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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Mit
Solarenergie oder Abwärme
aus Industrieanlagen betriebene Destilations- und Entsalzungsanlagen
werden häufig
mit Luft als Trägermedium
betrieben. Dabei verdunstet die flüchtigere Komponente des zu
trennenden Gemisches in die Luft und wird an anderer Stelle durch
Kühlung
der Luft auskondensiert. Das Kondensat bildet das Produkt des Prozesses.
Der Vorteil bei der Nutzung eines Trägergases wie Luft besteht darin,
dass die zu verflüchtigende
Flüssigkeit
bei Umgebungsdruck nicht bis auf ihre Siedetemperatur erhitzt werden
muss, um zu verdampfen. Die Verdunstung der zu verflüchtigenden
Flüssigkeit
findet vielmehr bereits bei niedrigsten Temperaturen statt. Bei
der Nutzung thermischer Solarkollektoren zur Energiegewinnung für einen
solchen Prozess, ermöglichen
die geringeren Temperaturen einen höheren Wirkungsgrad der Kollektoren.
Bei der Nutzung von Abwärme
aus Kraftwerken kann der Kraftwerksprozess mit höherer Effizienz betrieben werden,
wenn die Temperatur der Abwärmeströme geringer
sein kann.
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Ein
wesentlicher Nachteil dieser mit dem Trägergas Luft arbeitenden Verfahren
ist, dass die Wärmerückgewinnung
auch bei idealem Verfahrensablauf und unendlich ausgedehnter Wärmeübertragungsfläche unvollständig bleibt.
Der Grund dafür liegt
darin, dass es systembedingt nicht möglich ist, das Flüssigkeitsgemisch
oder die Lösung
(im folgenden Sole genannt) im Verdunstungsbefeuchter auf die Temperatur
der einströmenden
Luft abzukühlen, 1.
Die aus dem Befeuchter ausströmende
Sole mit der nicht verdunsteten Restflüssigkeit hat somit immer noch
eine relativ hohe Temperatur. Als Folge geht mit der aus dem System
abgeführten
Sole ein hoher Energiestrom verloren (Qverlust in 2). Wird
die Sole ganz oder zum Teil im Kreislauf geführt, so kann sie zwar leicht
im Entfeuchter wieder vorgeheizt werden, eine Kühlung der Luft und damit die Kondensation
des Flüssigkeitsdampfes
gelingt jedoch nur sehr unvollständig.
Die Luft muss daher mit Kühlflüssigkeit
weiter abgekühlt
werden. Den auf die Kühlflüssigkeit übergehenden
Energiestrom verliert die Entsalzungsanlage dabei, 3.
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Die
Ursache für
den unvollständigen
Wärmeaustausch
im Verdunstungsbefeuchter liegt darin begründet, dass die Wärmekapazitätsströme der mit Flüssigkeitsdampf
gesättigten
Luft und der Sole nicht über
die gesamte Befeuchterlänge
gleich groß gehalten
werden können.
Der Wärmekapazitätsstrom
der mit Wasser gesättigten
Luft ist vielmehr, wegen des stattfindenden Stoffaustausches, stark
temperaturabhängig.
So ist die gesättigte
Luft bei einem Temperaturanstieg von 20 auf 21°C in der Lage die latente und
sensible Wärme
von 3,4 kJ/kg aufzunehmen. Bei einem Temperaturanstieg von 60 auf
61°C kann
sie aber bereits 25,4 kJ/kg speichern. Der Wärmekapazitätsstrom der Sole bleibt hingegen über den
gesamten Temperaturverlauf annähernd
konstant. Für
einen optimal arbeitenden Gegenstromwärmeaustauscher müssten die
Produkte aus Wärmekapazität und Massenstrom
der beiden energieaustauschenden Medien jedoch an jeder Stelle gleich
groß sein. Der
Temperaturverlauf entlang der Wärmetauscherlänge ist
für diesen
Fall in 4 qualitativ dargestellt. Bei
einem ideal ausgeführten
Wärmeaustauscher
mit unendlich ausgedehnter Austauschfläche würden die Temperaturverläufe zusammenfallen,
die Austrittstemperatur von Fluid 1 würde der Eintrittstemperatur von
Fluid 2 entsprechen, und umgekehrt. In 5 sind
die Temperaturverläufe
von gesättigter
Luft und Sole in einem im Gegenstrom betriebenen Verdunstungsbefeuchter
exemplarisch dargestellt. Der in die Luft verdunstende Flüssigkeitsanteil
der Sole bewirkt, dass sich das Produkt aus Wärmekapazität mal Massenstrom der Luft
ständig ändert und
somit kein linearer Temperaturverlauf über der Befeuchterlänge erreicht
wird. Bei einem ideal ausgeführten
Befeuchter mit unendlich ausgedehnter Austauschfläche würden die
Temperaturverläufe
im Punkt a) aufeinandertreffen, sich jedoch nicht überschneiden.
Erhöht
man den Massenstrom der einen oder anderen Komponente, so kann damit
Punkt a) in Richtung L/Lmax = 0 oder L/Lmax = 1 verschoben werden. Es kann jedoch niemals
erreicht werden, dass die ausströmende Sole
die Temperatur der einströmenden
Luft erreicht, und gleichzeitig die austretende gesättigte Luft
die Temperatur der einströmenden
Sole erreicht. Anders ausgedrückt
bedeutet dies: Ein im Gegenstrom betriebener Verdunstungsbefeuchter,
kann nicht reversibel arbeiten, auch bei unendlich großer Wärme- und
Stoffaustauschfläche
kommt es systembedingt zur Entropieproduktion bzw. zu Exergieverlusten. Diese
Problematik führt
zu den oben erläuterten
Energieverlusten.
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K.
Bourouni et. al. (Desalination, Nr. 137, Seiten 167 bis 176, Jahrg.
2001), O. Heschl. et. al. (Tagungsbericht des 4. Int. Sonnenforums
6.–9.
Oktober 82, Berlin) und M.A. Younis (Desalination, Nr. 94, Seiten
11 bis 24, Jahrg. 1993) versuchen diese Problematik in der Weise
zu lösen,
dass aus dem Befeuchter an bestimmten Stellen Teilluftströme dem Entfeuchter
zugeführt
werden, 6. Führt man beispielsweise an vier
verschiedenen Stellen Teilluftströme aus dem Befeuchter ab, wie
in 6 dargestellt, so ergibt sich der in 7 qualitativ
gezeigte Temperaturverlauf im Verdunstungsbefeuchter. Die Teilluftströme müssen genau
so dosiert werden, dass die Wärmekapazitätsströme der mit
Flüssigkeitsdampf
gesättigten
Luft des Hauptstroms und der Sole wieder angeglichen werden. Im
Idealfall unendlich vieler abgeführter
Teilluftströme
könnte
mit dieser Maßnahme
die Wärmekapazität der Luft
an jeder Stelle im Befeuchter konstant gehalten werden. Es würde sich
ein Temperaturverlauf wie in 4 dargestellt
einstellen.
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Nachteil
dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass es sehr schwierig ist die
Teilluftströme
zu dosieren. Soll der Transport der Luft in der Anlage allein durch
natürlichen
Auf- und Abtrieb infolge von Dichteänderungen erfolgen, so ist
eine ausreichend genaue Dosierung der Teilluftströme nach
dem bisherigen Stand der Technik nicht erreichbar. Ein weiterer Nachteil
liegt darin begründet,
dass die aus dem Befeuchter abgeführten Teilluftströme mit weniger
Flüssigkeitsdampf
beladen werden. Bei gleichbleibendem Gesamt-Luftmassenstrom verringert
sich somit der im Entfeuchter anfallende Kondensatmassenstrom, der
das Produkt des Verfahrens darstellt.
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Aus
der
DE 43 40 745 C2 ist
ein Verfahren zum Gewinnen von Brauchwasser aus verunreinigten Wässern unter
Nutzung von Solarwärme
bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein einfach zu verwirklichendes Verfahren
zu schaffen, mit dem es gelingt, in einer mit Verdunstung arbeitenden
Destillations- oder Entsalzungsanlage die Energieverluste auf ein
Minimum zu reduzieren und damit die Produktionskosten klein zu halten.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst,
der Unteranspruch gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens
an.
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Erfindungsgemäß werden
also die Massenströme
der Sole im Befeuchter und im Entfeuchter derartig variiert, dass
die Wärmekapazitätsströme der beiden
energieaustauschenden Medien entlang der Wärme- und Stoffaustauschflächen etwa
gleich groß bleiben.
Dies bewirkt, dass auch die treibenden Temperaturdifferenzen in
Befeuchter und Entfeuchter etwa konstant bleiben, so dass die Irreversibilitäten systembedingt
geringer sind als bei gewöhnlichen Verdunstungsverfahren.
Die etwa konstanten treibenden Temperaturdifferenzen führen zu
einer geringen Temperatur der aus dem System abgeführten Sole
und damit zu einem hohen Energierückgewinnungsfaktor, d.h. der
Energieverbrauch der Anlage verringert sich bei gleicher Produktionsrate.
Dies ist bei Anlagen, die mit Solarenergie betrieben werden, besonders
wichtig, da weniger Kollektorfläche
benötigt
wird, welche besonders hohe Investitionskosten verursacht. Der hohe
Energierückgewinnungsfaktor stellt
den Hauptvorteil des Verfahrens dar.
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Vorteilhaft
ist weiter, dass sich aufgrund der kleineren Kollektorflächen die
Energieverluste durch kürzere
Rohrleitungen und weniger Apparateflächen noch weiter verringern,
dass mit dem Verfahren eine sehr hohe Dampfbeladung des Trägergases,
die im Entfeuchter fast vollständig
auskondensiert wird, erreicht werden kann, was bedeutet, dass gegenüber den
zum Stand der Technik gehörenden
Verfahren ein geringerer Massenstrom des Trägergases erforderlich ist,
um die gleiche Menge an Kondensat produzieren zu können.
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Eine
hohe Temperatur im Soletank erzeugt bei entsprechendem Tankvolumen
einen hohen Energieinhalt des Soletanks. Dies ermöglicht auch
bei der Nutzung von Solarenergie einen 24-Stunden-Betrieb der Anlage. Alle Komponenten,
die zum Betrieb eines Ausführungsbeispieles
des Verfahrens benötigt
werden, können
aus Standardprodukten, die auf dem Weltmarkt frei erhältlich sind,
zusammengesetzt werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei
zeigt:
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8 eine
schematische Ansicht einer nach das erfindungsgemäße Verfahren
verwirklichenden Anlage und
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9 eine
alternative Ausbildung der Anlage.
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In
den Figuren bedeuten:
- L
- Länge der Energie- und Stoffaustauschfläche in Strömungsrichtung
- Lmax
- Gesamtlänge der
Energie- und Stoffaustauschfläche
in Strömungsrichtung
- ṁ
- Massenstrom
- Q
- Energiestrom
- T
- Temperatur
- φ
- relative Luftfeuchte
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Die
Beschreibung anhand des Beispiels bezieht sich auf die Anwendung
des Verfahrens zur solar betriebenen Meerwasserentsalzung. Grundsätzlich kommt
aber auch die Destillation oder Trennung anderer Stoffgemische und
die Nutzung anderer Energiequellen in Frage. Die angegebenen Temperaturen,
Luftfeuchten und Massenstromverhältnisse
können
je nach Anlagenausführung
und Betriebsweise ebenfalls differieren und sollen hier als Orientierungshilfe
dienen.
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Von Zustandspunkt (A)
nach (B):
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Das
25 bis 28°C
warme Trägergas
hat eine relative Luftfeuchte von annähernd 100% und tritt in den
unteren Teil des Verdunstungsbefeuchters 1 ein. Als Trägergas kann
Luft benutzt werden, aber auch andere Gase sind einsetzbar. In 8 ist
als Verdunstungsbefeuchter 1 schematisch ein Rieselfilmbefeuchter
dargestellt, bei dem Füllkörper oder
matrizenförmige
Elemente 11 die Wasseroberfläche der Sole vergrößern. Alternativ
kann als Verdunstungsbefeuchter 1 auch ein Sprühdüsenbefeuchter
verwendet werden, bei dem die Sole über Düsen eingesprüht wird.
In verschiedenen Höhen
des Verdunstungsbefeuchters 1 wird das oben in den Befeuchter einströmende Solewasser
abgezogen, so dass nur ein kleiner Teil des Solewasserstroms den
Boden des Befeuchters erreicht. Damit werden die Wärmekapazitätsströme der Sole
und der Luft entlang der Wärme-
und Stoffaustauschfläche
etwa gleich groß gehalten,
so dass sich ein Temperaturverlauf entsprechend 7 einstellt.
Um so mehr Teilströme
entlang des Befeuchters 1 abgezogen werden, um so genauer
lässt sich
die Gleichheit der Wärmekapazitätsströme und damit
die Konstanz der treibenden Temperaturdifferenz einstellen. Das
Trägergas
strömt
in entgegengesetzter Richtung in den oberen Teil des Befeuchters 1.
Dabei wird durch Verdunstung und Konvektion Energie und Soledampf
von der Sole auf das Trägergas übertragen.
Das Trägergas
hat am Ausgang des Verdunstungsbefeuchters 1 (Zustandspunkt
B) eine relative Luftfeuchte von annähernd 100% und eine Temperatur
von etwa 69°C.
Der absolute Wasserdampfgehalt der Luft ist um ein vielfaches gegenüber dem
Gehalt am Zustandspunkt A gestiegen. Die in verschiedenen Höhen abgezogenen
Solewasserströme
haben absteigende Temperaturen von etwa 68°C im obersten bis 32°C im untersten Strang.
Die Anzahl der Stränge
beträgt
im vorliegenden Beispiel fünf,
ist jedoch in dem neuen Verfahren nicht festgelegt. Sie muss vielmehr
in jedem Einzelfall anhand von Optimierungsrechnungen ermittelt werden.
Die Sole aus dem untersten Strang wird bei 12 ins Meer abgelassen.
Der Verdunstungsbefeuchter 1 wird in diesem Beispiel senkrecht
von der Sole und dem Trägergas
durchflossen. Grundsätzlich kann
er aber auch geneigt oder horizontal ausgelegt werden.
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Von Zustandspunkt (B)
nach (C):
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Am
Zustandspunkt B tritt das Trägergas
in einen Feuchtluftkollektor 2 ein. Er ist um einige Grad aus
der Horizontalen geneigt, so dass möglichst viel Sonnenstrahlung
aufgenommen werden kann und der Solefilm selbständig vom oberen in den unteren Teil
des Kollektors 2 fließt.
Der Feuchtluftkollektor 2 hat eine mehrwandige transparente
Abdeckung 2.3. Parallel zu dieser in einiger Entfernung
darunter befindet sich die zweigeteilte Absorberfläche 2.1,
die im oberen Teil des Feuchtluftkollektors 2 von der Sole unterströmt und im
unteren Teil überströmt wird.
Die Absorberfläche
nimmt die durch die transparente Abdeckung 2.3 hindurch
tretende Solarstrahlung auf. Der Spalt zwischen der Abdeckung 2.3 und
dem Absorber bzw. dem darüber
strömenden
Solefilm bildet mit den Seitenwänden
des Feuchtluftkollektors 2 den Luftstromkanal. Im unteren
Teil des Kollektors 2 wird die Luft sowohl erhitzt als
auch befeuchtet. Im oberen Teil hat die Luft keinen direkten Kontakt
mit der Sole und wird nur noch überhitzt.
Der Feuchtluftkollektor 2 ist an der Unterseite und an
den Seitenwänden
gegen Wärmeverluste
isoliert. Die Neigung erzeugt einen Naturzug und unterstützt somit
den Umlauf der Luft. Die mehrwandige transparente Abdeckung 2.3 ist
durch die stagnierenden Luftschichten zwischen den einzelnen transparenten
Wänden
so gut gegen Wärmeverluste
an die Umgebung abzusichern, dass an ihrer dem Luftkanal zugewandten
Seite keine Kondensation stattfindet. Für den Fall, das sich dennoch
einmal Kondensat bildet (z.B. bei plötzlich ausbleibender Sonneneinstrahlung
oder in den Nachtstunden), ist am unteren Ende des Feuchtluftkollektors 2 eine
Auffangrinne 2.2 vorgesehen, die das Kondensat zum Produktwasser
leitet. Für
den Fall, dass auch bei Sonneneinstrahlung Kondensat an der Unterseite
der Abdeckung 2.3 entsteht, kann dort auch ein perforierter
Absorber angebracht werden. Dieser Absorber nimmt nur genau so viel
Strahlungsenergie der Sonne auf, wie benötigt wird, damit die wandnahen
Luftschichten nicht ihren Taupunkt unterschreiten.
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Auf
den Feuchtluftkollektor kann auch verzichtet werden, wenn die Sole
bevor sie in den Verdunstungsbefeuchter 1 eintritt, oder
die feuchte Luft bevor sie in den Entfeuchter 3 eintritt, überhitzt
wird. Dies kann z.B. durch einen Solarkollektor erfolgen, der von
der Sole bzw. von der Luft durchströmt wird. 9 zeigt
diese Alternative für
den Fall, dass die Sole durch einen Solarkollektor 8 überhitzt
wird.
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Von Zustandspunkt (C)
nach (D):
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Die
im Feuchtluftkollektor 2 befeuchtete und auf etwa 75°C überhitzte
und Luft strömt
in den ersten Entfeuchter 3. Der Entfeuchter besteht z.B.
aus einem Lamellenwärmetauscher,
der von den am Rieselfilmbefeuchter 1 abgezogenen Soleströmen und einem
Teil frischen Meerwassers im Gegenstrom durchflossen wird. Der in
Luftströmungsrichtung
letzte Wärmetauscherabschnitt
wird nur vom frischen Meerwasser mit einer Eintrittstemperatur von
etwa 32°C
durchflossen. In den luftstromaufwärts folgenden Abschnitten des
Wärmetauschers
werden zum Meerwasserstrom nacheinander die Solewasserstränge mit
immer höherer
Temperatur beigemischt. Die Beimischung erfolgt immer an den Stellen,
an denen die Temperatur des Hauptstroms der Temperatur des zuzuführenden
Solewasserstrangs entspricht. Die Wärmekapazitätsströme der Luft und der Sole werden
damit entlang der Wärmeaustauschfläche etwa
gleich groß gehalten,
so dass auch die treibende Temperaturdifferenz etwa konstant bleibt.
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Die
feuchte Luft kühlt
sich im Entfeuchter 3 auf etwa 33°C im Zustandspunkt (D) ab, wobei
ein Kondensatmassenstrom von etwa 24 l pro 100 kg einströmender Luft
entsteht. Die erhitzte Sole wird in den Soletank 6 gepumpt
und hat eine Temperatur von etwa 70°C. Ihr Massenstrom richtet sich
nach dem Wärmekapazitätsstrom
der gesättigten
feuchten Luft. Auf den Soletank kann auch verzichtet werden. In
diesem Fall wird die im Entfeuchter 3 vorgeheizte Sole
direkt in den Feuchtluftkollektor 2 oder den Enderhitzer 8, 9,
geleitet.
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Von Zustandspunkt (D)
nach (E):
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Der
zweite Entfeuchter 4 kann ebenfalls als Lamellenwärmetauscher
ausgeführt
werden. Er kühlt den
Luftstrom bis auf etwa 25°C
ab und wird wasserseitig direkt aus dem Meer oder aus einem Salzwasserbrunnen
gespeist. Das Kühlwasser
wird bis auf etwa 32°C
erwärmt
und zum Teil oder vollständig dem
ersten Entfeuchter 3 zugeführt und dort weiter erhitzt.
Der restliche Teil wird zurück
zum Meer geleitet. Es entsteht ein Kondensatstrom von etwa 41 pro 100
kg einströmender
Luft, so dass insgesamt 28 1 Destillat pro 100 kg zirkulierender
Luft produziert wird.
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Von Zustandspunkt (E)
nach (A):
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Ein
handelsüblicher
regelbarer Ventilator 5 fördert die Luft wieder in den
Rieselfilmbefeuchter 1. Über die Leistungsregelung kann
der geforderte Luftmassenstrom eingestellt werden. Alternativ zum
geschlossenen Kreislauf kann auch zum Teil oder ausschließlich Frischluft
aus der Umgebung dem Befeuchter 1 zugeführt werden. Dies ist vor allem
bei hohen Luftfeuchten der Umgebung sinnvoll, wenn die Luft im Zustandspunkt
(E) mit geringerer Luftfeuchte als in der Umgebung vorherrscht,
wieder abgelassen wird.
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Auf
den Ventilator 5 kann auch verzichtet werden, wenn die
einzelnen Komponenten so ausgerichtet werden, dass sich erwärmende Luft
nach oben und sich abkühlende
Luft nach unten bewegen kann und die Druckverluste im Luftkanal
gering gehalten werden. In diesem Fall erzeugt der thermische Auf- und
Abtrieb der Luft die erforderliche Umwälzung. Zur weiteren Energieeinsparung
kann auch noch ein weiterer Wärmeaustauscher 9 zwischen
den Zustandspunkten (E) und (A) installiert werden, welcher vom
Kondensat oder dem wärmeren
Teil des Kondensates und der gekühlten
und entfeuchteten Luft im Gegenstrom durchflossen wird, 9.