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Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur solaren Trocknung von Substrat,
insbesondere von Klärschlamm,
die eine mit solarer Energie beaufschlagbare Trocknungsfläche, auf
die das zu trocknende Substrat aufbringbar ist, und eine Heizeinrichtung
zur Beheizung des zu trocknenden Substrats aufweist, wobei die Heizeinrichtung
mindestens ein Rohr besitzt, durch das ein Heizmedium leitbar ist,
sowie ein Verfahren zur solaren Trocknung von Substrat, insbesondere
von Klärschlamm,
bei dem das auf einer Trocknungsfläche befindliche Substrat mit
solarer Energie beaufschlagt und durch eine Heizeinrichtung beheizt
wird, indem durch die Trocknungsfläche ein erwärmtes Heizmedium geleitet wird.
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Eine
solche Anlage und ein derartiges Verfahren sind bekannt und werden
beispielsweise zur Trocknung von Klärschlämmen eingesetzt, die in größeren Mengen
bei der Abwasseraufbereitung anfallen und einen hohen Feuchtigkeitsanteil
aufweisen. Um die Masse des zu entsorgenden Materials zu reduzieren
und Transportkosten zu senken, sowie eine stabile Lagerung auf Deponien
bzw. eine spätere Verbrennung
zu ermöglichen,
wird dem Klärschlamm Feuchtigkeit
entzogen. Hierfür
stehen mehrere Vorgehensweisen zur Auswahl: Bei der thermischen Volltrocknung
wird der Schlamm in Öfen
oder mittels Heißluft
getrocknet, wobei erhebliche Mengen an Prozesswasser sowie hohe
Energiekosten anfallen. Im Gegensatz hierzu wird bei der solaren
Entfeuchtung die Sonnenenergie zur Trocknung des Klärschlammes
verwendet. Hierzu wird das zu trocknende Material auf einer Fläche ausgebreitet,
die von einem für
Sonnenstrahlen im wesentlichen transparenten Gebäude überdacht ist. Auf diese Weise
wird einerseits Niederschlagswasser abgehalten, andererseits unter
Nutzung des Treibhauseffektes die durch Sonnenstrahlen eingetragene
Wärmeenergie
am Entweichen gehindert und somit der Trocknungseffekt im Vergleich
zu einer Trocknung ohne ein Treibhausgebäude erhöht. Die Abfuhr von feuchter
Luft und das Einbringen von Frischluft erfolgt durch eine geeignete
Be- und Entlüftungseinrichtung,
so dass die Feuchtigkeit an der Oberfläche des am Boden ausgebreiteten
Materials verdunsten kann. In Hohlräumen zwischen Partikeln des
zu trocknenden Materials stellt sich jedoch bereits nach kurzer
Zeit ein Sättigungsdampfdruck
ein. Da sich diese gesättigte Luft
nur sehr langsam an die Oberfläche
bewegt, kann ein Wenden des Materials die Geschwindigkeit des Wasseraustrags
erheblich steigern. Hierfür
kommen unterschiedliche Wende- und/oder Transporteinrichtungen zum
Einsatz, die das Material entweder nur durchmischen oder zusätzlich durch
das Treibhaus transportieren.
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Eine
solche solare Trocknung von Schlämmen
ist jedoch auf nachteilige Weise in starkem Maße von der gegebenen und nicht
beeinflussbaren Sonneneinstrahlung abhängig und unterliegt daher auch
starken jahreszeitlichen Schwankungen. So kommt die Trocknung beispielsweise
im Winter nahezu vollständig
zum Erliegen, so dass ein erheblicher Teil des anfallenden Schlamms
zwischengelagert werden muss.
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In
den bekannten Anlagen zur solaren Trocknung werden daher oft Heizeinrichtungen
verwendet, die beispielsweise durch im Boden des Gebäudes unter
dem ausgebreiteten Material verlegte Rohre und eine diese durchströmende erwärmte Flüssigkeit nach
dem Prinzip einer Fußbodenheizung
das ausgebreitete Material zusätzlich
erwärmen.
Die zum Erhitzen der Flüssigkeit
notwendige Energie wird bei diesen Anlagen beispielsweise durch
eine Öl-
oder Gasfeuerung bzw. eine elektrische Beheizung zur Verfügung gestellt.
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Derartige
bekannte Anlagen besitzen jedoch den Nachteil, dass in Folge der
zusätzlichen
Beheizung hohe Energie- und damit laufende Kosten der Anlage entstehen.
Darüber
hinaus treten bei der Erzeugung der zum Beheizen der Flüssigkeit
notwendigen Energie in der Regel erhebliche Umweltbelastungen auf,
da zum Großteil
auf die Verbrennung fossiler Primärenergieträger zurückgegriffen wird.
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Eine
Vorrichtung zum Trocknen von feuchtem Material ist in der
DE 195 08 400 beschrieben, bei
der ein Trocknungsluftstrom vor Eintritt in eine Trocknungseinrichtung
durch Solarluftkollektoren hindurchgeführt wird und der so erwärmte Luftstrom dann
das feuchte Material beaufschlagt oder durchsetzt. Hierbei besteht
jedoch in nachteiliger Weise eine Identität von Heizmedium und Trocknungsmedium,
so dass die zunehmend mit Feuchtigkeit durchsetzte Luft nur begrenzt
einer erneuten Erwärmung zugeführt werden
kann und daher ständig
neue Außenluft
auf die gewünschte
Temperatur erwärmt
werden muss.
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In
der
DE 43 15 321 sind
eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Trocknung von Schlämmen und
verschmutzten Flüssigkeiten
beschrieben, bei denen eine Trocknung in einem transparenten Gebäude mit
Hilfe von Solarstrahlung erfolgt. Zur Erhöhung des Trocknungsvorgangs
wird zudem eine Vorrichtung in der Art einer Fußbodenheizung vorgeschlagen. Über die
Art der Erwärmung
eines darin zu verwendenden Heizmediums werden dort jedoch keine
Aussagen getroffen.
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Weiterhin
ist in der
DE 33 12 329 ein
den gewachsenen Erdboden als Speichermedium verwendender Wärme-Erdspeicher
zum Einsatz bei Gebäudeheizungen
beschrieben, deren Wärmequelle
nur zeitweise wirksam ist, wie insbesondere Solarkollektoren. Dabei
ist unter anderem auch ein Wärmetauscher
vorgesehen, wodurch verschiedene Kreisläufe mit unterschiedlichen Drücken und/oder
verschiedenen chemischen Zusammensetzungen wie beispielsweise Frostschutzmittelzusatz
möglich
sind.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage sowie
ein Verfahren der eingangs erwähnten
Art derart weiterzubilden, dass eine Beheizung des zu trocknenden
Substrats auf kostengünstige
und umweltschonende Weise möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Anlage dadurch gelöst, dass
die Heizeinrichtung als thermische Solaranlage ausgebildet ist,
die mindestens einen Solarkollektor besitzt, durch den die zur Erwärmung des
in dem mindestens einen Rohr befindlichen Heizmediums benötigte Energie erzeugbar
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass eine als thermische Solaranlage ausgebildete Heizeinrichtung
verwendet wird, durch welche die zur Erwärmung des Heizmediums erforderliche
Energie gewonnen wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme einer
als thermische Solaranlage ausgebildeten Heizeinrichtung ist in
vorteilhafter Weise die natürlich
vorhandene Sonneneinstrahlung nun in zweifacher Weise nutzbar. Die
bisherige Nutzung der Sonnenenergie unter Ausnutzung der direkten
Sonneneinstrahlung wird nun zusätzlich
dadurch unterstützt,
dass durch den mindestens einen Solarkollektor – und somit ebenfalls unter
Ausnutzung der natürlichen
Sonneneinstrahlung – das
Heizmedium erwärmt
wird, welches dann durch ein oder mehrere Rohre zur Beheizung des
auf der Trocknungsfläche
ausgebreiteten Substrates strömt.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage
liegt hierbei in den geringen Betriebskosten der Anlage sowie dem
umweltfreundlichen zugrunde liegenden Verfahren.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht in der Verminderung
der jahreszeitlichen Leistungsschwankungen, da die als thermische Solaranlage
ausgebildete Heizeinrichtung auch bei Temperaturen unterhalb der
0°C-Grenze
betriebsfähig
ist. Durch die so erhöhte
Trocknungsleistung der erfindungsgemäßen Anlage werden in vorteilhafter Art
und Weise durch Verkürzung
der Trocknungszeiten notwendige Zwischenlagerungskapazitäten vermindert,
Transportkosten infolge der durch zunehmenden Trockenrückstand
abnehmenden Masse reduziert sowie eine stabile Lagerung des Endmaterials
auf Deponien bzw. eine thermische Verwertung wie beispielsweise
zur Energiegewinnung in Zementöfen
ermöglicht.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizeinrichtung
einen Wärmespeicher
besitzt, der über
einen Primärkreislauf
mit dem mindestens einen Solarkollektor verbunden ist. Hierdurch
kann in vorteilhafter Weise das durch den Solarkollektor aufgeheizte
Heizmedium und die darin enthaltene Wärmeenergie gespeichert werden.
Dies erlaubt es beispielsweise, tagsüber bei hoher Sonneneinstrahlung
Energie zwischenzuspeichern und diese nachts an das Material abzugeben.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die thermische Solaranlage zwei getrennte, durch einen Wärmetauscher
gekoppelte Heizmediumkreisläufe
zum separaten Betrieb von Wärmegewinnung
und Wärmeabgabe
aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die vom Heizmedium durchströmbaren
Rohre der Anlage in mehrere getrennte mit dem Heizmedium beaufschlagbare
Segmente unterteilt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Beheizung
in diesen Segmenten getrennt an- und abschaltbar ist, so dass Teile
der Trocknungsfläche
als Freifläche
nutzbar sind und ein Chargen- oder Batchbetrieb ermöglicht wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass über der
Trocknungsfläche mindestens
ein hallenartiges vorzugsweise gewächshausartiges Gebäude errichtet
ist, dessen Boden vorzugsweise die Trocknungsfläche ausbildet. Hierdurch kann
in vorteilhafter Weise der Treibhauseffekt zur Trocknung genutzt
werden, sowie Niederschläge
vom Substrat ferngehalten werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
das flüssige
Heizmedium mindestens eines Kreislaufes mit einem Frostschutzmittel
versetzt ist. Auf diese Weise wird zum einen ein Gefrieren des Kreislaufes
im Winter verhindert, zum anderen erhöht das Frostschutzmittel in
der Regel den Siedepunkt des Heizmediums, so dass ein Sieden dieser
wärmetragenden
Flüssigkeit
auch bei maximaler Stillstandstemperatur der Solarkollektoren verhindert
wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel
zu entnehmen, das im Folgenden anhand der Figuren beschrieben wird.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Anlage,
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2:
eine schematische Darstellung einer Heizeinrichtung des Ausführungsbeispiels.
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In
den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel
einer Anlage 1 zur bisolaren Trocknung von Substrat dargestellt,
die hier als Anlage 1 zur bisolaren Trocknung von Klärschlamm
dient. Die Anlage 1 beinhaltet – im hier beschriebenen Fall – zwei hallenartige
Gebäude 2a, 2b,
die für
Sonnenstrahlung zumindest teilweise transparente Dächer und/oder Wände aufweisen.
Dem Fachmann ist klar ersichtlich, dass der beschriebene Fall einer
zwei Gebäude 2a, 2b aufweisenden
Anlage 1 nur einen beispielhaften Charakter besitzt. Natürlich ist
es möglich,
auch nur ein Gebäude 2a oder
mehr als zwei Gebäude 2a, 2b vorzusehen.
Dem Fachmann ist aus der nachstehenden Beschreibung auch ersichtlich,
dass die Verwendung von hallenartigen Gebäuden 2a, 2b zwar bevorzugt,
aber nicht notwendig ist. Ausreichend ist, dass die Anlage 1 eine
Trocknungsfläche 3 aufweist, auf
welche das zu trocknende Substrat, hier der zu trocknende Klärschlamm,
aufbringbar und durch Sonneneinstrahlung thermisch beaufschlagbar
ist. Die Verwendung von Gebäuden 2a, 2b besitzt
jedoch den Vorteil, dass in den Gebäuden 2a, 2b das
zu trocknende Substrat von Umwelteinflüssen geschützt gelagert werden kann und
es durch eine gewächshausartige
Ausbildung der Gebäude 2a, 2b möglich ist,
den Treibhauseffekt derartig ausgebildeter Gebäude 2a, 2b zur
Trocknung des Klärschlamms
zu nutzen.
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Als
Trocknungsflächen 3 für das zu
trocknende Substrat fungieren hier Böden 3a, 3b der
Gebäude 2a, 2b,
in denen Rohre 6 angeordnet sind, durch die ein Heizmedium
strömt
und damit die Böden 3a, 3b und
somit das auf diesen Böden 3a, 3b gelagerte Substrat
nach Art einer Fußbodenheizung
erwärmt.
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Im
Gegensatz zu den bekannten monosolaren Anlagen, bei denen der Energieeintrag
in das zu trocknende Substrat zwar ebenfalls durch natürliche Sonneneinstrahlung,
die Erhitzung des die Rohre 6 durchströmenden Heizmediums jedoch durch
konventionelle Energieträger
erfolgt, ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen,
dass das die Rohre 6 durchströmende Heizmedium durch eine
als thermische Solaranlage 8' ausgebildete
Heizeinrichtung 8 – also
ebenfalls durch die natürliche Sonneneinstrahlung – erwärmt wird.
Eine derartige Maßnahme
besitzt den Vorteil, dass die zur Erwärmung der Böden 3a, 3b und
des auf diesen befindlichen, zu trocknenden Klärschlamms notwendige Energie
ausschließlich
durch die natürliche
Sonneneinstrahlung bereitgestellt wird. Auf diese Art und Weise werden
nicht nur die laufenden Energie- und Betriebskosten reduziert, sondern
auch die Umweltbelastung derartiger Anlagen vermindert, indem nun nicht
mehr auf fossile Energieträger
zur Erwärmung des
die Rohre 6 durchströmenden
Heizmediums zurückgegriffen
werden muss.
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Ein
weiterer Vorteil der beschriebenen Anlage 1 besteht darin,
dass durch diese bisolare Trocknung des Substrats eine deutliche
Steigerung der Leistung der Anlage 1 im Vergleich zu monosolaren Anlagen
erzielt wird, was zu einer Verkürzung
der Trocknungsperiode und/oder zu einer Erhöhung des prozentualen Trockenrückstandes
im Substrat führt. Dies
hat wiederum in vorteilhafter Art und Weise zur Folge, dass bei
kürzeren
Trocknungsperioden weniger angelieferter Klärschlamm vor seiner Trocknung auf
einem Lagerplatz 4 der Anlage 1 zwischengelagert
werden muss. Bei einem höheren
Trocknungsgrad und der damit einhergehenden Verringerung der Masse
des zu trocknenden Substrats sinken in vorteilhafter Art und Weise
die Kosten für
dessen Abtransport. Des weiteren besitzt dies den Vorteil, dass es
nun möglich
ist, den getrockneten Klärschlamm stabil
auf Deponien zu lagern oder in Folge des geringeren Feuchtigkeitsgehaltes
einer thermischen Verwertung zuzuführen.
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Die
thermische Solaranlage 8' ist
nun in 2 schematisch dargestellt. Sie weist Solarkollektoren 9 auf,
die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
auf dem Dach eines Technikgebäudes 5 angeordnet
sind. Das in einem Primärkreislauf 10 befindliche
Heizmedium, vorzugsweise eine geeignete Flüssigkeit, wird bei seinem Durchgang
durch die Solarkollektoren 9 der Solaranlage 8' erwärmt und
gelangt dann in einen Wärmespeicher 14,
der mit einem Wärmetauscher 13 in
Verbindung steht. Von dem Wärmetauscher 13 geht
ein Sekundärkreislauf 12 aus,
welcher das vom Wärmetauscher 13 erwärmte Heizmedium
des Sekundärkreislaufs 12 zu
den Rohren 6 der Böden 3a, 3b leitet.
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Dem
Fachmann ist aus obiger Beschreibung ersichtlich, dass die Ausbildung
der Heizeinrichtung 8 mit Wärmespeicher 14 und
Wärmetauscher 13 zwar
bevorzugt wird, aber nicht zwingend erforderlich ist. Es ist auch
zum Beispiel möglich,
die Solarkollektoren 9 direkt über einen einzigen Kreislauf
mit den Rohren 6 zu verbinden.
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Die
Regelung des Primärkreislaufs 12 erfolgt hierbei
vorzugsweise durch eine Temperaturdifferenz-Regelung, mittels einer
Messung der Temperatur des Heizmediums im Solarkollektor 9 und
dessen Temperatur im Wärmespeicher 14:
Liegt die Temperatur des Heizmediums in Solarkollektor 9 über einer Temperatur
des Heizmediums im Wärmespeicher 14, wird
der Primärkreislauf 10 geöffnet und
derart über das
Heizmedium Wärme
in den Wärmespeicher 14 eingebracht.
Liegt die Temperatur des Heizmediums im Solarkollektor 9 unter
derjenigen im Wärmespeicher 14,
so wird ein Zufluss des in den Solarkollektoren 9 befindlichen
kühleren
Heizmediums zum Wärmespeicher 14 unterbunden,
um eine Abkühlung desselben
zu vermeiden.
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Die
Regelung der Wärmeversorgung
der Rohre 6 über
den Sekundärkreislauf 12 erfolgt
ebenfalls aufgrund einer Temperaturdifferenz-Messung zwischen der
Temperatur des Heizmediums im Wärmespeicher 14 und
dessen Temperatur in den Böden 3a, 3b:
Liegt die Temperatur im Wärmespeicher 14 über derjenigen
in den Böden 3a, 3b,
so wird der Sekundärkreislauf 12 geöffnet, um
Wärme aus
dem Wärmespeicher 14 zu
den Rohren 6 und somit zu den Böden 3a, 3b zu
transportieren.
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Um
einzelne Abschnitte der Trocknungsfläche 3 wärmebeaufschlagen
zu können,
kann optional vorgesehen sein, dass die Trockenfläche 3 in
mehrere Segmente 6a–6e unterteilt
ist, die unabhängig
voneinander mit Wärme
beaufschlagbar sind.
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Wie
bereits erwähnt,
wird bevorzugt, dass das Heizmedium eine entsprechende Flüssigkeit
ist, da diese in sicherheits- und handhabungstechnischer Hinsicht
Vorteile gegenüber
einem ebenfalls möglichen
gasförmigen
Heizungsmedium aufweist. Bei der Verwendung von Flüssigkeit
wird bevorzugt, dass dieser Flüssigkeit
ein Frostschutzmittel zugefügt
wird. Auf diese Weise wird zum einen ein Einfrieren dieser Flüssigkeit
im Winter verhindert, zum anderen erhöht das Frostschutzmittel in
der Regel den Siedepunkt der Flüssigkeit,
so dass ein Sieden der wärmeabertragenden
Flüssigkeit
auch bei maximaler Stillstandstemperatur der Solarkollektoren verhindert wird.