DE2631196B2 - Sonnenbeheizter Kessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen sonnenbeheizten Kessel, also einen Kessel, der es ermöglicht, die Sonnenstrahlung als Wärmeenergie zu nutzen.

ίο Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kessel der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau einen guten Wirkungsgrad hat

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sein der Sonnenstrahlung ausgesetzter

is Mantel eine Vielzahl von nach innen gerichteten Zellen aufweist, welche die Funktion von schwarzen Körpern haben und das Sonnenlicht absorbieren, daß die rohrförmigen Schwarzkörperzellen am inneren Ende geschlossen sind und aus gut wärmeleitendem Werk stoff bestehen, daß die rohrförmigen Schwarzkörperzel len in einen Raum eintauchen, in dem eine erste Wärmeträgerflüssigkeit in Umlauf bringbar ist, und daß der Kessel einen Behälter aufweist, in dem ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die Abgabe der aufgefangenen Wärme an eine zweite Flüssigkeit, z. B. Wasser, ermöglicht

Die Erfindung geht also aus von den die Emission und Absorption von Strahlenenergie beherrschenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten, und sie verwendet des- halb Zellen, welche die Funktion eines sogenannten »schwarzen Körpers« haben. Eine einseitig geschlossene Zelle, z. B. ein Sackloch, kann als schwarzer Körper angesehen werden, wenn ihre Tiefe relativ zu ihren Abmessungen in Querrichtung genügend groß ist. Die rohrförmigen Zellen besitzen vorieilhaiterweise eine Länge, welche mindestens das 2,5fache ihres Durchmessers beträgt

Damit die Wärmeabgabe an die Wärmeträgerflüssigkeit optimal ist, besitzen die rohrförmigen Zellen auf ihrer dem Kesselinneren zugewandten Seite Rippen.

In vorteilhafter Weise kann der im Behälter angeordnete Wärmetauscher als eine von der zweiten Flüssigkeit durchströmte Doppelschlange ausgebildet sein, wobei die erste Flüssigkeit den Behälter durch strömt

Andererseits besteht auch die Möglichkeit, den im Behälter angeordneten Wärmetauscher als ein von der ersten Flüssigkeit durchströmtes Rohrbündel auszubilden, wobei die zweite Flüssigkeit den Behälter durchströmt

Beide Ausführungen können in gleicher Weise vorteilhaft angewendet werden, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Weil unter Umständen der durch Konvektion erzeugte Umlauf der ersten und gegebenenfalls der zweiten Flüssigkeit nicht ausreicht, können zur Erzielung eines Zwangsumlaufes eine oder mehrere Pumpen vorgesehen sein. Um die Sonnenstrahlen in Richtung zu den rohrförmi gen Schwarzkörperzellen umzulenken, kann mindestens ein Reflektor vorgesehen sein, der so ausgeführt ist, daß die Strahlen entweder parallel zu den Längsachsen oder unter einem relativ kleinen Winkel zu den Längsachsen der rohrförmigen Zellen in deren offenen Ende einfallen.

Mit den der Sonnenstrahlung ausgesetzten Zellen wird eine maximale Absorption praktisch aller Wellenlängen der Strahlung erzielt, so daß der Wirkungsgrad

des Kessels nach der Erfindung sehr gut ist.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu s verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf den Kessel nach F i g. 1, ι ο

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung,

F i g. 4 einen Axialschnitt durch die Anordnung nach Fig. 3,

Fig.5 einen Axialschnitt durch eine dritte Ausfüh- is rungsform der Erfindung,

F i g. 6 einen senkrecht zur Längsachse verlaufenden Querschnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 5,

F i g. 7 eine Einzeldarstellung einer als schwarzer Körper im Sinne der vorstehenden Definition dienenden einzelnen Zellen, wie sie bei jeder der Ausführungsformen Verwendung finden kann.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 weist der Kessel einen zylindrischen Mantel 1 auf, der oben (»oben« und »unten« bezieht sich jeweils auf die Figur, z.B. hier auf Fig. 1) durch einen gewölbten Deckel bzw. Boden 2 und unten durch ein tellerscheibenartiges Teil 3 verschlossen ist, dessen Form aus F i g. 1 hervorgeht

Am gesamten Umfang des Kesselmantels 1 sind rohrförmige Zellen 4 vorgesehen, deren Länge mindestens das 2,5fache ihres Durchmessers beträgt. Diese Zellen werden gebildet von mit Außenrippen versehenen Rohren kleinen Durchmessers, deren inneres Ende gschlossen ist (vergl. F i g. 7) und deren äußeres Ende jeweils am Rand eines im Kesselmantel 1 vorgesehenen Lochs befestigt ist, z. B. durch Schweißen, Bördeln od. dgl. Diese Zellen 4 bilden also die Umhüllungen von schwarzen Körpern, welche die Sonnenstrahlung absorbieren und sie in Wärmeenergie umwandeln.

Im Inneren des Kesselmantels 1 ist ein zylindrischer Mantel 5 angeordnet, der an seinem oberen Ende offen ist und der an seinem unteren Ende durch eine ebene Wand 6 verschlossen ist; diese Wand 6 liegt wie dargestellt tiefer als das ringscheibenartige Teil 3. Zwischen dem Kesselmantel 1 und den Mantel des Behälters 5 befindet sich ein Ringraum 7, in welchem die Zellen 4 mit ihren Rippenrohren angeordnet sind. Die Rippenrohre selbst sind in der üblichen Weise ausgebildet, so, wie das aus der Zeichnung, insbesondere F i g. 7 für den Fachmann klar hervorgeht.

Innerhalb des inneren Behälters 5 sind zwei zueinander gleichachsige Wärmetauscherschlangen 8 und 9 angeordnet, welche gebildet werden von Rohren relativ kleinen Durchmessers. Diese Schlangen 8 und 9 sind unten mit einer gemeinsamen Sammelleitung 10 und oben mit einem Zentralrohr 11 verbunden.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnung ergibt, sind die Rohrschlangen 8,9 in einem Ringraum 12 zwischen dem Mantel des Behälters 5 und dem Zentralrohr 11 angeordnet Dieser Ringraum 12 steht an zwei Stellen in Verbindung mit dem Ringraum 7, nämlich wie dargestellt oben, sowie unten über eine Umwälzpumpe 14, deren Ansaugöffnung 13 im Ringraum 12 mündet und deren Druckseite mit dem Ringraum 7 verbunden ist.

In den Räumen 7 und 12 zirkuliert im Betrieb eine Wärmeträgerflüssigkeit, und die Pumpe 14 bewirkt einen Zwangsumlauf dieser Flüssigkeit An der Unterseite des Behälters 5 ist ein Rohr 15 befestigt, in dessen Inneren sich ein Balgen 16 aus Metall befindet. Bei wärmebedingten Volumenänderungen der Flüssigkeit im Kessel ändert dieser Balgen 16 sein Volumen und absorbiert so Volumenänderungen dieser Flüssigkeit (Dieselbe Maßnahme kann in analoger Weise auch bei den folgenden Ausführungsbeispblen getroffen werden).

In den Wärmetauscherschlangen B, 9 sowie im Zentralrohr 11 zirkuliert eine zweite Flüssigkeit deren Aufgabe es ist die von der Sonne in den Kessel eingestrahlte Wärmeenergie aus diesem Kessel abzutransportieren in Form einer heißen oder überhitzten Flüssigkeit oder sogar als Dampf.

Auf dem Teil 3 ist ein kegelstumpfförmiger Reflektor 17 angeordnet der aus mehreren Sektoren 18 besteht vergl. Fig.2. Die Innenseite dieses Reflektors 17 ist glänzend, um die Sonnenstrahlung zum Mittelpunkt des Reflektors zu reflektieren, das heißt zu den rohrförmigen Zellen 4.

Der beschriebene Kessel nach den F i g. 1 und 2 arbeitet wie folgt:

Die Sonnenstrahlung wird vom Reflektor 17 eingefangen, welcher hierzu bevorzugt in bekannter Weise der Sonne nachgeführt wird, z. B. mittels eines Schrittmotors, der von einem Mikroprozessor gesteuert wird. Die Sonnenstrahlung wird, wie in F i g. 1 dargestellt in Richtung zum zylindrischen Kesselmantel 1 reflektiert also auf die Schwarzkörperzellen 4, in welche die Strahlung eindringt und wo sie eingefangen und durch wiederholte Reflektion in Wärmeenergie umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie heizt die Innenwände der die Zellen 4 bildenden Rohre und wird durch Wärmeleitung in deren Rippen übertragen, welche ihrerseits von der Wärmeübertragungsflüssigkeit umspült sind. Infolge Zwangskonvektion wird diese Wärme von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen und zu den Rohren der beiden Wärmetauscherschlangen 8 und 9 übertragen. Sie heizt dabei die in diesen Schlangen 8 und 9 zirkulierende zweite Flüssigkeit durch Konvektion auf. Die kalte Flüssigkeit fließt hierbei durch das Rohr 18 in die Sammelleitung 10 und von dort in die beiden Wärmetauscherschlagen 8 und 9, das heißt, die Wärmeübertragung erfolgt in bevorzugter Weise im Gegenstrom, wie das in F i g. 1 auch durch Pfeile grafisch dargestellt ist. Die überhitzte oder verdampfte zweite Flüssigkeit verläßt dann den Kessel über das Abflußrohr 19, welches an das untere Ende des Zentralrohres 11 angeschlossen ist

Die Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 eignet sich bevorzugt für relativ kleine Wärmeleistungen, z. B. für Heizungen oder Klimaanlagen, oder sogar für die Dampferzeugung von Verwendung in Motoren (Turbinen, Da mpfmaschinen) relativ niedriger Leistung.

Für höhere Wärmeleistungen eignet sich die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung, welche hinsichtlich ihres Arbeitsprinzips mit derjenigen nach den F i g. 1 und 2 identisch ist welche sich aber in der technologischen Konstruktion von ihr unterscheidet

Diese Ausführungsform nach den Fig.3 und 4 hat einen horizontalen angeordneten Behälter 101, welcher gebildet wird von einem zylindrischen Mantel (F i g. 3), der durch zwei gewölbte Böden 102 und 103 (F i g. 4) verschlossen ist. Der Durchmesser und die Länge des Behälters 101 sind eine Funktion der gewünschten Leistung dieses Sonnenkessels.

Außen am Mantel des Behälters 101 und konzentrisch zu ihm sind zwei Mantelabschnitte 105 und 106 angeschweißt, in denen eine Vielzahl von Schwarzkörperzellen 107 der bereits beschriebenen Art angeordnet ist, wie das die F i g. 3 und 4 klar zeigen. Die Zellen 107 werden gebildet von innen verschlossenen Rohren kleinen Durchmessers, die außen mit Kühlrippen versehen sind. Die Innenseiten dieser Rohre bilden die schwarzen Körper.

Zwischen dem Behälter 101 und den Mantelabschnitten 105 und 106 befinden sich je ein Ringraum 108 bzw. 109, in den wie dargestellt die Schwarzkörperzellen 107 ragen.

Im Inneren des Behälters 101 sind zwei zueinander konzentrische Reihen bzw. Bündel 110 und 111 von horizontalen Wärmetauscherrohren angeordnet, deren Enden wie dargestellt die beiden gewölbten Böden 102 und 103 durchdringen. Unten ist eine Sammelleitung 112 angeordnet, welche diese beiden Rohrreihen 110 und 111 verbindet, und auf der Außenseite des Behälters 101 ist eine Umwälzpumpe 113 angeordnet, vergl. F i g. 4. Die Druckseite der Pumpe 113 ist mit den beiden Ringräumen 108 und 109 verbunden, während ihre Saugseite wie dargestellt an die Sammelleitung 112 angeschlossen ist. Die Rohre der Bündel 110 und 111 sind mittels Krümmern 114 in Reihe geschaltet, und die oberen Rohre sind wie in F i g. 4 klar dargestellt, an die beiden Ringräume 108 und 109 angeschlossen. Die Pumpe 113 wälzt also eine Wärmeträgerflüssigkeit im Inneren der Rohrbündel 110 und 111 und der Ringräume 108 und 109 um.

Der Behälter 101 ist bis zur Höhe N mit einer zweiten Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt Auf dem Träger 115 des Behälters 101 sind zwei zylindrisch-parabolische Reflektoren 116, 117 angeordnet, deren Innenseite glänzend ausgebildet ist, um die einfallende Sonnenstrahlung zu den Schwarzkörperzellen 107 zu reflektieren.

Der Sonnenkessel nach den F i g. 3 und 4 arbeitet wie folgt:

Die Sonnenstrahlung wird durch die beiden Reflektoren 116, 117 auf die Zellen 107 reflektiert und dort eingefangen und in Wärmeenergie umgewandelt.

Durch Wärmeleitung wird die Wärme von den Wänden der Zellenrohre zu den Kühlrippen geleitet, welche ihrerseits von der ständig umlaufenden Wärmeträgisrflüssigkeit umspült sind. Durch Zwangskonvektion nimmt diese Flüssigkeit diese Wärme auf und transportiert sie in die Rohrbündel UO und Ul. Schließlich wird durch Konvektion diese Wärme auf die zweite Flüssigkeit übertragen, welche sich im Inneren des Behälters 101 befindet. Diese Flüssigkeit verdampft, und der durch das Rohr 118 (F i g. 3) austretende Dampf kann z. B. dazu dienen, einen Turbogenerator anzutreiben oder kann Prozeöwärme für beliebige Vorgänge liefern. Gleichzeitig geht in vorteilhafter Weise ein Teil der Wärme auch direkt aus den Räumen 108 und 109 über den Mantel des Behälters 101 in die zweite Flüssigkeit über. Bei Ausfall der Umwälzpumpe stellt dies einen Sicherheitsfaktor dar, und dies gilt ebenso bei der AusfUhrungsform nach F i g. 5.

Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsform nach den Fig.3 und 4 ist es, zylindrisch-parabolische Reflektoren 116, 117 verwenden zu können, was es ermöglicht, einen großen Konzentrationsfehler der Strahlung in der Größenordnung von 20 oder 30 zu erzielen. Mit dieser Strahlungskonzentration kann man Dampf in einer Temperatur von 300... 40O⁰C erzeugen und so einen komplexen Zyklus realisieren, dessen Wirkungsgrad etwa 35... 40% erreichen kann, wenn man spezielle thermodynamische Flüssigkeiten verwendet.
Wenn eine noch höhere Erzeugung von Wärmeenergie aus Sonnenenergie gefordert wird, kann man nach der Erfindung eine andere Ausführungsform eines Sonnenkessels verwenden, dessen System zur Konzentration der Strahlung unabhängig vom Kessel angeordnet ist Der Reflektor (oder gegebenenfalls die

ίο Reflektoren) wird in einem größeren Abstand zum Kessel angeordnet und hat eine größere Oberfläche, so daß man einen höheren Konzentrationsfaktor und daher eine größere Energiedichte pro Flächeneinheit erhält Ein solcher Kessel kann vor allem dazu Verwendung finden, Dampf hohen Drucks zur Versorgung eines Turbogenerators großer Leistung zu erzeugen.

Der Kessel weist bei dieser Ausführungsform (F i g. 5 und 6) einen zylindrischen Behälter 201 auf, welcher vertikal angeordnet und an seinen Enden durch je einen, gewölbten Boden 202 bzw. 203 verschlossen ist. Am Außenumfang dieses Kessels und in einem bestimmten Abstand von ihm ist ein zweiter Mantelabschnitt 204 angeordnet, der sich, wie in F i g. 6 dargestellt, nur über einen Sektor dieses Umfangs erstreckt, beim dargestellten Beispiel z.B. über ca. 140... 150°. In der Wand dieses Mantelabschnitts 204 ist eine Vielzahl von Zellen 205 angeordnet, welche als schwarze Körper dienen bzw. solche bilden.

Zwischen diesem Mantelabschnitt 204 und dem Rehälter 201 befindet sich ein Ringraum 206, in dem sich die Rippenrohre 205 der Schwarzkörperzellen befinden. Dieser Raum 206 ist, wie in F i g. 5 dargestellt, mit dem oberen Abschnitt des Behälters 201 über zwei Rohrschlangen 207,208 und mit dem unteren Abschnitt über eine Sammelleitung 209 und eine Umwälzpumpe 210 verbunden.

Die beiden Rohrschlangen 207 und 208 sind im Inneren des Behälters 201 angeordnet In ihren Rohren, sowie im Ringraum 206, zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit, und der Umlauf dieser Flüssigkeit wird durch die Pumpe 210 gewährleistet Der Umlauf erfolgt wie durch die Pfeile der F i g. 5 angedeutet, im Gegenstrom. Der Behälter 201 selbst ist mit einer zweiten Flüssigkeit gefüllt, und zvar bis zu einer Höhe, die zwischen den strichpunktierten eingezeichneten Füllhöhen 211 und 212 liegt, und die z.B. am Schauglas 213 oder mittels eines üblichen Füllstandsmessers überwacht werden kann.

so Ganz oben im Behälter befindet sich, wie das F i g. 5 klar zeigt, eine Dampfabscheidungsvorrichtung 214, welche verhindert, daß Wasser in den Dampfauslaß 216 mitgerissen wird.

Der Behälter wird über ein an seiner Unterseite befindliches Rohr 215 mit der Sekundärflüssigkeit gespeist, und der Dampf tritt über das Rohr 216 aus Rohrstutzen 217 und 218 dienen zum Anschluß VO₁1 Sicherheitsventilen und Kontrollgeräten.

Auf der Außenseite und in einem bestimmten

eo Abstand vom Behälter 201 befindet sich ein Reflektor 219 welcher die Sonneneinstrahlung auf den Mantelabschnitt 204 und dessen Schwarzkörperzellen 205 konzentriert Die Einstrahlung erfolgt — ebenso wie bei den vorhergehenden Beispielen — etwa in Richtung der Längsachsen der Schwarzkörperzellen, um eine maximale Energiedichte zu erreichen. F i g. 7 zeigt eine dei Schwarzkörperzellcn 205 mit ihren Kühlrippen im Längsschnitt.

Der sonnenbeheizte Kessel nach den F i g. 5 und 6 arbeitet wie folgt:

Der Reflektor 219 konzentriert die Sonnenstrahlung auf den Mantelabschnitt 204 des Kessels, an dem sich wie beschrieben die Schwarzkörperzellen 205 befinden. Die von diesen Zellen abgegebene Wärme wird durch Zwangskonvektion auf die Wärmeträgerflüssigkeit übertragen, welche zwischen den Zellen durchströmt, und sie wird so auch in die beiden Rohrschlangen 207 und 208 übertragen, welche im Inneren des Behälters 201 liegen. Der Flüssigkeitsumlauf wird durch die Pumpe 210 beschleunigt.

Durch Zwangskonvektion übertragen die Rohrschlangen 207, 208 diese Wärme auf die zweite Flüssigkeit, die sich im Inneren des Behälters 201

befindet. Diese Flüssigkeit wird verdampft, und durcr den Abscheider 214 und das Rohr 216 wird diesel Dampf einem (nicht dargestellten) Verbraucher züge führt, z. B. einem Turbogenerator.

Die Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 hat der Vorteil, daß man unabhängige Reflektoren Verwender kann und somit sehr große Strahlungskonzentrationer möglich sind. Man erzielt so eine größere Dampfmenge und eine höhere Dampftemperatur. Mit Kesseln der ir den Fig.5 und 6 dargestellten Art kann man echte sonnenelektrische Kraftwerke für große Leistungen bei hohem Wirkungsgrad aufbauen, wenn man komplexe Zyklen verwendet, welche mit speziellen thermischer Flüssigkeiten niedrigen Dampfdrucks arbeiten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Sonnenbeheizter Kessel, dadurch gekennzeichnet, daß sein der Sonneneinstrahlung ausgesetzter Mantel (1; 105, 106; 204) eine Vielzahl von nach innen gerichteten rohrförmigen Zellen (4; 107; 205) aufweist, welche die Funktion von schwarzen Körpern haben und das Sonnenlicht absorbieren, daß die rohrförmigen Schwarzkörperzellen (4; 107; 205) am Ende geschlossen sind und aus gut wärmeleitendem Werkstoff bestehen, daß die rohrförmigen Schwarzkörperzellen (4; 107; 205) in einen Raum (7; 108, 109; 206) eintauchen, in dem eine erste Wärmeträgerflüssigkeit in Umlauf bringbar ist, und daß der Kessel einen Behälter (5; 101; 201) aufweist, in dem ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die Abgabe der aufgefangenen Wärme an eine zweite Flüssigkeit, z.B. Wasser, ermöglicht

2. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der rohrförmigen Schwarzkörperzellen (4; 107; 205) mindestens das 2,5fache ihres Durchmessers beträgt

3. Kessel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Schwarzkörperzellen (4; 107; 205) auf ihrer dem Kesselinneren zugewandten Seite mit Rippen versehen sind.

4. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Behälter (5) angeordnete Wärmetauscher als eine von der zweiten Flüssigkeit durchströmte Doppelschlange (8, 9) ausgebildet ist und die erste Flüssigkeit den Behälter (5) durchströmt.

5. Kesse! nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Behälter (101; 201) angeordnete Wärmetauscher als ein von der ersten Flüssigkeit durchströmtes Bündel ausgebildet ist und die zweite Flüssigkeit den Behälter (101; 201) durchströmt

6. Kessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (UO, 111) des Rohrbündels parallel zueinander angeordnet sind.

7. Kessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel in Form einer Doppelschlange (207,208) ausgebildet ist.

8. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (7) oder die Räume (108,109; 206) in welchen oder in welche die rohrförmigen Schwarzkörperzellen eintauchen, mindestens teilweise den Behälter (S; 101; 201) umgibt bzw. umgeben.

9. Kessel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Zwangsumlauf der ersten und gegebenenfalls auch der zweiten Flüssigkeit eine oder mehrere Pumpen (14; 113; 210) vorgesehen ist bzw. sind.

10. Kessel nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gelcennzeichnet, daß mindestens ein Reflektor (17; 116; 117; 219) vorgesehen ist, um die Sonnenstrahlen in Richtung zu den rohrförmigen Schwarzkörperzellen (4; 107; 205) umzulenken.

11. Kessel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (17; 116; 117; 219) so ausgebildet ist, daß die Strahlen entweder parallel zu den Längsachsen oder unter einem relativ kleinen Winkel zu den Längsachsen der rohrförmigen Schwarzkörperzellen (4; 107; 205) in deren offene Enden einfallen.