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Die Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage, aufweisend mindestens einen Vorlagebehälter zum Lagern des aufzubereitenden Wassers, mindestens einen Verdampfer zum Verdampfen des aufzubereitenden Wassers, mindestens einen Kondensator zum Kondensieren des im Verdampfer verdampften Wassers, wobei der Kondensator auf der Kühlwasserseite mit aufzubereitendem Wasser gespeist ist, welches auf dem Weg zum Verdampfer ist.
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Zur Aufbereitung von Salzwasser oder von durch Mikroben und/oder Algen kontaminierten Wassers zu Trinkwasser oder als Prozesswasser ist es bekannt, das Wasser durch Destillieren oder durch Umkehrosmoseaufbereiten, das Wasser zu reinigen. Je nach Art der Aufbereitungsanlage ist es notwendig, ein Steuerungssystem oder für größere Anlagen ein Prozessleitsystem einzusetzen. Zur Wasseraufbereitung in Gebieten, in denen beispielsweise kein Personal zur Wartung der Anlage verfügbar ist, muss eine solche Anlage möglichst autark betrieben werden. Zwar ist es möglich, automatisierte und autonome Steuerungssysteme einzusetzen. Diese aber sind in der Regel empfindlich und gegebenenfalls auch störanfällig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasseraufbereitungsanlage zur Verfügung zu stellen, die einerseits sehr einfach aufgebaut ist und wenige störanfällige Teile aufweist und die auch skalierbar ist. Gerade im Bereich der Skalierbarkeit unterscheiden sich Wasseraufbereitungsanlagen je nach Maßstab untereinander erheblich.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Wasseraufbereitungsanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben. In Anspruch 10 wird ein Verfahren zur Wasseraufbereitung beansprucht, das mit der erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt werden kann.
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Nach dem Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorlagebehälter oberhalb des Verdampfers angeordnet ist, und der Kondensator in Höhe des Fu-ßes des Verdampfers angeordnet ist, wobei der Vorlagebehälter luftdicht verschließbar ist und mit einem Ablauf in einen Überlauftopf mündet, dessen Spiegelhöhe geringfügig unterhalb eines Dampfauslasses des Verdampfers angeordnet ist, und wobei der Überlauftopf mit dem Kühlwassereinlass des Kondensators verbunden ist, und wobei ein Kühlwasserauslass des Kondensators mit einem Eingang des Verdampfers verbunden ist. Der Gedanke der Erfindung ist der drucklose Betrieb im Bereich der primären Entsalzung beziehungsweise im Bereich der Verdampfung. Zum drucklosen Betrieb gehört, dass der Vorlagebehälter luftdicht abschließbar ist. Der luftdichte Abschluss ermöglicht, dass die Spiegelhöhe des in den Verdampfer laufenden Wassers konstant gehalten werden kann, ohne, dass eine Steuerung vonnöten ist, welche die Verdampfung regelt oder steuert. Der hierzu eingesetzte Überlauftopf weist einen offenen Topf auf. In diesen Topf mündet ein Ausgang des Vorlagebehälters. Ist der Überlauftopf leer, so tropft Wasser aus dem Ausgang in den Überlauftopf, wobei mit jedem Tropfen auch Luft in den Ausgang hineinströmt. Das Entleeren des Vorlagebehälters ähnelt insofern dem Ausgießen einer Flasche. Der Überlauftopf ist an seinem Grund mit einer Abflussleitung verbunden, die zu weiteren Aggregaten der Wasseraufbereitungsanlage führt. Ist die Anlage bis zu einem vorbestimmten Pegel gefüllt, so füllt sich auch der Überlauftopf bis der in den Überlauftopf mündende Ausgang des Vorlagebehälters erreicht wird. Luft kann nun nicht mehr in den Vorlagetopf strömen, wodurch der Abfluss gehemmt ist. Dieser hemmende Effekt ist bekannt durch eine gefüllte Flasche, die in einen Flüssigkeitspegel eintaucht, sich aber dennoch im Wesentlichen oberhalb des Flüssigkeitspegels befindet.
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Das Wasser aus dem Überlaufbehälter strömt sodann in einen Kondensator. Der Kondensator ist so ausgelegt, dass durch den Kondensator strömender Wasserdampf aus einem Verdampfer die Vorlage möglichst stark erwärmt. Es kommt beim Kondensator also weniger darauf an, das Kondensat zu kühlen, als die Vorlage möglichst stark zu erwärmen. Der Kondensator übernimmt damit eine Funktion eines Rekuperators, der die latente Wärme im verdampften Wasser wieder dem Verdampfungsprozess zuführt. Im Verdampfer ist es notwendig, die Verdampfungsenthalpie zuzuführen. Diese ist in der Regel der am meisten Energie aufnehmende Teilprozess. Diese Verdampfungsenthalpie wird bei der Rekuperation als latente Wärme der Vorlage wieder zugeführt. Hat sich die Wasseraufbereitungsanlage einmal erwärmt, so ist der im Verdampfer notwendige Energiezufluss reduziert auf die Energie für die physikalischen und chemischen Transportprozesse, den Energieverlust durch Abstrahlung und den scheinbaren Energieverlust durch Energiedegradation in einem Wärmekreislauf. Die Rekuperation ermöglicht damit eine Wasseraufbereitung mit vergleichsweise wenig Energiezufluss. Die Wasseraufbereitungsanlage kann damit auch bei sehr mäßigem Energiezufluss betrieben werden. Beispielsweise kann der Verdampfer ein Solarverdampfer sein, der Sonnenstrahlung absorbiert und dann das aufzubereitende Wasser erwärmt. Im Verdampfer fängt das aufzubereitende Wasser an zu sieden, verdampft, wobei ein Reinigungsschritt entsteht, und im Kondensator wird die Wärme an das folgende aufzubereitende Wasser abgegeben. Dadurch wird die Erwärmung des aufzubereitenden Wassers von der Vorlagetemperatur bis an den Siedepunkt auf einen geringen Temperaturunterschied verringert.
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In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage kann vorgesehen sein, dass ein Kondensatwasserauslass des Kondensators mit einer Abzweigung verbunden ist, welche einen größeren Teil des Kondensatwassers in einen Destillattank führt, und einen kleineren Teil des Kondensatwassers in einen Elektrolysezelle führt, wobei in der Elektrolysezelle Kondensatwasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, und wobei die Elektrolysezelle auf der sauerstoffbildenden Seite mit dem Destillattank verbunden ist, so dass gebildeter Sauerstoff in den Destillattank strömt und dort das Kondensatwasser als Destillat begast. Der kleinere, zur Elektrolysezelle geführte Teil des Kondensatwassers liegt dort, in der Elektrolysezelle, als destilliertes Wasser vor, wo es ungeregelt elektrolysiert werden kann. Die ungeregelte Elektrolyse mit elektrischem Strom, der beispielsweise aus einem Solarpaneel stammen kann und/oder aus einer Windturbine, führt zur Aufspaltung des Wassers in molekularen Wasserstoff und in molekularen Sauerstoff. Je nach Größe und Skalierung der Wasseraufbereitungsanlage kann der molekulare Wasserstoff durch Abgabe in die freie Atmosphäre verworfen werden oder aber einem Wasserstoffspeicher zugeführt werden. Für kleinere Anlagen ist die Wasserstoffspeicherung in der Regel weniger praktikabel. Der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff kann dem Kondensatwasser zur Oxigenierung zugeführt werden. Dabei kann die Oxigenierung mit einem Druck von 100 bar, über 200 bar bis hin zu 300 bar durchgeführt werden. Das oxigenierte Wasser in dem Destillattank wird dadurch haltbar. Außerdem führt der Druck im Destillattank dazu, dass das oxigenierte Wasser durch ein entsprechendes Ventil einen Eigendruck zur Förderung aufweist.
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Um die Verdampfung mit möglichst geringerem Energiezufluss betreiben zu können, kann vorgesehen sein, dass der Verdampfer ein Solarverdampfer ist und vollständig wärmeisoliert ist. Die Wärmeisolation kann durch eine Anordnung des Verdampfers in einem mit einer transparenten Scheibe abgedeckten Behälter durchgeführt sein. Dabei sind wärmeleitende Wärmebrücken nach Möglichkeit zu vermeiden. Der wärmeisolierende Behälter kann dazu auch noch evakuiert sein, um Luft als Wärmebrücke zu vermeiden. Dieser Aufbau ermöglicht die Wasseraufbereitung auch bei bedecktem Himmel. Dazu ist es notwendig, dass die Wasseraufbereitungsanlage einmal erwärmt ist. Nach der Erwärmung erfordert die Reinigung des aufzubereitenden Wassers nur noch einen Bruchteil der Energie durch die Rekuperation der Wärme im Kondensator, der auf eine möglichst hohe Wärmerekuperation und nicht auf eine möglichst starke Abkühlung ausgelegt ist.
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In der hier vorgestellten Wasseraufbereitungsanlage ist kein dedizierter Sumpf vorhanden. Stattdessen sammelt sich der Sumpf im Verdampfer durch Aufkonzentration des Salzes, der Mikroben und/oder der Algen. Um den Verdampfer zu reinigen, kann es in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Vorlagebehälter über einen Hahn mit dem Kopf des Verdampfers verbunden ist, wobei der Verdampfer ein Ablassventil an seinem unteren Ende aufweist. Das Wasser aus dem Vorlagebehälter strömt beim Betätigen des Hahns also nicht in den Fuß des Verdampfers ein, sondern in den Kopf des Verdampfers und läuft aus dem Fuße des Verdampfers aus. In diesem Reinigungsbetrieb wird der Verdampfer mit dem aufzubereitenden Wasser gereinigt, in dem der aufkonzentrierte Sumpf abgelassen wird.
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Die Energieversorgung der Elektroden der optionalen Elektrolysezelle kann mit einem Photovoltaikpaneel und/oder einer Windturbine geschehen, wobei das Photovoltaikpaneel und/oder die Windturbine ein Teil der Wasseraufbereitungsanlage sind. Die zur Elektrolyse notwendige Energie beträgt nur einen Bruchteil der notwendigen Energie zum Verdampfen. Die Menge an Sauerstoff zum Oxigenieren ist selbst bei Einsatz eines hohen Drucks von bis zu 100 bar, über bis zu 200 bar bis hin zu 300 bar immer noch gering im Vergleich zur Menge des aufbereiteten Wassers.
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In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage kann vorgesehen sein, dass ein weiterer Vorlagebehälter mit dem Destillattank über einen Hahn verbunden ist, über welchen Wasser aus dem weiteren Vorlagebehälter in den Destillattank gelangt, um das darin enthaltene Kondensatwasser als Destillat mit Elektrolyten aus dem weiteren Vorlagebehälter zu beschicken. Die Flüssigkeit in dem weiteren Vorklagebehälter kann eine vorbereitete Elektrolytflüssigkeit sein, aber auch aus der gleichen Quelle wie das aufzubereitende Wasser. Da mit der Zufuhr von aufzubereitendem Wasser in das Kondensatwasser / Destillat eine Rekontaminierung stattfindet, ist die zuvor genannte Oxigenierung sinnvoll. Bei der Entsalzung von reinem Meerwasser ist die Rekontaminierung weniger schädlich. Bei der Aufbereitung von beispielsweise mit Amöben kontaminierten Wassers bedeutet die Rekontaminierung, dass das Kondensatwasser / das Destillat unbrauchbar wäre. Die Oxigenierung unter hohem Druck jedoch führt zu einer Vergiftung der Mikroben.
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Anders als die Verdampfung sollte die Oxigenierung möglichst bei höheren Drücken geschehen. Um die Oxigenierung bei hohem Druck durchführen zu können, kann vorgesehen sein, dass der Destillattank und die Elektrolysezelle über ein Rückschlagventil auf der Einlassseite druckdicht sind und ein Sicherheitsventil aufweist, dass bei 100 bar, bevorzugt bei 200 bar, besonders bevorzugt bei 300 bar anspricht.
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Die hier vorgestellte Wasseraufbereitungsanlage zeichnet sich aus durch ihre gute Skalierbarkeit. Es kann für Kleinstanlagen vorgesehen sein, dass die Volumina des Vorlagebehälters und des Destillattanks zwischen 3 I und 10 I aufweisen, wobei die Wasseraufbereitungsanlage in einem Rahmen aufgebaut ist, der von einem Ort zu einem anderen Ort beweglich ist.
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Als größere Anlage kann aber auch vorgesehen sein, dass die Volumina des Vorlagebehälters und des Destillattanks zwischen 3m3 und 100 m3 aufweisen, wobei die Wasseraufbereitungsanlage in einem Fundament mit dem Boden verankert ist.
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Korrespondierend zur hier vorgestellten Wasseraufbereitungsanlage wird auch das dazu korrespondierende Verfahren beansprucht. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte: druckloses Erwärmen von aufzubereitendem Wasser in einem Kondensator auf der Kühlwasserseite, Verdampfen des vorgewärmten, aufzubereitenden Wassers in einem Verdampfer, Durchleiten des Dampfes durch den Kondensator auf der Kondensatseite, Lagern des im Kondensator kondensierten Wasserdampfes als Destillats in einem druckdichten Destillattank, Oxigenieren des im Kondensator kondensierten Wasserdampfes als Destillat bei einem Druck zwischen 100 bar und 300 bar durch Sauerstoff, das aus Elektrolyse von einem Teil des Destillats zuvor erhalten wurde.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Skizze einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage in einer perspektivischen Ansicht von vorn,
- 2 die Wasseraufbereitungsanlage aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von vorne ohne den Verdampfer und ohne das Solarpaneel,
- 3 die Wasseraufbereitungsanlage aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von hinten,
- 4 eine grobe Skizzierung der Einzelteile der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage aus 1 zur Verdeutlichung der Funktion.
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In 1 ist eine Skizze einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage 100 in einer perspektivischen Ansicht von vorn gezeigt. Die Wasseraufbereitungsanlage 100 besteht in dieser Ausführungsform aus dem oberen Vorlagebehälter 110, dem Verdampfer 120 und dem Kondensator 130, der als Rekuperator optimiert ist, in dem das den Dampf kühlende, aufzubereitende Wasser möglichst stark erwärmt wird. Neben diesen drei Basiselementen weist die Wasseraufbereitungsanlage 100 noch den Destillattank 140 auf, eine Elektrolysezelle 150, ein Solarpaneel 160 und einen weiteren Vorlagebehälter 170. Diese hier gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage 100 ist in einem rahmen R von einem Ort zu einem nächsten Ort transportierbar aufgebaut. Es ist aber auch möglich, diese Anlage zu skalieren und in einem Fundament fest mit dem Boden zu verbinden. Das aufzubereitende Wasser aus dem Vorlagebehälter tropft oder fällt in einen Überlauftopf 111, über den der Spiegel des aufzubereitenden Wassers im Verdampfer bestimmt wird. Dieser Überlauftopf ermöglicht eine automatische Steuerung des Verdampferpegels, wobei die Verdampferseite und Kondensatorseite der Wasseraufbereitungsanlage drucklos sind.
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In 2 ist die Wasseraufbereitungsanlage aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von vorne ohne den Verdampfer und ohne das Solarpaneel dargestellt. Deutlich sind zu sehen die Verbindungsrohre zwischen dem Überlauftopf 111 und dem Kondensator 130. Des Weiteren ist das Verbindungsrohr zu sehen vom Kondensator 130 zum Eingang 122 zum hier ausgeblendeten Verdampfer 120. In der unmittelbaren Nähe zum Eingang 122 ist ein Ablassventil 123 angeordnet, das zum Reinigen des Verdampfers geöffnet werden kann. In dieser Ansicht ist des Weiteren ein Einlass 113 zum Vorlagebehälter 110 erkennbar. Dieser Einlass kann zum Belüften oder auch zum Befüllen des Vorlagebehälters 110 mit aufzubereitendem Wasser verwendet werden.
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In 3 ist die Wasseraufbereitungsanlage aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von hinten skizziert. Diese Ansicht lässt die Verbindung der einzelnen Aggregate gut erkennen. In dieser Ansicht sind gezeigt die übereinander angeordneten Vorlagebehälter 110, der weitere Vorlagebehälter 170 und der darunter angeordnete Destillattank 140. Der Vorlagebehälter hat einen weiteren Einlass 113, der auch als Ablass für in dem Vorlagebehälter vorhandenen, aufzubereitenden Wassers verwendet werden. Unter dem Vorlagebehälter 110 ist der weitere Vorlagebehälter 170 mit dem Einlass 173 gezeigt.
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In 4 ist schließlich eine grobe Skizzierung der Einzelteile der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage aus 1 zur Verdeutlichung der Funktion gezeigt. Diese hier gezeigte Anlage verkörpert sämtliche Merkmale, sowohl die erfindungswesentlichen Merkmale als auch die weiteren Merkmale nach den Ansprüchen 2 bis 9.
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Die Wasseraufbereitungsanlage 100 weist die folgenden Aggregate auf: zunächst mindestens einen Vorlagebehälter 110 zum Lagern des aufzubereitenden Wassers W1. Das aufzubereitende Wasser W1 kann über einen Einlass 113 in den Vorlagebehälter 110 gefüllt werden. Des Weiteren weist die Wasseraufbereitungsanlage 100 mindestens einen Verdampfer 120 zum Verdampfen des aufzubereitenden Wassers W1 auf. Ein weiteres Aggregat ist mindestens ein Kondensator 30 zum Kondensieren des im Verdampfer 120 verdampften Wassers W2. Der Kondensator 130 wird auf der Kühlwasserseite mit aufzubereitendem Wasser W1 gespeist. Das aufzubereitende Wasser W1 ist hierbei auf dem Weg zum Verdampfer 120. Der zuvor erwähnte Vorlagebehälter 110 ist hier oberhalb des Verdampfers 120 angeordnet, damit das aufzubereitende Wasser als Vorlagewasser durch Schwerkraft in den Verdampfer gelangt. Der Kondensator 130 ist hingegen in Höhe des Fußes des Verdampfers 120 angeordnet. Der Vorlagebehälter 110 ist luftdicht verschließbar und mündet mit einem Ablauf in einen Überlauftopf 111. Die Spiegelhöhe SH des Überlauftopfes 111 ist geringfügig unterhalb eines Dampfauslasses 121 des Verdampfers 120 positioniert. Der untere Ablauf des Überlauftopfes 111 ist mit dem Kühlwassereinlass 131 des Kondensators 130 verbunden, so dass das aufzubereitende Wasser W1 aus dem Vorlagebehälter 110 in den Kondensator 130 als Kühlwasser einströmt. Ein Kühlwasserauslass 132 des Kondensators 130 ist mit einem Eingang 122 des Verdampfers 120 verbunden, wobei ein Absperrventil dort angeordnet ist, um eine Reinigung des Verdampfers 120 zu ermöglichen, indem der Hahn 112 und Hahn 123 geöffnet wird. Um den Verdampfer 120 vom sich aufkonzentrierenden Sumpf zu reinigen, ist also vorgesehen, dass der Vorlagebehälter 110 über einen Hahn 112 mit dem Kopf des Verdampfers 120 verbunden ist, wobei der Verdampfer 120 ein Ablassventil 123 an seinem unteren Ende aufweist. Damit das aufzubereitende Wasser W1 frei strömt, kann der Einlass 113 geöffnet werden, damit Luft in den Vorlagebehälter gelangt, wenn sich der Vorlagebehälter 110 entleert.
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Ein Kondensatwasserauslass 133 des Kondensators 130 ist mit einer Abzweigung 134 verbunden, welche einen größeren Teil des Kondensatwassers W3 in einen Destillattank 140 führt, und einen kleineren Teil des Kondensatwassers (3) in einen Elektrolysezelle 150 führt. In der Elektrolysezelle 150 wird das Kondensatwasser W3 in Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 elektrolytisch zerlegt. Die Elektrolysezelle 150 ist auf der sauerstoffbildenden Seite mit dem Destillattank 140 verbunden, so dass gebildeter Sauerstoff O2 in den Destillattank 140 einströmt und dort das Kondensatwasser W3 als Destillat begast. Diese Begasung ist die Oxigenierung des Destillatwassers, um es zu entkeimen und haltbar zu machen. In der Elektrolysezelle 150 sind die Elektroden 151, 152 mit einem Photovoltaikpaneel 160 verbunden. Dazu ist das Photovoltaikpaneel 160 ein Teil der Wasseraufbereitungsanlage 100. Der Destillattank 140 und die Elektrolysezelle 150 sind über ein Rückschlagventil 141 auf der Einlassseite druckdicht aufgebaut und ein Sicherheitsventil 153 sorgt dafür, dass einstellbar bei 100 bar, 200 bar oder bei 300 bar, dieses anspricht, um den Druck des Elektrolysegases nicht ansteigen zu lassen.
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Ein weiterer Vorlagebehälter 170 ist mit dem Destillattank 140 über einen Hahn 171 verbunden, über welchen Wasser oder eine vorbereitete Elektrolytflüssigkeit aus dem weiteren Vorlagebehälter 170 in den Destillattank 140 gelangt, um das darin enthaltene Kondensatwasser W3 als Destillat mit Elektrolyten aus dem weiteren Vorlagebehälter 170 zu beschicken. Die Beschickung passiert, bevor der Druck in dem Destillattank vorgenommen wird.
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In der hier gezeigten Verkörperung der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage ist der Verdampfer 120 ein Solarverdampfer und dieser ist durch Aufnahme in einem evakuierten Behälter mit einer transparenten Scheibe vollständig wärmeisoliert. Die Wäremeisolation ermöglicht einen hohen Rekuperationsgrad der im Verdampfer durch das aufzubereitende Wasser aufgenommenen Verdampfungswärme.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wasseraufbereitungsanlage
- 110
- Vorlagebehälter
- 111
- Überlauftopf
- 112
- Hahn
- 113
- Einlass
- 120
- Verdampfer
- 121
- Dampfauslass
- 122
- Eingang
- 123
- Ablassventil
- 121
- Dampfauslass
- 130
- Kondensator
- 131
- Kühlwassereinlass
- 132
- Kühlwasserauslass
- 133
- Kondensatwasserauslass
- 140
- Destillattank
- 141
- Rückschlagventil
- 142
- Sicherheitsventil
- 143
- Auslass
- 150
- Elektrolysezelle
- 151
- Elektrode
- 152
- Elektrode
- 160
- Photovoltaikpaneel
- 170
- Vorlagebehälter
- 171
- Hahn
- 173
- Einlass
- R
- Rahmen
- SH
- Spiegelhöhe
- W1
- aufzubereitendes Wasser
- W2
- verdampftes Wasser
- W3
- Kondensatwasser
