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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten, insbesondere von Meerwasser, die Vorrichtung und das Verfahren sind jedoch auch zur Aufbereitung von Brackwasser oder Abwasser oder anderen flüssigen Medien geeignet.
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Zur Aufbereitung von Flüssigkeiten sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Eine mechanisch-biologische Aufbereitung von Abwassern findet in Kläranlagen statt. Meerwasserentsalzungsanlagen können auf der Basis von Filtern oder osmotischen Einrichtungen arbeiten, alternativ oder ergänzend wird Meerwasser erhitzt, der Wasserdampf kondensiert und das Kondensat aufgefangen.
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Die
DE 21 15 382 A betrifft eine Verdampfungsvorrichtung und ein Verdampfungsverfahren, bei dem mehrere übereinander angeordnete Verdampfungszonen vorgesehen sind. In jeder Zone sind eine Bodenplatte und zumindest eine Dampfabzugskammer vorgesehen. Über einen Unterdruckerzeuger wird der Druck in jeder Kammer so eingestellt, bis er unterhalb eines Wertes des Sättigungsdruckes bei der jeweiligen Flüssigkeitstemperatur gehalten wird. Dadurch wird ein Teil der Flüssigkeit in Dampf umgewandelt und durch die Dampfabzugskammer abgesaugt. Der nicht verdampfte Teil wird durch eine Öffnung in der Bodenplatte in die darunter liegende Kammer geleitet, in der ebenfalls der Druck in der zweiten Zone auf einen unterhalb des Sättigungsdruckes der Flüssigkeit liegenden Wert gehalten wird. Die aus den jeweiligen Zonen abgezogenen Dämpfe werden abgekühlt, so dass der Dampf kondensiert und das Kondensat über eine Auslassöffnung geführt werden kann.
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Die
DE 21 43 330 A betrifft ein Mehrstufenverdampfer zur Flüssigkeitsdestillation, beispielsweise zur Destillation von Wasser aus Seewasser. Über einen Dampfeinlass wird Dampf in offene Rohrenden eines Rohrbündels eingeleitet. An dem gegenüberliegenden Rohrende sind Verschlussstopfen mit einer Durchgangsöffnung angeordnet. Von außen wird beispielsweise Salzwasser auf die Rohrbündel aufgesprüht. Durch den Wärmeübergang wird ein Teil des Salzwassers verdampft, die aufkonzentrierte Lauge wird aus der Kammer abgeführt. Das teilweise verdampfte Salzwasser wird zusammen mit dem Restdampf einer nachfolgenden Destillationsstufe zugeführt, in der auf einem geringeren Temperaturniveau das Verfahren wiederholt wird. Die in jedem Bereich gebildeten Konzentrate gelangen über einen Sammler in eine gemeinsame Konzentratableitung.
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Die
EP 1 113 847 B1 betrifft ein Verfahren zur Destillierung eines Fluids mit einer Grundzelle, die zwei Metallplatten aufweist, die durch einen Distanzrahmen voneinander getrennt sind. Durch eine Trennwand wird die Zelle in eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone unterteilt. Über eine Versorgungsleitung wird die zu destillierende Flüssigkeit in die Verdampfungszone geleitet, wobei die zu destillierende Flüssigkeit als dünner Film über beide Wände der Verdampfungszone rinnt. Nicht verdampfte Flüssigkeit oder aufkonzentrierte Flüssigkeit wird im unteren Bereich der Verdampfungszone gesammelt. Destillierte Flüssigkeit wird im unteren Bereich der Kondensationszone mittels einer Destillationsleitung abgeführt. Die Verdampfungszone und die Kondensationszone sind miteinander über kalibrierte Bohrungen verbunden, die in der zentralen Strebe oder Trennwand vorhanden sind. Verdampfte Flüssigkeit wird durch die Bohrungen in die Kondensationszone transportiert und dort kondensiert. In jeder Zelle kann ein Unterdruck angelegt werden. Es besteht die Möglichkeit, mehrere Zellen hintereinander anzuordnen, so dass eine Seitenwand der Kondensationszone die Seitenwand der daneben angeordneten Verdampfungszone bildet oder thermisch mit ihr gekoppelt ist.
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Die
EP 0 530 001 A2 betrifft einen Mehrstufen-Verdampfer mit einem oder mehreren vertikalen Türmen, in denen eine Anzahl vertikal beabstandeter Verdampferstufen angeordnet sind, die durch Demister voneinander getrennt sind. Den Türmen sind ein Oberflächenkondensator, ein Soletank und ein Produkttank zugeordnet. Die aufeinander folgenden Verdampferstufen sind über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Flüssigkeiten bereitzustellen, die eine einfache und kostengünstige Konstruktion und Betrieb der Vorrichtung ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches und ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von Flüssigkeiten mit mehreren aufeinanderfolgenden Verdampferkammern mit jeweils einem Kammerzulauf und voneinander durch eine Trenneinrichtung getrennten Kondensat- und Soleabläufen sieht vor, dass zumindest eine Verdampfereinrichtung und eine Kondensiereinrichtung mit einer im Vergleich zu der Verdampfereinrichtung niedrigeren Temperatur vorhanden sind, wobei eine Verbindungsleitung von dem Soleablauf einer Verdampferkammer zu dem Kammerzulauf der jeweils nachfolgenden Verdampferkammer geführt ist, um die aufkonzentrierte Sole in die nächste, nachfolgende Verdampferkammer zu leiten. In jeder Verdampferkammer liegt ein von einer Vakuumpumpe erzeugter Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck an, so dass es möglich ist, eine kostengünstige Verdampfung bei entsprechend niedrigen Temperaturen durchzuführen. Durch die hintereinander angeordneten Verdampferkammern und die Schleifenführung des Soleablaufs in die jeweils nachgelagerte Verdampferkammer ist es möglich, die Sole sehr hoch zu konzentrieren, so dass nach dem Herausführen der Sole aus der letzten Verdampferkammer, beispielsweise durch eine weiterführende Eindampfstufe, die Sole bis zum Kristallisationspunkt aufkonzentriert werden kann, um bei der Aufbereitung von Meerwasser Meersalz zu gewinnen oder bei der Aufbereitung von anderen Flüssigkeiten einen deponierbaren Feststoffrest zu erhalten. Das durch Verdampfung aufkonzentrierte Medium wird als Sole bezeichnet, auch wenn es kein Salze enthält.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass in jeder nachfolgenden Verdampferkammer der Unterdruck größer als in der jeweils vorgelagerten Verdampferkammer ist, um zu ermöglichen, dass die Siedpunkt- und Verdampfungstemperatur in der nachfolgenden Verdampferkammer geringer als in der vorgelagerten Verdampferkammer ist. Dadurch ist es möglich, den kaskadenartigen Verlauf der Soleführung ohne Zwischenerwärmung und ohne weitere Zufuhr thermischer Energie durchzuführen.
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Die Verdampfereinrichtung und die Kondensiereinrichtung sind vorteilhafterweise als Kammerwände der Verdampferkammern ausgebildet, so dass eine besonders einfache Konstruktion der Vorrichtung ermöglicht wird. Das aufzubereitende Medium, beispielsweise Meerwasser, wird an einer warmen Kammerwand entlang geleitet, beispielsweise als ein Fallfilm, wohingegen eine zweite, vorteilhafterweise der ersten Wand gegenüberliegende Kammerwand als Kondensiereinrichtung ausgebildet ist, die eine im Vergleich zur warmen Kammerwand niedrigere Temperatur aufweist und an der sich das verdampfte Medium, beispielsweise Wasser, niederschlägt. Von der Kondensiereinrichtung wird das Kondensat ebenfalls als Fallfilm nach unten abgeleitet, Pumpeinrichtungen zur Förderung des Kondensats durch die Verdampferkammer sind nicht notwendig, ebenso wenig wie für die Förderung des Speisemediums oder der Sole, die durch den anliegenden Unterdruck an den oberen Zulauf der nachfolgenden Verdampferkammer gefördert wird.
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An der Verdampfereinrichtungen können strömungsleitende Elemente und/oder oberflächenvergrößernde Einrichtungen wie Vorsprünge, Rippen oder dergleichen angeordnet sein, die quer oder schräg zur Fallrichtung orientiert sind, um die Verweildauer des aufzubereitenden Mediums an der Verdampfereinrichtung zu vergrößern und die Strömungsgeschwindigkeit des Fallfilms an der Verdampfereinrichtung zu verringern. Die Oberflächen können ebenfalls aufgeraut sein.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass aufeinander folgende Verdampferkammern durch eine Trennwand getrennt sind, die in der ersten Verdampferkammer die Kondensiereinrichtung und in der nachfolgenden Verdampferkammer die Verdampfereinrichtung bildet. Durch die Ausgestaltung der Verdampferkammern beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, das durch die jeweiligen Trennwände die einzelnen Verdampferkammern ausbildet, können die Temperaturunterschiede und die Verdampfungsenthalpie vorteilhaft ausgenutzt werden. Durch das Verdampfen des Mediums auf der als Verdampfereinrichtung genutzten Seite der Trennwand kühlt sich die Trennwand ab und dient somit zur Aufrechterhaltung der vergleichsweise niedrigeren Temperatur auf der Seite der Trennwand, die die Kondensiereinrichtung der vorgelagerten Verdampferkammer bildet.
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Der ersten Verdampferkammer kann eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Speisemediums vorgelagert sein, um das Speisemedium auf die gewünschte Verdampfungstemperatur zu erwärmen. Das aufzubereitende Medium kann über mehrere Vorwärmstufen geführt werden, wofür eine externe Wärmezufuhr nicht notwendig ist. Die zusätzlich benötigte Wärmeenergie kann über erneuerbare Energien wie Solarenergie oder unter Ausnutzung von Abwärme aus parallelen Verarbeitungs- oder Herstellprozessen bereitgestellt werden.
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Die letzte Verdampferkammer ist zur Bereitstellung des notwendigen Temperaturgefälles in der letzten Verdampferkammer zwischen der Verdampfereinrichtung und der Kondensiereinrichtung mit einer Kühleinrichtung gekoppelt, die beispielsweise mit einer Speisemediumfördereinrichtung gekoppelt ist. Dadurch ist es möglich, das aufzubereitende Speisemedium bereits vorzuwärmen, indem das Speisemedium an der Außenseite der Kondensiereinrichtung entlanggeführt und erwärmt wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Kühlmedium wieder abzuführen oder nur teilweise als Speisemedium zu verwenden.
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Die Verdampferkammern sind vorteilhafterweise senkrecht oder in solch einem Winkel geneigt orientiert, dass das Kondensat nicht auf die Verdampfereinrichtung tropft. Die senkrechte Orientierung sowohl der Kondensiereinrichtung als auch der Verdampfereinrichtung ermöglicht einen schnellen Ablauf des jeweiligen Flüssigkeitsfilms und einen Transport sowohl des Kondensats als auch der Sole ohne Fördereinrichtungen. Der Winkel der Kondensiereinrichtung muss sicherstellen, dass das Kondensat oder Destillat in Richtung des Kondensatsablaufes fließt oder fließen kann und dass das Kondensat nicht auf die Verdampferfläche tropft, um den Wirkungsgrad der Vorrichtung nicht zu verringern. Die Verdampfungsleistung ist ebenfalls von der Fließgeschwindigkeit des Oberflächenfilms und somit auch von der Neigung der Verdampfereinrichtung abhängig, je geringer die Fließgeschwindigkeit ist, desto länger ist die Kontaktzeit des Mediums mit der Verdampfereinrichtung und somit auch die Verdampfungsleistung. In Abhängigkeit von der Größe und Länge der Verdampferfläche ist sowohl die Neigung der Verdampfereinrichtungen bzw. der Kammerwände als auch die Anzahl der Verdampferstufen zu wählen. Die Anzahl der Verdampferkammern bestimmt auch die Druckabstufung, also den jeweiligen Unterdruck in der Verdampferkammer und damit auch die Förderleistung der Sole bezüglich des Höhenunterschiedes und damit auch des möglichen Anstellwinkels der Verdampfereinrichtung.
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Neben einer ausschließlichen Zuführung der aufkondensierten und aufkonzentrierten Sole von dem Soleablauf zum Kammerzulauf der nachfolgenden Kammer ist es möglich, eine Speisemediumzuleitung in die jeweilige Verbindungsleitung zwischen zwei Verdampferkammern einzubauen und frisches Speisemedium in den Kammerzulauf einzubringen, um die Förderleistung zu erhöhen. Dies hat den Vorteil, dass die Ausbeute des Kondensats vergrößert wird, da die optimale Menge des Speisemediums für den Fallfilm jeder Verdampferkammer zugeführt werden kann. Allerdings wird damit in Kauf genommen, dass sich die Menge an Sole vergrößert, so dass ein großer Anteil ein Restsole verbleibt, der gegebenenfalls entsorgt werden muss.
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Kondensatablaufleitungen, die das Kondensat von dem jeweiligen Kondensatablauf aus der jeweiligen Verdampferkammer abführen, können mit einer Vorwärmeinrichtung für das Speisemedium verbunden werden, um die in dem Kondensat vorhandene Restwärme auszunutzen. Das Speisemedium kann im Gegenstrom zu dem Kondensat aus den Kondensatablaufleitungen in der Vorwärmeinrichtung geführt werden, wobei die Kondensatablaufleitungen der Temperatur des jeweiligen Kondensats entsprechend an der Vorwärmeinrichtung angeschlossen sind. Die Kondensatablaufleitungen mit dem wärmsten Kondensat wird dem Auslass des Speisemediums in der Vorwärmeinrichtung am nächsten angeordnet, während die Kondensatablaufleitung mit dem kältesten Kondensat, also aus der letzten Verdampferkammer, dem Auslass am entferntesten angeordnet wird, also am nächsten zu dem Einlass des Speisemediums in der Vorwärmeinrichtung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbereiten von Flüssigkeiten sieht vor, dass das Speisemedium als Fallfilm an einer Verdampfereinrichtung in einer ersten Verdampferkammer vorbei geführt wird. Der Fallfilm kann beispielsweise durch Aufsprühen des Speisemediums auf der Verdampfereinrichtung erzeugt werden. Das verdampfte Speisemedium schlägt sich an einer Kondensiereinrichtung als Kondensat nieder, die nicht verdampfte Sole aus dem Speisemedium und das Kondensat werden getrennt abgeführt. Die Sole wird anschließend in eine nachfolgende, zweite Verdampferkammer geleitet, in der die aufkonzentrierte Sole erneut verdampft, das Kondensat getrennt und wiederum abgeführt wird. Die Verdampfung erfolgt dabei jeweils nur insoweit, als eine Restsole verbleibt, die als Flüssigphase abgeführt wird. In den Verdampferkammern ist ein gegenüber dem Atmosphärendruck niedrigerer Kammerinnendruck erzeugt worden, der von der ersten Verdampferkammer zur nachfolgenden zweiten Verdampferkammer verringert wird. Die jeweils nachfolgende Verdampferkammer weist einen niedrigeren Kammerinnendruck als die vorherige Kammer auf, um zu erreichen, dass ein abgestufter, sich verringernder Siedepunkt des Mediums in der jeweiligen Verdampferkammer einstellt, so dass die Verdampfungstemperatur verringert wird und keine thermische Energie zugeführt werden muss.
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Die Verdampfung und die Kondensation des Mediums können in einer gemeinsamen Verdampferkammer durchgeführt werden, wodurch sich eine einfache Art und Weise der Aufbereitung des Mediums im Wesentlichen frei von mechanischen Komponenten erzielen lässt.
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Insbesondere für den Fall, dass die Gefahr besteht, dass in dem aufzubereitenden Medium beispielsweise Keime oder Bakterien vorhanden sind, die im Destillat auf keinen Fall vorkommen dürfen, kann es sinnvoll sein, die nicht verdampfte Sole und das Kondensat durch eine Trennwand nahezu vollständig voneinander zu trennen. Dies ist insbesondere in der Wasseraufbereitung für die Pharmaindustrie von Interesse, da auch die theoretische Möglichkeit einer Keimübertragung durch Tröpfchenflug oder ähnliches soweit wie möglich ausgeschlossen werden muss. Eine Trennwand, die zwischen Sole und Kondensat vorgesehen ist, wird in diesem Fall durch nahezu die gesamte Verdampferkammer vergrößert, bis lediglich ein Spalt von beispielsweise einigen Zentimetern Durchmesser verbleibt. Durch diesen Spalt kann das verdampfte Medium von der Verdampfereinrichtung zur Kondensiereinrichtung übertreten, wodurch ein Tröpfchenflug oder ähnliches deutlich eingeschränkt wird. Um eine sichere Tröpfchenabscheidung zu gewährleisten, kann hier eine weitere Umlenkung vorhanden sein, so dass das Medium nicht auf geradem Weg von der Verdampfereinrichtung zur Kondensiereinrichtung gelangen kann, sondern eine oder mehrere Richtungsänderungen vollziehen muss.
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Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer 10-stufigen Meerwasseraufbereitungsanlage.
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In der Figur ist in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Mediums, beispielsweise Meerwasser, Brackwasser oder Abwasser dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist mehrere Verdampferkammern 10–19 auf, die nebeneinander angeordnet sind. Jede Verdampferkammer 10–19 weist einen Kammerzulauf 3 auf, der am in Schwerkraftrichtung oberen Ende der jeweiligen Kammer 10–19 angeordnet ist. Von dem Kammerzulauf 3 wird das Speisemedium, beispielsweise Meerwasser, auf eine Kammerinnenwand aufgebracht, beispielsweise gleichmäßig aufgesprüht und läuft dann als Wasserfilm an der jeweiligen Kammerinnenwand nach unten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird von dem Kammerzulauf 3 das Medium auf die in Zeichnung linke Kammerwand 101 aufgebracht. Die linke Kammerwand dient als Verdampfereinrichtung 101, die wärmetechnisch mit einer Heizeinrichtung 7 gekoppelt ist. Über die Heizeinrichtung 7 wird die Verdampfereinrichtung 101 oder die warme Verdampferkammerwand erwärmt. Die Heizeinrichtung 7, die auch als Vorheizkammer ausgebildet ist, wird gleichzeitig zum Erwärmen des Speisemediums auf die jeweilige Verdampfungstemperatur genutzt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Speisemediumzulauf 2 durch die Vorheizkammer 7 zum Kammerzulauf 3 hindurch geleitet.
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Die erste Verdampferkammer 10 wird durch die externe Energiequelle der Vorheizkammer 7 beheizt. Die Beheizung erfolgt über die Verdampfereinrichtung 101 oder die linke Seitenwand der ersten Verdampferkammer, die gegenüberliegende Kammerwand ist im Vergleich zur linken Kammerwand kälter und dient als Kondensiereinrichtung 102.
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An dem unteren Ende der ersten Verdampferkammer 10 sind ein Soleablauf 4 und ein Kondensatablauf 5 angeordnet, durch die einerseits die nicht verdampfte und flüssige Sole des zugeführten Mediums und andererseits das an der Kondensiereinrichtung 102 kondensierte Kondensat oder Destillat aus der ersten Verdampferkammer 10 abgeführt werden. Die beiden Abläufe 4, 5 sind durch eine Trenneinrichtung 6 strömungstechnisch voneinander getrennt. Die Trenneinrichtung 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Trennwand ausgeführt, die sich über die gesamte Tiefe der Verdampferkammer 10 erstreckt und verhindert, dass sich flüssiges Kondensat und nach unten abgelaufene Sole miteinander vermischen.
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Von dem Soleablauf 4 der ersten Verdampferkammer 10 führt eine erste Verbindungsleitung 21 zu der nachfolgenden, zweiten Verdampferkammer 11. Die erste Verbindungsleitung 21 mündet in den Kammerzulauf der zweiten Verdampferkammer 11, wobei die zweite Verdampferkammer 11, wie die nachfolgenden Verdampferkammern 12–19 auch, eine im Wesentlichen gleiche Konstruktion wie die erste Verdampferkammer 10 aufweist. Der Vorgang der Verdampfung, Kondensation und Trennung der aufkonzentrierten Sole und des Kondensats wiederholt sich in der zweiten Verdampferkammer 11 analog zu dem in der ersten Verdampferkammer 10 und in jeder nachfolgenden Verdampferkammer 12–19. Von dem jeweiligen Soleablauf 4 der jeweiligen Verdampferkammer 11–18 erfolgt dann eine Zuleitung der aufkonzentrierten Sole über die jeweilige Verbindungsleitung 22–29 zu der jeweils nachfolgenden Verdampferkammer 12–19.
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In jeder Verdampferkammer 10–19 liegt ein gegenüber dem atmosphärischen Druck verringerter Druck an, der durch eine Vakuumpumpe 9 erzeugt wird. Der Unterdruck ist von Verdampferkammer zu Verdampferkammer abgestuft, wobei in der letzten Verdampferkammer 19 der niedrigste Druck anliegt, während in der ersten Verdampferkammer 10 der höchste Unterdruck anliegt. Aufgrund des Druckgefälles von einer Verdampferkammer zur nachfolgenden Verdampferkammer ist es nicht notwendig, dass eine zusätzliche Pumpeinrichtung von dem jeweiligen Soleablauf 4 zum Kammerzulauf der nachfolgenden Verdampferkammer vorgesehen ist. Es wird daher nur eine einzige Vakuumpumpe 9 benötigt, um den gesamten Solekreislauf durch die gesamten Verdampferkammern 10–19 aufrecht zu halten.
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Das sich an der Kondensiereinrichtung 102 abgesetzte Wasser fließt an der Kondensiereinrichtung 102 nach unten und von dem Kondensatablauf 5 durch Kondensatablaufleitungen 51–60 in eine Vorwärmeinrichtung 34, wobei aufgrund der jeweils abnehmenden Temperatur von der ersten Verdampferkammer 10 bis zur letzten Verdampferkammer 19 ein Temperaturgefälle der Kondensatabläufe vorliegt. Die Kondensatablaufleitungen 51–61 werden gemäß ihrer Temperatur entlang der Wärmeaustauschstrecke der Vorwärmeinrichtung 34 zugeleitet, die Vorwärmeinrichtung 34 ist als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet und erwärmt das Speisemedium, das durch die Speiseleitung 2 in die Vorwärmeinrichtung 34 eingeleitet wird. Ebenso wird eine Soleablaufleitung 41 von der letzten Verdampferkammer 19 zu der Vorwärmeinrichtung 34 geleitet und dient zur Vorwärmung des Speisemediums, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Soleablaufleitung 41 näher am Zulauf des Speichermediums zur Vorwärmeinrichtung 34 als die Kondensatablaufleitung 60 aus der letzten Verdampferkammer 19 angeordnet. Von der Vorwärmeinrichtung 34 wird das Kondensat oder Destillat über eine Pumpe 35 abgeführt, die aufkonzentrierte Sole wird über die Pumpe 36 der weiteren Behandlung zugeführt, beispielsweise bei einer Nutzung der Vorrichtung 1 als Meerwasserentsalzungsanlage zu einer weiteren Aufkonzentration bis zum Kristallisationspunkt und zur Gewinnung von Meersalz.
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Die Heizeinrichtung 7 sieht am oberen Ende einen Wärmezufuhranschluss 32, beispielsweise zur Zufuhr externer Wärme über Wasserdampf oder Warmwasser vor, im unteren Ende der Heizeinrichtung 7 ist ein Rücklauf 33 vorgesehen, um das Wärmemedium entweder erneut zu erwärmen oder abzuführen.
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An der Kühleinrichtung 8 ist ein Kühlmediumzulauf mittels einer Kühlmittelpumpe 30 vorgesehen. Ein Kühlmediumrücklauf 31 am unteren Ende der Kühleinrichtung 8 transportiert das Kühlmedium ab. Es ist grundsätzlich möglich, dass als Kühlmedium das Speisemedium verwendet wird, beispielsweise Meerwasser, so dass das in der Kühleinrichtung 8 vorgewärmte Speisemedium zumindest teilweise genutzt und Ober die Vorwärmeinrichtung 34 und die Heizeinrichtung 7 der ersten Verdampferkammer 10 zugeführt werden kann. Neben dem Verarbeiten eines Mediums in den Verdampferkammern 10–19 in einem Kreislauf, bei dem die Sole von Verdampferkammer zu Verdampferkammer immer weiter aufkonzentriert wird, ist es möglich, dass in die jeweilige Verbindungsleitung 21–29 frisches Speisemedium eingespeist wird, beispielsweise über eine Speisemediumzuleitung 212, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwischen der ersten Verdampferkammer 10 und der zweiten Verdampferkammer 11 dargestellt ist. Dadurch ist es möglich, die Ausbeute des kondensierten Mediums, beispielsweise Wasser, zu erhöhen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Verdampfung und die Kondensation in einer gemeinsamen Kammer. Dazu ist es notwendig, dass die Verdampfereinrichtung 101 und die Kondensiereinrichtung 102 unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die Verdampfereinrichtung 101, im dargestellten Ausführungsbeispiel die erwärmte linke Kammerwand, ist wärmer als die gegenüberliegende Kammerwand oder Kondensiereinrichtung 102. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verdampferkammern 10–19 durch jeweils eine Trennwand voneinander getrennt, die Temperatur der Trennwand ist auf der Oberfläche der vorhergehenden Kammer im Wesentlichen gleich der Temperatur der nachfolgenden Kammer, so dass in der vorhergehenden Kammer die Trennwand die Kondensiereinrichtung 102 und in der nachfolgenden Verdampferkammer die der Verdampfereinrichtung 101 ausbildet. Um den Effekt der Verdampfung in den nachfolgenden Kammern zu erzielen, ist es notwendig, dass ein vergrößerter Unterdruck in der jeweils nachfolgenden Verdampferkammer anliegt. Über die Drucksteuerung entfällt eine Aufheizung der Verdampfereinrichtung 101, vielmehr kann das natürliche Temperaturgefälle zwischen der Heizeinrichtung 7 und der Kühleinrichtung 8 in Verbindung mit der Vakuumpumpe 9 genutzt werden, um eine Aufkonzentrierung der Sole von Verdampferkammer zu Verdampferkammer zu bewirken. Aus der letzten Verdampferkammer 19 wird die Sole als Abwasser abgezogen und kann die erste Stufe der Speisemediumvorwärmung erwärmen. Über die Steuerung des Druckes und des Differenzdruckes erfolgt die Überleitung der Sole von der einen Verdampferkammer zur nachfolgenden Verdampferkammer, über den Differenzdruck wird die Förderhöhe festgelegt, beträgt dieser 0,1 bar, kann das Medium über einen Meter nach oben gefördert werden.
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Die Vorrichtung 1 ist konstruktiv sehr einfach aufgebaut und erlaubt einen dauerhaften Betrieb ohne hohen Wartungsaufwand, insbesondere ohne Austausch von Filtereinrichtungen. Es können kleine, dezentrale Einheiten zur Versorgung kleinerer Gruppen oder Flächen ebenso wie Anlagen im industriellen Großmaßstab auf der Basis der vorgestellten Konstruktion durchgeführt werden. Neben Meerwasseraufbereitung kann auch normale Wasseraufbereitung oder Abwasseraufbereitung sowie eine Flüssigkeitseindampfung im lebensmitteltechnischen Bereich stattfinden, beispielsweise um den Wasseranteil in dem Medium zu verringern. Auch wenn das Medium kein Salz enthält, fällt es im Rahmen der Erfindung unter die Bezeichnung Sole.
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Im Rahmen eines möglichen Ausführungsbeispiels kann die Druckabstufung zwischen den Verdampferkammern 10–19 gleichmäßig sein, bei zehn Verdampferkammern 10–19 kann ein Differenzdruck von = 0,1 bar vorgesehen sein. Die Fläche der Verdampfereinrichtung 102 ist aufgrund der bauartlichen Vereinfachung gleich der Fläche der Kondensiereinrichtung 102 und kann mit einem Quadratmeter angenommen werden, die mögliche Wärmeübertragungsleistung von einer Verdampferkammer zur nächsten ist unter anderem von der Wärmedurchgangszahl K abhängig, die wiederum von der Wärmeübergangszahl, der Wandstärke und der Wärmeleitzahl abhängig ist. Die Wärmeübergangszahl ist abhängig von der Ausbildung des Fallfilms, vom der Strömungsgeschwindigkeit, der Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche der Verdampfereinrichtung 101, dem Benetzungsgrad auf der Oberfläche der Verdampfereinrichtung 101 und der Oberfläche der Kondensiereinrichtung 102 und wird mit K = 2000 W/m2/K angenommen. Die Wärmeübertragungsleistung Q ergibt sich aus dem Produkt der Verdampferfläche mit der Wärmedurchgangszahl und der logarithmischen Temperaturdifferenz über die gesamte Wärmetauscherfläche. Es wird angenommen, dass der Temperaturunterschied zwischen der Eintrittstemperatur und der Endtemperatur gering ist, so dass für die nachfolgende Betrachtung mit auf beiden Seiten der Wärmetauscherfläche gerechnet wird. Die Temperatur der Heizeinrichtung 7 wird mit 99°C angenommen, so dass sich bei einer Druckabstufung von = 0,1 bar ein = 99 – 96,7 = 2,7°K ergibt. Das ergibt sich 3,2°K, das zu 14,3°K.
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Bei einer angenommenen Kühltemperatur der Kühleinrichtung 8 von 29°C ergibt sich ein = 45,8 – 25 = 20,8°K.
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Daraus errechnet sich bei einer Annahme eines mittleren Wärmestromes von ca. 17500 W ein Gesamtwärmestrom von 175 kW. Mit einer mittleren Verdampfungswärme von r = 2300 kJ/kg ergibt sich ein Massenstrom von 273,9 kg/h, was noch weiter optimiert werden kann.
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Zur Abschätzung eines externen Energieaufwandes kann ein Produktionsmassenstrom von 270 kg/h angenommen werden, wobei angenommen wird, dass in der Heizeinrichtung 7 das Speisemedium von annähernd 85°C auf 99°C erwärmt werden muss. Dies ergibt einen spezifischen Energieaufwand von Qs = 36,33 W/kg. Da der Energiebedarf mit Niedertemperaturwärme abzudecken ist, kann die Beheizung mit Abwärme oder Solarwärme erfolgen. Elektrische Energie zum Betreiben der Vorrichtung ist lediglich für die Vakuumpumpe 9 sowie die beiden Pumpen 35 und 36 für das Kondensat und die Sole erforderlich. Gegebenenfalls muss der Speisemedium- bzw. Kühlmediumbedarf mit jeweils einer Pumpe unterstützt werden, wobei der Energiebedarf für diese Pumpen relativ gering ist. Mit einer solchen Einrichtung lassen sich aufgrund der geringen Investitions- und Wartungskosten und der hohen Lebenserwartung aufgrund der geringen Anzahl mechanischer Teile sehr wirtschaftlich große Mengen von Speisemedium, beispielsweise Meerwasser oder Brackwasser aufbereiten.
