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Vorrichtung zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes aus einer Lösung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes in im wesentlichen reiner Form aus Lösungen und betrifft insbesondere die Verdampfungs- und Kondensationskammern und den Kompressor für ein solches System.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit einem System zur Erzeugung von Süsswasser aus Meerwasser beschrieben, aber die Erfindung ist auch auf andern Gebieten anwendbar. Während bei der Erzeugung von Süsswasser aus Meerwasser das primäre Produkt Süsswasser ist, besteht bei andern Anwendungen das System, wie z. B. beim Dehydrieren von Citrusfruchtsäften, das primäre Endprodukt nach der Abscheidung des aufgelösten Stoffes aus der verbleibenden konzentrierten Lösung und der abgeschiedene reine aufgelöste Stoff kann als sekundäres Produkt von Bedeutung sein oder nicht. Da das nachstehend beschriebene System hauptsächlich für das Entsalzen von Meerwasser bestimmt ist, wird der Ausdruck "Entsalzung" zur Bezeichnung des Systems verwendet.
Diese Bezeichnung soll jedoch auch die verschiedenen andern Anwendungen des Systems umfassen, bei welchen ein aufgelöster Stoff aus einer Lösung abzuscheiden ist.
Eines der ernstesten und brennendsten Probleme in vielen Gebieten der Erde ist der Mangel an frischem Wasser. Viele dieser Gebiete haben einen niedrigen Lebensstandard, der unmittelbar auf den Mangel an frischem Wasser in wesentlichen Mengen zurückzuführen ist. Dabei sind viele dieser Gebiete von grossen Flächen Meerwassers umschlossen, das jedoch infolge seines Salzgehaltes weder für die Verwendung als Trinkwasser noch zur Bewässerung geeignet ist.
Das Problem der Umwandlung von Meerwasser in Trinkwasser ist seit längerer Zeit bekannt, und eine Lösung dieses Problems wird seit vielen Jahren angestrebt. Es sind schon zahlreiche Verfahren zur Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser vorgeschlagen und ausgeführt worden und einige dieser Systeme sind auch jetzt noch in Gebrauch. Diese Systeme haben jedoch nur einen begrenzten Erfolg, weil sie Trinkwasser nicht in genügender Menge und zu einem annehmbaren Preis herstellen konnten, wobei der Preis vom Standpunkt der Ausrüstungskosten, der Instandhaltung und/oder des Energiebedarfes des Systems zu beurteilen ist. Ein Entsalzungssystem muss grosse Trinkwassermengen erzeugen können, aber die Kosten sind von äusserst grosser Wichtigkeit.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist dieses Problem in den unterentwickelten Gebieten der Erde sehr brennend und hohe Ausrüstungs-, Instandhaltungs- und Betriebskosten sind in diesen Gebieten sehr stark fühlbar.
Im Laufe der letzten Jahre hat dieses Problem zunehmende Aufmerksamkeit gefunden, und es wurde ein Vakuumgefriersystem zur Erzeugung von Süsswasser entwickelt, das auf einem grundlegend richtigen Prinzip beruht. Diesem System war jedoch kein Erfolg beschieden, weil das Verfahren, das System und die Vorrichtung, die verwendet und vorgeschlagen wurden, kein System zum Entsalzen von grossen Mengen Meerwassers in wirtschaftlicher Weise ergaben. Die Wirtschaftlichkeit der Ausrüstung, der Kosten und des Betriebes können nicht nachdrücklich genug betont werden. Mit andern Worten, wenn das System nicht wirtschaftlich ist, muss es versagen.
Eine der grössten Schwierigkeiten, die sich bei den bekannten Vakuumgefriersystemen ergab, war ihre Unfähigkeit, in wirksamer und wirtschaftlicher Weise die grossen Dampfmengen zu handhaben und zu transportieren, die in jedem System vorhanden sind, das eine grössere Menge Süsswasser erzeugt. Hie-
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gen wären gegenwärtig zum Transportieren des Dampfes kostspielige und äusserst umfangreiche Gehäus und Leitungen erforderlich. Zum Bewegen einer so grossen Dampfmenge müsste ein mehrstufiger axiale Kompressor eingesetzt werden, was allein schon ohne Berücksichtigung der Grösse und der Kosten der Lei tung das System unwirtschaftlich machen würde.
Gegenstand der Erfindung sind Verdampfungs- und Kondensationskammem und ein Kompressor, di hinsichtlich der Kosten wirtschaftlich und wirksam im Betrieb sind.
Ausgegangen wird erfindungsgemäss von einer Vorrichtung zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffe aus einer Lösung, mit einer Verdampfungskammer, einer Einrichtung zur Einführung der Lösung in di Verdampfungskammer, einer Kondensationskammer und einem Kompressor zur Förderung des DampfE zwischen den Kammern.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung ist bei einer Vorrichtung dieser Art dadurch gekennzeichnet dass die Kammern und der Kompressor koaxial sind und dass in der Verdampfungskammer eine Einrich tung, mittels welcher aus der Lösung Eis gebildet wird, vorgesehen ist. Vorzugsweise wird eine Einrich tung vorgesehen, welche die Lösung in der Verdampfungskammer unter Bildung von Dampf und Eis ver dampft, wobei der Kompressor dazu dient, den Dampf aus der Verdampfungskammer in die Kondensa tionskammer zu fördern und der Dampf auf dem Eis in der Kondensationskammer kondensiert.
Bei Ver wendung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Herstellung von Trinkwasser aus Meerwasser dient dis Verdampfungskammer zur Aufnahme von Salzwasser, so dass durch Verdampfen Süsswasserdampf und Eis gebildet aus Süsswasser, entstehen, wobei der Kompressor den Dampf zu der Kondensationskammer för
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Die Kammern und der Kompressor können konzentrisch sein. Der Kompressor kann ein radialer Kom. pressor und in einer der Kammern angeordnet sein. Mittels Hilfseinrichtungen kann eine bessere Vertei. lung der Lösung in der Verdampfungskammer und eine schnellere Dampfkondensation in der Kondensa. tionskammer bewirkt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung un ( den Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt ein Schema des Entsalzungssystems, Fig. 2 im senkrechten Längsschnitt die Konstruktion und die Anordnung des Kompressors und der Verdampfungs-und Kondensationskammern, Fig. 3 einer waagrechten Querschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 eine Einzelheit im Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3, Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht der Verdampfungskammer, der Einrichtung zur Verteilung des Meerwassers in der Verdampfungskammer, der Kondensationskammer und der Tröge zur Verteilung des Eises in der Kondensationskammer, Fig. 6 eine Einzelheit im Schnitt nach der Linie 6-6 de ; Fig. 5.
Allgemeine Beschreibung des Systems.
Das Entsalzungssystem, von dem die Verdampfungs- und Kondensationskammer und der Kompresse ! gemäss der Erfindung einen Teil bilden, ist schematisch. in Fig. 1 dargestellt. Die neuen Verdampfungsund Kondensationskammern und der Kompressor sind in der Mitte der Fig. 1 angeordnet. Zunächst wird die allgemeine Anordnung des Systems beschrieben. Meerwasser, das sich auf Umgebungstemperatur befindet und das gefiltert worden ist, um schwimmendes Material und feste Stoffe zu entfernen, wird durch das Einlassrohr 10 in das System eingeführt und geht durch den Luftscheider 12 hindurch, in welchem aufgelöstes Gas aus dem Meerwasser entfernt wird.
Das Meerwasser wird dann durch die Pumpe 14 dem Wärmeaustauscher 16 zugeführt, in welchem das eingeführte Meerwasser in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Trinkwasserendprodukt und der aus dem System abgezogenen konzentrierten Sole gebracht wird.
Das in das System eingeführte Meerwasser befindet sich gewöhnlich auf Umgebungstemperatur, wie z. B. 250C, und enthält ungefähr 3, 5 Gew.-% Salz.
Das aus dem Wärmeaustauscher 16 austretende Meerwasser hat eine Temperatur von ungefähr - 1 C und wird durch das Rohr 18 in die Verdampfungskammer 20 eingeführt. Das Meerwasser tritt in die Verdampfungskammer durch die mittlere Nabe eines Verteilers 22 ein und fliesst dann über her- abhängende Platten des Verteilers nach unten, so dass dem eintretenden Meerwasser eine grosse freiliegende Oberfläche für die Verdampfung zur Verfügung steht.
Das Innere der Verdampfungskammer 20 wird durch eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe auf einem niedrigen Druck von ungefähr 3,2 mm Quecksilbersäule gehalten, so dass das Meerwasser in derselben unter Entspannung verdampft. Bei der Gefriertemperatur von Meerwasser beträgt die Verdamp-
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fungswärme ungefähr 597 cal/g, und die Schmelzwärme des Eises beträgt ungefähr 80 cal/g. Da der Dampf durch Verdampfung erzeugt wird, wird der zurückbleibenden Flüssigkeit Wärme entzogen und in derselben Eis gebildet. Infolge des Unterschiedes zwischen Verdampfungswärme und Schmelzwärme wird für jede Gewichtsmenge Wasserdampf ungefähr die 7, 5fache Gewichtsmenge Eis erzeugt. Das auf diese Weise erzeugte Eis ist im wesentlichen reines Wassereis, das keine nennenswerten Salzmengen enthält.
Bei kontinuierlichem Betrieb beträgt die Temperatur innerhalb der Verdampfungskammer ungefähr -40C, Der gebildete Dampf ist reiner Wasserdampf. Nachdem somit aus dem eingeführten Meerwasser durch Verdampfen und Gefrieren das reine Wasser abgeschieden ist, wird das verbleibende Meerwasser eine stärker konzentrierte Salzlösung.
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Die Verdampfung von Wasser unter gleichzeitiger Bildung von Dampf und Eis ist eine Funktion der Zeit, da Wärme übertragen werden muss und auch die Verdampfungsgeschwindigkeit proportional zur Grö- sse der Oberfläche ist. Damit das Meerwasser während eines ausreichenden Zeitraumes in der Verdampfungskammer verbleibt und dem Meerwasser auch eine genügend grosse, freiliegende Oberfläche dargeboten wird, ist innerhalb der Verdampfungskammer 20 der Verteiler 22 angeordnet.
Die Sole mit den in derselben befindlichen Eiskristallen wird aus dem unteren Ende der Verdampfungskammer 20 durch die Pumpe 24 abgezogen, und diese Mischung hat eine Temperatur von un- gefähr -40C. Die Mischung wird einem Waschabscheider 26 zugeführt, in welchem das Eis von der konzentrierten Sole getrennt wird und das an der Oberfläche der Eiskristalle anhaftende Salz abgewaschen wird. Die Eis-Sole-Mischung tritt unter Druck in das untere Ende des Wasserabscheiders ein, und die Säule desselben wird im wesentlichen vollständig mit Eiskristallen gefüllt. Der durch den Eintritt der Sole am unteren Ende des Waschabscheiders ausgeübte Druck drückt den in demselben befindlichen Eiszylinder nach oben, und die Sole geht durch die zusammengepressten Eiskristalle und durch die Filter 28 nach aussen.
Durch eine Pumpe 30 wird die Sole aus dem Mantel 32 entfernt, der das untere Ende des Waschabscheiders umgibt. Der Druckabfall, der dadurch erzeugt wird, dass die Sole durch die zusammengepressten Eiskristalle innerhalb der Säule hindurchgedrückt wird, übt auf die Säule der zusammengepressten Eiskristalle eine Kraft aus, welche dieselbe nach oben bewegt. Die Eissäule innerhalb des Waschabscheiders bewegt sich daher kontinuierlich nach oben. Am oberen Ende des Waschabscheiders ist ein motorgetriebener Schaber oder Abstreifer 34 angeordnet, der das obere Ende der sich nach oben bewegenden Eissäule bestreicht und das Eis in einen Trog 36 fördert. Am oberen Ende des Waschabscheiders 26 sind Sprühköpfe 38 angeordnet, die durch das Rohr 40 zugeführtes süsses Wasser auf das obere Ende der porösen Eissäule sprühen.
Dieses Wasser fliesst über die vorrückende Eissäule nach unten, um die an der Oberfläche oder in den Zwischenräumen des Eises anhaftende Sole abzuwaschen.
Mittels des Rohres 42 wird auch dem im Trog 36 befindlichen Eis Süsswasser zugesetzt, um eine Flüssigkeit mit in derselben suspendiertem Eis zu erhalten, die leichter gehandhabt werden kann.
Die zugeführte Flüssigkeit verhindert die Aufhebung des V-akuums in der V akuumkammer. Die Pumpe 44 fördert dann das Gemisch durch das Rohr 46 in mehrere Tröge 48, die innerhalb einer Kondensationskammer 50 konzentrisch angeordnet sind.
Die Kondensationskammer 50 ist eine ringförmige Kammer, deren innere Abmessung durch die Wand der konzentrischen Verdampfungskammer 20 und deren äussere Abmessung durch die äussere Wand 52 bestimmt wird, welche vorzugsweise in der in Fig. 1 gezeigten Weise isoliert ist, um den Eintritt von Wärme in das System zu verhindern.
Innerhalb des oberen Endes der Kondensationskammer 50 ist ein radialer Kompressor 54 angeordnet, der eine axiale Einlassöffnung 56. aufweist, die mit der Verdampfungskammer 20 verbunden ist, und eine kreisförmige Auslassöffnung 58, die mit der Kondensationskammer 50 verbunden ist.
Der in der Verdampfungskammer 20 gebildete Dampf wird in die mittlere Einlassöffnung 56 des Kompressors 54 angesaugt und durch die Auslassöffnung 58 in radialer Richtung nach aussen in die Kondensationskammer 50 abgeführt. Der Dampf wird daher verdichtet, und der Kompressor 54 hält die Kondensationskammer unter einem Druck von ungefähr 4,6 mm Quecksilbersäule. Der durch den Kompressor in den Kondensationskämmer abgeführte Dampf strömt nach unten und kommt mit dem in den Trögen 48 angeordneten Eis in Berührung, wodurch der Dampf kondensiert und gleichzeitig das Eis geschmolzen wird. Das auf diese Weise erzeugte Süsswasser wird am unteren Ende der Kondensationskammer 50 durch das Rohr 60 abgeleitet.
Ein Teil des Süsswassers wird durch die Rohre 40 und 42 in
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Tatsächlich bildet der Deckel des Behälters, in den der Kompressor fördert, das eigentliche Traggehäuse des Kompressors.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung dient ferner der Kompressor als selbsttätiger Regler des Systems, da die Dampfmenge, die der Kompressor bewältigen kann, die Geschwindigkeit steuert, mit welcher de) Dampf durch Verdampfung erzeugt wird, und die Geschwindigkeit, mit welcher der Dampf kondensiert wird.
Im Idealfall soll der Dampf der Kondensationskammer unter Sättigungsbedingungen des Druckes und der Temperatur zugeführt werden, so dass der Dampf beim Gefrierpunkt des Eises kondensiert. Das Eis wird dann dem kondensierten Dampf 597 cal/g entziehen, und das Eis wird bei 00C schmelzen, wobei 80 cal/g absorbiert werden. Im Hinblick auf Verluste, die durch in das System eindringende Wärme und durch Überhitzung des Dampfes verursacht werden, sind jedoch in der Kondensationskammer 50 sekundäre Kühlschlangen 64 vorgesehen. Diese Kühlschlangen kondensieren genügend Dampf, um einen Wärmeausgleich des Verfahrens zu erzielen. Die Schlangen 64 werden durch eine übliche Kühleinheit 66 gekühlt, in welcher von der Einlassleitung 10 abgezapftes Meerwasser in Umlauf gesetzt und durch die Auslassleitung 68 abgeführt wird.
Der Motor 70 zum Antrieb des Kompressors ist ausserhalb der Kondensationskammer 50 angeordnet, so dass durch denselben keine Wärme in das System eingeführt wird. Die Antriebseinrichtung zwi-
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kühlt, das dem Motorgehäuse von der Pumpe 22 über die Leitung 74 zugeführt wird. Dieses Wasser läuft im Motorgehäuse um und wird durch die Leitung 76 abgeführt. Diese Antriebseinrichtung bildet eine wirksame Abdichtung für die Antriebswelle des Kompressors, ohne die Verwendung von kostspieligen und verwickelten mechanischen Dichtungen, die gewöhnlich für solche Hochdruckdifferentiale erforderlich sind, in dem Süsswasser aus dem Motorgehäuse in den Kompressor austreten kann.
Das im Motorgehäuse umlaufende Süsswasser kühlt'den Motor und der in den Kompressor austretende Teil des Süsswassers verdampft unter Entspannung, um den verdichteten Dampf zu kühlen und teilweise die Überhitzung des Dampfes zu verringern.
Wie oben beschrieben, wird das Endprodukt, nämlich Trinkwasser, aus der Kondensationskammer 50 durch das Rohr 62 dem Wärmeaustauscher 16 zugeführt und hat eine Temperatur von ungefähr OOC.
Die konzentrierte Sole, die von dem Eis im Waschabscheider 26 getrennt wurde, wird durch die Pum-
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Der Zweck des Wärmeaustauschers besteht darin, das eingeführte Meerwasser so weitgehend wie möglich zu kühlen, indem demselben Wärme entzogen wird, die der kalten Sole und dem erzeugten Süsswasser zugeführt wird. Es ist wichtig, dass das Meerwasser so wirksam wie möglich gekühlt wird. Wieder wird das Entsalzungssystem von der Frage der Wirtschaftlichkeit beherrscht, indem eine neue Konstruktion und Anordnung des Wärmeaustauschers erforderlich war, um das Ziel einer praktischen, wirt- schaftlichen Ausrüstung zu erreichen. Mit dem Wärmeaustauscher 16 wurden Temperaturen von ungefahr -160C erzielt, und das durch das Rohr 18 in das System eintretende Meerwasser hat daher eine Temperatur von ungefähr -loC.
Das Süsswasser, das den Wärmeaustauscher 16 durch das Rohr 80 verlässt, ist das Hauptprodukt des Systems und wird einem Vorratsbehälter 82 zugeführt, aus dem es zum Gebrauch entnommen werden kann. Diese angewärmte konzentrierte Sole, die den Wärmeaustauscher 16 durch das Rohr 84 verlässt, wird der Auslassöffnung 68 zugeführt, welche dieselbe in das Meer zurückleitet oder einer andern Verwendung zuführt. Wie bereits erwähnt, ist das Hauptprodukt des beschriebenen Systems Trinkwasser. Selbstverständlich kann aber die konzentrierte Sole einer weiteren Behandlung unterworfen werden, um beispielsweise Salz zu gewinnen. Wenn dem System andere Rohprodukte zugeführt werden, wie z. B.
Fruchtsäfte, wäre beispielsweise der aus dem Wärmeaustauscher abgeführte konzentrierte Fruchtsaft das Hauptprodukt und das Trinkwasser ein nützliches Nebenprodukt.
Es ist zu bemerken, dass in der Kondensationskammer ein höherer Druck erforderlich ist als in der Verdampfungskammer, weil der Dampfdruck der gefrierenden Sole niedriger ist als der Dampfdruck des Eis-Wasser-Gemisch bei OOC. Der Dampfdruck der Sole mit einem Salzgehalt von 7 Gew. -0/0 und bei - 4 C beträgt ungefähr 3, 2 mm Quecksilbersäule. Während der Dampfdruck des Eis-Wasser-Gemisches bei
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00C ungefähr 4,6 mm Quecksilbersäule beträgt. Durch den Kompressor wird dieser Zustand aufrecht erhalten.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, einen Teil der kalten Sole wieder in Umlauf zu setzen, um zu verhindern, dass sich Eis innerhalb der Verdampfungskammer bildet, welches das System verstopfen und den kontinuierlichen Betrieb unterbrechen könnte. Ein Teil der kalten Sole, die aus dem Waschabscheider 26 abgeleitet wird, wird daher durch die Pumpe 30 dem Rohr 86 zugeführt, das mit einem Rohr 88 des Verteilers 22 verbunden ist. Am unteren Ende des Rohres 88 ist in der Verdampfungskammer ein Sprühkopf 90 angeordnet. Ausserdem wird ein Teil der kalten konzentrierten Sole von der Pumpe 30 über das Rohr und das Verbindungsrohr 92. in die Zuführungsleitung 18 für das kalte Meerwasser eingeführt.
Die kalte konzentrierte Sole wird daher mit dem eintretenden Meerwasser gemischt und gelangt über den Verteiler 22 in die Verdampfungskammer 20, wobei in dieses Gemisch am Boden der Verdampfungskammer durch den Sprühkopf 90 konzentrierte Sole eingespritzt wird. Diese Einführung von konzentrierter Sole mit dem Meerwasser beeinflusst nicht in nachteiliger Weise die Verdampfung und die Bildung von Dampf und Eis, sondern verhindert im Gegenteil die Bildung von Eis auf dem Verteiler 22. Ausserdem werden kleine Eiskristalle, die aus dem Abflussbereich des Abscheiders entweichen, auf diese Weise wieder in das System eingeführt, um die Kristallisation zu fördern. Die grösste Eismenge ist ferner in dem Eis-Sole-Gemisch am unteren Ende der Verdampfungskammer 20 enthalten, und es besteht eine Neigung zur Eisbildung an dieser Stelle.
Die Einführung zusätzlicher Sole
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In jedem wirtschaftlich erfolgreichen Entsalzungssystem müssen verhältnismässig grosse Trinkwassermengen erzeugt werden. Dies kann bewirkt werden, indem eine grössere Anlage gebaut wird, aber infolge der Unannehmbarkeit hoher Kosten muss die Grösse der Anlage in angemessenem Rahmen bleiben. Mit dem in Fig. l schematisch dargestellten System können innerhalb 24 h ungefähr 264000 l Trinkwasser erzeugt werden.
Statt zu versuchen, eine grössere Anlage zu bauen und dadurch die Kosten unverhältnismä- ssig zu erhöhen, ist es daher angezeigt, wenn die Erzeugung einer grösseren Trinkwassermenge erforderlich ist, was gewöhnlich der Fall sein wird,. getrennte, aber parallele Systeme einzurichten und zu betreiben, um die zusätzlichen Erfordernisse erfüllen zu können.
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rend Einzelheiten derselben aus den Fig. 3 und 5 ersichtlich sind.
Die Verdampfungskammer 20 wird durch eine zylindrische Wand 94 gebildet, die am unteren Ende in einem nach aussen gerichteten Flansch 96 endet. An diesem Flansch ist ein nach unten gerichteter konischer Abflussteil 98 befestigt, der am unteren Ende mit einem Verbindungsstück 100 zum Anschluss an die Rohrleitung des Systems versehen ist. Das obere Ende der Wand 94 ist ebenfalls mit einem Flansch 102 versehen, mit dem der Kompressor 54 in Eingriff steht.
Innerhalb der Kammer 20 ist der Verteiler 22 angeordnet, der durch die Wand 94 hindurchgehende Verbindungen mit der Soleleitung 86 und der Meerwasserleitung 18 aufweist. Die Kammer 20 ist eine geschlossene Kammer, mit Ausnahme der Abflussöffnung am unteren Ende und der Verbindung mit dem Kompressor am oberen Ende. Ein Druck von ungefähr 3, 2 mm Quecksilbersäule wird in der Kammer 20 durch den Kompressor zusammen mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe aufrecht erhalten, die mit der Kondensationskammer 50 verbunden ist.
Die innere Begrenzung der Kondensationskammer 50 wird durch die zylindrische Wand 94 und die äussere Begrenzung durch eine zylindrische Wand 104 gebildet. Diese Wand kann aus mehreren Abschnitten bestehen, bildet jedoch einen geschlossenen luftdichten Behälter. Am unteren Ende der zylindrischen Wand 104 ist ein konischer Abflussteil 106 befestigt, der mit einem Verbindungsstück 108 zum Anschluss an die Rohrleitung des Systems versehen ist.
Am oberen Ende der Wand 104 ist ein Deckel 110 befestigt, welcher beide Kammern 20 und 50 bedeckt. Die Antriebsverbindung zwischen dem Motor 70 und dem Kompressor 54 geht durch den Deckel 110 hindurch und ist allgemein mit 112 bezeichnet. Die Kondensationskammer 50 ist ein geschlossener, luftdichter Behälter und wird durch eine im Bereich der Kühlschlangen 64 angeschlossene Vakuumpumpe auf einem Druck von ungefähr 4,6 mm Quecksilbersäule gehalten. Die einzigen Verbindungspunkte mit der Kammer 50 sind der Abflussteil 106, der kreisförmige Auslass 58 des Kompressors 54, die Verbindungen mit den Rohren 46, welche den Trögen 48 das Eis zuführen, und der Anschluss an die (nicht dargestellte) Vakuumpumpe.
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Wie die Fig.'- 3 und 5 zeigen, sind innerhalb der Kondensationskammer 50 mehrere ringförmige Tröge bordnetz Diese Tröge bestehen aus U-förmigen Kanalabschnitten mit einer Bodenwand 114 und nach oben gerichteten Seitenwänden 116. Die ringförmigen Tröge werden von Zapfen 120 getragen, die in der zylindrischen Wand 104 der Kondensationskammer befestigt sind. Die Tröge 48 liegen im Abstand von den zylindrischen Wänden 94 und 104, so dass der Dampf zwischen diesen Wänden und den Seitenwänden der Tröge nach unten hindurchgehen kann. Die äussere Seitenwand 116 jedes Troges ist mit einer Reihe von Bohrungen 122 versehen, durch welche das Süsswasser aus den Trögen abfliessen kann.
Wie Fig. 2 zeigt, ist jeder Trog 48 mit einer Rohrverbindung 124 versehen, durch welche das Eis-Süsswasser-Gemisch aus dem Waschabscheider 26 den Trögen zugeführt wird. Am inneren Ende der Rohrverbindung 124 sind zwei halbkreisförmige Kunststoffrohrabschnitte 126 befestigt, von denen sich jeder längs der inneren Seitenwand 116 der Tröge 48 erstreckt. Die Kunststoffrohre 126 werden auf der inneren Seitenwand 116 des Troges durch Federklammern 128 an ihrem Platz gehalten, wie Fig. 4 im Schnitt zeigt. Die Rohre 126 sind in Abständen mit Einkerbungen 130 versehen, deren Form am besten auf der rechten Seite der Fig. 3 ersichtlich ist. Die Enden der Kunststoffrohre 126 sind durch Pfropfen 132 verschlossen.
Durch die Rohrverbindung 124 wird daher ein Eis-Wasser-Gemisch unter Druck in die Rohre 126 gedrückt und durch die Einkerbungen 130 über den Umfang der Tröge 48 verteilt. Jede der Einkerbungen ist entgegen der Strömungsrichtung in den Rohren 126 gerichtet, so dass durch jede Einkerbung ein Teil des Gemisches abgeführt wird. Es ist wichtig, dass der grösstmögliche Oberflächenbereich des Eises dem Dampf ausgesetzt wird, weil das Kondensieren des Dampfes auf dem Eis und die zwischen dem
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Anordnung werden die Eiskristalle über den ganzen Umfang des Troges 48 ausgebreitet.
Das im Eis-Wasser-Gemisch vorhandene Süsswasser geht durch die Auslassbohrungen 122 in der äusseren Seitenwand 116 der Tröge hindurch und fliesst nach unten in den Abflussteil 106-der Kon- gen und durch Schmelzen des Eises in den Trögen erzeugt wird, wird auf ähnliche Weise aus den Trögen abgeführt. Wie bereits erwähnt, kann das System eine schlechte Wirkung aufweisen, wenn Wärme in das Syführt. Wiebereits erwähnt, kann das System eine schlechte Wirkung aufweisen, wenn Wärme in das System eindringt. Um daher einen Wärmeausgleich zu erzielen und das Verfahren kontinuierlich durchführen zu können, muss die Wärme aus dem System entfernt werden.
Dies geschieht durch die in Fig. 1 gezeigte übliche Kühleinheit 66, deren Kühlschlangen 64 innerhalb der Kondensationskammer 50 am unteren Ende derselben angeordnet sind, wie Fig. 2 zeigt. Diese Kühlschlangen sind im Abstand voneinander angeordnet, so dass der Dampf über dieselben hinweg gehen kann. Das Eis in den Trögen 48 dient zur primären Umwandlung geringer Wärmemengen, um die Kondensation des Dampfes zu bewirken.
Der Dampf darf sich in der Kondensationskammer nicht ansammeln, da sonst das System zum Stillstand gebracht wird, sondern der Dampf muss kontinuierlich kondensiert werden. Die kalten Kühlschlangen 64 dienen zur zusätzlichen Umwandlung geringer Wärmemengen, um zu gewährleisten, dass der ganze Dampf kondensiert wird. Es ist ausserdem wichtig, zu bemerken, dass die Kühlschlangen 64 in der Nähe des unteren Endes der Kondensationskammer 50 angeordnet sind, so dass nur Dampf, der bereits über das Eis in den Trögen 48 hinweggegangen ist, mit diesen Kühlschlangen in Berührung kommt und von denselben kondensiert wird. Dieser Dampf bildet eine Eisschicht auf den Kühlschlangen, bis ein Gleichgewichtszustand hergestellt ist, worauf die weitere Kondensation die Bildung von Wasser ergibt, das von den Kühlschlangen abfliesst.
Auf diese Weise wird nur die Wärme des überschüssigen Dampfes entfernt, während die Ansammlung von Eis auf den Kühlschlangen wie ein Behälter wirkt, der sich übermässigen Dampfschwankungen im System anpasst. Die Vakuumpumpe und ihre Verbindung mit der Kondensationskammer 50 ist zwar nicht dargestellt, aber die Saugseite der Vakuumpumpe ist mit der Kammer 50 im Bereich der oder unmittelbar unterhalb der Kühlschlangen 64 verbunden. Da die Kühlschlangen 64 die überschüssigen kondensierbarenDämpfe entfernen, dient die Vakuumpumpe nur zur Abführung der nicht-kondensierbaren Stoffe, d. h. von Luft. Die erforderliche Vakuumpumpe kann daher verhältnismässig klein sein, und es ist nicht erforderlich, in der Verbindung der Vakuumpumpe mit der Kammer 50 einen Abscheider anzuordnen.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass die Verdampfungs- und Kondensationskammern konzentrische Kammern sind, von denen die eine innerhalb der andern liegt. Daraus ergeben sich mehrere wichtige Vorteile, und unter Berücksichtigung der Wichtigkeit der Wirtschaftlichkeit ergibt diese Anordnung wesentliche Ersparnisse an Material und Betriebskosten. Ausserdem wird eine kompakte Anlage erhalten, und von grosser Wichtigkeit ist der erzielbare thermische Wirkungsgrad.
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Da die Kammern ineinander angeordnet sind, muss die innere Kammer nicht mit Isoliermaterial versehen werden. Die innere Kammer ist vielmehr durch die dieselbe umgebende kalte Kammer wirksam
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diesen geringen Temperaturunterschied wird die Wärmemenge, die in die Verdampfungskammer übertragen wird, stark beschränkt. Es muss bemerkt werden, dass diese Kammern grosse Behälter sind. Wenn dieselben daher nicht konzentrisch angeordnet wären, würden viele Quadratmeter der Behälteroberfläche zusätzlich der Aussenluft ausgesetzt, mit der sich daraus ergebenden Gelegenheit der Einführung von Wärme in das System, und diese grossen Oberflächen müssten zum grössten Teil isoliert werden, um diesen Wärmeeintritt so viel wie möglich zu begrenzen.
Die Verdampfungs- und die Kondensationskammer arbeiten unter einem verhältnismässig niedrigen Druck, und der Druckunterschied zwischen den beiden Kammern (3, 2 bzw. 4,6 mm Quecksilbersäule) ist verhältnismässig gering. Da in diesen Kammern so niedrige Drücke herrschen, wird von der Aussenluft an die Behälter eine grosse Kraft ausgeübt, welche sie einzudrücken trachtet. Die Konstruktion der Behälterwand muss daher genügend kräftig sein, um dieser Kraft widerstehen zu können, welche im Hinblick auf
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weist eine solche kräftige Konstruktion auf und ist mit Isoliermaterial versehen, wie Fig. 1 zeigt. Die Wand der inneren Verdampfungskammer 20 hat jedoch bei der Anordnung gemäss der Erfindung keine wesentliche Belastung zu tragen, weil der auf diese Wand einwirkende Druckunterschied nur sehr gering ist.
Daher entfällt nicht nur die Notwendigkeit, die Wand der inneren Kammer zu isolieren, sondern sie kann auch aus leichtem und daher weniger kostspieligem Material bestehen.
Obwohl bei dem Vakuumgefriersystem gemäss der Erfindung Korrosionsprobleme wesentlich vereinfacht sind im Vergleich zu den üblichen Systemen, in denen Meerwasser erhitzt wird,. erscheint es trotzdem angezeigt, die Verdampfungs- und die Kondensationskammer aus gegen Korrosion widerstandsfähigen Materialien mit Schutzüberzügen herzustellen, um die Korrosion auf ein Mindestmass herabzusetzen.
Der Verteiler besteht aus einer oberen mittleren hohlen Sammelleitung 148, mit welcher ein Rohr 150 verbunden ist, durch welches das Gemisch aus Meerwasser und konzentrierter Sole zugeführt wird. Von der Sammelleitung 148 erstrecken sich mehrere oben offene Leitungen 152 (Fig. 6) nach aussen, und das zugeführte Meerwasser gelangt durch die Öffnungen 154 in diese Leitungen. Von den Leitungen 152 erstrecken sich plattenförmige Teile 156 nach unten, die aus korrosionsbeständigem dünnem Blech bestehen, wie z. B. aus nichtrostendem Stahl oder aus Kunststoff. Diese Platten weisen eine grosse Oberfläche auf. Am oberen Ende der Leitungen 152 sind längliche Austrittsöffnungen 158 vorgesehen.
Das zugeführte Meerwasser gelangt daher in die Sammelleitung 148, tritt durch die Öffnungen 154 in die Leitungen 152 ein und fliesst durch die länglichen Austrittsöffnungen 158 aus.
Die austretende Flüssigkeit fliesst dann unter Schwerkraftwirkung über die Platten 156 nach unten und wird in einem verhältnismässig dünnen Film über deren grosse Oberfläche verteilt, um der Flüssigkeit in derVerdampfungskammer eine maximale Oberflächenausbreitung zu geben. Um die Oberflächenausbreitung zu vergrössern, sind an den Enden der Leitungen 152 in der ringförmigen Stütze 164 Öffnungen 160 vorgesehen. Das durch diese Öffnungen ausfliessende Wasser kommt mit der Innenseite der zylindrischen Wand 94 in Berührung und fliesst unter Schwerkraftwirkung längs dieser Wand nach unten.
Es ist erforderlich, eine maximale Ausbreitung des Meerwassers innerhalb des Gefrierbereiches zu bewirken, ohne die Grösse und die Kosten der Anlage zu erhöhen. Die Verdampfung ist ebenso wie der Oberflächenbereich eine Funktion der Zeit, und die Zeit, die das Meerwasser braucht, über die ganze Länge der Platten 156 zu fliessen, reicht aus, um 5 o desselben in Süsswasserdampf und Eis umzuwandeln.
Anordnung des Kompressors relativ zur Verdampfungs- und Kondensationskammer.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der innerhalb der Verdampfungskammer 20 erzeugte Dampf unmittelbar und sofort in die Kondensationskammer 50 übergeführt werden kann, ohne dass ein langes Leitungssystem zur Förderung des Dampfes oder ein übermässig grosses Gehäuse für den Kompressor erforderlich wären. Aus der konzentrischen Anordnung der Verdampfungs- und der Kondensationskammer und aus der Anordnung des Kompressors in der dargestellten Weise ergeben sich'viele wichtige und bedeutende Vorteile, insbesondere auch sehr wichtige wirtschaftliche Vorteile.
Gemäss Fig. 2 ist der Kompressor 54 innerhalb des äusseren Gehäuses der Verdampfungs- und der Kondensationskammer angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kompressor unmittelbar
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unterhalb des Deckels 110 der Kondensationskammer 50 und oberhalb der zylindrischen Wand 9, der Verdampfungskammer 20 angeordnet. Der Kompressor wird von diesem Deckel getragen und is mit einem Mantel 134 versehen, der aus einem oberen Teil 136 und einem unteren Teil 138 be
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den Kammern durch den mittleren Einlass 36, das innere Ende des Kompressors und den kreisförmige ! Auslass 58 gebildet wird.
Innerhalb des Mantels 134 ist ein drehbares Flügelrad 142 angeordnet
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getra-dern besteht aus leichtem Material, das nur durch den Deckel 110 getragen wird, der zusammen mil der Wand 104 eine wirksame Stütze und ein Hochleistungsgehäuse für den Kompressor bildet. Wie die Zeichnung zeigt, besteht der Mantel 134 aus dünnem, leichtem Material. Das Flügelrad 142 weis1 mehrere in radialer Richtung verlaufende Flügel 144 und eine mittlere Nabe 146 auf und wird innerhalb des Mantels 134 durch den Motor 70 angetrieben. Um das erforderliche Dampfvolumen fördern zu können, muss der Kompressor gross sein und mit einer verhältnismässig hohen Drehzahl umlaufen.
Der Durchmesser des Flügelrades 142 beträgt daher beispielsweise 2, 1 m und die Drehzahl 3600 Umdr/ min. Bei einer solchen Grösse und Drehzahl des Flügelrades muss für die Antriebswelle eine genügend kräftige Lagerung vorgesehen sein. Da der Deckel 110 ein wesentlicher Bauteil ist, kann er die erforderliche Abstützung gewähren und das eigentliche Gehäuse bilden, während der das Flügelrad umgebende Mantel aus verhältnismässig leichtem Material besteht.
Mit andern Worten, die Kammer, in welche
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fürdas System in Betrieb ist und der Kompressor sich dreht, wird der innerhalb der Verdampfungskammer 20 gebildete Dampf in den mittleren Einlass 56 gesaugt und durch die umlaufenden Flügel 144 unter progressiv zunehmendem Druck in radialer Richtung nach aussen bewegt, um schliesslich durch den kreisförmigen Auslass 58 in die Kondensationskammer 50 abgeführt zu werden. Mit andern Worten, der Kompressor bietet einen unmittelbaren radialen Weg für die Bewegung des Dampfes. Wichtig ist ferner, dass der Dampf über die ganze Fläche der mittleren Einlassöffnung 56 in den Kompressor angesaugt und über die ganze Fläche der kreisförmigen Auslassöffnung 58 abgeführt wird.
Der Dampf wird daher über die ganze ringförmige Fläche der Kondensationskammer 50 zugeführt, um mit dem Eis in Berührung zu kommen, das über die ganze Fläche der Kondensationskammer verteilt worden ist. Bei dieser Anordnung der konzentrischen Kammern und des Kompressors wird sich der Dampf von allen Auslassstellen des Kompressors durch die Kondensationskammer in einer spiralförmigen Bahn nach unten bewegen, wobei der Dampf die demselben durch den Kompressor erteilte hohe Geschwindigkeit beibehält. Da die Kondensation eine Funktion der Oberflächenberührung und der relativen Strömungsgeschwindigkeit ist, ist dies selbstverständlich vorteilhaft. Die Vorteile dieser Anordnung hinsichtlich der Grösse und der Kosten der Anlage müssen hervorgehoben und anerkannt werden, und durch die enge Beziehung zwischen dem Kompressor und den Kammern werden diese Vorteile erzielt.
Bei Verwendung eines üblichen spiralförmigen Gehäuses für den Kompressor müsste dieses einen Durchmesser von ungefähr 4, 2 m haben, und für die dargestellte Anlage wären zur Förderung des Dampfvolumens Leitungen erforderlich, die einen Durchmesser von ungefähr 1, 8 m haben müssten. Durch eine Anlage dieser Grösse werden selbstverständlich Wärmeverluste in das System eingeführt, und die Kosten der Bestandteile und der Isolierung sind beträchtlich.
Vakuumgefrier-Entsalzungssysteme waren bisher in hohem Masse dadurch belastet, dass sie keine wirksame und wirtschaftliche Anlage und Anordnung für den Kompressor und die Kondensations- und Verdampfungsbehälter liefern konnten. Bei den bekannten Anordnungen würde zur Förderung eines so grossen Dampfvolumens normalerweise ein axialer Kompressor mit mehreren Stufen verwendet. Die Kosten einer solchen Kompressoranordnung allein würden jedoch zusammen mit den Kosten für die Verdampfungs- und Schmelzbehälter sicherlich die zulässigen Kosten für das ganze Entsalzungssystem übersteigen.
Vorliegendenfalls wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem System zur Erzeugung von trinkbarem oder reinem Wasser aus Meerwasser beschrieben. Die Erfindung kann aber auch auf andern Gebieten und für andere Zwecke Verwendung finden. Die Vorrichtung kann ver-
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