DE102019005311A1 - Aufheizmittel zur Erhöhung der Verdunstungsrate von Wasser für thermische und solare Wasser- Verdampfer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufheizmittel zur Erhöhung von Verdunstungsraten von Wasser für thermische und solare Wasser- Verdampfer, insbesondere für Meerwasserentsalzungsanlagen, wobei für die beschleunigte Aufheizung und Verdunstung der zu verdampfenden Flüssigkeit durch solare Wärmeeinstrahlung als Aufheizhilfsmittel gelartige Substanzen, in die Energie absorbierende, insbesondere Sonnenlicht absorbierende IR-aktive Substanzen eingebracht sind, sowie poröse Substanzen mit einer hohen inneren Mikro- und Makroporosität verbunden mit einer hohen Kapillarwirkung werden, die in direkten Kontakt mit den Verdampfungsflächen stehen und von der aufzuheizenden Flüssigkeit überströmt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Aufheizmittel zur Erhöhung von Verdunstungsraten von Wasser für thermische und solare Wasser- Verdampfer, insbesondere für Meerwasserentsalzungsanlagen.
• Infolge der Wärmebewegung besitzen die Teilchen flüssiger Stoffe, auch Wasser nach der Maxwell-Boltzmamn- Verteilung unterschiedliche Geschwindigkeiten und somit eine unterschiedliche kinetische Energie. Die Teilchen, die an einer Phasengrenzfläche flüssig-gasförmig eine höhere Energie als die der Bindungsenergie zum umgebenden Stoff aufweisen, können die Phasengrenze überwinden und den Stoffverband in den Gasraum verlassen. Ihr Anteil wächst mit steigender Temperatur und ist Ursache für den zunehmenden Dampfdruck des jeweiligen Stoffs. Neben dem Übertritt in die Gasphase, gelangen Teilchen mit geringerer kinetischer Energie aus der Gasphase in die kondensierte Phase zurück, so dass sich beim Dampfdruck ein dynamisches Gleichgewicht ausbildet. Das heißt, die Dampfdruckdifferenz zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bestimmt die auftretende Nettoverdunstung. Der Dampfdruck steigt mit wachsender Temperatur. Somit bewirkt eine Temperaturerhöhung der Flüssigkeit eine erhöhte Verdunstung. Neben der Temperatur ist die Verdunstung von den Strömungsverhältnissen in der flüssigen und in der gasförmigen Phase abhängig. Die Bewegung der Luft ist für den Abtransport der durch den Verdunstungsprozess mit Feuchtigkeit angereicherten Luft verantwortlich. Der Abtransport erhöht den Dampfdruckgradienten über der Flüssigkeitsoberfläche und fördert damit den Verdunstungsvorgang. Demzufolge sind aus dem Stand der Technik Lösungen zur Erhöhung der Verdunstungsleistungen bekannt, die auf einer Temperaturerhöhung der zu verdunstenden Flüssigkeiten, auf einem erhöhten Luftstrom zum Abtransport der mit Wasserdampf beladenen Luft von der Verdunstungsoberfläche sowie auf einer vergrößerten Verdunstungsfläche und auf Anlagen eines Vakuums beruhen.
• In der DE 10 2012 014 560 A1 wird eine substanzielle Erhöhung der bei der Entsalzung von Meerwasser in Gewächshäusern gewonnenen Wassermenge wird durch Akkumulation von Wasserdampf in der Luft erzielt. Die innerhalb von Gewächshäusern aufgewärmte Luft wird nach einem erprobten mehrstufigen Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser stark befeuchtet. Bei diesem Verfahren wird ein Luftstrom durch kaskadenartige Beladung mit Wasserdampf auf hohen Feuchtigkeitsgehalt gebracht und am Ende der Kaskade in einem Kondensator abgekühlt, um das salzfreie Wasser zurück zu gewinnen
• Die DE 16 42 530 A offenbart eine Vorrichtung zur Gewinnung von Süßwasser aus Salzwasser, bei der ein Luftstrom entlang einer schlauchförmigen Folie durchgeleitet wird, wobei sich die Luft in einem ersten Teil erwärmt und in einem zweiten Teil an dem Luftschlauch eine Kondensation zum Sammeln des Süßwassers stattfinden soll. Die Luft kann dabei mittels Lüftern bewegt werden, wobei das Einbringen mechanischer Energie zum Bewegen der Luft und des Meerwassers aufwändig ist. Zudem kann die Vorrichtung nur in einer Umgebung mit Meerwasser aufgestellt werden.
• Die DE 10 2011 121 540 A1 offenbart ein 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. Für die beschleunigte Aufheizung und Verdunstung der Flüssigkeit durch solare Wärmeeinstrahlung wird feinkörniger fester und poröser Koks als Aufheizhilfsmittel verwendet, wobei 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 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.
• Diese Erfindung hat den Nachteil, dass der feinteilige feste und poröser Koks beim Transport durch die Anlage sehr abrasiv wirkt und einen hohen Verschleiß erzeugt.
• In der WO 2011/124870 A1 wird eine Meerwasserentsalzungsanlage beschrieben, wobei eine Solarpipeline Wasser aus dem Meer entnimmt und es ins Landesinnere pumpt. Das Meerwasser wird mit Sonnenenergie in Süßwasser umgewandelt. Die Verdampfungsrate wird durch die Verwendung eines Vakuums in den angeschlossenen Solarbädern erhöht. Ein Flach-Entsalzungszentrum erhöht den Frischwasserausstoß weiter, indem das Meerwasser vorgewärmt wird, bevor es in ein Vakuum gepumpt wird. Dadurch verdampft das Meerwasser. Urin kann auch verwendet werden, wenn kein Zugang zum Meer besteht.
• In der WO 2004/067451 A1 wird eine Vorrichtung zum Reinigen von Wasser, insbesondere zum Entsalzen von Salzwasser, mit einem Verdampfer für das zu reinigende Wasser und mit einem dem Verdampfer nachgeordneten Kondensator für den Wasserdampf offenbart, wobei der Verdampfer zumindest eine umlaufende textile Trägerbahn für das zu verdampfende Wasser aufweist. Um vorteilhafte Verhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Verdampfer und der Kondensator in einem Kreislauf für einen als Träger für den Wasserdampf dienenden Luftstrom liegen, dass die umlaufende Trägerbahn zwischen Umlenkrollen mäanderförmig hin- und hergeführt ist und dass die Umlenkrollen für die textile Trägerbahn, in Strömungsrichtung des Luftstroms verlaufen. Die textile Trägerbahn weist eine Oberflächenstruktur auf, beispielsweise Noppen, um die Verdampfungsoberfläche und damit die Wasserdampferzeugung noch weiter zu vergrößern bzw. zu erhöhen. Auch sind Oberflächenstrukturen mit Kapillarwirkung denkbar, um so das von der Trägerbahn aufgesogene Wasser zur besseren Verdunstung auf die Außenseiten der Trägerbahn zu fördern.
• Die Erfindung gemäß DE 19 621 042 A1 betrifft eine Anlage zur Entsalzung von See- bzw. Meerwasser, welche ausschließlich unter Ausnutzung der Sonnenenergie zur Verdunstung und Rekondensation von salzhaltigem Wasser betrieben wird, wobei diese mindestens einen auf, oder innerhalb eines Schwimmkörpers angeordneten Verdampferraum umfasst, der mit einer für Sonnenstrahlen durchlässigen Scheibe abgedeckt ist und im Verdampferraum eine Einrichtung zur Ableitung wasserdampfgesättigter Luft mit darüber befindlichem Ventilator angeordnet ist, die durch die Böden des Verdampferraumes bzw. des Schwimmkörpers geführt ist. Daran schließt sich ein mit Meerwasser gekühlter Kondensator mit in den Verdampferraum rückführenden Leitungen für die wasserdampffreie Luft an, wobei dem Kondensator eine Sammelvorrichtung für das entsalzte Wasser nachgeschaltet ist, die Einrichtungen umfasst, welche das entsalzte Wasser in einen über den Wasserspiegel angeordneten Behälter fördern. Durch den Boden des Verdampferraumes bzw. des Schwimmkörpers ist weiterhin eine als Wärmetauschereinheit ausgebildete kombinierte Einrichtung zur Zuführung und Ableitung von salzhaltigem Wasser geführt. Im Verdampferraum ist eine Einrichtung zur Ableitung wasserdampfgesättigter Luft mit darüber befindlichem Ventilator angeordnet, die durch die Böden des Verdampferraumes und des Schwimmkörpers geführt ist, und woran sich ein mit Meerwasser gekühlter Kondensator mit in den Verdampferraum rückführenden Leitungen für die wasserdampffreie Luft anschließt, wobei dem Kondensator eine Sammelvorrichtung für das entsalzte Wasser nachgeschaltet ist, welches mit Hilfe einer solarangetriebene Pumpe in einen über den Wasserspiegel angeordneten Behälter 10 gefördert wird.
• Auch bei der in der DE 31 19 615 A1 vorgeschlagenen Lösung zur Meerwasserentsalzung erfolgt die Verdunstung mit anschließender Rekondensation von Meerwasser allein unter Ausnutzung von Sonnenenergie. Hierbei wird die Luft, die das zu verdunstende Meerwasser aufnehmen soll, durch eine natürliche Kaminzugwirkung zwischen Wasseroberfläche und einer als Abdeckung dienenden Folie durchgezogen. Die erwärmte und mit Feuchtigkeit angereicherte Luft wird anschließend an Oberflächen, die sich unterhalb des Wasserspiegels befinden, gekühlt, wobei sich das Kondensat hier niederschlägt und in ein mit dem Festland rohrleitungsmäßig verbundenes Sammelbecken abläuft, bevor die Luft in einem Kamin nach außen abgeleitet wird. Antreibend für die Luftströmung ist die kontinuierliche Erwärmung entlang des inneren Kamins, bedingt durch die Temperaturdifferenz zwischen dem tieferen Meerwasser und dem durch Sonneneinstrahlung beheizten oberen Teil des Kamins, jedoch nur solange das Temperaturniveau insgesamt im Kamin höher als in der Umgebung ist.
• In der US 5.053.110 A wird eine solarbetriebene Vorrichtung zum Reinigen und / oder Entsalzen von Wasser beschrieben. Es sind mehrere Ausführungsformen offenbart, von denen jede im Wesentlichen ihre Wärmequelle aus Sonnenenergie bezieht. Die Vorrichtung weist ein einzigartiges Design der Verdampfungssammelhaube auf, die mit einer glatten Innenfläche versehen ist, um das Sammeln erhöhter Destillatmengen zu ermöglichen. Das Geräteäußere ist mit einer schwarzen Oberfläche versehen, um als schwarzer Körper zu dienen und so erhöhte Mengen der Sonnenenergie zu absorbieren. Darüber hinaus ist dasselbe Äußere mit einem Film aus infrarotabsorbierendem Material (STET) beschichtet, um die Absorption von Sonnenenergie weiter zu erhöhen. Um die Effizienz des Systems weiter zu verbessern, werden verschiedene externe Rohrkonstruktionen verwendet, um die Ladung vor ihrem Eintritt in die Verdampfungskammer vorzuwärmen. Das Destillatsammelgefäß ist eine sich nach unten erstreckende Kuppel. Dies erhöht das Volumen und reduziert gleichzeitig die erneute Verdunstung, indem die freiliegende Oberfläche minimiert wird. Die Anordnung der Vorrichtung an einem Hügel oder einer anderen erhöhten Topographie ermöglicht darüber hinaus eine weitere Steigerung des Gesamtsystemwirkungsgrads, indem das Destillat durch die Schwerkraft durch eine Turbine / einen Generator zur gemeinsamen Erzeugung von Elektrizität gepresst wird.
• In der DE 10 2017 114 020 A1 wird eine Vorrichtung zur Verdampfung und Kondensation von Wasser, insbesondere zur Gewinnung von Trinkwasser beschrieben, die aus einem geschlossenen Raum, der eine Verdampferfläche aufweist, auf die über einen Zulauf eine wasserhaltige Flüssigkeit einleitbar ist. Die Flüssigkeit strömt über die zumindest teilweise abfallende Verdampferfläche und ist dann über einen Ablauf aus dem Raum ableitbar. Oberhalb der Verdampferfläche ist eine geneigte Folie angeordnet, an der auf der zur Verdampferfläche gewandten Seite Wasser kondensieren kann und von der geneigten Folie über einen Ablauf zu einer Sammeleinrichtung ableitbar ist. Dadurch kann die Gewinnung von Kondenswasser aus Salz- oder Brackwasser auf einer großen Fläche mit einfachen Mitteln erfolgen.
• Erfindungsgemäß ist oberhalb der Verdampferfläche eine geneigte Folie angeordnet, an der auf der zur Verdampferfläche gewandten Seite Wasser kondensieren kann und von der geneigten Folie über einen Ablauf zu einer Sammeleinrichtung ableitbar ist. An dem Raum kann daher eine kostengünstig herstellbare Folie zur Kondensation eingesetzt werden, die auch über großen Verdampferflächen montiert werden kann. Dadurch kann mit einfachen Mitteln Kondenswasser gesammelt werden, wobei sowohl der Materialeinsatz gering ist als auch auf aufwändige Geräte, wie Lüfter verzichtet werden kann.
• Aus dem Stand der Technik sind Lösungen zur Erhöhung der Verdunstungsleistungen bekannt, die auf einer Temperaturerhöhung der zu verdunstenden Flüssigkeiten, auf einem erhöhten Luftstrom zum Abtransport der mit Wasserdampf beladenen Luft von der Verdunstungsoberfläche sowie auf einer vergrößerten Verdunstungsfläche und auf Anlegen eines Vakuums beruhen. Alle diese Lösungen bedürfen zur Erhöhung der Verdunstungsraten einen erhöhten Apparate-technischen Aufwand mit damit verbundenen erhöhten Kosten. Beim Einsatz von Aufheizmittel zur Erhöhung der Verdunstungsraten sind aus dem Stand der Technik nur feinteiliger Koks und Holzkohle als Aufheizmittel bekannt. Dieser feinteilige Koks zeigt beim Einsatz insbesondere in Meerwasserentsalzungsanlagen hohe abrasive Eigenschaften, die zum frühzeitigen Verschleiß der Anlagen führen.
• Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung von Aufheizhilfsmittel zur Erhöhung der Verdunstungsraten für solare Verdampfer in Vorrichtungen zur Verdampfung und Kondensation von Wasser, insbesondere zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser, wobei die Aufheizmittel mechanisch und thermisch stabil sowie resistent gegenüber der zu erhitzenden Flüssigkeit sind und keine Kontamination der Flüssigkeit verursacht.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für die beschleunigte Aufheizung und Verdunstung der zu verdampfenden Flüssigkeit durch solare Wärmeeinstrahlung als Aufheizhilfsmittel gelartige Substanzen, in die Energie absorbierende, insbesondere Sonnenlicht absorbierende IR-aktive Substanzen eingebracht sind, sowie poröse Substanzen mit einer hohen inneren Mikro- und Makroporosität verbunden mit einer hohen Kapillarwirkung eingesetzt, die in direkten Kontakt mit den Verdampfungsflächen stehen und von der aufzuheizenden Flüssigkeit überströmt werden.
• In einer Auslegung der Erfindung wird als gelartige Substanz chemisch vernetzte Gelatine mit einer Schaumstruktur und inkorporierte IR- Absorber, insbesondere Proteine mit in die Proteinstruktur eingebrachtem Graphit, eingesetzt.
• Die porösen Substanzen weisen dabei eine hohe innere Mikro- und Makroporosität auf und durch das geringe Lückenvolumen in der Schüttung wird die eingelagerte Flüssigkeit in kleine Wassersegmente aufteilt und auf diese Weise die Wärmeübertragung von der porösen Substanz auf die Flüssigkeit stark beschleunigt und schnelle Aufheizung der kleinen Wassersegmente erreicht.
• Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert, wobei die 1 eine schematische Darstellung einer Verdampfungsvorrichtung gemäß DE 10 2017 114 020 A1 mit dem Aufheizmittel, das mit der Verdampferfläche in Kontakt steht, darstellt, wobei,

1

Vorrichtung zur Verdampfung und Kondensation

2

Seitenflächen der Vorrichtung (1)

3

Becken

4

Folie zur Kondensation

5

Zulauf Brackwasser

6

Kondensatablauf

7

Brackwasserablauf

8

Überlauf

9

Netz mit Aufheizmittel

10

Kondensatsammler

11

Brackwassersammler

12

Verdampferfläche

13

Brackwasser

bedeuten.
• Beispiel 1:
• Eine Vorrichtung (1) gemäß DE 10 2017 114 020 A1 zur Verdampfung und Kondensation von Wasser, insbesondere zur Gewinnung von Trinkwasser umfasst einen geschlossenen Raum, der eine Verdampferfläche (12) aufweist, auf die über einen Zulauf (6) eine wasserhaltige Flüssigkeit einleitbar ist, die über die zumindest teilweise abfallende terassenförmige Verdampferfläche (12) strömt und dann über einen Ablauf (7) aus dem Raum ableitbar ist. Oberhalb der Verdampferfläche (12) ist eine geneigte Folie (4) angeordnet, an der auf der zur Verdampferfläche (12) gewandten Seite Wasser kondensieren kann und von der geneigten Folie (4) über einen Ablauf (6) zu einer Sammeleinrichtung ableitbar ist. Weiterhin sind an der Verdampferfläche (12) mehrere terrassenförmig angeordnete Becken (3) ausgebildet, die in der Höhe versetzt angeordnet sind. Auf der Oberfläche der Becken (3) der Verdampferoberfläche (12) sind innerhalb von Netzen (9) Aufheizhilfsmittel in Form von gelartigen Substanzen, wie Gelatine, in die Energie absorbierende, insbesondere Sonnenlicht absorbierende IR-aktive Substanzen, wie Graphit eingebracht, angeordnet.
• Ein oberes Becken (3) ist jeweils über einen Überlauf (8), insbesondere einen Überlaufbalken mit einem unteren Becken (3) verbunden. Dieser Überlauf (8) dient gleichzeitig der Sicherung der Netze (9) mit dem Aufheizmittel auf der Verdampferfläche (12). Dadurch überströmt möglichst vollflächig die wasserhaltige Flüssigkeit, insbesondere Salz- oder Brackwasser das Aufheizmittel. Infolge der Einwirkung von Sonnenenergie, die durch die Folie (4) auf die Verdampferfläche (12) einwirkt, wird die Flüssigkeit teilweise verdunstet bzw. verdampft. Hierdurch bildet sich in dem Raum eine mit Wasser angereicherte Luft mit hoher Luftfeuchtigkeit. Damit steigt auch die Temperatur innerhalb des Raumes. Dadurch kann die Gewinnung von Kondenswasser aus Salz- oder Brackwasser auf einer großen Fläche mit einfachen Mitteln erfolgen.
• Beispiel 2:
• Anstelle der Netze (9) mit Aufheizmittel aus einer gelartige Substanzen, in die Energie absorbierende, insbesondere Sonnenlicht absorbierende IR-aktive Substanzen eingebracht sind, werden auf den Becken (4) poröse Substanzen mit einer hohen inneren Mikro- und Makroporosität verbunden mit einer hohen Kapillarwirkung, wie mesoporöse Silica, in einer polydispersen Schüttung aufgebracht und von der aufzuheizenden Flüssigkeit überströmt aufgeheizt und teilweise verdunstet bzw. verdampft.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012014560 A1 [0003]
• DE 1642530 A [0004]
• DE 102011121540 A1 [0005]
• WO 2011/124870 A1 [0007]
• WO 2004/067451 A1 [0008]
• DE 19621042 A1 [0009]
• DE 3119615 A1 [0010]
• US 5053110 A [0011]
• DE 102017114020 A1 [0012, 0019, 0020]

Claims (6)

1. Aufheizmittel zur Erhöhung der Verdunstungsrate von Wasser für thermische und solare Wasser-Verdampfer, die mit Verdampferflächen der Verdampfer in Kontakt gebracht und von dem aufzuheizenden Wasser überströmt und aufgeheizt, verdampft und/oder verdunstet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizmittel aus gelartige Substanzen, in die Energie absorbierende, insbesondere Sonnenlicht absorbierende IR-aktive Substanzen eingebracht oder aus porösen Substanzen besteht.
2. Aufheizmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gelartige Substanz in einem Netz angeordnet mit der Verdampferfläche in Kontakt gebracht wird.
3. Aufheizmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Substanz als polydisperse Schüttung oder Körper mit der Verdampferfläche in Kontakt gebracht wird.
4. Aufheizmittel nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Substanz eine hohe innere Mikro- und Makroporosität aufweist.
5. Aufheizmittel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gelartige Substanz aus chemisch vernetzter Gelatine mit einer Schaumstruktur und inkorporierte IR- Absorber besteht.
6. Aufheizmittel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie absorbierende, insbesondere Sonnenlicht absorbierende IR-aktive Substanzen aus Protein mit in die Proteinstruktur eingebrachtes Graphit besteht.

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