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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Wasserbehandlungsvorrichtung zur thermischen Aufbereitung von Wasser sowie ein Verfahren zur Wasserbehandlung mittels thermischer Aufbereitung und eine Wärmepumpe für eine Wasserbehandlungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Das Verfahren von Verdunstung und Kondensation zur Reinigung von Wasser ist als „Humidification/Dehumidification“ oder „solar humidification-dehumidification method (HDH)“ bekannt. Eine Mehrstufige Wasserentsalzungsanlage basierend auf dem Mehrstufendestillationsverfahren (MSD) wird in dem Dokument
DE 202017001429 U1 vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird zugeführtes Rohwasser mittels thermischer Behandlung in den einzelnen Stufen in Destillat und Sole getrennt.
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Im Vergleich zu dem gewöhnlichen, jedoch apparateaufwendigen Multi-Stage-Flash (MSF) Verfahren und dem Multi-Effect-Distillation (MED) Verfahren, benötigt das MSD Verfahren nur eine einfache, kleine und kostengünstige Anlage, die für den mobilen Einsatz und privaten Gebrauch besser geeignet ist.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wasserbehandlungsvorrichtung zur thermischen Aufbereitung von Wasser derart zu verbessern, dass der Energiebedarf weitestgehend reduziert sowie gleichzeitig die Wärme- und Energierückgewinnung durch einen Wärmepumpenkreislauf erhöht wird.
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Erfindungsgemäß wird hierfür eine Wasserbehandlungsvorrichtung zur thermischen Aufbereitung von einem der Wasserbehandlungsvorrichtung zugeführtem Wasser vorgeschlagen, wobei die Wasserbehandlungsvorrichtung mehrere Stufen aufweist, welche das zugeführte Wasser in Strömungsrichtung hintereinander durchfließt, wobei den mehreren Stufen Wärme hinzugeführt wird, mittels welcher in den Stufen jeweils ein Anteil des zugeführten Wassers zur Erzeugung eines Destillats verdunstet und kondensiert.
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Bei einer Wasserbehandlungsvorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Wasseraufbereitung im Allgemeinen, welche eine Meerwasserentsalzungsvorrichtung, aber beispielsweise auch eine Abwasserreduktionsvorrichtung sein kann. Das heißt, dass das der Wasserbehandlungsvorrichtung zugeführte Wasser (in anderen Worten auch „das Rohwasser“), Meerwasser bzw. ein zu entsalzendes Wasser oder Schmutz- bzw. Abwasser sein kann. Die Wasserbehandlungsvorrichtung kann erfindungsgemäß somit auch als Wasseraufbereitungsvorrichtung angesehen werden. Vorteilhafterweise ist die Wasserbehandlungsvorrichtung aber als Meerwasserentsalzungsvorrichtung ausgebildet.
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Vorzugweise wird die Wärme aus elektrischem Strom erzeugt, welcher beispielsweise mittels Solarenergie hergestellt werden kann. Alternativ ist jedoch jede Wärmequelle, zum Beispiel Abwärme (beispielweise aus Industrieprozessen) oder die direkte Sonnenenergie durch die Verwendung von thermischen Solarkollektoren, für die Erzeugung der Wärme denkbar.
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Erfindungsgemäß weist die Wasserbehandlungsvorrichtung zur Energiereduzierung einen Wärmepumpenkreislauf mit einer Wärmepumpe auf, womit den mehreren Stufen die Wärme nacheinander zugeführt wird.
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Unter dem Begriff „Stufen“ sind mehrere voneinander im Wesentlich räumlich getrennten Gefäße oder Kammern zu verstehen. Zunächst wird die oberste Stufe mit Rohwasser befüllt. Alle Stufen sind mit einem Überlaufstück versehen. Wird nun die maximale Füllmenge der Stufe erreicht, fließt das überschüssige Wasser durch das Überlaufstück in die darunter liegende Stufe ab, bis auch diese ihre maximale Füllmenge erreicht. Diese Art der Befüllung setzt sich in allen Stufen fort. Das den Stufen zugeführte Rohwasser wird nun in den Stufen jeweils durch die zugeführte Wärme verdunstet bzw. verdampft. Der entstandene Dampf wird an der Unterseite der darüberliegenden Stufe kondensiert und zur Mitte oder an die Seiten der Stufe abgeleitet. Dies geschieht durch die schräge Geometrie der Stufen an denen das Destillat in Form von Tropfen herabläuft. Durch den Phasenwechsel wird das erzeugte Destillat von den Fremdsubstanzen des Rohwassers, z.B. dem Salz und/oder dem Schmutz, getrennt. Zudem findet durch den Prozess des Verdunstens und Kondensierens ein Wärmetransport in die jeweilige darüberliegende Stufe statt.
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Der Wärmepumpenkreislauf ist bevorzugterweise ein geschlossener Kreislauf, in dem die Wärmepumpe mit verfügbarer Stromversorgung und/oder über eine Photovoltaikanlage mit Strom versorgt werden kann.
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Insbesondere ist der Wärmepumpenkreislauf so ausgebildet, dass der Kondensator des Wärmepumpenkreislaufs zum Erhitzen der Stufen unterhalb einer untersten Stufe angeordnet, und der Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufs zum Kondensieren des Wasserdampfs oberhalb einer obersten Stufe angeordnet ist.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass die Wärmepumpe eine Hochtemperaturwärmepumpe ist. Insbesondere ist unter Hochtemperaturwärmepumpe eine Wärmepumpe zu verstehen, welche die Wärme oder in anderen Worten, die zu übertragene Nutzwärme, mit hohen Temperaturen erzeugen kann. Unten dem Begriff „Hochtemperatur“ im Hinblick auf die Temperatur der durch die Wärmepumpe erzeugten Nutzwärme ist zu verstehen, dass der Temperaturbereich oberhalb 70 °C, bevorzugt zwischen 70 °C und 170 °C, besondere bevorzugt zwischen 80 °C und 160 °C, am meisten bevorzugt zwischen 95 °C und 140 °C liegt.
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Die Hochtemperaturwärmepumpe ermöglicht es, dass das in der Wasserbehandlungsvorrichtung zugeführte Rohwasser verdampft werden kann. Gleichzeitig verringert sich der Bedarf an der zum Erzeugen der Wärme benötigten elektrischen Energie
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Insbesondere ist die Wasserbehandlungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die mehreren Stufen in vertikaler Ausrichtung übereinander angeordnet sind.
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In anderen Wort sind bevorzugterweise die mehreren Stufen in einer vertikalen Richtung aufeinander gestapelt. Die unterste Stufe ist die erste Stufe, welcher die Wärme zuerst zugeführt wird. In der ersten Stufe kann dadurch das Rohwasser, im Vergleich zu anderen Stufen, die höchste Temperatur erreichen. Des Weiteren ist die oberste Stufe die letzte Stufe, welcher das Rohwasser zuerst zugeführt wird. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Strömungsrichtung der Wärme und die Strömungsrichtung des Rohwassers im Wesentlich entlang der Vertikalrichtung und gegeneinander ausgerichtet sind.
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Die Anzahl der Stufen kann vorzugsweise mehr als 3, besondere vorzugsweise mehr als 6 Stufen sein.
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Ferner ist der Wärmepumpenkreislauf derart angeordnet und ausgebildet, dass die Wärme den mehreren Stufen seriell zugeführt wird. Vorteilhaftweise wird die Wärme in der untersten Stufe zugeführt und von dieser dann an die jeweilige darüber liegende Stufe übertragen. Die einmal zugeführte Wärme gelangt mit der Zeit durch alle Stufen nach oben. Oberhalb der letzten Stufe wird die Wärme dann wieder in den Wärmepumpenkreislauf eingekoppelt.
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Die auf einmal der Wasserbehandlungsvorrichtung zugeführte Wärme wird insbesondere in den vertikal angeordneten Stufen mehrfach verwendet. Somit entsteht ein energiesparender Betrieb. Dabei weist die den verschiedenen Stufen zugeführte Wärme Temperaturabstufungen auf. Das heißt, von der ersten Stufe bis zu der letzten Stufe vergrößert sich die Temperaturdifferenzen über die benachbarten Stufen. Abgesehen von geringen Verlusten, ist der Wärmestrom aber in allen Stufen konstant.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die mehreren Stufen derart übereinander angeordnet sind, dass Übergänge an deren Außenseiten dicht abschließen.
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Die Abdichtung der mehreren gestapelten und/oder aufeinander gesteckten Stufen sorgt dafür, dass die Wärme möglichst innerhalb der Wasserbehandlungsvorrichtung, insbesondere innerhalb der Stufen bleibt, sodass der Wärmeverlust an den Übergängen zwischen den Stufen vermieden werden kann. Ferner ist es besonders vorteilhaft, dass mehrere Abdichtungen zwischen den einzelnen Stufen vorgesehen sind. Das Material für die Abdichtung kann Materialen mit hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Kunststoff, bevorzugterweise Silikon, aufweisen oder daraus bestehen.
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Vorzugweise weist jede der mehreren Stufen einen Destillatabfluß auf, welcher im Bereich eines Stufenmittelpunktes der jeweiligen Stufe angeordnet ist. Insbesondere können die Stufen kreisrund oder kugelförmig sein, deren Stufenmittelpunkt der geometrische Mittelpunkt der kreisrunden Stufe ist.
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Bei dem Destillatabfluß handelt sich um einen Abfluß des Destillats aus der jeweiligen Stufe. Somit kann das Destillat über den Abfluß aus der jeweiligen Stufe auslaufen und anschließend zur späteren Verwendung gesammelt werden.
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Vorzugsweise sind die Stufen rund oder zylinderförmig. Der Stufenmittelpunkt ist somit der Mittelpunkt oder der geometrische Schwerpunkt der rundförmigen oder zylinderförmigen Stufe. Eine derartige Anordnung des Destillatabflußes gewährleistet angemessene Abstände zu der oberen und unteren Seite der jeweiligen Stufe, sodass eine möglichst verlustfreie Sammlung des Destillatstroms erfolgt.
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Ferner ist bevorzugterweise ein Behälter mit Remineralisierungsstoffen im Bereich des Stufenmittelpunktes jeder der mehreren Stufen angeordnet. Der Behälter mit Remineralisierungsstoffen kann zylinderförmig sein.
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Insbesondere ist der Behälter vorzugweise im Destillatabfluß angeordnet. Alternativ kann der Destillatabfluß durch den Behälter gebildet werden. Mithilfe von der Remineralisierung wird eine Herstellung des Destillats mit Trinkwasserqualität erreicht. Die Remineralisierung könnte alternativ auch den einzelnen Stufen nachgelagert erfolgen.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Stufen eine Beschichtung, insbesondere eine folienartige Beschichtung oder in Form von Lack, auf Basis von Polytetrafluorethylen bzw. Perfluoralkoxy-Polymere aufweisen.
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Die Beschichtung zielt darauf ab, die durch das Rohwasser verursachte Korrosion der Stufen und feste Ablagerungen in den Stufen zu verhindern. Eine Antihaftwirkung zur leichten Entfernung der Ablagerungen kann dadurch erreicht werden.
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Der Wärmepumpenkreislauf kann ein Kältemittel aufweisen, wobei das Kältemittel auf Hydrofluorolefin bzw. Hydrochlorfluorolefin basiert.
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Die mehreren Stufen können insbesondere evakuiert (Unterdruck) werden, in denen das Rohwasser unterhalb des normalen Siedepunktes bei Normaldruck anfängt zu sieden und verdampft werden kann. Auf diese Weise kann sich das Rohwasser mittels geringer Temperatur in Dampf verwandeln.
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Erfindungsgemäß wird eine Wärmepumpe für eine Wasserbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Wärmepumpe als Hochtemperaturwärmepumpe ausgebildet ist.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß hierfür ein Verfahren zur Wasserbehandlung mittels thermischer Aufbereitung von einem einer Wasserbehandlungsvorrichtung zugeführtem Wasser vorgeschlagen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1: ein Beispiel der Wasserbehandlungsvorrichtung und
- 2: eine Darstellung der Wärme- und Stoffströme des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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1 zeigt beispielweise eine Wasserbehandlungsvorrichtung 100 mit insgesamt fünf Stufen 11. Die Stufen 11 sind in einer Vertikalrichtung übereinander angeordnet, zum Beispiel aufeinander gesteckt. Das Rohwasser 10 wird zuerst der obersten Stufe zugeführt und durchfließt danach die einzelnen darunter liegenden Stufen 11 hintereinander. Dabei entspricht die Strömungsrichtung 12 des Rohwassers 10 im Wesentlich der Vertikalrichtung.
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Ferner ist ein Wärmepumpenkreislauf 14 mit einer Wärmepumpe 15 vorgesehen, wobei der Wärmepumpenkreislauf 14 einen Kondensator 151 zum Erhitzen des Rohwassers, einen Verdampfer 153 zum Abkühlen des Wasserdampfs und eine Drossel 152 sowie einen Verdichter 154 aufweist. Der Kondensator 151 ist vorzugsweise unterhalb der ersten Stufe und der Verdampfer 153 oberhalb der fünften Stufe angeordnet.
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In diesem geschlossenen Kreislauf 14 gibt der Kondensator 151 die Wärme ab, indem das Rohwasser 10 in der ersten Stufe die größte Menge von der Wärme aufnimmt und die entlang der Vertikalrichtung aufsteigende Restwärme jeweils der zweiten bis fünften Stufen 11 zuführt wird. Der dadurch erzeugte Wasserdampf wird in jeder Stufe kondensiert und als das Destillat 13 gesammelt.
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2 zeigt eine allgemeine Darstellung der Wärme- und Stoffströme innerhalb der Wasserbehandlungsvorrichtung 100. Das Rohwasser (z.B. Salzwasser) fließt gegen die Strömungsrichtung der Wärme und die zugeführte Wärme gelangt Stufe für Stufe von unten bis oben. Auf diese Weise wird die Wärme in den vertikal angeordneten Stufen 11 mehrfach verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wasserbehandlungsvorrichtung
- 10
- zugeführtes Wasser
- 11
- Stufe
- 12
- Strömungsrichtung des Wassers
- 13
- Destillat
- 14
- Wärmepumpenkreislauf
- 15
- Wärmepumpen
- 151
- Kondensator
- 152
- Drossel
- 153
- Verdampfer
- 154
- Verdichter
- 16
- Destillatabfluß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202017001429 U1 [0002]
