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Vorrichtung und Verfahren zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes aus Lösungen
Die Erfindung betrifft Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes in im wesentlichen reiner Form aus Lösungen und/oder zur Erzeugung einer Konzentration der verbleibenden Lösung. Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zur Erzeugung von Süsswasser aus Meerwasser, brackigem Grundwasser, industriellen Solen und andern Wassern enthaltenden Lösungen.
Die Verfahren, Systeme und Vorrichtungen gemäss der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit ihrer Anwendung auf die 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 Produkte Süsswasser ist, besteht bei andern Anwendungen des Systems, 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 zehn Jahre hat das Problem der Entsalzung zunehmende Aufmerksamkeit gefunden, und es wurden die grundlegenden Probleme erkannt. Als Ergebnis von Versuchen wurde vorgeschlagen, Süsswasser in einem Vakuumgefriersystem zu erzeugen, indem gekühltes Meerwasser in einen Vakuumverdampfer eingeführt wird. Das zugeführte Meerwasser verdampft unter Entspannung, wodurch die Bildung reinen Wasserdampfes und reinen Eises bewirkt wird, wobei das Eis von der zurückbleibenden konzentrierten Solelösung mitgeführt wird. Bei diesem System wird das Eis von der Sole getrennt und einem Schmelzgefäss zugeführt. Der im Verdampfer erzeugte Dampf wird ebenfalls abgezogen und dem
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von Trinkwasser sowohl durch Kondensation des Dampfes als auch durch das Schmelzen des Eises.
Das vorstehend kurz beschriebene System ermöglicht die Gewinnung des Dampfes alsTrinkwasserendprodukt. Noch wichtiger aber ist, dass das System thermodynamische Erscheinungen ausnutzt, welche eine wirksame Umwandlung von Meerwasser in frisches Wasser ergeben. Das System beseitigt zu einem grossen Teil die ernsten Probleme der Korrosion, die in vielen andern Systemen auftreten. Bei diesem System wird das erzeugte Eis zur Umwandlung geringer Wärmemengen verwendet, um die Gewinnung des Dampfes durch Kondensation auf dem Eis zu ermöglichen. Ein solches System bietet eine potentielle Möglichkeit zur Entwicklung eines praktischen Entsalzungssystems.
Diesem System war jedoch kein voller Erfolg beschieden, weil die verwendeten und vorgeschlagenen Verfahren, Systeme und Vorrichtungen kein Sy-
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Diese Versuche ergaben ein System, das im Prinzip richtig war, aber es wurde daraus keine wirtschaftliche Vorrichtung und kein Verfahren oder System zur Anwendung des Prinzips entwickelt.
Es kann nur immer wieder darauf hingewiesen werden, dass die Wirtschaftlichkeit der Ausrüstungsund Betriebskosten für die Entsalzung von grösster Bedeutung ist. Bei den meisten Produkten stellt die
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Trinkwasser eignet. Jeder Teil der Ausrüstung sowie jeder Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens ist in dem System so abgestimmt, dass es wirtschaftlich in seiner Konstruktion und wirtschaftlich und wirksam im Betrieb ist.
Ausgegangen wird erfindungsgemäss von einer Vorrichtung zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes aus einer Lösung mit einer Verdampfungskammer, einer Einrichtung zur Einführung der Lösung in die Verdampfungskammer, einer Kondensationskammer und einem Kompressor, der den Dampf aus der einen in die andere Kammer fördert.
Von bekannten Vorrichtungen dieser Art unterscheidet sich die Vorrichtung gemäss der Erfindung insbesondere dadurch, dass beide Kammern und der Kompressor koaxial sind und ferner dadurch, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Verdampfungskammer unter einem Druck hält, der die Bildung von Dampf in der Verdampfungskammer ermöglicht, wobei in der Verdampfungskammer Dampf und Eis gebildet werden, dass ein Abscheider vorgesehen ist, der das Eis von der Lösung trennt, dass eine Einrichtung Dampf der Kondensationskammer zuführt, so dass Wärme von dem Dampf in der Kondensationskammer auf das Eis übertragen und der Dampf kondensiert und das Eis schmilzt, und dass ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist, in welchem die Lösung gekühlt wird.
Vorzugsweise wird eine Einrichtung vorgesehen, welche die Verdampfungskammer auf niedriger Temperatur hält, so dass die Lösung in der Verdampfungskammer verdampft, und dass der Kompressor den Dampf aus der Verdampfungskammer in die Kondensationskammer fördert, der auf dem Eis in der Kondensationskammer kondensiert.
Zwecks Umwandlung von Meerwasser in Trinkwasser dient die Verdampfungskammer zur Aufnahme von Salzwasser, so dass durch Verdampfen Süsswasserdampf und Eis, gebildet aus Süsswasser, entsteht, wobei der Kompressor den Dampf zu der Kondensationskammer fördert, wo der Dampf auf dem Eis in der Kondensationskammer unter Bildung von Süsswasser kondensiert.
Erfindungsgemäss wird auch ein Verfahren zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes aus einer Lösung geschaffen, bei welchem die Lösung gekühlt und der Lösung Wärme entzogen wird, um durch Dampfbildung Eis zu erzeugen, das marin besteht, dass der Dampf auf kurzem Weg in einen Bereich gebracht wird, der an den Bereich, in dem der Dampf gebildet wird, angrenzt, wobei am Ende dieses kurzen Arbeitsweges ein Druck ausgeübt wird, der grösser ist als der am Wegbeginn vorherrschende Druck, und dass das gebildete Eis dem erstgenannten Bereich zugeführt und der Dampf zwecks Kondensation desselben mit dem Eis in Berührung gebracht wird.
Erfindungsgemäss werden Verfahren für die Entsalzung vorgesehen, nach welchen : a) der in der Verdampfungskammer erzeugte Dampf auf direktem und kürzestem Weg der Kondensationskammer zugeführt wird, b) der in der Verdampfungskammer erzeugte Dampf in radialer Richtung nach aussen in die Kondensationskammer bewegt wird, c) der Dampf mit einem Mindestmass an Überhitzung in radialer Richtung nach aussen in die Kondensationskammer bewegt wird, d) das Eis in der Kondensationskammer so verteilt wird, dass eine beträchtliche Oberfläche für das Kondensieren- des Dampfes zur Verfügung steht.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen.
In diesen zeigt : Fig. l ein Schema des Entsalzungssystems, Fig. 2 im senkrechten Längsschnitt die Konstruktion und dieAnordnung des Kompressors und der Verdampfungs- und Kondensationskammer, Fig. 3 einen 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 der Fig. 5, Fig. 7 in grösserem Massstab im senkrechten Längsschnitt den Kompressor und den Kompressorrotor, Fig.
8 eine schaubildliche Ansicht der Verbindung zwischen dem Rotor und den Flügeln, Fig. 9 eine Seitenansicht eines Kompressorflügels und Fig. 10 eine Draufsicht auf denselben.
Allgemeine Beschreibung des Systems.
Das nachstehend beschriebene Entsalzungssystem gemäss der Erfindung wird in seiner Anwendung auf ein System zur Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser gezeigt. Die allgemeine Ausbildung dieses Systems ist schematisch in Fig. l dargestellt.
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 Luftabscheider 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. 25 C, und enthält ungefähr 3, 5 Gew.-% Salz. Wie nachstehend beschrieben wird, hat das aus dem Wärmeaustauscher 16 austretende Meerwasser eine Temperatur von ungefähr - 10C 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 herabhängende 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 Verdampfungswärme 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 -4OC. 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.
Während theoretisch mehr als 75 Gew. -0/0 reines Wasser in Form von Dampf und Eis abgeschieden werden können, wurde gefunden, dass die Abscheidung von ungefähr 50 Gew. -0/0 reinen Wassers im Be-
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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 Grösse 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 Waschabscheiders 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
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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 Endedes 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 zugefuhrtes 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 anzuwaschen.
Mittels des Rohres 42 wird auch dem im Trog 36 befindlichen Eis Süsswasser zugeführt, um eine Lösung von Süsswasser und in demselben suspendierten Eises zu erzeugen, die gepumpt werden kann.
Das Eis wird in eine Vakuumkammer eingeführt, wobei dem Eis Süsswasser zugesetzt wird, um eine Flüssigkeit mit in derselben suspendiertem Eis zu erhalten, die leichter gehandhabt werden kann. Die zugeführte Flüssigkeit verhindert die Aufhebung des Vakuums in der Vakuumkammer. 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. l gezeigten Weise isoliert ist, um den Eintritt von Wärme in das System zu verhindern.
Die Einzelheiten der Konstruktion und, der Anordnung der Verdampfungskammer 20, der Kondensationskammer 50 und der Tröge 48 werden nachstehend noch genauer beschrieben. Hier soll nur bemerkt werden, dass das Eis auf die Tröge 48 innerhalb der Kondensationskammer verteilt wird.
Innerhalb des oberen Endes der'Kondensationskammer 50 ist ein radialer 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 dieAuslassöffnung in radialer Richtung nach aussen in die Konden- sationskammer 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 die Kondensationskammer 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 den Waschabscheider 26 zum Waschen des Eises und zum Mischen mit dem Eis zurückgeleitet.
Der grössere Teil des erzeugten Süsswassers gelangt jedoch durch das Rohr 62 in den Wärmeaustauscher 16.
Eine der grössten Schwierigkeiten, die sich bei den bekannten Vakuumgefriersystemen ergab, war ihre Unfähigkeit, in wirksamer und wirtschaftlicher Weise die grossen Dampfmenge zu handhaben und zu
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muss in Betracht gezogen werden, dass mit so niedrigen Drücken gearbeitet wird, dass bei diesen Drücken ungefähr 1273 m3 Dampf erforderlich sind, um 453 g Süsswasser zu erzeugen. Ohne die Anordnung, die Systeme und Verfahren gemäss der Erfindung wären zum Transportieren des Dampfes kostspielige und äusserst umfangreiche Gehäuse und Leitungen erforderlich. Gewöhnlich ist zum Bewegen einer so grossen Dampfmenge ein mehrstufiger axialer Kompressor erforderlich, was allein schon ohne Berücksichtigung der Grösse und der Kosten der Leitung das System unwirtschaftlich machen würde.
Das der Kompressor innerhalb einer der Kammern angeordnet wird, ist überdies der Druckunterschied quer zum Gehäuse so gering, dass für den Kompressor ein sehr billiges Gehäuse verwendet werden kann. 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 der 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
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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 00e 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 sekun-
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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 zwischen dem Motor und dem Kompressor ist besonders ausgebildet. Der Motor 70 wird durch Wasser gekühlt, 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. Die Anordnung der Flüssigkeitsanschlüsse des Motors und der Antriebseinrichtung zwischen dem Motor und dem Kompressor ist in einem nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag beschrieben.
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, indem 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 00e.
Die konzentrierte Sole, die von dem Eis im Waschabscheider 26 getrennt wurde, wird durch die Pumpe 30 über das Rohr 78 dem Wärmeaustauscher zugeführt und hat eine Temperatur von ungefähr - 4 C. Der Wärmeaustauscher 16 weist eine neue Konstruktion und Anordnung auf, die den Gegenstand eines weiteren nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlags bildet.
Der Zweck des Wärmeaustauschers besteht darin, das eingeführte Meerwasser so weitgehend wie mög - lich 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, wirtschaftlichen Ausrüstung zu erreichen. Mit dem Wärmeaustauscher 16 wurden Temperaturen von ungefähr -160e erzielt, und durch das Rohr 18 in das System eintretendes Meerwasser hat daher eine Temperatur von ungefähr-1 C.
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 Auslassleitung 68 zugeführt, welche dieselbe in das Meer zurückleitet oder einer an- dern 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-Gemisches bei 00e. 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 00C ungefähr 4, 6 mm Quecksilbersäule beträgt. Durch den Kompressor wird dieser Zustand aufrechterhalten.
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 Verdampfungkammer ein Sprühkopf 90 angeordnet. Ausserdem wird ein Teil der kalten konzentrierten Sole von der
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Pumpe 30 über das Rohr 78 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 vergrössert jedoch die Flüssigkeit des Gesamtgemisches und hat eine Spülwirkung am unteren Ende der Verdampfungskammern.
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. 1 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 unverhältnismässig 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.
Konstruktion der Verdampfungs- und der Kondensationskammer.
Die Verdampfungs- und die Kondensationskammer sind in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellt, während 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 hindurchgehend Verbindungen mit der Soleleitung 86 und der Meerwasserleitung 18 aufweist. Die Kammer
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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 aufrechterhal- ten, die mit der Kondensationskammer 50 verbunden ist.
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innere Begrenzung der Kondensationskammerdie äussere Begrenzung durch eine zylindrische Wand 104 gebildet. Diese Wand kann aus mehrten Ab- schnitten 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.
Wie die Fig. 2, 3 und 5 zeigen, sind innerhalb der Kondensationskammer 50 mehrere ringförmige Tröge 48 angeordnet. 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
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abfliessen kann.
Wie Fig. 2 zeigt, ist jeder Trog 48 mit einer Rohrverbindung 124 versehen, durch welche das
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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 Einkerbung 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 Dampf und dem Eis bestehende Wärmeaustauschbeziehung Oberflächenerscheinungen sind.
Durch diese Anordnung werden die Eiskristalle über den ganzen Umfang des Troges 48 ausgebreitet.
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im Eis-Wasser-Gemischvorhandene Süsswasser geht durch die Auslassbohrungren Seitenwand 116 der Tröge hindurch und fliesst nach unten in den Abflussteil 106 der Kondensa tionskammer. Auch das Trinkwasser, das durch Kondensieren des Dampfes auf dem Eis in den Trögen und durch Schmelzen des Eises in den Trögen erzeugt wird auf ähnliche Weise aus den Trögen abgeführt.
Wie bereits erwähnt, kann das System eine schlechte Wirkung aufweisen, wenn Wärme in das System eindringt. Um daher einen Wärmeausgleich zu erzielen und das Verfahren durchführen zu können, muss die Wärme aus dem System entfernt werden. Dies geschieht durch die in Fig. l 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 Eisschichte 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 kondensierbaren Dämpfe 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 Verdampfungskammer und die Kondensationskammer konzentrische Kammern sind. Dies bietet mehrere Vorteile. Im Hinblick auf die Wichtigkeit der Wirtschaftlichkeit ermöglicht diese Anordnung wesentliche Ersparnisse an Material und Kosten. Ausserdem wird eine kompakte Vorrichtung erhalten, und von grosser Wichtigkeit ist der thermische Wirkungsgrad derselben.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht klar hervor, dass eine äusserst kompakte Anordnung der Verdampfungs- und der Kondensationskammer möglich ist, selbst wenn diese Kammern sehr gross sein müssen. Da die Verdampfungskammer innerhalb der Kondensationskammer angeordnet ist, entfällt vollständig die Notwendigkeit, auf der Aussenseite der Verdampfungskammer Isoliermaterial anzubringen, und die Verdampfungskammer ist von der äusseren atmosphärischen Wärme durch die dieselbe umgebende kalte. Kondensationskammer wirksam isoliert. Die Verdampfungskammer 20 hat eine Umgebungstemperatur von ungefähr -4OC, während die Umgebungstemperatur in der Kondensationskammer ungefähr 00C beträgt.
Durch diesen geringen Temperaturunterschied wird die Wärmemenge, die in die Verdampfungskammer übertragen wird, sehr stark beschränkt. Da ferner die Verdampfungskammer mit einem ver-
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Dieselbe kann daher aus ziemlich leichten Materialien bestehen und muss nicht aus schwerem kostspieligem Baumaterial hergestellt werden. 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.
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 Kondensa- tionskammer 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 unterhalb des Deckels 110 der Kondensationskammer 50 und oberhalb der zylindrischen Wand sud- der Verdampfungskammer 20 angeordnet. Der Kompressor wird von diesem Deckel getragen und ist mit einem Mantel 134 versehen, der aus einem oberen Teil 136 und einem unteren Teil 138 be-
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im Abstand voneinander am Umfang des Kompressors durch BefestigungsmittelKammern durch den mittleren Einlass 56, das Innere des Kompressors und den kreisförmigen Auslass 58 gebildet wird.
Innerhalb des Mantels 134 ist ein drehbares Flügelrad 142 angeordnet, das innerhalb des Deckels 110 der Kondensationskammer 50 gelagert ist und von demselben getragen wird. Der Mantel 134 bildet weder eine Lagerung, noch eine Stütze für das Flügelrad 142, sondern besteht aus leichtem Material, das nur durch den Deckel 110 getragen wird, der zusammen mit 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 weist 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 der Kompressor fördert, dient als Gehäuse für den Kompressor und als Lagerung für den Antrieb.
Wenn das 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 Wor- ten, der Kompressor bietet einen unmittelbaren radialen Weg für die Bewegung des Dampfes. Wichtig ist
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gesaugt 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
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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 Strömungsgeschwin-
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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 wirk- same und wirtschaftliche Anlage und Anordnung für den Kompressor und die Kondensations- und Verdampfungsbehälter liefern könnten. Bei den bekannten Anordnungen würde zur Förderung eines so grossen Dampfvolumens normalerweise ein axialer Kompressor mit mehreren Stufen verwendet. Die Kosten einer
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würdenSchmelzbehälter sicherlich die zulässigen Kosten für das ganze Entsalzungssystem übersteigen.
Konstruktion des Verteilers.
Wie bereits erwähnt, ist der innerhalb der Verdampfungskammer 20 angeordnete Verteiler 22 in einem nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag genauer beschrieben. Dieser Verteiler soll nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 und 5 kurz beschrieben werden.
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 dun- nem Blech bestehen, wie z. B. aus nicht-rostendem Stahl oder aus Kunststoff. Diese Platten weisen eine grosse Oberfläche auf. Am oberen Ende der Leitungen 152 sind länglicheAustrittsöffnungen 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 der Verdampfungskammer 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, die das Meerwasser braucht, über die ganze Länge der Platten 156 zu fliessen, reicht aus, um 50% desselben in Süsswasserdampf und Eis umzuwandeln.
Konstruktion des Kompressors.
Der in Fig. 7 dargestellte verbesserte Kompressor 54 ist besonders für die Verwendung in dem beschriebenen Trinkwassererzeugungssystem geeignet. Der Kompressor 54 ist im oberen Bereich der Kondensationskammer 50 angeordnet und überdeckt das obere Ende der Verdampfungskammer 20, wobei seine Ansaugöffnung 56 gegen die Kammer 20 offen ist. Die Auslassöffnung 58 am Umfang des Kompressors mündet unmittelbar in die Kondensationskammer 50.
Wie Fig. 7 zeigt, ist der Kompressor 54 eine Einheit von verbesserter und kompakter Konstruktion, die in axialer Richtung ansaugt und in radialer Richtung fördert. Der Kompressor weist einen zweiteiligen Mantel 134 aus metallischem oder nicht-metallischem Material auf, wie z. B. korrosionsbeständigem Stahlblech, Kunststoff, Glasfasern oder einem andern ähnlichen Material. Der Mantel 134 besteht aus einem oberen kreisförmigen Teil 136 und einem unteren kreisförmigen Teil 138, die im Abstand voneinander liegen, um zwischen denselben die Rotorkammer 164 zu bilden. Die Teile 136 und 138 sind miteinander durch mehrere : Befestigungs- und Abstafldsteile 140 verbunden, die über den Umfang der Endteile 166 und 168 gleichmässig verteilt sind. Zwischen diesen Endteilen ist die Auslassöffnung 58 ausgebildet, die über den ganzen Umfang des Mantels offen ist.
Der Teil 138 bildet eine Wand 170 von vorherbestimmter Kegelstumpfform zwischen dem radialen Endteil 168 und einem nach aussen gerichteten kreisförmigen Flansch 172, der die axiale Ansaugöffnung 56 des Kompressors begrenzt. Der obere Teil 136 weist vom radialen Endteil 166 nach innen eine ähnliche, aber in entgegengesetzter Richtung kegelstumpfförmige Wand 174 auf, welche in die innere Wand 176 übergeht, die in einer zur Rotorachse des Kompressors senkrechten radialen Ebene liegt. Wie Fig. 7 im Schnitt zeigt, konvergieren daher die Wandteile 170 und 74 von einer in radialer Richtung jenseits
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des Einlassflansches 172 liegenden Stelle gegen die Auslassöffnung 58.
Obwohl der Teil 136 vorzugsweise die beschriebene kegelstumpfförmige Wand 174 aufweist, könnte derselbe auch vollständig eben ausgebildet sein unter entsprechender Zunahme des Neigungswinkels des unteren Teiles 138.
Der Kompressormantel ist innerhalb des oberen Endes der Vorrichtung in waagrechter Lage oberhalb der zylindrischen Seitenwand 94 der Verdampfungskammer 20 angeordnet. Die Wand 94 ist mit einer kreisförmigen mittleren Ausnehmung 178 versehen, welche den Einlassflansch 172 des Kompressors aufnimmt. Der Mantel wird durch den Deckel 110 getragen und ist durch Bolzen 180 mit mehreren Verstärkungsrippen 182 desselben verbunden. Wie Fig. 7 zeigt, ist der untere Mantelteil 138 mit einem äusseren nach unten geriehteten kreisföunigen Flansch. 184 versehen, der in ein Dichtungs- element 186 und Gummi od. dgl. eingreift, das in einer ringförmigen Nut 187 am äusseren Rand 190 der Endwand 192 der Kammer 20 angeordnet ist.
Jede Rippe 182 endet in einem seitlichen Fortsatz, der ein Kissen bildet, gegen welches der Endteil 166 des oberen Mantelteiles 134 anliegt, um denselben in der gewünschten Lage zu halten. Infolge des Vakuums in den Kammern ist der Deckel 110 einer beträchtlichen Belastung unterworfen, die ein Durchbiegen desselben bewirken kann. Da jedoch der Kompressor von dem Deckel getragen und abgestützt wird, ergeben sich für den Kompressor durch dieses Durchbiegen des Deckels keine Probleme.
Gemäss den Fig. 7 - 10 ist innerhalb des Mantels ein Kompressorrotor oder ein drehbares Flügelrad 142 angeordnet, das aus einer Nabe 146 und einer senkrechten Antriebswelle 196 sowie aus mehreren im allgemeinen radialen Flügeln 144 besteht, die von der Nabe abstehen. Die Nabe besteht aus einer Lagerhülse 198, welche auf die Antriebswelle 196 aufkeilt, aufgepresst oder auf andere Weise befestigt ist und welche auf derselben durch eine mit der Welle durch Bolzen verbundene Halteplatte 200 gehalten wird, sowie aus einer Flügelnabe 202, die aus zwei zusammenpassenden Hälften besteht und die durch Bolzen 204 am Flanschteil 206 der Lagerhülse 198 befestigt ist. In der Nabe 202 sind parallel zur Wellenachse mehrere durchgehende kreisförmige Bohrungen 208 ausgebildet,
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in gleichem Winkelabstand verteilt sind.
Jede Bohrung 208 ist mit einem radialen Schlitz 210 von vorherbestimmter Breite versehen, der die Bohrung mit dem Umfang der Nabe verbindet, so dass sowohl die Schlitze als auch die Bohrungen auf jeder Seitenfläche 212 der Nabe offen sind. Die Bohrungen und die Schlitze bilden die Lager für die Flügel.
Jeder Flügel 144 besteht aus einem Streifen plattenförmigen Materials, das eine vorherbestimmte Dicke aufweist. Im vorliegenden Fall wird für die Flügel korrosionsbeständiges Blech verwendet, wie z. B. nichtrostender Stahl. Zur Bildung des Flügels wird ein länglicher rechteckiger Streifen von vorherbestimmter Länge und Breite in der Längsrichtung um sich selbst gefaltet, u. zw. um eine runde Stange als Mittelpunkt, um einen aus zwei Schichten bestehenden Flügel von doppelter Dicke zu erhalten, der aus den Schichten 214,216 und aus einer hohlen kreisförmig erweiterten Öse 218 am einen Ende besteht.
Die Flügelschichten werden durch eine dazwischen liegende Schicht 220 aus klebendem oder zementierendem Material über ihre ganze Länge flach aufeinanderliegend miteinander verbunden. Der äussere Endteil 222 des Flügels wird am Rand abgeschnitten, um konvergierende Flügelkanten 224 zu bilden, so dass der Flügel mit entsprechendem Spielraum in dem konvergierenden Bereich des Kompressormantels laufen kann, der durch die Wandteile 170 und 174 gebildet wird (Fig. 7).
Beim Einsetzen des Flügels in die Nabe 220 wird die erweiterte Öse 218 am Ende eines jeden Flügels in eine Nabenbohrung 208 eingeführt, wobei der Flügel durch den zugehörigen Schlitz 210 nach aussen vorsteht. Der äussere Durchmesser der Öse 218 ist so bemessen, dass sie dicht in die Bohrung passt, während der Schlitz 210 eine solche Breite aufweist, dass er sich eng an den hindurchgehenden Flügel anlegt. Jeder Flügel wird gegen seitliche Verschiebung in seinem Lager durch einen Bolzen 226 festgehalten, der durch die Öse 218 hindurchgeht, wobei der Bolzenkopf 228 gegen die eine Seitenfläche 212 der Nabe anliegt, während eine Mutter 230 am entgegengesetzten, mit Gewinde versehenen Ende des Bolzens mit einer Nabenschlussplatte 232 in Eingriff kommt, welche gegen die entgegengesetzte Nabenseite 212 anliegt.
Die auf diese Weise an der Nabe 202 befestigten Flügel 144 gehen durch die Rotorkammer 164 des Kompressormantels hindurch, wobei die abgeschrägten Endteile 22 mit geringem Spiel in dem durch die Wandteile 170 und 174 gebildeten konvergierenden Bereich des Mantels laufen. Diese Rotorflügel, die in der beschriebenen Weise aus dünnen Blechstreifen hergestellt sind, bilden leichte biegsame Flügel, die-nachdem sie in der dargestellten und beschriebenen Weise gelagert worden sind-den
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eine Länge von ungefähr 775 mm und innerhalb seines verjüngten Endes eine Breite von ungefähr 225 mm aufweist.
Diese Mindestdicke ist für selbsttragende Flügel ausreichend, die unter den angegebenen subatmosphärischen Drücken Wasserdampf verdrängen, da die biegsamen Flügel unter dem Einfluss der auf dieselben beim Betrieb des Kompressors einwirkenden Fliehkraft von der Nabe in radialer Richtung verlaufende Stellungen einnehmen werden. Die verbesserte Rotorkonstruktion ist daher mit leicht herzustellenden Flügeln und mit einer einfachen, aber äusserst wirksamen Lagerung derselben in wirtschaftlicher Weise herstellbar. Die dünnen Flügel aus nicht rostendem Stahl, die in der beschriebenen Weise hergestellt werden, erleichtern das Umlaufen des Rotors mit der gewünschten hohen Drehzahl, das ausserdem durch das Fehlen von umlaufenden Mantelteilen erleichtert wird.
Der dargestellte und vorstehend beschriebene Kompressor ist für die Förderung von Wasserdampf in grosser Menge und mit einem verhältnismässig niedrigen Verdichtungsverhältnis unter den angegebenen subatmosphärischendruckbedingungen ausgebildet undvoll wirksam. Bei dieser Konstruktion ist der Durchmesser der Einlassöffnung 56 des Kompressors entsprechend der gewünschten Geschwindigkeit des Dampfansaugens und der Strömungsgeschwindigkeit im Kompressor bestimmt. Wie die dargestellte beispielsweise Ausführungsform zeigt, hat der Einlass einen verhältnismässig grossen Durchmesser und ist gegen die Flügel annähernd über die innere Hälfte der Länge derselben offen.
Da der Grad der Dampfverdichtung von der Rotordrehzahl und vom äusseren Durchmesser der Rotorflügel abhängig ist, sind diese Faktoren hier so gewählt, dass das gewünschte Verdichtungsverhältnis erzielt wird, das für den Zweck des beschriebenen Systems geeignet ist.
Es ist zu bemerken, dass die geraden Endteile 166 und 168 des Kompressormantels, welche den in der Umfangsrichtung offenen Kompressorauslass 58 begrenzen, einen Diffusor bilden, in welchem die dynamische Energie des abgeführten Dampfes in statischen Druck umgewandelt wird. Ein solcher Diffusor kann verlängert werden, so dass er eine Verlängerung des unteren Mantelteiles 138 bildet. Zusammen mit dem angrenzenden Deckel 110 bildet er dann einen nach unten gerichteten ringförmigen Auslass in die Kondensationskammer 50.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass der Kompressor und der Kompressorrotor eine äusserst einfache und wirksame, aber trotzdem wirtschaftliche Konstruktion aufweisen. Der Rotor ist mit Flügeln aus dünnem Blech versehen, die in einer mittleren Nabe elastisch gelagert sind, und kann grosse Dampfmenge mit einem verhältnismässig niedrigen Verdichtungsverhältnis unter den angegebenen subatmosphälischen Bedingungen fördern, wobei die Flügel von der Fliehkraft abhängige Betriebsstellungen einnehmen.
Zusammenfassung der Wirkungsweise..
Das Meerwasser, aus dem Trinkwasser erzeugt werden soll, tritt in das Einlassrohr 10 ein, wird in der Vorrichtung 12 entlüftet und geht durch den Wärmeaustauscher 16 hindurch, in welchem seine Temperatur auf ungefähr-1 C herabgesetzt wird. Das Meerwasser wird dann über den Verteiler 22 in die Verdampfungskammer 20 eingeführt und in dieser Vakuumkammer unter Entspannung verdampft. Durch diese Verdampfung wird aus dem Meerwasser reines Wasser in Form von Dampf und Eiskristallen ausgeschieden. Die Eiskristalle fliessen mit der fortschreitend konzentrierten Sole durch das untere Ende der Verdampfungskammer und dieses Gemisch wird einem Waschabscheider 26 zugeführt, in welchem die Eiskristalle von der Sole getrennt werden, die an den Eiskristallen mit Süsswasser gemischt werden.
Diese Mischung wird dann in Tröge 48 innerhalb der Kondensationskammer 50 gepumpt, und das Eis wird über die ganze Fläche der Tröge verteilt.
Der in der Verdampfungskammer 20 gebildete Dampf wird durch die mittlere Einlassöffnung 56 in den Kompressor gesaugt, wo der Dampf verdichtet und den kreisförmigen Auslass 58 nach aussen abgeführt wird, worauf der Dampf innerhalb der Kondensationskammer 50 spiralförmig nach unten strömt, um mit den reinen Eiskristallen in Berührung zu kommen. Dadurch wird infolge des Wärmeaustausches zwischen den beiden eine Kondensation des Dampfes und das Schmelzen des Eises bewirkt, wodurch am Boden der Kondensationskammer kontinuierlich Trinkwasser erzeugt wird, das dann in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zugeführten Meerwasser in einen Vorratsbehälter geleitet wird. Die konzentrierte Sole aus dem Waschabscheider wird ebenfalls in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zugeführten Meerwasser aus dem System abgeleitet.
Die Verfahren, Systeme und Vorrichtungen gemäss der Erfindung ermöglichen die Erzeugung von Trinkwasser mit weniger als 500 Salzteilen auf 1000000 Teile zu wirtschaftlichen Kosten, wenn sowohl das Anlagekapital als auch die Betriebskosten berücksichtigt werden.
Wie bereits erwähnt, wird vorliegendenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. die ein System zur Erzeugung von trinkbarem oder reinem Wasser aus Meerwasser betrifft. Die Erfindung kann aber auch auf andern Gebieten und für andere Zwecke Verwendung finden. Die einzelnen
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Verfahrensschritte, Systeme, Anordnungen und Vorrichtungen können verschiedene Abänderungen erfahren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Abscheidung eines aufgelösten Stoffes aus einer Lösung mit einer Verdampfungs-
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kammer und einem Kompressor, der den Dampf aus der einen in die andere Kammer fördert, d ad ur ch gekennzeichnet, dass die Kammern (20,50) und der Kompressor (54) koaxial sind, dass eine Einrichtung (138) vorgesehen ist, welche die Verdampfungskammer unter einem Druck hält, der die Bildung von Dampf in der Verdampfungskammer (20) ermöglicht, wobei in der Verdampfungskammer (20) Dampf und Eis gebildet werden, dass ein Abscheider vorgesehen ist, der das Eis von der Lösung trennt, dass eine Einrichtung (56) Dampf der Kondensationskammer (50) zuführt, so dass Wärme von dem Dampf in der Kondensationskammer (50) auf das Eis übertragen und der Dampf kondensiert und das Eis schmilzt, und dass ein Wärmeaustauscher (16)
vorgesehen ist, in welchem die Lösung gekühlt wird.
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dadurch gekennzeichnet, dasseineEinrichtungvorgesehen-ist, welche die Verdampfungskammer (20) auf niedriger Temperatur hält, so dass die Lösung in der Ver- dampfungskammer (20) verdampft, und dass der Kompressor (54) den Dampf aus der Verdampfungskammer (20) in die Kondensationskammer (50) fördert, der auf dem Eis in der Kondensationskammer (50) kondensiert.