AT502797B1 - Solare heizwärmeeinbringung zur meerwasserentsalzung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine spezielle Methode zur Heizwärmeeinbringung über Sonnenkollektoren bei Anlage zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser mittels eines mehrstufigen Destillationsverfahrens nach dem MSF (Multi Stage Flash) oder MED (Multi Effect Distilla-tion) Prinzips.

Anlagen nach dem MSF oder MED Prinzip 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 Entspannungsstufe eingeleitet wird. In der Patentschrift DE 3239 816 A1 wird ein entsprechender Prozess mit den Einrichtungen zur Film- und Unterdruckverdampfung sowie den Einrichtungen zur Rückkondensation genau beschrieben. Die Heizwärmezufuhr erfolgt, ohne hierbei auf die Erzeugung genauer einzugehen, über Prozessdampfeinleitung in die oberste Stufe.

Gattungsgemäße Anlagen können auch über thermische Energie aus Solaranlagen betrieben werden. Bei solargetriebenen Anlagen erfolgt zumeist eine Nacherwärmung des Meerwassers nach Austritt aus der Vonwärmkolonne über kuperative Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Meerwasserkreis und Kollektorkreis. Dieser Wärmetauscher ist jedoch sekundärseitig von starken Ablagerungen belastet und somit wartungsintensiv. Um die Kollektortemperaturen so niedrig als möglich zu halten, wird versucht, direkt mit Meerwasser durchströmte Kollektoren einzusetzen. Dies führt zur Ersparnis des Wärmetauschers zwischen Meerwasser- und Kollektorkreislauf, verlagert jedoch das Problem der Korrosion und Ablagerungen auf Kollektoren und Pufferspeicher. 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. Für viele Wärmeabgabesysteme wie zum Beispiel Sonnenkollektoren oder Kühlkreise von wärmetechnischen Anlagen ist jedoch die Temperatur des zuströmenden Meerwassers aus der Vorwärmkolonne zu hoch, um noch eine effiziente Wärmeabgabe bzw. das gewünschte Kühlziel zu erreichen. Dies gilt vor allem für den Einsatz von neuartigen Hybridkollektoren zur Strom und Wärmegewinnung. Um eine entsprechende Kühlung der Solarzellen zu gewährleisten sollte die Rücklauftemperatur des zuströmenden Kühlmediums wesentlich unter der Betriebstemperatur der obersten Vorwärmkammer liegen. Durch Niedrighalten der Rücklauftemperatur ergibt sich zudem der Vorteil, dass Pufferspeicher zum Ausgleich der Lastschwankungen relativ klein ausgelegt werden können, da aufgrund der Differenz von Vor- zu Rücklauftemperatur ein höheres Energiespeicherpotential gegeben ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Gefahr der Korrosion und der Ablagerungen im Kollektorkreis zu beseitigen, ohne einen Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf zwischenzuschalten. Im Gegensatz zur oben angeführten Lösungsvariante wird nicht auf die Entwicklung von besonderen Materialen für Kollektoren und Pufferspeicher eingegangen, sondern eine prozesstechnische Lösung zur Vermeidung des Direktkontaktes von Meerwasser in den Kollektoren angeboten. Ein weiteres wesentliches Ziel ist es, die Rücklauftemperatur zu den Kollektoren niedrig zu halten.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Anlage gemäß den Kennzeichen des Anspruches 1 erreicht. Dabei wird Destillat aus der Vorwärmkolonne entnommen, durch den(die) Wärmetauscher der Heizeinrichtung(en) geleitet und anschließend in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne rückgeführt. Die Destillatrückführung erfolgt dabei entweder über eine separate Entspannungskammer, oder direkt in eine der Kondensationsstufen der Vorwärmkolonne. Entscheidend für die prozesstechnische Funktion ist die Zumischung in den Destillatstrom der Vorwärmkolonne und nicht in den Meerwasserkreislauf.

Mit dieser Verschaltung ist es möglich, MWE- Anlagen ausschließlich über Heizwärme zu betreiben, die Rücklauftemperaturen zu den Kollektoren niedrig zu halten und diese mit ablage- r 3 AT 502 797 B1 rungsfreiem Destillat zu durchströmen. Je nach Belieben sind verschiedenste Kombinationen mit mehreren Heizwärmeanbindungen mit unterschiedlichen Destillatentnahmen und Rückführungen, sowie Einbindungen von Kompressoranlagen möglich. Vorteilhafte Ausführungen sind im Hauptanspruch und in den Unteransprüchen gekennzeichnet. 5

Die Grundvariante sieht vor, eine Anlage ausschließlich über Heizwärme aus thermischen Kollektoren zu betreiben. Dabei wird erfindungsgemäß Destillat aus der Destillationskolonne entnommen, in den Kollektoren auf etwa 115 bis 165 °C erwärmt und anschließend in eine Entspannungskammer mit Dampfzuleitung zum Meerwasserkreis eingeleitet. Diese Entspan-io nungskammer kann entweder die oberste Kammer der Vorwärmkolonne sein, kann aber auch eine außerhalb gelegene Kammer zur Dampfabscheidung sein, über welche das Kondensat indirekt weiter in die oberste Kammer der Vorwärmkolonne geleitet wird. Die Anbringung einer außenliegenden Kammer erfüllt den Zweck eines kleinen Pufferspeichers um Lastschwankungen vom Kollektorkreis entsprechend einregeln zu können. Druckgleich zum außenliegenden 15 Destillatpuffer ist den Entspannungskammern zur Meerwasserverdampfung eine Kammer zur Einbringung von Meerwasser und Dampf vorgeschaltet. Der Dampf aus der Entspannungsverdampfung dient zur Resterwärmung des aus der Vorwärmkolonne austretenden Meerwassers, welches anschließend in fallender Reihenfolge durch die einzelnen Druckstufen der Entspannungsverdampfung geleitet wird. Um die Anlage auch während der Nachtzeit durchgehend 20 betreiben zu können, ist unabhängig vom Puffervolumen der Vonwärmkolonne ein entsprechend großer Pufferspeicher im Kollektorkreis vorzusehen. Je größer die Differenz von Vorlauftemperatur zu Rücklauftemperatur im Kollektorkreis ist, desto kleiner kann dieser Pufferspeicher ausgelegt werden. Sowohl aus dieser Sicht als auch dem Bestreben, die mittlere Kollektortemperatur möglichst niedrig zu halten, empfiehlt sich das Destillat für den Kollektorkreis aus dem 25 unteren Bereich der Vorwärmkolonne, beziehungsweise nach Austritt aus der untersten Stufe zu entnehmen.

Eine erweiterte Variante sieht vor, zusätzlich zu den thermischen Kollektoren Hybridkollektoren anzubinden. Dies sind nachgeführte Kollektoren mit gekühlten Solarzellen, welche über Spiegel 30 mit hoher Strahlungsintensität beaufschlagt werden. Die Hybridkollektoren wirken über die Tageszeit unterstützend zur Destillatgewinnung, dienen jedoch vonwiegend der Stromerzeugung. In Symbiose mit der Entsalzungsanlage können diese Kollektoren mit ablagerungsfreiem Destillat bei niedriger Rücklauftemperatur durchströmt werden. Je nach Einspeisetemperatur (70 - 100 °C) wird das Destillat an der entsprechenden Temperaturstufe der Vonwärmkolonne in 35 den Destillatstrom rückgeführt. Diese erfindungsgemäß Verschaltung macht es möglich, Hybridkollektoren für industrielle Zwecke zu verwenden. Über den mit diesen Kollektoren erzeugten Solarstrom kann in weiterer Folge Wasserstoff erzeugt werden.

Eine weitere Variante sieht darüber hinaus vor, anstatt der thermischen Kollektoren eine Kom-40 pressoranlage für die Grundlast einzusetzen. Dabei wird Dampf aus der Destillationskolonne entnommen und über die Kompressoreinheit in die Kammer zur Resterwärmung des vorgewärmten Meerwassers gebracht. Die Hybridkollektoren können nun in der erfindungsgemäßen Weise eingebunden werden. Dieses Konzept ist zum Beispiel ideal zur Nachrüstung von bereits bestehenden kompressorgetriebenen Anlagen, welche nach einem stufenweisen Destillations-45 verfahren funktionieren, geeignet. Große Pufferspeicher sind nicht notwendig, da die Anlage in einer Art Grundlast durchgehend über die Kompressoreinheit in Betrieb gehalten werden kann. Bei Großanlagen ist vorstellbar, die Kompressoreinheit direkt über eine Gasturbinenanlage zu betreiben, und Kühl- als auch Abwärme über destillatdurchströmte Wärmetauscher entsprechend der erfindungsgemäßen Verschaltung in die MWE- Anlage einzubringen. 50

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 erfindungsgemäßen Verfahrens der Destillatentnahme aus der Vorwärmkolonne, Erwärmung über ein oder mehrere Heizeinrichtungen sowie Rückführung in den Destillatkreislauf der Vorwärm-55 kolonne, beschränkt sich nicht nur auf Destillationsanlagen von Meerwasser, sondern auch auf 4 AT 502 797 B1

Anlagen zur Destillation von Brackwasser und biologisch und chemisch verunreinigtem Wasser zur Brauch- und Trinkwassergewinnung.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfol-5 genden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer MSF-MED Destillationsanlage mit mehreren Heizwärmeanbindungen gemäß dem üblichen Stand der Technik, sowie einer Anbindung von Kollektoren gemäß der erfindungsgemäßen Verschaltung. 10

Fig. 2 zwei Durchrechnungen einer MSF- Destillatkolonne, zum einem bei Meerwasserbeheizung über eine Heizeinrichtung 3 und zum anderem bei Destillatbeheizung mit Entnahme aus der untersten Stufe und Beheizung übereine Heizeinrichtung 1. 15 Fig. 3 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit Wärmezufuhr über Sonnenkollektoren nach dem allgemeinen Stand der Technik.

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit der erfindungsgemäßen Anbindung von thermische Kollektoren. 20

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit der erfindungsgemäßen Anbindung von thermischen Kollektoren und Hybridkollektoren.

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit Dampfzufuhr über eine 25 Kompressoranlage sowie einer Anbindung von Hybridkollektoren.

Fig. 7 eine Darstellung eines Hybridkollektors im Mittenschnitt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF-MED Destillationsanlage mit mehreren 30 Heizwärmeanbindungen 13, 3 gemäß dem üblichen Stand der Technik, sowie einer Anbindung von Kollektoren 1 gemäß der erfindungsgemäßen Verschaltung. Die unterschiedlichen Methoden zur Heizwärmeeinbringung werden rein zu Vergleichszwecken angeführt und sind üblicher weise nicht in einer einzigen Anlage vereint. Im oberen Bereich ist ein MED- Prozess über Filmverdampfungseinrichtungen zuschaltbar. Die MED- Verdampfung wird über den Kompres-35 sor 12 in Betrieb gesetzt und überlagert sich dem normalem MSF- Prozess. Der MSF- Prozess kann nun über unterschiedliche Möglichkeiten der Energieeinbringung eigenständig betrieben werden. Diese sind wie folgt: a) Heizwärme wird über Prozessdampf 13 in die oberste Stufe der Destillatkolonne einge- 40 bracht. b) Das vorgewärmte Meerwasser 2 wird über eine Heizeinrichtung 3 erwärmt. c) Destillat wird erfindungsgemäß aus der Vorwärmkolonne 6 entnommen und in die oberste 45 Stufe rückgeführt.

Variante a ist meist bei Ankopplung an thermische Kraftwerksanlagen mit günstiger Möglichkeit Prozessdampf abzuzweigen in Anwendung. Unabhängig von diesen Ankopplungen kann Prozessdampf auch aus der MSF- Kolonne entnommen werden. Hierzu wird nach der untersten so Kondensationsstufe eine weitere Verdampfungsstufe vorgesehen. Der in dieser Stufe abgeschiedene Dampf wird nun komprimiert und als Prozessdampf 13 in die oberste Stufe eingebracht. Im Grunde wird diese Anlage über technische Arbeit von Kompressoren getrieben.

Variante b ist eine typische Anwendung für Heizwärmeeinbringung über thermische Kollektoren. 55 Im Grunde sollen mit der Heizeinrichtung 3 zwei Möglichkeiten dargelegt werden. Zum einem 5 AT 502 797 B1

Kann dies ist einen Wärmetauscher mit primärseitiger Anbindung eines geschlossenen Kollektorkreises darstellen, - zum anderen einen offenen Kollektorkreis mit direkter Meerwasserdurch-strömung. In beiden Fällen liegen wie eingangs erwähnt relativ hohe Heiztemperaturen vor, wobei Probleme mit Ablagerungen aus dem Meerwasser zu erwarten sind.

Variante c stellt die erfindungsgemäße Verschaltung zur Wärmeeinbringung über Kollektoren 1 dar. Im Grenzfall kann das Kondensat aus der obersten Stufe der Vorwärmkolonne 6 entnommen werden und nach der Beheizung in den Kollektoren 1 wieder in diese Stufe rückgeführt werden. In diesem Fall ist die Temperatur in den Kollektoren in etwa gleich hoch wie bei Beheizung mit direkter Meerwasserdurchströmung, - das Problem mit den Ablagerungen ist allerdings gelöst. Die Destillatausbeute 14 ist um den Anteil des bei der Einleitung in die erste (oberste) Stufe verdampften Kondensats geringer als bei Variante b. Bei 20 MSF- Stufen ist in etwa mit einem Destillatverlust von 12% zu rechnen. Dieser Verlust ist gemessen an den Einsparungen an Wartungsarbeiten durchaus wirtschaftlich vertretbar. Bei einer Destillatentnahme 5_1 aus einer niedrigeren Stufe sinkt die Destillatausbeute 14 im Verhältnis zur Heizenergieeinbringung entsprechend ab. Das genaue Verhalten lässt sich nicht ohne weiteres abschätzen, sondern kann ausschließlich über eine Durchrechnung festgestellt werden. Wie sich dabei zeigt, wird durch die Destillatentnahme an unterster Stelle beim Ausgang aus der Vorwärmkolonne 6 noch immer eine sehr hohe Entsalzungsleistung erreicht. Die Erklärung dazu wird anhand der nachfolgenden Berechnungsergebnisse gegeben.

Fig. 2 zeigt zwei Durchrechnungen einer MSF- Destillatkolonne mit Destillatbeheizung über eine Heizeinrichtung 1, - zum einem eine Variante A mit Destillatentnahme aus der obersten Stufe, und zum anderen eine Variante B mit Destillatentnahme aus der untersten Stufe. Für die oberste Stufe wird in beiden Fällen eine Dampf- und Destillattemperatur von 85eC angesetzt. Die Zufuhr des Meerwassers in die Vorwärmkolonne 6 erfolgt definitionsgemäß bei einer Temperatur von 25°C. In Beiden Fällen erfolgt die Erwärmung des Destillats auf eine vorgegebene Temperatur von 120°C. Bei konstant gehaltenem Destillatertrag 14 wird nun ein Vergleich der zuzuführenden Wärme über die Heizeinrichtung 1 vorgenommen. Wie man ersieht, sinkt von Variante A zu Variante B die Effizienz der Destillatgewinnung in etwa von 100 auf 66% ab. Unter Effizienz wird in diesem Sinne die gewonnene Destillatmenge im Verhältnis zur eingebrachten Heizenergie verstanden. Ein wesentlicher Aspekt, dass hierbei noch eine vergleichsweise hohe Effizienz von 66% erreicht wird erklärt sich dadurch, dass aufgrund der unterschiedlich großen gegenläufigen Massenströme in den Wärmetauschern weniger Dampf zur Resterwärmung des Meerwassers 2 benötigt wird, da die Vorwärmung auf eine vergleichsweise höhere Temperatur erfolgt. Welche Entnahmehöhe nun gewählt wird hängt grundsätzlich vom Kollektorverhalten ab. Hochwertige thermische Kollektoren sind am effizientesten nach Variante A anzukoppeln, -Hybridkollektoren mit gekühlten Solarzellen eher nach Variante B. Hier gibt es eine Vielfalt an Möglichkeiten unterschiedliche Kollektortypen parallel und seriell zu verschalten. Zu Berücksichtigen ist auch, dass bei Einbindung von Pufferspeichern für die Nachtzeit das Volumen bei Variante B in etwa halb so groß zu dimensionieren ist als bei Variante A.

Der in Fig. 3 dargestellte Stand der Technik ist ein allgemein bekannter Prozeß einer MSF-(Multi Stage Flash) Destillationsanlage zur Gewinnung von Brauch- bzw. Trinkwasser nach einem thermischen Verfahren. Die Wärme aus dem Kollektoren 1 wird von einem Pufferspeicher 4 über einen Wärmetauscher 3 an das vorgewärmte Meerwasser 2 weitergegeben.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit der erfindungsgemäßen Anbindung von thermischen Kollektoren 1. Die Entnahme von Destillat 5_1 aus der Vorwärmkolonne 6 für den Kollektorkreis erfolgt bei einer mittleren Stufentemperatur. Die Rückgabe des erhitzten Destillats 5_2 an die Vorwärmkolonne 6 erfolgt über eine vorgelagerte Entspannungskammer 7 mit Dampfzuleitung 8 in eine Kondensationskammer 9 zur Resterwärmung des Meerwassers. Durch Zwischenschaltung eines Pufferspeichers 4 wird sichergestellt, dass die Anlage Tag- und Nacht in Betrieb gehalten werden kann. Abgesehen von den Pumpen wird die Anlage ausschließlich thermisch getrieben.

Claims (6)

1. 6 AT 502 797 B1 Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit der erfindungsgemäßen Anbindung von thermischen Kollektoren 1 und Hybridkollektoren 10. Die Destillataus-kopplung 5_1 für beide Kollektorkreise erfolgt bei Austritt aus der Vorwärmkolonne 6. Von den thermischen Kollektoren 1 wird das erhitzte Destillat über einen Pufferspeicher 4 in die Ent-5 Spannungskammer 7 eingebracht. Die Hybridkollektoren 10 geben das erwärmte Destillat 5_2 direkt in eine der oberen Stufen der Vorwärmkolonne 6 weiter. Im Idealfall erfolgt die Destillat-einleitung variabel wählbar in jene Stufe, in welcher ungefähr die Temperatur des zugeführten Destillats (5_2) vorherrscht. Abgesehen von den Pumpen wird die Anlage ausschließlich thermisch getrieben. 10 Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, welche in der Grundlast über eine Kompressoranlage 11 betrieben wird. Die Anbindung der Hybridkollektoren 10 dient vorwiegend der Stromerzeugung. Erfindungsgemäß wird das Destillat 5_1 bei Austritt aus der Vorwärmkolonne entnommen und nach Erwärmung durch die Hybridkollektoren 10 in eine 15 der oberen Stufen der Vorwärmkolonne 6 rückgeleitet. Die Hybridkollektoren 11 können aufgrund der niederen Einspeisetemperatur die MWE- Anlage ohne Kompressorunterstützung nicht eigenständig in Betrieb halten, leisten jedoch einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Destillatausstoßes. 20 Fig. 7. zeigt eine Darstellung eines Hybridkollektors im Mittenschnitt. Ein Großteil der Strahlung wird über den Spiegel 15 auf ein gekühltes Solarzellenmodul 16 geleitet. Die an den Solarzellen reflektierte Strahlung wird im thermischen Absorber 17 aufgenommen. Mit diesem System lässt sich bei niederen Rücklauftemperaturen und eine gute elektrische und thermische Ausbeute erzielen. 25 Bei den in allen Figuren schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Merkmalen ist darauf hinzuweisen, daß die einzelnen Bauteile sowie Zuleitungen in allen verschiedenen Ausführungsvarianten und Materialien gefertigt sein können. 30 Patentansprüche: 1. Destillationsanlage nach dem MSF- (Multi Stage Flash) oder MED- (Multi Effect Distillation) Verfahren mit solarer Heizwärmeeinbringung, dadurch gekennzeichnet, dass Destillat (5_1) 35 aus der Vorwärmkolonne (6) entnommen wird, über ein oder mehrere Heizeinrichtungen (1, 10, ... ) erwärmt wird, und anschließend in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne (6) rückgeführt wird.
2. 2. MSF/MED- Destillationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rück- 40 führung des erhitzten Destillats (5_2) über eine vorgelagerte Kammer (7) mit Dampfüberlei tung (8) in eine Kammer (9) zur Resterwärmung des Meerwassers erfolgt.
3. 3. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillatentnahme (5_1) nach Austritt aus der Vorwärmkolonne (6) erfolgt. 45
4. 4. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Destillats (5_2) variabel schaltbar in unterschiedliche Stufen der Vonwärmkolonne (6) erfolgt. so 5. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kreisläufe zur Destillaterwärmung mit unterschiedlichen Entnahme- und Rückgabestellen von und zu der Vonwärmkolonne (6) angekoppelt sind.
5. 6. MSF/MED- Destillationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompressoreinheit (11) zur Aufrechterhaltung der Grundlast angekoppelt ist. 55 7 AT 502 797 B1
6. 7. MSF/MED- Destillationsanlage nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass Hybridkollektoren (10) ohne einen Pufferspeicher (4) vorzusehen an die Destillationsanlage angekoppelt werden. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen