AT512478A1

AT512478A1 - Vakuumzylinderverdunster zur reinigung von salzhaltigem oder verschmutztem wasser

Info

Publication number: AT512478A1
Application number: ATA40/2012A
Authority: AT
Inventors: Johann Schachinger
Original assignee: Johann Schachinger
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-08-15
Also published as: WO2013106874A1

Abstract

Die Erfindung soll Brauchwasser aus Salzwasser oder verunreinigten Wasser gewinnen. Sie besteht aus einer Wasserkammer (1), darauf aufgesetzt ist ein Zylinder (2) mit angetriebenen Hubkolben (3). An der Wasserkammer (1) ist ein Auslassventil (12) und ein Spülwasserventil (17) angebracht. Über der Kolbenkammer (10) sitzt das Kolbenkammerventil (11), davor angebaut das Zulaufreservoire (4). Der Hubkolben (3) wird z.B. über die Kolbenstange (5) bewegt. Wird der Hubkolben (3) vom untersten Punkt bei geschlossenen Ventilen zurückbewegt, entsteht in der Wasserkammer (1) Unterdruck. Vor Ende der Rückzugfase wird Rohwasser durch den Hubkolben (3) eingespritzt. Das verdunstete Rohwasser wird in der Vorwärtsbewegung der Hubkolbens (3) durch das Auslassventil (12) abgeleitet und weiterverarbeitet.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Vakinjrn^mderverdunsfcr^ittf Raiftiinmg von salzhaltigem oder verschmutztem Wasser

Die Trinkwasserversorgung stellt in vielen Orten in südlichen Gebieten der Erde ein großes Problem dar. Flusswasser erreicht nur wenige Gebiete mit brauchbarer Qualität und in ausreichenden Mengen. In der Nähe der Küste kann aus vielen Brunnen außerdem nur Brackwasser gefördert werden. Angesichts der Wasserknappheit in den wärmeren Zonen der Erde wurden zahlreiche Methoden zur großtechnischen Meer- und Brackwasserentsalzung entwickelt.

Bisherige Anlagen basieren großteils entweder auf dem Prinzip der Erhitzung und Verdunstung, die jedoch mit rund zehn Kilowattstunden (kWh) je Kubikmeter einen hohen Energieverbrauch haben, oder der Umkehrosmose, bei der das Wasser durch einen Filter gepresst wird, was rund drei KWh pro Kubikmeter beansprucht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, aus Salzwasser, Brackwasser oder verschmutztem Wasser im Verhältnis zur eingesetzten Energie möglichst viel Brauchwasser als Destillat und Kondensat zu gewinnen. Die Entsalzungsvorrichtung soll im Einsatz kostengünstig eine hohe Volumenleistung an verwertbarem Brauchwasser erzielen. Die vorgestellte Lösung betrifft vor allem den Verdunster- und Verdampferteil der Entsalzungsanlage.

Verschiedene Systeme nutzen die Energie der Sonne, um verwertbares Brauchwasser zu erhalten. Diese zum Teil sehr kostengünstigen Systeme sind leider nicht wirklich effizient. Meist sind wenige Liter Brauchwasser die Tagesleistung.

Salzwasser oder verschmutztes Wasser verdampft bei etwas mehr als 100° Celsius bei Normaldruck. Die vorgestellte Erfindung nutzt die Eigenschaft des Wassers, bei verringertem Umgebungsdruck den Siedepunkt abzusenken. Erreicht wird das in einer Verdunstungs- und Verdämpfungskammer. Um den Siedepunkt auf unter 50°Celsius abzusenken muss Unterdrück von ca. 50 mbar erzeugt werden. Bei den der Erfindung ähnlichen Anlagen wird der Unterdrück mit Hilfe von Vakuumpumpen hergestellt* Bei*def VerdampftMg entsteht allerdings eine große Menge Gas und der Wirkungsgrad dieser Pumpen ist leider nicht sehr hoch. Um einen konstanten Unterdrück zu erhalten, ist dementsprechend hohe Pumpenleistung gefordert, die den Energieverbrauch der Systeme stark nach oben treibt.

Wenn nachfolgend von einer Entsalzungsvorrichtung gesprochen wird, so lässt sich die Erfindung durchaus auch bei verschmutztem Wasser anwenden.

Anstatt der Unterdruckpumpe verwendet die Erfindung eine teilweise mit Rohwasser gefüllte Wasserkammer(l) mit aufgesetztem Zylinder(2) in dem ein Hubkolben(3) im Zylinderinnenraum der Abwärtsbewegung das Gas auspresst und in der Rückwärtsbewegung wieder Unterdrück aufbaut. Es herrscht in der Entsalzungsvorrichtung kein konstanter Unterdrück sondern Unter-und Überdruck wechseln ständig. In der Fase des Unterdrücke wird die beim Kolbenrückzug verdichtete und erwärmte Luft mit vernebeltem Rohwasser durch die Kolbenleitung(9) und die Kolbendüse(6) in die Wasserkammer(l) eingespritzt und zemebelt. Ein innen liegender Ultraschallzerstäuber(15) soll die Wasserteilchen in kleinstmögliche Partikel aufspalten.

Bei Bildung von Flüssigkeitspartikel wie Wassertropfen an Kondensationskemen tritt der so genannte Krünunungseffekt auf. Ist die Wasseroberfläche wie zum Beispiel in einem Tropfen stark nach außen gekrümmt, so sind die oberflächlichen Wassermolcküle weniger stark gebunden und können die Oberfläche leichter verlassen. Je kleiner die Wassertropfen, desto größer ist im Verhältnis deren Oberfläche, umso geringer ist diese Bindungskraft. Die notwendige Verdampfungsenergie, die notwendig ist um Rohwasser in den gasförmigen Zustand zu transportieren, reduziert sieh, je stärker dieser Krümmungseffekt ausgebildet ist.

Zusätzliche Oberfläche entsteht weiters durch Zwischenebenen(18), die beim eintauchen des Hubkolbens(3) benetzt werden, beim Kolbenrückzug jedoch wieder an die Oberfläche gelangen. An der Wasseroberfläche der Wasscrkammer( 1) und auf den benetzten Zwischenebenen(18) beginnt bei erreichen eines bestimmten Unterdrucks Rohwasser zu sieden. Abhängig ist dies von der Stärke des Unterdrucks und der Rohwassertemperatur. Sind die Zwischenebenen(18) beheizt, setzt der Verdampfungsprozess hier natürlich* etwas schneller ein. Sie können zudem auch zur Beruhigung der Oberfläche dienen, wenn das Rohwasser durch das entstehende Vakuum zum sieden beginnt. Wasserdampf füllt von der Wasseroberfläche den seitlichen Teil der Wasserkammer(l) und den freigegebenen Teil der Kolbenkammer(10) bis annähernd der Sättigungsdampfdruck erreicht ist.

Mehrere funktionsgleiche Zylinder(2) aneinandergebaut, also eine Mehrkolbenausführung die Phasenversetzt arbeitet, verteilt den unterschiedlichen Kraftaufwand. Durch diese Arbeitstaktverteilung wird die Drehmomentanforderung gleichmäßiger. Der größte Energieaufwand ist erforderlich, wenn der Kolben kurz vor dem obersten Endpunkt steht. Sind z.B. drei Kolben zusammengebaut, die 120 Grad Phasenversetzt arbeiten, ist der Energieaufwand des Antriebs nur geringfügig höher, die Belastung gleichmäßiger, Schwingungen und Geräuschbildung durch den Massenausgleich niedriger.

Im mehrstufige Kondensator(14) wird des Gas abgekühlt und vorselektiert. Das beim Austritt entspannte Gas wird in einem konventionellen Gegenstromwärmetäuscher durch das zulaufende Rohwasser gekühlt. Das Gas beinhaltet zum Teil Restverunreinigungen mit Salz oder Schwebeteilen. Leicht verunreinigtes Gas sinkt eher ab und wird in die näheren Kondensatorabläufe geleitet. Leichteres Gas wird in entfernter liegenden Abläufen kondensiert. So wird Brauchwasser unterschiedlicher Qualität erzielt.

Um eine Beschädigung des Zylinders(2) zu vermeiden und eine Aufkonzentrierung mit Salz und anderen Schwebstoffen zu verhindern wird Rohwasser durch das geöffnete Spülwasserventil(17) gepresst. Der nicht verdunstete Teil des Rohwassers, der bei jedem Hub aus der Wasserkammer(l) wieder ausgeschieden wird, soll für ausreichenden Spüleffekt in der Wasserkammer(l) sorgen. Die Anlage soll möglichst selbstreinigend betrieben werden können.

Ein größerer Spülstrom verringert hier die* Geiahr*der Wasserverunreinigung und Salzaufkonzentrierung in der Anlage, hat aber den Nachteil der größeren Wärmeabfuhr aus der Wasserkammer( 1). In der Wasscrkammer( 1) soll die Konzentration mit Verunreinigungen möglichst gering bleiben. Sind im Wasser andere Stoffe gelöst, so erschweren sie den Wassermolekülen das Verlassen der Wasseroberfläche, wodurch die Verdunstungsrate sinkt und sich eine geringere Sättigungskonzentration entstellt.

Wasserkammerdüsen(16) sind verschließbare Öffnungen an der Wasserkammerunterseite. Durch diese Düsen wird an der Wasserkammerunterseite, kurz vor erreichen des oberen Kolbenrückzugspunktes, vor oder nachdem das Rohwasser eingespritzt wird, Luft oder Pressluft eingeleitet. Die vorzugsweise erwärmte Luft nimmt Kondensat aus dem in der Wasserkammerf 1) befindlichen Rohwasser auf und bildet eine Art Pufferzone über der Wasserfüllstandslinie und dem kondensierten eingespritzten Rohwasser.

Das Kolbenkammerventil( 11) regelt Zeitpunkt und Menge des Rohwassemachlaufs aus dem Zulaufreservoiie(4). In den Skizzen wird über das Kolbenkammerventil(l 1) Luft sowie Rohwasser gemeinsam eingelassen. Dies kann auch über getrennte Zuläufe erfolgen.

Der Hubkolbens(3) wird idealerweise mit einem Linearantrieb(7) bewegt. Dabei kann der Antrieb an der Kolbenstange(5) oder am Zylinder(2) angebracht sein. Der Vorteil dabei ist, dass der Kolben passend an die Verhältnisse (Rohwassertemperatur, Konzentration der Verunreinigung, Salzgehalt) gesteuert wird. Mit diesem Antrieb ist eine präzise Steuerung des Hubkolbens(3) möglich. Unterschiedliche Kolbengeschwindigkeiten für jede Phase können damit realisiert werden. So kann die Rückzugsbewegung den äußeren Verhältnissen und den verschiedenen Situationen im Inneren angepasst werden. Der Kolben kann z.B. kurz vor öffnen des Kolbenventils(8) beschleunigen, damit das Rohwasser mit hohem Druck in die

Wasscrkammer( 1) gepresst wird. Ein L4nearantrieb(7^ arB*ZyKnder(2) kann den Hubkolben berührungslos bewegen, wenn im Zylinder z.B. Neodym Magnete eingebaut werden. Ähnliche Patente

Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung gibt es viele, z.B. das Markopulos-Patent. Ziel dieses Patentes ist es, die Luftmenge im Untcrdruckverdampfiingsgefäß mit einer Vakuumpumpe zu reduzieren und damit die Siedetemperatur des Wassers abzusenken. Der Aufwand an Energie ist aber für eine wirtschaftliche Nutzung zu hoch, wenn der Unterdrück mit einer Vakuumpumpe hergestellt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungs- bei spielen näher erläutert.

Fig.l zeigt eine schematische erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beim

Kolbenrückzug während der Rohwassereinspritzfase.

Fig.2 zeigt den obersten Kolbenrückzugspunkt vor dem Auspressen des Kondensats.

Fig.3 zeigt den untersten Punkt des Hubkolbens(3) bei geschlossenem Auslassventil(12) und geöffnetem Spülwasserventil(17).

Die Funktionsweise des Vakuumzylinderverdunsters:

Das zentralen Elemente im Vakuumzylinderverdunster sind der stehend eingebaute, angetriebene Hubkolben(3) und ein Zylinder(2), der seiner Form nach eine schlanke Querschnittfläche und einen sich weitenden Behälter als Wasserkammerf 1) aufweist, an welcher am obersten Punkt das • «·4 • * · * · Φ * • · · ·· · ι » • «* · * ····· · « ·

Auslassventil 12) platziert ist. Die Lange (W2yimders^ bestimmt die Größe des Arbeitsraums des Hubkolbens(3). Die Ablaufleitung(13) verbindet die Anlage mit dem mehrstufigen Kondensator(14), der das gewonnene Kondensat nach Restverunreinigung aufgeteilt, weiterleitet. Ebenfalls an der Wasserkammer(l) ist ein Spülwasserventil(17) angebracht. Über der Kolbenkammer(10) sitzt das Kolbenkammerventil(l 1), durch welches Luft und Rohwasser aus dem Zulaufreservoire(4) in die Kolbenkammer(10) geleitet wird. Als Kolbenkammer(10) bezeichnet wird der Zylinderraum über dem Hubkolben(3). Im eben diesem eingebaut ist an der Spitze die Kolbendüse(6) und ein Kolbenventil(8), welches die Kolbenleitung(9) öffnet oder schließt. Ein Innenliegender Ultraschallzerstäuber(15) kann am Hubkolben(3) oder in der Wasserkammer(l) angebracht werden. Bewegt wird der Hubkolben(3) über einen herkömmlichen Getriebemotor über die Kolbenstange(5) oder einen Linearantrieb(7) der an der Kolbenstange(5) oder an der Zylinderwand angebracht ist. Das Zulaufreservoir(4) vor dem Kolbenkammerventil(l 1) dient als Roh wasserspeicher für den jeweils nächsten Hub. Am Boden der Wasserkammer(l) eingebaute Wasserkammerdüsen(16) lassen vorzugsweise vorgewärmtes und verdichtetes Gas durch das Rohwasser aufsteigen. Zwischenebenen(18) werden an der Oberseite der Wasserkammer so platziert, dass sie beim eintauchen des Hubkolbens(3) benetzt werden.

Der Hubkolben(3) wird im Zylinder(2), angepasst an die Abläufe im Inneren, mit der angetriebenen Kolbenstange(5) oder einen Linearantrieb(7) an der Zylinderwand, auf und ab bewegt. Die Bewegung des Hubkolbens(3) teilt den Prozess in zwei Arbeitstakte. Im ersten Arbeitstakt, dargestellt in Fig.l, der Rückzugsbewegung des Hubkolbens(3), wird in der Wasserkammer(l) Unterdrück aufgebaut Das Kolbenventil(8) und gegenüber in der Kolbenkammer(10) das Kolbenkammerventil(l 1) schließen. Die in der Kolbenkammer(10) eingesaugte Luft wird verdichtet. Der über die Kolbenstange(S) angetriebene Hubkolben(3) weist im inneren ein Kolbenventil(8), eine durchgehende Kolbenleitung(9) und eine Kolbendüse(6) an der Spitze auf. Ist der Hubkolben(3) soweit zurückgefahren, dass er sich zur • · · ·· ··« · ··· ♦ % · 4 · # ···· · · · Gänze im Zylinder(2) befindet, kann an der AVraserkammerurrterseite durch die Wasserkammerdüsen(16), Luft, vorzugsweise erwärmt, angesaugt werden. Die Luft durchströmt das Rohwasser in der Wasserkammer(l) und verringert das Sättigungsdefizit indem es Kondensat auihimmt. Als nächstes öffnet das KolbenventiI(8), die verdichtete und erwärmte Luft presst das angesaugte Rohwasser durch Kolbenleitung(9) und Kolbendüse(6) in den Unterdruckbereich im Zylinder(2) und der Wasserkammer(l). Das Wasser wird beim Austritt aus der Kolbendüse(6) fein vernebelt und kann im Unterdruckbereich optimal verdunsten bzw. verdampfen. UItraschallzerstäuber(15), am HubkoIben(3) oder in der Wasserkammer(l) angebracht, sollen hier für noch feinere Zerstäubung sorgen indem sie die Tröpfchen im Wassemebel durch Ultraschallschwingung nochmals aufspalten. Je kleiner die Wassertropfen aufbereitet werden, desto besser ist der Verdunstungsgrad, da im Verhältnis zum Volumen die Oberfläche zunimmt. Größere Oberfläche bedeutet geringere Molekularbindung der Wassermolekttle, der Verdunstungsgrad der Anlage ist, durch effizientere Energienutzung, besser. Bevor der Hubkolben(3) den obersten Rückzugspunkt erreicht, kann nochmals Pressluft an der Wasserkammerunterseite durch die Wasserkammerdüsen(16) eingeblasen werden. Die Sättigungsgrenze in der Wasserkammer(l) wird nochmals erhöht. Hat der angetriebene Hubkolben(3) den obersten Rückzugspunkt erreicht, schließt das Kolbenventil(8), der erste Arbeitstakt ist beendet.

Der zweite Arbeitstakt des Hubkolbens(3), nach Fig,2 besteht darin, in der Abwärtsbewegung die in der Wasserkammer(l) vorhandene angereicherte Luft durch das Auslassventil(12) in die Ablaufleitung(13) zu leiten. Die Sättigungsgrenze der ausströmenden Luft sinkt durch den Druckabfall. Diese angereicherte Luft wird im mehrstufigen Kondensator(14) auf konventionelle Weise z.B. mit Gegenstromwärmetäuschern abgekühlt, nach Restverunreinigung selektiert und das Kondensat gewonnen. Die Wasserkammer( 1) ist kurz vor erreichen des untersten Totpunktes des Hubkolbens(3) zur Gänze mit Rohwasser gefüllt. Befindet sich keine Luft mehr in der • * · ·

Wasserkammer( 1), dargestellt in Fig.^,*schiielit*däs /tusiassvenfil( 12) und das zuviel eingespritzte Rohwasser wird als Spülwasser über das Spülwasserventil(17) ausgepresst. Der Zweck des Spülwassers ist, eine zu hohe Salzkonzentration und Ablagerungen in der Wasserkammer(l) zu vermeiden. In der Kolbenkammer(10) wird durch das geöffnete Kolbenkammerventil(l 1) Rohwasser und vorzugsweise erwärmte Luft für den nächsten Takt angesaugt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten AusfÜhrungsheispiele beschränkt, sondern umfasst alle Abänderungen und Varianten sowie Modifikationen, die in den Rahmen der beschriebenen Ansprüche fallen.

Claims

• ··! • · Patentansprüche: • · • * 1. Vakuumzylinderverdunster, dadurch gekennzeichnet, dass auf der teilweise mit Rohwasser gefüllten Wasserkammer(l) ein Zylinder(2) steht, in der ein Hubkolben(3) durch Rückzugsbewegung aus der Wasserkammer(l) Unterdrück in der Wasserkammer(l) erzeugt. Gegenüber wird in der Kolbenkammer(10) durch den Rückzug des Hubkolbens(3) bei geschlossenem Kolbenventil(8) und Kolbenkammerventil(l 1) Oberdruck erzeugt und das eingeschlossene Gas verdichtet. Rohwasser, das in die Kolbenkammer(10) eingeleitet wurde, wird nach öffnen des Kolbenventils(8) durch die Kolbenleitung(9) und die Kolbendüse(6) in die Wasserkammer(l) gepresst Durch den in der Kolbenkammer(10) befindlichen Unterdrück verdampft bzw. verdunstet das Rohwasser größtenteils beim Austritt aus der Kolbendüse(6).
2. Zylinder(2), dadurch gekennzeichnet, dass sich bei seiner Öffnung zur Wasserkammer(l) trotz schlankem Hubkolben(3) eine große Oberfläche für Verdunstung und Verdampfung bildet und den Kraftaufwand zur Bewegung des Hubkolbens(3) reduziert.
3. Auslassventil 12), dadurch gekennzeichnet dass es am höchsten Punkt der Wasserkammer(l) z.B. als Schwimmerventil angebracht wird. Das Gas entweicht durch Abwärtsbewegung des Hubkolbens(3). Das Ventil darf nur Kondensat durchlassen. Flüssige Stoffe (Rohwasser) sollen in der Wasserkammer(l) bleiben damit eine Verunreinigung des Kondensats mit Rohwasser in Form eines Überschwappens verhindert wird.
4. Zwischenebenen(18), dadurch gekennzeichnet dass sie, beheizt oder unbeheizt so angebracht sind, dass sie beim Eintauchen des Hubkolbens(3) vom Rohwasser benetzt werden, und beim Kolbenrückzug zusätzliche Verdunstungsoberfläche bieten.
5. Lufteinlass durch Wasserkammerdüsen( 16), dadurch gekennzeichnet dass an der Wasserkammerunterseite durch Düsen, kurz vor erreichen des oberen Kolbenrückzugspunktes, vor oder hachbem dis RWröasSer eingespritzt wird, Luft eingeleitet wird.
6. Spülwasser, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülwasserventil(17) an der Wasserkammer(l) angebracht, angereichertes Wasser an der Stelle ableitet, an der die Aufkonzentrierung mit Salz oder Schwebstoffen am höchsten ist. Um eine Wasserverunreinigung und Kristallisation von Salz in der Anlage zu verhindern, muss ein konstanter Rohwasseraustausch in der Wasserkammer(l) durch das System gewährleistet werden. Der nicht verdunstete Teil des Rohwassers, der bei jedem Hub wieder ausgeschieden wird, soll für ausreichenden Spüleffekt in der Wasserkammer(l) sorgen. Ein größerer Spülstrom verringert hier die Gefahr der Wasserverunreinigung und Salzaufkonzentrierung in der Anlage, hat aber den Nachteil der größeren Wärmeabfuhr aus der Wasserkammer(l).
7. Innenliegender Ultraschallzerstäuber( 15), dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber am Hubkolben(3) oder in der Wasserkammer(l) angebracht, das austretende Rohwasser durch die Ultraschallschwingung in feinste Tröpfchen zerlegt Kleinstmöglich zerstäubte Rohwassertropfen erleichtern das Verdunsten und erhöhen die Gesamtleistung der Anlage.
8. Mehrstufiger Kondensator(14), dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator am Ablauf(13) das kondensierende Gas in mehreren Leitungen ablaufen lässt. Im Gas mitgeführte Reststoffe sollen in den dem Ablauf(13) näheren Leitungen mit dem Brauchwasser kondensieren, während reineres Gas in den entfernter liegenden Leitungen gesammelt wird. Brauchwasser unterschiedlicher Qualität wird so auf einfache Weise abgesondert.
9. Mehrkolbenausführung, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere funktionsgleiche Zylinder(2) mit jeweils separater Wasserkammerf 1) aneinandergebaut werden und Phasenversetzt arbeiten. Mit relativ geringerem Bauaufwand bewirkt man durch Arbeitstaktverteilung günstigeren MassenäusglekSiumk gleichmäßigere Drehmomentbelastung.
10. Linearantrieb(7), dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Hubkolbens(3) am Zylinder(2) oder an der Kolbenstange(S) angebracht ist. Der Antrieb ermöglicht eine präzise Steuerung des Hubkolbens(3) durch variable Arbeitsgeschwindigkeit.