DE102007010575A1

DE102007010575A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Meerwasserentsalzung

Info

Publication number: DE102007010575A1
Application number: DE102007010575A
Authority: DE
Inventors: Joseph Wallers; Hartmuth F. Thaler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wasserentsalzung mittels Verdampfung und Kodensation. Die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, und mit denen die Entsalzung von Meerwasser energieeffizient und mit geringerem technischen Aufwand gewährleistet wird, wird dadurch erzielt, dass eine Kaskade von Verdampfungs- und Kondensationselementen unmittelbart übereinander angeordnet werden, diese Elemente mit unterschiedlichen Temperaturen und Dampfdrücken arbeiten, wobei die Trennwände zwischen den Elementen Wärmetauscher bilden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden die Arbeitspunkte der einzelnen Elemente durch eine geschlossene Wassersäule bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt und im praktischen Einsatz, mit denen Trinkwasser aus Meerwasser gewonnen wird. Nach ihrer Wirkungsweise lassen diese sich in zwei Hauptgruppen unterteilen: die eine Gruppe arbeitet thermisch mit Verdunstung oder Verdampfung und anschließender Kondensierung, die andere Gruppe beruht auf Umkehrosmose.
In der Offenlegungsschrift WO 2006/029603 A1 (Szynalski, Peter; Seawater Desalination Plant) ist eine moderne Meerwasserentsalzungsanlage beschrieben. Sie arbeitet mit einer Kaskade von Verdampfungskörpern. Sie benötigt außer den einzelnen Verdampfungskörpern eine Reihe von Wärmetauschern, eine Vakuumpumpe und eine Wärmepumpe.
In US4366030 (Anderson, Subatmospheric Pressure Distillation and/or Cooling Method and Means, 1979/1982) ist eine Meerwasserentsalzungs-, bzw. Wasserreinigungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren beschrieben. Dabei wird der Unterdruck in der Verdampfungskammer durch zwei Wassersäulen erzeugt: einer Säule aus dem gewonnenen Kondenswasser und einer Abwassersäule, welche die Reststoffe (insbesondere Salz) in konzentrierter Form abführt. Die Zufuhr des aufzubereitenden Wassers erfolgt durch hochpumpen und einspritzen des Salzwassers.
Die Offenlegungsschrift WO2007006323 (Buchmann, Andreas; Sea Water Desalination Plant Comprising a Gravity-Assisted Vacuum) beschreibt eine Entsalzungsanlage, bei welcher der Unterdruck zur niedertemperaturigen Verdampfung des Wassers durch drei Wassersäulen entsteht: einer Säule durch die das Salzwasser angesaugt wird, einer Säule durch die die Sole abgeleitet wird und einer Säule durch die das entsalzende Wasser abgeleitet wird.
Eine Anlage nach WO 2006/029603 A1 benötigt eine große Anzahl an störanfälligen Elementen, wie Vakuumpumpe, Regelventile, separaten Wärmetauschern, Wärmepumpe und eine Elektronik mit vielen Sensoren zur Einstellung/Regelung der Arbeitspunkte der einzelnen Stufen.
Eine Anlage nach US4366030 benötigt eine Pumpe und eine Regelung zur Einleitung des Salzwassers. Dieser Elemente entfallen bei einer Anlage wie in WO2007006323 beschrieben. Beide Anlagen haben aber einige Nachteile. Die Sonnenkollektoren, bzw. die Wärmezufuhr an das Salzwasser erfolgt im oberen Teil (auf bis zu 10 m Höhe) im Unterdruck. Das erfordert einen mächtige Stützkonstruktion, insbesondere wenn eine große Fläche mit Sonnenkollektoren integriert werden soll. Dadurch, dass die Erwärmung des Meerwassers im Unterdruck erfolgt, scheiden die im Meerwasser gelösten Gase erst im oberen Teil der Anlage im Unterdruck aus. Dort müssen sie durch Pumpen oder Entlüftungsanlagen abgeführt werden. Das erfordert größere Vakuumpumpen oder häufiges Abschalten der Anlage. In den Sonnenkollektoren herrscht Unterdruck. Die Verglasung über den Sonnenstrahlenabsorbern muss daher dem gegebenen Druckbelastungen standhalten. Vor allen Dingen aber ist der Wirkungsgrad, gemessen in Litern entsalzendes Wasser pro kW aufgenommener (Sonnen) Energie gering, da der größte Teil der Energie zur Verdampfung benötigt wird. Es ist bei der Beschreibung der Anlagen nach US4366030 und WO2007006323 nicht erkennbar, wie Verdampfungsenergie recycelt bzw. mehrfach benutzt wird. Lediglich Wärmetauscher zum Transfer des vergleichbar geringen Wärmebedarfs zur Aufheizung des Salzwassers auf die Verdampfungstemperatur aus dem abfließenden gereinigtem Wasser und/oder der abfließenden Sole sind als Optionen vorgesehen.
Die auf Umkehrosmose beruhenden Anlagen pressen das zu entsalzende Wasser durch Membrane. Dies Membrane haben eine begrenzte Lebensdauer und müssen periodisch gereinigt und/oder ersetzt werden.
Durch den einfachen und robusten Aufbau und die hohe Effizienz der hier vorgestellten Erfindung kann die Meerwasserentsalzung, insbesondere bei einem Betrieb mit Sonnenenergie, mit geringeren Gesamtkosten gewonnen werden.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondre soll die Effizienz der Anlage gesteigert und/oder die Anzahl der Komponenten und die Komplexität der Anlagen mit Kaskaden von Verdampfungskörpern vermindert und damit die Kosten der Anlage und die Wartungskosten gesenkt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2, 12 und 13 gelöst.
Die Vorrichtung besteht aus einer Kaskade von mindestens zwei übereinander angeordneten Verdampfer-/Kondensationselementen, wobei das unterste mit aufgeheiztem Meerwasser versorgt wird, das oberste über ein Kühlsystem gekühlt wird, und das Salzwasser über Steigrohre vom Verdunstungsbecken eines Elementes in das Verdunstungsbecken das darüber liegenden Elementes geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationstemperatur des Dampfdruckes in einem Element kleiner ist als die Verdampfungstemperatur des darüber legenden. Der Druck ist in den einzelnen Elementen unterschiedlich; der höchste Druck herrscht in dem ersten, untersten Element, der geringste Druck herrscht in dem letzten, obersten Element. In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden die Elemente in einem luftdichten Rohr so übereinander angeordnet, dass das aufsteigende Salzwasser, ebenso wie das abfließende Kondenswasser und die Sole Wassersäulen bilden, welche die benötigten Druckunterschiede in den einzelnen Elementen erzeugen und erhalten. Vorzugsweise wird die Anlage mit Sonnenenergie betrieben. Sie kann aber auch mit jeder anderen Form von Wärme, wie Abwärme aus industriellen Prozessen, Abwärme von Wärmekraftwerken, usw. betrieben werden.
Anlagen gemäß dieser Erfindung bieten wichtige Vorteile gegenüber Anlagen nach dem bekannten Stand der Technik.

– Durch die Reduzierung von Komponenten, wie der Anzahl von Wärmetauschern, Ventilen, Pumpen und die Unterbringung aller Elemente in einem Behälter sind die Anlagen günstiger herzustellen, weniger störanfällig und bedürfen weniger Wartung.
– Sie sind ideal geeignet zum Betrieb mit Sonnenenergie und produzieren keine Abfallstoffe oder – gase.
– Sie benötigen keine, oder nur relativ einfache Regelungssysteme, da sich die Arbeitspunkte aufgrund der Konstruktion der Anlage automatisch auf physikalisches Gleichgewichte einstellen.
– Die Sonnenkollektoren befinden sich auf Meereshöhe bzw. am Boden der Anlage, nicht in bis zu 10 m Höhe wie bei den in WO2007006323 oder US4366030 beschriebenen Anlagen und ersparen damit aufwendige Gerüste.
– Die Erwärmung des Salzwasser erfolgt auf der Höhe der Einspeisung in die Anlage und damit bei Umgebungsluftdruck. Deshalb lastet kein Druck auf die Abdeckung der Kollektoren.
– Die Erwärmung auf höchste Temperaturen vor Eintritt in die Kaskadn bewirkt eine weitgehende Entgasung des Meerwassers. Diese Gase können durch eine Belüftung des Kollektorinnenraumes problemlos abgeführt werden.

Der Aufbau einer mit Solarenergie betriebenen Anlage und die wesentlichen Neuerungen dieser Erfindung sind schematisch in den beigefügten Figuren dargestellt. Die Figuren zeigen:
1 zeigt den schematischen Aufbau einer mit Solarenergie betriebenen Meerwasserentsalzungsanlage.
2 veranschaulicht den Aufbau der Verdampfer-/Kondensatorkaskade.
3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines effizienteren Wärmeaustauschers eines Kondensator-/Verdampfungselements.
4 zeigt die Komponenten zum Auffangen und Ableiten des Süßwassers und das Sammelbecken für das Süßwasser
5 zeigt eine modifizierte, effizientere Version der Komponente in 4
Aufbau
Der Hauptbestandteile einer mit Solarenergie betriebenen Anlage werden anhand von 1 beschrieben. In der einfachsten Ausführung der Erfindung wird zu entsalzenes Meerwasser über einen oder mehrere Einlaufstutzen oder Einlaufrohre 19 in ein Ende eines oder mehrerer Sonnenkollektoren zugeführt. In 1 ist nur ein Sonnenkollektor 11 dargestellt. Das Einlaufrohr/-stutzen 19 ist den lokalen Gegebenheiten angepasst. Sofern die obere Schicht das Meerwassers deutlich warmer ist als die darunter liegenden Schichten und das Oberflächenwasser nicht zu sehr mit Schwebstoffen und anderen Verunreinigungen belastet ist, wird Wasser aus diesen, oberen Schichten in den Sonnenkollektor geleitet. Sind hingegen die oberen Meerwasserschichten deutlich stärker verschmutzt als tiefere Schichten, kann es vorteilhaft sein, Wasser aus diesen tieferen Schichtenmittels mittels entsprechend längerem Rohr 19 zu verwenden. In einer anderen, weiter unten beschriebenen Ausführung, wird Salzwasser aus dem Abfluss eines Kühlsystems in den Einlauf 19 geführt. Die letztgenannte Ausführung ist nicht in den Figuren dargestellt.
Der Sonnenkollektor 11 fängt die eingestrahlte Sonnenenergie ein und erhitzt das über den Einlauf 19 eingeführte Meerwasser auf die Verdampfungstemperatur t₁ der untersten Stufe der Entsalzungskaskade 15.
Der Sonnenkollektor 11 besteht aus einer thermisch isolierenden Wanne 20. Die Isolation hält die Wärmeverluste an das umspülende Meerwasser, bzw. bei einer Installation auf festem Grund an die darunter liegenden Erdschichten, gering. Bei einer Installation auf festem Grund kann zusätzliches Dämmmaterial unter der Wanne 20 angebracht werden.
Über dem im Sonnekollektor befindlichen Meerwasser 14 ist eine für die Sonnenstrahlen durchlässige Abdeckhaube 13 angebracht. Sie ist hier beispielhaft als Zeltform dargestellt. Die Schrägen der Zeltform dienen zum schnellen Rückfluss von eventuell auf die Oberflächen der Anlage übergeschwapptem oder gespritztem Wasser in das Meerwasser 10. Ferner kann an der Innenseite der Abdeckung 13 kondensiertes Wasser an den schrägen Wänden in die am Rande des Kollektors befindlichen Auffangrinnen 12 abfließen (Zelteffekt). Dieses Kondenswasser wird in das Süßwasserbecken 16 geleitet. Die durch die Abdeckung 13 in das Innere des Kollektors gelangten Sonnenstrahlung wird durch geeignete Materialien (in der Figur nicht dargestellt) absorbiert, und in Wärme umgewandelt. Mit dieser Wärme wird das Salzwasser 14 aufgeheizt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Sonnenkollektor 11 in mehrere Segmente aufgeteilt. Diese Segmente teilen den Fluss des zugeführten Meerwassers in mehrere Teilflüsse auf (z. B. durch mehrere Einlaufrohre, je eins oder mehrere pro Segment) und heizen das Salzwasser 14 von der Eintrittstemperatur t_S auf die Verdampfungstemperatur der ersten Verdampferstufe t₁ auf (Parallelschaltung). In einer bevorzugten Ausführung werden die einzelnen Segmente hintereinandergelegt (Serienschaltung). Die erste Stufe heizt das Salzwasser 14 auf einen Zwischenwert t_A (z. B. t_A = t_S + 25°C), die nächste Stufe heizt das Salzwasser anschließend auf die nächste Zwischentemperatur t_B (z. B. t_B = t_A + 20°C), usw. Die letzte Stufe erwärmt dann das Salzwasser 14 auf die Siedetemperatur t₁ der ersten Stufe der Verdampger-/Kondensatorkaskade. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass nur die letzten Stufen mit einer aufwendigen thermischen Isolierung versehen werden müssen. In einer weiteren Ausführung werden durch externe Sonnenstrahlenreflektoren (in den Zeichnungen nicht dargestellt) eine größere Dichte an Sonnenenergie auf die letzte bzw. die letzten Kollektorstufen gebündelt. Damit wird es möglich auch bei relative geringer Sonneneinstrahlung eine hohe Eintrittstemperatur t₁ zu erreichen, oder, bei ausreichender Sonnenenergiedichte die letzten Stufen flächenmäßig klein zu halten und damit Verlustwärme an den Außenwänden zu reduzieren und/oder die Kosten für die letzte(n) Sonnenkollektorstufen zu reduzieren, oder höhere Temperaturen für t₁ zu erreichen und damit eine größere Anzahl von Stufen in der Verdampfer-/Kondensatorkaskade zu ermöglichen (letzteres ergibt einen bessereren Wirkungsgrad).
Die im vorigen Absatz erwähnten Reflektoren (Spiegel) können mit Stellmechanismen dem Sonnenstand nachgeführt werden. Bei einer schwimmenden Ausführung der Anlage kann auch die gesamte Plattform im Tagesverlauf der Sonnen so nachgeführt werden, dass sich eine optimale Ausnutzung der eingestrahlten Energie ergibt. Damit kann auch erreicht werden, dass der Schatten der Verdampfer-/Kondensatorkaskade auf kollektorfreie Flächen fällt.
In größeren Anlagen kann eine Mischung von Parallel- und Serienanordnung von Kollektorsegmenten verwendet werden.
Das auf t₁ erwärmte Salzwasser 14 wird der Eingangsstufe der Verdampfer-/Kondensatorkaskade 15 zugeführt. Deren Aufbau und Funktionen wird weiter unten erläutert. Aus der Verdampfer-/Kondensatorkaskade tritt das gereinigte (kondensierte) Wasser 17 aus und wird in einem Sammelbecken 16 gespeichert.
Die Sonnenkollektoren 11, die Verdampfer-/Kondensatorkaskade 15 und das Süßwasserbecken 16 müssen bei einem Einsatz im Meer mit geeigneten Schwimmkörpern, Stabilisatoren und Verankerungen versehen werden.
Bei einer Installation an Land, muss das Meerwasser zur Anlage gepumpt werde (in den Fig. nicht dargestellt). Die Verdampfer-/Kondensatorkaskade muss einen festen Sockel erhalten. Das schwimmende Süßwassersammelbecken wird eine mit Wasser gefüllte Grube eingesetzt (nicht in den Figuren dargestellt).
Der Aufbau der Verdampfer-/Kondensatorkaskade wird nun anhand von 2 beschrieben. Die äußere Hülle wird vorzugsweise durch ein rundes Rohr bzw. Kessel 25 gebildet. Es ist am oberen Ende luftdicht verschlossen. Seine Höhe beträgt, je nach der ausgewählten Anzahl von Stufen und der Kondensationstemperatur der obersten Stufe bis zu ca. 10 m. In der einfachsten Ausführung erstreckt sich das offene untere Ende des Rohres/Kessels in das auf t₁ erwärmte Salzwasser 14. Im Innern des Rohres befindet sich eine Wassersäule aus Salzwasser. Diese besteht aus Verdampfungsbecken 21 und Steigohren 26. Sie erstreckt sich über alle Stufen der Verdampfer-/Kondensatorkaskade bis zur obersten Stufe. Über den Verdampfungsbecken einer jeden Stufe befindet sich eine Kammer. Der Druck in dieser Kammer entspricht im statischen Fall dem Druck, welcher sich durch die Höhe der Wassersäule für die jeweilige Stufe einstellt. Der Druck in den Kammern ist unterschiedlich.
Er ist in der ersten, untersten Stufe am größten. Bei einer ausreichenden Temperatur des Wasserbeckens befindet sich der aus Höhe der Wassersäule resultierende Druck im Gleichgewicht mit dem Dampfdruck der Oberfläche des Salzwassers im Verdampfungsbecken der Stufe (Arbeitspunkt auf der Dampfdruckkurve). Der Dampfdruck des Salzwassers ist bestimmt durch die Temperatur und den Salzgehalt des Salzwasser im Becken der jeweiligen Stufe.
Die obere Abdeckung 23 jeder Kammer bildet zugleich einen Wärmetauscher mit der darüber liegenden Stufe. An ihr kondensiert der Wasserdampf. Das Kondensat wird in Wannen 22 unterhalb der Kammerabdeckung 23 aufgefangen. Das Kondenswasser wird in eine Röhre 17 geleitet. Diese bildet eine zweite Wässersäule. Das untere Ende dieser Wassersäule steht im Wasser 18 des Süßwassersammelbeckens 16. Wegen der unterschiedlichen Dichte von Salzwasser und Süßwasser sind die Salzwasser- und die Süßwassersäule unterschiedlich hoch. Zusätzliche Unterschiede der Wichten ergeben sich aus den unterschiedlichen Temperaturprofilen in den beiden Säulen. Es stellt sich automatisch ein Gleichgewicht zwischen dem in der jeweiligen Kammer herrschenden Druck und den Höhen der beiden Wassersäulen ein. Eine nähere Beschreibung folgt unten.
Über der obersten Stufe befindet sich ein Kühlkreislauf 28 und 29. Durch dieses Kühlsystem wird kaltes Meerwasser 10 geleitet. Die dazu notwendige Pumpe ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. In einem Rückfluss 27 fließt das in den Verdampferstufen nicht verdampfte Wasser (Sole) zurück in das Meer 10. Der Rückfluss 27 kann, anders als in 2 dargestellt, auch aus dem Verdampferbecken der obersten Stufe erfolgen. In diesem Fall bildet das Kühlsystem 28 und 29 den Kondensator der obersten Stufe.
In einer anderen Ausführung der Erfindung (ohne Bild) wird in jeder Stufe ein Teil des Wassers aus den Verdampfungsbecken 21 in einen Rückfluss 27 geleitet. Dieser Abfluss wird konstruktiv so gelegt, dass er Salzwasser an einer Sammelstelle für das Salzwasser mit der jeweils höchsten Salzkonzentration ableitet. Dazu kann eine tiefgelete Ausbuchtung in den Verdampferbecken angebracht werden. Da das spezifische Gewicht von Salzwasser mit dem Salzgehalt zunimmt, wird sich das Wasser mit der höchsten Salzkonzentration im niedrigsten Punkt ansammeln. Durch diesen Abfluss ergibt sich eine oder mehrere weitere Wassersäulen. Da das Salzwasser in der (den) Säule(n) 27 kälter und salzhaltiger und damit schwerer ist als das Salzwasser in der aufsteigenden Säule 26, muss, je nach Konstruktion (Rohrdurchmessern, usw.) eine Drosselung des Abflusses in der/den Säule(n) 27 vorgesehen werden.
3 zeigt eine effizientere Ausführung der Kondensator-/Verdampfungsstufe. Der obere Teil von 3 zeigt zwei übereinanderliegende Stufen, der untere Teil zeigt einen horizontalen Schnitt A. Die Verdampfungsbecken 30, 31 und 32 entsprechen in ihrer Funktion den Becken 21 aus 2. In die Wärmetauscherplatte in den Becken sind eine oder mehrere Wannen 31a eingelassen. Durch diese Ausführung entsteht eine wesentlich größere Fläche zur Kondensation des Wasserdampfes der darunter liegenden Kammer. Die Wannen 31a können bis in die Sammelrinnen für das Kondenswasser 36 reichen; sie sind dann so ausgelegt, dass eine Erwärmung des kondensierten Wassers über den in der jeweiligen Kammer herrschenden Siedepunkt vermieden wird. Die Steigrohre 34 und 35 in 3 erfüllen die Funktion der Steigrohre 26 in 2. Die Wannen 31a sind in 3 schematisch als längliche Quader dargestellt. Sie können selbstredend auch andere zweckmäßige Formen annehmen, beispielsweise mit der Spitze nach unten orientierte Prismen.
In einer weiteren Abwandlung der Erfindung (ohne Bild), wird das Wasser aus dem Kühlsystem der obersten Stufe (28 und 29 in 2.) ganz oder teilweise durch einen Wärmetauscher in den Auffangwannen (22 in 2, 36 in 3) geleitet. Damit wird sichergestellt, dass die Temperatur des Kondenswasser unterhalb dem Siedepunktes in der jeweiligen Kammer bleibt.
Die in 2 und 3 dargestellten Höhen der einzelnen Stufen entsprechen nicht den in einem realen Aufbau günstigsten. Sie dienen nur der Veranschaulichung des Prinzips. Wegen der Nichtlinearität der Dampfdruckkurve ergeben sich große Unterschiede in den zweckmäßigen Höhen der einzelnen Kammern. Die günstigsten Werte hängen von den gewählten Siedetemperaturen der untersten und der obersten Stufe, der Anzahl der Stufen und konstruktiven Details (z. B. den Wärmeverlusten und der Effizienz der Wärmetauscher in jeder Stufe) ab. Sie können anhand der bekannten physikalischen Gesetzen der Wassersäule und aus Tabellen oder Diagrammen der Dampfdruckkurve überschlägig ermittelt werden. Im einfachsten Fall geht man von gleichen Temperaturgefällen zwischen den einzelnen Stufen aus. Aus der Siedetemperatur der untersten und der Kondensationstemperatur der obersten Stufe sowie der Anzahl der Stufen kann man die Siedetemperatur jeder Stufe ermitteln. Aus der Wasserdampfkurve ergibt sich dann der Druck, welcher in der jeweiligen Stufe herrschen muss. Mit dem Gesetz der Wassersäule p = h × ρ × g (h ist die Höhe des Stufe der Wassersäule, ρ die Wichte und g die Erdbeschleunigung) lässt sich h dann berechnen.
4 zeigt das Auffangbecken 16 für das in der Anlage gewonnene Süßwasser. Das Auffangbecken schwimmt im einem Becken im Meerwasser 10 oder in einem Becken, welches den gleichen Wasserpegel wie das Meerwasser oder einen konstanten Höhenunterschied zum Eintrittspegel h₀ (siehe 2) hat. Da die Süßwassersäule (wegen der geringeren Dichte des Süßewassers) höher sein muss als die Salzwassersäule, ist das Gewicht des Süßwasserbeckens so ausgelegt, dass der Pegel im Süßwasserbecken um die benötigte Höhendifferenz h_Δ abweicht. Das kann durch entsprechende Auswahl der Materialien des Auffangbeckens und/oder durch ein Zusatzgewicht 44 erreicht werden. Zusätzlich können Körper 45 an der Außenwand des Süßwasserbeckens angebracht werden. Sie werden so dimensioniert, dass der Höhenunterschied zwischen dem Meerwasserspiegel und dem Wasserstand im Süßwasserbecken 16 h_Δ beim Zulauf oder beim Abpumpen von Süßwasser konstant bleibt (Archimedisches Prinzip).
5 zeigt eine etwas aufwendigeren Aufbau des Kondenswassersammelsystems. Hier werden in einigen oder allen Stufen Wärmetauscher 48 in die Sammelleitungen des Kondenswassers eingefügt. Als Kühlwasser 47 wird das Rückflusswasser 29 des Kühlsystems der oberen Stufe verwendet. Anders als in 5 dargestellt, kann der sich der Kühlung in die Sammelrinne 36 erstrecken. Damit wird sichergestellt, dass die Temperatur des kondensierten Wassers unterhalb der Siedetemperatur der jeweiligen Stufe bleibt.
In einer weiteren Ausführung (ohne Bild) wird ein Teil des abfließenden Kühlwassers (29 in 2, bzw. 49 in 5) in den Einlauf 19 des Sonnenkollektors geleitet. Damit kann der Wirkungsgrad der Anlage erhöht werden.
In einer weiteren Ausführung wird das untere Ende des Außenrohrs/Kessels der Verdampfer-/Kondensatorkaskade 15 nicht bis in das erhitzte Salzwasser 14 des Sonnenkollektors 11 geführt. Je nach Arbeitspunkt (Siedetemperatur) der untersten Stufe befindet sich die Oberfläche des Wasserpegels im untersten Verdampfungsbecken ein bis mehrere Meter über dem Pegel des Salzwassers 14 im Sonnenkollektor 11. Die Verdampfer-/Kondensatorkaskade 15 kann entsprechend kürzer sein und auf ein Gerüst installiert werden. Das untere Ende des Außenrohres/Kessels muss dabei luftdicht geschlossen sein, Die Wassersäulen werden in dieser Ausführung in dem Zwischenstück zwischen Sonnenkollektor und Verdampfer-/Kondensatorkaskade 15 durch Rohre gebildet. Bei engen Rohren ist unter Umständen in dieser Ausführung eine zusätzliche Pumpe erforderlich, welche in einem Kreislauf den Wärmeaustausch zwischen dem Wasser 14 im Sonnenkollektor und dem Wasser im Verdunstungsbecken der untersten Stufe gewährleistet.
In den bislang beschriebenen Ausführungen herrscht in den einzelnen Stufen der Verdampfer-/Kondensatorkaskade Unterdruck, d. h. der Dampfdruck in jeder Stufe ist kleiner als der die Anlage umgebende Luftdruck. In Anlagen in welchen das Salzwasser auf Temperaturen oberhalb des Siedepunktes bei Umgebungsdruck (über 100°C) erhitzt wird, müssen die unteren Stufen mit einem höheren Druck als dem Umgebungsdruck betrieben werden. Der prinzipielle Aufbau der Verdampfer-/Kondensatorkaskade ist identisch zu den zuvor beschriebenen Ausführungen. Die unterste bzw. die untersten Stufen arbeiten aber in dieser Ausführung unterhalb des Meeresspiegels. In ihren Kammern herrscht Überdruck (Druck größer als der Umgebungsdruck der Anlage). Der Überdruck in einer Kammer entspricht in etwa dem Wasserdampfdruck des Salzwassers (entsprechend dem Siededampfdruck) in der jeweiligen Stufe und dem sich aus Höhendifferenz zum Meeresspiegel ergebenden Druck. Die Stufen mit einem geringerem Dampfdruck als der Umgebungsdruck befinden sich, wie in den oben beschriebenen Ausführungen, oberhalb des Meeresspiegels.
Funktionsweise
Durch den Einlauf 19 (siehe 1) fließt Meerwasser in den/die Sonnenkollektor(en) 11. Dieses Salzwasser 14 wird in dem/den Kollektoren auf mindestens die Siedetemperatur t₁ der ersten Stufe der Verdampfer-/Kondensatorkaskade erwärmt. Im Sonnenkollektor herrscht Umgebungsdruck. Durch die Erwärmung des Meerwassers erfolgt eine teilweise Entgasung der im Meerwasser gelösten Gase.
Der Fluss des Meerwassers durch den/die Kollektoren erfolgt im günstigen Fall aufgrund der Saugwirkung der Verdampfer-/Kondensatorkaskade 15. Zum Starten des Prozesses und zur Unterstützung des Wasserlaufes während des Betriebes kann eine Pumpe vorgesehen werden.
Die Verdampfer-/Kondensatorkaskade nutzt im Wesentlichen zwei physikalische Phänomene: das Phänomen, dass der Siedepunkt des Wassers von Umgebungsdruck abhängt und die höhenabhängige Druckverminderung im Innern einer geschlossenen Wassersäule. Die Wassersäule entsteht dadurch, dass die Verdampfer-/Kondensatorkaskade von einem luftdichten, oben verschlossenem Rohr/Kessel umschlossen ist, und die Segmente im Innern der Säule sorgfältig abgedichtet sind.
Das heiße Salzwasser aus dem Sonnenkollektor steht in der ersten, untersten Stufe der Verdampfer-/Kondensatorkaskade bis zur Höhe h₁. Bei der Ausgangstemperatur t₁ und dem sich aus der Höhe der Wassersäule ergebenden Duck (Unterdruck gegenüber der Umgebungsatmosphäre) erreicht das Wasser den Siedepunkt und beginnt zu verdampfen. Der Wasserdampf steigt an die Abdeckung 23 der Kammer (siehe 2). Die Temperatur des Salzwassers in dem darüber liegenden Verdampfungsbecken, und damit auch die Oberflächentemperatur der Abdeckung 23, liegt unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes in der ersten Kammer. Die Temperatur t₂ der zweiten Kammer ergibt sich aus dem Siedepunkt des Wassers in der Verdampfungsbecken dieser Stufe. Dieser hängt vom Druck in der zweiten Kammer ab. Der Druck ergibt sich aus der Höhe der gesamten Wassersäule (erste plus zweite Kammer). Diese Höhe ist so eingestellt, dass die Siedetemperatur in der zweiten Kammer deutlich unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes in der ersten Kammer liegt.
Wenn nun der Wasserdampf der ersten Kammer an der Unterfläche der zweiten Stufe kondensiert, gibt er Kondensationswärme ab. Dadurch steigt die Temperatur in der zweiten Stufe. Das führt in der zweiten Stufe zu vermehrtem Sieden des dortigen Wassers.
An der Abdeckung der zweiten Stufe herrschen die gleichen Verhältnisse wie an der Abdeckung der ersten Stufe: der Siedepunkt des Wassers im Verdampfungsbeckens der dritten Stufe liegt deutlich unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes in der zweiten Kammer.
Die Verhältnisse in allen darüber liegenden Stufen sind ähnlich eingestellt (durch die Höhenunterschiede der Kammern). Über der letzten Stufe befindet sich ein Kühlkreislauf, welcher die gesamte Kondensationswärme der letzten Stufe abführt, entweder ins Meer oder, teilweise, in den Eingang des/r Sonnenkollektor(en). In einer weiteren Ausführung dieser Erfindung wird die Wärme im Austrittswasser dieses Kühlsystems mittels Wärmepumpe in das Verdampfungsbecken der ersten Stufe der Verdampfer-/Kondensatorkaskade gepumpt.
Wenn in einer Stufe n die Wärmezufuhr aus der darunter liegenden Stufe n – 1 größer wird als die Wärmeabfuhr – über Kondensationswärme und über das Wasser im/(n den) Steigrohr(2n) –, erhöht sich die Temperatur des Wassers im Verdampfungsbecken n. Damit erhöht sich die Temperatur an der Kondensationsfläche der Stufe n – 1. Das führt zu einer geringeren Kondensierungsrate in der Stufe n – 1 und damit zu geringerem Wärmezufluss in die Stufe n. Gleichzeitig steigt durch die höhere Temperatur im Verdampfungsbecken der Stufe n der Dampfdruck und damit auch der Dampfdruck in der Kammer über dem Verdampfungsbecken. Der Dampfdruck erhöht sich solange, bis ein neues Gleichgewicht (d. h. Arbeitspunkt auf der Dampfdruckkurve) erreicht ist. Durch den höheren Druck und die höhere Temperatur des Wasserdampfes in der Stufe n wird gleichzeitig die Wärmeabgabe an die Stufe n + 1 (durch Kondensation an dem zwischen den beiden Stufen liegendem Kondensator/Wärmetauscher) vergrößert. Insgesamt pegelt sich innerhalb des konstruktiv vorgesehenen Toleranzen stets ein Gleichgewicht ein. Die oberen Enden der Steigrohre aus der Stufe n – 1 und die unteren Enden der Steigrohre zur Stufe n + 1 sind so gegeneinander versetzt, dass der druckbedingten Schwankungen der Wasserpegel in den Säulen nicht zu einer völligen Entleerung der Rohre führen.
Zur Dimensionierung der Verdampfer-/Kondensatorkaskade wird der Wärmehaushalt jeder Stufe aufgestellt. Der Wärmzufluss einer Stufe besteht aus der Wärme des durch das Steigrohr zufließenden Salzwassers, plus der im Wärmetauscher zwischen den Stufen übertragenen Kondensationswärme von der vorhergehenden Stufe. Wärmeabfluss erfolgt über das im Steigrohr zur nächsten Stufe fließende Salzwasser, über die abgegebenen Kondensationswärme an die nächste Stufe, über die Verluste an Wänden der Stufe, über die im abfließenden Kondenswasser (eventuell auch in abfließender Sole) enthaltenen Wärme, sowie über die an eventuell zusätzliche vorhandene Kühlsysteme (siehe z. B. oben, Kühlung des Kondenswassers) abgegebene Wärme.
Der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Stufen ergibt sich aus den bei der Wärmeleitung der Kondenswärme entstehenden Temperaturgefällen (Temperaturgefälle zwischen dem Wasserdampf und dem Kondensfilm/tropfen an der Oberfläche des Wärmetauschers, plus Temperaturgefälle in der Wand des Wärmetauschers, plus Temperaturgefälle bei der Übertragung der Wärme in das Wasser des Verdunstungsbeckens, plus Temperaturgefälle im Verdunstungsbecken) und dem Verhältnis der über die Steigrohre im Salzwasser mitgeführten Wärme zu der als Kondenswärme zugeführten Wärme.
Da in der gesamten Kammer einer Stufe praktisch ein einheitlicher Druck herrscht, das Salzwasser beim Verdampfen also den gleichen Dampfdruck hat wie der Wasserdampf beim Kondensieren, muss zwischen der Temperatur des Verdampfungsbecken, bzw. der Oberfläche des Verdampfungsbeckens, und der Temperatur an den Kondensatorflächen eine Temperaturdifferenz bestehen, welche größer ist, als der Differenz zwischen dem Siedepunkt von Salzwasser und dem von reinem Wasser. Der Siedepunkt von Salzwasser ist höher (bei gegebenem Druck) als derjenige von reinem Wasser. Die genauen Werte sind von den Konzentrationen der verschiedenen im Meerwasser gelösten Substanzen abhängig. Der Sättigungsdampfdruck kann mit dem Raoulschen Gesetz abgeschätzt werden: p = x p⁰. (p: Dampfdruck des Salzwassers, x: Stoffmengenanteil der gelösten Salze, p⁰ Dampfdruck des reinen Wassers) Das Raoulsche Gesetz gilt allerdings nur für ideale Lösungen. Da sich die Parameter der Entsalzungsanlage (Temperatur und Luftdruck) über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten ändern, die Zusammensetzungen der Meerwassers schwankt und die bekannten Berechnungsverfahren nur Näherungswerte liefern, sind bei der Dimensionierung der einzelnen Stufen Toleranzen vorgesehen. Diese werden durch den Unterschied in der Höhe des oberen Endes der Steigleitung von der vorherigen Stufe zur Höhe der unteren Eingangsöffnung der Steigleitung zur nächsten Stufe erreicht (siehe 2 und 3).
Die Inbetriebnahme der Anlage kann mittels verschiedener Verfahrensweisen erfolgen. Im Folgenden werden zwei einfache Verfahren beschrieben.
Bei der ersten Verfahrensweise werden an allen Wassersäulen (Salzwasser, Süßwasser, Soleabfluss) am jeweils unteren Ende Absperrelemente eingefügt (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Diese werden zum Füllen der Anlage verschlossen. Durch eine Öffnung (in den Zeichnungen nicht dargestellt) an der höchsten Stelle den Verdampfer-/Kondensatorkaskade wird dann die gesamte Säule langsam mit heißem Wasser gefüllt, wobei darauf geachtet wird, dass die verdrängte Luft entweichen kann. Das Verwenden von heißem Wasser hat den Zweck, die Luftblasen in den Kammern soweit zu erhitzen, dass sich die darin enthaltene Luft mindestens auf die spätere Betriebstemperatur erwärmt. Sie dehnt sich entsprechend (Gesetz von Gay-Lussac) aus. Dadurch entweicht die überschüssige Luftmenge durch die Steigrohre. Durch das langsame Füllen der Säulen steigt der Druck in den bereits gefluteten Kammern an, wodurch die eingeschlossene Luft komprimiert wird. (entsprechend dem Gesetz von Boyle und Mariotte). Die Auffangwannen 22, 36 für das Kondenswasser sind so angebracht, dass sie innerhalb der verbleibenden Luft-/Dampfblase befinden. Anschließend wird die besagte Öffnung am oberen Ende der Kaskade luftdicht verschlossen, die Absperrelemente an den unteren Enden der Wassersäulen geöffnet und das Kühlsystem 28, 29 in Betrieb genommen. 26.
Eine alternative Verfahrensweise verwendet eine mobile Vakuumpumpe. Zuerst werden die verschiedenen Einläufe der Süßwassersäule evakuiert. Diese wird anschließend mit Süßwasser gefüllt. Dann wird die Salzwassersäule evakuiert uns anschließend mit Salzwasser befüllt. Der durch die Evakuierung erzeugte Unterdruck ist so gewählt, dass der Druck in der obersten Kammer gleich oder geringer als des Dampfdruck des vorgesehenen Betriebspunktes dieser Kammer ist.
Erweiterungen
An einer weiteren Ausführung einer Anlage gemäß dieser Erfindung sind an der Außenfläche der Verdampfer-/Kondensatorkaskade Photovoltaikelemente angebracht. Diese können u. a. die für den Betrieb der Pumpen und Steuerungen benötigte elektrische Energie liefern.
In einer weiteren Ausführung einer Anlage gemäß dieser Erfindung wird auf die Verdampfer-/Kondensatorkaskade ein Windrad angebracht. Dieses kann u. a. einen Generator antreiben und damit den für den Betrieb der Pumpen und Steuerungen benötigte Energie liefern. In einer alternativen Ausführung kann die Rotationsenergie des Windrades mittels mechanischer Übertragung (Wellen, Zahnrädern, Keilriemen, usw.) zum Betreiben der Pumpen verwendet werden.
Bei Anlagen welche auf dem oder am Meer betrieben werden, können die Wellen des Meeres zum Antrieb des Kühlsystems benutzt werden. Dazu wird ein Behälter, vorzugsweise eine längliche Wanne z. B. an den Außenrändern des Kollektorflächen angebracht. Die Ränder der Wanne ragen über den mittleren Meerwasserspiegel. Wellen, welche höher sind als der Rand der besagten Wanne schwappen über den Rand und füllen die Wanne, so dass der Wasserpegel in der Wanne über dem mittleren Meeresspiegel steht. Das Zuleitungsrohr zum Kühlsystem ist am Boden der Wanne angebracht. Das Kühlsystem ist luftdicht und vollständig (ohne Luftblasen) mit Wasser gefüllt. Das abfließende Kühlwasser wird in einem Rohr ins Meer zurück geführt. Das Ende dieses Rohres befindet sich soweit unterhalb des Meeresspiegels, dass auch bei hohem Wellengang keine Luft in das System gelangt. Der Pegelunterschied zwischen dem Wasserstand in der Wanne an dem einen Ende des Systems und der (niedrigere) mittlere Meereswasserspiegel führen dazu, das Wasser einen Pegelausgleich anstrebt, was zu einer Zirkulation von Wasser durch das Kühlsystem führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/029603 A1 [0003, 0006]
- US 4366030 [0004, 0007, 0007, 0013]
- WO 2007006323 [0005, 0007, 0007, 0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Szynalski, Peter; Seawater Desalination Plant [0003]
- (Anderson, Subatmospheric Pressure Distillation and/or Cooling Method and Means, 1979/1982 [0004]
- Buchmann, Andreas; Sea Water Desalination Plant Comprising a Gravity-Assisted Vacuum [0005]

Claims

Vorrichtung zu Wasserentsalzung bestehend aus – einer Kaskade von mindestens zwei übereinander angeordneten Elementen, – einer Zuführung von aufgeheiztem Salzwasser zum ersten, untersten Element, – einem Kühlsystem in dem letzten, obersten Element, – wobei der Druck in den einzelnen Elementen unterschiedlich ist mit dem höchsten Druck in dem untersten, ersten Element und dem geringsten Druck in dem obersten, letzten Element, und – wobei jedes Element mindestens ein Verdampfungsbecken mit Salzwasser, mindestens ein Sammelbecken mit Abflussrohr zum Abfluss des kondensierten Wassers, mindestens eine Kondensationsfläche, und außer der letzten, obersten Stufe mindestens ein Steigrohr für das Salzwasser aus dem Verdampfungsbecken des Elementes zum Verdampfungsbecken des darüber liegenden Elementes enthält, dadurch gekennzeichnet, dass – die Temperatur des Wassers in der jeweils höher liegenden Element unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes des unmittelbar darunter liegenden Elementes liegt, – die Temperatur des Kühlsystems über des letzten, obersten Elementes unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes dieses Elementes liegt, und – die Abdeckung eines Elementes einen Wärmetauscher zwischen dem Salzwasser einer Stufe und dem Verdampfungsbecken des darüber liegenden Elementes bildet.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – alle Elemente der Kaskade so abgedichtet und die Steigrohre so angeordnet sind, dass die besagten Steigrohre und die besagten Verdampfungsbecken eine gemeinsame Wassersäule aus Salzwasser bilden, – die besagte Wassersäule einen Unterdruck in den einzelnen Kammern bildet, – der Dampfdruck in den besagten Kammern unter dem Dampfdruck des Salzwassers im Verdampfungsbecken des jeweiligen Elementes liegt, – das Kondenswasser in dem oder den Abflussrohr(en) ebenfalls eine oder mehrere Wassersäule(n) bildet/bilden, und – das oder die Rückflussrohre für die Sole ebenso eine oder mehrere Wassersäule(n) bilden.
Vorrichtung nach einem der Patentanspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Salzwassers durch Sonnenenergie und/oder durch Abwärme aus Wärmekraftwerken und/oder aus Abwärme aus industriellen Prozessen oder aus einer Kombination von diesen Energien erfolgt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Reflektoren Sonnenstrahlen gezielt auf mindestens einen Teil der Sonnenkollektorflächen bündeln
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auf einer schwimmende Plattform angebracht ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform dem Sonnenstand so nachgeführt wird, dass sich eine optimale Ausnutzung der Sonnenenergie ergibt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangbecken in einem separatem Schwimmgefäß untergebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass Photovoltaikelemente die elektrische Energie zum Betrieb der Pumpen und eventuell eingesetztere Steuerungs- und Regelungssystemen liefern.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein oben auf der Verdunstungs-/Kondensationssäule angebrachtes Windrad Windenergie aufnimmt, mit welcher die Pumpen betrieben und der elektrische Energiebedarf der Anlage gedeckt wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Schwimmgefäß so gestaltet ist, dass der Höhenunterschied zwischen dem Pegel des das Schwimmgefäß umschließenden Wassers zum Pegel des Wassers im Schwimmgefäß unabhängig von der Menge des im Schwimmgefäß befindlichen Wassers ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Becken zum Auffangen der Spitzen der Meerwasserwellen an der Anlage installiert ist und der Höhenunterschied des im besagten Becken befindlichen Wassers und dem mittleren Meeresspiegel die Zirkulation des in der Anlage benötigten Kühlwassers bewirkt und/oder unterstützt.
Verfahren zur Wasserentsalzung mit – einer Kaskade von mindestens zwei übereinander angeordneten Verdampfungs-/Kondensationselementen – einer Zuführung von aufgeheiztem Salzwasser zum ersten, untersten Element, – einem Kühlsystem im obersten Element, – wobei in jedem Element ein unterschiedlicher Druck herrscht, im ersten, untersten Element der höchste Druck und im letzten, obersten Element der geringste Druck, und – wobei jedes Element mindestens ein Verdampfungsbecken mit Salzwasser, mindestens ein Sammelbecken mit Abflussrohr zum Abfluss des kondensierten Wassers, mindestens eine Kondensationsfläche, und, außer dem letzten, obersten Element mindestens ein Steigrohr für das Salzwasser aus dem Verdampfungsbecken des Elementes zum Verdampfungsbecken des darüber liegenden Elementes enthält dadurch gekennzeichnet, dass – die Temperatur des Wassers in dem jeweils höher liegenden Element unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes des unmittelbar darunter liegenden Elementes liegt, – die Temperatur des Kühlsystems über dem letzten, obersten Element unter der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes in diesem Element liegt, und – die Trennfläche zwischen dem Wasserdampf eines Elementes und dem Salzwasser im Verdunstungsbecken des darüber liegenden Elementes einen Wärmetauscher bildet.
Verfahren nach Patenanspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass – die Verdampfungsbecken und Steigrohre so angeordnet und abgedichtet sind, dass das in ihnen befindliche Wasser eine einzige Wassersäule aus allen Elementen bildet, – diese Wassersäule einen Unterdruck gleich und kleiner dem Dampfdruck im Verdampfungsbecken des jeweiligen Elementes erzeugt, – das Kondenswasser der verschiedenen Elemente einer oder mehreren Wassersäulen bildet, wobei das untere Ende dieser Wassersäule(n) so gelegt ist/sind, dass der Unterdruck am oberen Ende dieser Säule(n) dem Unterdruck in der Kammer des jeweiligen Elementes entspricht, und – das abfließende Solewasser eine oder mehrere Wassersäulen bildet, deren Abflussmengen so eingestellt sind, dass die der Druck in den einzelnen Elementen nicht wesentlich beeinflusst wird.
Verfahren nach Patentanspruch 12 und 13 dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige Betriebswärme aus Solarenergie und/oder Abwärme aus industriellen Prozessen und/oder aus der Abwärme von Wärmekraftwerken genutzt wird.