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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von
Salzwasser unter Verwendung wenigstens eines Soleerhitzers, einer
Entsalzungszone von Mehrstufen-Entspannungs- oder MSF-Destillationseinheiten
(MSF für engl. multi-stage flash) und einer optionalen
getrennten Entlüftungseinrichtung, sowie eine Anlage zur
Entsalzung von Salzwasser mit wenigstens einem Soleerhitzer, einer
Entsalzungszone von Mehrstufen-Entspannungs- oder MSF-Destillationseinheiten
und wenigstens einer Entlüftungseinrichtung.
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Das
vorgeheizte Salzwasser wird als eine Umlaufsole in den Wärmerückgewinnungsabschnitt gepumpt,
wo die Sole innerhalb des Rohrbündels durch die Kondensation
des Dampfes, der innerhalb des Verdampfergehäuses erzeugt
wird, stufenweise vorgeheizt wird. Der kondensierte Dampf wird als
ein Destillatstrom gesammelt und zu nachgelagerten Anlagen/Verbrauchern
gepumpt.
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In
WO 02/32813 A1 sind
sowohl ein bekanntes Verfahren als auch eine bekannte Mehrstufen-Entspannungs-
oder MSF-Anlage für die bekannte Entsalzung von Salzwasser
beschrieben, wobei ein Soleerhitzer vorgesehen ist; wenigstens eine
Entsalzungszone (Wärmerückgewinnungsabschnitt) vorgesehen
ist, die wenigstens einen Kondensator und Mittel zum Sammeln von
Kondensat vom Kondensator umfasst; wenigstens ein Wärmeaustauscher
vorgesehen ist; ein Speisestrom, der Salzwasser als ein Kühlmittel
umfasst, dem Kondensator zugeführt wird, um den Speisestrom
vorzuheizen; der vorgeheizte Speisestrom dem Soleerhitzer zugeführt wird;
ein erster Heizstrom, der Dampf umfasst, dem Soleerhitzer zugeführt
wird, um den vorgeheizten Speisestrom weiter zu erhitzen; der erhitzte
Speisestrom vom Soleerhitzer der wenigstens einen Entsalzungszone
zugeführt wird, wenigstens ein Teil des erhitzten Speisestroms
in der Entsalzungszone verdampft wird, um ein Verdampfungsprodukt,
das Wasserdampf umfasst, bereitzustellen, und das Verdampfungsprodukt
in der Entsalzungszone kondensiert wird.
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Eine
andere bekannte MSF-Entsalzungsanlage wird in
US-PS 3,489,652 beschrieben, wobei
erhitztes Meerwasser durch die Entspannungskammern eines Mehrstufen-Entspannungsverdampfers, welche
auf sukzessiv niedrigeren Drucken gehalten werden, durchgeführt
wird und an eine Niederdruckturbine, die mit einem Generator zur
Erzeugung von elektrischer Leistung gekoppelt ist, übergeben
wird, und die Dämpfe, die in den anderen Entspannungsstufen
erzeugt werden, direkt auf den Kondensatorrohren, die mit diesen
Entspannungsstufen verbunden sind, kondensiert werden. Das Kondensat
wird aus dem Verdampfer in einen Kühler entnommen. Der
Abdampf von einer Turbine wird zu einem Kondensator geführt,
dessen Kondensat sich mit dem Destillat vom Kühler vermischt,
wodurch das gewünschte Produkt, d. h. entsalztes Wasser,
gesammelt wird, das aus dem System entnommen wird.
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Es
ist allgemein bekannt, dass die Produktion (Destillatausbeute) von
MSF-Entsalzungseinheiten direkt proportional zur „Soleumlaufmenge” und zum „Entspannungstemperaturbereich” der
Anlage ist. Um die Produktion von bestehenden Entsalzungseinheiten
wesentlich zu erhöhen, ist es notwendig, die „Soleumlaufmenge” oder
den „Entspannungstemperaturbereich” des Verdampfers
oder beide der zuvor erwähnten Parameter zusammen zu erhöhen.
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Was
den „Entspannungstemperaturbereich” betrifft,
gibt es im Allgemeinen viele Beschränkungen, die es einem
nicht erlauben, einen höheren Wert zu erreichen. Diese
Beschränkungen sind hauptsächlich mit den Beschränkungen
der Soletemperaturobergrenze infolge der Ablagerungs- und Korrosionsprobleme
verbunden, welche die Anlage beeinträchtigen können.
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Folglich
ist die vorliegende Erfindung darauf ausgerichtet, die Produktion
von Entsalzungsanlagen durch Verbesserungen im Soleumlaufkreis zu
erhöhen.
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Um
den Soleumwälzfluss zu erhöhen, ist es möglich,
eines der bereits bekannten Verfahren zu verwenden: Die Modifikation
des Pumpenflügels oder der Pumpenflügel der bestehenden
Soleumwälzpumpen oder der Durchflusssteuerventile. Außerdem
ist es möglich, die Pumpendrehzahl z. B. unter Verwendung
von Motoren mit regelbarer Drehzahl zu erhöhen oder die
Pumpe und die Motoren komplett durch Geräte mit höherer
Kapazität zu ersetzen. All diese Maßnahmen sind
jedoch kostspielig und umfangreich, und die physikalischen Grenzen
des Hydrauliksystems werden ziemlich schnell erreicht.
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Außerdem
können mögliche Verengungen („Flaschenhälse”),
wenn überhaupt, reduziert oder aus dem Hydraulikkreis entfernt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung basiert daher auf der Aufgabe, das am Beginn
erwähnte und zuvor genauer beschriebene Verfahren derart
weiterzuentwickeln und zu verfeinern, dass die „Soleumlaufmenge” – und
folglich die MSF-Leistungen der bestehenden Entsalzungseinheiten – erhöht
werden. Eine andere Aufgabe ist es, die wirtschaftlichen Auswirkungen, die
von den bereits bekannten Verfahren herrühren, mit einem
alternativen Verfahren zu minimieren. Eine weitere Aufgabe ist es,
eine erhöhte Geschwindigkeit der Sole innerhalb der Wärmeaustauscherrohre
der Entspannungskammern zu vermeiden. Außerdem ist eine
für solch ein Verfahren geeignete Anlage aufzuzeigen, welche
nur geringe Änderungen und keine größeren
Eingriffe an den bestehenden Geräten vornimmt. Darüber
hinaus sollte eine Nachrüstung von bestehenden Anlagen
möglich sein.
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Bezüglich
des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen
gelöst, die im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert
sind, wodurch der Wärmerückgewinnungsabschnitt
durch die Umlaufsole wenigstens teilweise umgangen wird. Die Erfindung
hat erkannt, dass die Erhöhung der Destillatausbeute durch
nur einen zusätzlichen Fluss von Umlaufsole erreicht wird.
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Gemäß einer
weiteren Lehre der Erfindung ist der Umgehungsfluss veränderlich,
um die Durchflussrate der umgeleiteten Sole zu steuern.
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Hinsichtlich
der Anlage zur Entsalzung von Salzwasser wird die Aufgabe durch
eine Anlage mit wenigstens einem Soleerhitzer und wenigstens einer Entsalzungszone
von Mehrstufen-Entspannungs- oder MSF-Destillationseinheiten gelöst,
wobei die eine Entsalzungszone einen Wärmerückgewinnungsabschnitt
zum Kondensieren des Dampfes und Gewinnen des Destillats umfasst,
gekennzeichnet durch Bereitstellen wenigstens einer Umgehungsleitung,
die wenigstens einen Teil des Rohrbündels des Wärmerückgewinnungsabschnitts
umgeht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anlage gemäß der
Erfindung sind mehrere Umgehungsleitungen zwischen verschiedenen
Destillationseinheiten vorhanden.
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Hinsichtlich
einer anderen vorteilhaften Lehre gemäß dieser
Erfindung sind mehrere Umgehungsleitungen jeweils zwischen benachbarten
Destillationseinheiten angeordnet.
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Alternativ
ist eine separate Umgehungsleitung für jede einzelne Destillationseinheit
vorhanden. Diese Umgehungsleitungen fungieren nicht nur als eine
Umgehungsleitung, sondern sie reduzieren gleichzeitig die Temperatur
von Kühlsole, die in die Destillationseinheiten eintritt,
und ermöglichen es folglich, in jeder Wärmerückgewinnungsstufe
zusätzliche Wärme zurückzugewinnen.
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Eine
andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann
eine zusätzliche Pumpe für die Umlaufsole umfassen.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführungsform der Anlage gemäß dieser
Erfindung besteht wenigstens eine Umgehungsleitung aus einem Rohr,
dessen Innendurchmesser veränderlich ist, um den Durchfluss
der Umlaufsole zu ändern. Dies könnte z. B. durch
wenigstens ein Ventil, eine Lochplatte oder dergleichen erreicht
werden, die sich in jedem modifizierten Umgehungsrohr befinden.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
und insbesondere des Verfahrens gemäß der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen und den Zeichnungen
spezifiziert. Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung jegliche Änderung
und Kombination der beschriebenen oder veranschaulichten Ausführungsformen. Ohne
darauf beschränkt zu sein, erstreckt sich die vorliegende
Erfindung auch auf jegliche bestehende MSF-Entsalzung, die eine
getrennte Entlüftungseinrichtung umfassen kann oder nicht.
Der Anwendungsbereich dieser Erfindung erstreckt sich auch auf die
neuen Entsalzungsanlagen, für welche es möglich
ist, eine Vielzahl von verschiedenen zusätzlichen Vorteilen
zu finden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden auf der Basis von Zeichnungen
ausführlicher beschrieben, welche bevorzugte Ausführungsbeispiele
lediglich veranschaulicht, auf deren Basis die Funktionsweise des
Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung und
auch eine entsprechende Anlage ausführlich beschrieben
werden. In den Zeichnungen stellt
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1 ein
Diagramm dar, welches das dynamische Druckgefälle gegenüber
der Pumpenkapazität (Durchfluss) zeigt,
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2 ist
eine schematische Ansicht, welche einen typischen Hydraulikkreis
veranschaulicht,
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3 ist
eine schematische Ansicht, welche einen anderen Hydraulikkreis mit
einem niedrigeren Gesamtreibungswiderstand veranschaulicht,
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4 stellt
das Diagramm von 1 mit einer zweiten Kreiskennlinie
dar,
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5 stellt
eine schematische Ansicht einer MSF-Entsalzungseinheit und des Hydraulikkreises der
Soleumlaufpumpe gemäß dem Stand der Technik dar,
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6 stellt
den Hydraulikkreis des Soleumlaufsystems von 5 schematischer
dar,
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7 stellt
das Soleumlaufsystem von 6 mit einer Umgehungsleitung
dar, welche den Wärmerückgewinnungsrohrabschnitt
umgeht,
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8 stellt
das Soleumlaufsystem von 7 mit der Umgehungsleitung und
einer zusätzlichen Pumpe dar,
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9 stellt
das Soleumlaufsystem von 6 mit einer Mehrzahl von kurzen
Umgehungsleitungen zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauscherrohren
dar,
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10 stellt
das Soleumlaufsystem von 9 mit den Umgehungsleitungen
und einer zusätzlichen Pumpe dar,
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11 stellt
das Soleumlaufsystem von 6 mit einer Mehrzahl von kurzen
Umgehungsleitungen für jedes einzelne Wärmeaustauscherrohr dar,
und
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12 stellt
das Soleumlaufsystem von 11 mit
allen Umgehungsleitungen und einer zusätzlichen Pumpe dar.
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Es
ist außerdem von einem technischen Gesichtspunkt allgemein
bekannt, dass in einem Hydraulikkreis, der eine oder mehr Pumpen
umfasst, der Arbeitspunkt an der Schnittstelle der Pumpenleistungskurve
und der Kreiskennlinie zu finden ist, wie in 1 dargestellt.
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Es
versteht sich von selbst, dass der Durchfluss und das Druckgefälle,
die in 1 dargestellt sind, nur beispielhaft sind und
dass die folgende Beschreibung und die technische Studie auf jeden Durchfluss
und jedes Druckgefälle anwendbar sein sollten.
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2 stellt
einen typischen Hydraulikkreis dar, in welchem zu sehen ist, dass
der Δp des Kreises gleich der Summe von zwei Komponenten
ist:
- – Die erste Komponente ist der
statische Druckunterschied zwischen dem Saugbecken und dem Zuführungsbecken
des Hydraulikkreises. Dieser statische Druckunterschied ist ein
konstanter Term, der nicht vom Durchfluss abhängt.
- – Die zweite Komponente ist auf die Reibungsverluste
innerhalb des Kreises selbst zurückzuführen. Diese
Reibungsverluste sind gleich null, wenn der Durchfluss im Kreis
gleich null ist. Dieser Term erhöht sich in Abhängigkeit
von der Reynolds-Zahl und anderen Parametern normalerweise um die
Zweierpotenz des Durchflusses.
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Wenn
eine andere Leitung parallel zu dem bereits bestehenden Reibungswiderstand
gelegt wird (mit demselben oder einem anderen Reibungswiderstand),
wie in 3 dargestellt, nimmt der Gesamtwiderstand ab,
da jede Leitung einen Teil des Pumpendurchflusses nimmt und dann
die Geschwindigkeit in jedem Kreis geringer als zuvor wird.
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Die
hydraulische Wirkung der Kreismodifikation ist in 4 dargestellt.
Darin ist zu erkennen, dass die Reduktion von Reibungsverlusten
eine flachere Kreiskennlinie als zuvor erzeugt und dass sich der
Pumpen/Kreis-Arbeitspunkt mit einer zusätzlichen Durchflussrate,
herrührend von der Pumpe, von Punkt 1 zu Punkt 2 verschiebt.
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Ausgehend
von diesem theoretischen Gesichtspunkt der Technik ist der neue
Schritt die Anwendung der zuvor dargelegten Theorie auf die MSF-Entsalzungsanlagen
bei Minimieren sowohl der negativen Auswirkung auf ihren Wirkungsgrad
als auch auf ihr Verhältnis der gewonnenen Ausbeute oder
G. O. R. (Gained Output Ratio, in kg Destillat/kg Dampf).
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In 5 ist
das schematische Diagramm einer MSF-Entsalzungseinheit gemäß dem
Stand der Technik dargestellt. Sie umfasst einen Soleerhitzer 1, eine
Entsalzungszone von Mehrstufen-Entspannungs- oder MSF-Destillationsstufen 2,
die als Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 bezeichnet
werden, einen Wärmeabführungsabschnitt 4 und
(als eine Option) eine Entlüftungseinrichtung 5,
wobei die eine Entsalzungszone das Kondensieren des Dampfes und
das Gewinnen des Destillats einbezieht.
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Meerwasser
wird durch eine Leitung 6 durch eine Pumpe 7 in
den Wärmeabführungsabschnitt 4 gepumpt
und als ein „Zusatz” über eine Leitung 8 in die
Entlüftungseinrichtung 5 weitergeleitet. Die konzentrierte
Sole wird über eine Leitung 9 abgeleitet.
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Der
Strom von Sole und frischem Meerwasser wird über eine Leitung 10 durch
die Soleumlaufpumpe 11 in den Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 gefüllt
und kühlt die verschiedenen MSF-Destillationswärmerückgewinnungsstufen 2 ab.
Nach dem Verlassen der letzten Einheit 2 (auf der linken
Seite in 5) wird die Sole im Soleerhitzer 1 erhitzt
und über eine Leitung 12 in die Einheit 2 (ganz
links) des Wärmerückgewinnungsabschnitts 3 und
von da in einem Fluss in umgekehrter Richtung in alle anderen Destillationsstufen 2 zurückgeführt.
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Der
Soleerhitzer 1 wird durch Dampf erhitzt, der über
eine Leitung 13 von einer (nicht veranschaulichten) Wärmequelle
kommt. Das Kondensat im Soleerhitzer 1 wird über
eine Leitung 14 durch die Pumpe 15 abgesaugt.
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Nach
dem Verlassen der letzten Einheit 2 (auf der rechten Seite
in 5) fließt die Entspannungssole über
eine Leitung 16 in den Wärmabführungsabschnitt 4,
wo weiteres Kondensat erzeugt wird. Eine Leitung 17 bringt
die Sole in die Entlüftungseinrichtung 5 zurück,
von wo der Soleumlaufprozess fortgesetzt wird. Überschüssige
Sole wird aus der Entlüftungseinrichtung 5 über
eine Leitung 18 durch die Solepumpe 19 ausgetrieben
und ausgeblasen.
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Im
Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 und danach
im Wärmeabführungsabschnitt 4 wird der Dampf,
der von der Sole kommt, an den kalten Rohren kondensiert, und das
gesammelte Destillat wird über eine Leitung 20 durch
die Destillatpumpe 21 abgesaugt.
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Unter
Beschränkung des Interesses auf den Hydraulikkreis des
Soleumlaufsystems von der Pumpensaugleitung 10 (Punkt „A”,
Auslass der Entlüftungseinrichtung 5) bis zum
Einlass der ersten Destillationseinheit 2 (Punkt „B”)
ist der Kreis in 6 dargestellt.
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Wenn
der Reibungsfaktor eines Kreises reduziert werden sollte, könnte
theoretisch die Anzahl von Wärmeaustauscherrohren in jeder
Stufe des Wärmerückgewinnungsabschnitts erhöht
werden, aber dies ist infolge der damit verbundenen Kosten und aus
Durchführbarkeitsgründen nicht machbar.
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Der
wesentliche Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist, eine
Umgehungsleitung 22 bereitzustellen, die den Wärmerückgewinnungsabschnitt 3 umgeht,
wie in 7 dargestellt.
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Falls
die Last der bestehenden Soleumlaufpumpe 11 (oder -pumpen)
deren Kapazität überschreitet, kann eine zusätzliche,
kleinere Pumpe 23 parallel zu der bestehenden installiert
werden, wie in 8 veranschaulicht.
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Vom
thermodynamischen Gesichtspunkt würden beide Lösungen,
die in 7 und 8 veranschaulicht sind, infolge
der niedrigeren Soletemperatur beim Eintreten in den Soleerhitzer
eine sehr hohe Reduktion der MSF-Entsalzungseffizienz (G. O. R.)
verursachen. Dies bedeutet, dass die Vorteile einer möglichen
zusätzlichen Wasserproduktion durch eine zu hohe und unannehmbare
Reduktion der Entsalzungseffizienz erreicht werden würden.
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Ausgehend
von diesem Gesichtspunkt wurde die „Umgehungstechnologie” verbessert,
indem mehrere kürzere Umgehungsleitungen 22' zwischen den
Destillationsstufen 2 („Wasserkasten”)
des Wärmerückgewinnungsabschnitts 3 gebildet
wurden, wie in 9 und 10 dargestellt.
Auch in 10 ist eine zusätzliche,
kleinere Pumpe 23' parallel zur bestehenden Pumpe 11 angeordnet.
Diese kürzeren „Wasserkastenverbindungsleitungen” fungieren
nach wie vor als eine Umgehung, aber sie reduzieren nun gleichzeitig
die Temperatur von Kühlsole, die in die einzelnen Stufen 2 eintritt,
und ermöglichen es, in jeder Destillationsstufe 2 zusätzliche
Wärme zurückzugewinnen. Folglich wird die Reduktion
der Entsalzungseffizienz infolge einer höheren Wasserproduktion
minimiert und scheint sowohl vom wirtschaftlichen als vom thermodynamischen
Gesichtspunkt akzeptabler zu sein.
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11 stellt
eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
welche die Umgehungsleitung 22'' jedes einzelnen „Wasserkastens” betrifft, wobei
jede Umgehungsleitung 22' zwischen dem Einlass und dem
Auslass des jeweiligen Kastens angeordnet ist. Eine andere bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, dass
solch ein Kreis eine zusätzliche Soleumlaufpumpe 23'' umfassen
kann, wie in 12 zu sehen ist.
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Es
ist zu erwähnen, dass der Anwendungsbereich der Erfindung
nicht auf die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen
beschränkt ist, sondern vielmehr jegliche andere Umgehungsanordnung
und/oder jegliche Kombination davon umfasst.
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Wie
aus dieser Beschreibung hervorgeht, ist besonders darauf zu achten,
dass die maximale Wärme, die vom Dampf kommt, der in den
Verdampfungsstufen ausgestoßen wird, zurückgewonnen wird,
aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die thermodynamische
Optimierung der Anlage beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 02/32813
A1 [0003]
- - US 3489652 [0004]