DE102010022448A1

DE102010022448A1 - Verfahren und Vorrichtung für die Gewinnung von destiliertem Wasser aus kontaminiertem Wasser

Info

Publication number: DE102010022448A1
Application number: DE102010022448A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Es handelt sich bei dem Verfahren um eine Weiterentwicklung des MEH-Verfahrens zur Erzeugung von destiliertem Wasser aus kontaminiertem Wasser. Verdunster und Kondensator werden bevorzugt mit Doppelstegplatten aus lebensmittelechtem Plastik aufgebaut. Es gibt drei unabhängig voneinander regelbare Kreisläufe. Kühle Luft steigt am Verdunster auf, erwärmt sich und nimmt entsprechend dem Sättigungsdampfdruck Wasser auf. Diese warme Luft wird dem Kondensator zugeleitet. Dort kühlt sich die Luft ab, destilliertes Wasser kondensiert aus und fließt am Kondensator herunter und wird dort abgeführt. Der Luftstrom wird über einen Ventilator erzwungen. Kontaminiertes kaltes Wasser fließt unten in den Kondensator ein und wird beim Aufsteigen von der entgegen fliessenden Luft erwärmt. Über eine externe Quelle wird das Wasser nacherwärmt und auf dem Verdunster verrieselt. Es strömt aussen am Verdunster abwärts und wird von der entgegen kommenden Luft abgekühlt. Das aufkonzentrierte kontaminierte Wasser wird verworfen. Die Wassermenge wird über eine Pumpe geregelt. In einer offenen Anlage kann mit Kreislauf 2 nicht die komplette Verdunstungsenergie zurück zum Verdunster geführt werden. Daher wird heißes Wasser vom Kondensator in den Verdunster gepumpt, wo es von innen her das kontaminierte Wasser nacherwärmt. Dieser Kreislauf wird der Destilatausbeute nachgeregelt. Es kann jederzeit der optimale Betriebspunkt für die aktuelle Arbeitstemperatur eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung für die Gewinnung von destiliertem Wasser aus kontaminiertem Wasser.
Aus der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, mit deren Hilfe kontaminiertes Wasser sowie Brackwasser oder Seewasser so aufbereitet wird, dass es für die Bewässerung, den technischen Einsatz oder auch als Trinkwasser verwendet werden kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird nur der Einsatz für die Entsalzung dargestellt. Da es sich um ein thermisches Verfahren handelt, beschränkt sich die Darstellung des Standes der Technik auf Anlagen, die gleichfalls thermisch arbeiten.
Seewasser hat einen Salzgehalt von etwa 3,5%. Aus physikalischen Überlegungen ergibt sich, dass mindestens 0,77 kWh nötig sind, um das Salz aus einem Kubikmeter Seewasser zu entfernen. Den besten Wirkungsgrad hatte bisher eine Umkehrosmose-Anlage, bei der lediglich 2,8 kWh/m³ benötigt wurden. Die Eignung eines Verfahrens wird wesentlich durch den erforderlichen Energieeinsatz beeinflusst, obwohl auch die konstruktive Größe, die technische Komplexität und die Reparaturanfälligkeit eine wesentliche Rolle spielen können.
Das Multi Stage Flash(MSF)-Verfahren arbeitet mehrstufig mittels Entspannungsverdampfung. Auf jeder Stufe wird der Innendruck der Behälter verringert, wodurch die Verdunstungstemperatur sinkt. Diese Anlagen sind recht komplex, denn Druck und Temperatur der einzelnen Stufen müssen exakt angepasst werden; daher wird diese Technik überwiegend in Großanlagen eingesetzt. Anlagen, die mit dem Multi Effect Destillation(MED)-Verfahren arbeiten, nutzen im Wesentlichen den gleichen Effekt, arbeiten jedoch nicht mit sofortiger (fash) Verdunstung sondern mit siedendem Wasser.
Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass sie relativ empfindlich auf Verkalkung reagieren und dass sie 30–50 kWh benötigen, um einen Kubikmeter destilliertes Wasser zu erzeugen. Wegen dem hohen Energieverbrauch sind diese Anlagen nur dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn ohnehin vorhandene Abwärme verwendet werden kann, etwa bei der Nutzung der Abwärme von Schiffsdieseln. Ihr Vorteil ist, dass sie relativ kompakt aufgebaut werden können.
Solardestillen sind die Entsalzungsanlagen mit der einfachsten Bauform. Über einem mit Wasser gefüllten, meist sehr flachen Becken, befinden sich schräg gestellte Glasscheiben. Sonnenstrahlung dringt durch das Glas und erwärmt sowohl das Wasser als auch die Luft darüber. Wasser verdunstet und die warme und feuchte Luft steigt zur Glasscheibe auf. Die Luft kühlt am Glas ab und das Wasser kondensiert an der Scheibe. Da die Scheiben schräg gestellt sind, laufen die Tropfen an der Scheibe herunter und werden in einer Rinne aufgefangen. Anlagen dieses Types liefern in südlichen Gebieten 2–3 Liter destilliertes Wasser pro Tag und Quadratmeter. Um einen Liter Wasser zu verdunsten benötigt man 0,695 kWh; diese Energiemenge wird beim Kondensieren an der Glasscheibe vollständig an die Umgebung abgegeben. Bei einem solaren Energieeintrag von 3 kWh pro Tag und Quadratmeter ergäbe sich bei 100% Wirkungsgrad ein Gewinn von lediglich 4,3 Litern pro Tag und Quadratmeter.
Diese Bilanz lässt sich nur verbessern, wenn es gelingt, die eingesetzte Energie mehrfach zu nutzen, so wie dies auch beim MSF- und MED-Verfahren erfolgt.
Dies wird durch das MEH-Verfahren ermöglicht, bei dem sowohl der Verdunster als auch der Kondensator als Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert sind. Hierbei hat man zwei Kammern, eine für den Verdunster und eine für den Kondensator, die oben und unten durch einen breiten Spalt miteinander verbunden sind.
Der Kondensator ist als Hohlgefäss ausgeformt (häufig ein vertikal ausgerichteter Stapel von Doppelstegplatten). Kaltes Wasser strömt von unten in ihn ein und warme, feuchte Luft strömt -von der Verdunsterseite kommend- von oben durch ihn hindurch nach unten. Hierbei kühlt sich die Luft ab und erwärmt im Gegenzug das aufwärts strömende Wasser; da Luft bei niedrigen Temperaturen nicht so viel Wasser aufnehmen kann wie bei hohen, kondensiert das Wasser aus und fließt am Kondensator herab und wird unten in einer Wanne aufgefangen und abgeleitet. Kommt das Salzwasser oben im Kondensator an, wird es zu einer externen Energiequelle geleitet und dort zusätzlich erwärmt, bevor es zum Verdunster geleitet wird.
Der Verdunster besteht aus Vliesbahnen, die mittels Rechen aufgespannt werden, und an denen das heiße Wasser herab läuft. Die kalte Luft, die durch den unteren Spalt vom Kondensator her kommt, steigt an den Vliesbahnen auf. Hierbei kühlt das Wasser ab und die Luft erwärmt sich, wobei sie so viel Feuchtigkeit aufnimmt, wie es die Temperatur auf der jeweiligen Höhe erlaubt.
Da das Salzwasser, bevor es vom Kondensator zum Verdunster kommt, zusätzlich aufgewärmt wird, ist die Temperatur im Verdunster durchgängig höher als im Kondensator. Da warme Luft, auch wenn sie feucht ist, ein geringeres spezifisches Gewicht als kühlere Luft haben kann, entsteht aufgrund dieser Temperaturdifferenz eine kontinuierliche Zirkulation.
Ein Kilogramm Luft nimmt einen Raum von 770 Litern ein und hat eine Wärmekapazität von 1,0054 Joul pro Gramm und Grad Kelvin und das von Wasser beträgt 4,2 Joul pro Gramm und Grad Kelvin. Um das energetische Gleichgewicht zwischen Verdunster und Kondensator beizubehalten, müssen für einen Liter Wasser, das in der einen Richtung fließt, 3.216 Liter Luft in die andere Richtung transportiert werden.
Das MEH-Verfahren wurde von Hendrik Müller-Holst an der technischen Uni München weiter entwickelt, wobei die Trennwand zwischen den Kammern entfernt wird und Verdunster sowie Kondensator parallel zueinander ausgerichtet werden, damit die Luft frei zirkulieren kann. Hierdurch wird aus dem Zirkulationsring eine Zirkulationswalze. Müller-Holst weist nach, dass diese Zirkulationswalze lokale Abweichungen, etwa trockene Stellen auf dem Vlies, automatisch durch die Form der Walze ausgleicht, wodurch sich eine höhere Effektivität ergibt.
Das MEH-Verfahren hat vier wesentliche Schwachstellen:

1. Unterstellt man eine Anlage, die aus drei Kubikmetern Salzwasser pro Tag einen Kubikmeter destiliertes Wasser erzeugen soll, so werden 695 kWh für die Verdunstung benötigt, die also den Verdunster abkühlen und den Kondensator erwärmen. Um diese Energie mit den drei Kubikmetern zufliessendem Salzwasser zum Verdunster zurück zu bringen, benötigte man einen Temperaturhub von über 230 Grad (man benötigt 1,16 kWh, um einen Kubikmeter Wasser um einen Grad zu erwärmen). Da in offenen Anlagen maximal 60–70 Grad Hub möglich sind, arbeiten solche Anlagen immer fern von einem optimalen Arbeitspunkt.
2. Um eine optimale Zirkulation zu erhalten, muss die Temperatur auf dem Verdunster etwa 10 bis 12 Grad höher sein als bei gleicher Höhe auf dem Kondensator. Soll die Salzsole, die die Anlage verlässt, nicht allzu konzentriert sein, so benötigt man beispielsweise 3 Kubikmeter Salzwasser, um einen Kubikmeter destiliertes Wasser zu erzeugen. Wasser hat eine spezifische Wärme von 1,16 kWh pro Grad und Kubikmeter. Die beiden Kubikmeter Sole verlassen die Anlage 12 Grad wärmer, als das zulaufende Salzwasser im Kondensator: Es ergibt sich ein Verlust von etwa 28 kWh pro geliefertem Kubikmeter destiliertem Wasser.
3. Werden für die Wärmezufuhr Solarkollektoren verwendet, kann von Sonnenuntergang an keine thermische Energie mehr zugeführt werden und die Konvektionswalze kommt zum Stillstand. Wird keine Ersatzenergie zugeführt, was zusätzlichen und nicht unerheblichen Mehraufwand erfordert, dann kühlt das gesamte Wasser im Kondensator und auf den Verdampfertüchern aus. Wenn es sich beispielsweise um 0,25 Kubikmeter handelt, die über Nacht um 20 Grad abkühlen, so sind dies weitere 5,8 kWh, die jeden Tag verloren gehen.
4. Wenn auf der Kondensatorseite die Fließgeschwindigkeit des destilierten Wassers relativ hoch ist (etwa durch Tropfenbildung), dann gelangt es in die Auffangwanne, bevor es seine thermische Energie vollständig an das Wasser im Kondensator abgeben konnte.

Geht man von einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung in südlichen Breiten von 3 kWh pro Tag und Quadratmeter aus, dann werden mehr als 10 Quadratmeter Kollektor für den Ausgleich dieser Verluste benötigt. Bei aktuellen Kollektorpreisen und einer gängigen Verzinsung der Investition ergibt sich, dass eine MEH-Anlage Trinkwasser nicht zu marktüblichen Preisen liefern kann.
Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile des MEH-Verfahrens zu beseitigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Verdunster und Kondensator in eigenen Kammern untergebracht werden, die unten und oben durch breite Spalte miteinander verbunden sind, wobei sowohl der Verdunster als auch der Kondensator als Hohlkörper (Doppelstegplatten) ausgebildet sind, deren Oberflächen mit Vlies beaufschlagt sind und es folgende Kreisläufe gibt:

a) zur Rückführung der Verdunstungsenergie wird heisses Wasser oben am Kondensator entnommen und in den Hohlkörper des Verdunsters geleitet, wo es abwärts fließt um unten wieder in den Kondensator eingespeist zu werden; hierdurch wird das am Verdunster abwärts fließende Wasser nachgeheizt; die Pumpe für diesen Kreislauf wird über die Temperaturdifferenz zwischen Verdunster und Kondensator auf gleicher Höhe geregelt;
b) kaltes Salzwasser fließt von außen in den Kondensator und wird, während es darin aufsteigt, von der abwärts strömenden Luft erwärmt; am höchsten Punkt wird das Salzwasser zu einer externen Nacherwärmung geleitet, um von dort zum Verdunster geleitet zu werden, wo es verrieselt wird und in dem Vlies langsam abwärts strömt; hierbei kühlt es sich aufgrund der Verdunstung und der kälteren entgegenströmenden Luft auf das Niveau des zufliessenden Salzwassers ab; das aufkonzentrierte Salzwasser fließt unten ab und wird verworfen;
c) kalte Luft kommt, von einem Ventilator getrieben, durch den unteren Spalt vom Kondensator und strömt am Verdunster aufwärts, wobei sie sich erwärmt; in Abhängigkeit vom Sättigungsdampfdruck nimmt sie hierbei immer mehr Feuchtigkeit auf, fließt wegen der externen Erwärmung mit leicht höherer Temperatur als der Kondensator hat oben durch den oberen Spalt zum Kondensator, wo sich das Wasser am Kondensator niederschlägt; sowohl Luft als auch destiliertes Wasser kühlen sich immer weiter ab, bis das destilierte Wasser unten mit der Temperatur des zufliessenden Salzwasser abfließt; die Luft wird gleichfalls bis auf diese Temperatur abgekühlt und wieder zum Ventilator geleitet;

Zu Schwachstelle 1: Mangelhafte Rückführung der Verdunstungsenergie
Soll in einer Anlage ein Kubikmeter Wasser destilliert werden, so muß dem Verdunster 695 kWh an Wärmeenergie entzogen und zusammen mit der Luft zum Kondensator transportiert werden. Der Verdumter kühlt sich entsprechend ab (wodurch die Verdunstungsleistung sinkt) und der Kondensator erwärmt sich (wodurch die Bereitschaft der Wassermoleküle zu kondensieren abnimmt); erst ab der Höhe, wo die Temperatur hinreichend niedrig ist, kann wieder Wasser kondensieren. Eine Zirkulation, die sich aufgrund der Temperaturdifferenz ausbildet, würde also zum Erliegen kommen und bei einer durch einen Ventilator getriebenen Zirkulation stellen sich die Temperaturen so ein, dass die Verdunstungsenergie gleich der mit dem Salzwasser auf den Verdunster gebrachten Wärme ist. Es können praktisch nur Arbeitspunkte mit geringer Destilatausbeute eingestellt werden.
Mit einem eigenen Kreislauf, um den Kondensator zu kühlen und den Verdunster nachzuheizen, kann man die Energie, die man mit der Luft vom Verdunster zum Kondensator transportiert hatte, dort wieder aufnehmen und zum Verdunster zurück bringen.
Die Fließgeschwindigkeit in diesem Kreislauf kann direkt dem Ertrag an destiliertem Wasser nachgeführt werden, denn Destilatmenge und rückzuführende Energie sind direkt proportional. Bei einer Anlage für einen Kubikmeter Destillat pro Tag und einem Temperaturhub von 40 Grad, ist ein Transport von ungefähr 12 Litern pro Minute für die Energierückführung notwendig; der hierfür benötigte Energieaufwand durch Reibungsverluste kann vernachlässigt werden.
Man könnte diesen Kreislauf vollständig entkoppeln und im Kondensator dreilagige Platten verwenden (zu verdunstendes Wasser, Wasser für die Wärmerückführung, zu verdunstendes Wasser). Da man für die Wärmerückführung durchaus auch Salzwasser verwenden kann, kann man es beim Kondensator bei einer einlagigen Version belassen, was zudem den Vorteil hat, dass man hier quasi einen Mitstromwärmetauscher mit 100% Wirkungsgrad simuliert.
Auf der Verdunsterseite kommt man allerdings nicht an einer Trennung der Medien vorbei und hat somit einen Mitstromwärmetauscher mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad. Das Wasser der Wärmerückführung fließt wieder zum Kondensator und vermischt sich dort mit dem einfliessenden Salzwasser.
Zu Schwachstelle 2: Energieverlust durch Temperaturdifferenz
Wie in einer normalen MEH-Anlage steigt kaltes Wasser im Kondensator auf und wird durch die Luft erwärmt, die heiß und feucht vom Verdunster kommt. Oben angelangt wird das Wasser wiederum extern erwärmt, bevor es oben auf den Verdunster gegeben wird und langsam am Verdunster herunter strömt. Hierbei verdunstet ein Teil des Wassers, die Salzkonzentration erhöht sich dementsprechend, und das konzentrierte Salzwasser wird wie zuvor verworfen.
Während die Luft am Verdunster aufströmt, wird sie immer wärmer und feuchter, bis sie die Temperatur annimmt, die das oben verrieselte Wasser hat. Mit dieser Temperatur trifft die Luft oben auf den Kondensator. Wegen der Nacherwärmung ist die Luft leicht wärmer als der Kondensator auf gleicher Höhe. Folglich kondensiert Wasser am Kondensator aus und läuft an diesem hinab. Während die Luft von oben nach unten an dem Kondensator vorbei gleitet, nimmt sie annähernd die Temperatur des Kondensators auf der jeweiligen Höhe an, bis sie so weit abgekühlt wurde, dass sie die Temperatur des einströmenden Salzwassers erreicht. Da das destilierte Wasser zwischen der Luft und dem Kondensator liegt, hat es gleichfalls diese Temperatur und fliesst mit der Temperatur des einströmenden Salzwassers ab. Mit dieser Temperatur fließt die Luft jetzt in die Verdunsterkammer, was bedeutet, dass auch die ablaufende Sole auf die Temperatur abgekühlt wird, die das zufliessende Salzwasser hat.
Da sowohl die Sole als auch das destilierte Wasser die gleiche Temperatur haben wie das zufliessende Salzwasser, gibt es an dieser Stelle keine nennenswerten thermischen Verluste mehr, wenn die Zirkulation über einen Ventilator erzwungen wird.
Den notwendige Energieeintrag für den Lüfter kann man anhand der Dissertation von Müller-Holst abschätzen. Er hat berechnet, wie groß der Verlust ist, der sich durch die Reibung der Luft an Verdunster und Kondensator ergibt, wenn die Zirkulation aufgrund der Temperaturdifferenz entsteht; in der Versuchsanlage hatte der Kondensator eine Oberfläche von 78,6 Quadratmetern und der Verdunster eine von 74,1 Quadratmetern. Der Reibungsverlust lag in der untersuchten Versuchsanlage in der Größenordnung von 18 Watt. Geht man von einem Lüfterwirkungsgrad von 50% und einer Nutzungsdauer von 24 Stunden pro Tag aus, dann würde in einer vergleichbaren Anlage mit Ventilator knapp eine kWh pro Tag für den Lüfter gebraucht. Da diese Energie benötigt wird, um die Reibung der Luft an Kollektor und Verdunster zu überwinden, wird diese Energie vollständig in Wärme umgewandelt und gleichmäßig in der Anlage verteilt. Sie leistet also einen Beitrag, um den Wärmeverlust an die Umgebung auszugleichen.
Zu Schwachstelle 3: Energieverlust durch Auskühlen über Nacht
Bei normalen MEH-Anlagen stoppt die Produktion von destiliertem Wasser recht schnell, nachdem die externe Versorgung mit thermischer Energie beendet wurde. Ist die Wärmequelle die Sonne, dann muss man entweder eine relativ aufwändige externe Wärmespeicherung vorsehen, damit die Anlage kontinuierlich betrieben werden kann, oder man muss den Energieverlust in Kauf nehmen, der durch die Auskühlung der Anlage über Nacht erfolgt.
Wird die Luftzirkulation durch einen Ventilator erzwungen, wird nach Ausfall der externen Wärmequelle weiterhin destiliertes Wasser produziert, jedoch reduziert sich sehr langsam die Temperatur des Wassers -Verluste an Umgebung und durch Entsalzung- und die Ausbeute wird entsprechend schlechter, weil der Sättigungsdampfdruck mit der Temperatur fällt. Ist die Isolierung nicht so gut und ist die Menge des gespeicherten Wassers relativ gering, so wird man den Prozess solange weiter laufen lassen, bis der Ertrag nicht mehr lohnt. Dadurch ist aber die Temperatur des gespeicherten Wassers schon recht weit abgesenkt und der weitere Wärmeverlust über Nacht fällt deutlich niedriger aus.
Ist die Wärmeisolierung jedoch relativ gut und die Doppelstegplatten in Kondensator und Verdunster recht dick (es wird also sehr viel Wasser und somit Wärmeenergie gespeichert), dann kann man die Anlage durchlaufen lassen. Ist die Anlage für die Produktion von einem Kubikmeter am 24 Stunden ausgelegt und wird in der Anlage ein halber Kubikmeter Wasser gespeichert, dann kann nach Ausfall der externen Wärmequelle noch recht lange produziert werden. Werden für die Entsalzung eines Kubikmeters 2 kWh benötigt, dann benötigt die Nachtschicht 1 kWh. Der halbe Kubikmeter Wasser wird also über Nacht lediglich um 2 Grad abgekühlt. Man könnte also bei geringer Ertragseinbuße problemlos mehrere Tage mit schlechtem Wetter überbrücken.
Zu Schwachstelle 4:
Der Wirkungsgrad der Entsalzung ist auch vom Wirkungsgrad der beiden Gegenstrom-Wärmetauscher abhängig ist.
In einem Gegenstrom-Wärmetauscher wird ein Medium_1, das sich in Richtung_1 bewegt, durch eine Trennschicht vom Medium_2 getrennt, das sich entgegengesetzt in Richtung_2 bewegt. Die Energiemenge, die an einer Referenzfläche vom wärmeren Medium zum kälteren Medium fließt, ergibt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen den Medien, der Größe der Trennfläche, ihrer Dicke und der Wärmetransportfähigkeit des Trennmaterials.
Man kann sich das so vorstellen, dass die beiden Medien immer ruckhaft um ein kleines Wegstück entgegengesetzt bewegt werden. In der Pause zwischen den Bewegungen, erfolgt ein Energieaustausch. Zunächst ist die Temperaturdifferenz relativ groß und es fließt viel thermische Energie vom wärmeren Medium zum kälteren. Aber mit jedem Quäntchen übergewechselter Energie wird die Temperaturdifferenz kleiner, und somit die treibende Kraft. Die pro Flächeneinheit transportierte Energie nimmt also exponentiell mit der Zeit ab und beträgt nach unendlich langer Zeit Null. Nach der Pause werden beide Medien wieder ein Stück bewegt und der Vorgang wiederholt sich.
Da es in einem Gegenstromwärmetauscher keine Temperatursprünge geben kann, läuft dieser Vorgang des Energieaustausches für jedes Temperaturniveau und für jede beliebige Kontrollfläche identisch ab. Folglich ist die Temperaturdifferenz, die sich am Ende des Zyklus für jede einzelne Kontrollfläche einstellt, auch die Temperaturdifferenz der Medien an den Enden des Gegenstromwärmetauschers.
Über die Differenz zwischen der Energiemenge, die in unendlich langer Zeit geflossen wäre, und der Energie, die tatsächlich geflossen ist, kann man den Wirkungsgrad des Gegenstrom-Wärmetauschers ableiten. Je länger die Pausen sind, um so besser wird der Wirkungsgrad. Setzt man identische Schrittweiten voraus, kann man auch sagen, dass der Wirkungsgrad um so besser wird, je kleiner die Differenzgeschwindigkeit der beiden Medien ist.
Betrachten wir zunächst den Kondensator. Je dicker die Doppelstegplatten sind, desto langsamer steigt das Salzwasser in den Platten auf und um so größer ist die Wärmespeicherfähigkeit. Die Steiggeschwindigkeit des Salzwassers wird also über die gewünschte Wärmespeicherfähigkeit festgelegt. Besteht der Kondensator aus Doppelstegplatten mit glatter Oberfläche, dann wird sich auf ihm durch die Kondensation ein sehr dünner Wasserfilm ausbilden, der mit relativ hoher Geschwindigkeit am Kondensator herab läuft oder es entstehen sogar Tropfen, die sich gleichfalls nicht gerade langsam bewegen.
Hat man eine Kleinanlage von beispielsweise einem Meter Höhe mit je 100 Quadratmetern Verdunster und Kondensator, dann kann man sich den Kondensator auch als 100 Meter langen und einen Meter hohen Streifen vorstellen. Geht man von einer Tagesproduktion von 1.000 Litern aus, entfallen 10 Liter auf jeden Meter und Tag oder 0,0001 Liter pro Sekunde und Meter. Ist man in der Lage, die Schichtdicke des Wasserfilms zu beeinflussen, dann reguliert man damit direkt die Fliessgeschwindigkeit des Wasserfilms und damit den Wirkungsgrad des Gegenstromwärmetauschers. Bei einer Schichtdicke von 0,01 mm bekommt man eine Fliessgeschwindigkeit von 1 cm/sec; bei einer Schichtdicke von 0,5 mm beträgt die Fliessgeschwindigkeit 0,2 mm/sec. Bei derartig kleinen Geschwindigkeiten und gängigen Wandstärken nähert sich der Wirkungsgrad des Gegenstromwärmetauschers den 100%.
Belegt man die Aussenfläche des Kondensators mit einem 0,5 mm dicken hydrophilen Vlies, das eine Struktur ähnlich wie Frotteestoff hat, dann stossen die Wassermoleküle bei ihrer durch die Gravitation bedingten Abwärtsbewegung ständig gegen die Fäden der Maschen und werden dadurch abgebremst; zusätzlich entstehen Verwirbelungen, die dafür sorgen, dass die Innenseite des Wasserfilms fast die gleiche Temperatur hat wie die Aussenseite. Durch die Dicke und Dichte des Vlies läßt sich die gewünschte Fließgeschwindigkeit festlegen.
Auch auf der Verdunsterseite bringt der Einsatz eines dickeren Vlies deutliche Vorteile. Dort haben wir die Doppelstegplatte der Wärmerückführung und wollen diese Energie auf den abwärts fließenden Wasserfilm übertragen. Hier fließt zwar das Wasser sowohl der Wärmerückführung als auch des Wasserfilms in die gleiche Richtung, aber auch hier gilt, je geringer die Geschwindigkeiten sind, um so mehr Zeit bleibt für den Energieaustausch. Zusätzlich ist ein guter termischer Kontakt zwischen Vlies und Doppelstegplatte notwendig. In gängigen MEH-Anlagen war häufig das Problem, dass das Vlies nicht gleichmäßig befeuchtet war. Durch die hohe Reibung im dickeren Vlies verteilt sich das Wasser auch in der Horizontalen. Dies kann noch dadurch unterstützt werden, dass beim Weben in regelmäßigen Abständen Streifen mit höherer Dichte erzeugt werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft muss in der Größenordnung von 30 cm/sec liegen, damit der Transport von verdunstetem Wasser so groß wird, dass sich ein Ertrag von einem Kubikmeter pro Tag bei 60 Grad Arbeitstemperatur ergibt. Diese Geschwindigkeit ist zwar deutlich höher als die Fliessgeschwindigkeit der Sole, allerdings ist die Luft im direkten Kontakt mit dem Wasser. Durch die vielen Maschen im Vlies wird das Wasser verwirbelt und es dürften sich keine größeren Temperaturdifferenzen zwischen innen und aussen einstellen können. Da die Diffusionsgeschwindigkeit von Wassermolekülen in Luft relativ hoch liegt, sollte die höhere Luftgeschwindigkeit kein Problem darstellen.
Zusammenfassung
Werden diese Maßnahmen konsequent umgesetzt, dann gibt es in solch einer Anlage im stationären Zustand nur noch zwei wesentliche Verlustquellen. Dies ist einerseits die Wärmeabgabe durch das Isoliergehäuse an die Umwelt, sowie die Energiemenge, die benötigt wird, um das Salzwasser aufzukonzentrieren (wird die Anlage benutzt, um mit einem potenten Gift kontaminiertes Süßwasser aufzubereiten, entfällt dieser Energieanteil weitgehend).
Die externe Nacherwärmung des Salzwassers, das vom Kondensator kommt, muss lediglich diese Verluste ausgleichen, damit ein stationärer Zustand beibehalten werden kann.
Energetische Betrachtung
In einem Gegenstromwärmetauscher kann es im stationären Zustand keine Temperatursprünge geben. Daher ergibt sich sowohl im Verdunster als auch im Kondensator eine annähernd lineare Temperaturverteilung. In Bodennähe ist die Temperatur die des zufliessenden Salzwassers. Die Temperatur steigt mit der konstruktiven Höhe bis zu dem Punkt, an dem der externe Energieeintrag eingeleitet wird.
Tritt ein Wassermolekül aus destilliertem Wasser in die Luft über, so ist hierfür ein bestimmter Energiebetrag notwendig; entsprechend kühlt sich das Wasser ab. Tritt das Wassermolekül wieder in das Wasser ein, wird exakt der gleiche Energiebetrag an das Wasser zurück gegeben, das sich wieder entsprechend erwärmt. Die Größe dieser Energiemenge ist, zumindest was technische Belange betrifft, völlig unabhängig von der Temperatur. Dieser Vorgang, dass Wassermoleküle aus dem Wasser in die Luft aufsteigen und wieder in Wasser eintauchen, erfolgt bei den interessierenden Temperaturen zwischen 20 und 60 Grad milliardenfach pro Sekunde und Quadratzentimeter feuchter Oberfläche.
Greift man Wassermoleküle aus der Luft im Verdunster ab und transportiert sie an irgendeine Stelle im Kondensator, dann transportiert man hierdurch die Verdunstungswärme vom Verdunster zum Kondensator. Da man im Gegenzug das erwärmte Wasser, und damit auch die dorthin abgegebene Verdunstungswärme, aus dem Kondensator wieder zum Verdunster transportiert, ergibt sich ein energetisch stabiler Zustand: die Verdunstungswärme, die mit der Luft vom Verdumster zum Kondensator transportiert wird, kommt mit dem Wasserfluß der Wärmerückführung wieder zurück.
Bei Verwendung von salzhaltigem Wasser ist die Austrittsarbeit höher als bei destiliertem Wasser. Da wir auf der Verdunsteroberfläche Salzwasser haben und auf der Kondensatoroberfläche destilliertes Wasser, wird dem Verdunster mehr Energie entzogen, als an den Kondensator zurück gegeben wird. Will man wieder einen stationären Zustand erreichen, muss man diese Energiedifferenz von aussen zuführen, was durch die externe Nacherwärmung geschieht.
Da Wärmeenergie die Eigenschaft hat, sich in Richtung kleinerer Themperaturen verteilen zu wollen, erfolgt der externe Energieeintrag vorzugsweise am höchsten und somit wärmsten Punkt der Anlage. Üblich ist es, das vom Kondensator kommende Salzwasser beispielsweise durch einen Sonnenkollektor zu leiten. Dort wird es zusätzlich erwärmt und anschliessend zum Verdunster geleitet, wo es an dessen Oberkante verrieselt wird. Es ist aber genauso gut möglich, die Luft, nachdem sie am Verdunster aufgestiegen war, ganz oder teilweise zur Nacherwärmung abzuzweigen und etwa einem luftdurchströmten Solarkollektor zuzuführen, bevor sie auf den Kondensator geleitet wird. Auf diese Variante wird später noch Bezug genommen.
Die Fähigkeit der Luft Wasser aufzunehmen wird mit dem Sättigungsdampfdruck beschrieben, welcher exponentiell von der Temperatur abhängt. An der Trennschicht zwischen Luft und Wasser haben Luft und Wasser lokal die gleiche Temperatur. Ist der Sättigungsdampfdruck noch nicht erreicht, werden solange Wassermoleküle vom Wasser auf die Luft übergehen, bis er erreicht ist, was natürlich mit einer Temperaturabsenkung einher geht und somit einem niedrigeren Sättigungsdampfdruck. Sinkt die Temperatur an der Grenzschicht und damit der Sättigungsdampfdruck, werden die Wassermoleküle wieder ins Wasser wandern oder als Nebel auskondensieren. Es bilden sich also lokal immer Gleichgewichtszustände aus.
Wenn die Luft vom Verdunster zum Kondensator fließt, kann ein individuelles Wassermolekül durchaus auf einer niedrigen Temperatur in die Luft übergetreten sein und bei einer höheren am Kondensator kondensieren oder umgekehrt. Rein statistisch gesehen werden aber auf jedem Temperaturniveau m Wassermoleküle im Verdunster in die Luft übergehen und m Wassermoleküle am Kondensator auskondensieren (daher auch vergleichbar große Verdunster und Kondensatoren), wobei es für die Wassermoleküle energetisch völlig gleichgültig ist, dass sie zwischendurch transportiert wurden. Und für diesen Transport wurde, Reibungsverluste vernachlässigt, keine Energie benötigt.
Hochfahren der Anlage
Der Energieeintrag, der die Verluste und die Trennarbeit ausgleicht, kann von jeder beliebigen Wärmequelle stammen, insofern sie eine hinreichend hohe Temperatur hat. Wie schon angedeutet, kann entweder das Salzwasser nacherwärmt werden, oder die feuchte Luft.
Wird das Salzwasser nacherwärmt, dann sind Leckagen leicht zu finden aber schwer zu reparieren. Wird die Luft nacherwärmt, so sind Leckagen schwer zu finden, jedoch leicht zu reparieren.
Erfolgt die Nacherwärmung des Wassers, so wird beim Anfahren der Anlage der Kondensator mit Wasser befüllt und anschliessend wird auch der Ventilator zugeschaltet. Es wird also sofort mit der Produktion von destiliertem Wasser begonnen; da die Destillation Energie benötigt, heizt sich die Anlage entsprechend langsamer auf.
Erfolgt die Nacherwärmung der Luft so wird beim Anfahren der Anlage der Kondensator mit kaltem Wasser befüllt; wenn das Wasser beginnt, auf den Verdunster überzulaufen, wird die Wasserzufuhr gestoppt. Jetzt wird der Ventilator gestartet und Luft durch die Nacherwärmung geleitet. Warme bzw. heiße Luft trifft oben auf den Kondensator und erwärmt das in ihm enthaltene Salzwasser; liegt die Temperatur in der Doppelstegplatte des Verdunsters deutlich unter der Temperatur auf gleicher Höhe im Kondensator, dann wird über die Wärmerückführung Wasser vom Kondensator zum Verdunster gepumpt. Da Temperaturspünge wiederum nicht möglich sind, ergibt sich wieder eine lineare Temperaturverteilung sowohl im Kondensator als auch im Verdunster. Ist die Betriebstemperatur erreicht, wird die Wasserzufuhr wieder gestartet und die Produktion von destiliertem Wasser beginnt. Die Betriebstemperatur wird also so schnell wie möglich erreicht.
Ein zusätzlicher Vorteil bei der Nacherwärmung der Luft ist, dass solche Anlagen auch dort eingesetzt werden können, wo mit Frost gerechnet werden muss. Die Anlage selbst ist durch das Isoliergehäuse recht gut geschützt, ein Kollektor jedoch nicht. Bei einem wasserdurchströmten Kollektor könnte das Wasser gefrieren und den teuren Kollektor zerstören, bei luftdurchströmten Kollektoren geschieht hingegen nichts. Darüber hinaus können luftdurchflossene Kollektoren kostengünstig hergestellt werden.
Robustheit
Ausser dem Ventilator und den beiden Wasserpumpen hat die Anlage keine beweglichen Teile. Man kann davon ausgehen, dass einfache Ventilatoren und Pumpen auch in Entwicklungsländern keine technische Hürde mehr darstellen, für den Fall dass sie einmal ausfallen sollten.
Sowohl für den Kondensator als auch für den Verdunster existieren kostengünstige Materialien, die eine Standzeit von Jahrzehnten erreichen. Von daher stellen lediglich Verkalkung, Verschmutzungen und Befall mit Bakterien oder Algen ein Problem dar.
Das Problem der Verkalkung kann man ganz einfach dadurch lösen, dass man die Betriebstemperatur unter 60 Grad hält. Soll mit höheren Temperaturen gearbeitet werden, um die Ausbeute zu erhöhen, dann muß das Wasser vorbehandelt werden.
Um die Pumpen zu schützen und auch um Verstopfungen im Kondensator zu verhindern muß das Salzwasser gefiltert werden.
Da das Salzwasser beim Aufsteigen im Kondensator sehr langsam bis auf die Betriebstemperatur von 60 Grad erwärmt wird, kann man davon ausgehen, dass kaum irgendwelche Bakterien oder Algen lebend am Verdunster ankommen. Auf dem Verdunster ergibt sich eine ständige Strömung, was es Algen schwierig macht, sich einzunisten und Bakterien im allgemeinen ausspülen wird. Zudem herrschen im oberen Drittel des Verdunsters zerstörende Temperaturen von über 40 Grad. Im restlichen Bereich ergibt sich durch den deutlich erhöhten Salzgehalt des Wassers gleichfalls ein sehr lebensfeindliches Millieu.
Auf der Aussenseite des Kondensators kondensiert destiliertes, also absolut nahrungsfreies Wasser. Die Geschwindigkeit des Luftstroms in der Anlage ist so gering, dass keine Wassertröpfchen vom Verdunster mitgerissen werden können und somit auch keine Algen oder Bakterien. Sollte dies dennoch einmal geschehen, so haben sie auf dem Kondensator weder Nahrung noch Licht. Zudem wird das Vlies auf dem Kondensator ständig durchgespült, also wird alles, was sich nicht schnell einnisten kann, sofort entfernt.
Sollte es trotzdem einmal zu einer Kontamination durch Algen oder Bakterien kommen, so ist alles vorhanden, was man zu ihrer Beseitigung braucht. Man schaltet die Anlage so, dass sie stark konzentrierte Salzsole erzeugt. Dann schaltet man die Anlage aus, entfernt das Isoliergehäuse und läßt die freiliegenden Flächen trocknen. Dann sprüht man alles mit der Salzsole ab und lässt es nochmals trocknen. Abschliessend spült man alles gründlich mit Süßwasser ab, um das auskristallisierte Salz zu entfernen. Auf diese Art kann eine effektive Desinfektion durchgeführt werden.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von destiliertem Wasser aus kontaminiertem Wasser dergestalt, dass sich in einem isolierenden Gehäuse eine Verdunster- und eine Kondensatorkammer befinden, wobei sowohl Verdunster als auch Kondensator als Hohlgefäße (z. B. Stapel aus Doppelstegplatten) ausgebildet sind, die oben und unten miteinander verbunden sind und bei der als eigenständiger Kreislauf mittels einer Pumpe heißes Wasser vom Kondensator zum Verdunster gepumpt wird, damit die Verdunstungswärme, die per Luft vom Verdunster zum Kondensator transportiert wurde, wieder zum Verdunster zurück geführt werden kann.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom, der am Verdunster aufsteigt und hierbei Wasser und Verdunstungswärme aufnimmt und anschliessend am Kondensator absteigt und hierbei Wasser und Verdunstungswärme abgibt, durch einen Ventilator angetrieben wird, wodurch erzwungen wird, dass sowohl das abfliessende destilierte Wasser als auch die abfliessende Sole (fast) die gleiche Temperatur haben, wie sie das von außen zufliessende und zu dekontaminierende Wasser hat.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche des Kondensators ein Vlies aufgebracht wird, wodurch die Schichtdicke des ablaufenden Films aus destiliertem Wassser vergrößert wird und somit der Wirkungsgrad des Gegenstromwärmetauschers, den die Kondensatorkammer darstellt, erhöht wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche des Verdunsters ein Vlies aufgebracht wird, wodurch die Schichtdicke des ablaufenden Films aus aufkonzentriertem kontaminiertem Wassser vergrößert wird und somit der Wirkungsgrad des Gegenstromwärmetauschers, den die Verdunsterkammer darstellt, erhöht wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Dicke der Kondensatorplatten sowohl des Verdunsters als auch des Kondensators das Speichervolumen festgelegt wird und somit der Zeitraum, innerhalb dessen die Anlage ohne externen Energieeintrag weiterhin sinnvoll arbeiten kann.