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Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet mit kapazitiver Wicklung – Spulen und einem Wasserbehälter, der als sekundäre Wicklung betrachtet wird, zum Entsalzen von Meerwasser und zum Entsalzen von Salzlösungen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Für die Entsalzung von Meerwasser auf Trinkwasserqualität wird ein Elektromagnet eingesetzt, der aus einem weichen Eisenkern besteht, auf dem Spulen mit kapazitiver Doppelwicklung gewickelt sind und zwischen beiden Spulen ist ein Wasserbehälter aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff angeordnet. Beide Spulen werden mit Hochfrequenzstrom bestromt und zwar so, dass beide an einem Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind. Durch jede Spule fließt kapazitver Blindstrom, der gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz magnetische Feldstärke erzeugt. Die Trennungskinetik des Trinkwassers von der salzigen Komponente findet in dem Wasserbehälter statt und zwar so, dass die elektrisch leitende salzige Komponente in dem oszillierenden Magnetfeld zur Seite gedrückt wird.
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In den Ozeanen steht eine große Menge von Salzwasser mit ca. 35 g/l Salz zur Verfügung, die bis auf 0,5 g/l für die wirtschaftliche Nutzung entsalzt werden muß. Das Meerwasser ist ein Elektrolyt und dessen Hauptkomponenten sind Natrium mit 10.500 mg/l, Kalium mit 380 mg/l, Magnesium mit 1.350 mg/l, Schwefel mit 8 mg/l, Kalzium mit 400 mg/l, Bor mit 4,6 mg/l, Stickstoff mit 15 mg/l, Brom mit 65 mg/l, Chlor mit 19 mg/l, Fluor mit 1,2 mg/l sowie eine ganze Reihe anderer Elemente.
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Gemäß dem Stand der Technik sind seit mehr als hundert Jahren unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zum Entsalzen von Salzlösungen bekannt, die an verschiedenen Orten als Anlage zum Meerwasserentsalzen betrieben werden. Die Entsalzungstechnologie konzentriert sich weltweit hauptsächlich auf die Umkehrosmose, auf das Membranverfahren, auf das thermische Verfahren, auf die Multieffekt-Destillation u. a.. Die genannten Entsalzungsvorrichtungen sind robust, technisch aufwendig, teuer und bei allen ist der Energieverbrauch enorm. Zum Beispiel, bei der Umkehrosmose liegt der Energieverbrauch zwischen 4 bis 5 kWh pro 1.000 l Trinkwasser.
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Vorrichtungen, die die Salzkomponente von der Trinkwasserkomponente mittels gleichzeitiger Einwirkung eines magnetischen und eines elektrischen Wechselfeldes trennen, sind bekannt. Die erste technisch nutzbare Vorrichtung, die in einem wechselnden Magnetfeld und simultan in einem wechselnden elektrischen Feld betrieben wird, ist in der
WO 2006/039873 A1 und in dem
DE-GM 20 2004 015 611 U1 veröffentlicht. Ferner ist eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Entsalzen von Meerwasser in dem
DE-GM 20 2006 011 195 U1 und in dem
EP 20 14 620 A2 beschrieben. Die genannten elektromagnetischen Verfahren haben viele wirtschaftliche Vorteile experimentell nachgewiesen und die Trennung von Salzen zwischen 35% bis 50% wurde erreicht. Das Defizit dieser genannten Vorrichtungen liegt im Bereich des technischen Aufwands und sie sind noch robust.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Entsalzen von Meerwasser zu schaffen, die mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad als bei den bisherigen Obengenannten betreibbar ist und damit eine Trinkwasserbereitstellung zu wesentlich günstigeren Kosten ermöglicht wird und dass die Vorrichtung keinen großen Aufwand verlangt sowie günstig zu warten ist.
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Die Vorrichtung zur Durchführung dieser Aufgabe besteht aus einem Elektromagnet, auf dessen Kern mindestens zwei Feldspulen mit kapazitiver Doppelwicklung gewickelt sind und zwischen beiden Feldspulen ein Wasserbehälter angeordnet ist, in dem Meerwasser fließt, das in einem oszillierenden Magnetfeld in Trinkwasserkomponente und salziges Konzentrat getrennt wird. Die zwei kapazitiven Feldspulen werden mit Hochfrequenzstrom betrieben, die an einem Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind. Nach der vorliegenden Erfindung ist für eine solche Vorrichtung wesentlich, dass der Hochfrequenzstrom im Verhältnis zur oszillierenden Spannung mit großer Phasenverschiebung, d. h., mit sehr niedrigem cos φ, durch beide Feldspulen fließt.
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Diese Verschiebung ist technisch mit der kapazitiven Wicklung in der
WO 2010/00 33 94 A2 und in der
DE-OS 10 2008 032 666 A1 beschrieben und leicht durchführbar.
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In dem Wasserbehälter fließt das salzige Meerwasser, welches ein Elektrolyt ist, im Kreis um die Mitte des Behälters. Durch den Wasserbehälter oszilliert ein magnetisches Streufeld. Die Kationen und die Anionen sind elektrisch so zusammengebunden, dass sie in ihrer Struktur geschlossene. Domänen bilden. In diesen Domänen induziert das magnetische Streufeld Wirbelströme. Gemäß dem Induktionsgesetz wird in jeder Domäne ein magnetisches Gegenfeld induziert. Gemäß Lorentz Kraft werden die salzigen Domänen von der Mitte des Wasserbehälters an den Rand des Behälters gedrückt. Bei steigender Flußdichte des magnetischen Streufeldes und bei steigender Frequenz des elektrischen Blindstromes steigt in beiden Spulen der Wirkungsgrad der Vorrichtung exponential.
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Die neue Vorrichtung wird zu ihrer Durchführung nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt schematisch
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1 im Querschnitt einen Elektromagnet mit zwei Feldspulen angeschlossen an einem kapazitiven elektrischen Schaltkreis und einen Wasserbehälter, der zwischen den beiden Feldspulen am Magnetkern angeordnet ist.
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2 im Schnitt die Draufsicht eines Wasserbehälters mit Zufluß für Meerwasser sowie Abfluß für das Salzkonzentrat und Abfluß für das Trinkwasser.
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Das Grundprinzip der vorliegenden Vorrichtung ist in 1 veranschaulicht. Die Meerwasserentsalzung findet in einem Wasserbehälter 4 statt, der am Magnetkern 1 zwischen zwei Feldspulen 2, 3 angeordnet ist. Beide Feldspulen 2, 3 sind durch elektrische Anschlüsse 5, 6 an Hochfrequenzgenerator 7 angeschlossen. Die elektrischen Kondensatoren 8, 9 sind gemäß dem Stand der Technik an Feldspule 2 angeschlossen und die Kondensatoren 10, 11 an Feldspule 3.
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Das magnetische Streufeld 12 fließt von beiden Feldspulen 2, 3 durch das Meerwasser in Behälter 4. Das magnetische Streufeld 12 resultiert davon, dass die Feldspulen 2, 3 mit der gleichartigen magnetischen Polarität gegeneinander orientiert sind. Mit jeder halben Periode des oszillierenden elektrischen Stromes in Feldspule 2, 3 wird die Richtung des Magnetfeldes geändert. In einem so oszillierenden Magnetfeld sind beide Felder immer mit ihrer Polarität gegeneinander gerichtet.
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Durch Zufluß 13 in 2 fließt das Meerwasser in den Behälter 4. Die Flußrichtung des Meerwassers in Behälter 4 ist mit Pfeil 14 gekennzeichnet. Das Meerwasser fließt im Kreis um die Mitte des Behälters 4, was die Zwischenwand 15 technisch ermöglicht. Es ist wichtig, dass die Zwischenwand 15 keine Metallplatte sein darf und trotzdem elektrisch leitend sein muß. Zwischenwand 15 könnte z. B. eine Textilplane sein.
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Von Wichtigkeit ist die Kinetik, welche die Trennung der Salzkomponente vom Trinkwasser regelt. Die Kinetik, die diese Trennung regelt, ist der magnetischen Feldstärke des magnetischen Streufeldes 12, ferner der Frequenz des elektrischen Stromes in den Feldspulen 2, 3 direkt proportional. Die elektrisch leitenden Teilchen in dem Meerwasser bilden eine Mehrzahl von elektrisch geschlossenen Domänen, in denen Wirbelströme induziert werden. Jede Domäne ist mit einem induzierten magnetischen Feld verbunden, das in Gegenrichtung des magnetischen Streufeldes 12 orientiert ist. Pfeil 16 in 2 veranschaulicht diese Gegenrichtung. Nach bekannten physikalischen Gesetzen, hauptsächlich gemäß der Lorentz-Kraft, wird das Salzkonzentrat an den Rand des Wasserbehälters 4 gedrückt. Die Trinkwasserkomponente in dieser Kinetik fließt in der Mitte des Wasserbehälters 4. Abflüsse 17 sind an den Außenwänden des Wasserbehälters 4 angeordnet und durch diese fließt das Salzkonzentrat nach außen. Abfluß 18 führt das Trinkwasser von der Mitte des Wasserbehälters 4 nach außen.
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Die neue Vorrichtung wird zu ihrer Durchführung nachfolgend anhand der experimentellen Einheit noch näher erläutert. Der Magnetkern 1 ist aus Kernblechen zusammengeschraubt. Die Feldspulen 2, 3 sind aus Kupfer-Doppeldraht gewickelt. Der Durchmesser des Kupferdrahtes beträgt 1,3 mm und auf jeder Feldspule 2, 3 sind 460 Doppelwicklungen gewickelt. Die Kapazität eines jeden Kondensators 8, 9, 10, 11 beträgt 20 μF. Die Wicklungen von beiden Feldspulen 2, 3 sind an Hochfrequenzgenerator 7 angeschlossen. Eine so konstruierte experimentelle Einheit ist für 500 VA Blindleistung konzipiert.
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In Tabelle 1 sind experimentelle Daten in sieben Säulen und in vier Reihen aufgeführt.
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In Säule a = Spannung an den Feldspulen 2, 3
b = Frequenz der Spannung des Stromes
c = Strom, der in Feldspulen 2, 3 fließt
d = Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung
e = Blindleistung und Wirkleistung zusammen
f = Wirkleistung allein
g = Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung
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Zum Beispiel bei 30 V Spannung und 2,56 Ampere Strom und bei 100 Hz Frequenz ist die Blindleistung VA 30,4× größer als die Wirkleistung W und das bei einem Phasenwinkel 0,033.
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Alle anderen Reihen in Tabelle 1 präsentieren experimentelle Daten, die für sich selbst sprechen. Die Daten in Tabelle 1 zeigen, dass die Laboreinheit der Vorrichtung bei niedriger Frequenz betrieben wurde. Bei höheren Frequenzen ist die Vorrichtung mehr effektiv. Die Laboreinheit wurde bei experimentellen Daten, die in Reihe vier aufgeführt sind, getestet. Zu Beginn des Tests hat das Meerwasser eine Salzkonzentration von 35 g/l. Innerhalb von 30 Sekunden hat sich das Salzkonzentrat am Rand des Wasserbehälters 4 angesammelt und die Trinkwasserkomponente hat 2,7 g/l Salz enthalten. Als die Trennungszeit bis 180 Sekunden verlängert wurde, betrug die Salzkonzentration 0,9 g/l.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch ohne Streufeld 12 betrieben werden. In einer solchen Konstruktionsalternative sind die Feldspulen 2, 3 elektrisch in einer Serie angeschlossen und deren magnetischer Fluß in Magnetkern 1 oszilliert in einem geschlossenen Kreis. In dem Wasserbehälter 4 wird das Meerwasser als eine Sekundärwindung betrachtet, die elektrisch kurzgeschlossen ist. In dieser einen Windung fließt elektrischer Strom wie in einem kurzgeschlossenen Transformator. Die Salzkonzentration in Behälter 4 und die Frequenz des Stromes beeinflussen den Trennfaktor in direkter Proportionalität. Die Kinetik einer solchen Trennung ist vom Skineffekt, ferner von der Lorentz Kraft und von weiteren Induktionsvorgängen abhängig. Solche Kinetik ist wirtschaftlich sehr effektiv, wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung bei hohen Stromfrequenzen betrieben wird. Der Magnetkern 1 muß für Hochfrequenzen aus speziellen Legierungen, wie bspw. aus 78% Nickel und 22% Eisen, gefertigt sein. Für den Bereich von mehreren Kilohertz des magnetischen Stromes ist hochpermeables Ferrit, wie Manifer, erforderlich. Die Intensität des durch Wicklungen 2, 3 fließenden Magnetisierungsstromes ist regulierbar und nach Bedarf einstellbar. Diese Regel zählt für die beiden hier beschriebenen Baustrukturen.
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Die vorliegende Vorrichtung ist technisch unkompliziert, leicht herstellbar und besteht in der gesamten Konstruktion aus kommerziellen Werkstoffen. Betrieben wird die Vorrichtung mittels verschiedener physikalischer Parameter, die für konkrete Salzlösungen konkret einstellbar sind.
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In 1 und 2 ist eine fundamentale Einheit veranschaulicht. Die Frequenz für den in den Wicklungen fließende Magnetisierungsstrom ist zwischen 100 HZ und 70 kHz einstellbar. Eine solche Einheit ist technisch imstande, das Meerwasser bis auf 0,5 g/l zu entsalzen. Wirtschaftlich ist von Wichtigkeit, der elektrische Energieverbrauch einer solchen Einheit liegt bei 0,8 kWh/1.000 l Trinkwasser. Eine derartige wirtschaftliche Leistung ist nur deshalb möglich, weil die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit kapazitivem Blindstrom betrieben wird. Die hier beschriebene Vorrichtung besteht aus einer Einheit mit einer Trinkwasserkapazität von ca. 3.000 l/Std.. Große Trinkwasseranlagen werden aus einer Mehrzahl solcher Einheiten zusammengebaut und an geeigneten Orten betrieben. Die Betriebskosten liegen im Vergleich zum Stand der Technik nur bei 20%. Die wirtschaftlichen Vorteile der hier beschriebenen Erfindung sind für jeden Fachmann in der Kategorie leicht nachweisbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/039873 A1 [0005]
- DE 202004015611 U1 [0005]
- DE 202006011195 U1 [0005]
- EP 2014620 A2 [0005]
- WO 2010/003394 A2 [0008]
- WO 102008032666 A1 [0008]
