-
Verfahren zur Gewinnung von Süßwasser aus Salzwasser.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Süßwasser aus
Salzwasser, wobei ein Trägerluftstrom zur Beladung mit Wasserdampf unter Zufuhr
von lTärlae mit dem Salzwasser in Berührung gebracht und zur Kondensation des Süßwassers
abgekühlt wird.
-
Ein bekanntes Verfahren zur Gewinnung von Süßwasser aus Salzwasser
ist das Multi-Flash-Verfahren, bei dem das Salzwasser im Vakuum mehrstufig verdampft
wird. Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit wird hierbei der Siededruck stufenweise
gesenkt, so daß die Stufen mit dem Brüden-Dampf der vorhergehenden Stufe beheizt
werden können. Nachteilig sind bei diesem Verfahren die mit Rücksicht auf eine mögliche
Verkrustung verhältnispiäßig groß ausgelegten Wärmetauschflächen. Auch läßt sich
das Multi-Flash-Verfahren nur in großen Verbundanlagen wirtschaftlich durchführen,
in denen neben der für die Süßwassergewinnung erforderlichen Heizwärme elektrischer
Strom aus Primärenergie erzeugt wird. Dieser Verbundbetrieb bringt es mit sich,
daß solche Anlagen sehr aufwendig sind und in Gegenden mit geringem Bedarf an elektrischer
Energie, wie z.B.
-
in Entwicklungsländern, nicht einsetzbar sind.
-
Bei einem anderen, bekannten thermischen Verfahren zur Gewinnung|
von Süßwasser aus Salzwasser strömen kalte Luft und kaltes Salzwasser durch einen
Oberflächen-Wärmetauscher zu einem elektrisch heheizten Salzwasserbehälter. Durch
die über den Wärmetauscher und die elektrische Heizung zugeführte Wärme werden Luft
und Salzwasser erhitzt, wobei sich die Luft mit Wasserdampf sättigt, die Luft dient
sozusagen als Träger für den aus Süßwasser bestehenden Wasserdampf Um nun das Süßwasser
zu gewinnen wird der wasserdampfbeladene Luftstrom zur Abkühlung durch die Gegenseite
des Oberflächen-Wärmetauschers geführt, so daß das Süßwasser ausfällt. Die anfallende
Kondensationswärme wird hierbei an die zum Salzwasserbehälter strömen de kalte Luft
und an das kalte Wasser abgegeben.
-
Dieses bekannte Verfahren läßt sich nun zwar auch in kleineren Anlagen
durchführen, um jedoch Versalzungen und/oder Verkrustungen des Oberflächen-Wärmetauschers
und der elektrischen Heizung zu vermeiden oder wenigstens gering zu halten, dürfen
die Oberflächentemperaturen dieser Apparate gegenüber dem aufzuheizenden Medium
nicht sehr groß sein, d.h. ihre Heizflächenbelastungen und damit ihre Heizflächenleistungen
müssen klein gehalten werden. Das bedeutet jedoch eine Vergrößerung der Hei#flächen
und somit eine Steigerung des Bauaufwandes für eine solche Anlage. Außerdem führt
die elektrische Beheizung zu einem hohen, auf die erzeugte Süßwassermenge bezogenen
Energieverbrauch (spezifischer Energieverbrauch).
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß es bei hoher Wirtschaftlichkeit universell
einsetzbar ist und hierbei insbesondere ohne die Gefahr von Verkrustungen oder Versalzungen
von
Anlagenteilelbetrieben werden kann. Darüber hinaus soll insbesondere der spezifische
Energieverbrauch des Verfahrens gesenkt, das Verfahren selbst einfach durchzuführen
und an die betrieblichen Anforderungen leicht anpaßbar sein.
-
Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren darin, daß der Trägerluftstrom
vor der Berührung des Salzwassers entsprechend der für die Wasserdampfbeladung erforderlichen
Wärme aufgeheizt, zur Wasserdampfbeladung mit dem Salzwasser vermengt und zur Kondensation
des in ihm enthaltenen Süßwassers mit einem Kalte luftstrom gemischt wird, wobei
der Trägerluftstrom unter gleichzeitiger Gewinnung des Kaltluftstromes in mindestens
einer 0lTärmepumpe aufgeheizt wird. Es wird also dem Trägerluftstrom vor der Berührung
des Salzwassers die für die Erhitzung und zumindest teilweise Verdampfung bzw. Verdunstung
des Salzwassers erforderliche Wärme zugeführt und dieser aufgeheizte Trägerluftstrom
zur Verdampfung von Salzwasser und zur Wasserdampfaufnahme mit dem Salzwasser vermengt.
Zur Kondensation des Süßwassers wird dem Trägerluftstrogiiälterer Luftstrom, also
ein Kaltluftstrom beigemischt, der die Kondensationswärme aufnimmt und abführt,
so daß das Süßwasser ausfällt.
-
Diese Aufteilung des Verfahrens in getrennte Verfahrensschritte, nämlich
Aufheizen des Trägerluftstromes, Vermengung des Trägerluftstromes mit dem Salzwasser
und schließlich Beimischung eines Kaftluftstr'omes zur Kondensation des Süßwassers,
erlaubt zunächst einmal eine Optimierung dieser einzelnen Verfahrensschritte. Da
die für die Wasserdampfbeladung erforderliche Wärme über aufgeheizte Luft zugeführt
und die Kondensationswärme von abgekühlter Luft aufgenommen wird, besteht keinerlei
Gefahr von Versalzung oder Verkrustung der entsprechenden Wärmetauscher, so daß
lange wartungsfreie Betriebsperioden mit
unverminderter Leistung
zu erreichen sind. Die Aufheizung des Trägerluftstromes und die Gewinnung des Kaltluftstromes
in einer Wärmepumpe verringern den auf die erzeugte Süßwassermenge bezogenen Energieverbrauch
(spezifischen Energieverbrauch) des Verfahrens, so daß seine Wirtschaftlichkeit
erheblich verbessert ist.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, die Wärmepumpe
mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf zu betreiben und die nach Verdichtung
in einer Expansionsturbine entspannte Luft als Kaltluft strom einzusetzen, während
der Trägerluftstrom in mindestens einem, dem Verdichter der Wärmepumpe druckseitig
nachgeschalteten Oberflächen-Wärmetauscher aufgeheizt wird.
-
Die Vermengung des aufgeheizten Trägerluftstromes mit dem Salzwasser
kann z.B. in einem Kaskadenwärmeaustauscher erfolgen doch ist es besonders vorteilhaft,
das Salzwasser mit Düsen zu zerstäuben und mit dem aufgeheizten Trägerluftstrom
zu vermengen. Dies ergibt nämlich eine besonders innige Vermengung von Salzwasser
und aufgeheiztem Trägerluftstrom, somit eine gute Verdampfung des Salzwassers und
eine gesteigerte Wasserdampfbeladung des Trägerluftstromes.
-
Um nun auch die Mischung des Kaltluft- und des beladenen Trägerluftßtromes
auf einfache Weise durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Kaltluft-
und der beladene Trägerluftstrom in einem Strahlapparat gemischt werden, wobei der
als Treibmedium dienende Kaltluftstrom den Trägerluftstrom mittels einer Treibdüse
ansaugt und beide Luftströme zur Mischung über eine Fangdüse geleitet werden.
-
Eine weitere empfehlenswerte Pusgestaltung des Verfahrens besteht
darin, den Trägerluftstrom nach der Vermengung mit dem Salzwasser sowie nach der
Vermischung mit dem Kaltluftstrom durch jeweils mindestens einen Wasserabscheider
zu leiten Als Wasserabscheider wird hierbei in vorteilhafter Weise ein Zyklon-Abscheider
benutzt.
-
Der nach der Vermengung von Salzwasser und Trägerluftstrom eingeschaltete
Zyklon-Abscheider dient infolge der Drallerzeugung einmal zur weiteren Durchmischung
des Salzwassers mit dem Trägerluftstrom, zum anderen wird durch die lange Verweilzeit
im Zyklon-Abscheider eine Wasserdampfbeladung des Trägerluftstromes bis nahe an
das thermische Gleichgewicht erzielt. Darüber hinaus wird im Zyklon-Abscheider das
evtl.
-
noch vom Trägerluftstrom mitgeführte, eingedickte Salzwasser ausgeschieden,
da der Zyklon-Äbscheider als Wirbelsenke wirkt.
-
Der nach der Vermischung des Trägerluftstroms mit dem Kalte luftstrom
eingeschaltete andere Zyklon-Abscheider verbessert infolge der Drallbewegung der
Luftströme ihre Mischung, Durch die lange Verweilzeit der Luftströme im Zyklon-Abscheider
wird das Süßwasser weitgehend kondensiert, so daß das thermische Gleichgewicht fast
erreicht wird. Infolge ihrer unterschiedlichen spezifischen Gewichte Erfolgt im
Zyklon-Abscheider zusätzlich die Trennung von Luft und salzfreiem bzw. salzarmem
Kondensat.
-
Um den Energiebedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens zu senken, wird
das ausgenutzte, abfließende Salzwasser durch einen zweiten Oberflächen-Wärmetauscher
geleitet, durch dessen andere Seite das frische Salzwasser dem Trägerluftstrom zugeführt
wird. Auf diese Weise ergibt sich eine regenerative Vorwärmung des dem Verfahren
zugeführten frischen Salzwassers.
-
Weitere Vorteile des erfindtmgsgemäßen Verfahrens gehen aus seiner
Beschreibung anhand einer für die Durchführunfr des Verfahrens bestimmten Süßwasser-Gewinnungsanlage
im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.
-
beispielsweise Die in der Zeichnung/dargestellte Süßwasser-Gewinnungsanlage
setzt sich zusammen aus den im unteren Bereich der Zeichnung dargestellten Apparaten
zur eigentlichen Süßwassergewinnung und aus der im oberen Bereich der Zeichnung
dargestellten Wärmepumpe zur Aufheizung des Trägerluftstromes und zur Gewinnung
des Kaltluftstromes.
-
Die Wärmepumpe besteht aus einem Verdichter 1, dessen Welle 35 mit
einem Antrieb 32, z.B. in Form eines Elektro- oder Verbrennungsmotors,und einer
Entspannungsturbine 6 gekuppelt ist.
-
Der Verdichter ist saugseitig über die Ansaugleitung 2 mit dem Außenraum
33 verbunden, die Druckseite des Verdichters ist durch die Druckleitung 3 und die
Primärseite des ersten Oberflächen-Wärmetauschers 4 sowie die Leitung 5 an den Eingang
der Entspannungsturbine 6 angeschlossen. Von der Ausgangsseite dieser Turbine führt
die Kaltluftleitung 7 zur Treibdüse 21 des Strahlapparates 23. Die Sekundärseite
des ersten Oberflächen-Wärmetauschers 4 ist eingangsseitig über die Ansaugleitung
10 und den zwischengeschalteten Ventilator 8 33 mit der im Außenraum angeordneten
Ansaugöffnung 9 für die Trägerluft verbunden. Der Austritt der Sekundärseite des
ersten Oberflächen-Wärmetauschers 4 ist über die Leitung 11 mit der Vermengungseinrichtung
16 für aufgeheizte Trägerluft und Salzwasser verbunden.
-
Ist die Wärmepumpe in Betrieb, so wird vom Verdichter 1 Umgebungsluft
mit Ümgebungsdruck und Umgebungstemperatur über die Ansaugleitung 2 aus dem Außenraum
33 angesaugt. Der Verdichter
komprimiert diese Luft auf einen
durch die Auslegung der Anlage vorgegebenen Enddruck. Die durch die Kompression
erwärmte Luft wird über die Druckleitung 3 der Primärseite des ersten Oberflächen#[#rmetauschers
4 zugeführt und abgekühlt. Die abgekühlte Buft fließt dann silber die Leitung 5
zur Entspannungsturbine 6, in der sie bis nahezu auf Umgebungsdruck entspannt wird.
Diese Entspannung bewirkt nun eine Abkühlung der Luft auf Temperaturen, die sogar
unterhalb der Umgebungstemperatur liegen können. Am Austritt der Entspannungsturbine
6 wird diese abgekühlte Luft mittels der Kaltluftleitung 7 entnommen und als Kaltluftstrom
der Treibdüse 21 des Strahlapparates 23 zugeführt. Gleichzeitig wird vom Ventilator
8 über die Ansaugöffnung 9 Außenluft angesaugt und über die Rohrleitung 10 zur Sekundärseite
des ersten Oberflächen-Wärmetauschers 4 geführt. Hier wird diese Luft unter Abkühlung
der vom Verdichter 1 kommenden Luft aufgeheizt und über die Leitung 11 als aufgeheizter
Trägerluftstrom zur Vermengungseinrichtung 16 geführt.
-
Die eigentliche Süßwasser-Verdampfungs- und Kondensationslanze weist
eine Salzwasserpumpe 12 auf, die das Salzwasser von der Entnahmestelle 13 über den
zweiten Oberflächen-Wärmetauscher 36 mittels der Leitung 14 mit zwischengeschaltetem
Regelventil 15 zur Vermengungseinrichtung 16 leitet. Die Vermengungseinrichtung
16 besteht aus einem nach außen-abgeschlossenen mit wenigstens einer Zerstäubungsdüse
versehenen Hohlraum, wobei die Zerstäubungsdüse an die Leitung 14 angeschlossen
ist. Gleichzeitig ist an den Hohlraum die Leitung 11 für die aufgeheizte Trägerluft
angeschlossen, so daß eine innige Berührung von zeztäubtem Salzwasser und aufgeheizter
Trägerluft
gegeben ist. Der Ausgang der Vermengungseinrichtung
ist über die Verbindungsleitung 17 an einen im Querschnitt etwa kreisförmigen ersten
Zyklonabscheider 18 angeschlossen. Das untere, spitz zulauf ende Ende dieses Abscheiders
mündet in die Abflußleitung 19. Von der Abflußpumpe 20 wird das salzangereicherte
Abwass#über den zweiten Oberflächen-Wärmetauscher 36 in den Außenraum 33 abgeführt.
Hierbei wird die im Ablaufwasser enthaltene Wärme weitgehend an das zulauf ende
Salzwasser übertragen.
-
Die obere, domartig ausgebildete Seite des ersten Zyklon-Abscheiders
18 ist über die Leitung 22 mit dem einen Eingang des nach außen geschlossenen Strahlapparates
23 verbunden.
-
Der zweite Eingang dieses Apparates ist als Treibdüse 21 ausgebildet
und an die Kaltluftleitung angeschlossen. Der mit der Treibdüse fluchtende Ausgang
des Strahlapparates ist als Fangdüse 34 ausgebildet und mit der Leitung 24 mit dem
zweiten Zyklon-Abscheider 25 verbunden, der mit dem ersten Zyklon-Abscheider identisch
ausgebildet ist. Der untere, spitz zulaufende Teil des Zyklon-Abscheiders 25 weist
eine Süßwasserleitung 26 auf, die das Süßwasser zu der oder den Verbrauchsstellen
27 leitet. In der Leitung 26 ist ein Temperaturfühler 30 eingebaut, der über eine
Steuerleitung 31 mit dem in der Leitung 14 vorgesehenen Regelventil 15 verbunden
ist. Die obere domartig ausgebildete Seite des zweiten Zyklon-Abscheiders 25 weist
eine Abluftleitung 28 auf, die über den Ausblas 29 in den Außenraum mündet.
-
Während des Betriebes wird von der Salzwasserpumpe 12 Salzwasser angesaugt,
im zweiten Oberflächen-Wärmetauscher 36 erwärmt und über die Leitung 14 mit zwischengeschaltetem
Regelventil 15 zu der oder den
Zerstäubungsdüsen der nach außen
abgeschlossenen Vermengungseinrichtung 16 geführt. Hier vermengt sich das zerstäubte
Salzwasser mit der durch die Leitung 11 zugeführten, aufgeheizten Trägerluft. In
der Vermengungseinrichtung 16, der Leitung 17 und dem Zyklon-Abscheider 18 wird
der Trägerluftstrom mit Wasserdampf beladen. Die hierzu erforderliche Verdunstungs-und/oder
Verdampfungswärme wird von der aufgeheizten Trägerluft eingebracht. Durch die im
Zyklon-Abscheider 18 entstehende Drallbewegung des Gemisches und durch die unterschiedlichen
spezifischen Gewichte der tlischungsanteile wird der wasserdampfbeladene Trägerluftstrom
vom verbleibenden Salzwasser getrennt, wobei der wasserdampfbeladene Trägerluftstrom
über die Leitung 22 und der verbleibende Salzwasserstrom über die Leitung 19 sowie
die Abflußpumpe 20 aus dem Zyklon-Abscheider 18 abgeführt wird. Im zweiten Oberflächen-Wärmetauscher
36 wird hierbei die Abwärme des Abwasserstromes an das dem Außenraum 33 entnommene,
über die Pumpe 12 der S#ßwassergewinnungsanlage zuzuführende Salzwasser übertragen.
-
Das Gemisch aus Trägerluft und aus Süßwasser bestehendem Wasserdampf
wird nun über die Leitung 22 in den Innenraum des nach außen abgeschlossenen Strahlapparates
23 geleitet. Diese Strömung wird unterstützt durch die Einführung der Kaltluft mittels
der saugend wirkenden Treibdüse 21. Im Strahlapparat 23, der Fangdüse 34r der Leitung
24 und im Zyklon-Abscheider 25 erfolgt eine innige Durchmischung des wasserdampfbeladenen
Trägerluftstromes mit der Kaltluft Hierbei kondensiert der Wasserdampf durch Wärmeentzug.
Die freiwerdende Verdampfungswärme wird hierbei von der eingeleiteten Kaltluft aufgenommen.
-
Durch die im zweiten Zyklon-Abscheider 25 entstehende Drallbewegung
und
durch die unterschiedlichen spezifischen Gewichte der Luft und des entstehenden
Kondensates wird Luft und salzfreies Kondensat getrennt. Das salzfreie Kondensat
wird über die Süßwasserleftung 26 abgezogen und den Verbrauchsstellen 27 zugeleitet,
während die Abluft über Leitung 28 abgezogen und in den Außenraum 33 entlassen wird.
-
Der Kompressionsdruck und die Förderleistung des Verdichters 1 sowie
des Ventilators 8, die Austauschflächen der Oberflächen-Wärmetauscher 4, 36, sowie
die Förderleistung der Pumpen sind so bemessen, daß einerseits viel Süßwasser bei
möglichst geringer Antriebsleistung gewonnen wird und andererseits Salzausfall innerhalb
der Anlage und Vereisung im Bereich der unterkühlten bzw. kühlsten Arbeitsluft vermieden
wird.
-
Zur Feinregelung dient das in der Leitung 14 vorgesehene Regelventil
15, das die Menge der eingebrachten Salzwassermenge abhängig von der Temperatur
des aus der Anlage abgeführten Süßwassers regelt. Hierzu ist der Temperaturfühler
30 in der Süßwasserleitung 26 angeordnet, der das Regelventil 15 in Abhängigkeit
von der Temperatur des Süßwassers steuert.
-
Die für den Antrieb der Wärmepumpe erforderliche Leistung ergibt sich
aus dem Leistungsbedarf des Verdichters 1 vermindert um die Leistungsabgabe der
gekuppelten Entspannungsturbine 6 zusätzlich den äußeren Reibungsverlusten. Der
Leistungsbedflrf für die Wärmepumpe ist daher verhältnismäßig gering und entspricht
etwa den gesamten äußeren Verlusten.
-
Der verhältnismäßig geringe spezifische Leistungsbedarf einerseits
und das Fehlen von Wärmeaustauschflächen für die Verdampfung und Kondensation andererseits,
bewirken im Vergleich zu anderen bekannten Verfahren eine wirtschaftlichere thermische
Gewinnung von Süßwasser aus Salzwasser mit geringen Investitions-, Wartungs- und
Betriebskosten.
-
qls Salzwasser im Sinne der anmeldung sollen sämtliche salzhaltigen
Wässer, wie z.B. Meerwasser, Seewasser oder Brakwasser, als Süßwasser salzfreies
Wasser oder Wasser mit nur geringem Salzgehalt verstanden sein.
-
Für die Durchführung des Verfahrens gemaß der Erfindung ist noch zu
beachten, daß die der Vermengungseinrichtung 16 zugeführte Salzwassermenge sowie
der zugeführte Trägerluftstrom bzw. sein Wärmeinhalt so aufeinander abgestimmt sein
müssen, daß bei der Vermengung von Salzwasser mit Trägerluft eine Wasserdampfaufnahme
des Trägerluftstromes erfolgt und daß der dem Strahlapparat 23 zugeführte Kaltluftstrom
bzw. dessen Wärmeinhalt so festgelegt ist, daß mindestens eine teilweise Kondensation
des im Trägerluftstrom enthaltenen Wasserdampfanteils eintritt,
L
e e r s e i t e