innenwand des Rohrelements (2) verbunden ist und daher genauso modular eingesetzt wird wie das Rohrelement (2) selbst.

Description

GEOMETRIEANPASSUNG EINES ROHRES ZUM
LEITEN EINER SALZSCHMELZE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rohrelement zum Leiten eines durch Wärme- einfluss verflüssigten Mediums, wobei das Rohrelement aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist und wenigstens zwei in Längsrichtung des Rohrelements beabstandet gelegene Anschlüsse zum Anlegen einer Heizspannung aufweist, wobei dem Rohrelement ferner ein Zusatzheizelement inwendig zugeordnet ist.
Ein derartiges Rohrelement ist bereits aus der WO 2012/156472 A1 vorbekannt. Dieses Rohrelement dient zur Förderung einer Salzschmelze durch das Absorberrohr in einem Solarfeld, welches bei einem Außerbetriebgehen des Solarfelds in der Gefahr ist, zu erkalten und dabei zu erstarren. In ihrem erstarrten Zustand besitzt die Salzschmelze eine größere Dichte als in dem flüssigen Zustand, so dass bei einem Wiederauftauen der Salzschmelze der Innendruck auf die Rohrleitung zunimmt. Um ein Platzen der einzelnen Rohrelemente zu verhindern, sieht die genannte Schrift vor, ein Zusatzheizelement in Form einer Drahtleitung durch die Rohrleitung zu verlegen, welche im Zuge einer Beheizung der Rohrleitung ebenfalls mit einer Spannung beaufschlagt wird. Nach dem Joule-Effect-Heating-Prinzip wird mithilfe des Zusatzheizelementes eine zunächst dünne Hohlleitung in das erstarrte Salz geschmolzen, durch welche hindurch das verflüssigte Salz abgeleitet werden kann. Aufgrund dieser Konfiguration ist es vermieden, dass sich innerhalb der Rohrleitung beim kontinuierlichen Erwärmen Blasen von bereits geschmolzenem Salz bilden, welche den Innendruck auf die Rohrelemente lokal erhöhen.
Das Durchführen einer langen Leitung durch die aneinander üblicherweise mithilfe von Schweißnähten zusammengefügten Einzelrohre bringt jedoch einige Probleme mit sich. Insbesondere besteht das Problem, dass bei einem Austausch eines Rohrelements, welches beiderseits mit benachbarten Rohrelementen verbunden ist, die gesamte Zusatzheizleitung abgezogen und neu in den Absorber eingeführt wer- den muss, wenn das defekte Rohr ausgetauscht wurde. Alternativ wäre es möglich, wenngleich nicht minder aufwändig, bei einem Auftrennen der Verbindungen zwischen einzelnen Rohrelementen das drahtförmige Zusatzheizelement mit abzutrennen und nach dem Austauschen der Rohrleitung erneut anzuschließen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Rohrelement mit einem Zusatzheizelement anzugeben, welches den Austausch einzelner Rohrelemente aus einer gesamten Leitung erlaubt, ohne hierfür zusätzliche Arbeitsschritte für ein erneutes Einfädeln oder Verbinden des Zusatzheizelementes zu erfordern.
Dies gelingt durch ein Rohrelement zum Leiten eines durch Wärmeeinfluss verflüssigten Mediums gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Weitere sinnvolle Ausgestaltungen eines derartigen Rohrelementes können den Unteransprüchen entnommen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass innerhalb eines Rohrelementes ein Zusatzheizelement entlang der Innenwand an wenigstens zwei Punkten mit dem Rohrelement verbunden ist. Eine Rohrleitung, welche aus mehreren Rohrelementen zusammengesetzt ist, verfügt damit auch über mehrere Zusatzheizelemente, von denen jedes einzelne jeweils nur einem der Rohrelemente direkt an der Innenwand anverbunden ist, so dass bei einem Auftrennen der gesamten Leitung in einzelne
Rohrelemente die Trennung zwischen separaten Zusatzheizelementen erfolgt. Ein durchgehendes Zusatzheizelement für alle Rohrelemente ist damit nicht erforderlich und ein Auftrennen und späteres Wiederzusammensetzen kann somit entfallen.
Insbesondere ist vorgesehen, sowohl das Rohrelement selbst als auch das Zusatzheizelement nach dem so genannten Joule-Effect-Heating zu beheizen, also das volle Rohrmaterial und das Material des Zusatzheizelements mit einer geeigneten Heizspannung zu beaufschlagen, um das in dem Rohrelement geführte, gegebenenfalls erstarrte Medium aufzuschmelzen. Die Spannung liegt also gleichermaßen an dem Rohrelement wie an dem Zusatzheizelement an, so dass sich sowohl das Rohrelement als auch das Zusatzheizelement erwärmen wird und durch eine Übertragung dieser Wärme das Medium in seinem flüssigen Zustand halten oder aufschmelzen kann. Während der Wärmeeintrag in der äußeren Rohrwandung teils wieder als Wärmeverlust an die Umgebung verloren geht, wird das Zusatzheizelement im Rohrinneren die Wärme primär auf das Salz übertragen. Um das Zusatzheizelement herum wird sich daher zunächst ein Flüssigkeitsfilm bilden, welcher zuerst aus der Gesamtanordnung abgeführt werden kann. Die Zusatzheizelemente reichen indes nicht ganz bis in den Stoßbereich zweier Rohrelemente hinein, enden aber vorzugsweise in unmittelbarer Nähe, so dass ein Auftrennen ohne Einfluss auf die Zusatzheizelemente möglich ist, aber gleichzeitig die benachbart beginnenden Zusatzheizelemente ebenfalls eine stärkere Erwärmung bewirken und damit trotz der unterbrochenen Zusatzheizelement-Kette ein mehr oder weniger durchgehender Flüssigkeitskanal in der Gesamtanordnung entsteht.
Vorteilhafterweise entfällt durch die beschriebene Anordnung das Durchführen eines langen, drahtförmigen Zusatzheizelementes durch die Gesamtanordnung und erlaubt dadurch auch ein leichtes Austauschen einzelner Rohrelemente. Ferner muss nicht berücksichtigt werden, dass gegebenenfalls unterschiedliche Materialien mit Spannung beaufschlagt werden, was in der Regel zu Mehrkosten führt, da das mit dem Rohrelement verbundene Zusatzheizelement vorteilhafterweise aus dem gleichen Material hergestellt sein kann, wie das Rohrelement selbst.
Die Wärmeeinbringung erfolgt hauptsächlich homogen über die äußere Rohrwand, die gut temperaturüberwacht werden kann. Die lokale Wärmestromdichte ist moderat, so dass die Gefahr von Hot Spots vermieden wird. Dies ist besonders auch dann von Vorteil, wenn das Rohr ungefüllt aufgewärmt werden soll, um es z.B. vor Salzbe- füllung zu temperieren.
Während es durchaus möglich ist, separate Anschlüsse für das Einspeisen einer Heizspannung in das Rohrelement vorzusehen, kann bevorzugtermaßen eine Ein- speisung in das Rohrelement auch über die Stirnflächen des Rohrelementes erfolgen, welche mit den benachbarten Rohrelementen verbunden sind. Auf diese Art und Weise ist es möglich, lediglich am Anfang und am Ende der Gesamtanordnung eine Einspeisung vorzunehmen, so dass der Strom von einem Rohrelement zum nächsten durchfließen kann.
Die Verbindung zwischen dem Zusatzheizelement und der Innenwand des Rohrelementes kann hierbei punktuell erfolgen, insbesondere an den beiden Enden des Rohrelementes, aber auch durchgehend über das gesamte Zusatzheizelement hinweg, welches dadurch praktisch ein Teil des Rohrelementes wird. Insoweit ist es durchaus auch möglich, das Rohrelement entweder nachträglich durch Verschweißung mit einem Zusatzheizelement zu versehen oder alternativ Rohrelement und Zusatzheizelement einstückig miteinander herzustellen. Neben dem Verschweißen sind auch andere, Wärme und Strom leitende Verbindungen zwischen dem
Rohrelement und dem Zusatzheizelement ohne Weiteres möglich.
Insbesondere bei einem Verschweißen des Zusatzheizelementes mit der Innenwand des Rohrelementes kann das Zusatzheizelement mit seinen Enden punktuell zwischen den beiden Enden des Rohrelementes mit diesem verbunden sein. Durch einen gewissen Abstand vom Ende des Rohrelementes wird sichergestellt, dass bei einem Auftrennen der Rohrleitung das Zusatzheizelement nicht betroffen ist, sondern vielmehr lediglich das Rohrelement als solches aufgetrennt wird.
Mit einigem Vorteil kann es sich bei dem Zusatzheizelement um einen gestreckten Stab mit einem runden oder einem vieleckigen Querschnitt handeln. Aber auch Drähte, Drahtseile und dergleichen mehr sind als Zusatzheizelemente in dem Rohrelement alternativ oder kumulativ einsetzbar.
Ferner kann das Zusatzheizelement sich in seiner Form an die Innenwand des Rohrelementes anschmiegen, was bei einem gestreckten Stab lediglich dann der Fall ist, wenn dieser in Längsrichtung des Rohrelementes angeordnet ist. Jedoch kann auch beispielsweise eine spindelförmige Anordnung des Zusatzheizelementes realisiert werden und auch weitere Anordnungen mit alternativer Formgebung sind im Rahmen der Erfindung möglich.
Darüber hinaus ist es möglich, mehrere Zusatzheizelemente gleichmäßig oder ungleichmäßig über den Innenumfang des Rohrelementes zu verteilen, um die mit dem Zusatzheizelement eintretenden Effekte zu verstärken bzw. zu multiplizieren.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 ein Rohrelement mit einem in dem Rohrelement angeordneten, rundstabförmigen Zusatzheizelement in einer Querschnittsdarstellung durch die Mitte des Rohrelementes, sowie
Figur 2 das Rohrelement gemäß Figur 1 in einem Längsschnitt durch das verkürzt dargestellte Rohrelement und jeweils einen Teil der benachbarten Rohrelemente.
Figur 1 zeigt ein Rohrelement 1 , welches aus Edelstahl hergestellt ist. Ebenfalls aus Edelstahl hergestellt ist ein an der Innenwand 2 des Rohrelementes 1 mithilfe einer Schweißverbindung 6 befestigtes Zusatzheizelement 5, welches in Form eines Rundstabes gefertigt ist. In dem Rohrelement 1 wird ein Medium, beispielsweise eine Salzschmelze, geführt, wobei im Zentrum des Rohrelementes 1 das erstarrte Medium 7 enthalten ist, welches aufgrund einer bereits begonnenen Erwärmung bereits in einem Bereich um das Zusatzheizelement herum zu einem Film aus verflüssigtem Medium 8 aufgeschmolzen wurde.
Die Querschnittsflächenverhältnisse des Rohrelementes 1 zu dem Querschnitt des Zusatzheizelementes 5 verhalten sich etwa wie eins zu zehn. Damit sind auch die elektrischen Widerstände in etwa im gleichen Verhältnis vorhanden. Das Zusatzheizelement 5 setzt wegen der Parallelschaltung etwa ein Zehntel der Wärmeleistung frei. Lokal am Stab selbst ist allerdings die flächenspezifische Wärmeleistung in das Medium hinein etwas höher als an der Innenwand 2 des Rohrelementes 1 , da die dort eingebrachte Wärme zum Teil als Wärmeverlust über die äußere Grenze abfließt. Daher wird um das Zusatzheizelement 5 herum zuerst ein Film aus verflüssigtem Medium 8 gebildet werden, der sich schnell zu einem Flüssigkeits-Kanal ausbildet und für einen sicheren Ausgleich der Volumenexpansion sorgt.
Figur 2 zeigt das Rohrelement 1 in einer seitlichen Querschnittsdarstellung, wobei das Rohrelement 1 mit benachbarten Rohrelementen an seinen Stirnflächen 3 über Schweißverbindungen 4 verbunden ist. An den Übergängen einzelner Rohrelemente 1 , durch senkrechte Striche in der Figur 2 markiert, erhöht sich durch die Abwesenheit des Zusatzheizelementes 5 der Widerstand und damit die Wärmeleistung. Zu- dem wirkt an den Übergängen aufgrund ihrer räumlichen Nähe auch die Wärmeleitung und die Abstrahlung über die Stirnflächen der Zusatzheizelemente 5 auf diesen Bereich ein, so dass dennoch ein durchgehender Kanal gebildet wird.
Figur 2 stellt das Rohrelement 1 zur Veranschaulichung in einem deutlich verkürzten Maßstab dar. Das Rohrelement 1 ist lang gegenüber seinem Durchmesser.
Vorstehend beschrieben ist somit ein Rohrelement zum Leiten eines durch Wärme- einfluss verflüssigten Mediums, beispielsweise einer Salzschmelze, welchem abschnittsweise Zusatzheizelemente zugeordnet sind.
BEZUGSZE ICH ENLISTE Rohrelement
Innenwand
Stirnfläche
Schweißverbindung
Zusatzheizelement
Schweißverbindung
erstarrtes Medium
verflüssigtes Medium

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 . Rohrelement zum Leiten eines durch Wärmeeinfluss verflüssigten Mediums, wobei das Rohrelement (1 ) aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist und wenigstens zwei in Längsrichtung des Rohrelements (1 ) beabstandet gelegene Anschlüsse zum Anlegen einer Heizspannung aufweist, wobei dem Rohrelement (1 ) ferner ein elektrisch leitfähiges Zusatzheizelement (5) inwendig zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzheizelement (5) dem Rohrelement (1 ) entlang seiner Innenwand (2) an wenigstens zwei, jeweils von dem Stoßbereich zweier Rohrelemente (1 ) beabstandeten, Punkten elektrisch leitend anverbunden ist.
2. Rohrelement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen des Rohrelements (1 ) als Anschlüsse zum Anlegen einer Heizspannung fungieren und diese elektrisch leitend mit benachbarten Rohrelementen verbindbar sind.
3. Rohrelement gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzheizelement (5) mit der Innenwand (2) des Rohrelements (1 ) verschweißt oder einstückig mit dem Rohrelement (1 ) hergestellt ist.
4. Rohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Zusatzheizelement (5) und der Innenwand (2) des Rohrelements (1 ) punktuell oder durchgehend gebildet ist.
5. Rohrelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzheizelement (5) mit seinen Enden zwischen den Enden des Rohrelements (1 ) mit diesem punktuell verschweißt ist.
6. Rohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzheizelement (5) ein gestreckter Stab mit rundem oder vieleckigem Querschnitt ist.
7. Rohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Zusatzheizelement (5) in seiner Form an die Innenwand (2) des Rohrelements (1 ) anschmiegt.
8. Rohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1 ) und das Zusatzheizelement (5) aus demselben Material hergestellt sind.
9. Rohrelement gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1 ) und das Zusatzheizelement (5) aus Edelstahl hergestellt sind.
10. Rohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwand des Rohrelements (1 ) mehrere gleichmäßig oder ungleichmäßig über den Innenumfang des Rohrelements (1 ) verteilte Zusatzheizelemente (5) zugeordnet sind.
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