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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Wasser aus Rohwasser
gemäß dem Oberbegriff
der unabhängigen
Patentansprüche
1 und 19.
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Der Bedarf von reinem Wasser im Sinne
von Wasser mit Trinkwasserqualität
ist im Zuge des Anstiegs der Gesamtbevölkerung und der Industrialisierung überproportional
angestiegen. Diese Entwicklung führt
in vielen Ländern
der Erde zu einer Verknappung der Ressourcen, die im wesentlichen
von den Grundwasservorkommen gebildet werden. In besonderem Maße sind
davon die Regionen der Erde betroffen, in denen aufgrund deren geographischen Lage
ohnehin wenig Niederschläge
zu verzeichnen sind und deren Bevölkerungszahlen exponentiell
ansteigen, wie es beispielsweise für viele Entwicklungsländer charakteristisch
ist.
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Es hat daher in der Vergangenheit
nicht an Bestrebungen gefehlt, neue Wege bei der Gewinnung von reinem
Wasser aus Rohwasser zu gehen. Da Meerwasser in beinahe unerschöpflichem
Maße zur
Verfügung
steht, ist dabei zumeist auf die Entsalzung von Meerwasser zurückgegriffen
worden.
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Beispielsweise ist aus der
EP 0 979 801 A1 eine
Meerwasserentsalzungsanlage bekannt, die ein mehrstufiges Entsalzungsverfahren
vorsieht. Zuerst wird Luft in einem Sonnenkollektor aufgeheizt und dann
in einer Befeuchtungskammer bis zur Sättigung mit Meerwasser in Kontakt
gebracht. Dabei erfolgt die Trennung der beiden Phasen des Meerwassers, indem
reines Wasser in gelöster
Form von der ungesättigten
Luft aufgenommen wird. Nach Erreichen ihres Sättigungspunktes wird die feuchte
Luft in einem Kondensator unter ihren Taupunkt abgekühlt, wobei das
in der Luft gelöste,
reine Wasser kondensiert und aufgefangen wird. Durch die Ausnutzung
der Sonnenenergie zur Erwärmung
der Luft und zur Stromversorgung arbeitet eine solche Anlage weitgehend autark.
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Ferner ist aus der
DE 196 20 214 A1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Wasser aus Salzwasser
bekannt, das ebenfalls zunächst
das Aufheizen von Luft vorsieht, bevor diese mit dem Salzwasser
in Kontakt gebracht wird. Die Befeuchtung der Luft wird in mehreren
Stufen nacheinander ausgeführt,
wobei dazwischen jeweils eine erneute Erwärmung der bereits angefeuchteten
Luft stattfindet. Dadurch wird der Wirkungsgrad solcher Entsalzungsanlagen
erhöht.
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Allerdings gehen mit den bekannten
Entsalzungsanlagen auch verschiedene Nachteile einher. Ein erster
Nachteil der beschriebenen Anlagen besteht in der Art der Befeuchtung
der Luft. Um eine Sättigung
der Luft mit gelöstem
Wasser zu erreichen, wird in einem Befeuchter das Rohwasser versprüht, während die
aufgeheizte Luft quer zur Sprührichtung durch
den Befeuchter strömt.
Zum Versprühen
des Rohwassers ist es notwendig das Rohwasser durch feine Düsen unter
Aufbringung eines ausreichenden Drucks in den Befeuchter einzuleiten.
Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des dafür erforderlichen Drucks ist
zunächst
eine entsprechende gerätetechnische
Ausstattung notwendig, die einer Vereinfachung der Konstruktion
und der Bedienung widerspricht. Es hat sich aber auch gezeigt, dass
die feinen Düsen
schon nach kurzer Zeit von Salzkristallen verstopft sind, so dass
kurze Wartungsintervalle notwendig sind um solche Anlagen betriebsbereit
zu halten.
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Beim Versprühen von Rohwasser stellt sich ferner
das Problem, dass zur Schaffung einer größeren Kontaktfläche zwischen
Rohwasser und Luft die Rohwassertröpfchen einen möglichst
kleinen Durchmesser aufweisen sollten. Kleine Tröpfchen besitzen aber ein geringes
Gewicht und werden infolgedessen von dem Luftstrom mitgerissen,
noch bevor der Anteil reinen Wassers in der Luft gelöst worden
ist. In der Folge gelangt Salz aus dem Rohwasser in das Kondensat,
was unter Umständen
zur Unbrauchbarkeit des Kondensats als Reinwasser führt.
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Verstärkt wird dieser Effekt durch
die uneinheitlichen Strömungsverhältnisse
innerhalb des Befeuchters. Die zu befeuchtende Luft wird ohne Führung durch
den Befeuchter geleitet. Dabei entstehen Zonen mit Verwirbelungen
und großen
Strömungsgeschwindigkeiten,
sowie Totzonen mit sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten. Da
ein Mitreißen
der Rohwassertröpfchen
in erstgenannten Zonen nicht zu verhindern ist, versucht man die
Geschwindigkeit, mit der die Luft den Befeuchter durchströmt durch Reduzierung
der Luftmenge pro Zeiteinheit zu senken. Damit ist allerdings eine
Verschlechterung des Wirkungsgrades des Befeuchters insgesamt verbunden.
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Um einen vorgegebenen Sättigungsgrad
der Luft zu erreichen, ist eine Mindestverweildauer der ungesättigten
Luft im Befeuchter notwendig. Dabei ist die Mindestverweildauer
von der Luftgeschwindigkeit und der Wegstrecke innerhalb des Befeuchters abhängig. Im
ungünstigsten
Fall durchströmt
die Luft den Befeuchter auf dem kürzesten Weg geradlinig von
einer Seite zur anderen. Um auch in diesen Fällen die Mindestverweildauer
einzuhalten müssen
bekannte Befeuchter verhältnismäßig groß dimensioniert
werden, was sie teuer in der Herstellung, sowie unhandlich im Transport,
in der Aufstellung und im Betrieb macht.
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Ein weiterer Nachteil der aus dem
Stand der Technik bekannten Entsalzungsanlagen kommt immer dann
zum Tragen, wenn die für
die Anlage notwendige Luft in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb
des Systems geführt
wird, das heißt,
wenn die Luft nach dem Verlassen des Kondensators wieder dem Sonnenkollektor
zum Aufheizen zugeführt wird.
Der Wirkungsgrad eines Kondensators ist in großem Maße von dem Temperaturunterschied
zwischen der Kondensatoroberfläche
und der durchströmenden
Luft abhängig.
Je tiefer die Temperatur der gesättigten
Luft gesenkt werden kann, desto tiefer sinkt der Taupunkt und desto
mehr reines Wasser wird abgeschieden. Findet jedoch im Kondensator nur
eine unzureichende Entfeuchtung der Luft statt, mindert die Restfeuchte
in der Luft nicht nur die Menge an auskondensiertem reinem Wasser, sondern mindert
auch die Wasseraufnahmekapazität
der Luft, wenn sie erneut dem Befeuchter zugeführt wird. Zudem ist der Energiebedarf
zum Aufheizen von feuchter Luft größer als im Vergleich zu trockener
Luft.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe
der Erfindung eine Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Wasser aus
Rohwasser anzugeben, die bei gleicher oder besserer Qualität des reinen
Wassers einen besseren Wirkungsgrad erzielt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 19 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Auch die Erfindung baut auf dem Prinzip
auf, die Abscheidung von reinem Wasser aus Rohwasser mit Hilfe von
Luft zu bewerkstelligen, wobei die Luft erst aufgeheizt, dann befeuchtet
und schließlich
abgekühlt
wird. Dabei ist es das Verdienst der Erfindung, oben beschriebene
Zusammenhänge
erkannt und die sich daraus ergebende Problematik gelöst zu haben.
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Eine erste Steigerung des Wirkungsgrades erfindungsgemäßer Vorrichtungen
wird erreicht, indem das Rohwasser nicht einfach in den von ungesättigter
Luft durchströmten
Befeuchter versprüht, sondern über Einbauten
im Befeuchter verrieselt wird. Dabei wird das Rohwasser auf seinem
Weg durch den Befeuchter viele Male aufgehalten und umgelenkt, wodurch
sich eine verhältnismäßig lange Verweildauer
im Befeuchter ergibt. Auf diese Weise wird die Kontaktzeit zwischen
Rohwasser und ungesättigter
Luft vergrößert, mit
der Folge, dass pro Mengeneinheit Rohwasser ein größerer Anteil
an reinem Wasser an die Luft abgegeben und dadurch der Wirkungsgrad
verbessert wird.
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Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades
gelingt durch die gezielte Führung
des Luftstromes innerhalb des Befeuchters mit Hilfe der Einbauten.
Die Einbauten stellen für
den Luftstrom Hindernisse dar, die umströmt werden müssen. Dadurch verlängert sich
der Weg des Luftstroms im Befeuchter und damit die Verweildauer,
so dass eine Befeuchtung der Luft bis zu ihrem Sättigungspunkt sichergestellt
ist.
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Durch die Zwangsführung des Luftstroms mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Einbauten
erreicht man ferner einheitliche Strömungsverhältnisse mit konstanter Luftgeschwindigkeit über das
gesamte Volumen des Befeuchters. Das ermöglicht eine Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit
an die Tröpfchengröße des Rohwassers
derart, dass einzelne Tröpfchen
gerade nicht mehr im Luftstrom als ganzes mitgerissen werden. Der
Luftstrom kann durch die Einbauten so gesteuert werden, dass die
Verweildauer der Luft gerade ausreicht um eine Sättigung zu erreichen, dabei
die Strömungsgeschwindigkeit
aber unter dem Grenzwert bleibt, bei dem ganze Tröpfchen Rohwasser
mitgerissen werden. Hinzu kommt, dass die Rohwassertröpfchen nicht
frei im Raum schweben, sondern an den Einbauten anhaften, was von
Natur aus einem Mitnehmen der Tröpfchen
im Luftstrom entgegenwirkt.
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Durch die Anordnung der Einbauten
ist es möglich
das Rohwasser im Befeuchter zu verrieseln anstelle zu versprühen. Das
Verrieseln erfolgt im einfachsten Fall drucklos über rinnen-, schalen- oder wannenförmige Zuleitungen
mit Überlaufkanten
oder großflächigen Öffnungen.
Durch die drucklose Arbeitsweise kann auf aufwendige mechanische
Lösungen
verzichtet werden, wie sie beispielsweise beim Versprühen notwendig
sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem weitestgehenden Wegfall
von Wartungsarbeiten bei der Zuführung
des Rohwassers, da im Gegensatz zum Versprühen keine Düsen vorhanden sind, die sich
in kurzer Zeit mit Salzkristallen zusetzen würden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht stabförmige
Einbauten vor. Diese ermöglichen
eine achsparallele Anordnung der Einbauten im Befeuchter, wodurch
eine einheitliche Struktur mit hoher Packungsdichte erzielt werden
kann.
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Polygonförmige Querschnitte der Einbauten begünstigen
dabei die Ausbildung von Führungsflächen und
einer Tropfkante im Tiefpunkt des Querschnitts. Obwohl die Erfindung
nicht auf eine bestimmte Anzahl an Querschnittsecken beschränkt ist, hat
sich ein siebeneckiger Querschnitt als besonders vorteilhaft erwiesen.
Dieser fördert
die Ausbildung einer wabenförmigen
Struktur des Befeuchters.
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Neben keramischen Materialien ist
Holz das bevorzugte Material für
die Einbauten. Holz ist überall verfügbar, umweltfreundlich
in der Gewinnung und Entsorgung und verursacht keine hohen Materialkosten.
Aufgrund seiner antibakteriellen Wirkung, seiner Korrosions- und
Hitzebeständigkeit
ergibt sich eine lange Lebensdauer der Einbauten aus Holz, kombiniert
mit großen
Wartungs- und Reinigungsintervallen.
Die Kapillarwirkung von Holz und dessen naturgemäße rauhe Oberfläche begünstigen
den Vedunstungsvorgang im Befeuchter. Eine vorzugsweise beanspruchte
Beschichtung der Einbauten, beispielsweise aus Polytetrafluoroethen,
verhindert ein Verkrusten der Einbauten mit Salzkristalle.
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Die Anordnung der Einbauten im Befeuchter quer
zur Richtung der Verrieselung und Luftströmung, vorteilhafterweise in
zueinander versetzten Lagen führt
zu einer Vergleichmäßigung der
Strömungsverhältnisse
im Befeuchter über
sein ganzes Volumen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 einen
Teilquerschnitt durch den Befeuchter der Vorrichtung mit den darin
angeordneten Einbauten und
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3 eine
Schrägansicht
auf eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einbauten eines
Befeuchters.
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In 1 sieht
man zunächst
einen Kollektor 1, der dazu dient Luft mit Hilfe von Sonnenenergie aufzuheizen.
Nach Erreichen einer Temperatur von beispielsweise 90 ° Celsius
wird die heiße
Luft, versinnbildlicht durch die Pfeile 9, über die
Leitung 2 einem geschlossenen Behälter 3 zugeführt, in
dem sowohl der Befeuchter 4, als auch der Kondensator 5 untergebracht
sind. Obwohl auch eine aufgelöste Bauweise
der Einzelelemente möglich
wäre, wird
gemäß der Erfindung
eine kompakte Bauweise bevorzugt.
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Die heiße Luft 9 dringt erst
in den Befeuchter 4 ein, der mit einem System zum Verrieseln
des Rohwassers 6 ausgestattet ist. Dieses umfaßt im oberen Bereich
des Befeuchters 4 angeordnete Zufuhrleitungen 7,
deren Wandung wenigstens teilweise mit Öffnungen durchsetzt ist, durch
welche das Rohwasser 6 ohne nennenswerten Druck, schwerkraftbedingt nach
unten rieselt. Dabei trifft das Rohwasser 6 auf die Einbauten 8,
die den Befeuchter 4 über
den größten Teil
seines Volumens durchsetzen.
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Die Einbauten 8 weisen stabförmige Gestalt auf
und sind mit parallelen Längsachsen
horizontal, also quer zur Richtung der Verrieselung, im Befeuchter 4 angeordnet.
Ebenso ist ihre Längsachse
quer zur Durchströmrichtung
der heißen
Luft 9 ausgerichtet. Dadurch bieten die Einbauten 8 sowohl
dem Rohwasser 6, als auch der heißen Luft 9 den größtmöglichen
Durchdringwiderstand und verringem so die Geschwindigkeit des Rohwassers 6 und
der Luft 9 innerhalb des Befeuchters 4.
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Eine optimierte Ausbildung und Anordnung der
Einbauten 8 ist in den 2 und 3 dargestellt. Die dort verwendeten
Einbauten 8 besitzen einen polygonförmigen Querschnitt mit sieben
Ecken (2) oder zehn
Ecken (3), wobei die
untere Ecke über ihre
Länge eine
Tropfkante 10 bildet. Wie 3 beispielhaft
zeigt kann die Tropfkante in regelmäßigen Abschnitten mit Einschnitten 11 versehen
sein um ein Zusammenlaufen der Tropfen entlang der Tropfkante 10 zu
verhindern.
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In 2 sind
eine Vielzahl von den im Querschnitt siebeneckigen Einbauten 8 derart
im Befeuchter 4 angeordnet, dass sie ein in etwa wabenförmiges Gebilde
ergeben, wobei zwischen den Einbauten 8 jeweils ein Abstand
eingehalten ist. Auf diese Weise entsteht zwischen den Einbauten 8 ein
durchgängiger
Hohlraum in dem einerseits das Rohwasser 6 nach unten rieselt
und der andererseits quer von der Luft 9 durchströmt wird.
Die von den Einbauten 8 gebildete wabenförmige Struktur
des Befeuchters 4 zwingt dabei sowohl dem Rohwasser 6,
als auch der Luft 9 eine wellenförmige Bahn 12 beziehungsweise 13
durch den Befeuchter 4 auf. Dabei wirken die Seitenflächen der
Einbauten 8 als Führungsflächen und bewirken
eine einheitliche Durchströmung
des Befeuchters 4. Die Wellenform der Bahn 12 beziehungsweise 13 verlängert die
Strecke vom Eingang bis zum Ausgang aus dem Befeuchter 4 und
damit die Verweildauer des Rohwassers 6 und der Luft 9 im Befeuchter 4.
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Die Einbauten 8 bestehen
vorzugsweise aus Holz oder einem Material mit holzähnlichen
Eigenschaften. Durch dessen Wasseraufnahmevermögen ist die Oberfläche stets
benetzt und infolge der verhältnismäßige rauhen
Oberfläche
wird eine Oberflächenvergrößerung erzielt,
die eine Aufnahme des reinen Wassers durch die Luft 9 fördert. Auf
diese Weise gelingt es äußerst effektiv,
die heiße
Luft 9 bis zu ihrem Sättigungspunkt
mit Feuchtigkeit anzureichern. Im Zuge der Sättigung der Luft 9 wird
deren Temperatur infolge der niederen Temperatur des Rohwassers 6 auf
etwa 75 ° Celsius
abgesenkt. Das auf den Grund des Befeuchters 4 gelangte
Rohwasser 6 wird gesammelt und als Sole 17 abgeführt.
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Die so mit Feuchtigkeit gesättigte Luft 9 gelangt
nach Verlassen des Befeuchters 4 unmittelbar in den Kondensator 5.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird der Kondensator 5 von einem Folienwärmetauscher 14 gebildet,
der sich aus planparallelen, plattenförmigen Kühlelementen 15 aus
Polytetrafluorethenfolie zusammensetzt. Die Kühlelemente 15 werden
zur Kühlung
von dem Rohwasser 6 durchströmt, das zu diesem Zeitpunkt
noch eine verhältnismäßig geringe
Temperatur von etwa 20 ° Celsius
aufweist. Beim Durchströmen
der heißen,
gesättigten Luft 9 zwischen
den Kühlelementen 15 erfolgt
eine Abkühlung
der Luft
9 unter ihren Taupunkt, so dass sich in der Folge
das in der Luft 9 gelöste
reine Wasser als Kondensat 18 an der Oberfläche der
Kühlelemente 15 niederschlägt und sich
im weiteren am Grund des Kondensators 5 ansammelt, wo es über einen
Ablauf abgezogen wird. Um den Wärmeübergang
von der heißen
gesättigten
Luft 9 auf den Folienwärmetauscher 14 zu
gewährleisten
ist die Oberfläche
der Kühlelemente 15 mit
Profilierungen versehen, die die Luft 9 mehrmals umlenken,
bevor sie den Folienwärmetauscher 14 wieder
verlässt.
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Mit der Abkühlung der gesättigten
Luft 9 geht eine Erwärmung
des die Kühlelemente 15 durchströmenden Rohwassers 6 auf
etwa 60 ° bis
65 ° Celsius einher.
Das hat den Vorteil, dass die heiße Luft 9 im Befeuchter 4 nicht
zu weit abgekühlt
wird, was mit einer Absenkung des Taupunktes und Beeinträchtigung
des Wasseraufnahmevermögens
verbunden wäre.
Gleichzeitig wird der Energiebedarf optimiert, indem zusätzliche
Energie zur Erwärmung
des Rohwassers 6 entbehrlich wird.
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Da der Grad der Entfeuchtung der
Luft 9 im Kondensator 5 maßgeblich von den physikalischen Gegebenheiten
vor Ort abgängig
ist und eine annähernd
vollständige
Entfeuchtung im Kondensator 5 lediglich den Idealfall darstellt,
ist dem Kondensator 5 eine zweite Entfeuchtungsstufe nachgeschaltet.
Diese umfaßt
einen Fliehkraftabscheider 16 mit einem Ventilator. In
dem Fliehkraftabscheider 16 wird die eine Restfeuchte aufweisende
Luft 9 mit hoher Geschwindigkeit im Kreis geführt. Dabei
findet auf Grund der unterschiedlichen spezifischen Dichte eine
Trennung von Wasser und Luft statt. Das Wasser 19 wird über einen
weiteren Ablauf abgezogen, während
die trockene Luft 9 an die Umwelt abgegeben oder gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wieder
dem Kollektor 1 zur Erwärmung
zugeführt wird.
Der Ventilator dient dabei gleichzeitig zur Erzeugung eines Druckgefälles, das
für die
Luftströmung
in der gesamtem Vorrichtung ursächlich
ist.