DE2510168A1

DE2510168A1 - Anlage zur gewinnung von trink- oder nutzwasser aus salz-, brack- oder schmutzwasser

Info

Publication number: DE2510168A1
Application number: DE19752510168
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1975-03-08
Filing date: 1975-03-08
Publication date: 1976-09-16

Description

Anlage zur Gewinnung von Trink- oder Nutzwasser aus Salz-1 Brack- oder Schmutzwasser Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Trink- oder Nutzwasser aus Salz-, Brack- oder Schmutzwasser unter Ausnutzung von Wärmeenergie, insbesondere Sonnenenergie.
Aus der Praxis sind hinreichend Verfahren und Anlagen bekannt, die zur Entsalzung oder Entkeimung von Meerwasser oder Abwässern die Sonnenenergie ausnutzen. Dazu gehören die einfachen Verdunstungs- oder Verdampfungs-Verfahren bzw. -anlagen, wie z. B. die relativ großen teichähnlichen Wasserfläche längs einer Küste in südlichen Breiten, die hauptsächlich von Sonnenenergie oder auch anderen konventionellen Wdrmeenergiespendern beheizt werden. Hierzu gehören gleichfalls die sog. "green houses", die nach der:# Treibhaus-Effekt arbeiten. Während in den Freianlagen das durch die Sonnenenergie verdunstende Wasser einfach von der umgebenden Luft aufgenommen wird und wobei das Meersalz in kristalliner Form zurückbleibt, kondensiert das verdampfende Wasser in den "Treibhausanlagen" an den darüber angeordneten, von außen gekühlten Flächen. Das Kondensat wird in darunter angeordneten Auffangrinnen gesammelt und in Behälter abgeführt.
Bei technisch anspruchsvoller ausgebildeten Anlagen wird die auf den sonnenbeschienenen Flächen entstehende Wärmeenergie gesammelt und zu Flächen abgeführt bzw. transportiert. Diese Flächen stehen mit dem aufzubereitenden Wasser in Wärmekontakt bzw. Wärmetausch, wodurch an diesen Stellen die dort konzentrierte Wärmestromdichte zur Wasserverdampfung benutzt wird.
Dieser Dampf wird an durch Kühlwasser, z. B. durch dcs noch kalte aufzubereitende Wasser gekühlten Stellen wieder kondensiert und aufgefangen.
Derartige Verfahren und Anlagen haben den gravierenden Nachteil, daß die damit erzielbare aufbereitete Wassermenge quantitativ sehr gering ist. Um z. B. große Trinkwassermengen zu erhalten bzw. zu produzieren, müßten solche Anlagen erhebliche Ausmaße haben. Hierfür ist die erforderliche große Verdampfungswärme von Wasser verantwortlich, die nicht bei höherem Temperaturniveau zurückgewonnen werden kann. Ursache hierfür ist wieder, daß die Kondensationsfläche auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden müssen, um eine wirksame und effektivere Kondensation des verdunstenden bzw. aufzubereitenden Wassers zu erreichen. Zum Beispiel wird gegenüber einer zu entsalzenden Wassermenge etwa die dreißigfache Menge an Kühlwasser benötigt.
Ferner ist dabei von Nachteil, daß zur Umwälzung und Förderung von Kühlwasser und aufzubereitendem Wasser eine Pumpe benötigt wird, die bei derartigen Anlagen durch eine externe Energieversorgung angetrieben werden muß.
Davon ausgehend war es Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zu schaffen, mit der unter Ausnutzung von Sonnenenergie Wasser, z. B. Meer-, Brack- bzw. Abwasser zu Trinkwasser aufbereitet, entkeimt und gewonnen werden kann. Außerdem soll damit ein hoher quantitativer Wirkungsgrad ohne zusätzliche Energieversorgung erreicht werden. Als Kriterium für den Wirkungsgrad der Anlage soll dabei die aus der pro Quadratmeter einfallende Sonnenenergie zu gewinnende Menge an Trinkwasser gelten.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß durch die Wärmeenergie direkt oder über einen Wärmetauscher eine Flüssigkeit mit einer Verdampfungswdrme von weniger als 0,5 kWh/kg bezogen auf eine Atmosphäre Druck verdampft und mit diesem Dampf ein Energiewandler angetrieben wird, der entweder direkt den Betriebsdruck für das Speisewasser einer Anlage zur Wasserreinigung durch an sich bekannte umgekehrte Osmose erzeugt oder über einen Elektrogenerator die für den Betrieb einer Anlage für umgekehrte Osmose oder einer Elektrodialyse-Apparatur oder einen zeitweiligen Betrieb anderer parasitärer Anlagen notwendige elektrische Energie erzeugt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird als Wärmeenergie die auf einen Solarkollektor eingestrahlte und darin an eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) abgegebene Solarenergie verwandt. Weitere Merkmale bestehen darin, daß das zu reinigende Rohwasser als Kühlmedium im Kondensator verwandt wird. In den primären Wörmekreislauf ist ein Wärmespeicher eingebaut, der alternativ zum Energiewandler oder parallel zu ihm von dem die Wärmeenergie transportierenden Medium aufgeheizt wird und alternativ zur primären Wärmequelle die Wärmeenergie für den Energiewandler liefert.
Vorteilhafterweise wird der Wärmespeicher alternativ zur Aufheizung durch das die Wärmeenergie transportierende Medium durch Verbrennen fossiler oder landesüblicher Brennstoffe aufgeheizt. Schließlich wird bei Vorhandensein parasitärer Anlagen die erzeugte elektrische Energie durch eine nach vorgebbarem Programm arbeitende elektronische Automatik, dem einen oder anderen Verwendungszweck vorzugsweise zur Verfügung gestellt.
Der Vorteil einer derartigen Anlage besteht darin, daß zur Gewinkung von Trinkwasser aus Meer- oder Abwasser Sonnenenergie über den Umweg eines thermodynamischen Kreisprozesses benutzt wird, wobei das durch die Wärmeenergie aus einer Flüssigkeit mit einer Verdampfungswärme von weniger als 0,5 kWh/kg bezogen auf 1 ata entstehende Dampf einen Energiewandler (z.B. Turbine oder Dampfmotor) antreibt. Dabei wird die im Dampf enthaltene bzw. gespeicherte Wärmemenge in mechanische Energie umgesetzt oder im Wärmespeicher gespeichert. Mit der umgesetzten Energie wird entweder durch eine durch den Energiewandler direkt angetriebene Pumpe oder einen Elektrogenerator mit nachgeschaltetem Elektromotor mit Pumpe eine an sich bekannte Osmose-Apparatur betätigt, worin entweder bei Anwendung der beiden möglichen Pumpenanordnungen das aufzubereitende Meerwasser oder das von Keimen durchsetzte Abwasser nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose aufbereitet oder der vom Elektrogenerator abgegebene Strom zur an sich gleichfalls bekannten Elektrodialyse der Wasser benutzt wird.
Nachdem die Wärmeenergie im Energiewandler in mechanische Energie umgesetzt ist, gelangt der verbleibende Restdampf bzw. das dabei entstehende und noch Restwärme enthaltende Kondensat des Arbeitsmittels in einen nachgeschalteten Kondensator, der von dem zu reinigenden Rohwasser als Kühlmedium durchströmt wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Nutzung der Solarenergie ganz überraschend erhöht, weil in dem infrage kommenden Temperaturgebiet der Energiebedarf einer Osmoseanlage bei Erhöhung der Wassertemperatur um 1° C um ca. 3% sinkt. Der als Treibmittel wirkende Dampf strömt alternativ durch einen zwischengeschalteten Wärmespeicher. Dieser wird entweder vom Wärmeenergie tragenden Dampf aufgeheizt oder liefert alternativ zur primären Wärmequelle dem Energiewandler die benötigte Wärmemenge. Dabei ist es durch Parallelschalten möglich, daß der Wärmespeicher durch einen Teilstrom des vom Solarkollektor (bei größeren Anlagen Wärmetauscher) strömenden Dampfes aufgeheizt wird. Der gesamte Kreisprozeß wird über einfache Regler bzw. Ventile gesteuert.
Da beim heutigen Entwicklungsstadium von Osmoseanlagen deren spezifische Investitionskosten noch relativ hoch sind und jede Betriebsunterbrechung eine zusätzliche Belastung ihrer Membranen bedeutet, ist es ratsam, sie kontinuierlich zu betreiben. Sofern solche Anlagen an Standorten betrieben werden, bei denen längere, sonnenlose Perioden häufig sind, ist es vorteilhaft, den Wärmespeicher so auszuführen, daß er alternativ zur solaren Aufheizung fossil oder landesüblich geheizt werden kann.
Die mit einer derartigen Anlage erzeugte Menge an Trinkwasser, bezogen auf einen Quadratmeter Kollektorfläche und einen Tag eingestrahlte Sonnenenergie, dient als Maßstab für den Wirkungsgrad der Anlage. Durch die einem derartigen thermodynamischen Kreisprozeß nachgeordnete Osmose-Apparatur wird der Wirkungsgrad der Anlage dadurch weiter erhöht, weil das aufzubereitende Wasser als Kühlwasser für den Kondensator benutzt und dabei erwärmt wird.
Bei einem Vergleich dieser indirekten, über den Umweg eines thermodynamischen Kreisprozesses gehenden Methode mit dem Verfahren der direkten Verdampfung ist man zunächst versucht anzunehmen, daß dieses Verfahren bzw. diese Anlage nicht aussichtsreich ist. Dies gilt umsomehr, als sich die Wirkungsgrade von Kreisprozeß und der einzelnen Aggregate multiplikativ zum Gesamtwirkungsgrad der Anlage zusammensetzen. Rechnerisch zeigt sich jedoch dabei ein Uberroschendes Ergebnis. Auch unter ungünstigen Annahmen wird mit der mit einem thermodynamischen Kreisprozeß arbeitenden Anlage eine um mindestens das zehn fach größere Frisch-bzw. Trinkwasserausbeute pro Quadratmeter Kollektorfläche erreicht, als es mit den herkömmlichen solaren Verdampfungs- und Verdunstungsanlagen möglich ist. Unter normalen Bedingungen werden praktisch wesentlich höhere Leistungen erzielt. Hinzu kommt noch der Vorteil, daß eine derartige Anlage völlig autark, d. h. ohne zusutzliche Energieversorgung arbeitet.
Ausführungsbeispiele sind folgend#beschrieben und durch Skizzen erläutert: Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Anlage zur Gewinnung von Trink-oder Nutzwasser mit Solorkollektor 1 mit einem an seinem "heißen II Ende angeordneten Gefäß 2. Daran ist angeschlossen eine Leitung 3, die zu einem Energiewandler (z.B. Turbine) 4 führt, an dessen Ausgang eine weitere Leitung 5 angeschlossen ist, die in einem Kondensator 6 mündet.
Zur Kondensatbildung des im Energiewandler 4 entspannten Dampfes ist die in den Kondensator 6 einmündende bzw. hindurchführende Leitung 5 zu einer Ausdehnung 7 vergrößert (z.B. schlangen- oder lamellenförmige Ausbildung) und führt daraus als Rückführleitung 8 in das 11kalte?1 Ende des Solarkollektors 1.
Der Energiewandler 4 treibt einen Elektrogenerator 9, der wiederum durch einen von ihm erzeugten Strom einen Motor 10 antreibt, von dem wieder eine nachgeschaltete Pumpe 11 betätigt wird. Diese Pumpe 11 fördert das aufzubereitende Rohwasser RW (siehe Richtungspfeile) in bzw. aus dem Kondensator 6 unter gleichzeitig erfolgter Vorwärmung in eine ihr nachgeschaltete Osmose-Apparatur 12 aus der einerseits das dadurch gewonnene Nutz- bzw. Trinkwasser NW und andererseits die verbleibende Sole So fließen (siehe Richtungspfeile). Zur Aufrechterhaltung des zur umgekehrten Osmose benötigten Druckes ist der Osmose-Apparatur 12 an ihrer Abflußleitung 13 für die Sole So ein Ventil 14 zwischengeschaltet.
Wird die im Solarkollektor 1 erzeugte Wärmeenergie im Energiewandler 4 nicht voll ausgenutzt oder momentan nicht benötigt, so wird der vom Gefäß 2 in die Leitung 3 strömende Dampf, unter vorheriger Umstellung eines vor dem Energiewandler 4 angeordneten Ventils 15, in eine Nebenleitung 16 geleitet, die durch einen Wärmespeicher 17 führt, von wo sie bzw. das Kondensat in eine in der Leitung 8 angeordneten Pumpe 18 mündet. Dazu sind auch die in der Nebenleitung 16 vor und hinter dem Wärmespeicher 17 angeordneten Ventile 19, 20 entsprechend einzustellen.
Die Pumpe 18 fördert das vom Kondensator 6 oder vom Wärmespeicher 17 abgegebene Kondensat des Arbeitsmittels durch die Rückführleitung 8 in den Solarkollektor 1 zurück.
Bei Abschaltung des Solarkollektors 1 bzw. bei sonnenlosem Betrieb der Anlage oder bei Fremdbeheizung (z.B. durch fossile Brennstoffe) des Wärmespeichers 17 sind in der Leitung 3 vor den Ventilen 15 und 19 und in der Rückführleitung 8 nach der Pumpe 18 angeordnete Ventile 21 und 22 zu schließen. Dadurch ist der Teilkreislauf des Solarkollektors 1 ausgeschal tet und das Arbeitsmedium strömt nur vom Wärmespeicher 1 über den Energiewandler 4 in den Kondensator 6 und durch die Pumpe 18 gefördert, wieder in den Wärmespeicher 1 zurück.
Bei größeren Anlagen ist es von Vorteil, im Solarkollektor 1 einen eigenen Kreislauf zu haben. Dadurch kann die Menge an eingesetztem teurem Arbeitsmittel klein gehalten und im Solarkollektor 1 z. B. das problemlosere Wasser verwendet werden. Diese Möglichkeit ist in der Figur 2 dargestellt.
Bei dieser Anlagenvariante strömt das Arbeitsmittel nach dem Kondensator 6 in den Wärmetauscher 23, wo es durch Wärmetausch mit dem den Solarkollektor 1 durchströmenden, durch die Pumpe 27 umgewälzten Wärmetransportmedium verdampft, oder alternativ hierzu durch Wärmetausch mit dem Speichermedium, das über den Wärmetauscher 23 durch die Pumpe 27 gepumpt wird, verdampft. Dabei sind die Ventile 25, 26, 28, 29 entsprechend zu öffnen bzw. zu schließen. Durch diese Maßnahme kann auf Einbauten im Wärmespeicher 17 verzichtet werden.
Beim Aufladen des Wärmespeichers 17 kann, wenn dasselbe Medium für den Kollektorkreis wie für die Wärmespeicherung benutzt wird, (z.B.
Wasser), zum Aufladen des Wärmespeichers 17 das Speichermedium unten aus dem Wärmespeicher 17 abgezogen und von der Pumpe 27 über den Solarkollektor 1 gepumpt werden, wobei es sich erwärmt und anschließend in den Wärmespeicher 17 oben eingespeist wird.
Dabei sind die Ventile 25, 26 zu öffnen und das Ventil 2o zu schließen.
Durch diese Maßnahme wird ein besserer Wirkungsgrad beim Aufladen des Wärmespeichers 17 erreicht.
Für einen Leistungsvergleich zwischen einer Anlage mit einstufig arbeitender Verdampfung (Destillation) und einer nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitenden Anlage, sei folgendes Beispiel angeführt: Solorintensität: 800 W/m2 (üblicher Wert in Äquatornähe) Solarkollektor-Wirkungsgrad q : 0,4 daraus erhaltene 2 Wärmeleistung: 320 W/m Aus beispielsweise 50m2 Solarkollektorfläche steht pro Stunde eine Wärmemenge von ca. 15 kWh zur Verfugung.
Werden für die "green houses" bzw. Destillationsmethode unrealistisch maximale Leistungen angenommen, so werden 2,5 l/m2 Tag erhalten.
Unterstellt man sechs Sonnenstunden pro Tag, so ist die Leistung der "green houses" maximal 2,5 l/m2h # 0,4 l/m2h. Daraus ergeben sich für 2 die Destillationsmethode aus 50m Solarkollektorfläche maximal 20 l/h.
Unter Annahme ungünstigster Bedingungen bezüglich dem Gesamtwirkungsgrad von Turbine, Generator und Pumpe von ca. 12% werden aus 50m2 Kollektorfläche ca. 2 kWh elektrische Energie pro Stunde erhalten.
3 Zur Herstellung von im Nutzwasser aus Brackwasser mit ca. 1% Salzgehalt werden 4 kWh elektrische Energie benötigt.
Das heißt, eine nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitende Anlage kann mit der gleichen Kollektorfläche von 50m2 unter gleichen Bedingungen 500 1 Nutzwasser pro Stunde liefern.

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zur Gewinnung von Trink- oder Nutzwasser aus Salz-, Brack- oder Schmutzwasser unter Ausnutzung von Wärmeenergie, insbesondere Sonnenenergie, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmeenergie direkt oder über einen Wärmetauscher eine Flüssigkeit mit einer Verdampfungswärme von weniger als 0,5 kWh/kg bezogen auf eine Atmosphäre Druck verdampft und mit diesem Dampf ein Energiewandler (4) angetrieben wird, der entweder direkt den Betriebsdruck für das Speisewasser einer Anlage zur Wasserreinigung durch an sich bekannte umgekehrte Osmose erzeugt oder über einen Elektrogenerator (9) die fur den Betrieb einer Anlage für umgekehrte Osmose oder einer Elektrodialyse-Apparatur (12) oder den zeitweiligen Betrieb anderer parasitärer Anlagen notwendige Energie erzeugt.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeenergie die auf einem Solarkollektor (1) eingestrahlte und darin an eine Flüssigkeit (z.B. Wasser) abgegebene Solarenergie verwandt wird.

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Rohwasser (RW) als Kühlmedium im Kondensator (6) verwandt wird.

4. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den primären Wärmekreislauf ein Wärmespeicher (17) eingebaut ist, der alternativ zum Energiewandler (4) oder parallel zu ihm von dem die Wärmeenergie transportierenden Medium aufgeheizt wird und alternativ zur primären Wärmequelle die Wärmeenergie für den Energiewandler (4) liefert.

5. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (17) alternativ zur Aufheizung durch den die Wärmeenergie transportierenden Dampf durch Verbrennen fossiler oder landesüblicher Brennstoffe aufgeheizt wird.

6. Anlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein parasitärer Anlagen die erzeugte elektrische Energie durch eine nach vorgebbarem Programm arbeitende elektronische Automatik dem einen oder anderen Verwendungszweck vorzugsweise zur Verfugung gestellt wird.

L e e r s e i t e