DE102011121540A1

DE102011121540A1 - Verfahren zur Erhöhung der Aufheiz-, Verdunstungs- bzw. Verdampfungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten durch ein Aufheizhilfsmittel bei solarer Wärmeeinstrahlung

Info

Publication number: DE102011121540A1
Application number: DE201110121540
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Naundorf Wolfgang; Jens-Uwe Repke; Hans-Werner Schröder; Volker Herdegen; Danny Bendix
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2011-12-17
Filing date: 2011-12-17
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung ist einsetzbar bei der Bereitstellung von Heißwasser für die Raumheizung und für Waschprozesse, bei der Durchführung von Eindampfprozessen, bei der Abdestillation von Inhaltstoffen, bei der Erzeugung von Heißwasser für adsorptiv arbeitenden Kälteanlagen, bei der Süßwassergewinnung aus Meeres- oder Schmutzwasser (Brackwasser) und bei der Voraufheizung von Flüssigkeiten für viele Veredelungs- und Konservierungsprozesse in der Industrie und in der Landwirtschaft. Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Aufheizhilfsmittels, mit dem die solare Wärmestrahlung effektiver zur beschleunigten Aufheizung und Verdunstung der zu erhitzenden Flüssigkeit ausgenutzt wird, das mechanisch und thermisch stabil sowie resistent gegenüber der zu erhitzenden Flüssigkeit ist und keine Kontamination der Flüssigkeit verursacht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für die beschleunigte Aufheizung und Verdunstung der Flüssigkeit durch solare Wärmeeinstrahlung feinkörniger fester und poröser Koks als Aufheizhilfsmittel verwendet wird und die aufzuheizende Flüssigkeit die Koksschüttung wenig überstehend ausfüllt.

Description

Das Aufheizen von Flüssigkeiten ist ein vielfältig notwendiger Prozessschritt in allen volkswirtschaftlichen Bereichen. Beispiele dafür sind u. a. die Bereitstellung von Heißwasser für die Raumheizung und für Waschprozesse, die Durchführung von Eindampfprozessen, die Abdestillation von Inhaltstoffen, die Erzeugung von Heißwasser für adsorptiv arbeitenden Kälteanlagen, die Süßwassergewinnung aus Meeres- oder Schmutzwasser (Brackwasser) und die Voraufheizung von Flüssigkeiten für viele Veredelungs- und Konservierungsprozesse in der Industrie und in der Landwirtschaft.
Für die Aufheizung von Flüssigkeiten wird wegen deren großen spezifischen Wärmekapazitäten und wegen ihrer hohen Verdampfungsenthalpien viel Wärmeenergie benötigt. Dafür werden bei Vorhandensein vorzugsweise Abwärmeströme aus laufenden Prozessen, aber vielfach auch Primärenergie genutzt. Zur Senkung des Verbrauchs an hochwertigen fossilen und rezenten Primärenergieträgern sowie zur Verringerung der CO₂-Emissionen soll für die Aufheizung von Flüssigkeiten zunehmend Solarwärme genutzt werden. Dafür stehen vielfältige technische Anlagen zur Verfügung. Bei vielen dieser Anlagen sind die Ausnutzung der solaren Wärmeeinstrahlung und die Aufheizgeschwindigkeit der Flüssigkeiten noch unbefriedigend. Wichtige Gründe dafür sind z. B. die zu geringe Wärmeabsorption durch die Flüssigkeiten und die Wärmeverluste durch Reflexion von Wärmestrahlen.
Zur Verbesserung der Wärmeausnutzung bei thermischen Solaranlagen wurden in der Vergangenheit vielfältige technische Lösungen eingeführt. Zu den wichtigsten Verfahrensvarianten gehören der Einsatz von Rückspiegelungsflächen und/oder die Schwärzung der strahlenaufnehmenden Kollektorflächen in vielfältigen technischen Ausführungen. Alle diesbezüglich bekannt gewordenen Lösungen sind oft teuer oder störanfällig bei mechanischer Belastung oder gegenüber korrosiven Bestandteilen in den aufzuheizenden Flüssigkeiten. Außerdem ist die Verbesserung der Wärmeausnutzung noch unbefriedigend.
In der Offenlegungsschrift DE 3401185 A1 wird zur Verbesserung des solaren Aufheizprozesses das salzhaltige Wasser mit „verdüstem 15%igen Ferrosilizium (FeSi) mit einer Partikelgröße von 20 Mikrometer und kleiner” vermischt. Das in Salzwasser suspendierte hochfeine Ferrosilizium ist gegenüber dem Salzwasser chemisch resistent. Außerdem wird durch die Schwärzung des gesamten salzhaltigen Wassers mit dem hochfeinen FeSi die Adsorption der „Sonnen- bzw. Globalstrahlung” verbessert. Von Nachteil ist, dass durch die stabile Suspendierung der feinen FeSi-Mikropartikel im Salzwasser dieser Zusatzstoff mit dem Abwasser aus den Kollektoren ausgetragen wird. Das macht eine vollständige und damit aufwendige Reinigung des abfließenden Salzwassers z. B. durch magnetische Abscheidung der FeSi-Partikel erforderlich. Nachteilig sind zudem die hohen Herstellungskosten für das Ferrosilizium und der hohe Energiebedarf für dessen Hochtemperaturprozess.
Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Aufheizhilfsmittels, mit dem die solare Wärmestrahlung effektiver zur beschleunigten Aufheizung und Verdunstung der zu erhitzenden Flüssigkeit ausgenutzt wird, das mechanisch und thermisch stabil sowie resistent gegenüber der zu erhitzenden Flüssigkeit ist und keine Kontamination der Flüssigkeit verursacht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für die beschleunigte Aufheizung und Verdunstung der Flüssigkeit durch solare Wärmeeinstrahlung feinkörniger und poröser Koks als Aufheizhilfsmittel verwendet wird und die aufzuheizende Flüssigkeit die Koksschüttung wenig überstehend ausfüllt.
Der Koks ist ein vorteilhaftes Aufheizhilfsmittel, weil er durch seine schwarze Farbe die Wärmeeinstrahlung bestmöglich absorbiert und die Reflexion der Wärmestrahlung durch seine diffuse Oberfläche gering ist. Außerdem gibt der Koks die aufgenommene Wärme durch seine Wärmeleitfähigkeit schnell an die umgebende Flüssigkeit ab. Diese beiden Eigenschaften der starken Wärmeabsorption und der schnellen Wärmeleitung in die umgebende Flüssigkeit sind erfindungsgemäß dann optimal wirksam, wenn ein feinkörniger und polydisperser Koks mit hoher innerer Porosität verwendet wird. Des Weiteren ist nur staubfreier Koks als Aufheizhilfsmittel geeignet. Für die Verwendung von Koks als Aufheizhilfsmittel sind Kokskörnungen von etwa 0,1 mm bis 10 mm und vorzugsweise 0,2 mm bis 2 mm geeignet. Diese polydisperse Korngrößenverteilung ist für eine hohe Packungsdichte der Koksschüttung erforderlich, weil so die Lückenvolumina zwischen größeren Körnern bestmöglich durch kleinere Kokskörner ausgefüllt werden. Auf diese Weise wird die in die Koksschüttung einfließende Flüssigkeit in kleine Volumenelemente und dünne Flüssigkeitsschichten mit großer Berührungsfläche und damit Austauschfläche zu den Kokskörnern aufgeteilt. Das beschleunigt den Wärmeaustausch zwischen den stärker erwärmten Kokskörnern und der Flüssigkeit. Letzteres wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass als Aufheizhilfsmittel poröse Kokskörner mit Porositäten von > 10% und vorzugsweise > 30% verwendet werden. Die Flüssigkeit füllt auch das innere Porenvolumen der Kokskörner aus. Die feindisperse Verteilung der Flüssigkeit in den Kokskapillaren und die besonders große spezifische Kontaktfläche zwischen beiden Stoffen beschleunigen die Aufheizung der Flüssigkeit stark. Die Aufheizgeschwindigkeit und/oder die Verdunstungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit wird dank des Kokses dann am stärksten erhöht, wenn die Flüssigkeit gerade das Lücken- und Kapillarvolumen der dicht gepackten Koksschüttung wenig überstehend ausfüllt. Durch geringes Überstehen der Flüssigkeit wird die Abstahlung von Wärme verhindert und eine Überhitzung der obersten Kokspartikel vermieden.
Als Aufheizhilfsmittel ist Koks geeignet, der sich durch eine hohe Kornfestigkeit auszeichnet und der staubfrei ist. Die Staubabtrennung wird durch Absieben des Unterkornanteils mit Korngrößen von z. B. ≤ 0,1 mm oder ≤ 0,25 mm sowie durch Abspülen des Koksstaubs von den Kornoberflächen durch Waschung erreicht.
Für die Herstellung des festen Kornkokses sind rezente und fossile organische Rohstoffe geeignet. Die Kokse können z. B. in bekannter Weise aus Kokosschalen, Steinobstkernen, Holz, Samenkörnern, Torf, Braunkohlen, Steinkohlen u. a. m. erzeugt werden. Bei Bedarf wird die Koksfestigkeit und die Porosität durch Vermischung der Ausgangsrohstoffe vor deren Verkokung mit Verkokungshilfsmittel und/oder mit porenbildenden Substanzen nach dafür bekannten Verfahrenstechnologien gezielt eingestellt [E. Rammler und H.-J. v. Alberti: Technologie und Chemie der Braunkohlenverwertung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1962 S. 250–275; H. Krug und W. Naundorf: Braunkohlenbrikettierung, Band 2, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1984, S. 97–109; W. Rammler-Naundorf: Ergebnisse von Laboruntersuchungen zur Herstellung von Verkokungsbriketts aus nicht- und schwachbackenden Brennstoffen, Freiberger Forschungsheft A 807 (1992), S. 1–153]. Die Körnung des Kokses für die Verwendung als Aufheizhilfsmittel wird durch Zerkleinerung und Klassierung der Verkokungsrohstoffe und/oder des Kokses bzw. durch Granulierung der Rohstoffe vor der Verkokung eingestellt.
Der feste und poröse Kornkoks ist für die Verwendung als Aufheizhilfsmittel für Flüssigkeiten durch solare Wärmeeinstrahlung auch deshalb vorteilhaft geeignet, weil er vollständig wasserbeständig und zudem resistent gegenüber Inhaltstoffen der Flüssigkeiten und gegenüber biologischem Abbau ist. Das sind wichtige Voraussetzungen für eine lange Nutzungsdauer des Aufheizhilfsmittels und zur Vermeidung von Umweltbelastungen durch Stoffe, die sonst bei der Auflösung des Aufheizhilfsmittels oder durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Aufheizhilfsmittels und der aufzuheizenden Flüssigkeit entstehen könnten. Die benannten Eigenschaften hat der Kornkoks bei richtiger Auswahl und Aufbereitung der Verkokungsrohstoffe und bei der Verkokung der Verkokungsrohstoffe bis zu einer Verkokungstemperatur von mindestens ≥ 500°C und vorzugsweise bis etwa 800°C bis 1000°C.
Der feste und porenreiche Kornkoks ist auch deshalb ein vorteilhaft geeignetes Aufheizhilfsmittel für Flüssigkeiten durch solare Wärmeinstrahlung, weil er wegen seiner hohen Reindichte von etwa 1,4 g/cm³ bis 2,0 g/cm³ eine Feststoffschüttung ausbildet, die nicht wegschwimmt. Das erspart den Einsatz aufwendiger Abscheiderstufen und die ständige Neubefüllung der Kollektorräume mit dem Aufheizhilfsmittel. Die aufzuheizende und ggf. zu verdampfende Flüssigkeit steht mit konstanter Höhe in der Koksschüttung, wobei Verluste durch Nachbefüllung ausgeglichen werden oder sie strömt kontinuierlich durch das Koksbett. Die Koksschicht kann ruhen oder bewegt werden.
Ziel des Aufheizprozesses können die Erzeugung von Warm- bzw. Heißwasser, das Ausflocken von hitzeunbeständigen Bestandteilen aus den Flüssigkeiten, die Hygienisierung der Flüssigkeiten oder das Verdunsten bzw. das Verdampfen der Flüssigkeiten bzw. von in der Flüssigkeit gelösten Bestandteilen sein. Von besonderem Interesse ist z. B. die Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser und Brackwasser durch Verdunstung bzw. Verdampfung. Dabei wird die Wasserverdunstung in bekannter Weise durch Einstellung von Vakuumbedingungen zusätzlich beschleunigt. Der Koks ist ein bis über 400°C hitzebeständiges Aufheizhilfsmittel. Die Gefahr der Selbstentzündung ist bei der Lagerung selbst bei hohen Temperaturen äußerst gering. Beim versehentlichen Eindringen von verstreutem Koks in das Erdreich fungiert er als Bodenverbesserungsstoff.
Ausführungsbeispiel
Es wurden eine Anlage zur Wasserverdampfung mit einem Braunkohlenkoks (Porosität 33%) in der Körnung 0,5 mm bis 1,5 mm und mit Modellmeerwasser (3 g NaCl/I) im Verhältnis 1:5 befüllt und anschließend einer künstlichen Strahlungsquelle ausgesetzt. Zum Vergleich wurde die Anlage auch ohne den Zusatz von Koks mit reinem Modellmeerwasser betrieben. Beim vierstündigen Betrieb der Anlage bei einem Systemdruck von 250 mbar konnte durch den Einsatz des Kokses ca. 40% mehr Kondensat gewonnen werden. Außerdem stellte sich trotz der höheren Verdampfungsleistung eine ca. 10% höhere Temperatur in der Koks beladenen Anlage aufgrund der verbesserten Strahlungsabsorption ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3401185 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. Rammler und H.-J. v. Alberti: Technologie und Chemie der Braunkohlenverwertung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1962 S. 250–275 [0009]
H. Krug und W. Naundorf: Braunkohlenbrikettierung, Band 2, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1984, S. 97–109 [0009]
W. Rammler-Naundorf: Ergebnisse von Laboruntersuchungen zur Herstellung von Verkokungsbriketts aus nicht- und schwachbackenden Brennstoffen, Freiberger Forschungsheft A 807 (1992), S. 1–153 [0009]

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Aufheiz-, Verdunstungs- bzw. Verdampfungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten durch ein Aufheizhilfsmittel bei solarer Wärmeeinstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufheizmittel feinkörniger und poröser Koks verwendet wird und die aufzuheizende Flüssigkeit die Koksschüttung wenig überstehend ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Korngrößenverteilung des eingesetzten feinkörnigen und porösen Kokses so gewählt wird, dass eine Koksschüttung mit hoher Packungsdichte und geringem Zwischenraumvolumen resultiert.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass eine Koksschüttung aus festen polydispersen und porösen Kokskörnern mit einer Porosität von > 10% und mit Korngrößen zwischen 0,1 mm bis 10 mm eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine Koksschüttung aus festen polydispersen und porösen Kokskörnern mit einer Porosität von > 30% und mit Korngrößen zwischen 0,2 und 2 mm eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein fester, polydisperser, poröser und tiefschwarz gefärbter Kornkoks eingesetzt wird, der aus rezentem Rohstoff und/oder fossilen Brennstoffen nach bekannter Technologie, gegebenenfalls durch Zusatz von Verkokungshilfsmitteln und/oder Porenbildnern sowie nach Granulierung bzw. Pelletierung, durch Verkokung hergestellt worden ist.