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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser, insbesondere
zum Entsalzen von Meerwasser. Die Vorrichtung, die dazu bestimmt ist,
in einem Salzwasservorrat verwendet zu werden, umfasst eine Dampfkammer,
die begrenzt ist von der Wasseroberfläche des Salzwasservorrats
und einer lichtdurchlässigen Scheibe. Durch die Scheibe
wird Lichtenergie in die Dampfkammer eingeleitet, so dass Salzwasser
verdampft. Die Vorrichtung umfasst weiterhin Kondensationsflächen,
an denen der erzeugte Wasserdampf kondensiert. Das kondensierte Wasser
wird in einem Tank gesammelt.
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Aus
DE 203 12 656 U1 ist
eine Wasserentsalzungsvorrichtung dieser Art bekannt. Bei dieser
im Wasser schwimmenden Vorrichtung ist ein Schwimmkörper
aus saugfähigem Material in der Dampfkammer angeordnet.
Verdampft wird vorwiegend das von dem Schwimmkörper aufgesogene Salzwasser.
Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht in dem hohen Wartungsaufwand.
Wenn das Wasser aus dem Schwimmkörper verdampft, bleibt
da Salz im Schwimmkörper zurück. Um die Funktionsfähigkeit
der Anlage zu erhalten, muss das Salz regelmäßig
aus dem Schwimmkörper entfernt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art vorzustellen, bei der der Wartungswand reduziert
ist. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist
unterhalb der die Dampfkammer begrenzenden Wasseroberfläche eine
Trennfläche angeordnet. Die Trennfläche trennt eine
Salzwasserschicht vom Rest des Salzwasservorrats. Die Salzwasserschicht
ist der in die Dampfkammer eingestrahlten Lichtenergie ausgesetzt,
so dass die Salzwasserschicht sich erwärmt und ein Teil des
Wasser verdampft.
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Die
Trennfläche ist so ausgebildet, dass sie einen Flüssigkeitsaustausch
zwischen dem Salzwasservorrat und der Salzwasserschicht zulässt.
Die zwischen der Salzwasserschicht und dem Salzwasservorrat ausgetauschte
Flüssigkeitsmenge ist so klein, dass ein zwischen der Salzwasserschicht
und dem Salzwasservorrat bestehender Temperaturunterschied nicht
unmittelbar ausgeglichen wird. Es ist also möglich, dass
die Salzwasserschicht eine andere Temperatur hat als der Salzwasservorrat.
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Wenn
ein Teil des Wassers der Salzwasserschicht verdampft, erhöht
sich die Salzkonzentration in der Salzwasserschicht. Wegen des ständigen Flüssigkeitsaustauschs
mit dem Salzwasservorrat wird die Salzkonzentration jedoch zu keinem
Zeitpunkt so hoch, dass das Salz sich an der Trennfläche ablagert,
vielmehr wird das Salz automatisch an den Salzwasservorrat abgegeben.
Es ist keine Wartung von außen erforderlich, um das Salz
zu entfernen.
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Je
höher die Temperatur der Salzwasserschicht ist, desto höher
ist die Dampfausbeute. Am besten wird die Salzwasserschicht von der
Lichtenergie erwärmt, wenn sie eine große Flächenausdehnung
hat und dünn ist. Allerdings darf die Salzwasserschicht
nicht so dünn sein, dass das Wasser vollständig
verdampft und lediglich das Salz zurückbleibt. Als vorteilhaft
hat es sich erwiesen, wenn die Trennfläche zwischen 1 cm
und 8 cm, vorzugsweise zwischen 2 cm und 5 cm unterhalb der Wasseroberfläche
angeordnet ist. Die Energieeinleitung in die Salzwasserschicht wird
weiter verbessert, wenn die Trennfläche eine dunkle Farbe
hat.
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Die
Salzwasserschicht erwärmt sich am besten, wenn sie über
ihre Fläche gleichmäßig dünn
ist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Trennfläche
deswegen parallel zur Wasseroberfläche angeordnet. Andererseits
wird das überschüssige Salz besser an den Salzwasservorrat
abgegeben, wenn die Trennfläche gegenüber der
Wasseroberfläche geneigt ist. Da das Salzwasser mit höherer
Salzkonzentration eine größere Dichte hat, sammelt
es sich an der tiefsten Stelle und wird leicht aus der Salzwasserschicht
herausgespült. Im übrigen ist es nicht erforderlich,
dass die Trennfläche eben ist.
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Zusätzlich
zu dem durch den Flüssigkeitsaustausch bewirkten Wärmeaustausch
zwischen der Salzwasserschicht und dem Salzwasservorrat kann ein
Wärmeaustausch auch durch die Trennfläche hindurch
stattfinden. Um diesen unerwünschten Wärmeaustausch
zu vermindern, ist es vorteilhaft, wenn die Trennfläche
Bestandteil eines Bauelements ist, das eine gute Wärmeisolierung
bietet. Das Bauteil kann beispielsweise in Sandwichbauweise aufgebaut sein.
Durch Hohlräume im Inneren der Sandwichstruktur kann die
Wärmeisolierung weiter verbessert werden.
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Als
sehr vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Bauelement aus Carbon
herzustellen. Zum einen ist Carbon sehr widerstandsfähig,
so dass es auch bei längerem Kontakt mit Salzwasser nicht
korrodiert. Zum anderen ist es möglich, Bauteile zu fertigen,
die eine sehr hohe Stabilität mit einem geringen Gewicht verbinden.
So kann eine kleine Entsalzungsvorrichtung, bei der die Trennfläche
beispielsweise 1 m2 groß ist, ein
so geringes Gewicht haben, dass sie ohne weiteres von einer einzelnen
Person getragen werden kann. Andererseits können große
Trennflächen von beispielsweise 500 m2 hergestellt
werden, ohne dass das Bauteil sich in der Mitte durchbiegt.
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Carbonschichten
erhitzen sich bekanntermaßen, wenn elektrischer Strom durch
sie hindurchgeleitet wird (
DE 10 2005 003 371 A ). Die Carbonschicht kann
also mit einer Stromquelle verbunden sein und als Heizschicht verwendet
werden, um der Salzwasserschicht zusätzliche Wärme
zuzuführen. Durch diese Maßnahme wird die Dampfausbeute weiter
verbessert.
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Für
den Betrieb der Entsalzungsvorrichtung ist es vorteilhaft, wenn
sich das an den Kondensationsflächen kondensierte Wasser
allein unter dem Einfluss der Schwerkraft im Tank sammelt. Der Tank kann
zu diesem Zweck an einem tief gelegenen Punkt der Vorrichtung angeordnet
sein. Vorzugsweise ist der Tank unter der Wasseroberfläche
angeordnet, so dass auch das obere Ende des Tanks unter Wasser ist.
Vorzugsweise ist der Tank um mindestens 30 cm unterhalb der Wasseroberfläche,
weiter vorzugsweise um 60 cm unterhalb der Wasseroberfläche
angeordnet.
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Die
Scheibe, durch die Lichtenergie in die Dampfkammer eingeleitet wird,
kann waagerecht angeordnet sein. Insbesondere, wenn das Licht in
senkrechter Richtung eingestrahlt wird, wird auf diese Weise die
Energieeinleitung in die Dampfkammer maximiert. Ein Nachteil einer
waagerechten Scheibe besteht jedoch darin, dass Verunreinigungen
und Regenwasser sich auf der Scheibe sammeln und nicht abfließen.
Der Einfluss der Verschmutzungen kann durch eine Nanobeschichtung
der Scheibe reduziert werden. Vorteilhaft kann auch eine geneigte
Scheibe sein, von der das Regenwasser abfließt und Schmutz mit
sich nimmt.
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Wünschenswert
ist es, den in der Dampfkammer erzeugten Wasserdampf vollständig
zu kondensieren. Zu diesem Zweck sollte das Verhältnis zwischen
der Fläche, durch die Licht in die Dampfkammer eingestrahlt
wird und, und der Kondensationsfläche zwischen 1 zu 10
und 1 zu 15 liegen.
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Um
ein Entweichen des Wasserdampfs in die Umgebung zu vermeiden, kann
die Dampfkammer zu allen Seiten hin abgeschlossen und von der Atmosphäre
getrennt sein. Wird jedoch während einer Phase mehr Dampf
erzeugt als an den Kondensationsflächen kondensieren kann,
so führt dies zu einem erhöhten Druck in der abgeschlossenen Dampfkammer.
Es besteht die Gefahr, dass unter dem erhöhten Druck das
Salzwasser aus der Dampfkammer herausgedrückt wird. Wenn
aber die Trennfläche trocken liegt, kann es zu Salzablagerungen kommen.
Um dies zu vermeiden, kann die Dampfkammer mit einem Überdruckventil
ausgestattet sein, das Wasserdampf in die Atmosphäre entweichen lässt,
wenn der Druck in der Dampfkammer eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Der Überdruck, bei dem das Überdruckventil öffnet
liegt typischerweise zwischen 0,05 bar 0,2 bar.
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Insbesondere
ist es möglich, dass die Scheibe die Funktion des Überdruckventils übernimmt. Dazu
kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Scheibe mit ihrer
Gewichtskraft auf einer umlaufenden Dichtung aufliegt. Wenn der
Druck in der Dampfkammer so groß wird, dass die Scheibe
von der Dichtung abgehoben wird, entweicht der überschüssige
Wasserdampf zwischen der Scheibe und der Dichtung hinweg in die
Atmosphäre.
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Die
der Dampfkammer zugewandte Innenseite der Scheibe kann zugleich
als Kondensationsfläche dienen. Das kondensierte Wasser
läuft dann an der Innenseite der Scheibe entlang und sammelt sich
in einem am tiefsten Punkt der Scheibe angeordneten Tank. Möglich
ist es aber auch, dass die Kondensationsfläche in einem
Kondensationsrohr ausgebildet ist, das sich zwischen der Dampfkammer und
dem Tank erstreckt. Damit sich das kondensierte Wasser auch bei
dieser Ausführungsform allein unter dem Einfluss der Schwerkraft
in dem Tank sammelt, ist es vorteilhaft, wenn das Kondensationsrohr
zwischen einem Punkt, an dem der Wasserdampf zu kondensieren beginnt
und dem Tank ein stetiges Gefälle aufweist.
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Eine
in zweierlei Hinsicht vorteilhafte Wirkung kann erzielt werden,
wenn das Kondensationsrohr durch den Salzwasservorrat geführt
wird. Zum einen werden die Kondensationsflächen durch den Salzwasservorrat
gekühlt, so dass die Kondensationsflächen kleiner
ausgeführt werden können. Zum anderen kann das
vorgewärmte Salzwasser der Salzwasserschicht und damit
der Verdampfung zugeführt werden. Durch die Vorwärmung
erhöht sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung.
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Um
einen selbsttätig in Gang bleibenden Flüssigkeitskreislauf
zu erzielen, kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass zumindest
ein Abschnitt des Kondensationsrohrs unterhalb der Dampfkammer angeordnet
ist. Das an dem Kondensationsrohr erwärmte Salzwasser steigt
wegen seiner geringeren Dichte auf und strömt in die Salzwasserschicht.
Das in der Salzwasserschicht befindliche Salzwasser mit erhöhter
Salzkonzentration wird aus der Salzwasserschicht heraus in den Salzwasservorrat
gedrückt. Wegen seiner größeren Dichte
sinkt das Salzwasser mit erhöhtem Salzgehalt nach unten
und verschwindet im Salzwasservorrat.
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Um
einen großflächen Kontakt zwischen dem Kondensationsrohr
und dem Salzwasservorrat zu erhalten, kann das Kondensationsrohr
in Windungen geführt sein. Ferner kann an der Vorrichtung
eine das Kondensationsrohr umgebende Wand ausgebildet sein, die
verhindert, dass das vorgewärmte Salzwasser sich wieder
mit dem Salzwasservorrat vermischt. Um die Kondensationsfläche
zu vergrößern, können in dem Kondensationsrohr
Kühlrippen angeordnet sein.
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Für
eine weiter verbesserte Vorwärmung des Salzwassers, kann
ein Salzwasserrohr für die Zufuhr von Salzwasser zur Dampfkammer
vorgesehen sein, das derart benachbart zu dem Kondensati onsrohr angeordnet
ist, dass die Kondensationswärme auf das Salzwasserrohr übertragen
wird. Beispielsweise kann das Salzwasserrohr konzentrisch zum Kondensationsrohr
angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft
beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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2:
eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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3:
eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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Eine
Dampfkammer 1 in 1 ist begrenzt von
einer Scheibe 2, der Oberfläche eines Salzwasservorrats 3 und
einer Seitenwand 4 der Wasserentsalzungsvorrichtung. Wenige
Zentimeter unterhalb der Wasseroberfläche in der Dampfkammer 1 ist
eine Trennplatte 5 angeordnet, durch die eine Salzwasserschicht 31 von
dem Salzwasservorrat 3 abgetrennt wird. Die Trennplatte 5 ist über
Halter 6 derart an der Wand 4 der Vorrichtung
gehalten, dass ein Wasseraustausch zwischen dem Salzwasservorrat 3 und
der Salzwasserschicht 31 stattfindet. Die Vorrichtung ist
rotationssymmetrisch und schwimmt in dem Salzwasservorrat 3.
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Das
Wasser der Salzwasserschicht 31 verdampft unter dem Einfluss
von Sonnenstrahlen, die durch die Scheibe 2 in die Dampfkammer 1 eintreten. An
der der Dampfkammer 1 zugewandten Innenseite 22 der
Scheibe 2 kondensiert das Wasser und fließt entlang
der Scheibe 2 in den am unteren Ende der Vorrichtung angeordneten
Tank 13. Die Innenseite 22 der Scheibe 2 ist
also zugleich Kondensationsfläche.
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Die
Trennplatte 5 ist in Sandich-Bauweise aufgebaut, wobei
die äußere Schicht von einer Carbonschicht gebildet
ist. Die dunkle Oberfläche der Trennplatte 5 trägt
dazu bei, die Salzwasserschicht 31 zu erwärmen.
Durch Hohlräume in der Trennplatte 5 ist das Wasser
oberhalb der Trennplatte 5 vom Salzwasservorrat 3 unterhalb
der Trennplatte 5 thermisch isoliert. Die Temperatur der
Salzwasserschicht 31 ist höher als die Temperatur
des Salzwasservorrats 3. Durch den Flüssigkeitsaustausch
zwischen der Salzwasserschicht 31 und dem Salzwasservorrat 3 wird
eine erhöhte Salzkonzentration in der Salzwasserschicht 31 nach
kurzer Zeit ausgeglichen.
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In 2 wird
der Wasserdampf aus der Dampfkammer 1 von einem Kondensationsrohr 8 aufgenommen,
dessen freies Ende 9 in der Dampfkammer 1 mündet.
Das Kondensationsrohr 8, das in Windungen unterhalb der
Trennplatte 5 geführt ist, hat ein stetiges Gefälle,
so dass das in dem Kondensationsrohr 8 kondensierte Wasser
unter dem Einfluss der Schwerkraft in den Tank 13 fließt.
Zwischen den Windungen des Kondensationsrohrs 8 wird frisches
Salzwasser aus dem Salzwasservorrat 3 durch die Kondensationswärme
vorgewärmt. Das vorgewärmte Salzwasser steigt
auf und strömt in die Salzwasserschicht 31. Eine
das Kondensationsrohr 8 umgebende Außenwand 4 der
Vorrichtung verhindert, dass das vorgewärmte Salzwasser
sich wieder mit dem Salzwasservorrat 3 vermischt, anstatt
in die Salzwasserschicht 31 zu strömen.
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Die
aus Plexiglas bestehende quadratische Scheibe 21 wird durch
Halter 7 in Position gehalten. Die Scheibe 21 liegt über
eine umlaufende Dichtung 10 auf dem Halter 7 auf
und schließt die Dampfkammer 1 von der Atmosphäre
ab. Wird der Druck in der Dampfkammer 1 so groß,
dass die Scheibe 21 von der umlaufenden Dichtung 10 abgehoben
wird, so kann Wasserdampf aus der Dampfkammer 1 entweichen.
Die Scheibe 21 wirkt also zusammen mit der umlaufenden
Dichtung 10 als Überdruckventil.
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Beim
Betrieb der Vorrichtung entsteht eine Wasserströmung, die
selbsttätig in Gang bleibt. Das mit dem Kondensationsrohr 8 in
Berührung kommende frische Salzwasser erwärmt
sich und steigt dadurch auf. Das erwärmte Salzwasser strömt
in die Salzwasserschicht 31 und spült dort befindliches Salzwasser
mit erhöhter Salzkonzentration heraus. Das herausgespülte
Salzwasser hat aufgrund seines höheren Salzgehalts eine
größere Dichte und sinkt nach unten aus der Vorrichtung
heraus.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Scheibe 21 geneigt,
um ein besseres Abfließen von Regen und Schmutz zu ermöglichen.
Die Trennplatte 5 ist ebenfalls relativ zur Wasseroberfläche
geneigt. Diese Anordnung der Trennplatte 5 verbessert den
Wasserkreislauf. Wasser mit höherem Salzgehalt sammelt
sich am tiefer gelegenen Teil der Salzwasserschicht 31 und
kann deswegen leichter herausgespült werden.
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In
der in 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
wird frisches Salzwasser aus dem Salzwasservorrat 3 durch
Salzwasserrohre 11 zu der Salzwasserschicht 31 geleitet.
Konzentrisch zu den Salzwasserrohren 11 sind Kondensationsrohre 81, 82, 83 angeordnet,
die über das Kondensationsrohr 8 mit der Dampfkammer
in Verbindung stehen. In den Kondensationsrohren sind Kühlrippen 12 ausgebildet,
durch die die Kondensationsfläche vergrößert wird.
Bei dieser Anordnung der Kondensationsrohre 81, 82, 83 zu
den Salzwasserrohren 11 wird die Kondensationswärme
besonders wirksam auf das frische Salzwasser übertragen.
Die Vorrichtung benötigt weniger Platz und ragt nicht so
tief in den Salzwasservorrat 3 hinein. Dennoch wird das
erforderliche Verhältnis von Einstrahlfläche,
durch die Licht in die Dampfkammer eingestrahlt wird, zu Kondensationsfläche
von 1:15 erreicht.
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Die
Vorrichtung kann als kleine tragbare Anlage ausgeführt
sein, beispielsweise mit einer Einstrahlfläche von 1 m2. Mög lich sind aber auch große Anlagen
bei denen die Einstrahlfläche größer
als 500 m2 ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20312656
U1 [0002]
- - DE 102005003371 A [0011]