DE102020006905A1 - Distillation heat pump (DeWäp) for solar-powered drinking water distillation systems - Google Patents

Distillation heat pump (DeWäp) for solar-powered drinking water distillation systems Download PDF

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Abstract

Die Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) dient dem internen Energie-Recycling bei solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlagen. Sie ist ein Einbau, der aus einem Kompressor (1), einem Verdichter (2), einer Drossel (3) und einem Verdampfer (4) besteht (Fig. 1). Ein durch einen Kompressor (1) angetriebener, interner Kälteprozess sorgt dafür, dass der Verdichter (2) heiß und über eine Drossel (3) der Verdampfer (4) kühl wird. Dabei unterstützt der heiße Verdichter (2) die Verdampfung der Vorlage aus der Solewanne (12), während der kühle Verdampfer (4) die Kondensation des Wassers aus der Dampfphase ermöglicht.Durch diesen technisch integrierten thermischen Kälteprozess der DeWäp wird die ursprünglich investierte Verdampfungsenthalpie, über die Kondensation des Destillats, wieder der Verdampfung zugeführt, so dass der Wasser-Destillationsanlage diese Energiebeträge zusätzlich zu der Solareinstrahlung und der Kompressionsenergie zur Verfügung stehen. Empirische Versuche lassen eine erhebliche Steigerung der Destillationsleistung erwarten.The distillation heat pump (DeWäp) is used for internal energy recycling in solar-powered drinking water distillation systems. It is an installation consisting of a compressor (1), a compressor (2), a throttle (3) and an evaporator (4) (Fig. 1). An internal refrigeration process driven by a compressor (1) ensures that the compressor (2) becomes hot and the evaporator (4) cools via a throttle (3). The hot compressor (2) supports the evaporation of the receiver from the brine tank (12), while the cool evaporator (4) enables the condensation of the water from the vapor phase the condensation of the distillate, fed back to the evaporation, so that the water distillation plant has these amounts of energy available in addition to the solar radiation and the compression energy. Empirical tests suggest a significant increase in distillation performance.

Description

Systembeschreibungsystem description

Die Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) dient dem internen Energie-Recycling bei solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlagen. Sie ist ein Einbau, der aus einem meist extern zugänglichen Kompressor (1), einem Verdichter (2), einer Drossel (3) und einem Verdampfer (4) besteht (1). Die Bezeichnungen folgen dabei den aus der Kältetechnik bekannten Begrifflichkeiten, wobei hier der „Verdichter“ der Verdampfung der Vorlage und der „Verdampfer“ der Kondensation des Produktes dient. Eine zweckdienliche Anordnung kann abweichend von 1 auch in anderer Weise erfolgen.The distillation heat pump (DeWäp) is used for internal energy recycling in solar-powered drinking water distillation systems. It is an installation that consists of a compressor (1), which is usually accessible from the outside, a compressor (2), a throttle (3) and an evaporator (4) ( 1 ). The designations follow the terminology known from refrigeration technology, with the “compressor” serving to evaporate the receiver and the “evaporator” to condense the product. An expedient arrangement may deviate from 1 also be done in other ways.

Der meist extern zugängliche Kompressor (1) dient dem Antrieb des Kältemediums im Energie-Recycling-Kreislauf. Er sollte leicht zugänglich sein für die Inbetriebnahme und für Wartungszwecke. So ist bei der Inbetriebnahme das Kältemedium in das System einzubringen, welches ein Kohlenwasserstoff (z.B. Propan oder Butan) sein kann.The compressor (1), which is usually externally accessible, is used to drive the cooling medium in the energy recycling circuit. It should be easily accessible for commissioning and maintenance purposes. During commissioning, the cooling medium, which can be a hydrocarbon (e.g. propane or butane), must be introduced into the system.

Der Verdichter (2) dient dazu, das Kältemedium mit Hilfe des Kompressionsdruckes zu verflüssigen. Dabei wird dieses und somit das Rohrsystem des Verdichters heiß und überträgt diese Energie zusätzlich zur Solareinstrahlung auf die zu verdampfende Vorlage aus Meer- oder Brackwasser in der Solewanne (12), in die der Verdichter eingebracht ist. Der Verdichter erhöht so den für die Verdampfung der Vorlage im Destillationssystem zur Verfügung stehenden Energiebetrag - erhöht also die verfügbare Verdampfungsenthalpie. Die über den elektrisch betriebenen Kompressor eingebrachte Kompressionsenergie steht damit zusätzlich zur Solareinstrahlung zur Verdampfung der Vorlage zur Verfügung.The compressor (2) is used to liquefy the refrigerant using the compression pressure. This, and thus the pipe system of the compressor, becomes hot and, in addition to the solar radiation, transfers this energy to the seawater or brackish water to be evaporated in the brine tank (12) into which the compressor is installed. The compressor thus increases the amount of energy available for evaporating the receiver in the distillation system - i.e. increases the available enthalpy of evaporation. The compression energy introduced via the electrically operated compressor is thus available in addition to the solar radiation for evaporating the receiver.

Der verfügbare Betrag an Verdampfungsenthalpie ist für die Trinkwasserproduktion in solar betriebenen Trinkwasserdestillen systembegrenzend, da i.d.R. ausschließlich die aktuelle Sonneneinstrahlung vor Ort zur Verfügung steht. Die Solareinstrahlung stellt in Abhängigkeit zur geographischen Lage maximal 1.000 Wh auf Erdniveau zur Verfügung. Da der Verdampfungsvorgang von Wasser allein 626,59 Wh/I für den Übergang in die Gasphase benötigt, zuzüglich ca.97,65 Wh/I für die Erwärmung von 20°C auf 100°C und somit ca. 724,24 Wh/l insgesamt benötigt, ergibt sich thermodynamisch über 8 Stunden ein täglicher Destillationsertrag von maximal 111 bis 121 Trinkwasser. The available amount of evaporation enthalpy is system-limiting for drinking water production in solar-powered drinking water stills, since usually only the current solar radiation is available on site. Depending on the geographical location, the solar radiation provides a maximum of 1,000 Wh at ground level. Since the evaporation process of water alone requires 626.59 Wh/l for the transition to the gas phase, plus approx. 97.65 Wh/l for heating from 20°C to 100°C and thus approx. 724.24 Wh/l required in total, there is a thermodynamic daily distillation yield of a maximum of 111 to 121 drinking water over 8 hours.

Diese thermodynamische Grenze ist nur zu überschreiten, wenn zusätzliche Energiequellen - wie hier die Kompressionsenergie über den Kompressor - eingebracht werden oder wenn ein technischer Prozess installiert wird, der die Verdampfungsenthalpie über die Kondensation intern wieder der Verdampfung zur Verfügung stellt.This thermodynamic limit can only be exceeded if additional energy sources - such as the compression energy via the compressor - are introduced or if a technical process is installed that makes the evaporation enthalpy available again internally for evaporation via condensation.

Eben diesem Zweck dient die Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) vor allem: sie soll über den Verdampfer (4) eine Kondensationsfalle systemintern anbieten, die geeignet ist, über die Kondensation am Leitungssystem des Verdampfers (4) die Verdampfungsenthalpie aus dem Wasserdampf des Evaporationsraums (7) im Kondensationsraum (5) über das Kältemedium in der Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) vollständig wieder aufzunehmen. Anschließend führt der Kompressor (1) das Kältemedium auf höherem Energieniveau wieder dem Verdichter (2) zu, so dass ein interner Kreisprozess des Energie-Recyclings etabliert ist. Die Regulation des Systems kann über einem einstellbaren Thermostaten mit Temperatursensoren in der Solewanne (12) und am Verdampfer (4) erfolgen, der auf eine optimale Verdampfung der Vorlage in der Solewanne (12) eingestellt ist und die Funktion des Kompressors steuert.This is precisely the purpose of the distillation heat pump (DeWäp): it is intended to offer a condensation trap within the system via the evaporator (4), which is suitable for collecting the enthalpy of vaporization from the water vapor in the evaporation space (7 ) in the condensation space (5) via the cooling medium in the distillation heat pump (DeWäp). The compressor (1) then feeds the cooling medium back to the compressor (2) at a higher energy level, so that an internal cycle of energy recycling is established. The system can be regulated via an adjustable thermostat with temperature sensors in the brine pan (12) and on the evaporator (4), which is set to optimal evaporation of the receiver in the brine pan (12) and controls the function of the compressor.

In dieser Ausstattung stehen einer Wasser-Destillationsanlage für die Verdampfung der Vorlage - Meer- oder Brackwasser - neben der üblichen solaren Energie, die Kompressions-energie und die Rückgeführte Verdampfungs-Enthalpie (RFE) zur Verfügung. Geht man davon aus, dass die Energie einer täglichen Solareinstrahlung mit dem Faktor 1 zu bewerten ist und dass die zugeführte Kompressionsenergie ebenfalls den Faktor 1 trägt, so schlägt nach einfachen Simulationen und empirischen Versuchen die RFE mit ca. dem Faktor 3 zu Buche, so dass die Produktionsleistung der Destille insgesamt auf den Faktor 4 bis 5 gehoben werden kann.In this equipment, a water distillation system for the evaporation of the template - sea or brackish water - in addition to the usual solar energy, the compression energy and the recycled evaporation enthalpy (RFE) are available. If one assumes that the energy of a daily solar radiation is to be evaluated with a factor of 1 and that the supplied compression energy also has a factor of 1, then after simple simulations and empirical tests the RFE has a factor of approx. 3, so that the overall production output of the distillery can be increased by a factor of 4 to 5.

Abgrenzende Stellungname zu bisherigen AnlagenDelimiting position name to previous plants

Viele solare Trinkwasser-Destillationsanlagen weisen Produktionsdaten auf, die deutlich über den Werten liegen, die eine einfache Destillation erlauben sollte. Daher ist in jeder dieser Anlagen eine Energierückführung mehr oder weniger realisiert, auch wenn nicht exakt erklärt werden kann, wie diese funktioniert. Als Ursache vermutet wird die interne Gaszirkulation und die Vorwärmung der Vorlage über eine Wärmerückgewinnung aus der Kondensation.Many solar drinking water distillation systems have production data that are well above the values that a simple distillation should allow. Energy recovery is therefore more or less implemented in each of these systems, even if it is not possible to explain exactly how it works. The suspected cause is the internal gas circulation and the preheating of the template via heat recovery from the condensation.

Schon lange ist bekannt, dass bei solaren Destillationsanlagen der Wärmerückgewinnung aus der Kondensation eine entscheidende Bedeutung zukommt. In einer Vielzahl von Konstruktionen und Verfahren wurde in den vergangenen 30 Jahren versucht, eine Wärmerückgewinnung zu optimieren, um so den solaren Energiebedarf für die Wasserdestillation zu senken, bzw. die Produktionsleistung zu erhöhen( https://de.wikipedia.org/wiki/Solare_Meerwasserentsalzung). Hier sind insbesondere das MEH-Verfahren mit 20 l/m(https://www.desolenator.com/) bis 25 l/m(https://www.desolenator.com/) Kollektorfläche, die Mehrfacheffektverdampfung (MED), die Mehrstufige Entspannungsverdampfung (MSF), der Destillationszyclon, die Aquadestil und Verfahren der indirekten und der direkten Kondensat-Wärmerückgewinnung zu nennen. Allerdings wurden bisher meist Konzeptionen realisiert, die intern eine Kondensation an Wärmetauschern vorsieht, durch die zunächst das zu verdampfende Medium geführt wird, welches sich dadurch erwärmt. Ferner wurde jüngst ein innovatives Membranverfahren, der Desolenator(https://www.desolenator.com/), vorgestellt, dessen Leistungswerte von ca. 15 l/m(https://www.desolenator.com/) auf einer modularen Technologie unter Nutzung der Abwärme aus der Stromerzeugung mittels Solarpanelen in Kombination mit dem solar erzeugten Strom beruhen.It has long been known that heat recovery from condensation is of crucial importance in solar distillation systems. In the past 30 years, attempts have been made in a large number of designs and processes to optimize heat recovery in order to reduce the solar energy requirement for water distillation or to increase production output hen( https://de.wikipedia.org/wiki/Solare_Meerwasserentsalzung). In particular, the MEH process with 20 l/m(https://www.desolenator.com/) to 25 l/m(https://www.desolenator.com/) collector area, the multiple effect evaporation (MED), the Multi-stage Flash Evaporation (MSF), the Distillation Cyclone, the Aquadestil and methods of indirect and direct condensate heat recovery. However, so far mostly concepts have been realized that provide for internal condensation on heat exchangers, through which the medium to be evaporated is first passed, which is heated up as a result. Furthermore, an innovative membrane process, the Desolenator(https://www.desolenator.com/), was recently presented, whose performance values of approx. 15 l/m(https://www.desolenator.com/) are based on a modular technology at Use of waste heat from electricity generation using solar panels in combination with the solar generated electricity.

Keine der bisherigen Konzeptionen hat es zur Marktreife geschafft und keine solare Trinkwasser-Destillationsanlage mit hoher Wärmerückgewinnung beruht auf dem Prinzip einer integrierten Destillations-Wärmepumpe (DeWäp).None of the previous concepts have made it to market maturity and no solar drinking water distillation system with high heat recovery is based on the principle of an integrated distillation heat pump (DeWäp).

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit der beigefügten Zeichnung erläutert:

  • 1 Räumliche Anordnung einer Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) in einer solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlage
The invention is explained below by way of example with the attached drawing:
  • 1 Spatial arrangement of a distillation heat pump (DeWäp) in a solar-powered drinking water distillation system

1 zeigt die konstruktive, technische Ausgestaltung der Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) in einer solaren Trinkwasser-Destillationsanlage. Die Trinkwasser-Destillationsanlage ist durch eine transparente Glasabdeckung (8) gasdicht verschlossen. Der Kompressor- (1) befindet sich außerhalb der Anlage, der Verdichter (2) im Meer- oder Brackwasser in der Solewanne (12), die Drossel (3) im unteren Übergang des Evaporationsraumes (7) zum Kondensationsraum (5) und der Verdampfer (4) im oberen Bereich des Kondensationsraumes (5). Der Verdampfer (4) kühlt sich durch die Expansion des Kältemediums an der Drossel (3) stark ab und funktioniert als Kondensator. Das Kondensat, das destillierte Wasser, wird zunächst in der Destillatwanne (6) gesammelt, bevor es einer Zisterne zugeführt wird. Eine autarke, über Photovoltaik gesicherte Stromversorgung (9) des Kompressors ermöglicht einen nachhaltigen Betrieb. Die räumliche Anordnung der Baugruppen der Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) in der solar betriebenen Wasser-Destillationsanlage kann technisch auch in anderer Weise sinnvoll ausgeführt werden, ohne die Grundfunktionen zu beeinträchtigen. 1 shows the structural, technical design of the distillation heat pump (DeWäp) in a solar drinking water distillation system. The drinking water distillation system is sealed gas-tight with a transparent glass cover (8). The compressor (1) is outside the system, the compressor (2) in the sea or brackish water in the brine pan (12), the throttle (3) in the lower transition from the evaporation space (7) to the condensation space (5) and the evaporator (4) in the upper part of the condensation space (5). The evaporator (4) cools down considerably due to the expansion of the cooling medium at the throttle (3) and functions as a condenser. The condensate, the distilled water, is first collected in the distillate tank (6) before it is fed into a cistern. A self-sufficient power supply (9) for the compressor, secured by photovoltaics, enables sustainable operation. The spatial arrangement of the assemblies of the distillation heat pump (DeWäp) in the solar-powered water distillation system can also be implemented in a technically sensible manner in a different way without impairing the basic functions.

Claims (8)

Die Vorrichtung ist eine Wärmepumpe als zusätzlicher Bestandteil einer solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlage zur Erhöhung der Ertragsleistungen, in diese integriert und dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über einen Kompressor (1), über einen Verdichter (2), über eine Drossel (3) und über einen Verdampfer (4) verfügt (1).The device is a heat pump as an additional component of a solar-powered drinking water distillation system to increase the yield, integrated into this and characterized in that the device has a compressor (1), a compressor (2), a throttle (3) and has an evaporator (4) ( 1 ). Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) extern angebracht sein kann, um bei der Inbetriebnahme und für Wartungsarbeiten gut zugänglich zu sein.device after claim 1 characterized in that the compressor (1) can be mounted externally in order to be easily accessible during commissioning and for maintenance work. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) intern in der Sole- bzw. Meerwasserwanne angebracht ist, um so die freiwerdende Kompressionsenergie zusätzlich zur Solareinstrahlung der Verdampfung des Meerwassers oder der Sole zuzuführen.device after claim 1 characterized in that the compressor (2) is mounted internally in the brine or seawater tank in order to supply the released compression energy in addition to the solar radiation for the evaporation of the seawater or the brine. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang zum Kondensationsraum (5) intern die Drossel (3) angebracht sein kann, um den Kondensationsraum durch diese und im weiteren Verlauf des Kältemediums über den Verdampfer (4) bevorzugt im oberen Bereich abzukühlen. Durch die Entspannung des Kältemediums über die Drossel (3) kühlt sich dieses stark ab.device after claim 1 characterized in that the throttle (3) can be attached internally in the transition to the condensation space (5) in order to cool the condensation space through this and in the further course of the cooling medium via the evaporator (4), preferably in the upper area. Due to the expansion of the cooling medium via the throttle (3), it cools down considerably. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) intern im Kondensationsraum (5) oben so angebracht ist, dass durch die obere Zirkulationsöffnung des Kondensationsraumes mit Wasserdampf angereicherte Luft aus dem Evaporationsraum (7) über ihn strömen kann und Kondensation verursacht. Das Kondensat (Destillat) wird in der Destillatwanne (6) gesammelt und zur Nutzung abgeleitet. Die erhöhten Temperaturunterschiede zwischen der Ebene des Verdampfers (4) und des Verdichters (2) verursachen eine verstärkte, interne Zirkulation der Gasmassen durch die obere und untere Öffnung des Kondensationsraumes (5).device after claim 1 characterized in that the evaporator (4) is mounted internally in the condensation space (5) at the top such that air enriched with water vapor from the evaporation space (7) can flow over it through the upper circulation opening of the condensation space and cause condensation. The condensate (distillate) is collected in the distillate pan (6) and diverted for use. The increased temperature differences between the level of the evaporator (4) and the level of the compressor (2) cause increased internal circulation of the gas masses through the upper and lower openings of the condensation space (5). Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Verdampfer (4) übertragene Kondensationsenergie zu einem erheblichen Teil im System verbleibt und im weiteren Verlauf mittels des Kompressors dem Verdichter (2) zur Verdampfung des Sole- bzw. Meerwassers wieder zugeführt wird. Durch diese technischen Maßnahmen wird ein interner Energie-Recycling-Prozess etabliert, der Verdampfungsenthalpie über die Kondensation erneut der Verdampfung zuführt. Dies verspricht eine erhebliche Steigerung der Produktionsleistung einer solar betriebenen Destille.device after claim 1 characterized in that the condensation energy transmitted to the evaporator (4) remains to a significant extent in the system and is subsequently fed back to the compressor (2) for evaporating the brine or sea water by means of the compressor. These technical measures establish an internal energy recycling process that feeds the vaporization enthalpy back to the vaporization via the condensation. This promises a significant increase in the production output of a solar-powered still. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Kompressors mit Hilfe eines Thermostaten reguliert werden kann, um die Destillationsleistung der Trinkwasser-Destillationsanlage in einem optimalen Bereich zu halten.device after claim 1 characterized in that the function of the compressor can be regulated using a thermostat in order to keep the distillation capacity of the drinking water distillation system in an optimal range. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor über ein Photovoltaikfeld emissionsfrei betrieben werden kann.device after claim 1 characterized in that the compressor can be operated emission-free via a photovoltaic field.
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Zitieren von Internetquellen. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 5. November 2020, 16:56 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=W%C3%A4rmepumpe&oldid=205227412 [abgerufen am 17.05.2021]

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