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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser mittels eines mehrstufigen Destillationsverfahrens nach dem MSF (Multi Stage Flash) oder MED (Multi Effect Destillation) Prinzips mit Nutzung der Heizwärme aus rein thermischen Sonnenkollek- toren oder Hybridkollektoren für Strom und Wärmeabgabe.
Gattungsgemässe Anlagen arbeiten mit hoher Wärmerückgewinnung, indem das zuströmende Meerwasser in Serie über die Wärmetauscher der einzelnen Stufen zur Kondensatverflüssigung geleitet wird, wobei nach Austritt aus der obersten Stufe eine Nachheizung im Ausmass von etwa ein bis zwei Stufentemperaturintervallen erfolgt, oder, indem Prozessdampf in die erste Entspan- nungsstufe eingeleitet wird. Bei solargetriebenen Anlagen erfolgt zumeist eine Nacherwärmung des Meerwassers nach Austritt aus der obersten Kondensationsstufe über kuperative Wärmetau- scher mit Medientrennung zwischen Meerwasserkreis und Kollektorkreis. Um die Kollektortempera- turen so niedrig als möglich zu halten, wird versucht, direkt mit Meerwasser durchströmte Kollekto- ren einzusetzen. Dies führt auch zur Ersparnis des Wärmetauschers zwischen Meerwasser- und Kollektorkreislauf.
Da die Temperatur des Meerwassers relativ hoch ist, verursacht dieses bei herkömmlichen Kollektoren jedoch Korrosion und starke Ablagerungen. Durch die Entwicklung von entsprechenden Kollektormaterialien aus Kunststoffen und Verbundwerkstoffen wird versucht das Problem der Korrosion und der Ablagerungen zu minimieren, und somit einen wirtschaftlichen Einsatz von Sonnenenergie zu ermöglichen. Dabei wird der gesamte Massenstrom des zuströ- menden Meerwassers ohne Pufferspeicherzwischenschaltung direkt in die Kollektoren geleitet. Ein besonderes Kriterium bei solargetrieben Anlagen ist jedoch die Fluktuation des Energieangebotes.
Um Anlagen durchgehend optimal betreiben zu können sollten Pufferspeicher zwischengeschaltet sein. Um Pufferspeichervolumina möglichst klein auslegen zu können muss die Differenz von Vorlauftemperatur zu Rücklauftemperatur möglichst hoch gehalten werden. Diese Forderung ist gegenteilig zum Niedertemperatursystem mit direkter Meerwasserdurchströmung bei hohem Mas- sendurchsatz. Um hohe Temperaturdifferenzen zwischen Vorlauf und Rücklauf zu erreichen darf im Verhältnis zum gesamten zuströmenden Meerwasser nur ein kleiner Teil in den Kollektorenkreis geleitet wird. Nachdem die Vorlauftemperatur entsprechend ansteigt, ergibt sich eine hohe mittlere Kollektortemperatur was den Wirkungsgrad wiederum herabsetzt und verschärft zu Ablagerungen in den Kollektoren und Pufferspeichern führt.
Gesamtbetrachtet ergibt sich keine günstige Möglich- keit Pufferspeicher einzubinden, da die angestrebten Vorteile einer Direktdurchströmung stark abgemindert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Gefahr der Korrosion und der Ablagerun- gen im Kollektorkreis zu beseitigen, ohne einen Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf zwischenzuschalten, wobei im Gegensatz zur oben angeführten Lösungsvariante nicht auf die Entwicklung von besonderen Materialen für Kollektoren und Puffer- speicher eingegangen wird, sondern, indem eine prozesstechnische Lösung zur Vermeidung des Direktkontaktes von Meerwasser in den Kollektoren angeboten wird. Zudem soll die Einbindung von Pufferspeichern mit kleiner Auslegung ohne Ablagerungsbelastung und ohne einer zwingend verbundeneren Anhebung der mittleren Temperatur in den Kollektoren möglich sein.
Dies wird erfindungsgemäss durch eine Anlage gemäss den Kennzeichen des Anspruches 1 erreicht. Dabei wird das Medium aus dem Kollektorkreislauf in eine Einrichtung zur Entspannungs- verdampfung geleitet, in welcher sich unter Abkühlung des Kondensats energiereicher Dampf abscheidet. Dieser Dampf wird zur Beheizung an die Meerwasserentsalzungsanlage weitergege- ben. Das restliche, um die Dampfmenge verminderte, Kondensat wird über eine Pumpe in den Kollektorkreis rückgeführt. Entsprechend der abgegebenen Dampfmenge wird destilliertes Wasser aus der Destillationskolonne in den Kollektorkreislauf nachersetzt. Als Medium im Kollektorkreis dient destilliertes Wasser, eventuell versetzt mit korrosionshindernden Zusätzen, die nicht- bzw. nur in geringsten Mengen verdampfen.
Durch die Energiezufuhr im Form von Wasserdampf bietet sich innerhalb der Meerwasserent- salzungsanlage eine sehr flexible Verwendbarkeit, mit mehreren interessanten Ausführungsvarian- ten. Vorteilhafte Ausführungen sind im Hauptanspruch und in den Unteransprüchen gekennzeich- net.
Eine einfache Variante sieht vor, den Dampf aus dem Kollektorkreis direkt in die Kondensati- onskammer der obersten Stufe der Meerwasserentsalzungsanlage einzubringen. Die Rücklauf- temperatur ist an die Hochtemperaturstufe der Meerwasserentsalzungsanlage gebunden und somit
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relativ hoch. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten sollten hochwertige Kollektoren zum Einsatz kommen, welche auch noch bei hohen Temperaturen gute Wirkungsgrade haben.
Eine erweiterte Variante sieht vor, die Rücklauftemperatur zu den Kollektoren zu senken, indem die Entspannungsverdampfung bis zu einem Druck erfolgt, welcher weit unter dem Sätti- gungsdruck der obersten Entspannungskammer der Destillationskolonne liegt. Der aus den Ein- richtungen zur Entspannungsverdampfung ausgeschiedene Dampf wird über eine Kompressorein- heit auf den Druck der obersten Kondensationsstufe der Meerwasserentsalzungsanlage gebracht und dort eingeleitet. Die Heizenergie aus den Kollektoren ist in diesem Fall weniger hochwertig, da wie bei einer Wärmepumpe technische Arbeit zugeführt wird. Dafür können die Kollektoren bei niedrigerer Rücklauftemperatur betrieben werden und somit eine bessere Wärmeleistung erzielen, beziehungsweise entsprechend kostengünstiger ausgeführt sein.
Ein besonderer Vorteil aus den niederen Rücklauftemperaturen ergibt sich aufgrund der kleineren Auslegung von Pufferspeichern, da das nutzbare Energiepotential, gemessen an der Differenz von Vorlauf- zu Rücklauftemperatur, entsprechend ansteigt.
Eine weitere Variante sieht darüber hinaus vor, die Meerwasserentsalzungsanlage auch ohne Dampfzufuhr aus dem Kollektorkreis betreiben zu können. In diesem Fall wird nach der letzten Kondensationsstufe aus der Destillationskolonne der Entsalzungsanlage eine weitere Entspan- nungsstufe vorgesehen, wobei der entstehende Dampf über eine Kompressoreinheit auf den Druck der obersten Kondensationskammer gebracht wird. Idealerweise ist der Kompressor in zwei Ein- heiten, einer Niederdruckeinheit und einer Hochdruckeinheit, mit Wegschaltmöglichkeit der Nieder- druckeinheit, ausgeführt. Dies ermöglicht, bei ausreichender Heizenergie aus dem Kollektorkreis, die Niederdruckeinheit wegzuschalten und ersatzweise mit dem Dampf aus dem Kollektorkreis in die Hochdruckeinheit zu gehen.
Mit diesem System ist eine optimale Anlagennutzung auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung sichergestellt. Ausserdem kann der Pufferspeicher im Solar- kreislauf kleiner dimensioniert werden.
Bei kompressorunterstützten Anlagen bietet sich an, die Einrichtung zur Entspannungsver- dampfung in mehrere Untereinheiten zu unterteilen und den aus den unteren Stufen angesammel- ten Dampf über Kompressorstufen in die jeweils nächste, druckhöher gelegene, Untereinheit zu leiten. Somit muss der Kompressor nicht die gesamte Dampfmenge beginnend bei unterstem Druckniveau hinauf zu Prozessdruck der obersten Stufe der Meerwasserentsalzungsanlage (-1 bar) komprimieren, sondern kann beginnend bei einer kleinen Dampfmenge über mehrere Druckstufen mit jeweils zunehmender Dampfmenge den gesamt ausgeschiedenen Dampf auf Hochdruck komprimieren. Je nach Anzahl an Stufen unterteilungen kann die Gesamtkompressorar- beit beträchtlich gesenkt werden.
Eine weitere Arbeitseinsparung ergibt sich dadurch, dass der überhitzte Dampf nach Austritt aus den einzelnen Kompressorstufen durch Einleitung in die jeweils nächste, druckhöher gelegene Untereinheit zur Entspannungsverdampfung zusammen mit dem neu ausgeschiedenen Dampf ein Energiegleichgewicht mit näherungsweise Sattdampfzustand bildet, was die darauffolgende Kompressorarbeit wiederum senkt. Besonders interessant erscheint die Möglichkeit Prozessdampf aus externen Quellen oder aus Dampfauskopplungen aus den unteren Druckstufen der Destillationskolonne, in die druckniedrigste Expansionskammer einzulei- ten und zusammen mit dem zusätzlich ausgeschiedenen Dampf über Kompressorstufen seriell durch die einzelnen Kammern der Einrichtung zur Entspannungsverdampfung durchzuleiten.
Die Energieabgabe aus dem Kollektorkreis kann auf ein Minimum reduziert werden, gerade so weit, dass Sättigungszustand bei Austritt aus den Entspannungskammem erreicht werden kann. Die vergleichsweise hohe Prozesswärme aus dem Kollektorkreis dient quasi als Katalysator um Dampfenergien bei niederer Temperatur noch effizient nutzen zu können. Besonders Interessant kann dabei in Zukunft der Betrieb von hochwertigen Sonnenkollektoranlagen zur Klimatisierung und zugleich Meerwasserentsalzung werden, wobei das Heizmedium in Serie durch die Wärme- tauscher der Klimatisierungsanlage und weiter in die Expansionskammern der Entspannungsver- dampfung geleitet wird.
Die Erfindung bezieht sich nicht ausschliesslich auf die oben angeführten Varianten, sondern auf alle möglichen Kombinationen die sich aus diesen Varianten ergeben. Der Einsatz des erfin- dungsgemässen Verfahrens mit Entspannungsverdampfung und Destillatnachfüllung in den Kollek- torkreis beschränkt sich nicht nur auf Destillationsanlagen von Meerwasser, sondern auch auf Anlagen zur Destillation von Brackwasser und biologisch und chemisch verunreinigtem Wasser zur
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Brauchwassergewinnung und Trinkwasseraufbereitung.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfol- genden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit Wärmezufuhr nach der obersten Stufe über Sonnenkollektoren nach dem allgemeinen Stand der Technik.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit Wärmezufuhr nach der obersten Stufe über direkt mit Meerwasser durchströmte Sonnenkollektoren.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit Dampfzufuhr aus dem Kollektorkreis bei hoher Temperatur.
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit Dampfzufuhr aus dem Kollektorkreis bei mittlerer Temperatur mit interner Kompressoreinrichtung mit Nieder- und Hochdruckteil.
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit Dampfzufuhr aus dem Kollektorkreis über eine Einrichtung zur Entspannungsverdampfung mit drei Untereinheiten und der erfindungsgemässen Kompressorverschaltung.
Der in Fig.1 dargestellte Stand der Technik ist ein allgemein bekannter Prozess einer MSF- (Multi Stage Flash) Destillationsanlage 20 zur Gewinnung von Brauch- bzw. Trinkwasser nach einem thermischen Verfahren. Die Wärme aus dem Kollektorkreis 1 wird aus einem Pufferspeicher 4 über einen Wärmetauscher 3 an das Meerwasser 2 weitergegeben.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage 20 mit Heizwärme- zufuhr über direkt mit Meerwasser 2 durchströmte Kollektoren 6. Auch hier ist sinnvoller weise ein Pufferspeicher 4 zwischengeschaltet. Im Idealfall ist ein Bypass mit Rückmischvorrichtung 13 vor- gesehen, um nicht die gesamte vorgewärmte Meerwassermenge 2 durch die Kollektoren 6 leiten zu müssen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage 20 mit der erfin- dungsgemässen Zufuhr von Dampf 16 aus dem Kollektorkreis 1, welcher in der Einrichtung 7 zur Entspannungsverdampfung ausgeschieden wird. Der Dampf 16 wird in die Kondensationskammer der obersten Stufe 17 der MSF- Destillationsanlage 20 eingebracht. Das abgekühlte Kondensat 11 im Kollektorkreislauf wird über eine Umwälzpumpe 12 auf den ursprünglichen Druck gebracht, und in den Pufferspeicher 4 rückgeführt. Die abgegebene Dampfmenge wird durch destilliertes Wasser 15 aus der Destillationsanlage nachersetzt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage 20 mit der erfin- dungsgemässen Zufuhr von Dampf 16 aus dem Kollektorkreis 1 welcher in der Einrichtung 7 zur Entspannungsverdampfung ausgeschieden wird. Zum Unterschied zu der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist in der MSF- Destillationsanlage 20 eine Kompressoreinrichtung 18 mit Nieder- und Hochdruckteil 18¯1, 18¯2 vorgesehen. Der Dampf 16 aus dem Kollektorkreis wird über die Hoch- druckstufe 18¯2 auf den Druck der obersten Stufe gebracht und dort in die Kondensationskammer 17 eingeleitet. Dadurch kann der Kollektorkreis 1 aus einem niedrigeren Temperatumiveau betrie- ben werden.
Reicht die Temperatur im Pufferspeicher nicht mehr aus, um genügend Dampf zu erzeugen, wird die Dampfzufuhr aus dem Kollektorkreis weggeschaltet, und ersatzweise Dampf aus der untersten Expansionsverdampfungsstufe 21 aus der Destillationsanlage 20 entnommen, welcher von dem Niederdruckkompressor 18¯1 auf den Einlassdruck des Hochdruckkompressors 18¯2 gebracht wird. In diesem Fall läuft die Anlage ausschliesslich mit technischer Arbeit rein kompressorgetrieben, ohne Wärmezufuhr von aussen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit Dampfzufuhr aus dem Kollektorkreis 1 über eine Einrichtung zur Entspannungsverdampfung 7 mit drei Unterein- heiten 7¯1, 7¯2, 7¯3 wobei zusätzlich Dampf 17 aus einer externen Quelle in die Kammer der unterste Stufe 7¯1 eingebracht wird. Der Dampf 17 wird über die Kompressorstufe 18¯1 in die unterste Kammer 7¯1 eingeleitet und über zwei weitere Kompressorstufen 18¯2-1, 18¯2-2 in die Kammern 7¯2 und 7¯3 geleitet, von wo eine Weiterleitung in die oberste Kammer der Meerwas- serentsalzungsanlage 20 erfolgt.
Bei den in allen Figuren schematisch dargestellten erfindungsgemässen Merkmalen ist darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Bauteile sowie Zuleitungen in allen verschiedenen Ausführungsva- rianten und Materialien gefertigt sein können.