WO2011104328A2 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugen von überhitztem wasserdampf mittels solar-energie basierend auf dem naturumlauf-konzept sowie verwendung des überhitzten wasserdampfs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugen von überhitztem wasserdampf mittels solar-energie basierend auf dem naturumlauf-konzept sowie verwendung des überhitzten wasserdampfs Download PDF

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    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a device for generating superheated steam by means of solar energy and a procedural ren for generating superheated steam using the device.
  • a use of the superheated steam is indicated.
  • a solar thermal power plant with indirect evaporation has a steam generator.
  • the steam generator includes a heat transfer circuit (primary circuit) with a heat carrier medium and a water / steam circuit (secondary circuit) with water.
  • the heat transfer medium of the heat ⁇ carrier circuit such as a thermal oil or a salt melt, absorbs the solar energy in the form of heat (thermal energy).
  • the heat transfer medium is he ⁇ warms.
  • the heat absorbed by the heat transfer medium heat heat is transferred by means of feed water preheater, evaporator andmon heater to the water of the water / steam cycle.
  • superheated steam is generated.
  • the stored in superheated steam thermal energy is used to obtain the electrical energy. It comes to the conversion of thermal energy into electrical energy.
  • Object of the present invention is to show how efficiently superheated steam can be obtained with the help of solar energy, which can be used for the production of electrical energy.
  • a device for generating superheated steam by solar energy comprising at least one heat transfer circuit with a heat transfer medium for receiving the solar energy in the form of heat and at least one water / steam cycle with water Forming the superheated steam, wherein the heat transfer circuit and the water / steam circuit for generating the superheated steam via at least one steam generator are thermally coupled to each other and through the steam generator a natural circulation concept with feed ⁇ water preheater for preheating of liquid water Water / steam cycle, with evaporator for evaporating the heated by means of the feedwater preheater liquid water of the water / steam cycle and with superheater for overheating of the formed ⁇ using the evaporator Was ⁇ serdampfs the water / steam cycle is realized.
  • the evaporator at least one natural circulation steam drum for the separation of liquid water from the water vapor formed by the evaporator.
  • a method for generating superheated steam using the apparatus is also specified with the following method steps: a) Provide b) converting solar energy into heat of the heat transfer medium and c) transferring the heat of the heat transfer medium to the water of the water / steam cycle, wherein the superheated steam is generated.
  • a use of the superheated steam generated by the described method to obtain electrical energy is indicated, wherein with the aid of the superheated steam, a steam turbine is driven.
  • the idea underlying the invention consists in using solar energy for the formation of superheated steam (water vapor at a temperature above the boiling point of water), that is to say the electromagnetic radiation emitted by the sun and directed towards the earth's surface ⁇ che meets.
  • a suitable steam generator system be ⁇ reitrum.
  • the steam generator or the steam generator system are based on the concept of natural circulation.
  • evaporation and overheating can each be provided a separate heat transfer circuit.
  • a single, common heat transfer circuit is present for the feedwater preheating, evaporation and overheating. It is the
  • Heat transfer circuit advantageously designed such that the heat transfer medium is successively available in the region of the superheater, in the region of the evaporator and in the region of the feedwater preheater for the respective thermal coupling.
  • the evaporator has a natural circulation steam drum. With the help of the natural circulation steam drum, liquid water from the Water vapor are separated, which is formed by the steam generator. Due to the natural circulation steam drum, a phase separation takes place. First the product obtained after the phase separation "dry" steam is superheated and a nachge ⁇ off steam turbine supplied. The drying of the water vapor may at any time, for example during a startup of the steam generator system, are provided for optimum conditions for the formation of steam Thus. also it possible at any time of operation of the device effi ⁇ cient conversion of solar energy into water vapor made ⁇ union.
  • Feed water preheating, evaporation and overheating can take place in a single, common pressure vessel.
  • necessary for the feedwater preheating, evaporation and overheating necessary thermal coupling of each of the stages in a separate pressure vessel is a pre-heating water pipe for receiving of liquid water of the water / steam cycle is arranged in the at least ⁇ .
  • the preheating water pipe and the heat ⁇ carrier circuit in the preheating pressure vessel for heating befindlichem in the preheating water pipe, liquid water of the water / steam cycle by means of heat of the heat transfer medium are thermally coupled together.
  • the evaporator has at least one evaporator pressure vessel in which at least one evaporator heat transfer tube for receiving the heat transfer medium of the heat transfer circuit is arranged, and the evaporator heat transfer tube and the Water / steam cycle in Ver ⁇ steamer-pressure vessel for transferring located in the evaporator pressure vessel, heated by the feedwater preheater liquid water of the water / steam cycle in water vapor by means of heat of the heat transfer medium ther- Mixed with each other.
  • the formation of water vapor takes place.
  • the superheater has at least one superheater pressure vessel in which at least one superheater water pipe for receiving the water vapor generated by the evaporator of the water / steam cycle is arranged, and the superheater water pipe and the heat carrier -Circulation in the superheater pressure vessel for overheating of the located in the superheater water pipe, formed by the evaporator steam are thermally coupled to each other by means of heat of the heat transfer medium.
  • thermal coupling pipes are used through which either the heat transfer medium of the heat transfer circuit or the water of the water / steam cycle are performed.
  • evaporator pressure vessel of the evaporator can be arranged arbitrarily to each other.
  • the ⁇ their natural circulation drum and the superheater water pipe are connected together so that the steam can enter the superheater water tube of the superheater, after separation of liquid water.
  • the evaporator pressure vessel of the evaporator and the natural circulation steam drum of the evaporator are interconnected such that the water vapor formed in the evaporator pressure vessel can pass into the natural circulation drum and by the Ab ⁇ separation in nature drum formed liquid water can enter the evaporator pressure vessel.
  • the separated liquid water is returned to the evaporator pressure vessel.
  • special lines can be provided, through which the liquid water passes back into the evaporator pressure vessel.
  • the use of pumps is also conceivable in order to control the return flow of the liquid water into the evaporator pressure vessel.
  • the natural circulation drum is arranged above the evaporator pressure vessel.
  • at least one steam riser is arranged between the natural circulation drum and the evaporator pressure vessel through which the water vapor formed in the evaporator pressure vessel can enter the natural circulation drum.
  • This arrangement utilizes a natural movement of the water vapor formed in the evaporator pressure vessel from "bottom to top.”
  • the steam riser may in a particular embodiment, the steam riser therefore serves one wearing the natural circulation steam drum through the evaporator pressure vessel, the natural circulation steam drum tra ⁇ gen. This means that no additional carrying or holding device must be present.
  • the individual stages of the steam generator can be arranged separately from each other ⁇ .
  • the pressure tanks of feedwater preheaters, evaporators and / or superheaters are designed as units separated from each other (apparatuses). Via external lines is ensured that the water / steam cycle and / or the bathträ ⁇ ger cycle are closed. What waters of ⁇ ser / steam cycle and heat transfer medium of the heat carrier ⁇ -cycle move from one stage to the next.
  • the individual apparatuses can be arranged in any manner to each other, for example vertically or horizon tal ⁇ .
  • a flow of the heat transfer medium in the heat transfer circuit and / or a flow of water in the water / steam cycle from one stage to the next stage can al ⁇ lein by the on the heat transfer medium and / or on the water of the water / Steam cycle acting gravity can be caused.
  • the flow of the heat transfer medium and or the flow of water can also be supported or effected by means of ent ⁇ speaking pumps.
  • the flui ⁇ de be pumped from one stage to the next. It is because ⁇ provided for, that the heat carrier medium is first, then led past in the region of the superheater in the region of the evaporator and closing ⁇ Lich in the region of the feed water preheater for thermal coupling to the respective tubes. Hot heat transfer medium is thus used to overheat the water vapor, "slightly cooled” heat transfer medium for Ver ⁇ steaming and "cold" heat transfer medium for feedwater preheating.
  • the stages of the steam generator can also be constructed together as one unit (a single apparatus), ie not a separate units. It is ensured that the heat transfer medium of the heat transfer circuit and / or the water of the water / steam cycle passes directly from one stage to the next. It will be used (with the exception of any existing steam risers) no external lines.
  • the steam generator has, for example, a steam generator boiler. Preheating pressure vessels, evaporator pressure vessels and / or superheater pressure vessels are integrated as individual chambers in the steam generator boiler. In this case, all three units in the steam generator boiler side by side, ie horizontally to each other, are integrated. It is also possible that only two of the three units are contained in the steam generator boiler.
  • the pre-heating pressure vessel and the evaporator pressure vessel are arranged to each other such that the water of the water / steam cycle and / or the heat transfer medium of the heat carrier circuit directly from the preheating Pressure vessel can get into the evaporator pressure vessel.
  • the evaporator and superheater in view of the heat transfer medium (The water vapor takes going through the natural circulation steam drum):
  • evaporator pressure container and the superheater pressure vessel are arranged to each other such that the heat ⁇ carrier medium of the heat transfer Circuit can get directly from the réelle ⁇ heater pressure vessel in the evaporator pressure vessel.
  • tubes are preferably used for thermal coupling through which either the heat transfer medium of the heat transfer circuit or the water of Was ⁇ water / steam cycle are performed.
  • the preheating pressure vessel is designed such that the heat transfer medium of the heat transfer circuit can flow past the preheating water pipe for thermal Kopp ⁇ treatment of the preheating water pipe and the heat transfer circuit. It can be ensured that the heat transfer medium Moides, so several times flows past the preheating water pipe.
  • a corresponding structure is preferred for the superheater pressure vessel: The superheater pressure vessel is designed such that for thermal coupling of the superheater water pipe and the heat transfer circuit with each other, the heat transfer medium of the heat transfer circuit can flow past the superheater water pipe. By passing the heat transfer medium, the thermal coupling takes place. Again, a Heractedes Vorbeiströmen the heat transfer medium may be provided.
  • the preheating water pipe and the superheater water pipe can be arranged arbitrarily with respect to a flow direction of the heat transfer medium in the respective pressure vessels. It is particularly advantageous, however, when a L Lucassaudehnung of preheating the water pipe and / or a longitudinal ⁇ extension of the superheater water pipe transversely to a Strö ⁇ direction of flow of the heat carrier medium in the preheating pressure vessel and / or transverse to a flow direction of the heat carrier medium in the Superheater pressure vessel are arranged. In this form an efficient energy transfer takes place.
  • the "cross-countercurrent circuit" can be realized in the preheater of the preheater and / or in the superheater pressure vessel of the superheater.
  • the water pipe used for the heat coupling is meandering.
  • the preheat water pipe and / or the superheater water pipe have at least one meander (arc).
  • the corresponding water pipe is bent.
  • the water pipes are advantageously meandering. But other designs are also proving their worth in terms of efficient heat exchange. So it is also advantageous if the preheat water pipe and / or the superheater water pipe are spiral.
  • the preheating water pipe and / or the superheater water pipe have at least one coated meander.
  • Coated meander tubes are used. Coated meanders (U-bends) are bends with a bending angle greater than 180 °. so that a height of a Ge ⁇ total number of meanders (meander harp) against a structure with "real" U-tubes is smaller. plated meanders is also utilized optimally, a potential of a possible heat transfer.
  • the situation is different with respect to the evaporator heat transfer tube.
  • the use of a straight pipe proves its worth. This is especially true for a tube bundle of several evaporator heat transfer tubes.
  • the evaporator heat transfer tubes are welded, for example, on both sides in Rohrplat ⁇ th.
  • the welded-evaporator heat transfer tubes counteract a high pressure of a lateral surface of the evaporator pressure vessel. This makes it possible to use thin tube plates.
  • the water vapor starting from the natural circulation steam drum, is distributed via a distributor to a plurality of superheater water pipes of the superheater. In each of the superheater water pipes takes place separately, the overheating of the water vapor.
  • a collector collects the superheated steam recovered in the individual superheater water pipes.
  • the merged, Bulb temperature ⁇ te steam is then fed to a steam turbine further ⁇ .
  • Overheating is a variety of parallel, meandering or spiral water pipes available.
  • the flow direction (and the flow velocity) of the Heat transfer medium to influence. This concerns both the feedwater preheating and the steam overheating.
  • the heat transfer medium can be channeled on the respective water pipe or passed to the respective water pipes over.
  • deflecting plates for changing a flow direction of the preheating pressure vessel are flowing Heat transfer medium of the heat transfer circuit and / or for changing a flow direction of flowing in the superheater pressure fluid heat transfer medium of the heat carrier circuit available.
  • a plurality of steam generators are present.
  • the plurality of steam generators are connected in parallel to a larger steam generator unit.
  • the steam generator can also have an intermediate superheater (intermediate overheating stage).
  • intermediate superheater an efficiency is increased, with a down- stream steam turbine is operated.
  • additional thermal energy is introduced into the water vapor.
  • the introduction of the thermal energy can be done arbitrarily, for example by means of fossil fuels.
  • the intermediate overheating stage is operated solar-thermally:
  • Intermediate superheater has an intermediate superheater water pipe for receiving the water vapor.
  • heated by means of solar energy saucer ⁇ ger medium is passed by the intermediate superheater water pipe.
  • Intermediate superheater water pipe and heat transfer medium are thermally coupled together. By passing the heat transfer medium, the water vapor in the intermediate superheater water pipe is additionally overheated.
  • FIG. 3 shows a steam generator as a unit with horizontally arranged apparatuses.
  • FIG. 4 shows the operating principle of the steam generator as a unit according to FIG. 3 in a lateral cross section.
  • a device 1 for generating water vapor by means of solar energy has a dressing, a drying, and a heating, and a heating.
  • the circuits are thermally coupled to each other via at least one steam generator 4.
  • An exchange of heat can take place via the steam generator, so that the water is transferred from the liquid phase into the gaseous phase as water vapor (FIG. 1).
  • the feedwater preheater has a preheat pressure vessel 411, the evaporator an evaporator pressure vessel 421 and the superheater on a superheater pressure vessel 431.
  • a natural circulation steam drum 441 is disposed above the evaporator pressure vessel.
  • the evaporator pressure vessel and the natural circulation steam drum are connected.
  • the steam risers serve as a carrier of natural circulation steam drum.
  • the water of the What ⁇ ser / steam circuit and the heat carrier medium are the heat transfer -Kreislaufs in preheating-pressure vessel of the feed ⁇ water preheater for heating located in the preheating water pipe 412 liquid water by means of heat of the heat transfer medium thermally coupled together.
  • a bundle 413 is present at meandering preheat water pipes.
  • the preheating water pipes are in the form of coated meander ⁇ sets.
  • the preheating water pipes are combined to form a rectangular tube bundle.
  • the water is distributed to the preheating water pipes (see Figure 4).
  • the heated by the thermal ⁇ coupling of heat transfer medium and preheating water pipes water is recombined via a collector 36 at the end of the preheating water pipes and forwarded to the evaporator (see Figure 4).
  • the evaporator heat transfer tube 422 and the water of the water / steam cycle are thermally coupled together.
  • a bundle of evaporator heat transfer tubes is present, which are supplied via a manifold with heat transfer medium.
  • the used heat transfer medium is recombined via a collector and forwarded to the feedwater preheater.
  • the water of the water / steam cycle and the heat transfer medium of the heat carrier circuit in the superheater pressure vessel of the superheater for heating located in the superheater water pipe 432 liquid water by means of heat of the heat transfer medium are thermally coupled together.
  • superheater Used water pipes with coated meanders Like the preheating water pipes, the superheater water pipes are combined into a rectangular tube bundle.
  • the heat transfer medium is a thermal oil.
  • the heat transfer medium is a salt melt.
  • an intermediate overheating stage (intermediate superheater) 13 is provided to increase the efficiency of the downstream steam turbine.
  • the intermediate stage is also operated solar-thermally.
  • the intermediate superheater has an intermediate superheater water pipe for receiving the water vapor.
  • For intermediate superheating hot, heated by means of solar energy sauceträ ⁇ ger medium is passed past the intermediate superheater water pipe.
  • Intermediate superheater water pipe and heat transfer medium are thermally coupled together.
  • Preheating pressure vessel, evaporator pressure vessel and superheater pressure vessel are designed as separate and horizontally arranged to each other apparatuses and connected with ex ⁇ ternal pipes together ( Figure 2).
  • the preheat pressure vessel and the superheater pressure vessel are vertically positioned.
  • the evaporator pressure vessel is there ⁇ against horizontal.
  • the superheater pressure vessel has a heat transfer inlet 22, through which the heated via the solar panel 11 heat ⁇ medium carrier is fed from above into the superheater pressure vessel.
  • the heat transfer medium flows from the heat transfer medium inlet with a vertical flow direction from top to bottom.
  • the preheat pressure vessel has a water inlet 33 for liquid water of the water / steam cycle. Cooled heat transfer medium is removed again via the heat carrier outlet of the preheating pressure vessel and is available for the renewed absorption of heat by solar energy.
  • the individual heat exchangers are connected in countercurrent, so that the superheated steam escapes from the superheater pressure vessel on the side at which the hot heat medium ⁇ carrier medium occurs.
  • the cooled heat-carrier medium exits the preheat pressure vessel on the side where the feedwater enters.
  • the water pipes in the preheating pressure vessel and the superheater pressure vessel are arranged transversely to the flow direction of the heat transfer medium.
  • Umleitbleche for changing the flow direction of the heat transfer medium are also present. This ensures that an ef ⁇ efficient heat exchange between the heat transfer medium and in the
  • the apparatuses feedwater preheater, evaporator and superheater
  • the apparatuses are gekop ⁇ pelt to a steam generator unit and placed in a container ( Figures 3 and 4).
  • the coupling of this type can be dispensed with external lines between the apparatus, except drop and risers of the steam drum.
  • the risers are also used in this concept as a support structure for the steam drum.
  • the apparatuses inside the container are connected in counter ⁇ current.
  • the entire steam generator unit is arranged horizontally. To comply with the specified pipe pitch metallic bracket holder are used.
  • a distributor for distributing water of the water / steam circuit and a collector for collecting the water or the superheated steam of the water / steam circuit are present in each of these apparatuses.
  • An outer pressure shell of distributor and collector is cylindrical in each case.
  • the centrally located between feed water preheater and superheater evaporator is constructed as a simple tube bundle with straight evaporator heat transfer tubes. The welded on both sides in tube plates evaporator heat transfer tubes counteract a high pressure in the mantle space of the evaporator pressure vessel. This allows a use of thin tube plates. Hot heat transfer medium flows through the evaporator heat transfer tubes.
  • the heat transfer medium in the example shown is passed three times through the boiling point in the evaporator pressure vessel water.
  • This simple principle in addition to the efficient heat exchange, the production costs are kept low. Likewise, this and the cleaning of the evaporator is straightforward.
  • the required diameter of the tube bundle of the evaporator heat transfer tubes is decisive. This can be brought by varying pipe parameters to different dimensions.
  • the diameter of preheating pressure vessel and superheater pressure vessel can be adjusted by a corresponding Bundelgestal ⁇ tion without problems.
  • the device described is used to generate superheated steam by means of solar energy.
  • the following process steps are carried out: a) Provide b) converting solar energy into heat of the heat transfer medium; and c) transferring the heat of the heat transfer medium to the water, whereby the superheated water vapor is generated.
  • the generated, superheated steam is forwarded to a steam turbine for the production of electricity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie. Dabei wird ein Dampferzeuger basierend auf dem Naturumlauf-Konzept eingesetzt. Die Erzeugung von überhitztem Wasserdampf, mit dem beispielsweise eine Dampfturbine angetrieben wird, erfolgt dabei innerhalb eines Wasserrohres mehrstufig, nämlich über Speisewasser-Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung. Die dafür notwendige thermische Energie wird über ein durch Solar-Energie erwärmtes Wärmeträger-Medium bereitgestellt. Zur Erhöhung der Effizienz der Erzeugung des überhitzen Wasserdampfs werden unter anderem Rohrbündel eingesetzt. Im Hinblick auf größere Dampferzeuger-Einheiten wird zudem eine Vielzahl von Dampferzeugern parallel zusammengeschaltet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie basierend auf dem Naturumlauf Konzept sowie Verwendung des überhitzten Wasserdampfs
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie und ein Verfah ren zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf unter Verwendun der Vorrichtung. Darüber hinaus wird eine Verwendung des überhitzten Wasserdampfs angegeben.
Der Einsatz von solarthermischen Kraftwerken als Alternative zur herkömmlichen Strom-Erzeugung ist ein Weg zur Entschärfung der bestehenden Kohlendioxid-Problematik. Dabei wird So lar-Energie (Sonnen-Energie), d.h. elektromagnetische Strah¬ lung der Sonne, in elektrische Energie umgewandelt.
Momentan ist ein Großteil der solarthermischen Kraftwerke al solarthermische Kraftwerke mit indirekter Verdampfung ausge¬ führt. Dabei dienen Solar-Felder mit Parabolrinnen- Kollektoren als Empfänger der Solar-Energie. Alternativ zu den Parabolrinnen-Kollektoren finden Fresnel-Kollektoren als Empfänger der Solar-Energie Anwendung. Anstelle der Solar- Felder kommen auch Solar-Türme zum Einsatz.
Ein solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung weist einen Dampferzeuger auf. Der Dampferzeuger umfasst einen Wärmeträger-Kreislauf ( Primär-Kreislauf) mit einem Wärme träger-Medium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (Sekun- där-Kreislauf) mit Wasser. Das Wärmeträger-Medium des Wärme¬ träger-Kreislaufs, beispielsweise ein Thermo-Öl oder eine Salz-Schmelze, nimmt die Solar-Energie in Form von Wärme (thermische Energie) auf. Das Wärmeträger-Medium wird er¬ wärmt. Die durch das Wärmeträger-Medium aufgenommene Wärme wird mit Hilfe von Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und Üb erhitzer an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen. Dabei wird überhitzter Wasserdampf erzeugt. Die im überhitzten Wasserdampf gespeicherte thermische Energie wird zur Gewinnung der elektrischen Energie genutzt. Es kommt zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie .
Die Umwandlung der thermischen Energie des überhitzten Wasserdampfs in elektrische Energie erfolgt im „konventionellen" Teil eines solarthermischen Kraftwerks, beispielsweise mit Hilfe einer Dampfturbine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie mit Hilfe von Solar-Energie effizient überhitzter Wasserdampf gewonnen werden kann, der für die Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie angegeben, aufweisend mindestens einen Wärmeträger-Kreislauf mit einem Wärmeträger-Medium zur Aufnahme der Solar-Energie in Form von Wärme und mindestens einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf mit Wasser zur Bildung des überhitzten Wasserdampfs, wobei der Wärmeträger-Kreislauf und der Wasser/Wasserdampf-Kreislauf zur Erzeugung des überhitzten Wasserdampfs über mindestens einen Dampferzeuger thermisch miteinander gekoppelt sind und durch den Dampferzeuger ein Naturumlauf-Konzept mit Speise¬ wasser-Vorwärmer zum Vorwärmen von flüssigem Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs, mit Verdampfer zum Verdampfen des mit Hilfe des Speisewasser-Vorwärmers erwärmten flüssigen Wassers des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs und mit Überhitzer zum Überhitzen des mit Hilfe des Verdampfers gebildeten Was¬ serdampfs des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs realisiert ist. Dabei weist der Verdampfer mindestens eine Naturumlauf- Dampftrommel zur Abtrennung von flüssigem Wasser vom durch den Verdampfer gebildeten Wasserdampf auf.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf unter Verwendung der Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen des Wärmeträger-Mediums, b) Umwandeln von Solar-Energie in Wärme des Wärmeträger-Mediums und c) Übertragen der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Wasser des Wasser/Wasserdampf- Kreislaufs, wobei der überhitzte Wasserdampf erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung des mit dem beschriebenen Verfahren erzeugten überhitzten Wasserdampfs zur Gewinnung von elektrischer Energie angegeben, wobei mit Hilfe des überhitzten Wasserdampfs eine Dampfturbine angetrieben wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht dabei darin, zur Bildung von überhitztem Wasserdampf (Wasserdampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser) So- lar-Energie zu nutzen, also die elektromagnetische Strahlung, die von der Sonne ausgesandt wird und die auf die Erdoberflä¬ che trifft. Dazu wird ein geeignetes Dampferzeuger-System be¬ reitgestellt. Der Dampferzeuger bzw. das Dampferzeuger-System basieren auf dem Konzept des Naturumlaufs.
Die Erzeugung des überhitzten Wasserdampfs erfolgt mehrstu¬ fig, nämlich über die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung (Bildung von Wasserdampf) und die Überhitzung des Wasserdampfs. Jede der Stufen wird solar-thermisch betrieben.
Für die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung und die Überhitzung kann jeweils ein eigener Wärmeträger-Kreislauf vorgesehen sein. Vorzugsweise ist aber für die Speisewasser- Vorwärmung, die Verdampfung und die Überhitzung ein einziger, gemeinsamer Wärmeträger-Kreislauf vorhanden. Dabei ist der
Wärmeträger-Kreislauf vorteilhaft derart gestaltet, dass das Wärmeträger-Medium nacheinander im Bereich des Überhitzers, im Bereich des Verdampfers und im Bereich des Speisewasser- Vorwärmers für die jeweilige thermische Kopplung zur Verfü- gung steht.
Der Verdampfer weist eine Naturumlauf-Dampftrommel auf. Mit Hilfe der Naturumlauf-Dampftrommel kann flüssiges Wasser vom Wasserdampf abgetrennt werden, der durch den Dampferzeuger gebildet wird. Durch die Naturumlauf-Dampftrommel findet eine Phasentrennung statt. Erst der nach der Phasentrennung erhaltene „trockene" Wasserdampf wird überhitzt und einer nachge¬ schalteten Dampfturbine zugeführt. Durch die Trocknung des Wasserdampfs kann zu jeder Zeit, beispielsweise während eines Anfahrens des Dampferzeuger-Systems, für optimale Bedingungen für die Dampfbildung gesorgt werden. Somit ist auch es möglich, zu jeder Zeit des Betriebs der Vorrichtung eine effi¬ ziente Umwandlung von Solar-Energie in Wasserdampf zu ermög¬ lichen .
Speisewasser-Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung können in einem einzigen, gemeinsamen Druckbehälter stattfinden. Vorzugsweise findet für die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung und die Überhitzung notwendige thermische Kopplung jeder der Stufen aber in einem jeweils eigenen Druckbehälter statt. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist dabei der Speisewasser-Vorwärmer mindestens einen Vorwärm-Druckbehälter auf, in dem mindestens ein Vorwärm-Wasserrohr zur Aufnahme von flüssigem Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs ange¬ ordnet ist. Dabei sind das Vorwärm-Wasserrohr und der Wärme¬ träger-Kreislauf im Vorwärm-Druckbehälter zum Erwärmen von im Vorwärm-Wasserrohr befindlichem, flüssigen Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs mittels Wärme des Wärmeträger- Mediums thermisch miteinander gekoppelt.
Hinsichtlich der Verdampfung ist eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei der der Verdampfer mindestens einen Verdampfer- Druckbehälter aufweist, in dem mindestens ein Verdampfer- Wärmeträger-Rohr zur Aufnahme des Wärmeträger-Mediums des Wärmeträger-Kreislaufs angeordnet ist, und das Verdampfer- Wärmeträger-Rohr und der Wasser/Wasserdampf-Kreislauf im Ver¬ dampfer-Druckbehälter zum Überführen des im Verdampfer- Druckbehälter befindlichen, durch den Speisewasser-Vorwärmer erwärmten flüssigen Wassers des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs in Wasserdampf mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums ther- misch miteinander gekoppelt sind. Im Verdampfer-Druckbehälter findet die Bildung von Wasserdampf statt.
Bezüglich der Überhitzung ist eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei der der Überhitzer mindestens einen Überhitzer- Druckbehälter aufweist, in dem mindestens ein Überhitzer- Wasserrohr zur Aufnahme des vom Verdampfer erzeugten Wasserdampfs des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs angeordnet ist, und das Überhitzer-Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Überhitzer-Druckbehälter zum Überhitzen des im Überhitzer- Wasserrohr befindlichen, durch den Verdampfer gebildeten Wasserdampfs mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind. Zur thermischen Kopplung werden Rohre benutzt, durch die entweder das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs oder das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs geführt werden. Bei der Speiswasser-Vorwärmung und der Überhitzung wird das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs in dem jeweiligen Rohr geführt. Dagegen strömt bei der Überhitzung nicht das Wasser oder der Wasserdampf des Wasser/Wasser-Kreislaufs in dem Rohr, sondern das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger- Kreislaufs im entsprechenden Rohr. Im Prinzip können Verdampfer-Druckbehälter des Verdampfers, Naturumlauf-Dampftrommel des Verdampfers und Überhitzer- Druckbehälter des Überhitzers beliebig zueinander angeordnet sein. Es ist lediglich dafür zu sorgen, dass der im Verdampfer-Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf- Dampftrommel gelangen kann und dass der Wasserdampf erst nach der Abtrennung von flüssigem Wasser von der Naturumlauf- Dampftrommel zum Überhitzer, d.h. in das Überhitzer- Wasserrohr des Überhitzers geleitet wird. Gemäß einer beson¬ deren Ausgestaltung sind daher die Naturumlauf-Trommel und das Überhitzer-Wasserrohr derart miteinander verbunden, dass der Wasserdampf nach der Abtrennung von flüssigem Wasser in das Überhitzer-Wasserrohr des Überhitzers gelangen kann. Darüber hinaus ist es günstig, das abgetrennte flüssige Was¬ ser dem Wasser/Wasserdampf-Kreislauf wieder zuzuführen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind daher der Verdampfer- Druckbehälter des Verdampfers und die Naturumlauf- Dampftrommel des Verdampfers derart miteinander verbunden, dass der im Verdampfer-Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf-Trommel gelangen kann und das durch die Ab¬ trennung in der Natur-Trommel gebildete flüssige Wasser in den Verdampfer-Druckbehälter gelangen kann. Das abgetrennte flüssige Wasser wird wieder in den Verdampfer-Druckbehälter geleitet. Dazu können spezielle Leitungen vorgesehen sein, durch die das flüssige Wasser wieder in den Verdampfer- Druckbehälter gelangt. Auch ist der Einsatz von Pumpen denkbar, um den Rückfluss des flüssigen Wassers in den Verdamp- fer-Druckbehälter zu steuern.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Naturumlauf- Trommel über dem Verdampfer-Druckbehälter angeordnet. Dabei ist zwischen der Naturumlauf-Trommel und dem Verdampfer- Druckbehälter mindestens eine Dampf-Steigleitung angeordnet, durch die der im Verdampfer-Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf-Trommel gelangen kann. Durch diese Anordnung wird eine natürliche Bewegung des im Verdampfer- Druckbehälter gebildeten Wasserdampfs von „unten nach oben" ausgenutzt. Durch die Dampf-Steigleitung gelangt der im Verdampfer-Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf-Dampftrommel. Durch die Dampf-Steigleitung kann auch das in der Naturumlauf-Dampftrommel abgetrennte Wasser wieder in den Verdampfer-Druckbehälter zurückfließen. Darüber hinaus kann die Dampf-Steigleitung die Naturumlauf-Dampftrommel tra¬ gen. In einer besonderen Ausgestaltung dient daher die Dampf- Steigleitung einem Tragen der Naturumlauf-Dampftrommel über dem Verdampfer-Druckbehälter. Dies bedeutet, dass keine zusätzliche Trage- beziehungsweise Haltevorrichtung vorhanden sein muss.
Die einzelnen Stufen des Dampferzeugers können getrennt von¬ einander angeordnet sein. Gemäß einer besonderen Ausgestal- tung sind daher der Vorwärm-Druckbehälter, der Verdampfer- Druckbehälter und der Überhitzer-Druckbehälter über mindestens eine externe Leitung miteinander verbunden, durch die das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs oder das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs strömen können. Die Druckbehälter von Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und/oder Überhitzer sind als von einander separierte Einheiten (Apparate) ausgeführt. Über externe Leitungen wird dafür gesorgt, dass der Wasser/Wasserdampf-Kreislauf und/oder der Wärmeträ¬ ger-Kreislauf geschlossen sind. Wasser des Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs bzw. Wärmeträger-Medium des Wärme¬ träger-Kreislaufs gelangen von einer Stufe zur nächsten. Dabei können die einzelnen Apparate in beliebiger Weise zueinander angeordnet sein, beispielsweise vertikal oder horizon¬ tal .
Ein Fließen des Wärmeträger-Mediums im Wärmeträger-Kreislauf und/oder ein Fließen des Wassers im Wasser/Wasserdampf- Kreislauf von einer Stufe zur nächsten Stufe können dabei al¬ lein durch die auf das Wärmeträger-Medium und/oder auf das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs wirkende Schwerkraft hervorgerufen werden. Das Fließen des Wärmeträger-Mediums und oder das Fließen des Wassers kann aber auch mit Hilfe ent¬ sprechender Pumpen unterstützt bzw. bewirkt werden. Die Flui¬ de werden von einer Stufe zur nächsten gepumpt. Dabei ist da¬ für gesorgt, dass das Wärmeträger-Medium zunächst im Bereich des Überhitzers, dann im Bereich des Verdampfers und schlie߬ lich im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers zur thermischen Kopplung an den entsprechenden Rohren vorbeigeleitet wird. Heißes Wärmeträger-Medium wird also zur Überhitzung des Wasserdampfs, „etwas abgekühltes" Wärmeträger-Medium zur Ver¬ dampfung und „kaltes" Wärmeträger-Medium zur Speisewasser- Vorwärmung genutzt.
Die Stufen des Dampferzeugers können auch zusammen als eine Einheit (ein einziger Apparat) aufgebaut sein, also nicht a voneinander separierte Einheiten. Dabei ist dafür gesorgt, dass das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs und/oder das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs direkt von einer Stufe zur nächsten gelangt. Es werden (mit Ausnahme von eventuell vorhandenen Dampf-Steigleitungen) keine externen Leitungen verwendet. Der Dampferzeuger weist beispielsweise einen Dampferzeuger-Kessel auf. In dem Dampferzeuger- Kessel sind Vorwärm-Druckbehälter, Verdampfer-Druckbehälter und/oder Überhitzer-Druckbehälter als einzelne Kammern integriert. Dabei können alle drei Einheiten in dem Dampferzeuger- Kessel nebeneinander, also horizontal zueinander, integriert sind. Es ist auch möglich, dass lediglich zwei der drei Einheiten im Dampferzeuger-Kessel enthalten sind. Aus den voran¬ gegangenen Überlegungen folgt: Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind der Vorwärm-Druckbehälter und der Verdampfer- Druckbehälter derart aneinander angeordnet, dass das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs und/oder das Wärmeträger- Medium des Wärmeträger-Kreislaufs unmittelbar vom Vorwärm- Druckbehälter in den Verdampfer-Druckbehälter gelangen können. Entsprechendes gilt für Verdampfer und Überhitzer im Hinblick auf das Wärmeträger-Medium (Der Wasserdampf nimmt den Umweg über die Naturumlauf-Dampftrommel ) : Vorzugsweise sind Verdampfer-Druckbehälter und der Überhitzer- Druckbehälter derart aneinander angeordnet, dass das Wärme¬ träger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs unmittelbar vom Üb¬ erhitzer-Druckbehälter in den Verdampfer-Druckbehälter gelangen kann.
Wie oben angesprochen, werden zur thermischen Kopplung vorzugsweise Rohre benutzt, durch die entweder das Wärmeträger- Medium des Wärmeträger-Kreislaufs oder das Wasser des Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs geführt werden. An den Außenwänden der Rohre befinden sich - umgekehrt - das Wasser des Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs oder das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs. Mittelbar über das Rohr bzw. über die Rohre findet der jeweilige Wärmeaustausch statt. Dazu besteht das Rohr bzw. bestehen die Rohre aus einem Material mit einem relativ hohen thermischen Leitfähigkeits-Koeffizienten λ. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Kupfer (λ = 395
J/mKs) . Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist der Vorwärm- Druckbehälter derart ausgestaltet, dass zur thermischen Kopp¬ lung des Vorwärm-Wasserrohres und des Wärmeträger-Kreislaufs miteinander das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs am Vorwärm-Wasserrohr vorbeiströmen kann. Dabei kann dafür gesorgt werden, dass das Wärmeträger-Medium mehrzügig, also mehrmals am Vorwärm-Wasserrohr vorbeiströmt. Ein entsprechender Aufbau ist für den Überhitzer-Druckbehälter bevorzugt: Der Überhitzer-Druckbehälter ist derart ausgestaltet, dass zur thermischen Kopplung des Überhitzer-Wasserrohres und des Wärmeträger-Kreislaufs miteinander das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs am Überhitzer-Wasserrohr vorbeiströmen kann. Durch das Vorbeiströmen des Wärmeträger-Mediums findet die thermische Kopplung statt. Auch hier kann ein mehrzügiges Vorbeiströmen des Wärmeträger-Mediums vorgesehen sein.
Grundsätzlich können das Vorwärm-Wasserrohr und das Überhitzer-Wasserrohr bezüglich einer Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums in den jeweiligen Druckbehältern beliebig angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn eine Längsaudehnung des Vorwärm-Wasserrohres und/oder eine Längs¬ ausdehnung des Überhitzer-Wasserrohres quer zu einer Strö¬ mungsrichtung des Wärmeträger-Mediums im Vorwärm- Druckbehälter und/oder quer zu einer Strömungsrichtung des Wärmeträger-Mediums im Überhitzer-Druckbehälter angeordnet sind. In dieser Form findet eine effiziente Energie- Übertragung statt. Es liegt eine „Quer-Gegenstromschaltung" vor. Die „Quer-Gegenstromschaltung" kann dabei im Vorwärm- Druckbehälter des Vorwärmers und/oder im Überhitzer- Druckbehälter des Überhitzers realisiert sein.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das für die Wärme- Kopplung verwendete Wasserrohr mäanderförmig . Dies bedeutet, dass das Vorwärm-Wasserrohr und/oder das Überhitzer- Wasserrohr mindestens einen Mäander (Bogen) aufweisen. Das entsprechende Wasserrohr ist gebogen. Zwar sind die Wasserrohre vorteilhaft mäanderförmig . Aber auch andere Bauformen bewähren sich im Hinblick auf einen effizienten Wärmeaustausch. So ist es auch vorteilhaft, wenn das Vorwärm-Wasserrohr und/oder das Überhitzer-Wasserrohr spiralförmig sind.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weisen das Vorwärm- Wasserrohr und/oder das Überhitzer-Wasserrohr mindestens einen überzogenen Mäander auf. Es werden überzogene Mäanderrohre eingesetzt. Überzogene Mäander (U-Bögen) sind Bögen mit einem Biegewinkel größer 180°. so dass eine Bauhöhe einer Ge¬ samtzahl von Mäandern (Mäander-Harfe) gegenüber einem Aufbau mit „echten" U-Rohren kleiner ist. Überzogenen Mäandern wird zudem ein Potenzial eines möglichen Wärmedurchgangs optimal ausgenutzt .
Anders sieht die Situation bezüglich des Verdampfer- Wärmeträger-Rohres aus. Hier bewährt sich der Einsatz eines geraden Rohres. Dies gilt insbesondere für ein Rohrbündel aus mehreren Verdampfer-Wärmeträger-Rohren. Die Verdampfer- Wärmeträger-Rohre sind beispielsweise beidseitig in Rohrplat¬ ten eingeschweißt. Die eingeschweißten Verdampfer- Wärmeträger-Rohre wirken einem hohen Druck einer Mantelfläche des Verdampfer-Druckbehälters entgegen. Damit ist der Einsatz dünner Rohrplatten möglich.
Im Hinblick auf einen effizienten Wärmeaustausch ist es besonders effizient, eine Vielzahl parallel zueinander angeord¬ neter Rohre vorzusehen. Es liegt ein Rohr-Bündel vor. Bei ge¬ gebenem Rohrvolumen ist eine (Gesamt-) Rohr-Oberfläche, über die die Wärmekopplung des Wärmeträger-Mediums und des Wassers stattfindet, bei einem Rohr-Bündel im Vergleich zu einem ein¬ zigen Rohr höher. Dies betrifft die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung und/oder die Überhitzung. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind daher eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Vorwärm-Wasserrohren und/oder eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Verdampfer- Wärmeträger-Rohren und/oder eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Überhitzer-Wasserrohren vorhanden.
Bei einem Bündel von Überhitzer-Wasserrohren wird beispiels- weise der Wasserdampf, ausgehend von der Naturumlauf- Dampftrommel über einen Verteiler auf eine Mehrzahl von Überhitzer-Wasserrohren des Überhitzers verteilt. In jedem der Überhitzer-Wasserrohre findet separat die Überhitzung des Wasserdampfs statt. Über einen Sammler wird der in den ein- zelnen Überhitzer-Wasserrohren gewonnene, überhitzte Wasserdampf wieder zusammengeführt. Der zusammengeführte, überhitz¬ te Wasserdampf wird anschließend an eine Dampfturbine weiter¬ geleitet . Wie oben bereits angegeben, ist es vorteilhaft, im Hinblick auf die Speisewasser-Vorwärmung bzw. auf die Wasserdampf- Überhitzung, jeweils ein mäanderförmiges oder spiralförmiges Wasserrohr zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist die Ver¬ wendung von Rohrbündeln aus Rohren mit diesen Rohr-Formen: Für die Speisewasser-Vorwärmung und/oder die Wasserdampf-
Überhitzung ist eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, mäanderförmigen oder spiralförmigen Wasserrohren vorhanden . Zur weiteren Erhöhung der Effizienz, mit der Wärme des Wärmeträger-Mediums des Wärmeträger-Kreislaufs auf das Wasser bzw. den Wasserdampf des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen werden kann, ist es vorteilhaft, die Strömungs-Richtung (und die Strömungs-Geschwindigkeit) des Wärmeträger-Mediums zu be- einflussen. Dies betrifft sowohl die Speisewasser-Vorwärmung als auch die Wasserdampf-Überhitzung . Das Wärmeträger-Medium kann kanalisiert am jeweiligen Wasserrohr oder an den jeweiligen Wasserrohren vorbei geleitet werden. Daher sind gemäß einer besonderen Ausgestaltung zwischen der Vielzahl von pa- rallel zueinander angeordneten Vorwärm-Wasserrohren und/oder zwischen der Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Überhitzer-Wasserrohren Umleitbleche zur Veränderung einer Strömungsrichtung von im Vorwärm-Druckbehälter strömenden Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs und/oder zur Veränderung einer Strömungsrichtung von im Überhitzer- Druckbehälter strömenden Wärmeträger-Medium des Wärmeträger- Kreislaufs vorhanden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Dampferzeugern vorhanden. Vorzugsweise ist die Vielzahl von Dampferzeugern parallel zu einer größeren Dampferzeuger- Einheit zusammengeschaltet.
Neben Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer kann der Dampferzeuger zusätzlich einen Zwischen-Überhitzer (Zwi- schen-Überhitzungs-Stufe) aufweisen. Mit dem Zwischen¬ überhitzer wird ein Wirkungsgrad erhöht, mit der eine nachge- schaltete Dampfturbine betrieben wird. Mit der Zwischen- Überhitzungs-Stufe wird zusätzlich thermische Energie in den Wasserdampf eingebracht. Das Einbringen der thermischen Energie kann dabei beliebig erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von fossilen Brennstoffen. Vorzugsweise wird aber auch die Zwischen-Überhitzungs-Stufe solar-thermisch betrieben: Der
Zwischen-Überhitzer weist ein Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr zur Aufnahme des Wasserdampfs auf. Zur Zwischen-Überhitzung wird heißes, mit Hilfe von Solar-Energie erwärmtes Wärmeträ¬ ger-Medium an dem Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr vorbeigelei- tet. Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr und Wärmeträger-Medium sind thermisch miteinander gekoppelt. Durch das Vorbeileiten des Wärmeträger-Mediums wird der Wasserdampf im Zwischen- Überhitzer-Wasserrohr zusätzlich überhitzt. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsge¬ treuen Abbildungen dar. Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines solaren Parabol-Rinnen- Kraftwerks . Figur 2 zeigt eine Vorrichtung mit Dampferzeuger als System mit getrennten Apparaten.
Figur 3 zeigt einen Dampferzeuger als eine Einheit mit hori- zontal angeordneten Apparaten.
Figur 4 zeigt das Funktionsprinzip des Dampferzeugers als Einheit gemäß Figur 3 in einem seitlichen Querschnitt. Gegeben ist eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Wasserdampf mittels Solar-Energie . Die Vorrichtung weist einen Wärmeträ¬ ger-Kreislauf 2 und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf 3 auf. Die Kreisläufe sind über mindestens einen Dampferzeuger 4 thermisch miteinander gekoppelt. Über den Dampferzeuger kann ein Austausch von Wärme stattfinden, so dass das Wasser von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase als Wasserdampf überführt wird (Figur 1) .
Mit dem Dampferzeuger ist ein Naturumlauf-Konzept 44 mit Speisewasser-Vorwärmer 41, Verdampfer 42 und Überhitzer 43 realisiert. Der Speisewasser-Vorwärmer weist einen Vorwärm- Druckbehälter 411, der Verdampfer einen Verdampfer- Druckbehälter 421 und der Überhitzer einen Überhitzer- Druckbehälter 431 auf. Über dem Verdampfer-Druckbehälter ist eine Naturumlauf-Dampftrommel 441 angeordnet. Über die Dampf- Steigleitungen 451 sind der Verdampfer-Druckbehälter und die Naturumlauf-Dampftrommel verbunden. Durch die Dampf- Steigleitungen gelangt der im Verdampfer-Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf-Dampftrommel . Außerdem dienen die Dampf-Steigleitungen als Träger der Naturumlauf- Dampftrommel .
In der Naturumlauf-Dampftrommel findet eine Abtrennung von flüssigem Wasser vom Wasserdampf statt. Das abgetrennte flüs- sige Wasser wird über die Zurück-Führungsleitungen 452 wieder in den Verdampfer-Druckbehälter geleitet und steht dort wieder der Wasserdampf-Erzeugung zur Verfügung. Über die Wasserdampf-Zuleitung 453 gelangt der mit der Naturumlauf- Dampftrommel getrocknete Wasserdampf in den Überhitzer- Druckbehälter .
Zur Übertragung von Wärme, die über das Solarfeld 11 (Para- bolrinnen-Feld) auf das Wärmeträger-Medium 20 des Wärmeträ¬ ger-Kreislaufes übertragen wird, sind das Wasser des Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs und das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs im Vorwärm-Druckbehälter des Speise¬ wasser-Vorwärmers zum Erwärmen von im Vorwärm-Wasserrohr 412 befindlichem flüssigen Wasser mittels Wärme des Wärmeträger- Mediums thermisch miteinander gekoppelt. Dabei ist ein Bündel 413 an mäanderformigen Vorwärm-Wasserrohren vorhanden. Die Vorwärm-Wasserrohre sind in Form überzogener Mäander einge¬ setzt. Die Vorwärm-Wasserrohre sind zu einem rechteckigen Rohrbündel zusammengefasst .
Über einen Verteiler 35 wird das Wasser auf die Vorwärm- Wasserrohre verteilt (vgl. Figur 4) . Das durch die thermi¬ schen Kopplung von Wärmeträger-Medium und Vorwärm- Wasserrohren erwärmte Wasser wird über einen Sammler 36 am Ende der Vorwärm-Wasserrohre wieder zusammengeführt und an den Verdampfer weitergeleitet (vgl. Figur 4) .
Im Verdampfer-Druckbehälter sind das Verdampfer-Wärmeträger- Rohr 422 und das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs thermisch miteinander gekoppelt. Im Verdampfer-Druckbehälter ist ein Bündel an Verdampfer-Wärmeträger-Rohren vorhanden, die über einen Verteiler mit Wärmeträger-Medium versorgt werden. Das gebrauchte Wärmeträger-Medium wird über einen Sammler wieder zusammengeführt und an den Speisewasser-Vorwärmer weitergeleitet .
Darüber hinaus sind das Wasser des Wasser/Wasserdampf- Kreislaufs und das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger- Kreislaufs im Überhitzer-Druckbehälter des Überhitzers zum Erwärmen von im Überhitzer-Wasserrohr 432 befindlichem flüssigen Wasser mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt. Auch hier werden Überhitzer- Wasserrohre mit überzogenen Mäandern benutzt. Wie die Vor- wärm-Wasserrohre sind die Überhitzer-Wasserrohre zu einem rechteckigen Rohrbündel zusammengefasst .
Das Wärmeträger-Medium ist ein Thermo-Öl. In einer alternati¬ ven Ausgestaltung ist das Wärmeträger-Medium eine Salz- Schmelze .
Weiterhin ist zusätzlich zu dem Dampferzeuger eine Zwischen- Überhitzungs-Stufe ( Zwischen-Überhitzer) 13 vorhanden, um den Wirkungsgrad der nachgeschalteten Dampfturbine zu erhöhen. Auch die Zwischenstufe wird solar-thermisch betrieben. Der Zwischen-Überhitzer weist ein Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr zur Aufnahme des Wasserdampfs auf. Zur Zwischen-Überhitzung wird heißes, mit Hilfe von Solar-Energie erwärmtes Wärmeträ¬ ger-Medium an dem Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr vorbeigeleitet. Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr und Wärmeträger-Medium sind thermisch miteinander gekoppelt.
Beispiel 1 :
Vorwärm-Druckbehälter, Verdampfer-Druckbehälter und Überhitzer-Druckbehälter sind als voneinander separierte und horizontal zueinander angeordnete Apparate ausgeführt und mit ex¬ ternen Rohrleitungen miteinander verbunden (Figur 2). Der Vorwärm-Druckbehälter und der Überhitzer-Druckbehälter sind vertikal aufgestellt. Der Verdampfer-Druckbehälter liegt da¬ gegen horizontal.
Der Überhitzer-Druckbehälter weist einen Wärmeträger-Einlass 22 auf, durch den das über das Solarfeld 11 erhitzte Wärme¬ träger-Medium von oben in den Überhitzer-Druckbehälter eingespeist wird. Innerhalb des Überhitzer-Druckbehälters strömt das Wärmeträger-Medium ausgehend vom Wärmeträger-Medium- Einlass mit einer vertikalen Strömungs-Richtung von oben nach unten . Der Vorwärm-Druckbehälter weist einen Wasser-Einlass 33 für flüssiges Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs auf. Über den Wärme-Träger-Auslass des Vorwärm-Druckbehälters wird ab- gekühltes Wärmeträger-Medium wieder abgeführt und steht zur neuerlichen Aufnahme von Wärme durch Solar-Energie zur Verfü- gung .
Die einzelnen Wärmetauscher sind in Gegenstrom geschaltet, so dass der überhitzte Wasserdampf aus dem Überhitzer- Druckbehälter auf der Seite austritt, an der das heiße Wärme¬ träger-Medium eintritt. Das abgekühlte Wärme-Träger-Medium tritt aus dem Vorwärm-Druckbehälter auf der Seite aus, an der das Speisewasser eintritt. Darüber hinaus sind die Wasser- Rohre im Vorwärm-Druckbehälter und im Überhitzer- Druckbehälter quer zur Strömungsrichtung des Wärmeträger- Mediums angeordnet. Um einen möglichst effizienten Wärmeübertrag sicherzustellen, sind zudem im Vorwärm-Druckbehälter und im Überhitzer-Druckbehälter zwischen den Wasserrohren Umleitbleche zur Veränderung der Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums vorhanden. Damit ist sichergestellt, dass ein ef¬ fizienter Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträger-Medium und dem in den
Wasserrohren vorhandenem Wasser stattfinden kann.
Beispiel 2 :
Auch hier eine Naturumlauf-Dampftrommel verwendet. Bei dieser Ausführung sind die Apparate (Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer) zu einer Dampferzeuger-Einheit gekop¬ pelt und in einem Behälter platziert (Figuren 3 und 4) . Durch die Koppelung der dieser Art kann auf externen Leitungen zwischen den Apparaten, ausgenommen Fall- und Steigleitungen der Dampftrommel , verzichtet werden. Die Steigleitungen dienen auch in diesem Konzept als Tragkonstruktion für die Dampftrommel. Die Apparate im Inneren des Behälters sind in Gegen¬ strom geschaltet. Um die Naturzirkulation zwischen dem Verdampfer und Dampftrommel sicher zu stellen ist die gesamte Dampferzeuger-Einheit horizontal angeordnet. Für die Einhaltung von der vorgegebenen Rohrteilung werden metallischen Bügelhalter verwendet. Bei dieser Ausführung sind in jedem dieser Apparate ein Verteiler zum Verteilen von Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs und ein Sammler zum Sammeln des Wasser bzw. des überhitzten Wasserdampfs des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs vorhanden. Eine äußere Druckschale von Verteiler und Sammler ist jeweils zylinderförmig. Der mittig zwischen Speisewasser-Vorwärmer und Überhitzer angeordnete Verdampfer ist als einfaches Rohrbündel mit geraden Verdampfer-Wärmeträger-Rohren aufgebaut. Die beidseitig in Rohrplatten eingeschweißten Verdampfer-Wärmeträger-Rohre wirken einem hohen Druck im Mantelraum des Verdampfer- Druckbehälters entgegen. Dies ermöglicht einen Einsatz dünner Rohrplatten. Durch die Verdampfer-Wärmeträger-Rohre fließt heißes Wärmeträger-Medium. Dabei wird das Wärmeträger-Medium im dargestellten Beispiel drei Mal durch das im Verdampfer- Druckbehälter siedende Wasser geleitet. Durch dieses einfache Prinzip sind, neben dem effizienten Wärmeaustausch, die Herstellungskosten niedrig gehalten. Ebenso ist dadurch und die Reinigung des Verdampfers unkompliziert.
Für den Durchmesser des Verdampfer-Druckbehälters ist der er- forderliche Durchmesser des Rohrbündels des Verdampfer- Wärmeträger-Rohre maßgebend. Dieser kann durch Variation von Rohrparametern auf unterschiedlichen Abmessungen gebracht werden . Die Durchmesser von Vorwärm-Druckbehälter und Überhitzer- Druckbehälter können durch eine entsprechende Bündelgestal¬ tung ohne Probleme angepasst werden. Für die Durchführung von Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten sind zwischen den Apparaten (nicht dargestellte) Zugänge zu den Rohrbündeln vorgesehen.
Die beschriebene Vorrichtung wird zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie verwendet. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: a) Bereitstellen des Wärmeträger-Mediums, b) Umwandeln von Solar-Energie in Wärme des Wärmeträger-Mediums und c) Übertragen der Wärme de Wärmeträger-Mediums auf das Wasser, wobei der überhitzte Was serdampf erzeugt wird.
Der erzeugte, überhitzte Wasserdampf wird zur Gewinnung von elektrischem Strom an eine Dampfturbine weitergeleitet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie aufweisend,
- mindestens einen Wärmeträger-Kreislauf (2) mit einem Wärme¬ träger-Medium (20) zur Aufnahme der Solar-Energie in Form von Wärme und
- mindestens einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (3) mit Was¬ ser zur Bildung des überhitzten Wasserdampfs, wobei
- der Wärmeträger-Kreislauf und der Wasser/Wasserdampf- Kreislauf zur Erzeugung des überhitzten Wasserdampfs über mindestens einen Dampferzeuger (4) thermisch miteinander gekoppelt sind und
- durch den Dampferzeuger (4) ein Naturumlauf-Konzept (44) mit Speisewasser-Vorwärmer (41) zum Vorwärmen von flüssigem Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs , mit Verdampfer (42) zum Verdampfen des mit Hilfe des Speisewasser-Vorwärmers er¬ wärmten flüssigen Wassers des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs und mit Überhitzer (43) zum Überhitzen des mit Hilfe des Verdampfers gebildeten Wasserdampfs des Wasser/Wasserdampf- Kreislaufs realisiert ist, wobei der Verdampfer mindestens eine Naturumlauf-Dampftrommel (441) zur Abtrennung von flüs¬ sigem Wasser vom durch den Verdampfer gebildeten Wasserdampf aufweist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei
- der Speisewasser-Vorwärmer mindestens einen Vorwärm- Druckbehälter (411) aufweist, in dem mindestens ein Vorwärm- Wasserrohr (412) zur Aufnahme von flüssigem Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs angeordnet ist, und
- das Vorwärm-Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Vorwärm-Druckbehälter zum Erwärmen von im Vorwärm-Wasserrohr befindlichem, flüssigen Wasser des Wasser/Wasserdampf- Kreislaufs mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobe - der Verdampfer mindestens einen Verdampfer-Druckbehälter (421) aufweist, in dem mindestens ein Verdampfer-Wärmeträger- Rohr (422) zur Aufnahme des Wärmeträger-Mediums des Wärmeträ¬ ger-Kreislaufs angeordnet ist, und
- das Verdampfer-Wärmeträger-Rohr und der Wasser/Wasserdampf- Kreislauf im Verdampfer-Druckbehälter zum Überführen des im Verdampfer-Druckbehälter befindlichen, durch den Speisewasser-Vorwärmer erwärmten flüssigen Wassers des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs in Wasserdampf mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind,
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
- der Überhitzer mindestens einen Überhitzer-Druckbehälter (431) aufweist, in dem mindestens ein Überhitzer-Wasserrohr (432) zur Aufnahme des vom Verdampfer erzeugten Wasserdampfs des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs angeordnet ist, und
- das Überhitzer-Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Überhitzer-Druckbehälter zum Überhitzen des im Überhitzer- Wasserrohr befindlichen, durch den Verdampfer gebildeten Was- serdampfs mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verdampfer-Druckbehälter des Verdampfers und die Naturum- lauf-Trommel des Verdampfers derart miteinander verbunden sind, dass der im Verdampfer-Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf-Dampftrommel gelangen kann und das durch die Abtrennung in der Natur-Trommel gebildete flüssige Wasser in den Verdampfer-Druckbehälter gelangen kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Naturumlauf-Trommel und das Überhitzer-Wasserrohr derart mit¬ einander verbunden sind, dass der Wasserdampf nach der Abtrennung von flüssigem Wasser in das Überhitzer-Wasserrohr des Überhitzers gelangen kann.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Naturumlauf-Trommel über dem Verdampfer-Druckbehälter ange- ordnet ist und zwischen der Naturumlauf-Trommel und dem Ver¬ dampfer-Druckbehälter mindestens eine Dampf-Steigleitung (451) angeordnet ist, durch die der im Verdampfer- Druckbehälter gebildete Wasserdampf in die Naturumlauf- Trommel gelangen kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Dampf-Steigleitung einem Tragen der Naturumlauf-Dampftrommel über dem Verdampfer-Druckbehälter dient.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Vorwärm-Druckbehälter, der Verdampfer-Druckbehälter und der Überhitzer-Druckbehälter über mindestens eine externe Leitung miteinander verbunden sind, durch die das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs oder das Wasser des Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs strömen können.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Vorwärm-Druckbehälter und der Verdampfer-Druckbehälter derart aneinander angeordnet sind, dass das Wasser des Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs und/oder das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs unmittelbar vom Vorwärm- Druckbehälter in den Verdampfer-Druckbehälter gelangen können .
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Verdampfer-Druckbehälter und der Überhitzer-Druckbehälter derart aneinander angeordnet sind, dass das Wärmeträger- Medium des Wärmeträger-Kreislaufs unmittelbar vom Überhitzer- Druckbehälter in den Verdampfer-Druckbehälter gelangen kann.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der Vorwärm-Druckbehälter derart ausgestaltet ist, dass zur thermischen Kopplung des Vorwärm-Wasserrohres und des Wärmeträ- ger-Kreislaufs miteinander das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs am Vorwärm-Wasserrohr vorbeiströmen kann.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei der Überhitzer-Druckbehälter derart ausgestaltet ist, dass zur thermischen Kopplung des Überhitzer-Wasserrohres und des Wär¬ meträger-Kreislaufs miteinander das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs am Überhitzer-Wasserrohr vorbeiströmen kann .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei eine Längsaudehnung des Vorwärm-Wasserrohres und/oder eine Längs¬ ausdehnung des Überhitzer-Wasserrohres quer zu einer Strö¬ mungsrichtung des Wärmeträger-Mediums im Vorwärm- Druckbehälter und/oder quer zu einer Strömungsrichtung des Wärmeträger-Mediums im Überhitzer-Druckbehälter angeordnet sind .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei das Vorwärm-Wasserrohr und/oder das Überhitzer-Wasserrohr mindes- tens einen Mäander aufweisen.
16. Vorrichtung nach Anspruch wobei der Mäander überzogen ist .
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei das Vorwärm-Wasserrohr und/oder das Überhitzer-Wasserrohr spiralförmig sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, wobei das Verdampfer-Wärmeträger-Rohr gerade ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, wobei eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Vorwärm- Wasserrohren und/oder eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Verdampfer-Wärmeträger-Rohren und/oder eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Überhitzer- Wasserrohren vorhanden sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei zwischen der Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Vorwärm-Wasserrohren und/oder zwischen der Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Überhitzer-Wasserrohren Umleitbleche zur Veränderung einer Strömungsrichtung von im Vorwärm-Druckbehälter strömenden Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs und/oder zur Veränderung einer Strömungsrichtung von im Überhitzer- Druckbehälter strömenden Wärmeträger-Medium des Wärmeträger- Kreislaufs vorhanden sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei eine Vielzahl von Dampferzeugern vorhanden ist.
22. Verfahren zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Bereitstellen des Wärmeträger-Mediums,
b) Umwandeln von Solar-Energie in Wärme des Wärmeträger- Mediums und
c) Übertragen der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Was¬ ser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs , wobei der überhitzte Wasserdampf erzeugt wird.
23. Verwendung des gemäß Verfahren nach Anspruch 22 überhitzten Wasserdampfes zur Gewinnung von elektrischer Energie, wobei mit Hilfe des überhitzten Wasserdampfes eine Dampfturbine (12) angetrieben wird.
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