DE102006056820A1

DE102006056820A1 - Wasseraufbereitungsanlage

Info

Publication number: DE102006056820A1
Application number: DE102006056820A
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr.-Ing. Burandt; Matthias Hanno Dr.-Ing. Buschmann; Andreas Dr.-Ing. habil. Gassel
Original assignee: WT ENERGIESYSTEME GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: WT ENERGIESYSTEME GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Wasseraufbereitung, insbesondere Meerwasserentsalzung, mit der unter Nutzung eines mechanischen Strömungs- bzw. Turboverdichters und Kondensieren ein Destillat gewonnen wird. Es ist vorgesehen, dass in der Wasseraufbereitungsanlage ein Strömungsverdichter eingesetzt ist, der aus einem radialen Laufrad (2) und einem Vorsatzläufer (3), ausgeführt als ein dem Laufrad (2) vorgeschaltetes axiales Rad, gebildet ist. Der Vorteil der Erfindung ist, dass mit einem solchen Verdichter ein signifikant höherer Drucksprung erzielt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wasseraufbereitungsanlage gegenüber bekannten Radialverdichtern um ca. 15% steigern lässt; annähernd proportional erhöht sich der Produktvolumenstrom.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Wasseraufbereitung, insbesondere Meerwasserentsalzung, mit der durch Verdampfen, mechanische Verdichtung und Kondensation ein Destillat gewonnen wird, welches zu Trinkwasser aufbereitet oder als Nutzwasser verwendet werden kann.
Das Rohwasser muss ggf. einer üblichen Vorbehandlung unterzogen werden, um grobe Verunreinigungen von der Anlage fern zu halten und den langfristigen Betrieb zu sichern.
Die Trinkwasserversorgung der Menschen ist in vielen Teilen der Erde aus unterschiedlichen Gründen problematisch. Natürliche oberirdische Wasservorräte trocknen in Gebieten mit extremen klimatischen Bedingungen aus; große Seen und Meere versalzen aufgrund des ständigen Zuflusses mineralisch angereicherten Wassers. Zudem steigt der Trinkwasserbedarf der modernen Gesellschaft stetig.
Aus dem Stand der Technik sind seit langem verschiedenste Verfahren und Einrichtungen bekannt, die Meerwasser in die Bestandteile Salz bzw. Sole und Trinkwasser trennen. Auch Anlagen, in denen durch Verdampfen des salzhaltigen Wassers und Kondensation des Dampfes Trinkwasser gewonnen wird, sind seit vielen Jahren üblich; allerdings kann ihr Wirkungsgrad im Hinblick auf die Bedarfsentwicklung nur noch bedingt befriedigen.
In solchen Anlagen wird das Fluid kondensiert, nach dem dessen Enthalpiemittels eines Verdichters erhöht wurde. Für das Verdichten von Wasserdampf eignen sich Strömungs- bzw. Turboverdichter besser als herkömmliche Verdrängungsverdichter. Turboverdichter, funktional in Axial- und Radialverdichter unterschieden, sind nach dem Stand der Technik vielfältig und für vielzählige Anwendungsgebiete, beispielsweise Gasturbinenanlagen und Kältemaschinen, vorgeschlagen, wobei üblicherweise Axialverdichter zur Durchsetzung größerer Förderströme und Radialverdichter zur Erzielung größerer Druckverhältnisse eingesetzt werden. Zur Durchführung effizienter Verdichtungsprozesse wurden Verdichter entwickelt, die sowohl einen großen Förderstrom als auch einen hohen Verdichtungsdruck realisieren. Ein Maß zur qualitativen Bewertung solcher Verdichter ist der Drucksprung.

In CH 290415 ist ein Verdichter offenbart, der die funktionalen Eigenschaften von Axial- und Radialverdichtern konstruktiv zusammenfasst. Angeregt sind u. a. Varianten mit gleich- oder gegenläufig drehenden Laufrädern, deren Umdrehungsgeschwindigkeiten gleich oder unterschiedlich sind. Eine Lösung mit konkretem Bezug auf die Eigenschaften des Strömungsmediums lässt sich jedoch dieser Schrift nicht entnehmen; insbesondere ist eine herausragende Ausführungsform eines Verdichters aus der Vielzahl der vorgeschlagenen Varianten nicht erkennbar.

Ein Verdichter in Form einer Axial-/Radialverdichterkombination, ausgeführt als Laufradverdichter in einem Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen, ist auch aus DE 100 61 970 A1 zu entnehmen.

Auch aus US 2004 0179947 A1 ist ein Kompressor für Kühlsysteme bekannt, dessen Verdichterbaugruppen zweiteilig, nämlich bestehend aus Axial- Und Radialverdichter, ausgeführt sind.

Der Stand der Technik zeigt, dass die Wasseraufbereitung, insbesondere Meerwasserentsalzung, unter Einsatz einer mechanischen Wasserdampfverdichtung mittels eines Radialverdichters eine moderne Alternative zu den bisher bekannten Verfahren darstellt. Allerdings gibt es bislang nur eine kleine Anzahl von Herstellern solcher Anlagen, die in ihren Kapazitäten zudem sehr unterschiedlich sind; so werden Anlagen angeboten, die pro Tag 20 bis 200 m³ Meerwasser entsalzen können, aber auch Anlagen, die hierfür eine Kapazität bis zu 5000 m³/d haben.

Nachteil dieser Anlagen ist, dass sie nur über eine einstufige Verdichtung mittels Radialverdichter verfügen. Das Leistungsvermögen des Radialverdichters bezüglich des Wirkungsgrades und des zu erzielenden Drucksprunges ist damit begrenzt. Diese Begrenzungen stellen zugleich eine Begrenzung der Leistungsfähigkeit der gesamten Wasseraufbereitungsanlage bezüglich des Produktstromes (Kondensat) dar.

Ziel der Erfindung ist es daher, den Produktstrom einer Wasseraufbereitungsanlage mit mechanischer Wasserdampfverdichtung signifikant zu erhöhen. Dabei steht die Aufgabe, den Wirkungsgrad durch die Erhöhung des mit dem Radialverdichter erzielbaren Drucksprunges bei Beibehaltung des Verdichterlaufrades zu steigern.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass in einer Wasseraufbereitungsanlage ein mechanischer Strömungsverdichter verwendet wird, der aus einem Radialverdichter und einem Vorsatzläufer, ausgeführt als ein dem radialen Laufrad vorgeschaltetes axiales Rad, dessen Schaufeln in Verhältnis zu den Schaufeln des Laufrades einen wesentlich kleineren Durchmesser haben, gebildet ist. Hauptaufgabe des Vorsatzläufers ist die Aufbereitung der Strömungdergestalt, dass im Laufrad eine optimale Leistungsumsetzung erfolgt. Hierzu wird eine Umlenkung der Zuströmung zum Laufrad so vorgenommen, dass dieses drallfrei angeströmt wird. Zudem überträgt der Vorsatzläufer Energie an das geförderte Fluid (Wasserdampf) und erhöht damit den Gesamtdrucksprung des Radialverdichters. Das Gehäuse des Strömungsverdichters umfasst das mit einem Antrieb verbundene Laufrad, das aus einer Nabe aus Metall oder Verbundwerkstoff und kohlenstofffaserverstärkten Schaufeln besteht. Alle Schaufeln des Laufrades sind gleich geformt, gestellt und gerichtet sowie in radialer Richtung im Bereich des Vorsatzläufers wenigstens um die Hälfte kürzer als im Bereich des Radialverdichters. Die Schaufelränder sind zwischen dem Bereich des Vorsatzläufers und des Radialverdichters konkav geformt. Das innenseitig rotationssymmetrische Gehäuse umfasst das Laufrad derart, dass nur ein kleiner Spalt zwischen den äußeren Schaufelrändern und dem Gehäuse besteht. In dem Gehäuse sind sowohl eine kreisrunde Öffnung für die Zufuhr des Fluids zum Vorsatzläufer als auch Öffnungen für die radiale Abfuhr des Fluids vom radialen Laufrad vorgesehen. Demzufolge weist das Gehäuse innenseitig rotationssymmetrische Querschnitte auf, die in der Zufuhröffnung zum Bereich des Vorsatzläufers hin größer als im Bereich des Vorsatzläufers sind; im Bereich des Vorsatzläufers sind sie gleich groß und im Übergangsbereich zwischen Vorsatzläufer und Radialverdichter, verglichen mit den Querschnitten im Bereich des Vorsatzläufers, zum Radialverdichter hin größer. Zweckmäßig ist es, wenn die Schaufeln des Laufrades geometrisch ebene Flächen darstellen.

Die Schaufeln des radialen Laufrades und die des Vorsatzläufers stehen eng, nur durch einen kleinen Spalt beabstandet, zusammen. Im Gegensatz zu den aus faserverstärkten Verbundwerkstoff bestehenden Schaufeln des Laufrads sind die des Vorsatzläufers aus Metall.

Es ist vorteilhaft, die Schaufeln des Vorsatzläufers an ihrer Vorderkante axial gekrümmt auszuformen; die Hinterkanten der Schaufeln des Vorsatzläufers sind dagegen fluchtend zu den Vorderkanten des Laufrades ausgerichtet. Damit wird eine eindeutige Zuordnung der einzelnen Schaufelkanäle und daraus folgend eine Optimierung der Strömungsumlenkung im Verdichter realisiert.

Dem Wesen der Erfindung folgend können die Schaufeln des Vorsatzläufers als Radialfaserschaufeln ausgeführt sein, zumal im Anwendungsfall die mechanische Belastung der Schaufeln bei der Verdichtung von Wasserdampf im Bereich des Vorsatzläufers beträchtlich und hauptsächlich radial orientiert ist.

Schließlich ist einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Laufrad und der Vorsatzläufer die gleiche Anzahl von Schaufeln besitzt. Die Schaufeln des Laufrades werden durch diese Ausbildung gleichermaßen beaufschlagt.

Erfindungswesentlich ist, dass durch die Verwendung eines Vorsatzläufers ein überraschend hoher Drucksprung des Radialverdichters erzielt wird, was sich in einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Verdichters um ca. 15 % auswirkt. Die Erhöhung des Wirkungsgrades ist mit einer etwa proportionalen Erhöhung des Produktvolumenstromes (Kondensat) verbunden. Die Betriebskosten einer solchen Anlage sind zudem im Vergleich zu einem konventionellen, eingangs beschriebenen zweistufigen Verdichter deutlich geringer. Damit werden auf einem technisch ausgereiften Gebiet erhebliche technische und betriebswirtschaftliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung weiter erläutert.
Die Figur zeigt den axialen Schnitt durch den Verdichter bestehend aus dem radialen Laufrad 2 und dem axialen Vorsatzläufer 3, die von dem Gehäuse 1 umschlossen sind und ihre Zuordnung zum Antrieb 4.
In dem Gehäuse 1 sind sowohl eine kreisrunde Öffnung für die axiale Zufuhr des Fluids zum Vorsatzläufer 3 als auch eine Öffnung für die radiale Abfuhr des Fluids vom Laufrad 2 vorgesehen. Das Gehäuse 1 weist innenseitig einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf, der im Bereich des Vorsatzläufers 3 annähernd gleich bleibend und im Übergangsbereich zwischen Vorsatzläufer 3 und Laufrad 2 aufgeweitet ist. Die Schaufeln des Vorsatzläufers 3 und des Laufrades 2, axial getrennt durch einen Spalt, sind bis an das Gehäuse 1 heranreichend ausgeführt, sodass ein kleiner Spalt entsteht.

Claims

Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere Meerwasserentsalzungsanlage, in der durch Verdichten mittels eines mechanischen Strömungsverdichters und Kondensieren Destillat gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter aus einem radialen kohlenstofffaserverstärktem Laufrad (2) und einem Vorsatzläufer (3), ausgeführt als ein dem Laufrad (2) mit einem Spalt beabstandet vorgeschaltetes axiales Rad, dessen Schaufeln im Verhältnis zu den Schaufeln des radialen Laufrades (2) einen wesentlich kleineren Durchmesser haben, gebildet ist, wobei ein Gehäuse (1) beide Räder (2, 3) umfasst.
Wasseraufbereitungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des Laufrades (2) gleich geformt, gestellt und gerichtet sowie in radialer Richtung zum Vorsatzläufer (3) hin wenigstens um die Hälfte kürzer als im Bereich des Radialverdichters sind.
Wasseraufbereitungsanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des Laufrades (2) geometrisch ebene Flächen darstellen.
Wasseraufbereitungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten der Schaufeln des Vorsatzläufers (3) axial gekrümmt und die Hinterkanten fluchtend zu den Vorderkanten des Laufrades (2) ausgerichtet sind.
Wasseraufbereitungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des Laufrades (2) als Radialfaserschaufeln ausgebildet sind.
Wasseraufbereitungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) und der Vorsatzläufer (3) die gleiche Anzahl von Schaufeln besitzt.