Abschlußbericht SOLTUBE

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1 Abschlußbericht SOLTUBE Zuwendungsempfänger (ZE): MPG Wärmetechnik GmbH Förderkennzeichen: 01LY1008A Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Förderkennzeichen: 01LY1008B Vorhabensbezeichnung: Absorberrohre für solare Hochtemperaturanwendung (SOLTUBE) Laufzeit des Vorhabens: Koordinator (KMU): Projektpartner: MPG Wärmetechnik GmbH Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Abteilung Solarforschung am Institut für Technische Thermodynamik, Stuttgart Beiträge von: Dr. Andreas Gahl (MPG) Ralf Uhlig (DLR) Birgit Gobereit (DLR) Jens Jedamski (DLR)

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Allgemeines Einführung Problembeschreibung Stand der Technik Lösungsansätze Planung des Vorhabens Projektbeschreibung Projektziele Projektverlauf Projektergebnisse AP01 Entwicklung von innenstrukturierten Hochtemperaturabsorberrohren Auswahl einer geeigneten Systemkonfiguration (DLR) Analyse der Randbedingungen für Anwendungstemperaturen bis 900 C (DLR) Analyse geeigneter Strukturierungen (DLR) Herstellung von Proberohren mit verschiedenen geometrischen Konfigurationen (MPG) AP02 Weiterentwicklung der Mehrschichtrohr-Technologie (PML) Untersuchung von PML-Rohren mit angepassten Werkstoffen (DLR) Fertigungsverfahren zur Herstellung des angepassten Werkstoffes (MPG) Verfahrensentwicklung zur Herstellung der PML- Rohre mit MPG- Technologie (MPG) Herstellung von PML-Rohren (MPG) AP03 Qualifizierung der Hochtemperaturabsorberrohre Entwicklung eines Teststandes zur Messung der thermohydraulischen Eigenschaften (DLR) Thermohydraulische Vermessung von Proberohren (MPG) Analyse und Interpretation der Messergebnisse und Erstellung der Korrelationen (DLR) Zyklentests und Analyse der intermetallischen Verbindung der PML-Rohre (DLR) Analyse und Bewertung der Strukturspannungen (DLR) AP Kostenanalyse (MPG) Analyse des Verbesserungspotenzials anhand des Referenzmodells (DLR) Marktanalyse (MPG) Ausblick und weiterer Forschungsbedarf Die Marktstrategie der MPG Wärmetechnik Das Umsatzpotenzial für MPG aus den erreichten Projektzielen Zusammenfassung

3 1 Allgemeines 1.1 Einführung Mit erneuerbaren Energien können die Gefahren des gegenwärtigen fossilen Energiesystems wie Klimaerwärmung und Energieverknappung vermieden werden. Die Notwendigkeit, CO 2 -Emissionen zu reduzieren, führte in der jüngsten Vergangenheit zu der Entwicklung verschiedener regenerativer Energie- Technologien. Da der Bedarf an Energie weltweit zunimmt und die fossilen Brennstoffe begrenzt sind, erlebt besonders die solarthermische Kraftwerkstechnologie derzeit einen rasanten Aufschwung. So sind aktuell Projekte mit einer Gesamtleistung von über neun Gigawatt weltweit im Aufbau oder in der Planung 1. Die Solarenergie in den Wüsten der Erde gilt als ergiebigste und zugleich am wenigsten genutzte Quelle, um die globale Energieversorgung sicher zu stellen 2. Die DESERTEC Studie belegt, dass bis zum Jahre 2050 rund 20% der in Europa, Nord Afrika und dem Mittleren Osten benötigten elektrischen Energie durch konzentrierte Solarenergie gedeckt werden können 3. Neben den bereits heute kommerziell verfügbaren Parabolrinnenkraftwerken mit einer installierten Gesamtleistung von 570 MW wird in der nächsten Generation großtechnischer Solarkraftwerke die Solarturmtechnologie von großer Bedeutung sein. Für konventionelle Kraftwerke werden heute zunehmend sogenannte Gas- und Dampfkraftwerke (GuD) eingesetzt. Dabei werden durch die Kombination einer Gasturbine mit einer Dampfturbine hohe Umwandlungswirkungsgrade von über 50% erreicht. Ein Erfolg versprechender Ansatz ist die direkte Einkopplung der Solarenergie in den Gasturbinenprozess. Dazu konzentrieren zweiachsig nachgeführte Spiegel (Heliostaten) die Solarstrahlung auf einen zentralen Wärmetauscher (Solarreceiver), der sich auf einem Turm befindet (Abbildung 1). Der Solarreceiver wandelt die Strahlungsenergie in Wärme um und überträgt diese auf das Arbeitsmedium. Durch die hohen Konzentrationsfaktoren der Turmtechnologie (500 bis 1000) können Arbeitstemperaturen erreicht werden, welche die effektive Einkopplung der Solarenergie in einen Gasturbinenprozess ermöglichen. Infolge dessen, kann die Solarenergie mit ähnlich hohem Wirkungsgrad wie bei konventionellen GuD-Kraftwerken genutzt werden Kölner Sonnenkolloquium des DLR am Dr. Gerhard Knies; Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation TREC in cooperation with The Club of Rome, (2006) 3 G Knies. (Editor); Clean Power from Deserts - The DESERTEC Concept for Energy, Water and Climate Security, (2007)

4 Abbildung 1: Solarturm, Heliostatenfeld und Rohrreceiver Durch die hohe Energieausnutzung zweistufiger Umwandlungsprozesse (GuD- Prozesse) besteht das Potenzial, kostengünstiger Solarstrom zu produzieren als mit solarbetriebenen Dampfprozessen mit Parabolrinnen. Solarhybride Gasturbinensysteme haben dadurch das Potential in den Kostenbereich konventioneller Kraftwerke zu kommen. In verschiedenen Studien, z.b. beim Vergleich solarthermischer Stromerzeugungstechnologien im Projekt ECOSTAR 4, wurde für die Solarturmtechnologie in Verbindung mit solarhybriden Gasturbinensystemen mittel- bis langfristig ein großes Kostenreduktionspotenzial ermittelt. Die prognostizierten Stromgestehungskosten belaufen sich dabei auf ca. 0,08$/kWh 5. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass solche Kraftwerke durch die Kombination mit einem anderen Energieträger, wie z.b. Erdgas oder Biodiesel, auch ohne Solarstrahlung bedarfsorientiert Energie bereitstellen können. Ein Demonstrationsprojekt stellte bereits die prinzipielle Funktionalität von solarhybriden Gasturbinensystemen unter Beweis 6. Neben dem Ansatz der sog. volumetrischen Receiver wurde mit dem Rohrreceiver eine Alternative entwickelt, um hohe Temperaturen von über 800 C zu erreichen. 1.2 Problembeschreibung Ein Rohrreceiver besteht aus metallischen Rohren und ist für den Einsatz verschiedener Wärmeträgermedien (z.b. Luft, Dampf, Salz, Flüssigmetall, etc.) geeignet. Neben der Kostenersparnis sind ferner auch die geringeren sicherheitstechnischen Anforderungen, z.b. im Vergleich zu volumetrischen Receivern, bedeutend, insbesondere hinsichtlich der benötigten Akzeptanz für eine breite Markteinführung. Nachteilig sind allerdings die hohen Belastungen der Rohre. Eine der Belastungsursachen resultiert aus der konzentrierten Solarstrahlung, welche von den Absorberrohren absorbiert wird. Diese trifft einseitig auf die Absorberrohre und verursacht eine inhomogene 4 5 Romero, M., Buck, R., Pacheco, J. E.; An update on solar central receiver systems projects and technologies, (2002) 6 Heller, P., Pfänder, M., Denk, T., Tellez, F., Valverde, A., Fernandez, J., Ring, A.; Test and valuation of a solar powered gas turbine system, (2006)

5 Temperaturverteilung über den Rohrumfang (Temperaturgradient). Die daraus resultierenden thermischen Spannungen und die sich überlagernden mechanischen Spannungen aus dem Innendruck führen bei den hohen Materialtemperaturen zu einer begrenzten Lebensdauer. Die relativ schlechten Wärmeübertragungseigenschaften des Wärmeträgermediums Luft erfordern verhältnismäßig große Receiver, um die benötigte Absorptionsfläche zu erhalten. Diese Bauweise wiederum ist mit einem entsprechend hohen Einsatz von kostenintensiven Hochtemperaturlegierungen verbunden. Ein wichtiger Schlüssel zur Umsetzung dieser Technologie ist deshalb der effiziente und kostenoptimierte Materialeinsatz der Absorberrohre. Die Optimierung der Hauptkomponente Absorberrohr ist sowohl technisch als auch ökonomisch von besonderer Bedeutung für die solare Rohrreceivertechnologie. Durch die Entwicklung der Absorberrohre und die Generierung von Korrelationen können solare Rohrreceiver sowohl thermodynamisch, als auch ökonomisch bestmöglich ausgelegt werden. Optimale solarthermische Eigenschaften bei geringst möglichem Materialeinsatz versprechen somit nicht nur geringere Materialkosten, sondern ermöglichen bei gleicher Receiverleistung auch eine kompaktere Bauweise. Dieser Nebeneffekt hat positiven Einfluss auf die Wärmeverluste und die Dimensionierung der Schnittstellenkomponenten (Verteiler, Sammler, Zuleitungen, etc.), was mit einer weiteren Reduzierung der Material- bzw. Systemkosten einhergeht. 1.3 Stand der Technik Herkömmliche Absorberrohre für solare Rohrreceiver bestehen aufgrund der hohen thermischen Belastung gewöhnlich aus hochtemperaturbeständigen Nickelbasislegierungen (z.b. INCONEL). Bedingt durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials und die lokal sehr unterschiedlichen Flussdichten entstehen hohe Temperaturgradienten im Rohr. Die transienten Strahlungsbedingungen eines solaren Receivers (Tag/Nacht, Wolkendurchgänge) führen deshalb zu einer Reduktion der Lebensdauer aufgrund thermomechanischer Ermüdung. Bedingt durch die schlechten Wärmeübertragungseigenschaften von Luft ist das Verhältnis von Wärmeübergang und Druckverlust bei Glattrohren nicht optimal. 1.4 Lösungsansätze Strukturierte Rohre Durch eine Strukturierung der Absorberrohre können die thermohydraulischen Eigenschaften verbessert, der Receiver somit kleiner dimensioniert und dadurch Materialkosten reduziert werden. Korrelationen, welche die thermohydraulischen Eigenschaften solcher Strukturierungen beschreiben, sind für die hier gültigen Randbedingungen nicht bekannt. MPG verfügt über Know-how und Erfahrung in der Herstellung strukturierter (gedrallter) Rohre für den Einsatz in Wärmeübertragern für vorwiegend flüssige Medien. Für den Einsatz dieser Rohre in solaren Receivern liegen aber aufgrund der oben erwähnten Problematik keine ausreichend genauen Korrelationen vor. Die thermohydraulische Auslegung von solaren Rohrreceivern erfordert jedoch eine möglichst exakte Beschreibung der Wärmeübertragungseigenschaften und der entstehenden Druckverluste. Dies ist notwendig, um Übertemperaturen in den Rohren bei möglichst geringem

6 Druckverlust im Receiver zu vermeiden und somit den Receiver bei maximaler Performance Leistung kostenoptimal auslegen zu können. PML-Rohr-Technologie Eine innovative Möglichkeit, die Temperaturgradienten und die Übertemperaturen der Absorberrohre zu senken, ist die sogenannte PML-Rohr-Technologie (Profilierte-Mehr-Lagen-Rohre). Dabei wird eine Kupferschicht bzw. ein Kupferrohr zwischen zwei hochtemperaturbeständigen Rohren (INCONEL) eingebettet und zu einem Rohrverbund umgeformt (Abbildung 2). Während die INCONEL Rohre die mechanische Stabilität und einen Korrosionsschutz für das Kupfer gewährleisten, dient die sehr gute Wärmeleitfähigkeit des Kupferrohres (ca. 15-fach höher als die des INCONEL) zur Reduzierung des Temperaturgradienten zwischen der bestrahlten und der unbestrahlten Seite. Die Innenseite der PML-Rohre kann zur Verbesserung der Wärmeübertragung strukturiert sein. In den Projekten FUTUR und SOLHYCO wurden bereits erste Proberohre mit dieser Technologie gefertigt und getestet. Allerdings konnte die Entwicklung nicht bis zur Marktreife geführt werden. Abbildung 2: Absorberrohrtypen Patentlage Die PML-Rohre sowie deren Herstellungsverfahren sind durch DLR-Patente ausreichend geschützt. (EP A1; DE A1; EP B1; DE G; ES T3)

7 2 Planung des Vorhabens 2.1 Projektbeschreibung Das Projekt SOLTUBE beschäftigte sich mit der Entwicklung solarer Absorberrohre für Rohrreceiver in solarthermischen Turmkraftwerken. Zu Beginn des Projekts wurden unterschiedliche Herstellungsmöglichkeiten für verschiedene Rohrstrukturierungen getestet und eine geeignete Auswahl für die thermohydraulischen Untersuchungen definiert. Parallel dazu wurde der thermohydraulischer Teststand entwickelt, um unter repräsentativen Bedingungen die Eigenschaften der Strukturierungen untersuchen und bewerten zu können. Neben dem Versuch ein angepasstes Material zu entwickeln, wurde eine Alternative zum Hydroforming erprobt, um die PML-Rohre kostengünstig und in der Rohrlänge uneingeschränkt herzustellen zu können. Darüber hinaus wurde ein Zyklenteststand entwickelt, um die Funktionalität der Mehrschichtrohr- Technologie unter solartypischen Bedingungen bewerten zu können. 2.2 Projektziele Das übergeordnete Projektziel war die Entwicklung metallischer Absorberrohre und die Generierung entsprechender Korrelationen für solarbetriebene Stromerzeugungsanlagen. Diesbezüglich wurden folgende Arbeiten durchgeführt: 1. Herstellung von Prototypen mit verschiedenen geometrischen Konfigurationen 2. Entwicklung eines angepassten Werkstoffes und eines Fertigungsverfahrens zur Herstellung von Profilierten Mehr Lagen Rohren (PML-Rohre) 3. Entwicklung eines Teststandes zur experimentellen Erfassung der thermohydraulischen Eigenschaften der Absorberrohre unter repräsentativen Bedingungen 4. Auswertung der thermohydraulischen Messergebnisse und Erstellung der Korrelationen 5. Bewertung des Verbesserungspotenzials der neuen Absorberrohre 6. Marktanalyse 2.3 Projektverlauf Gegenüber dem im Antrag vorgesehenen Projektverlauf ergaben sich während der Projektdurchführung folgende Änderungen. Die vorgesehene Entwicklung des angepassten Materials durch einen Schmelzprozess erwies sich als nicht erfolgreich (siehe 3.2.2). Auch die vielversprechende Alternative des Heiß- Isostatischen-Pressens (HIP) brachte nicht den gewünschten Erfolg. (siehe 3.3.5). In der Folge konnte die Analyse der in vorgesehenen intermetallischen Verbindung der PML-Rohre nicht wie geplant durchgeführt werden. Um die Mehrschichtrohrtechnologie dennoch herstellen und bewerten zu können, wurde für Entwicklung eines Fertigungsverfahrens Mittelrohre aus reinem Kupfer verwendet (siehe 3.2.4). Ferner wurde aufgrund von mehreren Synergieeffekten entschieden, dass Potential der neuen Absorberrohre nicht, wie im Antrag angekündigt, am Beispiel

8 des SOLUGAS-Receivers, sondern anhand des SMILE Receiver darzustellen. Die Randbedingungen des SMILE-Receivers sind in und die Ergebnisse in beschrieben. 3 Projektergebnisse Die detaillierten Projektergebnisse wurden von Projektbeginn an in Form von Zwischenberichten dokumentiert. Gegenüber den Detailberichten werden in diesem Kapitel die Ergebnisse der einzelnen Arbeitspakete zusammenfassend dargestellt. 3.1 AP01 Entwicklung von innenstrukturierten Hochtemperaturabsorberrohren Auswahl einer geeigneten Systemkonfiguration (DLR) Die Entwicklung der Absorberrohre für solare Hochtemperaturanwendungen begann mit der Auswahl geeigneter Rohrdimensionen (Rohrabmessungen). Die Auswahl der Rohrdimensionen hängt von den jeweiligen Anwendungen bzw. Systemen ab, da sich Parameter wie Massenstrom, Temperaturen, Flussdichte, etc. je nach System und Variante unterscheiden. Um für die Entwicklungsarbeiten in SOLTUBE geeignete Rohrdimensionen zu bestimmen, wurden verschiedene Systemkonfigurationen analysiert. Das Ergebnis ist folgende Bandbreite an Rohrdimensionen, die potentiell für den Einsatz in solaren Rohrreceiver geeignet sind. Minimaler Rohraußendurchmesser = 15 mm Maximaler Rohraußendurchmesser = 30 mm Rohrlänge für die Versuche = 1 m Rohrlänge für das Endprodukt = bis zu 6 m Rohrwandstärke = ist eine Projektergebnisgröße und hängt von mehreren Faktoren wie z.b. Materialverfügbarkeit und Herstellbarkeit ab. Generell gilt, so klein wie möglich Für die Potentialanalyse wurde beschlossen mindestens eine Rohrvariante entsprechend der Systemkonfiguration aus dem Projekt SOLUGAS 7 bzw. SMILE zu vermessen, um somit der Potentialanalyse in AP4 ein Referenzmodell zu Grunde legen zu können. Dabei handelt es sich um folgende Absorberrohrabmessungen: Rohraußendurchmesser = 22,4 mm Rohrlänge = 1 m Rohrwandstärke = 1,4 mm 7 Solar Up-scale Gas Turbine System (SOLUGAS) founded by EU Contract No:

9 3.1.2 Analyse der Randbedingungen für Anwendungstemperaturen bis 900 C (DLR) Aufgrund der aktuellen Projekte und den damit verbundenen Einsatzmöglichkeiten der neuen Absorberrohre wurde im Verlauf des Projektes entschieden, für die Potenzialanalyse die Randbedingungen aus dem aktuellen Projekt SMILE zu verwenden. Dadurch können die Erkenntnisse aus den aktuellen Projekten SOLTUBE und SOLUGAS direkt in die Auslegung des nächsten Rohrreceivers im Projekt SMILE einfließen. Im Rahmen des BMU-Projekts SMILE wird zurzeit ein metallischer Rohrreceiver mit einer thermischen Leistung von 2,5 kw entwickelt. Der Receiver, zwischen Verdichter und Brennkammer einer Gasturbine geschaltet, soll die komprimierte Luft solar vorwärmen. Der Receiver besteht im wesentlichen aus mehreren parallel durchströmten Absorberrohren aus einem Hochtemperaturwerkstoff (Nickelbasislegierung INCONEL 617). Die Rohre sind in einem wärmegedämmten Hohlraum angeordnet. Durch die Einstrittsöffnung des Receivers tritt die hochkonzentrierte Solarstrahlung ein. Das nachfolgende Bild zeigt den Receiver des SMILE Projektes Abbildung 3: SMILE-Receiver In der Vergangenheit wurde eine Drahtspirale zur Verbesserung des Wärmeübergangs verwendet. Verschiedene Strukturierungen einer Drahtspirale wurden dabei auf Basis von Korrelationen untersucht. Durch Variation der

10 Drahtdicke und der Steigung der Spirale kann mit Hilfe der Korrelationen 8 die Nusseltzahl und der Druckverlustkoeffizient berechnet und somit die thermohydraulischen Eigenschaften bestimmt werden. Das nachfolgende Bild zeigt beispielhaft die Anordnung einer Spirale im Absorberrohr. Abbildung 4: Absorberrohr mit Spiraleinlage Das nachfolgende Diagramm zeigt die max. Rohrwandtemperatur des Receivers in Abhängigkeit der geometrischen Größen der Absorberrohre. Es sind drei verschiedene Innendurchmesser jeweils als "Glattrohr" und als Rohr mit einer Drahtspirale dargestellt. Alle Lösungen erfüllen die Druckverlustrandbedingungen. Die dargestellten Temperaturen entsprechen einer gleichmäßigen Bestrahlung der Oberfläche. Max. Rohrwandtemperatur [homogene Flussdichte] 1' '200.0 Temperatur [ C] 1' ' ' ' Di=14mm (glatt) Di=20mm (glatt) Di=25mm (glatt) Di=14mm (Spirale) Di=20mm (Spirale) Di=25mm (Spirale) Absorberrohrlänge [m] Abbildung 5: Absorberrohrwandtemperaturen 8 Zhang,Y.F.; Liang, Z.M.; Heat transfer in spiralcoil-inserted tubes and its application, in Advances in Heat, Transfer Augmention, M.A. Ebadin, D.W. Pepper and T.Diller, Eds.,ASME Symp. Vol. HTD, 169,

11 Deutlich zu sehen ist der Einfluss des Innendurchmessers. Kleine Durchmesser führen zu deutlichen niedrigeren Materialtemperaturen, was sich günstig auf die Lebensdauer des Receivers auswirkt. Ebenfalls deutlich zu sehen ist der Einfluss der Rohrlänge. Je länger die Absorberrohre sind, desto niedriger sind die Materialtemperaturen. Allerdings verhalten sich die Receiverkosten diametral zu den thermodynamisch günstigen Abmessungen. D.h. je kleiner der Innendurchmesser und je länger die Absorberrohre sind, desto kostenintensiver ist der Receiver. Somit muss hier ein Kompromiss zwischen Kosten und akzeptablen Materialtemperaturen gefunden werden. Die Entwicklung geeigneter Strukturen und deren Analyse, ist daher sowohl technisch als auch wirtschaftlichen von zentraler Bedeutung für die Absorberrohrtechnologie Analyse geeigneter Strukturierungen (DLR) Wie am Beispiel der Spiraleinlage gezeigt, lässt sich durch eine Strukturierung die Grenzschicht der Strömung gezielt beeinflussen und somit lässt sich der Wärmeübergang erhöhen. Der Einsatz einer Strukturierung hat allerdings auch einen erhöhten Druckverlust zur Folge. Trotzdem gibt es Grund zur Annahme, dass geeignete Strukturierungen ein positives Verhältnis von Wärmeübergang zu Druckverlust aufweisen können, wodurch sich die wärmeübertragende Fläche verringern ließe. Wie und welche Struktur optimal ist, hängt also von dem Verhältnis Wärmeübergang zu Druckverlust ab. Wie und welche Struktur für das Wärmeträgermedium Luft optimal ist, ist eine der zentralen Aufgabenstellung des Projektes SOLTUBE. Da es für diesen Anwendungsfall noch keine Untersuchungen bzw. Korrelationen gibt, wurden im Rahmen von SOLTUBE insgesamt 18 unterschiedliche Rohrstrukturierungen in den Abmessungen 22,4 x 1,4 x 1050 mm untersucht und bewertet. Versuchsreihe (VR) Struktur DrahtØ x Steigung Drallwinkel,-radius,-tiefe Voruntersuchung Glattrohr (GR) VR01, 02, 05 VR03 Wire coil insert (WC) 1,5 x 48 VR04 Wire coil insert (WC) 1,9 x 32 VR06 Drallrohr (DR) 1,5 x 48 VR07 Drallrohr (DR) 1,9 x 32 VR08 Drallrohr (DR) 26 1,2mm 0,5mm VR09 SG-Rohr (SG) 30 Innenriefen VR10 SG-Rohr (SG) 34 Innenriefen VR11 Golfballstruktur (GB) Variationsmessung mit Drallrohr (DR) DR01 Drallrohr (DR) 15,9 1,5mm 1mm DR02 Drallrohr (DR) 15,9 1,5mm 1,5mm DR03 Drallrohr (DR) 15,9 1,5mm 2mm DR04 Drallrohr (DR) 16,6 1,5mm 1mm

12 DR05 Drallrohr (DR) 16,6 1,5mm 1,5mm DR06 Drallrohr (DR) 16,6 1,5mm 2mm DR07 Drallrohr (DR) 23,1 1,5mm 1mm DR08 Drallrohr (DR) 23,1 1,5mm 1,5mm DR09 Drallrohr (DR) 23,1 1,5mm 2mm Abbildung 6: Rohr-Strukturierungen Herstellung von Proberohren mit verschiedenen geometrischen Konfigurationen (MPG) Es konnten Drallrohre mit unterschiedlichen Parametern in Bezug auf den Drallwinkel, den Drallradius und die Art der Drallung hergestellt werden. Die besondere Härte des Werkstoffes Inconel 617 machte es notwendig, zu testen, inwieweit die bisher für nichtrostende Stähle und Kupferlegierungen eingesetzten Werkzeuge auch für Inconel geeignet sind. Ein Wechsel auf andere Werkzeuglegierungen wurde nicht notwendig, da die erzielten Bearbeitungsversuche zu einem guten Ergebnis geführt haben. Die Härte des Materials machte es jedoch notwendig, die Umformung bei geringeren Geschwindigkeiten vorzunehmen. Die Fertigungszeit erhöht sich gegenüber Kupferwerkstoffen um den Faktor von ca. 1,8. Die diversen Oberflächengeometrien konnten grundsätzlich gefertigt werden. 3.2 AP02 Weiterentwicklung der Mehrschichtrohr-Technologie (PML) Untersuchung von PML-Rohren mit angepassten Werkstoffen (DLR) Das PML-Rohr besteht aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren bei thermischer Belastung Spannungen, die bis zu einer plastischen Verformung führen können. Die Lebensdauer der PML-Rohre würde dadurch reduziert werden. Mit dem Ziel eine homogene thermische Dehnung des Rohrverbundes zu erreichen wurde versucht, einen Werkstoff mit speziell angepassten Eigenschaften zu entwickelt. Dies ist potentiell z.b. durch das Mischen folgender Metallpulver theoretisch möglich.

13 Tabelle 1: Potentielle Metallgemische (angepasste Materialien) Mischungsverhältnis in Bemerkung Masse% Siliciumcarbid (SiC) Cu-SiC: 86,6 zu 13,4 Gemisch Aluminiumoxid Cu-AL2O3 83,8 zu 16,2 Gemisch (AL 2 O 3 ) Wolfram (W) Cu-W 40,9 zu 59,1 Legierung Molybdän (MO) Cu-MO 57,4 zu 42,6 Legierung α Kupfer ( K) α Kupfer (Fit-Messwerte K) α Wolfram ( K) α AL203 ( K) 25 α Kupfer (Fit Literaturwerte) α SiC ( K) α Molybdän ( K) α Kupfer (Messwerte Cu-ETP) 20 λ [1*10^-6*K^-1] ,00 400,00 600,00 800, , , ,00 Temperatur [K] Abbildung 7: Wärmeausdehnungskoeffizienten der potentiellen Mischmetalle

14 Cu-SiC Cu-AL Dichte d Dichte d d1 [kg/m³] 8933 Cu d1 [kg/m³] 8933 Cu d2 [kg/m³] 3160 SiC d2 [kg/m³] 3900 Al2O3 Volumenverhältnis k Volumenverhältnis k k1 [ ] 0,696 Cu k1 [ ] 0,693 Cu k2 [ ] 0,304 SiC k2 [ ] 0,307 SiC k gesamt [ ] 1,000 k gesamt [ ] 1,000 Massenverhältnis x Massenverhältnis x x1 [ ] 0,866 Cu x1 [ ] 0,838 Cu x2 [ ] 0,134 SiC x2 [ ] 0,162 AL2O3 x gesamt [ ] 1,000 x gesamt [ ] 1,000 Thermischer Ausdehnungskoeffizient Thermischer Ausdehnungskoeffizient a1 [10E-6 / K] 22,515 Cu a1 [10E-6 / K] 22,515 Cu a2 [10E-6 / K] 0,443 SiC a2 [10E-6 / K] 0,669 AL2O3 a gesamt [10E-6 / K] 15,800 Inconel 617 a gesamt [10E-6 / K] 15,800 Inconel 617 Cu-W Cu-MO Dichte d Dichte d d1 [kg/m³] 8933 Cu d1 [kg/m³] 8933 Cu d2 [kg/m³] Wolfram d2 [kg/m³] Molybdän Volumenverhältnis k Volumenverhältnis k k1 [ ] 0,600 Cu k1 [ ] 0,602 Cu k2 [ ] 0,400 Wolfram k2 [ ] 0,398 Molybdän k gesamt [ ] 1,000 k gesamt [ ] 1,000 Massenverhältnis x Massenverhältnis x x1 [ ] 0,409 Cu x1 [ ] 0,574 Cu x2 [ ] 0,591 Wolfram x2 [ ] 0,426 Molybdän x gesamt [ ] 1,000 x gesamt [ ] 1,000 Thermischer Ausdehnungskoeffizient Thermischer Ausdehnungskoeffizient a1 [10E-6 / K] 22,515 Cu a1 [10E-6 / K] 22,515 Cu a2 [10E-6 / K] 5,744 Wolfram a2 [10E-6 / K] 5,623 Molybdän a gesamt [10E-6 / K] 15,800 Inconel 617 a gesamt [10E-6 / K] 15,800 Inconel 617 Abbildung 8: Berechnung der Mischungsverhältnisse bei 900 C Aufgrund der hohen Schmelztemperaturen von Wolfram (3422 C) und Molybdän (2623 C) wurde beschlossen, Probeschmelzen der Metallgemische Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumoxid (AL 2 O 3 ) herzustellen Fertigungsverfahren zur Herstellung des angepassten Werkstoffes (MPG) Zur Herstellung eines angepassten Werkstoffes wurden Versuche im Labormaßstab durchgeführt, deren Erfolg notwendige Bedingung für weitere Versuche in den Gießöfen der Fa. MPG Mendener Präzisionsrohr war. Die Laborversuche wurde wie folgt durchgeführt:

15 Probeschmelzen im Labortiegel: Die Schmelzversuche wurden in einem Labortiegel der Fa. Indutherm, Type TM 200 durchgeführt. Der Tiegel hat folgende techn. Daten: Tiegelvolumen 150 cm³ Tiegeltemperatur max C Leistung der Anlage 4,9 KW Netzanschluss 400 Volt, 16 A, 50 Hz Tiegel nach oben hin offen (Atmosphäre) Für den ersten Versuch wurden 400 g Cu und 100 g Si eingesetzt, im Tiegel während des Schmelzvorganges mit einem Glasstab umgerührt / vermischt. Cu und Si wurden flüssig / teigig, aber die Schmelzleitung reichte nicht aus, um die gesamte Menge aufzuschmelzen. Es zeichnete sich ab, dass mit steigendem Si- Gehalt in der Schmelze auch der Schmelzpunkt erhöht würde. Nach einer Zeit von ca. 15 min. und keiner weiteren Änderung des Aufschmelzverhaltens wurde der Versuch abgebrochen und die erschmolzene Menge aus dem Tiegel entnommen. Die Schmelzprobe hatte einen Durchmesser von 54 mm und war ca. 20 mm dick. Die Probe wurde abgedreht und analysiert. Die Analyse ergab 97,94 % Cu, 1,95 % Si, 0,066 % Zn, 0,015 % Fe und Rest andere. Weitere Versuche wurden auf Grund der nicht genügenden Schmelzleistung nicht mehr ausgeführt. Auch bei weiteren Untersuchungen z. B. mit der Uni Duisburg wurden keine Erfolge erzielt. Alternativer Lösungsansatz: Die Fa. Bodycote verfügt über sehr große Erfahrung im Bereich des Heiß- Isostatisch-Pressen (HIP) und hält die Herstellung des angepassten Werkstoffs via HIPen potentiell für möglich. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. Bodycote ein Herstellungsversuch für folgende Rohrabmessungen durchgeführt. Abbildung 9: geplanter Prototyp aus Cu-SiC via HIPen

16 Die gewählten Prozessparameter Druck und Temperatur in Verbindung mit der Klopfdichte des Metallgemisches brachte leider nicht das gewünschte Ergebnis. Die folgende Abbildung zeigt die enorme Materialschwindung während des HIP- Prozesses. Abbildung 10:angepasstes Metallgemisch in HIP-Kapselung Die Schweißnähte der Kapsel wurden so stark beansprucht, dass in Folge der Rissbildung das Bauteil versagte. Weitere Experimente zur Bestimmung der Prozessparameter bzw. der Metallgemische mit entsprechenden Klopfdichten konnten im Rahmen von SOLTUBE sowohl aus finanzieller als auch aus zeitlichen Gründen nicht durchgeführt werden. Wie in 2.3 Projektverlauf bereits erwähnt, waren die Ansätze und die Entwicklungsarbeiten bezüglich der Entwicklung eines angepassten Materials nicht zielführend. Daher wurden für die weiteren Entwicklungsarbeiten Rohre aus reinem Kupfer verwendet Verfahrensentwicklung zur Herstellung der PML- Rohre mit MPG- Technologie (MPG) Zum Zeitpunkt der Antragstellung waren folgende Fertigungsverfahren der PML- Rohre im Wege der Kaltumformung vorstellbar: a. Reduzierung des Außenrohres auf das Mittelrohr und Innenrohr b. Aufweiten des Innenrohres zum Mittelrohr und Außenrohr c. Verwendung beider Techniken zur Herstellung des PML-Rohres durch schrittweise Verbindung der Rohre Um einen hohen Verbrauch an Inconel zu vermeiden, wurden zunächst PML Rohre mit den Werkstoffen /Kupfer/ hergestellt. Eine klangfeste Verbindung gelang ohne weitere Probleme. Dabei wurden jeweils die Außendurchmesser reduziert. Im zweiten Schritt wurden dann PML Rohre mit Inconel auf dem gleichen Wege hergestellt. Hier wurden verschiedene Versuch bzgl. des Reduzierungsgrades gefahren. Letztlich gelang auch hier eine klangfeste Verbindung der 3 Rohre Inconel/Kupfer/Inconel.

17 3.2.4 Herstellung von PML-Rohren (MPG) Nach der Herstellung des 3-lagigen Glattrohres wurden die Rohre in einem anschließenden Verarbeitungsschritt gedrallt. Da sich die Oberflächenstruktur der Drallung auf der Außen- wie Innenseite zeitgleich eingebracht wird, erfolgt eine Umformung der gesamten Rohrwand. Während äußerlich keinerlei Qualitätseinschränkungen zu sehen war, zeigt die Analyse der Halbschalen leichte Ablösungen der Rohre. Hierdurch bilden sich Hohlräume zwischen den Rohren, die eine isolierende Wirkung haben und damit den Wärmeübergang beeinträchtigen können. Abbildung 11: Halbschnitt PML-Rohr In weiteren Versuchen wurde lediglich auf der Innenseite eine Rippenstruktur aufgebracht. Bei dieser Struktur ergibt sich der verbesserte Wärmeübergang weniger infolge einer erhöhten Turbulenz und Vermischung als vielmehr durch eine deutlich vergrößerte Oberfläche. Die Versuche waren grundsätzlich erfolgreich. Ablösungen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen wurden nicht festgestellt. 3.3 AP03 Qualifizierung der Hochtemperaturabsorberrohre Zur Optimierung solarer Rohrreceiver werden Korrelationen benötigt, welche im Projekt SOLTUBE erstellt wurden. Um die thermohydraulischen Eigenschaften (Wärmeübergang und Druckverlust) der in beschrieben Absorberrohre bestimmen zu können, wurde zunächst ein Teststand entwickelt. Die aus den Messergebnissen gewonnenen Nusseltkorrelationen und Rohrreibungskoeffizienten beschreiben das Strömungsverhalten der unterschiedlichen Rohrgeometrien. Mit der Generierung dieser beiden Korrelationen konnte eine zentrale Aufgabenstellung des Projekts SOLTUBE erfolgreich erfüllt werden Entwicklung eines Teststandes zur Messung der thermohydraulischen Eigenschaften (DLR) Um hohe Investitionskosten für einen Hochtemperaturmessstand zu vermeiden, wurde der Teststand so ausgelegt, dass er bei Normaldruck und unter

18 Verwendung von kondensierendem Wasser als gleichmäßige Wärmequelle auf der Rohroberfläche (100 C), repräsentative Messungen erlaubt. Dazu wird das Wasser im Testbecken bei Umgebungsdruck mittels eines Heizstabes verdampft. Das Gebläse erzeugt in einem offenen Loop einen Volumenstrom, dessen Temperatur und Druck vor und nach dem Testbecken gemessen wird (siehe Abbildung 12). Die Auswertung der thermohydraulischen Messungen ermöglicht die Bewertung der unterschiedlichen Rohrvarianten. Abbildung 12: Design und Funktionsprinzip Thermohydraulische Vermessung von Proberohren (MPG) Vorgehen zur Bestimmung des Wärmeübergangs am Testrohr Die Wassertemperatur im Becken wurde mit dem Heizstab bis zum Siedepunkt erhitzt und während des Versuchs konstant gehalten. Die Siedetemperatur des Wassers ist gleich der Wandtemperatur über die gesamte Absorberrohrlänge. Mit den gemessenen Temperaturen wurden die am Gebläse einzustellenden Massenströme berechnet, die die verschiedenen Reynoldszahlen (Messpunkte) repräsentieren. Sobald sich ein stationärer Zustand eingestellt hatte, wurden 2 Minuten lang Messwerte im Sekundentakt aufgezeichnet und die Uhrzeit protokolliert, um anschließend die Messwerte leichter auffinden und auswerten zu können. Alle abgebildeten Ergebnisse in den folgenden Diagrammen sind jeweils Mittelwerte aus 120 stationären Einzelwerten.

19 Glattrohr theoretisch Glattrohr experimentell Abweichung Q [W] Abweichung [%] Re [/] Abbildung 13: Wärmeleistung bezogen auf 1000 mm Rohrlänge Abbildung 13 zeigt, dass die Abweichungen zwischen gemessener und theoretischer Wärmeleistung im Bereich von < Re < stets kleiner als die geforderten 20% sind. In verschiedenen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die dennoch relativ großen Abweichungen durch den realen Wärmeeintrag über Kon- und Diffusor kommen, welche in den theoretischen Berechnungen nicht berücksichtigt sind, wenn als wärmeübertragende Rohrlänge nur 1000 mm angenommen werden. Abbildung 14 veranschaulicht diese Gegebenheit. Abbildung 14: Wärmeübertragende Gesamtlänge

20 Um die realen Wärmeströme über Kon- und Diffusor bei der Erstellung der Korrelationen zu berücksichtigen, wurde eine wärmeübertragende Gesamtlänge von 1100 mm (entsprechend Abbildung 14) verwendet. Glattrohr theoretisch Glattrohr experimentell Abweichung Q [W] Abweichung [%] Re [/] Abbildung 15: Wärmeleistung bezogen auf 1100 mm Rohrlänge Um dieses Vorgehen auch wissenschaftlich zu rechtfertigen, wurden die Messergebnisse und die analytischen Rechnungen mit CFD simuliert. Die Ergebnisse sind zu finden. Vorgehen zur Bestimmung des Druckverlusts am Testrohr Mit dem Ziel den Druckverlust für das Testrohr zu bestimmen, wurden zunächst die Einzelwiderstände an Ein- und Ausgang (in Abbildung 16 rot umrandet) unabhängig voneinander wie folgt bestimmt:

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