EP4695573A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher

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Publication number
EP4695573A1
EP4695573A1 EP23720046.4A EP23720046A EP4695573A1 EP 4695573 A1 EP4695573 A1 EP 4695573A1 EP 23720046 A EP23720046 A EP 23720046A EP 4695573 A1 EP4695573 A1 EP 4695573A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
heat
heat exchange
flow
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23720046.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Duschl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RD Estate GmbH and Co KG
Original Assignee
RD Estate GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RD Estate GmbH and Co KG filed Critical RD Estate GmbH and Co KG
Publication of EP4695573A1 publication Critical patent/EP4695573A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/001—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for thermal power plants or industrial processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/005—Other auxiliary members within casings, e.g. internal filling means or sealing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F2013/001—Particular heat conductive materials, e.g. superconductive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/12—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing overpressure

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for heating water to preheat feed water for a downstream steam generator and/or for generating steam to generate energy, for example by means of a steam engine.
  • the heat exchanger can be coupled to a biomass furnace, biogas plant or a pellet heater, for example.
  • the present invention also relates to a system comprising several heat exchangers.
  • Heat exchangers are generally used to heat water or generate steam. When used to generate steam, they can also be referred to as steam generators. These systems usually have a combustion chamber (the furnace) in which fuel is heated or burned to generate heat. Alternatively, the still hot exhaust gases from a biogas plant can be used to provide the required heat. This heat in the form of a heating fluid is passed past a heat exchanger, for example, in order to heat water flowing in the heat exchanger and, when heated sufficiently, to evaporate it. The steam generated in this way can then be used to generate energy, for example in a steam engine.
  • a combustion chamber the furnace
  • the still hot exhaust gases from a biogas plant can be used to provide the required heat.
  • This heat in the form of a heating fluid is passed past a heat exchanger, for example, in order to heat water flowing in the heat exchanger and, when heated sufficiently, to evaporate it.
  • the steam generated in this way can then be used to generate energy, for example in a steam engine.
  • DE 10 2010 046 804 A1 discloses a tube bundle heat exchanger with a plurality of tube windings which originate from a common outlet space for a heat exchange fluid and open into a common outlet space, wherein each tube winding comprises an alternating sequence of pipe sections and pipe bends and wherein the pipe bends are designed as a deflection of 180° with respect to an associated bend axis and have the same bending radii.
  • This tube bundle heat exchanger is characterized in that along each tube winding the bend axes of pipe bends which are connected to the same pipe section are at an angle to one another and the bend axes of pipe bends between which a pipe section, a pipe bend and another pipe section are arranged in immediate succession run parallel.
  • the efficiency depends heavily on the distance between the tube bundle heat exchanger and the housing and heavily on the type of flow of the heat exchange fluid in the tube bundles to the heat energy generated by the fuel. This means that wall losses, which are generated by flowing past between the tube bundle heat exchanger and a surrounding housing without flowing through the heat exchanger, cannot be prevented in such a design.
  • the heat exchange efficiency is therefore not optimal.
  • DE 20 2007 017 403 Ul also discloses a tube bundle heat exchanger, in particular for the heat exchange of heating gas to heating water or drinking water, wherein the tube bundle heat exchanger has a heating water flow or
  • the heating system has a water chamber through which a drinking water flow can flow and a heating gas chamber through which a heating gas flow can flow.
  • the heating gas pipes forming the heating gas can flow through in parallel or in series.
  • EP 4 134 609 A1 has disclosed a first solution in the field of steam generators, which attempts to solve the problems described above of the fluctuating energy content of the fuel mass while at the same time ensuring high operational reliability. This is achieved by interposing a salt bath as a heat transfer medium between a second heat exchange element carrying the heat exchange fluid and a first heat exchange element carrying the water for steam generation in a (high-pressure) steam generator.
  • Such decomposed salt can attack the metal of the steam generator and lead to leaks.
  • EP 4 134 609 A1 discloses a pump which is designed to set the salt bath in motion during operation of the steam generator.
  • Directive 2014/68/EU of the European Parliament and of the Council of 15 May 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of pressure equipment (known in German as the Pressure Equipment Directive (PED)).
  • Directive 2014/68/EU on pressure equipment specifies the requirements for pressure equipment to be placed on the market within the European Economic Area (EEA). It was published in the Official Journal of the European Union L 189 of 27 June 2014, p. 164.
  • the Pressure Equipment Directive like all European directives, is addressed to the member states and must therefore be implemented into national law by the individual member states. In Germany, this was done through the Product Safety Act (ProdSG) - which replaced the Equipment and Product Safety Act that was in force until the end of 2011 - and the Pressure Equipment Ordinance (14. ProdSV) based on it.
  • ProdSG Product Safety Act
  • ProdSV Pressure Equipment Ordinance
  • pressure equipment includes vessels (unfired pressure vessels), steam boilers, pipelines, pressure-retaining equipment and equipment with a safety function with an internal overpressure of more than 0.5 bar.
  • the classification of stationary pressure equipment according to the directive is based on pressure and volume (in the case of pipelines, on the basis of the nominal diameter DN) as well as on the basis of the fluid group and the aggregate state.
  • heat exchangers which are referred to as "steam devices" in the Pressure Equipment Directive, are usually divided into four different categories.
  • the heat exchangers that are least stressed in terms of prevailing temperature and applied pressures are in Category 1 and the heat exchangers with the highest pressure and temperature load are accordingly classified in Category 4.
  • Any steam generator with a water or steam pipe internal volume of more than two litres and an internal overpressure of more than 0.5 bar is already classified in one of the categories, depending on the temperatures and pressures involved, and must therefore meet certain criteria for approval, authorization and/or operation with regular maintenance.
  • a heat exchanger is provided.
  • pressures between 10 and 350 bar, preferably 30 to 250 bar and particularly preferably pressures of 200 bar can occur.
  • the heat exchanger comprises a housing .
  • the housing is connected from an inlet in the housing to an outlet in the housing in a first flow direction through which a heat exchange fluid can flow.
  • the heat exchange fluid is preferably flue gas.
  • the heat exchange fluid can be waste heat from a biomass furnace, biogas plant or a pellet heater, which can flow through the housing of the heat exchanger along the first flow direction.
  • the heat exchange fluid can also be a combustion gas from the combustion of a fuel, for example in the form of undried, low-quality biomass, in a combustion chamber of an already known grate furnace, or the exhaust gas from a biogas plant. This makes it possible to generate electricity from residual materials.
  • different temperature ranges can occur in the heat exchanger.
  • Such a heat exchange fluid which is also to be understood as a heating fluid or heating gas or general combustion gas, is usually between 600 °C and 1000 °C, preferably 900 °C.
  • At least one first heat exchange element is arranged in the housing.
  • the first heat exchange element is designed in the form of several pipes in fluid communication. Water can flow through the pipes in a second flow direction for heating water, in particular for generating steam.
  • a first heat exchange element consists of several pipes connected in series and connected to one another, which are in fluid communication with one another in such a way that water flowing through in the second flow direction changes into a vaporous state due to its (in)direct heating by the heat exchange fluid flowing past.
  • temperatures of the heat exchange fluid i.e. Gas temperatures from 450 ° C to 500 ° C, preferably 470 ° C. This can be preheated water or saturated steam.
  • pressure relief valves are arranged on the pipes in the heat exchanger according to the invention.
  • the pressure relief valves are arranged such that the volume within the pipes between two pressure relief valves is a maximum of 2 liters each.
  • the pressure relief valves are preferably arranged such that the volume within the pipes between two pressure relief valves is in a range between 1.8 and 1.9 liters, particularly preferably 1.87 liters.
  • volume within the pipes refers to the internal flow diameter of the series-connected and connected pipes of the at least one first heat exchange element and its
  • pressure relief valve is to be understood as a valve which is designed in such a way that it can interrupt a flow in the pipes of the first heat exchange element by allowing the water flowing through the pipes to escape from the first heat exchange element when a predetermined pressure limit within the pipe is reached and/or exceeded.
  • the pressure relief valves ensure that all pipes carrying the water pressurized for steam generation are separately sealed off at least every two liters of pipe volume and the volume per such "pull" is ⁇ 2 liters.
  • the relevant load range is limited to a maximum pipe volume of less than or equal to two liters, so that such a heat exchanger is no longer subject to the "Pressure Equipment Directive 2014/68/EU" and its categorization in categories 1 to 4.
  • any pipe section of one or more pipelines in fluid communication has a maximum volume of 2 liters between two of the pressure relief valves, no approval is required and regular mandatory maintenance no longer has to be carried out.
  • each of the pressure relief valves is a mechanical pressure relief valve.
  • mechanical pressure relief valves do not require any electronic components, controls, sensors or the like and yet safe operation of the heat exchanger and/or automatic opening of the valve when pressure in the water or steam-carrying pipes reaches and/or exceeds a certain pressure value can be ensured.
  • a mechanical pressure relief valve can be preloaded with a spring so that when the prevailing pressure within the pipes exceeds the force acting on the spring, the pressure relief valve opens automatically against the spring force and the water can thus escape from the pipes of the at least one first heat exchange element.
  • shut-off valves can be, for example, a ball valve or a needle valve.
  • the pipes each have a cylindrical cross-section.
  • An inner diameter of the pipes can be 8 mm and an outer diameter of the pipes can be 12 mm.
  • the pipes of the at least one first heat exchange element can extend through the housing of the heat exchanger with a total length of approximately 36 meters.
  • 36 meters of pipe(s) are each provided with a pressure relief valve at the beginning and end. This is because the internal diameter of 8 mm and a length of 36 meters result in a total volume of 1809557.37 cubic millimeters (mm 3 ), which corresponds to 1.809 liters of volume within the individually lockable part of the at least one first heat exchange element.
  • the pressure relief valves are each arranged on the housing, preferably outside the housing, in such a way that the water or steam can escape into the surroundings of the housing, i.e. to the outside, in the event of an overload.
  • the escaping water or steam can particularly preferably be directed from the pressure relief valves into a discharge channel.
  • This discharge channel can bundle the escaping water or steam and particularly preferably direct it out of a room in which the heat exchanger is arranged.
  • a plurality of first heat exchange elements can be provided in the housing, through which water can flow parallel to one another in the second flow direction.
  • a plurality of first heat exchange elements each of which is provided with pressure relief valves such that each pipe section or a combination of several pipes has a maximum of two liters, can be provided and run parallel to one another through the housing for heating water, in particular for generating steam.
  • the arrangement of several first heat exchange elements is provided with a distributor provided upstream of the first heat exchange elements.
  • This distributor is designed to distribute the water to the pipes of the respective first heat exchange elements through which water can flow parallel to one another.
  • a collector can be provided downstream of the first heat exchange elements, which is designed to combine the water from the pipes of the respective first heat exchange elements through which water can flow parallel to one another into one stream.
  • the distributor and/or the collector are arranged outside the housing.
  • the water which is to be heated or converted into a vaporous state can thus be led to or away from the heat exchanger by means of a central supply line and/or central discharge line.
  • the individually protected pipes of the respective first heat exchange elements can enter the housing individually, experience heat transfer to the water therein so that the water flowing therein is heated, and exit the housing again individually before being bundled again in the collector for central discharge.
  • a plurality of flow channels can be provided in the housing as a second heat exchange element.
  • the flow channels can extend from the inlet of the housing to the outlet of the housing along the first flow direction and can be flowed through by the flow of the heat exchange fluid.
  • a heat transfer medium can be provided in the housing in order to transfer heat from the heat exchange fluid flowing through the second heat exchange element to the water flowing through the first heat exchange element in order to heat water in the pipes.
  • good heat extraction can be achieved despite a small pipe surface.
  • the heat transfer medium that surrounds the flow channels and the pipes allows the pressure vessel to be separated from the thermal stress, as the heat transfer medium creates a homogeneous temperature field for heat coupling to the pipes. This is also independent of the calorific value of the material used to create the heat exchange fluid and its fluctuations.
  • a compact and reliable heat exchanger can be produced that can be used permanently and safely for the homogeneous heating of water and does not have to meet any regulatory requirements or approval criteria.
  • the pipes of the first heat exchange element extend through the housing with U-shaped pipe windings such that the second flow direction and the first flow direction run substantially perpendicular or substantially parallel to one another.
  • the water can be passed accordingly through the heat exchanger within the first heat exchange element or elements.
  • the heat transfer medium is a salt bath, preferably a nitrate salt, particularly preferably a potassium-sodium nitrate or a potassium-sodium-calcium nitrate.
  • the salt bath is accordingly arranged in the housing in order to transfer heat from the water flowing through the first heat exchange element to the heat exchange fluid flowing through the flow channels of the second heat exchange element in order to heat water.
  • the salt bath is therefore intended to absorb the heat from the flow channels of the second heat exchange element and to release it to the pipes of the first heat exchange element.
  • the salt bath serves in particular as a "buffer" in order to compensate for the fluctuating heat input from the second heat exchange element to the salt bath due to the fluctuating energy content of the fuel mass.
  • Such a heat exchanger therefore offers a high degree of "forgiveness” with regard to temperature fluctuations and fluctuating energy contents. This means that even with strongly fluctuating temperature peaks of the heat exchange fluid, a homogeneous heat input to the water can be achieved in order to heat it or to generate steam.
  • a heat exchanger can have pipes which are arranged in the housing in a spiral shape in planes spaced apart from one another along the first flow direction and through which water can flow one after the other along the first flow direction.
  • the pipes of the at least one first heat exchange element are arranged in the housing in a spiral shape in planes spaced apart from one another along the first flow direction.
  • a system which has a first heat exchanger according to one of the eighth to tenth aspects and a second heat exchanger according to the eleventh aspect.
  • the second heat exchanger is downstream of the first heat exchanger in fluid communication such that the heat exchange fluid can flow through first the flow channels of the first heat exchanger and then the housing of the second heat exchanger.
  • the second heat exchanger is downstream of the first heat exchanger such that the first heat exchange elements of the first heat exchanger and the second heat exchanger are in fluid communication with one another.
  • both the first heat exchange element and the second heat exchange element of the first or second heat exchanger are connected to one another, such that the heat exchange fluid flows first through the first heat exchanger and then through the second heat exchanger.
  • the second heat exchanger with pipes wound in a spiral shape and arranged at a distance in planes along the first flow direction with respect to the connection of the first heat exchange elements can be connected upstream of the first heat exchanger provided with the heat transfer medium, preferably the salt bath.
  • the water can first be preheated in the second heat exchanger and then converted into the vaporous state in the first heat exchanger due to the highest temperature of the heat exchange fluid, preferably flue gas, within the flow channels.
  • water or heat exchange fluid can flow through both the first and the second heat exchange element of the first heat exchanger before water or heat exchange fluid flows through the first and second heat exchange element of the second heat exchanger.
  • Such a system is advantageous because it provides a compact, extremely efficient and safe system of heat exchangers can be generated, it does not require any (security) official
  • a system which has a first heat exchanger and a second heat exchanger, each of which is configured as described in aspects 8, 9 and 10.
  • the second heat exchanger is connected downstream of the first heat exchanger in fluid communication such that the heat exchange fluid can flow through first the flow channels of the first heat exchanger and then the flow channels of the second heat exchanger. Accordingly, the heat exchange fluid that can flow through the flow channels can first heat the salt bath in the first heat exchanger and then the salt bath in the second heat exchanger.
  • the first heat exchange elements of the first heat exchanger and the second heat exchanger are also in fluid communication with one another. It is preferred that the water can flow through the pipes of the second heat exchanger first and then through the pipes of the first heat exchanger. Thus, as described in connection with the twelfth aspect above, the water can first be preheated by the slightly cooled heat exchange fluid in the second heat exchanger before it is then fed to the first heat exchanger to generate steam, where the heat exchange fluid temperature is at its highest.
  • such a system according to the thirteenth aspect is designed such that the first flow direction and the second flow direction in the first heat exchanger run perpendicular to each other and the first flow direction and the second flow direction in the second heat exchanger run parallel to each other.
  • Such a design allows the heat transfer to be maximized for steam generation in the first heat exchanger in order to heat water or generate steam as efficiently as possible, whereas in the second heat exchanger the water and/or heat exchange fluid temperature can be adjusted based on a potentially producible stratification in the heat transfer medium.
  • first heat exchanger and/or the second heat exchanger further comprises a stirring device, each with a plurality of agitators.
  • a stirring device each with a plurality of agitators.
  • Each of these agitators extends into the heat transfer medium, the agitators being arranged distributed along the first flow direction, preferably evenly.
  • the circulation of the heat transfer medium in the respective housing creates a homogeneous temperature field with a very high heat transfer coefficient. This means that the temperature difference between the heat transfer medium, preferably the salt bath, and water or steam in the first heat exchange element can be 1 °C or less.
  • a "stratification" with different temperatures of the heat transfer medium, preferably the salt bath, can be achieved in the heat exchanger.
  • a third heat exchanger according to the eighth or ninth aspect can also be provided in the system according to a fifteenth aspect.
  • a thermal oil is provided as the heat transfer medium.
  • the design is not limited to thermal oil. It would also be possible to provide alternative fluids in the third heat exchanger as the heat transfer medium, which do not have any significant vapor pressure even at 200 ° C and are therefore to be regarded as "pressureless".
  • the third heat exchanger is connected downstream of the second heat exchanger in fluid communication such that the heat exchange fluid can flow through first the flow channels of the second heat exchanger and then the flow channels of the third heat exchanger.
  • the (at least one) first heat exchange element of the third heat exchanger can be in fluid communication with the (at least one) first heat exchange element of the first heat exchanger or the second heat exchanger.
  • this design it is possible for further heat to be transferred from the heat exchange fluid, which has already been cooled by the heat transfer in the first and second heat exchangers, to the thermal oil provided in the third heat exchanger for efficient energy generation.
  • this design can also be used to heat water with a temperature of 85 °C from a condenser to 95 °C, for example, and thus further increase the overall efficiency of the system.
  • the first heat exchange element of the third heat exchanger can serve as an upstream first preheating stage for the first and/or second heat exchanger.
  • the third heat exchanger also has an external heat exchanger.
  • This external The thermal oil can flow through the heat exchanger in order to be able to transfer heat to a heat sink.
  • the external heat exchanger can be a plate heat exchanger.
  • the heat sink can be understood as a buffer storage, for example.
  • a connection to a district heating network can be provided as a heat sink, so that the residual energy of the heat exchange fluid flowing through the third heat exchanger can also be used to generate energy.
  • the outlet temperature of the heat exchange fluid can be specifically adjusted through the heat transfer with thermal oil in the third heat exchanger and the heat exchange with the external heat exchanger arranged there.
  • a heat exchanger according to an exemplary embodiment is shown below using a schematic drawing.
  • Such heat exchangers are used, for example, to heat water, in particular to generate steam for energy generation, for example in a steam engine or in a steam motor. It shows:
  • Figure 1 shows a heat exchanger according to the invention, which is shown in a cross-sectional view in a system comprising a first heat exchanger, a second heat exchanger and a third heat exchanger.
  • Figure 1 illustrates exemplary embodiments of a steam generator 1.1, 1.2, 1.3 according to the present invention.
  • the heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 are shown in particular in a system 1 comprising several heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 according to the invention, wherein the heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 have a similar configuration, so that a first heat exchanger 1.1 will be discussed first.
  • Figure 1 shows a system comprising a first heat exchanger 1.1, a second heat exchanger 1.2 and a third heat exchanger 1.3. All heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 of system 1 are shown in a cross-sectional view, with the cutting axis running along the longitudinal extension of the heat exchangers (i.e.
  • Figure 1 can therefore also be understood as a side view of the heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3, in which a side wall has been removed along the longitudinal extension in order to make the inner workings of the heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 visible.
  • Each of the steam generators 1.1, 1.2, 1.3 has a housing 2 with a base wall, a ceiling wall, a rear wall and two side walls.
  • this design is not to be understood as limiting.
  • the design of the shape of the respective steam generators 1.1, 1.2, 1.3 can be adapted depending on the situation and structural conditions.
  • the front wall of the housing 2 is not visible in order to illustrate the inner workings of the steam generator 1.
  • the housing 2 is designed in a "box-like" manner. This means that it extends essentially along a longitudinal direction of the housing 2 and has a rectangular cross-section.
  • the width and/or height as well as the length of the housing 2 are not limiting for steam generation and can be configured according to space requirements and/or desired design.
  • the housing 2 has an inlet 3 on the side wall of the housing 2 shown on the left in Figure 1 and on the opposite side wall of the housing shown on the right in Figure 1.
  • Housing 2 has an outlet 4.
  • flue gas can flow through the housing 2 from the inlet 3 to the outlet 4, as the preferred heat exchange fluid.
  • the flue gas flow from the inlet 3 to the outlet is understood to be the first flow direction A.
  • the flow along the long side of the housing of the steam generator is to be understood to be the first flow direction A.
  • a first heat exchange element 5 is arranged in the housing. In the embodiment shown in Figure 1, such a heat exchange element is provided in the form of several pipes 6 in fluid communication.
  • These pipes 6 can be flowed through in a second flow direction to heat water.
  • several pipes 6 of the respective first heat exchange element are connected to one another in series for this purpose. Accordingly, the first heat exchange element 5 "winds" through the housing 2.
  • the pipes 6 are provided with U-shaped pipe windings 10 so that the extension through the housing 2 of the heat exchanger 1. 1, 1. 2, 1. 3 can be maximized.
  • first heat exchange elements 5.2, 5.3 are provided in the housing 2 of the first heat exchanger 1.1, through which water can flow parallel to one another in the second flow direction.
  • a distributor (not shown) can be provided upstream of the first heat exchange elements, which is designed to distribute the water to the pipes of the respective first heat exchange elements through which water can flow parallel to one another. Water is therefore fed centrally to the heat exchanger and then distributed by the distributor to the respective first heat exchange elements or their pipes.
  • a collector (not shown) can be provided downstream of the first heat exchange elements 5.1, 5.2 of the first heat exchanger 1.1.
  • first heat exchanger 1.1, second heat exchanger 1.2 and third heat exchanger 1.3 which are in fluid communication with one another as described below, and to transfer the water through a single connecting line between the respective heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3.
  • the pipes 6 of the first heat exchange element also extend with U-shaped pipe windings through the interior of the housing 2.
  • Each of these heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 according to the invention is provided with pressure relief valves 7.
  • These pressure relief valves 7 are arranged on the pipes 6 of the respective first heat exchange elements 5 such that the volume within the pipes between two pressure relief valves 7 is a maximum of 2 liters.
  • the pressure relief valves 7 of each first heat exchange element 5 are arranged on the top of the housing outside the housing so that in the event of an overpressure situation and a corresponding opening of the valve, the water or steam from the respective first heat exchange element 5 can flow away from the heat exchanger 1.1, 1.2, 1.3.
  • the pressure relief valves 7 are designed as mechanical pressure relief valves, so that no electronic monitoring or control is required. Rather, the mechanical pressure relief valves are designed to release, for example due to a spring counteracting the fluid pressure within the pipes, when a certain pressure value on the spring is reached and/or exceeded. This makes it possible to create a safe steam generator that does not have to comply with any approvals, permits or pressure equipment directives.
  • shut-off valve 8 is provided on the pipes 6, viewed in the second flow direction, both upstream and downstream of each pressure relief valve 7.
  • This can be a shut-off valve in the form of a ball valve, as shown only for the first heat exchanger 1.1.
  • a design in the form of a needle valve would also be conceivable.
  • shut-off valves 8 are only attached to the first two heat exchange elements 5.1 and 5.2 of the first heat exchanger 1.1. It is understood, however, that shut-off valves 8 can also be provided on the first heat exchange elements 5 of the second heat exchanger 1.2 and third heat exchanger 1.3.
  • both the shut-off valves 8 and the pressure relief valves 7 of the first heat exchange elements 5 are each provided on the top wall of the housing.
  • the pipes 6 of the heat exchangers shown in Figure 1 are provided with a cylindrical cross-section, wherein a The inner diameter of the pipes is 8 mm and the outer diameter is 12 mm.
  • a maximum pipe extension of 36 meters of the pipes in fluid communication with each other can run through the housing of the heat exchanger until a further pressure relief valve is required on the respective pipe of the first heat exchange element, since this ensures an inner volume of a first heat exchange element of approx. 1.8 liters, which is within the maximum permissible volume between two pressure relief valves of 2 liters.
  • the second flow direction is consequently oriented essentially vertically in the steam generator.
  • the flue gas in Figure 1 flows from left to right and/or from right to left
  • the water within the heat exchange elements 5.1, 5.2 shown twice in the heat exchanger 1.1 flows essentially from top to bottom or from bottom to top.
  • the first flow direction and the second flow direction can therefore run essentially perpendicular to one another.
  • the second flow direction in the heat exchanger 1.1 or in one of the second heat exchanger 1.2 or third heat exchanger 1.3 to run essentially parallel to the first flow direction A.
  • a plurality of flow channels 9 are provided in the housing 2, which extend along the first flow direction A and can thus be flowed through from the inlet 3 of the housing 2 to the outlet 4 of the housing 2.
  • U-shaped flow channel sections may be provided on the respective sides of the inlet 3 of the housing 2 or the outlet 4 of the housing 2 of the heat exchanger 1.1, 1.2, 1.3, so that the flow length of the flue gas through the flow channels 9 can be maximized.
  • the inlet 3 is arranged at a lower section of the housing 2, so that the flue gas with the highest temperature enters the flow channels 9 in the lower region of the side wall of the housing 2, after completely flowing through the heat exchanger 1.1 in the direction of the outlet 4 of the housing 2, is deflected there by the U-shaped flow channel sections in its flow direction against the first flow direction A, then flows back in the direction of the inlet 3 and there is flowed again through U-shaped flow channel sections (not shown) back along the first flow direction A to the outlet 4 of the housing.
  • each heat exchanger is filled with a heat transfer medium in order to transfer heat from the flue gas flowing through the flow channels 9 of the second heat exchange element to the water flowing through the first heat exchange element 5 or the first heat exchange elements 5.1, 5.2 in order to heat water or, in the preferred embodiment shown in Figure 1, to generate steam.
  • this heat transfer medium is a salt bath in the first heat exchanger 1.1 and the second heat exchanger 1.2.
  • a different salt bath can be provided depending on the temperature in the respective heat exchangers 1.1, 1.2.
  • a potassium-sodium-calcium nitrate can be provided in the housing 2 in the first heat exchanger 1.1, which experiences the highest thermal load from the incoming flue gas, while in the second heat exchanger 1.2, which is in the A potassium sodium nitrate can be provided downstream of the first heat exchanger 1.1 through which the already slightly cooled flue gas flows.
  • a plurality of agitators 13, here two, are provided on the heat exchangers, which extend into the salt bath or thermal oil.
  • These agitators 13 each have agitator blades 15 provided on a rotating rod 14, which are able to set the heat transfer medium in motion due to a rotating movement by the agitators 13, so that a flow can be generated within the heat exchanger.
  • the heat exchanger 1.1 In order to fill the heat exchangers 1.1, 1.2, 1.3 with heat transfer medium, the heat exchanger 1.1 has two inlet nozzles 16. In the second and third heat exchangers 1.2, 1.3, these inlet nozzles are not shown again for the sake of clarity. This applies analogously to the rotating rods 14 and the stirring blades 15 of the agitators 13 provided thereon.
  • the flow channels 9 can all have the same flow cross-section within a heat exchanger, or different cross-sections within the heat exchanger. While the second heat exchanger 1.2 and the third heat exchanger 1.3 are shown with flow channels with the same cross-section, it can be seen from heat exchanger 1.1 that the flow channels 9 at the inlet 3 of the housing of the heat exchanger 1.1 (see lower section of the housing 2) have a larger cross-section than the remaining flow channels 9, for example in the area of the outlet 4 of the first heat exchanger 1.1.
  • the flow channels of the first heat exchanger 1.1, the second heat exchanger 1.2 and the third heat exchanger 1.3 are each connected to one another by a connecting channel 17 between the heat exchangers, so that the flue gas can flow through them successively.
  • the flue gas flows into the flow channels 9 with the largest cross-section in the first heat exchanger 1.1 at an inlet 3 of the housing provided closer to the bottom side of the first heat exchanger, is guided through the U-shaped flow channel sections (not shown) twice in the first flow direction and once against the first flow direction through the housing of the first heat exchanger, before it enters the connecting channel 17 at the top of the side wall of the housing 2 of the first heat exchanger via its outlet 4.
  • the flue gas is fed to the inlet the housing of the second heat exchanger 1.2, where it is introduced into the flow channels 9 of the second heat exchanger. After flowing through the second heat exchanger 1.1 and the third heat exchanger 1.3, the flue gas exits the system 1 via the outlet 4 on the third heat exchanger 1.3.
  • the first heat exchange elements 5.1, 5.2 of the first heat exchanger 1.1 as well as the heat exchange elements 5 of the second heat exchanger 1.2 and third heat exchanger 1.3 are also in fluid communication with each other.
  • the first heat exchanger 1.1 can be used as a steam generator, i.e. the water in the heat exchange elements 5.1, 5.2 of the first heat exchanger 1.1 can be heated to such an extent that the pressurized water changes into the vaporous state.
  • the second heat exchanger 1.2 through which flue gas flows at a lower temperature, can serve as a preheater due to the connection of the first heat exchange elements of the first heat exchanger 1.1 and the second heat exchanger 1.2 in the preferred embodiment according to Figure 1, in order to make the actual steam generation in the first heat exchanger 1.1 as efficient as possible.
  • the water can first flow through the first heat exchange element 5 of the second heat exchange element 1.2 before it is led into the first heat exchanger 1.1 via a connecting pipe (not shown).
  • a connecting pipe (not shown).
  • the connecting pipes between the first heat exchange elements are also protected with pressure relief valves so that there is no extension section whose internal pipe volume exceeds two liters.
  • the first heat exchange elements of the first, second and third Connecting pipes connecting heat exchange elements are not in
  • the preferred embodiment shown in Figure 1 also comprises, as described at the beginning, a third heat exchanger 1.3. As shown, this is designed to resemble the first and second heat exchangers along the first flow direction, so that the flow channels 9 of the second heat exchanger 1.2 (and before that the flow channels 9 of the first heat exchanger 1.1) are first flowed through before the flow channels 9 of the third heat exchanger 1.3 can be flowed through by the heat exchange fluid.
  • the flue gas further cooled in the second heat exchanger 1.2 flows into the third heat exchanger 1.3 and transfers thermal energy to the thermal oil provided as the heat transfer medium.
  • the water-carrying pipes 6 of the first heat exchange element 5 of the third heat exchanger 1.3 can, depending on the application, be in fluid communication with the heat exchange element(s) of the first heat exchanger 1.1 or the second heat exchanger 1.2, for example as an additional preheater.
  • a further, external heat exchanger 11 is also provided on the third heat exchanger 1.3.
  • this is a plate heat exchanger.
  • the thermal oil which has been heated by the flue gas flowing in the flow channels 9 of the third heat exchanger 1.3, can flow through this.
  • This heated thermal oil can therefore be used in the plate heat exchanger to give off heat to a heat sink 12.
  • This can be, for example, a connection to a district heating network or a buffer storage tank.
  • the third heat exchanger 1.3 which is filled with thermal oil as a heat transfer medium in the exemplary embodiment, regulates the exhaust gas temperature.
  • the excess heat can be released into the buffer tank, for example, by operating the third heat exchanger 1.3 via the external heat exchanger 11, and the exhaust gas temperature can thus be regulated permanently and reliably.
  • first flow direction and a second flow direction in the first heat exchanger run perpendicular to each other and the first flow direction and the second flow direction in the second heat exchanger run parallel to each other.
  • this parallel arrangement of the first and second flow directions in the second heat exchanger 1. 2 and thus the extension of the flow channels or the pipes 6 can create a temperature "stratification" in the salt bath of the second heat exchanger and thus specifically define an outlet temperature.
  • the pipes of at least one heat exchanger are arranged in a spiral shape in planes along the first flow direction, spaced from one another, and thus water can flow through them one after the other.
  • the housing of the at least one heat exchanger is designed without flow channels and additional heat transfer medium. Rather, the flue gas can flow through the housing of the steam generator itself from the inlet of the housing to the outlet, and it transfers heat energy directly to the spiral-shaped pipe windings.
  • Such a heat exchanger can be connected downstream of a salt bath heat exchanger, as described above with reference to the first heat exchanger 1.1, with regard to the flue gas flow and serve as a preheater for the actual steam generation in the salt bath heat exchanger 1.1. While the flue gas in such an embodiment first flows through the first heat exchanger 1.1 and then through the heat exchanger with spiral tube windings, the water flows in exactly the opposite order: only at the end does it flow through the salt bath heat exchanger 1.1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher weist ein Gehäuse und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wärmetauschelement auf. Das Gehäuse ist von einem Einlass des Gehäuses zu einem Auslass des Gehäuses von einem Wärmetauschfluid, bevorzugt Rauchgas, in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar. Das erste Wärmetauschelement ist in Form mehrerer, in Fluidkommunikation stehender Rohrleitungen ausgebildet, die zur Wassererhitzung, insbesondere zur Dampferzeugung, von Wasser, in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind. An den Rohrleitungen sind Überdruckventile so angeordnet, dass das Volumen innerhalb der Rohrleitungen zwischen zwei Überdruckventilen jeweils maximal zwei Liter beträgt.

Description

WÄRMETAUSCHER
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur Erhitzung von Wasser zur Vorwärmung von Speisewasser für einen nachgeschalteten Dampferzeuger und/oder zur Erzeugung von Dampf zur Energiegewinnung beispielsweise mittels eines Dampfmotors . Dafür ist der Wärmetauscher zum Beispiel an eine Biomassefeuerung, Biogasanlage oder einen Pellethei zer koppelbar . Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System aus mehreren Wärmetauschern .
HINTERGUND
Zum Erhitzen von Wasser bzw . zum Erzeugen von Wasserdampf werden allgemein Wärmetauscher verwendet , welche , im Falle der Verwendung zur Dampf erzeugung, auch als Dampferzeuger bezeichnet werden können . Diese Systeme weisen meist eine Brennkammer ( die Feuerung) , in der Brennmaterial erhitzt bzw . verbrannt wird, um Wärme zu erzeugen, auf . Alternativ kann auch das noch heiße Abgas einer Biogasanlage genutzt werden, um die erforderliche Wärme bereitzustellen . Diese Wärme in Form eines Hei z fluids wird zum Beispiel an einem Wärmetauscher vorbeigeführt , um so in dem Wärmetauscher strömendes Wasser zu erhitzen sowie bei ausreichender Erhitzung zu verdampfen . Der dadurch erzeugte Wasserdampf kann dann zur Energiegewinnung genutzt werden, zum Beispiel in einem Dampfmotor .
Zur ef fi zienten Dampf- und Energieerzeugung sind hohe Drücke und damit verbunden auch hohe Temperaturen erforderlich . Dies führt zur thermischen Ausdehnung des Wärmetauschers und zu Spannungen im Material des Wärmetauschers . Im Stand der Technik geht beispielsweise aus der DE 10 2010 046 804 Al ein Rohrbündel-Wärmetauscher mit einer Viel zahl von Rohrwicklungen, die von einem gemeinsamen Auslassraum für ein Wärmetauschfluid ausgehen und in einen gemeinsamen Auslassraum münden, wobei j ede Rohrwicklung eine alternierende Abfolge von Rohrstücken und Rohrbögen umfasst und wobei die Rohrbögen als Umlenkung um 180 ° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse ausgebildet sind und gleiche Biegeradien aufweisen, hervor . Dieser Rohrbündel- Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet , dass entlang j eder Rohrwicklung die Bogenachsen von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück angeschlossen sind, in Winkelstellung zueinanderstehen und die Bogenachsen von Rohrbögen zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück, ein Rohrbogen und ein weiteres Rohrstück angeordnet sind, parallel verlaufen .
Jedoch hängt hierbei die Ef fi zienz stark vom Abstand des Rohrbündel-Wärmetauschers zum Gehäuse und stark von der Strömungsart des Wärmetauschfluids in den Rohrbündeln zu der durch Brennmaterial erzeugten Wärmenergie ab . Das heißt , dass Wandverluste , die durch ein Vorbeiströmen zwischen dem Rohrbündel-Wärmetauscher und einem umgebenden Gehäuse erzeugt werden, ohne dass der Wärmetauscher durchströmt wird, in einer solchen Ausgestaltung nicht verhindert werden können . Somit ist die Wärmetauschef fi zienz nicht optimal .
Des Weiteren ist es gemäß einer solchen Ausgestaltung nicht möglich, Spannungen in den Rohrbündeln durch eine thermische Ausdehnung, die durch die hohen Temperaturen des Wärmetauschfluids erzeugt wird, aus zugleichen .
Auch die DE 20 2007 017 403 Ul of fenbart einen Rohrbündel- Wärmetauscher, insbesondere für den Wärmeaustauch von Hei zgas auf Hei zungswasser oder Trinkwasser, wobei der Rohrbündel- Wärmetauscher einen von einem Hei zungswasserstrom oder Trinkwasserstrom durchströmbaren Wasserraum und einen von einem Hei zgasstrom durchströmbaren Hei zgasraum aufweist . Hierbei sind die das Hei zgas bildenden Hei zgasrohre parallel oder seriell durchströmbar .
Hierbei treten die oben beschriebenen Probleme ebenfalls auf und außerdem ist die Ef fi zienz des Wärmeaustauschs niedrig, da dieser im Gleichstrom betrieben wird .
Darüber hinaus ist es bei der Dampf erzeugung mit Biomasse in bisher bekannten Dampferzeugern besonders kritisch, einen Undefinierten und gegebenenfalls schwankenden Energiegehalt der Brennmasse ( im Gegensatz zu, beispielsweise , Kohle ) und damit die schwankenden Dampfparameter bei der Dampf erzeugung aus zugleichen . Kann der schwankende Energiegehalt nicht ausreichend ausgeglichen werden, kommt es zu einer Schwankung der Dampf temperatur, was - beispielsweise bei der Verwendung von Dampfturbinen - zur Beeinträchtigung oder gar Beschädigung dieser Dampfturbinen führen kann .
Bisher bekannte Ausgestaltungen verwenden aufgrund dessen einen zusätzlichen Dampfspeicherkessel , um so geringe Druckverluste zu realisieren und der Schwankung entgegenzuwirken .
Eine solche Ausgestaltung ist j edoch bei Hochdrücken zum Beispiel über 250 bar, nicht mehr anwendbar, da ein hohes Risiko der Zerstörung, zum Beispiel in Form einer Explosion, gegeben ist . Außerdem unterliegt die Verwendung von Dampfspeicherkesseln ( sicherheits- ) behördlicher Auflagen . Solche Auflagen erfordern unter anderem regelmäßige Wartungsintervalle , zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen und/oder ef fi zienzbeschränkende Limitierungen der Dampf temperaturen bzw . der anliegenden Drücke im Dampferzeuger .
Somit besteht Bedarf an einer Lösung für einen Dampferzeuger beim Einsatz mit Biomasse und Hochdrücken, welcher nicht nur Hochdruck-resistent und sicher, sondern auch einfach und kostengünstig realisierbar ist .
Hierzu of fenbart bisher lediglich EP 4 134 609 Al eine erste Lösung im Bereich der Dampferzeuger, welche die oben beschriebenen Probleme des schwankenden Energiegehalts der Brennmasse bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit versucht zu lösen . Dies wird erzielt in dem ein Sal zbad als Wärmetrans fermedium zwischen einem das Wärmetauschfluid führendenden zweiten Wärmetauschelements und einem das Wasser zur Dampf erzeugung führenden ersten Wärmetauschelements in einem (Hochdruck- ) Dampferzeuger zwischengeschaltet ist .
Jedoch kann es auch in dieser Ausgestaltung zu Stabilitätsproblemen in der Wärmeübertragung kommen .
Diese sind vor allem auf lokale Hotspots im Sal zbad, zum Beispiel an Ecken eines Dampferzeugergehäuses , oder bei Strömungsabrissen, zurück zu führ en .
Dies ist nachteilig, da dadurch ein dauerhaftes Glühen von Metallkomponenten eines solchen Dampferzeugers aufgrund einer Überhitzung sowie eine Zersetzung des Sal zes hervorgerufen werden kann .
Ein solches zersetztes Sal z kann das Metall des Dampferzeugers angrei fen und zu Leckagen führen .
Um dem entgegenzuwirken, of fenbart EP 4 134 609 Al eine Pumpe , welche ausgestaltet ist , das Sal zbad während des Betriebs des Dampferzeugers in Bewegung zu setzen .
Jedoch kann auch eine solche Pumpe die obigen Probleme nur bedingt ausräumen, da aufgrund einer Pumpenanordnung weiterhin ein inhomogenes Temperaturf eld innerhalb des Sal zbads vorliegt . Des Weiteren führt eine solche Pumpenanordnung lediglich zu einer rein punktuellen Zirkulation des Sal zbades während des Betriebes des Dampferzeugers , sodass es auch in der Anordnung der EP 4 134 609 Al weiterhin zu lokalen Hotspots im Sal zbad kommen kann .
Außerdem unterliegt auch ein solcher „Sal zbad-Dampferzeuger" weiterhin den eingangs geschilderten, strengen ( sicherheits- ) behördlicher Auflagen .
Ein Beispiel hierfür ist die Richtlinie 2014 / 68 /EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15 . Mai 2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschri ften der Mitgliedstaaten über die Bereitstellung von Druckgeräten auf dem Markt ( im Deutschen als Druckgeräterichtlinie ( DGRL ) , im Englischen als Pressure Equipment Directive ( PED) bezeichnet ) . Die Richtlinie 2014 / 68 /EU über Druckgeräte legt die Anforderungen an die Druckgeräte für das Inverkehrbringen innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes (EWR) fest . Sie wurde im Amtsblatt der Europäischen Union L 189 vom 27 . Juni 2014 , S . 164 , veröf fentlicht .
Die Druckgeräterichtlinie ist , wie alle europäischen Richtlinien, an die Mitgliedsstaaten gerichtet und sie muss daher von den einzelnen Mitgliedstaaten in nationales Recht umgesetzt werden . In Deutschland erfolgte dies durch das Produktsicherheitsgeset z ( ProdSG) - welches das bis Ende 2011 geltende Geräte- und Produktsicherheitsgeset z ablöste - und die darauf basierende Druckgeräteverordnung ( 14 . ProdSV) .
Als Druckgeräte im Sinne dieser Richtlinie gelten Behälter (unbefeuerte Druckbehälter ) , Dampfkessel , Rohrleitungen, druckhaltende Ausrüstungsteile und Ausrüstungsteile mit Sicherheits funktion mit einem inneren Überdruck von mehr al s 0 , 5 bar . Die Eingruppierung der orts festen Druckgeräte nach der Richtlinie erfolgt anhand von Druck und Volumen (bei Rohrleitungen anhand des Nenndurchmessers DN) sowie aufgrund der Fluidgruppe und des Aggregat zustandes .
Die Druckgeräterichtlinie legt nur die Anforderungen für das Inverkehrbringen (Beschaf fenheitsvorschri ften) von Druckgeräten fest . Die Betriebsvorschri ften für den Betreiber von druckführenden Anlagen (überwachungsbedürf tige Anlagen) sind in der Betriebssicherheitsverordnung und den hierzu veröf fentlichten Technischen Regeln Betriebssicherheit ( TRBS ) geregelt .
Somit sind zur Zulassung und zum Betrieb von Dampferzeugern, entsprechende Sicherheitsvorkehrungen und Wartungsintervalle vorgeschrieben, damit solche Wärmetauscher dauerhaft sicher und zuverlässig betrieben werden können . Dadurch soll sichergestellt werden, dass die Sicherheit zu j edem Zeitpunkt gegeben ist und selbst bei Dampf leckagen eine negative Beeinflussung der Umwelt zuverlässig verhindert werden kann .
In der Druckgeräterichtlinie 2014 / 68 /EU werden beispielsweise Wärmetauscher, welcher in der Druckgeräterichtlinie als „Dampf geräte" bezeichnet werden, üblicherweise in vier verschiedene Kategorien unterteilt . Die hinsichtlich vorherrschender Temperatur und anliegenden Drücken am wenigsten belasteten Wärmetauscher sind in Kategorie 1 und die Wärmetauscher mit der höchsten Druck- und Temperaturbelastung sind entsprechend in Kategorie 4 eingeordnet . Je höher die Dampf geräte-Kategorie , desto höher die notwendigen zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen und desto engmaschiger die zusätzlich vorgeschrieben Wartungsintervalle der „Dampfgeräte" .
Hierbei ist bereits j eder Dampferzeuger mit einem wasser- bzw . dampf führenden Rohrinnenvolumen von über zwei Litern und einem inneren Überdruck von mehr als 0 , 5 bar in eine der Kategorien, j e nach anliegenden Temperaturen und Drücken, einzuordnen und hat dementsprechende bestimmte Kriterien zur Genehmigung, Zulassung und/oder zum Betrieb mit einer regelmäßen Wartung zu erfüllen .
Solche Sicherheitsvorkehrungen bzw . vorgeschriebene Wartungsintervalle wirken sich j edoch negativ auf die Gesamtef fi zienz eines solchen Dampferzeugers aus , da hierzu die Energieerzeugung unterbrochen und die Wartung durchgeführt werden muss .
Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine ef fi zientere Vorrichtung zur Erhitzung von Wasser vorzusehen, bei der trotz hoher Temperaturen und Drücken ein zulässiger Betrieb gewährleistet und keine turnusmäßige Wartung sowie Erfüllung ( sicherheits- ) behördlicher Auflagen, insbesondere der „Druckgeräterichtlinie 2014 / 68 /EU" , erforderlich ist , und die obigen Nachteile vermindert , oder sogar verhindert werden können .
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und/oder ein System mit den Merkmalen von Anspruch 12 und/oder ein System mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst . Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den weiteren Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen .
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen . In dem Wärmetauscher können beispielsweise Drücke zwischen 10 und 350 bar, bevorzugt 30 bis 250 bar und besonders bevorzugt Drücke von 200 bar auf treten .
Der Wärmetauscher weist ein Gehäuse auf . Das Gehäuse ist von einem Einlass im Gehäuse zu einem Auslass im Gehäuse in einer ersten Strömungsrichtung von einem Wärmtauschfluid durchströmbar .
Bevorzugt handelt es sich beim Wärmetauschfluid um Rauchgas . Darüber hinaus kann das Wärmetauschfluid aus einer Biomassefeuerung, Biogasanlage oder einer Pellethei zung stammende Abwärme sein, welche entlang der ersten Strömungsrichtung durch das Gehäuse des Wärmetauschers strömen kann . Das Wärmetauschfluid kann ebenso ein Verbrennungsgas aus der Verbrennung eines Brennmaterials , beispielsweise in Form von ungetrockneter, minderwertiger Biomasse , in einer Brennkammer einer bereits bekannten Vorschubrostfeuerung oder das Abgas einer Biogasanlage sein . Dadurch kann Strom aus Reststof fen erzeugt werden . Abhängig vom Wärmetauschfluid können verschiedene Temperaturbereiche im Wärmetauscher auftreten . Ein solches Wärmetauschfluid, welches auch als Hei z fluid oder Hei zgas bzw . allgemeines Verbrennungsgas zu verstehen ist , hat üblicherweise zwischen 600 ° C und 1000 ° C, bevorzugt 900 ° C .
Darüber hinaus ist in dem Gehäuse mindestens ein erstes Wärmetauschelement angeordnet . Das erste Wärmetauschelement ist in Form mehrerer, in Fluidkommunikation stehender Rohrleitungen ausgestaltet . Die Rohrleitungen sind zur Wassererhitzung, insbesondere zur Dampf erzeugung, von Wasser in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmbar . Mit anderen Worten, ein solches erstes Wärmetauschelement besteht aus mehreren in Serie geschalteten und miteinander verbundenen Rohrleitungen, die so in Fluidkommunikation miteinander stehen, dass entlang der zweiten Strömungsrichtung hindurchströmendes Wasser aufgrund dessen ( in- ) direkte Erhitzung durch das vorbeiströmende Wärmetauschfluid in einen dampf förmigen Aggregats zustand übergeht .
Wird beispielsweise Abgas einer Biogasanlage als Wärmetauschfluid verwendet , treten im Wärmetauscher üblicherweise Temperaturen des Wärmetauschfluides , d . h . Gastemperaturen, von 450 ° C bis 500 ° C, bevorzugt 470 ° C, aus . Hierbei kann es sich um vorgewärmtes Wasser oder Sattdampf handeln .
Darüber hinaus sind im erfindungsgemäßen Wärmetauscher an den Rohrleitungen Überdruckventile angeordnet . Die Überdruckventile sind so angeordnet , dass das Volumen innerhalb der Rohrleitungen zwischen zwei Überdruckventilen j eweils maximal 2 Liter beträgt . Bevorzugt sind die Überdruckventile so angeordnet , dass das Volumen innerhalb der Rohrleitungen zwischen zwei Überdruckventilen in einem Bereich zwischen 1 , 8 und 1 , 9 Liter, besonders bevorzugt 1 , 87 Liter, beträgt .
Hierbei bezieht sich das „Volumen innerhalb der Rohrleitungen" auf den Innenströmungsdurchmesser der, in Serie geschalteten und verbundenen Rohrleitungen des mindestens einen ersten Wärmetauschelements sowie dessen
Erstreckungslänge .
Der Begri f f „Überdruckventil" ist so zu verstehen, dass es sich hierbei um ein Ventil handelt , welches so ausgestaltet ist , dass es eine Strömung in den Rohrleitungen des ersten Wärmetauschelements unterbrechen kann, indem das durch die Rohrleitungen strömende Wasser aus den ersten Wärmetauschelements entweichen kann, wenn ein vorbestimmter Druckgrenzwert innerhalb der Rohrleitung erreicht und/oder überschritten wird . Dies führt dazu, dass Wasser bzw . Dampf j eweils aus dem mit Überdruckventilen individuell abgeriegelten Abschnitten des ersten Wärmetauschelements im Falle eines Überdrucks aus den Rohrleitungen entweichen kann . Entsprechend kann eine maximale Belastung mit potenziell zu hohem Druck im Wasser/Dampf auf ein Rohrvolumen von zwei Liter beschränkt werden . Es kann entsprechend im ersten Wärmtauschelement kein Bereich existieren, in dem ein Rohrinnenvolumen ohne dazwischen vorgesehenes Überdruckventil mehr als zwei Liter beträgt .
Durch die Überdruckventile sind also alle Rohrleitungen des für die Dampf erzeugung mit Druck beaufschlagten Wassers spätestens alle zwei Liter Rohrvolumen separat abgeriegelt und das Volumen ist pro solchem „Zug" < 2 Liter .
Gemäß einer solchen Anordnung kann es bei ( lokalen) Überdrucksituationen, die potentiell gefährdend für den Wärmetauscher sein könnten, zu einer Entlastung kommen, da das Wasser bzw . der Dampf durch die Überdruckventile aus dem ersten Wärmetauschelement entweichen kann .
Darüber hinaus ist der j eweils relevante Belastungsbereich auf ein Maximal-Rohr-Volumen unter oder gleich zwei Liter beschränkt , so dass ein solcher Wärmetauscher nicht länger der „Druckgeräterichtlinie 2014 / 68 /EU" und dessen Kategorisierung in den Kategorien 1 bis 4 unterliegt .
Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein solcher Wärmetauscher auf Grund des beschränkten Volumenbereichs j edes Wasser- bzw . dampf führenden Elements (hier des ersten Wärmetauschelements ) außerhalb der Anforderungen für die Kategorisierung der Druckgeräterichtlinie liegt .
Nachdem j eglicher Rohrabschnitt eines oder mehrerer in Fluidkommunikation stehender Rohrleitungen ein Maximalvolumen von 2 Litern zwischen zwei der Überdruckventile aufweist , ist entsprechend so keine Genehmigung von Nöten und turnusmäßige- Pf lichtwartungen müssen nicht länger durchgeführt werden .
Bevorzugt ist gemäß einem zweiten Aspekt j edes der Überdruckventile ein mechanisches Überdruckventil . Dies ist vorteilhaft , da bei solchen mechanischen Überdruckventilen keinerlei elektronische Komponenten, Steuerungen, Sensoren oder dergleichen von Nöten sind und dennoch ein sicherer Betrieb des Wärmetauschers und/oder eine selbstständige Öf fnung des Ventils , wenn ein Druck in den wasser- bzw . dampf führenden Rohrleitungen einen bestimmten Druckwert erreicht und/oder überschreitet , sichergestellt werden kann . Beispielhaft kann ein solches mechanisches Überdruckventil mit einer Feder vorgespannt werden, sodass , wenn der vorherrschende Druck innerhalb der Rohrleitungen die auf die Feder wirkende Kraft übersteigt , das Überdruckventil selbstständig entgegen der Federkraft öf fnet und somit das Wasser aus den Rohrleitungen des mindestens einen ersten Wärmetauschelements entweichen kann .
Gemäß einem dritten Aspekt kann in der zweiten Strömungsrichtung betrachtet , stromaufwärts und stromabwärts j edes Überdruckventils j eweils ein Absperrventil an den Rohrleitungen vorgesehen sein .
Solche Absperrventile können gemäß einem vierten Aspekt beispielsweise ein Kugelhahn oder ein Nadelventil sein .
Solche Absperrventile , die ein j edes der Überdruckventile umgeben, ermöglichen, dass der Wasser-/Dampf f luss in den Rohrleitungen des mindestens einen ersten Wärmetauschelements händisch abgeriegelt werden kann . Somit kann die Sicherheit des Wärmetauschers weiter gesteigert werden . Dadurch sind weder bestimmte turnusmäßige Wartungen noch besondere Sicherheitsvorkehrungen vorschreibbar und die Gesamtef fi zienz des Wärmetauschers kann gesteigert werden .
Gemäß einem fünften Aspekt weisen die Rohrleitungen j eweils einen zylindrischen Querschnitt auf . Hierbei kann ein Innendurchmesser der Rohrleitungen 8mm und ein Außendurchmesser der Rohrleitungen 12mm betragen . Beispielhaft können sich dadurch die Rohrleitungen des mindestens einen ersten Wärmetauschelements mit einer Gesamtlänge von circa 36 Meter durch das Gehäuse des Wärmetauschers erstrecken . Mit anderen Worten, j eweils 36 Meter an Rohrleitung ( -en) sind j eweils an dessen Anfang und Ende mit einem Überdruckventil versehen . Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich aus dem Innendurchmesser von 8 mm und einer Länge von 36 Metern ein Gesamtvolumen von 1809557 , 37 Kubikmillimetern (mm3 ) ergibt , was 1 , 809 Litern an Volumen innerhalb des einzeln absperrbaren Teils des mindestens einen ersten Wärmetauschelements entspricht .
Je nach Ausgestaltung können mehrerer dieser j eweils 36 Meter langen, einzeln abgeriegelten „Züge" des ersten Wärmetauschelements in Serie geschaltet und in Fluidkommunikation miteinander stehend durch das Gehäuse verlaufen . Innerhalb eines solchen, beispielhaft hier 36 Meter langen, „Zugs" kann eine einzelne Rohrleitung vorgesehen oder mehrere Rohrleitungen miteinander verschweißt sein, um so die Gesamterstreckung des separat absperrbaren „Zugs" mit einer Länge von 36 Meter zu bilden .
Entsprechend unterliegt ein solcher Wärmetauscher keiner regulatorischen Anforderung und muss somit weder in regelmäßigen Abständen verpflichtend gewartet noch muss dieser speziell zugelassen werden .
Hierbei ist bevorzugt , dass die Überdruckventile j eweils so am Gehäuse , bevorzugt außerhalb des Gehäuses angeordnet sind, dass das Wasser bzw . der Dampf bei einer Überbelastung in die Umgebung des Gehäuses , d . h . nach außen entweichen kann . Besonders bevorzugt kann das austretende Wasser bzw . der austretende Dampf von den Überdruckventilen in einen Abführkanal geleitet werden . Dieser Abführkanal kann das austretende Wasser bzw . den austretenden Dampf bündeln und besonders bevorzugt aus einem Raum, in dem der Wärmetauscher angeordnet ist , leiten . Gemäß einem sechsten Aspekt können in dem Gehäuse mehrere erste Wärmetauschelemente vorgesehen sein, die parallel zueinander von Wasser in der zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind .
Gemäß einer solchen Ausgestaltung können also mehrere erste Wärmetauschelemente , welche j eweils mit Überdruckventilen so versehen sind, dass j eder Rohrleitungsabschnitt oder ein Zusammenschluss mehrerer Rohrleitungen maximal zwei Liter beträgt , vorgesehen sein und parallel zueinander durch das Gehäuse zur Erhitzung von Wasser, insbesondere zur Dampf erzeugung, verlaufen .
Darüber hinaus ermöglicht das Vorsehen mehrerer parallel zueinander von Wasser in der zweiten Strömungsrichtung durchströmbare erste Wärmetauschelemente , dass verschiedene Wasser-/Dampf temperaturen aus dem Wärmetauscher abgezogen, bzw . erzeugt werden können . Dies lässt sich insbesondere über die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch die j eweiligen ersten Wärmetauschelemente steuern . Über dies ermöglichen mehrere parallel zueinander verlaufende im Gehäuse angeordnete erste Wärmetauschelemente , dass die erzeugte Menge an erhitztem Wasser gesteigert werden kann, ohne dass dabei das Gesamtvolumen, bzw . die Abmaße des Wärmetauscher- Gehäuses erhöht werden müssen .
Auch hier ist hervorzuheben, dass j edes dieser ersten Wärmetauschelemente mehrere in Serie durchströme Rohrleitungen aufweist , welche mit Überdruckventilen so versehen sind, dass das „freie" Volumen ohne Anordnung eines weiteren Überdruckventils maximal zwei Liter beträgt .
Mit anderen Worten, kein Bereich zwischen zwei Überdruckventilen eines j eden ersten Wärmetauschelements übersteigt ein abriegelbares Volumen von zwei Litern . Gemäß einem siebten Aspekt ist die Anordnung mehrerer erster Wärmetauschelemente mit einem stromaufwärts der ersten Wärmetauschelemente vorgesehenen Verteiler versehen . Dieser Verteiler ist ausgestaltet , das s Wasser auf die parallel zueinander von Wasser durchströmbaren Rohrleitungen der j eweiligen ersten Wärmetauschelemente zu verteilen . In Ergänzung oder alternativ dazu kann stromabwärts der ersten Wärmetauschelemente ein Sammler vorgesehen sein, welcher ausgestaltet ist , das Wasser aus den parallel zueinander von Wasser durchströmbaren Rohrleitungen der j eweiligen ersten Wärmetauschelemente zu einem Strom zusammenzufügen .
In diesem Zusammenhang ist bevorzugt , dass der Verteiler und/oder der Sammler außerhalb des Gehäuses angeordnet sind . Somit kann das Wasser, welches erhitzt , bzw . in den dampf förmigen Aggregats zustand überführt werden soll , mittels einer zentralen Zuleitung und/oder zentralen Ableitung zum Wärmetauscher hin bzw . von diesem weg geführt werden . Ferner können die einzeln abgesicherten Rohrleitungen der j eweiligen ersten Wärmetauschelemente einzeln in das Gehäuse eintreten, in diesem einen Wärmeübertragung auf das Wasser erfahren, sodass das darin strömende Wasser erhitzt wird, und einzeln aus dem Gehäuse wieder austreten, bevor sie zur zentralen Abführung wieder im Sammler gebündelt werden .
Gemäß einem achten Aspekt können im Gehäuse als ein zweites Wärmetauschelement mehrere Strömungskanäle vorgesehen sein . Die Strömungskanäle können sich von dem Einlass des Gehäuses zu dem Auslass des Gehäuses entlang der ersten Strömungsrichtung erstrecken und sind von dem Strom des Wärmetauschfluides durchströmbar .
Darüber hinaus kann gemäß dem achten Aspekt in dem Gehäuse ein Wärmetrans fermedium vorgesehen sein, um zur Erhitzung von Wasser in den Rohrleitungen Wärme von dem durch das zweite Wärmetauschelement strömende Wärmetauschfluides auf das durch das erste Wärmetauschelement strömende Wasser zu übertragen . In einer solchen Aus führungs form kann trotz einer geringen Rohrleitungsoberfläche eine gute Wärmeauskopplung erzielt werden .
Darüber hinaus kann aufgrund des Wärmetrans fermediums , welches die Strömungskanäle und die Rohrleitungen umgibt , eine Trennung des Druckkörpers von der thermischen Beanspruchung erfolgen, da das Wärmetrans fermedium ein homogenes Temperaturf eld zur Wärme-Einkopplung an den Rohrleitungen erzeugt . Dies ist darüber hinaus unabhängig von dem Brennwert des zur Erzeugung des Wärmetauschfluides verwendeten Materials und dessen Schwankungen .
Entsprechend kann ein kompakter und zuverlässiger Wärmetauscher erzeugt werden, der dauerhaft und sicher zur homogenen Erhitzung von Wasser verwendet werden kann und dabei keinerlei regulatorische Anforderungen oder Zulassungskriterien erfüllen muss .
Gemäß einem neunten Aspekt ist bevorzugt , dass die Rohrleitungen des ersten Wärmetauschelements sich mit U- förmigen Rohrwicklungen so durch das Gehäuse erstrecken, dass die zweite Strömungsrichtung und die erste Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen .
Aufgrund einer solchen Ausgestaltung kann j e nach gewünschtem Ausmaß der Erhitzung von Wasser, zum Beispiel zum Vorwärmen oder zur Dampf erzeugung, das Wasser entsprechend durch den Wärmetauscher innerhalb des ersten Wärmetauschelements bzw . der ersten Wärmetauschelemente geführt werden .
Gemäß einem zehnten Aspekt ist das Wärmetrans fermedium ein Sal zbad, bevorzugt ein Nitratsal z , besonders bevorzugt ein Kalium-Natrium-Nitrat oder ein Kalium-Natrium-Kal zium-Nitrat . Entsprechend ist das Sal zbad in dem Gehäuse angeordnet , um zur Erhitzung von Wasser, Wärme von dem durch das erste Wärmetauschelement strömende Wasser auf das durch die Strömungskanäle des zweiten Wärmetauschelements strömende Wärmetauschfluid, zu übertragen . Das Sal zbad ist also vorgesehen, um die Wärme von den Strömungskanälen des zweiten Wärmetauschelements auf zunehmen und an die Rohrleitungen das erste Wärmetauschelement abzugeben . Hierbei dient das Sal zbad insbesondere als „Puf fer" , um den schwankenden Wärmeeintrag vom zweiten Wärmetauschelement auf das Sal zbad aufgrund des schwankenden Energiegehalts der Brennmasse aus zugleichen . Ein solcher Wärmetauscher bietet also eine hohe „Verzeihlichkeit" hinsichtlich Temperaturschwankungen und schwankenden Energiegehalten . Somit kann selbst bei stark schwankenden Temperaturspitzen des Wärmetauschfluides ein homogener Wärmeeintrag auf das Wasser zu dessen Erhitzung bzw . zur Dampf erzeugung erzielt werden .
Alternativ dazu kann, gemäß einem der ersten bis siebten Aspekte , ein Wärmetauscher gemäß einem el ften Aspekt Rohrleitungen aufweisen, die im Gehäuse schneckenförmig in Ebenen entlang der ersten Strömungsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind und dabei von Wasser nacheinander entlang der ersten Strömungsrichtung durchströmbar sind . Mit anderen Worten, die Rohrleitungen des mindestens einen ersten Wärmetauschelements sind im Gehäuse schneckenförmig in Ebenen entlang der ersten Strömungsrichtung beabstandet zueinander angeordnet .
Aufgrund einer solchen Ausgestaltung kann nicht nur eine ef fi ziente , sondern auch eine kompakte und sichere Wärmetauscher-Anordnung realisiert werden .
Gemäß einem zwöl ften Aspekt ist ein System vorgesehen, welches einen ersten Wärmetauscher gemäß einem der achten bis zehnte Aspekte und einen zweiten Wärmetauscher gemäß dem el ften Aspekt aufweist . Hierbei i st der zweite Wärmetauscher dem ersten Wärmetauscher in Fluidkommunikation stehend so nachgeschaltet , dass zunächst die Strömungskanäle des ersten Wärmetauschers und anschließend das Gehäuse des zweiten Wärmetauschers von dem Wärmetauschfluid durchströmbar ist . Darüber hinaus ist gemäß dem zwöl ften Aspekt der zweite Wärmetauscher dem ersten Wärmetauscher so nachgeschaltet , dass die ersten Wärmetauschelemente des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers in Fluidkommunikation miteinander stehen .
Mit anderen Worten, sowohl das erste Wärmetauschelement als auch das zweite Wärmetauschelement des ersten beziehungsweise zweiten Wärmetauschers sind miteinander verbunden, sodass das Wärmetauschfluid zuerst durch den ersten Wärmetauscher und dann durch den zweiten Wärmetauscher strömt . Darüber hinaus kann zum Beispiel zum Vorwärmen von Wasser, der zweite Wärmetauscher mit schneckenförmig gewickelt und in Ebenen entlang der ersten Strömungsrichtung beabstandet angeordneten Rohrleitungen bzgl . der Verbindung der ersten Wärmtauschelemente dem ersten, mit dem Wärmetrans fermedium, bevorzugt dem Sal zbad, versehenen ersten Wärmetauscher vorgeschaltet sein . Dadurch kann das Wasser zunächst im zweiten Wärmetauscher vorgewärmt und im ersten Wärmetauscher auf Grund der höchsten Temperatur des Wärmetauschfluids , bevorzugt Rauchgas , innerhalb der Strömungskanäle in den dampf förmigen Aggregat zustand überführt werden .
Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine solche Ausgestaltung beschränkt . Vielmehr kann ebenso sowohl das erste als auch das zweite Wärmetauschelement des ersten Wärmetauschers von Wasser bzw . Wärmetauschfluid durchströmt werden, bevor das erste und zweite Wärmetauschelement des zweiten Wärmetauschers von Wasser bzw . Wärmetauschfluid durchströmt werden .
Ein solches System ist vorteilhaft , da hierbei ein kompaktes , äußerst ef fi zientes und sicheres System von Wärmetauschern erzeugt werden kann, sie keinerlei ( sicherheits- ) behördliche
Auflagen zu erfüllen haben .
Gemäß einem drei zehnten Aspekt ist ein System vorgesehen, welches einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher aufweist , die j ewei ls wie in den Aspekten 8 , 9 und 10 beschrieben, ausgestaltet sind .
Hierbei ist der zweite Wärmetauscher dem ersten Wärmetauscher so in Fluidkommunikation stehend nachgeschaltet , dass zunächst die Strömungskanäle des ersten Wärmetauschers und anschließend die Strömungskanäle des zweiten Wärmetauschers von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sind . Entsprechend kann durch das durch die Strömungskanäle strömbare Wärmetauschfluid zunächst das Sal zbad im ersten Wärmetauscher und im Anschluss das Sal zbad im zweiten Wärmetauscher erhitzt werden .
Auch die ersten Wärmetauschelemente des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers stehen in Fluidkommunikation miteinander . Hierbei ist bevorzugt , dass zunächst die Rohrleitungen des zweiten Wärmetauschers und anschließend die Rohrleitungen des ersten Wärmetauschers von dem Wasser durchströmbar sind . Somit kann, wie im Zusammenhang mit dem zwöl ften Aspekt oben geschildert , das Wasser zunächst durch das etwas abgekühlte Wärmetauschfluid im zweiten Wärmetauscher vorgewärmt werden, bevor es im Anschluss zur Dampf erzeugung in den ersten Wärmtauscher geführt wird, wo die Wärmetauschfluidtemperatur am höchsten ist .
Gemäß einem vierzehnten Aspekt ist ein solches System gemäß dem drei zehnten Aspekt so ausgestaltet , dass die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung im ersten Wärmetauscher senkrecht zueinander verlaufen und die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung im zweiten Wärmetauscher parallel zueinander verlaufen . Eine solche Ausgestaltung erlaubt , dass im ersten Wärmetauscher die Wärmeübertragung zur Dampf erzeugung maximiert wird, um so möglichst ef fi zient Wasser zu erhitzen, bzw . Dampf zu erzeugen, wohingegen im zweiten Wärmetauscher die Wasser- und/oder Wärmetauschfluidtemperatur aufgrund einer potentiell erzeugbaren Schichtung im Wärmetrans fermedium eingestellt werden kann .
Hierbei ist bevorzugt , dass der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher ferner eine Rührvorrichtung mit j eweils einer Viel zahl von Rührwerken aufweist . Jedes dieser Rührwerke reicht in das Wärmetrans fermedium hinein, wobei die Rührwerke entlang der ersten Strömungsrichtung, bevorzugt gleichmäßig, verteilt angeordnet sind .
Dies ermöglicht eine Homogenisierung des Wärmeübergangs innerhalb der Wärmetauscher und unterstützt die Vermeidung von lokalen Temperatur-Hot-Spots im Wärmetrans fermediums . Durch die Zirkulation des Wärmetrans fermediums im j eweiligen Gehäuse wird ein homogenes Temperaturf eld mit einem sehr hohen Wärmeübertragungskoef fi zienten erzielt . Dadurch kann sich der Temperaturunterschied zwischen Wärmetrans fermedium, bevorzugt das Sal zbad, und Was ser bzw . Dampf im ersten Wärmetauschelement auf 1 ° C oder weniger belaufen .
Alternativ kann bei einer möglichst geringfügigen Rotation der Rührwerke , insbesondere im zweiten Wärmetauscher mit paralleler ersten und zweiten Strömungsrichtung, eine „Schichtung" mit verschiedenen Temperaturen des Wärmetrans fermediums , bevorzugt des Sal zbads , im Wärmetauscher erreicht werden .
Aufgrund dieser Schichtung ist eine stärkere Abkühlung des Rauchgases möglich als dies ohne Sal zbadschichtung erreichbar wäre . Aufbauend auf den drei zehnten oder vierzehnten Aspekt kann gemäß einem fünf zehnten Aspekt im System außerdem ein dritter Wärmetauscher gemäß dem achten oder neunten Aspekt vorgesehen sein . In diesem dritten Wärmetauscher ist ein Thermoöl al s Wärmetrans fermedium vorgesehen . Die Ausgestaltung ist j edoch nicht auf Thermoöl beschränkt . Es wäre auch ebenso möglich alternative Fluide im dritten Wärmetauscher als Wärmetrans fermedium vorzusehen, die auch bei 200 ° C keinen nennenswerten Dampfdruck aufweisen und damit als „drucklos" anzusehen sind .
Zudem ist der dritte Wärmetauscher den zweiten Wärmetauscher in Fluidkommunikation stehend so nachgeschaltet , dass zunächst die Strömungskanäle des zweiten Wärmetauschers und anschließend die Strömungskanäle des dritten Wärmetauschers von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sind . Zudem kann das (mindestens eine ) erste Wärmetauschelement des dritten Wärmetauschers mit dem (mindestens einen) ersten Wärmetauschelements des ersten Wärmetauschers oder des zweiten Wärmetauschers in Fluidkommunikation stehen .
Gemäß einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, dass auch aus dem bereits durch den Wärmeübergang im ersten und zweiten Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschfluid zur ef fi zienten Energieerzeugung noch weiter Wärme an das im dritten Wärmetauscher vorgesehen Thermoöl abgegeben werden kann . Alternativ kann diese Ausgestaltung auch dazu verwendet werden, Wasser mit 85 ° C Temperatur aus einem Kondensator auf z . B . 95 ° C zu erwärmen und damit die Gesamtef fi zienz der Anlange weiter steigern .
Zudem kann beispielsweise das erste Wärmetauschelement des dritten Wärmetauschers als vorgeschaltete erste Vorwärmstufe für den ersten und/oder zweiten Wärmetauscher dienen .
Gemäß einem sechzehnten Aspekt weist der dritte Wärmetauscher zudem einen externen Wärmetauscher . Dieser externe Wärmetauscher ist von dem Thermoöl durchströmbar, um Wärme an eine Wärmesenke abgeben zu können. Hierbei kann es sich beim externen Wärmetauscher um einen Plattenwärmetauscher handeln. Die Wärmesenke kann beispielsweise als Pufferspeicher verstanden werden. Ferner, kann als Wärmesenke eine Verbindung an ein Fernwärmenetz vorgesehen sein, so dass auch die Restenergie des durch den dritten Wärmetauscher strömende Wärmetauschfluides genutzt werden kann, um Energie zu erzeugen. Darüber hinaus kann durch den Wärmeübergang mit Thermoöl im dritten Wärmetauscher und den Wärmeaustausch mit dem dort angeordneten externen Wärmetauscher die Austrittstemperatur des Wärmetauschfluids gezielt eingestellt werden .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird anhand einer schematischen Zeichnung ein Wärmetauscher gemäß einer beispielhaften Aus führungs form dargestellt. Solche Wärmetauscher werden beispielsweise zur Erhitzung von Wasser, insbesondere zur Dampf erzeugung für eine Energiegewinnung zum Beispiel in einer Dampfmaschine oder in einem Dampfmotor verwendet. Es zeigt:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, welcher in einem System aus einem ersten Wärmetauscher, einem zweiten Wärmetauscher und einem dritten Wärmetauscher in einer Querschnittsdarstellung dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Aus führungs form
Figur 1 veranschaulicht beispielhafte Aus führungs formen eines Dampferzeuger 1.1, 1.2, 1.3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei sind die Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 insbesondere in einem System 1 aus mehreren erfindungsgemäßen Wärmetauschern 1.1, 1.2, 1.3 dargestellt, wobei die Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 eine ähnliche Konfiguration aufweisen, sodass zunächst auf einen ersten Wärmetauscher 1.1 eingegangen werden soll. Konkret zeigt Figur 1 also ein System aus einem ersten Wärmetauscher 1.1, einem zweiten Wärmetauscher 1.2 und einem dritten Wärmetauscher 1.3. Hierbei sind alle Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 des Systems 1 in einer Querschnittsansicht dargestellt, wobei die Schnittachse entlang der Längserstreckung der Wärmetauscher (d.h. entlang der später detaillierten erläuterten ersten Strömungsrichtung A) verläuft, und so das Innenleben der Wärmetauscher sichtbar zu machen. Figur 1 kann also auch als Seitenansicht der Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 verstanden werden, in der eine Seitenwand entlang der Längserstreckung entfernt worden ist, um so das Innenleben der Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 sichtbar zu machen.
Jeder der Dampferzeuger 1.1, 1.2, 1.3 gemäß Figur 1 weist ein Gehäuse 2 mit einer Bodenwand, einer Deckenwand, einer Rückwand, sowie zwei Seitenwänden, auf. Diese Ausgestaltung ist jedoch nicht als limitierend zu verstehen. Die Ausgestaltung der Form der jeweiligen Dampferzeuger 1.1, 1.2, 1.3 kann je nach Situation und baulicher Gegebenheiten angepasst werden.
Wie eingangs erwähnt ist zur Veranschaulichung des Innenlebens des Dampferzeugers 1 die Vorderwand des Gehäuses 2 nicht sichtbar. In der gezeigten Aus führungs form ist das Gehäuse 2 „boxartig" ausgestaltet. Das heißt, es erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung des Gehäuses 2 und weist einen rechtwinkligen Querschnitt auf. Die Breite und/oder Höhe sowie die Länge des Gehäuses 2 sind jedoch auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Dampferzeugers 1 für die Dampf erzeugung nicht limitierend und können nach Platzbedarf und/oder Wunschausgestaltung konfiguriert werden.
Das Gehäuse 2 weist an der in Figur 1 links dargestellten Seitenwand des Gehäuses 2 einen Einlass 3 und an der in Figur 1 gegenüberliegenden, rechts dargestellten Seitenwand des Gehäuses 2 einen Auslass 4 auf . Dadurch ist das Gehäuse 2 von dem Einlass 3 zu dem Auslass 4 von einem Rauchgas als bevorzugtes Wärmetauschfluid durchströmbar . In diesen Zusammenhang wird die Rauchgasströmung vom Einlass 3 zum Auslass als erste Strömungsrichtung A verstanden . Mit anderen Worten, die Strömung entlang der Längsseite des Gehäuses des Dampferzeugers ist als erste Strömungsrichtung A zu verstehen . Darüber hinaus ist in dem Gehäuse ein erstes Wärmetauschelement 5 angeordnet . In der Figur 1 dargestellten Aus führungs form ist ein solches Wärmetauschelement in Form mehrerer, in Fluidkommunikation stehender Rohrleitungen 6 vorgesehen . Diese Rohrleitungen 6 sind zur Wassererhitzung von Wasser in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmbar . Konkret sind hierzu mehrere Rohrleitungen 6 des j eweiligen ersten Wärmetauschelements in Serie miteinander verbunden . Entsprechend „schlängelt" sich das erste Wärmetauschelement 5 durch das Gehäuse 2 . Konkret sind hierfür, wie in Figur 1 dargestellt , die Rohrleitungen 6 mit U- förmigen Rohrwicklungen 10 versehen, sodas s die Erstreckung durch das Gehäuse 2 des Wärmetauschers 1 . 1 , 1 . 2 , 1 . 3 maximiert werden kann .
Wie Figur 1 entnommen werden kann, sind im Gehäuse 2 des ersten Wärmetauschers 1 . 1 mehrere erste Wärmetauschelemente 5 . 2 , 5 . 3 vorgesehen, die parallel zueinander von Wasser in der zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind . Hierbei kann Stromaufwärts der ersten Wärmetauschelemente ein (nicht dargestellter ) Verteiler vorgesehen sein, welcher ausgestaltet ist , das Wasser auf die parallel zueinander von Wasser durchströmbaren Rohrleitungen der j eweiligen ersten Wärmetauschelemente zu verteilen . Wasser wird also zentral zum Wärmetauscher zugeführt und dann durch den Verteiler auf die j eweiligen ersten Wärmetauschelemente bzw . deren Rohrleitungen verteilt . Nach Durchströmen des Gehäuses kann stromabwärts der ersten Wärmetauschelemente 5 . 1 , 5 . 2 des ersten Wärmetauschers 1 . 1 ein (nicht dargestellter ) Sammler vorgesehen sein, welcher ausgestaltet ist, das erwärmte Wasser bzw. den Dampf aus dem parallel zueinander von Wasser durchströmbaren Rohrleitungen 6 der jeweiligen ersten Wärmetauschelemente 5.1, 5.2 zu einem Strom zusammenzuführen. Somit ist es möglich, die, wie nachfolgend geschildert, in Fluidkommunikation miteinander stehenden ersten Wärmetauscher 1.1, zweiten Wärmetauscher 1.2 und dritten Wärmetauscher 1.3 miteinander zu verbinden und das Wasser durch eine einzelne Verbindungsleitung zwischen den jeweiligen Wärmetauschern 1.1, 1.2, 1.3 zu transferieren.
Wie den in Figur 1 dargestellten Zu- und Abläufen des ersten Wärmetauschelements 5 an der Deckenwand des Gehäuses 2 des zweiten Wärmetauscher 1.2 und des dritten Wärmetauscher 1.3 entnommen werden kann, sind im zweiten Wärmetauscher 1.2 und dritten Wärmetauscher 1.3 beispielhaft jeweils nur ein erstes Wärmetauschelement 5 vorgesehen. Auch im zweiten Wärmetauscher 1.2 und dritten Wärmetauscher 1.3 erstrecken sich die Rohrleitungen 6 des ersten Wärmtauschelements mit U- förmigen Rohrwicklungen durch das Innere des Gehäuses 2.
Ein jeder dieser erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 ist mit Überdruckventilen 7 versehen. Diese Überdruckventile 7 sind so an den Rohrleitungen 6 der jeweiligen ersten Wärmetauschelemente 5 angeordnet, dass das Volumen innerhalb der Rohrleitungen zwischen zwei Überdruckventilen 7 jeweils maximal 2 Liter beträgt. In Figur 1 sind die Überdruckventile 7 eines jeden ersten Wärmetauschelements 5 an der Gehäuseoberseite außerhalb des Gehäuses angeordnet, so dass im Falle einer Überdrucksituation und einer entsprechenden Öffnung des Ventils, das Wasser bzw. der Dampf aus dem jeweiligen ersten Wärmetauschelement 5 weg vom Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 strömen kann.
Dies führt zu einem Wärmetauscher bzw. zu einem System aus mehreren Wärmetauschern 1.1, 1.2, 1.3, in denen jeweils eine wasserführende Leitung zur Erhitzung von Wasser bzw . zur Dampf erzeugung ein maximales freies Volumen zwischen zwei Überdruckventilen von maximal zwei Litern aufweist . Hierbei sind in der bevorzugten Aus führungs form die Überdruckventile 7 als mechanische Überdruckventile ausgestaltet , sodass keinerlei elektronische Überwachung oder Steuerung von Nöten ist . Vielmehr sind die mechanischen Überdruckventile ausgestaltet , beispielsweise aufgrund einer dem Fluiddruck innerhalb der Rohrleitungen entgegenwirkenden Feder auf zulösen, wenn ein bestimmter Druckwert auf die Feder erreicht und/oder überschritten wird . Somit ist es möglich, einen sicheren Dampferzeuger zu schaf fen, welcher keinerlei Zulassungen, Genehmigungen oder Druckgeräterichtlinien erfüllen muss .
Darüber hinaus sind an den Rohrleitungen 6 , in der zweiten Strömungsrichtung betrachtet , sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts j edes Überdruckventils 7 j eweils ein Absperrventil 8 vorgesehen . Diese können, wie lediglich beim ersten Wärmetauscher 1 . 1 dargestellt , ein Absperrventil in Form eines Kugelhahns sein . Eine Ausgestaltung in Form eines Nadelventils wäre ebenfalls denkbar . In Figur 1 sind allein an den beiden ersten Wärmetauschelementen 5 . 1 und 5 . 2 des ersten Wärmetauscher 1 . 1 Absperrventile 8 angebracht . Es versteht sich j edoch, dass auch an den ersten Wärmetauschelementen 5 des zweiten Wärmetauschers 1 . 2 und dritten Wärmetauschers 1 . 3 Absperrventile 8 vorgesehen sein können .
Wie mit Blick auf den ersten Wärmetauscher 1 . 1 der Figur 1 erkennbar ist , sind sowohl die Absperrventile 8 , als auch die Überdruckventile 7 der ersten Wärmetauschelemente 5 j eweils an der Deckenwand des Gehäuses vorgesehen .
In der in Figur 1 dargestellten bevorzugten Aus führungs form der Rohrleitungen 6 der Wärmetauscher sind diese mit einem zylindrischen Querschnitt versehen, wobei ein Innendurchmesser der Rohrleitungen 8 mm und ein Außendurchmesser 12 mm beträgt . Somit kann beispielsweise eine maximale Rohrerstreckung der in Fluidkommunikation miteinander stehenden Rohrleitungen von 36 Metern durch das Gehäuse des Wärmetauschers verlaufen, bis ein weiteres Überdruckventil an der j eweiligen Rohrleitung des ersten Wärmetauschelements von Nöten ist , da so ein Innenvolumen eines ersten Wärmetauschelements von ca . 1 , 8 Litern sichergestellt ist , was innerhalb des maximal zulässigen Volumens zwischen zwei Überdruckventilen von 2 Litern liegt .
Während die erste Strömungsrichtung A im Wesentlichen entlang der Längserstreckung des Wärmetauschers verläuft , ist folglich die zweite Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht im Dampferzeuger ausgerichtet . Mit anderen Worten, während das Rauchgas in Figur 1 von links nach rechts und/oder von rechts nach links strömt , strömt das Wasser innerhalb der im Wärmetauscher 1 . 1 zwei fach dargestellten Wärmetauschelemente 5 . 1 , 5 . 2 in Wesentlichen von oben nach unten, bzw . von unten nach oben . Somit können die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen . Alternativ dazu ist es ebenso denkbar, dass die zweite Strömungsrichtung im Wärmetauscher 1 . 1 oder in einem des zweiten Wärmetauschers 1 . 2 oder dritten Wärmetauschers 1 . 3 im Wesentlichen parallel zur ersten Strömungsrichtung A erstreckt .
Um das Rauchgas von dem Einlass des Gehäuses des Wärmetauschers zu dessen Auslass strömen zu können, sind in der bevorzugten Aus führungs form gemäß Figur 1 mehrere Strömungskanale 9 im Gehäuse 2 vorgesehen, welche sich entlang der ersten Strömungsrichtung A erstrecken und somit von dem Einlass 3 des Gehäuses 2 zu dem Auslass 4 des Gehäuses 2 durchströmbar sind .
Diese Strömungskanäle , sind, wie in Figur 1 dargestellt , entlang der Strömungsrichtung A angeordnet . Ferner, können (nicht dargestellte) U-förmige Strömungskanalabschnitte an den jeweiligen Seiten des Einlasses 3 des Gehäuses 2 bzw. des Auslasses 4 des Gehäuses 2 des Wärmetauschers 1.1, 1.2, 1.3 vorgesehen sein, sodass die Strömungslänge des Rauchgases durch die Strömungskanäle 9 maximiert werden kann. Konkret ist, wie in Figur 1 dargestellt, hierzu im ersten Wärmetauscher beispielsweise der Einlass 3 an einem unteren Abschnitt des Gehäuses 2 angeordnet, sodass das Rauchgas mit der höchsten Temperatur im unteren Bereich der Seitenwand des Gehäuses 2 in die Strömungskanäle 9 eintritt, nach einer vollständigen Durchströmung des Wärmetauschers 1.1 in Richtung des Auslasses 4 des Gehäuses 2, dort durch die U- förmigen Strömungskanalabschnitte in seiner Strömungsrichtung entgegen der ersten Strömungsrichtung A abgelenkt wird, dann in Richtung des Einlasses 3 zurückströmt und dort abermals durch (nicht dargestellte) U-förmige Strömungskanalabschnitte wieder zurück entlang der ersten Strömungsrichtung A zum Auslass 4 des Gehäuses geströmt wird.
Darüber hinaus ist das Gehäuse 2 jedes Wärmetauschers mit einem Wärmetransfermedium befüllt, um somit zur Erhitzung von Wasser, bzw. in der bevorzugten, in Figur 1 dargestellten, Aus führungs form zur Erzeugung von Dampf Wärme von den durch die Strömungskanäle 9 des zweiten Wärmetauschelements strömenden Rauchgases auf das durch das erste Wärmetauschelement 5 bzw. die ersten Wärmetauschelemente 5.1, 5.2 strömende Wasser zu übertragen.
Bei diesem Wärmetransfermedium handelt es sich in der Figur 1 dargestellten Aus führungs form um ein Salzbad im ersten Wärmetauscher 1.1 und zweiten Wärmetauscher 1.2. Hierzu kann je nach Temperatur in den jeweiligen Wärmetauschern 1.1, 1.2ein unterschiedliches Salzbad vorgesehen sein. Hierbei kann im ersten Wärmetauscher 1.1, welcher die höchste thermische Belastung durch das eintretende Rauchgas erfährt, ein Kalium-Natrium-Kalzium-Nitrat im Gehäuse 2 vorgesehen sein, während im zweiten Wärmetauscher 1.2, welcher im Nachgang zum ersten Wärmetauscher 1.1 von dem bereits etwas abgekühlten Rauchgas durchströmt wird, ein Kalium-Natrium- Nitrat vorgesehen sein kann.
Im dritten Wärmetauscher 1.3, welcher, wie nachfolgend genauer geschildert, vom Rauchgas erst nach dessen Durchströmung des zweiten Wärmetauschers 1.2 durchströmt wird, ist als Wärmetransfermedium ein Thermoöl vorgesehen. Dieses Thermoöl ist durch das Vorschalten der beiden Salbzbad-Dampf erzeuger 1.1, 1.2 „thermisch" abgesichert. Hierauf wird nachfolgend noch genauer eingegangen.
Um das Wärmetransfermedium der Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 in eine Strömung zu versetzen, um somit die Wärmeübertragung von dem Rauchgas auf das Wasser zu optimieren, sind darüber hinaus jeweils an den Wärmetauschern eine Vielzahl, hier zwei, Rührwerke 13 vorgesehen, welche in das Salzbad bzw. Thermoöl hineinreichen. Diese Rührwerke 13 weisen jeweils an einer rotierenden Stange 14 vorgesehene Rührschaufeln 15 auf, welche aufgrund einer rotierenden Bewegung durch die Rührwerke 13 in der Lage sind, das Wärmetransfermedium in Bewegung zu versetzen, sodass eine Strömung innerhalb des Wärmetauschers erzeugt werden kann.
Um den Wärmetauscher 1.1, 1.2, 1.3 mit Wärmetransfermedium zu befüllen, weist der Wärmetauscher 1.1 zwei Einlassstutzen 16 auf. In den zweiten und dritten Wärmetauschern 1.2, 1.3 sind diese Einlassstutzen der Übersichtlichkeit halber nicht nochmals dargestellt. Dies gilt analog für die rotierenden Stangen 14 und die daran vorgesehen Rührschaufeln 15 der Rührwerke 13.
In Figur 1 sind an jedem des ersten Wärmetauschers 1.1, des zweiten Wärmetauschers 1.2 und des dritten Wärmetauschers 1.3 zwei Rührwerke an jedem dieser Wärmetauscher vorgesehen. Dies ist je nach Anwendungsfall und Zweck des jeweiligen Wärmetauschers jedoch nicht unbedingt von Nöten. Es wäre ebenso denkbar, nur den ersten Wärmetauscher 1.1, welcher die höchste thermische Belastung durch das eintretende Rauchgas erfährt, mit solchen Rührwerken 13 auszustatten.
Außerdem können, je nach Anwendungsfall, die Strömungskanäle 9 alle den gleichen Strömungsquerschnitt innerhalb eines Wärmetauschers, oder im Wärmetauscher abweichende Querschnitte aufweisen. Während der zweite Wärmetauscher 1.2 und der dritte Wärmetauscher 1.3 mit Strömungskanälen mit gleichem Querschnitt dargestellt sind, ist Wärmetauscher 1.1 zu entnehmen, dass die Strömungskanäle 9 am Einlass 3 des Gehäuses des Wärmetauschers 1.1 (siehe unterer Abschnitt des Gehäuses 2) einen größeren Querschnitt aufweisen als die verbleibenden Strömungskanäle 9, zum Beispiel im Bereich des Auslasses 4 des ersten Wärmetauschers 1.1.
Nachfolgend soll genauer auf die jeweiligen Aufgaben des in Figur 1 dargestellten ersten Wärmetauschers 1.1, zweiten Wärmetauschers 1.2 und dritten Wärmetauschers 1.3 und deren entsprechende Anordnung eingegangen werden.
Wie Figur 1 zu entnehmen ist, sind die Strömungskanäle des ersten Wärmetauschers 1.1, des zweiten Wärmetauschers 1.2 und des dritten Wärmetauschers 1.3 jeweils mit einem Verbindungskanal 17 zwischen den Wärmetauschern miteinander verbunden, sodass sie sukzessive von dem Rauchgas durchströmt werden können. Somit strömt beispielsweise das Rauchgas an einer näher an der Bodenseite des ersten Wärmetauschers vorgesehenen Einlass 3 des Gehäuses in die mit dem größten Querschnitt versehenen Strömungskanäle 9 in den ersten Wärmetauscher 1.1 ein, wird durch die (nicht dargestellten) U-förmigen Strömungskanalabschnitte zwei Mal mit der ersten Strömungsrichtung und einmal entgegen der ersten Strömungsrichtung durch das Gehäuse des ersten Wärmetauschers geleitet, bevor es an dem an der Oberseite der Seitenwand des Gehäuses 2 des ersten Wärmetauschers über dessen Auslass 4 in den Verbindungskanal 17 eintritt. Von dort wird zum Einlass des Gehäuses des zweiten Wärmetauschers 1.2 geleitet wird, wo es in die Strömungskanäle 9 des zweiten Wärmetauschers eingeführt wird. Nach analogem Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 1.1 und des dritten Wärmetauschers 1.3 tritt das Rauchgas über den Auslass 4 am dritten Wärmetauscher 1.3 aus dem System 1 aus.
Die ersten Wärmetauschelemente 5.1, 5.2 des ersten Wärmetauschers 1.1 sowie die Wärmetauschelemente 5 des zweiten Wärmetauschers 1.2 und dritten Wärmetauschers 1.3 stehen ebenfalls in Fluidkommunikation miteinander. Die Verbindung des
Nachdem das in den ersten Wärmetauscher 1.1 eintretende Rauchgas die höchste Temperatur aufweist, kann der erste Wärmetauscher 1.1 als Dampferzeuger verwendet werden, d.h. das Wasser in den Wärmetauschelementen 5.1, 5.2 des ersten Wärmetauschers 1.1 kann so weit erhitzt werden, dass das unter Druck stehende Wasser in den dampfförmigen Aggregatszustand übergeht. Der zweite Wärmetauscher 1.2, welcher von Rauchgas mit einer niedrigeren Temperatur durchströmt wird, kann aufgrund der Verbindung der ersten Wärmetauschelemente des ersten Wärmetauschers 1.1 und des zweiten Wärmetauschers 1.2 in der bevorzugten Aus führungs form gemäß Figur 1 als Vorwärmer dienen, um so die tatsächliche Dampf erzeugung im ersten Wärmetauscher 1.1 möglichst effizient zu gestalten. Entsprechend kann das Wasser zunächst das erste Wärmetauschelement 5 des zweite Wärmetauschelements 1.2 durchströmen, bevor es in über ein (nicht dargestelltes) Verbindungsrohr in den ersten Wärmetauscher 1.1 geführt wird. Es versteht sich, dass auch die Verbindungsrohre zwischen den ersten Wärmetauschelementen so mit Überdruckventilen abgesichert sind, dass kein Erstreckungsabschnitt gegeben ist, dessen Rohrinnenvolumen zwei Liter übersteigt. Zur vereinfachten Darstellung sind die die ersten Wärmetauschelemente der ersten, zweiten und dritten Wärmetauschelemente verbindenden Verbindungsrohre nicht in
Figur 1 abgebildet.
Die in Figur 1 dargestellte, bevorzugte Aus führungs form umfasst, wie ein eingangs geschildert, außerdem einen dritten Wärmetauscher 1.3. Wie dargestellt ist dieser dem ersten und zweiten Wärmetauscher entlang der ersten Strömungsrichtung nachgestaltet, sodass zunächst die Strömungskanäle 9 des zweiten Wärmetauschers 1.2 (und noch davor die Strömungskanäle 9 des ersten Wärmetauschers 1.1) durchströmt werden, bevor die Strömungskanäle 9 des dritten Wärmetauschers 1.3 von dem Wärmetauschfluid durchströmt werden können.
Entsprechend strömt das im zweiten Wärmetauscher 1.2 weiter abgekühlte Rauchgas in den dritten Wärmetauscher 1.3 ein und überträgt Wärmeenergie auf das als Wärmetransfermedium vorgesehen Thermoöl.
Die wasserführenden Rohrleitungen 6 des ersten Wärmetauschelements 5 des dritten Wärmetauschers 1.3 können, je nach Anwendungsfall, zum Beispiel als weiterer Vorwärmer mit dem bzw. den Wärmetauschelement ( -en) des ersten Wärmetauschers 1.1 oder des zweiten Wärmetauschers 1.2 in Fluidkommunikation miteinander stehen.
In Figur 1 ist am dritten Wärmetauscher 1.3 außerdem ein weiterer, externer Wärmetauscher 11 vorgesehen. Hierbei handelt es sich in der in Figur 1 dargestellten, bevorzugten Aus führungs form um einen Plattenwärmetauscher. Dieser ist von dem Thermoöl, welches durch das in den Strömungskanälen 9 des dritten Wärmetauschers 1.3 strömenden Rauchgases erhitzt worden ist, durchströmbar. Dieses erhitzte Thermoöl kann im Plattenwärmetauscher also dazu verwendet werden, um Wärme an eine Wärmesenke 12 abzugeben. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Verbindung an ein Fernwärmenetz oder um einen Pufferspeicher handeln. Entsprechend dient hierbei der dritte Wärmetauscher 1 . 3 , welcher mit Thermoöl als Wärmetrans fermedium in der beispielhaften Aus führungs form befüllt ist , der Regelung der Abgastemperatur . Falls beispielsweise eine zu heiße Abgastemperatur am Auslass des dritten Wärmetauschers 1 . 3 gegeben wäre , kann durch den Betrieb des dritten Wärmetauschers 1 . 3 über den externen Wärmetauscher 11 die überschüssige Wärme zum Beispiel in den Puf ferspeicher abgegeben werden und somit die Abgastemperatur dauerhaft und zuverlässig geregelt werden .
In einer weiteren, nicht dargestellten Aus führungs form ist es ebenso denkbar, dass eine erste Strömungsrichtung und eine zweite Strömungsrichtung im ersten Wärmetauscher, wie in Figur 1 dargestellt , senkrecht zueinander verlaufen und die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung im zweiten Wärmetauscher parallel zueinander verlaufen . Insbesondere durch diese parallele Anordnung der ersten und zweiten Strömungsrichtung im zweiten Wärmetauscher 1 . 2 und damit der Erstreckung der Strömungskanäle bzw . der Rohrleitungen 6 kann eine Temperatur- „Schichtung" im Sal zbad des zweiten Wärmetauschers erzeugt werden und so eine Austrittstemperatur gezielt definiert werden .
In einer weiteren, nicht dargestellten Aus führungs form ist es ferner möglich, dass anstatt der U- förmigen Rohrwicklungen, die sich durch das Gehäuse , zum Beispiel nach oben und nach unten schlängeln, die Rohrleitungen zumindest eines Wärmetauschers im Gehäuse schneckenförmig in Ebenen entlang der ersten Strömungsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind und somit nacheinander von Wasser durchströmbar sind . Zudem ist in einer solchen Ausgestaltung das Gehäuse des zumindest einen Wärmetauschers ohne Strömungskanäle und zusätzliches Wärmetrans fermedium ausgestaltet . Vielmehr ist das Gehäuse des Dampferzeugers selbst von dem Einlass des Gehäuses zu dem Auslass von dem Rauchgas durchströmbar und überträgt Wärmeenergie direkt an die schneckenförmigen Rohrwicklungen . Ein solcher Wärmetauscher kann einem Salzbadwärmetauscher, wie oben mit Bezug auf den ersten Wärmetauscher 1.1 beschrieben, bzgl. der Rauchgasströmung nachgeschaltet sein und als Vorwärmer für die eigentliche Dampf erzeugung im Salzbad-Wärmetauscher 1.1 dienen. Während als das Rauchgas in einer solchen Aus führungs form zunächst durch den ersten Wärmetauscher 1 .1 und dann durch den Wärmetauscher mit schneckenförmigen Rohrwicklungen strömt, strömt das Wasser genau in umgekehrter Anordnung: erst am Ende wird der Salzbad-Wärmetauscher 1.1 durchströmt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Wärmetauscher (1.1, 1.2, 1.3) , aufweisend: ein Gehäuse (2) , das von einem Einlass (3) des Gehäuses (2) zu einem Auslass (4) des Gehäuses von einem Wärmetauschfluid, bevorzugt Rauchgas, in einer ersten Strömungsrichtung (A) durchströmbar ist, und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wärmetauschelement (5) in Form mehrerer, in Fluidkommunikation stehender Rohrleitungen (6) , die zur Wassererhitzung, insbesondere zur Dampf erzeugung, von Wasser, in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rohrleitungen (6) Überdruckventile (7) so angeordnet sind, dass das Volumen innerhalb der Rohrleitungen (6) zwischen zwei Überdruckventilen (7) jeweils maximal zwei Liter beträgt.
2. Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei jedes der
Überdruckventile (7) ein mechanisches Überdruckventil ist.
3. Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, in der zweiten Strömungsrichtung betrachtet, stromaufwärts und stromabwärts jedes Überdruckventils (7) jeweils ein Absperrventil (8) an den Rohrleitungen (6) vorgesehen ist.
4. Wärmetauscher gemäß Anspruch 3, wobei das Absperrventil (8) ein Kugelhahn oder ein Nadelventil ist.
5. Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohrleitungen (6) einen zylindrischen Querschnitt aufweisen, wobei ein Innendurchmesser 8 mm und ein Außendurchmesser 12 mm beträgt.
6. Wärmetauscher gemäß einem der hervorgehenden Ansprüche, wobei in dem Gehäuse (2) mehrere erste Wärmetauschelemente (5.1, 5.2) vorgesehen sind, die parallel zueinander von
Wasser in der zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind.
7. Wärmetauscher gemäß Anspruch 6, wobei stromaufwärts der ersten Wärmetauschelemente (5.1, 5.2) ein Verteiler vorgesehen ist, welcher ausgestaltet ist, dass Wasser auf die parallel zueinander von Wasser durchströmbaren Rohrleitungen (6) der jeweiligen ersten Wärmetauschelemente (5.1, 5.2) zu verteilen, und/oder wobei stromabwärts der ersten Wärmetauschelemente (5.1, 5.2) ein Sammler vorgesehen ist, welcher ausgestaltet ist, dass Wasser aus den parallel zueinander von Wasser durchströmbaren Rohrleitungen (6) der jeweiligen ersten Wärmetauschelemente (5.1, 5.2) zu einem Strom zusammenzuführen.
8. Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als ein zweites Wärmetauschelement mehrere Strömungskanäle (9) im Gehäuse (2) vorgesehen sind, die sich von dem Einlass (3) des Gehäuses (2) zu dem Auslass (4) des Gehäuses (2) entlang der ersten Strömungsrichtung (A) erstrecken und von dem Strom des Wärmetauschfluids durchströmbar sind, und in dem Gehäuse (2) ferner ein Wärmetransfermedium vorgesehen ist, um zur Erhitzung von Wasser Wärme von dem durch das zweite Wärmetauschelement strömende Wärmetauschfluid auf das durch das erste Wärmetauschelement (5) strömende Wasser zu übertragen .
9. Wärmetauscher gemäß Anspruch 8, wobei die Rohrleitungen (6) sich mit U-Förmigen Rohrwicklungen (10) so durch das Gehäuse (2) erstrecken, dass die zweite Strömungsrichtung und die erste Strömungsrichtung (A) im Wesentlich senkrecht oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
10. Wärmetauscher gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Wärmetransfermedium ein Salzbad, bevorzugt ein Nitratsalz, besonders bevorzugt ein Kalium-Natrium-Nitrat oder ein Kalium-Natrium-Calcium-Nitrat, ist .
11. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rohrleitungen (6) im Gehäuse (2) schneckenförmig in Ebenen entlang der ersten Strömungsrichtung (A) beabstandet zueinander angeordnet sind und nacheinander von Wasser durchströmbar sind.
12. System (1) , aufweisend: einen ersten Wärmetauscher (1.1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, und einen zweiten Wärmetauscher gemäß Anspruch 11, wobei der zweite Wärmetauscher dem ersten Wärmetauscher (1.1) so nachgeschaltet ist, dass zunächst die Strömungskanäle (9) des ersten Wärmetauschers
(1.1) und anschließend das Gehäuse (2) des zweiten Wärmetauschers von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sind, und die ersten Wärmetauschelemente (5) des ersten Wärmetauschers
(1.1) und des zweiten Wärmetauschers in Fluidkommunikation miteinander stehen, wobei bevorzugt zunächst die Rohrleitungen (6) des zweiten Wärmetauschers und anschließend die Rohrleitungen (6) des ersten Wärmetauschers (1.1) von dem Wasser durchströmbar sind.
13. System (1) , aufweisend: einen ersten Wärmetauscher (1.1) gemäß einem der
Ansprüche 8 bis 10, und einen zweiten Wärmetauscher (1.2) gemäß einem der
Ansprüche 8 bis 10, wobei der zweite Wärmetauscher (1.2) dem ersten Wärmetauscher (1.1) so nachgeschaltet ist, dass zunächst die Strömungskanäle (9) des ersten Wärmetauschers
(1.1) und anschließend die Strömungskanäle (9) des zweiten Wärmetauschers (1.2) von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sind, und die ersten Wärmetauschelemente (5) des ersten Wärmetauschers
(1.1) und des zweiten Wärmetauschers (1.2) in Fluidkommunikation miteinander stehen, wobei bevorzugt zunächst die Rohrleitungen (6) des zweiten Wärmetauschers
(1.2) und anschließend die Rohrleitungen (6) des ersten
Wärmetauschers (1.1) von dem Wasser durchströmbar sind.
14. System (1) gemäß Anspruch 13, wobei die erste Strömungsrichtung (A) und die zweite Strömungsrichtung im ersten Wärmetauscher (1.1) senkrecht zueinander verlaufen und die erste Strömungsrichtung (A) und die zweite Strömungsrichtung im zweiten Wärmetauscher (1.2) parallel zueinander verlaufen.
15. System (1) gemäß Anspruch 13 oder 14, ferner mit einem dritten Wärmetauscher (1.3) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei im dritten Wärmetauscher (1.3) ein Thermoöl als Wärmetransfermedium vorgesehen ist, der dritte Wärmetauscher (1.3) dem zweiten Wärmetauscher
(1.2) so nachgeschaltet ist, dass zunächst die Strömungskanäle (9) des zweiten Wärmetauschers (1.2) und anschließend die Strömungskanäle des dritten Wärmetauschers
(1.3) von dem Wärmetauschfluid durchströmbar sind, das erste Wärmetauschelement (5) des dritten Wärmetauschers
(1.3) mit dem ersten Wärmetauschelement (5) des ersten Wärmetauschers (1.1) oder des zweiten Wärmetauschers (1.2) in Fluidkommunikation steht.
16. System (1) gemäß Anspruch 15, wobei der dritten Wärmetauscher (1.3) einen externen Wärmetauscher (11) , bevorzugt ein Plattenwärmetauscher, aufweist, welcher von dem Thermoöl durchströmt wird, um Wärme an eine Wärmesenke (12) abzugeben .
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