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Die Erfindung betrifft einen Solarverdunster zur Trennung von unterschiedlich flüchtigen Stoffen in einem Stoffgemisch, insbesondere zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mit unterschiedlich flüchtigen Stoffen, gemäß Anspruch 1.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Solarverdunsteranlage umfassend eine Solarverdunster nach Anspruch 4.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Solarverdunsters gemäß Anspruch 5.
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Nicht zuletzt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trennen von unterschiedlich flüchtigen Stoffen in einem Stoffgemisch, insbesondere zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mit unterschiedlich flüchtigen Stoffen, mittels eines Solarverdunsters, gemäß Anspruch 6.
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Aus dem Stand der Technik sind Verdunster zum Trennen von Stoffen bekannt. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 039 629 A1 eine Vorrichtung zur Aufkonzentrierung von Emulsionen bekannt, umfassend ein Gehäuse mit zumindest einem Emulsionszulauf, einem Konzentratablauf, einem Warmlufteinlass und einem Gas-Dampf-Auslass, und mit einer Antriebswelle, die sich von einer ersten Gehäusewand zu einer dieser gegenüberliegenden zweiten Gehäusewand erstreckt, wobei ein erstes Ende der Antriebswelle mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Getriebemotor operativ verbunden und ein zweites Ende der Antriebswelle in einem an der zweiten Gehäusewand angeordneten Lager um ihre Längsachse drehbar gelagert ist, wobei der Konzentratablauf in einem Boden, und der Gas-Dampf-Auslass an einer Oberseite des Gehäuses angeordnet sind, die Antriebswelle horizontal positioniert und mit einer Mehrzahl von Verdunstungsscheiben bestückt ist, die voneinander beabstandet sind und sich bis in einen unteren Abschnitt des Gehäuses bodennah erstrecken, wobei ein Warmluftpfad von dem Warmlufteinlass entlang zumindest eines Flächenabschnitts der Verdunstungsscheiben zu dem Gas-Dampf-Auslass bereitgestellt ist, indem der Warmlufteinlass an einer Seitenwand so vorgesehen ist, dass seine Öffnungsebene senkrecht zu den Flächen der Verdunstungsscheiben steht.
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Aus der
DE 10 2009 039 629 A1 ist eine Vorrichtung zur Aufkonzentrierung von Emulsionen mit einem Gehäuse bekannt, das zumindest einen Emulsionszulauf, einen Konzentratablauf, einen Warmlufteinlass und einen Gas-Dampf-Auslass aufweist und das über eine Antriebswelle verfügt, die sich von einer ersten Gehäusewand zu einer dieser gegenüberliegenden zweiten Gehäusewand erstreckt. Dabei ist ein erstes Ende der Antriebswelle mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Getriebemotor operativ verbunden und ein zweites Ende der Antriebswelle ist in einem an der zweiten Gehäusewand angeordneten Lager um ihre Längsachse drehbar gelagert. Der Konzentratablauf ist in einem Boden und der Gas-Dampf-Auslass ist an einer Oberseite des Gehäuses angeordnet. Die Antriebswelle ist horizontal positioniert und mit einer Mehrzahl von Verdunstungsscheiben bestückt, die voneinander beabstandet sind und sich bis in einen unteren Abschnitt des Gehäuses bodennah erstrecken. Dabei ist ein Warmluftpfad von dem Warmlufteinlass entlang zumindest eines Flächenabschnitts der Verdunstungsscheiben zu dem Gas-Dampf-Auslass bereitgestellt, indem der Warmlufteinlass an einer Seitenwand so vorgesehen ist, dass seine Öffnungsebene senkrecht zu den Flächen der Verdunstungsscheiben steht. Ferner wird eine Anlage zur Aufkonzentrierung von Emulsionen bereitgestellt, in der eine Mehrzahl von Vorrichtungen über eine Reihenschaltung derart miteinander verbunden sind, dass ein Konzentratablauf einer stromaufwärts angeordneten Vorrichtung zur Aufkonzentrierung von Emulsionen mit einem Emulsionszulauf einer nachfolgenden stromabwärts angeordneten Vorrichtung zur Aufkonzentrierung von Emulsionen fluidisch verbunden ist.
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Aus der US 2012 / 0085635 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Destillation von Meer- und Brackwasser bekannt die Isoliermittel umfassen, um zu verhindern, dass Wärme in die Atmosphäre entweicht. Die Isoliermittel umfassen eine zweite Wand, die die Grundbaugruppen eines Entsalzungssystems umgibt, in der der Raum zwischen der zweiten Wand und den Grundbaugruppen unter geringem Unterdruck steht und teilweise oder vollständig mit einem Isoliermaterial zur strukturellen Unterstützung gefüllt ist. Das System bietet ein Mittel zur Entspannungsverdampfung von erhitztem Eingangswasser und zum Kondensieren der resultierenden Dämpfe zu reinem destilliertem Wasser. Ein Mittel zur Rückgewinnung und Nutzung der Kondensationswärme sowie der Wärme aus dem Salznebenprodukt zum Vorwärmen des zugeführten verunreinigten Wassers wird ebenfalls offenbart.
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Aus der US 2011 / 0036703 A1 ist ein Entsalzungssystem in Form eines eingetauchten Gasverdampfers bekannt, der einen Behälter, ein teilweise im Behälter angeordnetes Gaszufuhrrohr zum Zuführen eines Gases in den Behälter und einen Fluideinlass umfasst, der dem Behälter ein Fluid mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zuführt, um einen kontrollierten konstanten Flüssigkeitsstand im Behälter zu gewährleisten. Ein Wehr ist innerhalb des Gefäßes neben dem Gaszufuhrrohr angeordnet, um einen ersten Flüssigkeitszirkulationsweg zwischen einem ersten Wehrende und einer Wand des Gefäßes und einen zweiten Flüssigkeitszirkulationsweg zwischen einem zweiten Wehrende und einem oberen Ende des Gefäßes zu bilden. Während des Betriebs vermischt sich das durch das Rohr eingeführte Gas mit der Flüssigkeit, und die kombinierte Gas- und Flüssigkeitsströmung strömt mit hoher Geschwindigkeit mit hohem Turbulenzgrad entlang der ersten und zweiten Umlaufbahn, die um das Wehr herum definiert sind, wodurch eine kräftige Vermischung und ein inniger Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit realisiert wird. Diese turbulente Strömung entwickelt eine beträchtliche Menge an Grenzflächenbereich zwischen dem Gas und dem Fluid, was zu einer Verringerung der erforderlichen Verweilzeit des Gases in dem Fluid führt, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, was zu einer effizienteren und vollständigen Verdampfung führt. Außerdem wird Dampf, der aus dem eingetauchten Gasverdampfer austritt, in einer Kondensationseinheit kondensiert, wodurch Dampf zur Entfernung in eine Flüssigkeit ausgefällt wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von unterschiedlich flüchtigen Stoffen in einem Stoffgemisch und eine Verwendung zu schaffen, welche(s) gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, insbesondere energetisch verbessert, umweltfreundlicher und/oder effizienter ist.
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Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch einen Solarverdunster nach Anspruch 1, eine Solarverdunsteranlage nach Anspruch 4, eine Verwendung nach Anspruch 5 und ein Verfahren nach Anspruch 6.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figuren angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem Solarverdunster zur Trennung von unterschiedlich flüchtigen Stoffen in einem Stoffgemisch, insbesondere zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mit unterschiedlich flüchtigen Stoffen, bevorzugt mit Mitteln zur Durchführung des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, vorgesehen ist, dass dieser insbesondere umfasst: mindestens einen Stoffgemischzufluss, mindestens einen Stoffgemischabfluss, mindestens eine Warmluftzufuhr, mindestens eine Warmluftabfuhr, einen Oberflächenvergrößerer zum Vergrößern der Oberfläche eines zugeführten Stoffgemisches, und mindestens einen Verdunstungsbehälter, mit welchem der Zufluss, die Zufuhr, der Abfluss und die Abfuhr fluidisch verbunden sind, wobei der Behälter eine Eintauchbereich aufweist, in welchem sich ein über den Stoffgemischzufluss zugeführtes Stoffgemisch sammelt und in welchen der Oberflächenvergrößerer ein- und wieder austaucht, und wobei der Behälter weiter einen daran angrenzenden Verdunstungsbereich aufweist, in welchem die zugeführte Warmluft auf das Stoffgemisch zum Verdunsten zumindest eines Teils des zugeführten Stoffgemisches trifft, wobei die Warmluftzufuhr mindestens zwei separate Warmluftzufuhrkanäle aufweist, um Warmluft über die beiden Kanäle zuzuführen und wobei in dem Behälter im Bereich der Warmluftabfuhr eine Warmluftabstromumlenkung vorgesehen ist, um abzuführende Warmluft umzulenken.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Oberflächenvergrößerer mehrere umlaufende Platten umfasst, welche so angeordnet sind, dass diese mit einem Teil in den Eintauchbereich angeordnet sind und mit dem anderen Teil in dem Verdunstungsbereich angeordnet sind, sodass die Platten bei umlaufender Bewegung in den Eintauchbereich eintauchen, dort von einem dort befindlichen Stoffgemisch benetzt werden und dann benetzt mit dem Stoffgemisch in den Verdunstungsbereich auftauchen, sodass die benetzten Platten so die Oberfläche des Stoffgemisches vergrößern.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass nachgeschaltet zu der Warmluftabfuhr ein Kondensator vorgesehen ist, um mittels Kondensieren den mit dem Warmluftabstrom transportierte Stoffgemisch mittels Kondensieren von dem restlichen Warmluftabstrom zu trennen.
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Die Erfindung schließt auch die technische Lehre ein, dass bei einer Solarverdunsteranlage, ein erfindungsgemäßer Solarverdunster vorgesehen ist, wobei weiter eine Solarversorgung vorgesehen ist, welche die Solarverdunsteranlage mit Solarstrom und Solarluft versorgt.
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Die Erfindung schließt ebenfalls die technische Lehre ein, dass eine Verwendung eines Solarverdunsters zum Trennen von emulgierten Stoffen in einer Emulsion, von in flüssigen Stoffgemischen gelösten Stoffen mit unterschiedlicher Flüchtigkeit und/oder zur Meerwasserentsaltzung vorgesehen ist.
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Die Erfindung schließt nicht zuletzt die technische Lehre ein, dass bei einem Verfahren zum Trennen von unterschiedlich flüchtigen Stoffen in einem Stoffgemisch, insbesondere zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mit unterschiedlich flüchtigen Stoffen, mittels eines erfindungsgemäßen Solarverdunsters die Schritte umfasst sind: Zuführen eines Warmluftzustroms zu mindestens einem Stoffgemisch, Vergrößern der Oberfläche des Stoffgemisches im Bereich des zugeführten Warmluftzustroms, Verdunsten eines Teils des Stoffgemisches mit einem bei niedrigeren Temperaturen flüchtigen Stoff, wobei der verdunstet Teil mit dem darin aufgenommenen flüchtigen Stoff als Warmluftabstrom abgeführt wird, wobei der Warmluftzufuhrstrom über mindestens zwei regelbare Warmluftzuströme zugeführt wird und/oder der Warmluftabstrom über eine Warmluftabstromumlenkung umgelenkt abgeführt wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Oberfläche mittels mehreren umlaufenden, zumindest teilweise in das zugeführte Stoffgemisch eintauchenden und beim Umlaufen wieder austauchenden Platten vergrößert wird. Die Platten können gerippt, genoppt, mit Durchgangsöffnungen und/oder dergleichen versehen sein.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zur Durchführung des Verfahrens Solarenergie zugeführt wird.
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Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der abgeführte Warmluftabstrom kondensiert wird, um den mit dem Warmluftstrom abgeführten Stoff von dem verbleibenden Warmluftabstrom zu trennen.
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Die Solarverdunsteranlage und das Verfahren sind zur Nutzung von Solarthermie und Solarstrom ausgebildet. Sowohl die Solarverdunsteranlage als auch das Solartrennverfahren sind zur Trennung von unterschiedlich flüchtigen Stoffen in einem Stoffgemisch, insbesondere von flüssigen Stoffgemischen, bevorzugt zur Emulsionsspaltung ausgelegt. Neben der umweltfreundlichen Betriebsweise der Verdunsteranlage, wird das entstehende Spaltwasser als Wertstoff oder Rohstoff für weitere Herstellungsverfahren eingesetzt. Die Spaltung oder Trennung von Stoffen, Stoffgemischen oder Emulsionen erfolgt durch Verdunstung.
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Unter Verdunstung wird die Überführung einer Flüssigkeit in ein (überströmendes) Gas verstanden. Sie beschreibt den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig unterhalb der Siedetemperatur. Der dabei entstehende Phasenwechsel findet statt, wenn der Dampfdruck kleiner als der herrschende Druck (meist Atmosphärendruck) ist. Der Dampfdruck beschreibt dabei den vom Dampf entstehenden Druck. Vorrausetzung für den Stofftransport ist die Existenz eines Konzentrations- oder Druckgefälles.
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Die Energiebereitstellung erfolgt von der Sonne. Neben der Nutzung der Sonneneinstrahlung als Energiequelle zur Generierung von warmer Luft über Solarluftkollektoren, wird für die erfindungsgemäße Verdunstungstechnik Solarstrom erzeugt, um die Verdunsteranlage und ihre Komponenten zu versorgen. Der Solarverdunster umfasst in einer Ausführungsform einen genormten 1.4301 Edelstahl Behälter. Dieser Behälter besitzt im Innenraum rotierende Kreisplatten als Oberflächenvergrößerer, welche sich mit dem Prozessmedium, also dem zu trennenden Stoff, Stoffgemisch oder Emulgator benetzen und dadurch eine große Verdunstungsoberfläche bieten. Die eingetragene trockene Luft nimmt den Verdunstungsstrom auf und verlässt den Verdunster mit einem erhöhten Wassergehalt.
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Mit Sonnenenergie wird über Solarluftkollektoren heiße Luft erzeugt (Solarluft) und mit dem Prozessmedium (Stoff, Stoffgemisch, Emulsion) im Solarverdunster in Kontakt gebracht. Über Photovoltaik wird die zur Anlagenbetreibung benötigte Stromversorgung (Solarstrom) sichergestellt. Die bei der Verdunstung entstehende wasserhaltige Luft wird in einen Wärmetauscher geleitet, welcher über einen Kühlkreislauf die Taupunkttemperatur der Luft unterschreitet und somit die Kondensation ermöglicht. Das hierbei entstehende Kondensat ist das Produkt der Verdunstungsanlage. Nach Beendigung des Verdunstungsprozesses, werden die Verdunstungsrückstände über ein Auslassventil am Verdunster ausgelassen.
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Die Verdunsteranlage umfasst vorzugsweise vier Hauptkomponenten. Eine Hauptkomponente ist die Verdunstungsapparatur, genauer der Solarverdunster. Weiter umfasst die (Verdunster-)Anlage die Solarversorgung oder Energiebereitstellung, welche hier als Solaranlagen ausgebildet ist. Zudem umfassen die Hauptkomponenten einen Kühlkreislauf und einem Rekuperator. Während der Kühler oder Kühlkreislauf und der Rekuperator der Kondensation von feuchter Luft dienen, setzen Solarverdunster und Solaranlagen die Trennung der Emulsion um.
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Der Verdunster kann verschiedene Abmaße aufweisen. In einer Ausführungsform weist der Verdunster eine Länge von 440 mm und einem Durchmesser von 700 mm auf. Insgesamt ist der Verdunster als ein horizontal angeordneter, zylindrischer Körper ausgebildet. Die Wanddicke kann verschiedene Stärken aufweisen und beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform 3 mm. Der Innenraum des Solarverdunsters umgibt mehrere Kreisplatten, bevorzugt etwa 29 Kreisplatten. Die Kreisplatten können gleiche Dicken oder unterschiedliche Dicken aufweisen. Eine bevorzugte Dicke beträgt etwa 3 mm. Der Durchmesser der Kreisplatten kann von Platte zu Platte variieren. Bevorzugt ist der Durchmesser für alle Kreisplatten etwa gleich ausgebildet und beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform etwa 600 mm. Die Kreisplatten befinden sich im Mittelpunkt der Platten auf einer Rotationswelle angeordnet. Die Rotationswelle wird im Betrieb angetrieben, insbesondere über einen 24 V Getriebemotor. Der Aufbau der Kreisplatten ist bevorzugt identisch. Die Kreisplatten weisen bevorzugt mehrere Durchgangsöffnungen auf, die sich in axiale Richtung erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Platte mehrere Bohrungen auf, insbesondere 96 Bohrungen. Die Bohrungen werden zur Achsmitte kleiner. Bevorzugt sind die Bohrungen gruppiert. Von jeder Bohrung gibt mehrere in einer Gruppe. Bevorzugt sind in einer Gruppe 24 Bohrungen vorgesehen. Die Bohrungsdurchmesser können unterschiedlich gewählt werden und sind bevorzugt wie folgt gruppiert: Bohrungsdurchmesser 24 x 60 mm, 48 x 40 mm und 24 x 30 mm. In geschlossenem Zustand ist keine Einsicht in das Innenleben des Verdunsters möglich. Der Behälter ist mittig verschlossen, bevorzugt mit Schrauben. Seitlich und am Kopf des Behälters befinden sich ein Einlass- und ein Auslassstutzen, bevorzugt mit einem Durchmesser von 160 mm. Am Boden des Verdunsters sind Verknüpfungsstellen angebracht, welche für Ventile und zur Füllstandanzeige genutzt werden können. Der Verdunster steht in einem Gehäuse, bevorzugt auf vier Stellfüßen mit einer bevorzugten Höhe 105 mm. Der Verdunster weist einen Schutzmantel auf. Der Schutzmantel kann geschlossen werden. Am Behälterkopf befindet sich neben dem Stutzen ein weiterer Stutzen, bevorzugt mit einem Durchmesser von 30 mm. Der Stutzen ist bevorzugt verschraubt und geschlossen. Er dient zur Befüllung der Apparatur. Über den Einlassstutzen führt eine Rohrleitung, bevorzugt von 160 mm Durchmesser, zu den Solarkollektoren.
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Die Solarkollektoren spannen einen Solarkollektorfläche auf, vorzugsweise von 23,3 Quadratmetern Solarkollektorfläche. Die gesamte Kollektorfläche wird zum Teil für die Solarluft und zum Teil für die Voltaik genutzt. Bevorzugt werden etwa 16,5 Quadratmeter für die Solarluftkollektoren und 6,8 Quadratmeter für die Photovoltaikkollektoren genutzt. Andere Aufteilungen können gewählt werden. Die Kollektoren bringen die Energiebereitstellung für elektrische Stromabnehmer an der Anlage sowie die benötigte trockene Luft für den Verdunstungsprozess. Die Stromversorgung erfolgt über einen Solarregler und ermöglicht den Betrieb der Kreisplattenwelle über den Getriebemotor. Der restliche erzeugte Strom wird durch einen Solarladeregler in Akkumulatoren gespeichert. Für den Verdunstungsprozess wird mit den Solarluftkollektoren über einen Ventilator Umgebungsluft durch einen Luftfilter angesaugt und durch die Kollektoren in den Verdunster geleitet. Die dabei generierte heiße, trockene Luft dient als Energiequelle für die Verdunstungsanlage. Die Zugangsleitung zwischen Solarluftkollektor und Verdunster ist isoliert, um Wärmeverlusten vorzubeugen.
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Das Verdunstungsprinzip beruht auf der Differenz der Flüchtigkeit von unterschiedlichen Stoffen. Durch die ins System eingetragene trockene Luft findet die Verdunstung statt und somit eine Anreicherung leichtflüchtiger Komponenten in der Gasphase und einer Anreicherung schwerflüchtiger Komponenten am Verdunsterboden. Leichtflüchtige Komponenten neigen hierbei eher zur Diffusion in die Gasphase als schwerflüchtige Komponenten. Im Verdunstungsraum befinden sich die Kreisplatten mit Bohrungen, welche über einen Getriebemotor betrieben werden. Hierbei drehen die Platten sich mit einer bevorzugt konstanten Geschwindigkeit, insbesondere mit 0,3 Umdrehungen pro Minute. Die rotierenden Kreisplatten benetzen sich mit dem im Verdunstungsraum liegenden Prozessmedium und spalten die Emulsion durch die Ausbildung als Lochplatten auf. Durch die Platten und deren Bohrungen, entsteht eine große benetzbare Oberfläche und eine Luftzirkulation im Verdunster. Tritt die warme Luft mit dem Prozessmedium in Kontakt, reichern sich die leichtflüchtigen Komponenten des Mediums in der Luft an. Es findet ein Diffusionsvorgang statt. Die mit leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Luft wird dann über den Warmluftaustritt einem Kondensator zur Abscheidung der Komponenten aus der Luft zugeführt. Bei der Spaltung von Emulsion in Bezug auf die Kühlschmierstoffaufbereitung, wäre in diesem Fall die leichtflüchtigere Komponente Wasser und die schwerflüchtige Komponente Öl.
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Das Prozessmedium wird mit Hilfe einer Pumpe über eine Schnittstelle von unten in den Solarverdunster, genauer dessen Prozessraum, eingeleitet. Beim Befüllen der Anlage wird das angesetzte Medium in einem Vorlagebehälter gespeichert und von dort aus in die Anlage gepumpt. Das Prozessmedium wird abgewogen und kann parallel über eine für den Verdunster angefertigte Füllskala durch ein Füllstandrohr abgelesen werden. Nachdem Befüllen wird die Anlage eingeschaltet. Mit dem Anfahren beginnt dann der Verdunstungsprozess und somit das Trennverfahren. Nach einer Anlaufphase und Aufwärmung der gesamten Anlage, findet der Verdunstungsprozess im Idealfall bei gleichbleibender Sonnenintensität nahezu konstant statt.
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Ein Verdunstungsprozess lässt sich beenden, wenn durch die Kollektoren nicht genügend Energie zur Verfügung steht und die Sonnenintensität stetig abnimmt. Ein weiteres Abschaltkriterium kann die Füllstandanzeige sein. Bei einer erfolgreichen Verdunstung sinkt der Behälterfüllstand und die Auswertung gibt Aufschluss über die Verdunstungsqualität. In einer Ausführungsform geht der Trennprozess solange, bis kein Medium vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht und der Füllstand sich als konstant einstellt. Grundsätzlich ist das Abbruchkriterium dem Anlagenbetreiber überlassen und muss auf das Verdunstungsziel abgestimmt werden. Kann kein Kondensat aus dem Abluftstrom gewonnen werden, so kann dieser Punkt auch als Abbruchkriterium gewählt werden.
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Um Wärmeverluste in dem Solarverdunster zu vermeiden, wird der Schutzmantel des Verdunstungsapparats isoliert, bevorzugt mit weißem Styropor versehen und isoliert.
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Eine Volumenstromreduzierung erzeugt einen Abluftstrom mit einer erhöhten Wasserfracht und Feuchtigkeit. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gesamtzustrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster Teilstrom wird genutzt, um die verdunsteten Wassermoleküle aus dem Verdunster zu tragen. Der andere Teilstrom wird genutzt, um das Prozessmedium von außen zu beheizen. Hierdurch wird die Prozessmedien-Temperatur ansteigen, die Verdunstung begünstigt und gleichzeitig die Aufwärmphase des Systems verkürzt. Das Verhältnis der beiden Teilströme ist bevorzugt 1:1. Es können mehrere Teilströme vorgesehen sein. Andere Aufteilungen der Teilströme, beispielsweise in einem Verhältnis 1:2, 1:3 oder dergleichen sind möglich. Die Beheizung des Prozessmediums wird durch eine Ummantelung im Bereich des Behälterbodens ausgeführt. Über einen Schieber kann die Luft entweichen. Die Luftzufuhr kann ebenfalls über Schieber oder andere Regler eingestellt werden. Durch den Einbau von mechanischen Drosseleinheiten kann der Volumenstrom beliebig gewählt werden. Dies gestaltet die Volumenstromführung durch den Prozessraum variabler.
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Über die Ummantelung tritt ein weiterer Wärmestrom ein und beheizt den Verdunster von außen. Um den Wärmeeintrag in den Verdunster durch die Ummantelung zu optimieren, werden Rippen an den Verdunster im Bereich der Ummantelung angebracht. Die Rippen haben die Aufgabe die Wärme besser in das Verdunstungsmedium einzutragen. Hierdurch kann der Verdunstungsvorgang unterstützt werden. Es gibt verschiedene Varianten wie die Rippen angebracht werden können. Jede Rippenvariante sollte einen Luftaufstau im Mantelraum vermeiden, da sich der Rückstau über die Anlage hinweg ausbilden würde. Die Rippen sollten dünner sein als die Behälterwand. Da diese sich dann schneller aufwärmen und die Wärme in Richtung des Temperaturgefälles eintragen. Hierzu wurden verschiedene Rippenkonstruktionen entwickelt. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht eine Rippenkonstruktion aus vielen kegelförmigen Bauteilen vor, welche auf die Unterseite geschweißt werden, um eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen und einen guten Wärmetransport zu gewährleisten. Eine andere Ausführungsform umfasst Rippenlamellen, als Rippenkonstruktion, welche angeschweißt werden. Die lammellenförmige Rippen werden auf der Unterseite des Verdunsters angebracht. Die Rippen-Dicke liegt bevorzugt bei 1,5 mm und wurde so ausgelegt, dass ein Aufstauen der Luft verhindert wird. Als weitere Optimierung der Anlage wird eine Luftzwangsführung in der Anlage eingebaut. Diese hat die Aufgabe die Luft am direkten Ausströmen zu hindern. Durch die Luftzwangsführung wird die Luft besser mit der Verdunstungsoberfläche in Kontakt gebracht und ein Stoffaustausch kann intensiver betrieben werden.
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Die Betriebsweise der Anlage kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Zum einen erfolgt der Betrieb in einem ersten Abluftstrom, welcher durch eine Regulierung der Klappenstellung wenig Volumenstrom durch den Prozessraum fördert und dementsprechend eine hohe Feuchtigkeit und einen hohen Wassergehalt im Abluftstrom mit sich bringt, woraus sich zur Unterschreitung der Taupunkttemperatur für das Kondensationssystem ein geringerer Aufwand darstellt. Zum anderen erfolgt der Betrieb in einem zweiten Abluftstrom 2, welcher viel Luftvolumen durch den Prozessraum, durch ein Öffnen der Klappenstellung, mit sich bringt und eine höhere Kühlleistung zur Kondensation benötigt.
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Bei dem Trennverfahren wird zunächst Umgebungsluft in die Solarluftkollektoren eingesaugt und je nach Sonnenintensität auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Anschließend gelangt die aufgeheizte Luft in den Verdunster, wo das zu trennende Medium in Wasser und restliche Bestandteile getrennt wird. Dieser steht zusätzlich innerhalb eines Blechmantels, um Personen vor der Hitze zu schützen und um die Wärmeverluste gering zu halten. Im Verdunster reichert sich die Luft mit Wasser an und gelangt weiter zum Kondensator. Dort wird die feuchte Luft durch ein Rückkühlsystem auskondensiert. Als Produkt erhält man nach dem Kondensator Wasser mit evtl. geringen Mengen an flüchtigen organischen Stoffen.
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Der Volumenstrom wird in einen geringen Volumenstrom in den Prozessraum und in einen großen Volumenstrom um den Prozessraum geteilt. Das Verhältnis kann beliebig gewählt werden. Der geringe Volumenstrom in den Prozess heizt dabei den Innenraum des Verdunsters auf direktem Wege auf und trägt die mit Wasser beladene Luft aus dem Verdunster heraus. Der restliche größere Teil des Volumenstromes wird genutzt, um die Anlage von außen zu beheizen. Eine zweite Ummantelung beinhaltet hierbei Rippen, welche die Wärme der heißen Luft an das Prozessmedium übertragen. Die Rippen bestehen aus langegezogenen Edelstahlplatten, die längs mit dem Radius des Verdunster verlaufen. Die heiße Luft strömt sozusagen an den Rippen entlang. Hintergrund der Volumenstromaufteilung ist eine Verbesserung des Verdunstungsprozesses.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mindestens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Es zeigt:
- 1 schematisch eine Ausführungsform einer Solarverdunstersanlage,
- 2 schematisch eine Prinzipskizze eines Aufbaus einer Solarverdungstersanlage nach 1,
- 3 schematisch eine Ausschnitt einer Solarverdunsteranlage mit einem Wärmetauscher mit Heißwasserkreislauf,
- 4 schematisch einen Ausschnitt einer Solarverdunsteranlage mit einem Kühlkreislauf und Ventilator,
- 5 schematisch eine Ausführungsform eines Solarverdunsters der Solarverdunsteranlage,
- 6 schematisch eine Ausführungsform eines Prozessraums des Solarverdunster mit einer Warmluftzufuhr,
- 7 schematisch eine Ausführungsform eines Prozessraums des Solarverdunster mit einer Warmluftabfuhr,
- 8 schematisch eine Ausführungsform eines Prozessraums des Solarverdunsters mit geregelter Warmluftzufuhr und
- 9 schematisch einen Oberflächenvergrößerer in einer Seitenansicht.
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Die 1 bis 9 zeigen schematisch in verschiedenen Ansichten und Detailierungsgraden eine Ausführungsform einer Solarverdunsteranlage 10.
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Solarverdunstersanlage 10. Diese umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine Solarversorgung 20. Diese versorgt einen Solarverdunster 100. Die Solarversorgung 20 umfasst Solarluft als auch Solarstrom. Die Solarluft wird in zwei Teilströme geteilt. Ein Teilstrom der Solarluft gelangt in den Prozessraum 117 des Solarverdunsters 100. Der andere umströmt den Prozessraum 117. Weiter umfasst die Solarverdunsteranlage 10 einen Kühlkreislauf 30 und einen Rekuperator 40. Während der Kühlkreislauf 30 und der Rekuperator 40 der Kondensation von feuchter Luft dienen, setzen Solarverdunster 100 und Solaranlagen 21 oder Solarversorgung 20 die Trennung der Emulsion oder anderer Stoffe oder Stoffgemische, im Folgenden des Prozessmediums 119 um.
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Mit Sonnenenergie wird über Solarluftkollektoren der Solarversorgung 20 heiße Luft erzeugt (Solarluft) und mit dem Prozessmedium 119 (Stoff, Stoffgemisch, Emulsion) im Solarverdunster 100 in Kontakt gebracht. Über Photovoltaik wird die zur Anlagenbetreibung benötigte Stromversorgung (Solarstrom) sichergestellt. Die bei der Verdunstung entstehende wasserhaltige Luft wird in einen Wärmetauscher 50 geleitet, welcher über den Kühlkreislauf 30 die Taupunkttemperatur der Luft unterschreitet und somit die Kondensation ermöglicht. Das hierbei entstehende Kondensat ist das Produkt der Verdunstungsanlage 10. Nach Beendigung des Verdunstungsprozesses, werden die Verdunstungsrückstände über ein Auslassventil am Solarverdunster 100 ausgelassen.
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2 zeigt schematisch eine Prinzipskizze eines Aufbaus einer Solarverdungsteranlage 10 nach 1, genauer den vorstehend beschrieben Ablaufplan. Die Sonne 1 liefert die Solarenergie für den Betrieb der Anlage 10. Dabei wir die Solarenergie in einen Teilstrom Solarluft 2 und einen Teil Solarstrom 3 unterteilt. Beide werde auf unterschiedlichen Wegen dem Solarverdunster 100 zugeführt. Dem Solarverdunster 100 wird das Prozessmedium 119 zugeführt. Aus dem Verdunster 100 werden die Verdunstungsrückstände 5 abgeführt. Sie Solarluft 2, welche zusammen mit dem Prozessmedium 119 in den Prozessraum 117 geführt wird, verlässt den Verdunster 100 zum Wärmetauscher 50. Der Wärmetauscher 50 ist Bestandteil eines Kühlkreislaufs 30, der weiter einen Kondensator 70 umfasst. Aus dem Kondensator 70 wird das Kondensat 72 abgeführt. Das Kondensat 72 wird in dem Kondensator 70 über den Kühlkreislauf 30 gewonnen. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kühlkreislauf 30 ein Kühlwasserkreislauf 32.
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3 zeigt schematisch eine Ausschnitt der Solarverdunsteranlage 10 mit einem Kondensator 30, einem Wärmetauscher 50 mit Kühlkreislauf 30 und Heißwasserkreislauf 60. Der Kühlkreislauf 30 durchläuft den Kondensator 70 und den Wärmetauscher 50. Der Heißwasserkreislauf 60, der über Heizelemente/Energieversorger 62 aufgeheizt wird, durchläuft den Wärmetauscher. 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Solarverdunsteranlage 10 mit einem Wärmetauscher mit Ventilator 69. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Solarverdunsters 100 der Solarverdunsteranlage 10. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Prozessraums 117 des Solarverdunsters 100 mit der Warmluftzufuhr 110. 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Prozessraums 117 des Solarverdunsters 100 mit der Warmluftabfuhr 120. 8 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Prozessraums 117 des Solarverdunsters 117 mit geregelter Warmluftzufuhr 110. 9 zeigt schematisch einen Oberflächenvergrößerer 130 in einer Seitenansicht.
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Die Verdunsteranlage 10 umfasst vier Hauptkomponenten: die Verdunstungsapparatur oder den Solarverdunster 100, die Energiebereitstellung über Solaranlagen 21 oder kurz die Solarversorgung 20, einen Kühlkreislauf 30 und ein Rekuperator 40. Während der Kühler/Kühlkreislauf 30 und der Rekuperator 40 der Kondensation von feuchter Luft dienen, setzen Verdunster 100 und Solaranlagen 20 die Trennung der Emulsion, Stoffe, Stoffgemische etc. um.
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3 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Solarverdunsteranlage 10 mit dem Wärmetauscher 50 mit Kühlkreislauf 30 und Heißwasserkreislauf 60. Der Wärmetauscher 50 steht in Wirkverbindung mit dem Heißwasserkreislauf 60 einerseits und mit dem Kühlkreislauf 30 andererseits. Der Kühlkreislauf 30 steht wiederum in Wirkverbindung mit dem Kondensator 70. Dem Heißwasserkreislauf 60 wird Energie über einen Energieversorger 62 zugeführt. 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Solarverdunsteranlage 10 mit dem Kühlkreislauf 30 und Ventilator 69. Hierbei ist der Kühlkreislauf 30 in Wirkverbindung mit dem Kondensator 70 und dem Ventilator 69.
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5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Solarverdunsters 100 der Solarverdunsteranlage 10. Der Solarverdunster 100 umfasst einen Behälter 101. Dieser Behälter 101 weist eine Warmluftzufuhr 110 auf. Der Behälter 101 weist einen mit einem Innenmantel 116 ummantelten Innenraum oder Prozessraum 117 und einen den Innenmantel 116 beabstandet umgebenen Außenmantel 118 auf. In dem Prozessraum 117 ist das Prozessmedium 119 vorgesehen. Dieses ist in einer flüssigen Form an einem unteren Bodenabschnitt des Behälters 101 angeordnet. Der Flüssigkeitspegel des flüssigen Prozessmediums 119 liegt unter dem Einlasspegel der Wärmezufuhr 110 in den Behälter 101. Die Warmluftzufuhr 110 führt warme Luft dem Zwischenraum 113 zwischen Innenmantel 116 und Außenmantel 118 zu, sodass die zugeführte Warmluft den Innenmantel 116 umströmen kann. Weiter weist der Solarverdunster 100 die Warmluftabfuhr 120 auf. Über die Warmluftabfuhr 120 kann die zugeführte Warmluft nach zumindest teilweisem Umströmen des Innenmantels 116 an eine Umgebung abgeführt werden. In dem Prozessraum 117 sind Oberflächenvergrößerer 130 in Form von Kreisplatten 132 vorgesehen. Die Oberflächenvergrößerer 130 sind zentral um eine Achse drehbar gelagert, sodass ein unterer Teil der Oberflächenvergrößerer 130 in das flüssige Prozessmedium 119 eintaucht und mit Weiterdrehen wieder auftaucht. Auf diese Weise wird das Prozessmedium 119 auf der Oberfläche des Oberflächenvergrößerers 130 verteilt und dessen Oberfläche vergrößert. Wie rechts in 5 dargestellt, sind mehrere Oberflächenvergrößerer 130 in Form von Kreisplatten 132 axial beabstandet zueinander auf einer Antriebswelle 140 angeordnet.
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6 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Prozessraums 117 des Solarverdunsters 10 mit der Warmluftzufuhr 110. In der dargestellten Ausführungsform weist die Warmluftzufuhr 110 zwei Zufuhrkanäle 111 auf. Ein Zufuhrkanal 111a führt warme Luft in einen Prozessraum 11 des Solarverdunsters. Der andere Zufuhrkanal 111b führt warme Luft in den Zwischenraum 113 zwischen Innen- und Außenmantel 116, 118, sodass der Innenmantel 116 mit der zugeführten Warmluft umströmt wird. Der Warmluft-Volumenstrom wird in einen geringen Volumenstrom in den Prozessraum 117 und in einen größeren Volumenstrom um den Prozessraum 117 geteilt. Der geringe Volumenstrom in den Prozessraum 117 heizt dabei den Innenraum 117 des Solarverdunsters 100 auf direktem Wege auf und trägt die mit Wasser beladene Luft aus dem Solarverdunster 100 heraus. Der restliche größere Teil des Volumenstromes wird genutzt, um die Anlage 10 von außen zu beheizen. Die zweite Ummantelung - der Außenmantel 118 -- beinhaltet hierbei Rippen (nicht explizit dargestellt), welche die Wärme der Warmluft an das Prozessmedium 119 übertragen. Die Rippen bestehen aus langegezogenen Edelstahlplatten, die längs mit dem Radius des Solarverdunsters 100 verlaufen. Die Warmluft strömt sozusagen an den Rippen entlang. Hintergrund der Volumenstromaufteilung ist eine Verbesserung des Verdunstungsprozesses.
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7 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Prozessraums 117 des Solarverdunsters 100 mit einer Warmluftabfuhr 120. Über die Warmluftzufuhr 110 gelangt Warmluft in den Zwischenraum 113 zwischen Innenmantel 116 und Außenmantel 118. Die Warmluft umströmt den Innenmantel 116 und gelangt durch die Warmluftabfuhr 120 an die Umgebung. Die Warmluftabfuhr 120 umfasst eine als Trennwand 121a ausgebildete Warmluftabstromumlenkung 121, welche einen Warmluftabfuhrkanal 122 teilt - in einen Teil, der die Warmluft nach außen an die Umgebung abführt und einen Teil, der die Warmluft um den Innenmantel 116 herumführt. Die Trennwand 121a ist beabstandet zu dem Innenmantel 116 ausgebildet und teilt den Warmluftabfuhrstrom. Dabei teilt die Trennwand 121a den Warmluftabfuhrstrom etwa in einem Verhältnis von 1:1, wobei aber auch andere Verhältnisse einstellbar sind. Die Trennwand 121a ist in einer Ausführungsform fest angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist die Trennwand 121a veränderlich angeordnet, sodass sich das Verhältnis der Aufteilung der Teilströme einstellen lässt, insbesondere durch den Abstand zu dem Innenmantel 116. Somit trennt die Trennwand 121 den Zwischenraum 113 in einen Abluftzwischenraum 123 und einen Umströmzwischenraum 124 im Bereich der Trennwand 121a. Vorzugsweise ist die Trennwand 121a (radial) äquidistant beabstandet zu dem Innenmantel 116 und/oder dem Außenmantel 118 angeordnet. Das heißt, die Trennwand 121a weist etwa die gleiche Krümmung auf, wie Innen- und/oder Außenmantel 116, 118. Die Trennwand 121a ist vorzugsweise als gebogenes Blech ausgebildet, welches in einer Tiefe sich über den gesamten Zwischenraum 113 erstreckt, sodass sämtliche umlaufende Warmluft die Trennwand 121a passieren muss.
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8 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Prozessraums 117 des Solarverdunsters 100 mit geregelter Warmluftzufuhr 110. Die Warmluftzufuhr 110 erfolgt zweigeteilt über zwei Warmluftzufuhrkanäle 111a, 111b. In Zuströmrichtung vor dem Behälter 101 ist in jedem Kanal 111 ein Ventil oder ein Regler 114 vorgesehen. Die Regler 114 sind so ausgebildet, dass diese den jeweiligen Kanal 111 im Wesentlichen vollständig freigeben und sperren können. Hierüber lässt sich die Warmluftzufuhr regulieren. Die Regler 114 sind dabei voneinander unabhängig einstellbar. In einer anderen Ausführungsform sind die Regler in Abhängigkeit voneinander einstellbar. Der Zwischenraum 113 ist in der dargestellten Ausführungsform zweigeteilt - ein Teil ist für die Warmluftumströmung des Innenmantels 116 ausgebildet, der andere Teil ist für die Warmluftumströmung des Außenmantels 118 ausgebildet. Ein Teilstrom strömt somit durch den Zwischenraum 113 zwischen Innenmantel 116 und Außenmantel 118. Der andere Teilstrom strömt außen an dem Außenmantel 118 vorbei. Somit sind durch eine weitere Trennwand 121 zwei Warmluftzufuhrkanäle 111 gebildet. Am Ende des äußeren Warmluftzufuhrkanals 111 ist ein Regler 114 vorgesehen. Mit dem Regler 114 lässt sich der Teilstrom außen entlang des Außenmantels 118 einstellen. Nur der innere Teilstrom, welcher durch den Zwischenraum 113 strömt, gelangt zu der Trennwand 121a im Warmluftabfuhrbereich, welche die Wärmeabfuhr in zwei Teilströme aufteilt. Durch die Teilung der Zuströme und der Abströme lässt sich eine optimale Betriebsweise einstellen. Über Regler 114 lassen sich die Zu- und Abströme regulieren. Beispielsweise kann an dem Abfuhrkanal 122 ein Regler 114 vorgesehen sein, welcher den Abfuhrkanal 122 im Durchfluss reguliert (nicht dargestellt).
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9 zeigt schematisch den Oberflächenvergrößerer 130 in einer Seitenansicht. Der Oberflächenvergrößerer 130 ist als Kreisplatte 132 mit einer Vielzahl an (Durchgangs-)Bohrungen 135 ausgebildet. Die Bohrungen 135 variieren von (radial) außen nach innen in Ihrem Durchmesser. Dabei sind die Bohrungen gruppiert. Eine äußere Bohrung-Gruppe 135a weist den größten Durchmesser der Bohrungen 135 auf. Eine innere Bohrung-Gruppe 135i weist den kleinsten Durchmesser der Bohrungen 135 auf. (Radial) Dazwischen liegt eine Zwischen-Bohrung-Gruppe 135z. Der Durchmesser der Bohrungen 135 der Zwischen-Bohrung-Gruppe 135z liegt zwischen dem Durchmesser der Bohrungen 135 der inneren Bohrung-Gruppe 135i und dem Durchmesser der Bohrungen 135 der äußeren Bohrung-Gruppe 135a. Die Bohrungen 135 durchdringen die Kreisplatte 132 und sind in Umfangsrichtung entlang des Umfangs der Kreisplatte 132 angeordnet. Bohrungen 135 einer Gruppe sind dabei etwa gleich beabstandet von einem Mittelpunkt der Kreisplatte 132 umfänglich beabstandet zueinander angeordnet. Die äußere Bohrung-Gruppe 135a weist in Umfangsrichtung eine Reihe an Bohrungen 135 auf. Ebenso weist die innere Bohrung-Gruppe 135i in Umfangsrichtung eine Reihe an Bohrungen 135 auf. Die Zwischen-Bohrung-Gruppe 135z weist in Umfangsrichtung zwei Reihen an Bohrungen 135 auf. Die Bohrungen 135 unterschiedlicher Reihen sind dabei so ausgebildet, dass die Mittelpunkte der Bohrungen 135 versetzt zueinander in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonne
- 2
- Solarluft
- 3
- Solarstrom
- 10
- Solarverdunsteranlage
- 20
- Solarversorgung
- 21
- Solaranlage
- 30
- Kühlkreislauf
- 32
- Kühlwasserkreislauf
- 40
- Rekuperator
- 50
- Wärmetauscher
- 60
- Heißwasserkreislauf
- 62
- Heizelemente / Energieversorger
- 69
- Ventilator
- 70
- Kondensator
- 72
- Kondensat
- 100
- Solarverdunster
- 101
- Behälter
- 110
- Warmluftzufuhr
- 111
- (Warmluft-) Zufuhrkanal
- 111a
- (Warmluft-)Zufuhrkanal
- 111b
- (Warmluft-) Zufuhrkanal
- 113
- Zwischenraum
- 114
- Ventil/Regler
- 116
- Innenmantel
- 117
- Prozessraum
- 118
- Außenmantel
- 119
- Prozessmedium/Stoffgemisch
- 120
- Warmluftabfuhr
- 121
- Warmluftabstromumlenkung
- 121a
- Trennwand
- 122
- Warmluftabfuhrkanal
- 123
- Abluftzwischenraum
- 124
- Umströmzwischenraum
- 130
- Oberflächenvergrößerer
- 132
- Kreisplatte
- 135
- (Durchgangs-)Bohrung
- 135a
- äußere Bohrung-Gruppe
- 135i
- innere Bohrung-Gruppe
- 135z
- Zwischen-Bohrung-Gruppe
- 140
- Antriebswelle
