DE2920212C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von hochreinem Wasser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anlage ist in der DE-OS 26 00 398 beschrieben. Dabei gelangt vorgereinigtes, angewärmtes Rohwasser zunächst in den Bodenraum eines Verdampfers. Die Verdampfung erfolgt in einem Brüdenraum oberhalb des Verdampfers. Über einen Zyklon gelangt der Dampf in einen über dem Brüdenraum angeordneten Kondensator. Verdampfer und Kondensator sind zwei eigene Bau­ teile, die durch die Anordnung übereinander eine große Bau­ höhe bedingen. Dies ist aber für Anlagen geringer Leistung, die beispielsweise als transportable Einheiten dienen sollen, von Nachteil. Außerdem ist der Herstellungsaufwand für eine Einheit kleiner Leistung praktisch der gleiche wie der für eine Einheit großer Leistung, da zwar die einzelnen Bauteile kleiner ausgeführt werden können, die Fertigung jedoch die gleiche Zeit erfordert. Ähnliches gilt für die dort beschriebene Variante, bei der der Verdampfer haubenförmig vom Kondensator umgeben ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine funk­ tionssichere Vorrichtung zum Herstellen von hochreinem Wasser zu entwickeln, die kostengünstig hergestellt werden kann und ein kleines Volumen besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Herstellen von hochreinem Wasser der genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß bilden Verdampfer und Kondensator nicht zwei einzelne Bauteile, die getrennt voneinander gefertigt werden müssen. Vielmehr sind Verdampfer und Kondensator funktionell getrennte Teile einer einzigen Baueinheit, nämlich einer Wärmetauschereinheit. Daher ist im Vergleich zu bekannten Anlagen die Bauhöhe einer erfindungsgemäßen Anlage bei sonst gleichen Abmessungen wenigstens um die Höhe eines Ver­ dampfers bzw. eines Kondensators geringer. Geschah bisher die Verdampfung des Rohwassers sowie die Kondensation des Kreislaufmittels, mit dem die den Verdampfer und den Kondensator verbindende Wärmepumpe betrieben wird, in einer Einheit, die Kondensation des Dampfes sowie die Verdampfung des Kreislaufmittels dagegen in einer anderen Einheit, so erfolgen diese Vorgänge nunmehr in einer Wärmetauschereinheit, nämlich in einem Plattenwärmetauscher oder einem Wellflächenwärme­ tauscher, die sich in ihrer großen Heizflächendichte und der guten Wärmeübergangszahl wegen besonders eignen. Dabei sind die Strömungsquerschnitte des Wärmetauschers miteinander so ver­ bunden, daß durch einen Spaltraum weder Rohwasser noch Wärme­ pumpenkreislaufmittel strömt. Durch diesen Spaltraum sowie eine Platte wird die Wärmetauschereinheit in die beiden verfahrenstechnischen Einheiten Verdampfer und Kondensator getrennt. Da diese Trennung in voneinander wärmeisolierte Teile durch einfache bauliche Maßnahmen erfolgen kann, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die sich insbesondere für den Bau von Anlagen geringer Leistung eignet, kostengünstig herzustellen. Diese Tatsache ist nicht allein darauf zurück­ zuführen, daß der Bau eines Wärmetauschers billiger ist, als der von zwei entsprechend kleineren Wärmetauschern. Viel­ mehr kann von einem Hersteller, der auch Einheiten großer Leistungen herstellt, eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Behälter mit dem gleichen Durchmesser wie für eine Ein­ heit größerer Leistung eingebaut und die vorgeschlagene Wärmetauschereinheit aus der gleichen Blechabmessung und mit den gleichen Prägewerkzeugen hergestellt werden, die auch beim Bau der größeren Einheit verwendet werden. Auf diese Weise werden Lagerhaltung und Lieferzeit positiv beeinflußt.

Da nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung der beschriebene Spaltraum einerseits über eine untere Öffnung mit einem Bodenraum des Verdampfers und andererseits über eine im Vergleich zur unteren Öffnung größere obere Öffnung mit einem an den Verdampfer anschließenden Brüden­ raum in Verbindung steht, ist gewährleistet, daß sich die beiden Einheiten wärmetechnisch nicht beeinflussen und daß der Spalt druckentlastet ist und sich nach dem Betrieb der Anlage entleeren kann.

Zur Rückführung des im Verdampfer erzeugten und im Zyklon gereinigten Dampfes zum Kondensator hat es sich aus strömungstechnischen und wärmetechnischen Gründen als günstig erwiesen, wenn sich in Strömungsrichtung des zu reinigenden Wassers an den Zyklon ein Kopfraum anschließt, der inner­ halb des Behälters durch einen Schacht mit einem Strömungs­ querschnitt des Kondensators verbunden ist. Bei dieser Dampf­ führung ist nur ein geringfügiger Druckabfall ohne einen Wär­ meverlust an die Umgebung in Kauf zu nehmen.

Aus den gleichen Gründen ist es vorteilhaft, das kondensierte Wärmepumpen-Kreislaufmittel innerhalb des Behälters zum Ver­ dampfer der Wärmepumpe zurückzuführen. Dazu sind die vom Wärmepumpenkreislaufmittel durchflossenen Strömungsquerschnit­ te des Verdampfers und Kondensators über eine innerhalb des Behälters angeordnete Leitung mit einstellbarem Entspannungs­ ventil verbunden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, diese Leitung außerhalb des Behälters zu verlegen.

Es ist günstig, wenn der mit dem Kopfraum verbundene Strö­ mungsquerschnitt des Kondensators mit einem Strömungsquer­ schnitt eines Koaxialrohres verbunden ist, während der Bo­ denraum des Verdampfers an dessen anderen Strömungsquerschnitt angeschlossen ist. Auf diese Weise kann heißes Produktwasser, das im Gegenstrom zu anzuwärmenden Rohwasser durch das Ko­ axialrohr strömt, abgekühlt werden. Das Koaxialrohr kann zentrisch um den Behälter angeordnet sein, wobei das Ende des Koaxialrohres, an dem kaltes Rohwasser in dieses ein­ tritt, vorteilhafterweise in den Bereich der Standzarge des Behälters gelegt wird. Diese Anordnung ist besonders raum­ sparend und hat den Vorzug, daß der Behälter und das Ko­ axialrohr, die vorteilhafterweise beide gegen Wärmeverluste isoliert sind, von einer gemeinsamen Isolierschicht umgeben werden können. Alternativ kann das Koaxialrohr innerhalb der Standzarge unter dem Behälter angeordnet werden.

Dienten Anlagen der geschilderten Art bisher zur Erzeugung von hochreinem Wasser aus Süßwasser für den Einsatz in der Pharmazie oder Elektronik, so eignen sich Anlagen der vorgeschlagenen Art auch besonders zur Entsalzung von Meer­ wasser. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine geringe Bauhöhe besitzt, können daher Anlagen geringer Leistung zur Meerwasserentsalzung mit Vorteil z. B. für Großbaustellen, entlegene Hotels oder in Katastrophengebieten oder Militär­ lagern eingesetzt werden, da die neue Bauweise die Möglich­ keit bietet, die Gesamtlage in einem transportablen Container unterbringen zu können.

In einer energiesparenden Variante einer erfindungsgemäßen Anlage wird die Abwärme des Wärmepumpen-Verdichters zur Vorwärmung und/oder Verdampfung des Rohwassers genutzt.

Anhand einer schematischen Skizze soll ein Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben und erläutert werden.

In einem von Isoliermaterial 12 umgebenen, geschlossenen und im wesentlichen zylinderförmigen Behälter 20 ist etwa in der Mitte eine Wärmetauschereinheit 1, 3 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel ein Wellflächenwärmetauscher sein soll.

Durch einen Spaltraum 14 sowie eine Platte 13 wird der Wärmetauscher in zwei Teile geteilt. Der eine Teil ent­ hält einen Rohrraum 1 a und einen Spaltraum 1 b, während der zweite Teil einen Rohrraum 3 a und einen Spaltraum 3 b enthält. Platte 13 ist über Bleche 27, 28 an die Innen­ wand des Behälters 20 angeschweißt, so daß sich oberhalb der Teile 3 a, 3 b ein Abscheideraum 24 und unterhalb die­ ser Teile ein Bodenraum 25 bilden.

Der Spaltraum 1 b des einen Teils ist über ein Entspannungs­ ventil 5, das mit einer Einstellvorrichtung 6 reguliert werden kann, eine Leitung 4, den Bodenraum 25 für flüssiges Wärmepumpen-Kreislaufmittel mit dem Rohrraum 3 a des zweiten Teils verbunden. Spaltraum 1 b und Rohrraum 3 a bilden den Kondensator bzw. den Verdampfer eines geschlossenen Wärme­ pumpenkreislaufsystems. In den an den Rohrraum 3 a anschlie­ ßenden Abscheideraum 24 mündet ein Saugstutzen 26, der über eine Leitung 9, einen Verdichter 10, eine weitere Leitung 11 mit dem Spaltraum 1 b in Verbindung steht.

Ein durch Platte 13 und Blech 28 vom Wärmepumpen-Bodenraum 25 abgetrennter Bodenraum 18 unterhalb der Wärmetauscherein­ heit steht einerseits mit dem Rohrraum 1 a des einen Wärme­ tauscherteils 1 und andererseits mit einem Strömungsquer­ schnitt 8 a eines den Behälter 20 konzentrisch umgebenden alter­ nativ innerhalb der Standzarge unter dem Behälter angeordne­ ten Koaxialrohrwärmetauschers 7 in Verbindung. Außerdem kann im Bodenraum 18 eine Zusatzheizung 17, z. B. eine elektri­ sche Widerstandsheizung, angeordnet sein. Oberhalb der Wärme­ tauschereinheit 1, 3 schließt sich, neben dem Abscheideraum 24, ein Brüdenraum 23 an, in den ein Zyklon 2 hineinragt. Der Zyklon 2 ist an einer Platte 29 außermittig befestigt, die den Brüdenraum 23 nach oben begrenzt und gegen einen Kopfraum 30 abtrennt. An den Zyklonfluß schließt sich eine Leitung 15 mit einem Ventil 16 an. Neben einem Stutzen 31 des Zyklons mündet außerdem ein den Brüdenraum 23 durchset­ zender Schacht 19, der mit dem Spaltraum 3 b des zweiten Teils 3 der Wärmetauschereinheit in Verbindung steht, in den Kopfraum 30.

Im Betrieb wird zu destillierendes oder zu entsalzendes Wasser über die Leitung 8 a des Koaxialrohrwärmetauschers 7 in den Bodenraum 18 geleitet. Das Rohwasser wird im Wärme­ tausch mit gereinigtem Wasser, das über eine Leitung 8 b des Wärmetauschers 7 aus der Anlage abgezogen wird, nach Möglichkeit bis zur Siedetemperatur angewärmt. Die Tempera­ tur des Rohwassers im Bodenraum 18 kann gegebenenfalls durch die Zusatzheizung 17 auf den gewünschten Wert gebracht werden. Das so erhitzte Wasser tritt nachfolgend in den Rohr­ raum 1 a ein. In der Skizze ist lediglich ein Rohr des Rohr­ raumes dargestellt. Im Rohrraum 1 a verdampft das erhitzte Wasser im Wärmetausch mit kondensierendem, im Spaltraum 1 b strömenden Kreislaufmittel des weiter unten beschriebenen Wärmepumpenkreislaufsystems und tritt in den Brüdenraum 23 ein. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Brüdenraum 23 und Kopfraum 30 wird der Wasserdampf aus dem Brüdenraum in den Zyklon 2 gesaugt, in dem der Wasserdampf in an sich bekannter Weise durch Fliehkraftwirkung von Schmutzteilchen befreit wird. Dazu tritt der Wasserdampf tangential in das zylindrische Oberteil des Zyklons ein. Dabei setzen sich Verunreinigungen an der Wand ab und fließen mit ebenfalls abgeschiedenen Wassertropfen in das kegelförmige Unterteil des Zyklons, aus dem diese über die Abwasserleitung 15 mit Ventil 16 aus der Anlage abgezogen werden können. Der ge­ reinigte Wasserdampf steigt spiralig im Stutzen 31 des Zyk­ lons 2 empor und gelangt in den Kopfraum 30. Von dort strömt der gereinigte Wasserdampf über den Schacht 19 in den Spaltraum 3 b, in dem der Dampf gegen verdampfendes Wärmepumpenkreis­ laufmittel, das durch den Rohrraum 3 a dieses Teils der Wärme­ tauschereinheit strömt, kondensiert. Das gereinigte Wasser tritt anschließend aus dem Spaltraum 3 b aus und in die Lei­ tung 8 b des Koaxialrohrwärmetauschers 7 ein, in dem das ge­ reinigte Wasser im indirekten Wärmetausch mit Rohwasser abgekühlt wird.

Von dem beschriebenen Reinigungssystem völlig getrennt ist der Wärmepumpenkreislauf, der zur Wärmeübertragung dient. Das Kreislaufmittel durchströmt hierzu den Rohrraum 3 a - in der Skizze ist wiederum nur ein Rohr des Rohrraumes dar­ gestellt - und verdampft in indirektem Wärmekontakt mit kondensierendem, gereinigten Wasserdampf. Das verdampfte Kreislaufmittel gelangt anschließend in den Abscheideraum 24, in dem das Kreislaufmittel von Tropfen befreit wird. Eine besonders effektive Tropfenabscheidung läßt sich in einem möglichst großen Abscheideraum bewerkstelligen. Daher ist es vorteilhaft, den Zyklon 2 im Behälter 20 exzentrisch, d. h. möglichst weit vom Saugstutzen 26 entfernt anzuordnen, da auf diese Weise der Abscheideraum 24 sehr groß gestaltet werden kann. In den Verdichter 10 tritt daher über Leitung 9 nur dampfförmiges Kreislaufmittel ein. Das verdichtete Kreislaufmittel wird nachfolgend über Leitung 11 in den Spaltraum 1 b eingeleitet, in dem es gegen verdampfendes Rohwasser kondensiert, im Entspannungsventil 5 auf Ver­ dampfungsdruck entspannt und über die Leitung 4 in den Bodenraum 25 geleitet.

Die beiden Teile 1 und 3 der Wärmetauscher sind durch die Platte 13 sowie den einzelnen Spaltraum 14 voneinander getrennt. Spaltraum 14 wird weder von Wasser bzw. Wasser­ dampf noch von Kreislaufmittel durchströmt und trennt daher die beiden Teile in verfahrenstechnischer Hinsicht. Zwar steht der Bodenraum 18 mit dem Brüdenraum 23 auch durch den Spaltraum 14 in Verbindung, doch ist die Öffnung 22 im Boden des Spaltraumes 14 gerade so bemessen, daß im Falle einer Stillegung der Anlage Wasser aus dem Spaltraum 14 ausfließen kann, daß aber im Betrieb in den Spaltraum 14 eindringendes Wasser rasch verdampft. Da Dampf ein geringe­ res Wärmeleitvermögen besitzt als Wasser, findet nur ein vergleichsweise geringer Wärmeübergang zwischen den beiden Teilen der Wärmetauschereinheit statt. Im Spaltraum gebil­ deter Dampf kann leicht über die große Öffnung 21 in den Brüdenraum 23 strömen, so daß sich die Wärmetauscherteile 1 und 3 wärmetechnisch nicht beeinflussen und der Spalt 14 druckentlastet ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Herstellen von hochreinem Wasser mit einem innerhalb eines geschlossenen Behälters angeordneten, einen Verdampfer, einen Zyklon und einen Kondensator enthaltenden Reinigungssystem und einer zwischen Verdampfer und Kondensator geschalteten Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ dampfer (1 a) und der Kondensator (3 b) voneinander wärme­ isolierte Teile einer aus einem einzigen Bauteil bestehenden Wärmetauschereinheit (1, 3) sind, die durch einen Wellflächen- oder Plattenwärmetauscher gebildet ist, der durch einen Spalt­ raum (14) und eine Platte (13) in Verdampfer (1 a) und Kondensator (3 b) geteilt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltraum (14) einerseits über eine untere Öffnung (22) mit einem Bodenraum (18) des Verdampfers (1 a) und andererseits über eine im Vergleich zur unteren Öffnung größere obere Öffnung (21) mit einem an den Verdampfer (1 a) anschließenden Brüden­ raum (23) in Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in Strömungsrichtung des zu reinigenden Wassers an den Zyklon (2) ein Kopfraum (30) anschließt, der inner­ halb des Behälters (20) über einen Schacht (19) mit einem Strömungsquerschnitt des Kondensators (3 b) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein zentrisch um den Behälter (20) gewickeltes oder innerhalb einer Standzarge unter dem Behälter angeordnetes Koaxial­ rohr (7), dessen einer Strömungsquerschnitt (8 a) mit dem Bodenraum (18) des Verdampfers (1 a) und dessen anderer Strömungsquerschnitt (8 b) an den mit dem Kopfraum (30) verbundenen Strömungsquerschnitt des Kondensators (3 b) anschließt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vom Wärmepumpenkreislaufmittel durchflossenen Strömungsquerschnitte des Verdampfers (1 a) und Kondensators (3 b) über eine innerhalb des Behälters (20) angeordnete Leitung (4) mit einstellbarem Entspannungs­ ventil (5) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Behälter (20) von Isoliermaterial (12) umgeben ist.

7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Entsalzen von Meerwasser.