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Vorrichtung zur Erzeugung eines Kondensats
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kondensats
aus einem zu reinigenden, verdampfbaren Substrat, insbesondere zur Herstellung von
Trinkwasser aus Meer- bzw. Schmutzwasser, mit einem mit dem Substrat beaufschlagbaren,
zumindest teilweise evakuierbaren, mit einer Heizeinrichtung versehenen Verdampfer
und einem über einen Verbindungskanal mit dem Verdampfer kommunizierenden, an einen
Samuielbehälter anschließbaren Kondensator.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-PS 35 58 436 bekannt. Bei
dieser bekannten Vorrichtung werden der Verdampfer und der Kondensator gleichmäßig
evakuiert.
Die Verdampfung und die Kondensation müssen dementsprechend auf gleichem Druckniveau
stattfinden was sich ungünstig auf den Prozeßablauf und damit den Ausstoß auswirkt.
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Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnungen eine Vorrichtung eingangs
erwähnter Art zu schaffen, die eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist und dennoch
einfach aufgebaut ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemö# dadurch gelöst, daß die
Heizeinrichtung des Verdampfers mittels einer über eine Kondensatpumpe und eine
Energieeins#eisungseinrich tung führenden Ringleitung mit dem Kondensator verbunden
und mit aus dem Kondensator abpumpbarcn Kondensat beaufschlagbar ist, und daß am
Eintritt des Verbindungskanals in den Kondensator eine Damrfpumi#e angcordne-t ist,
die mit aus der Xingleitung in den Kondensator austreten dem Kondensat betreibbar
ist.
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Die hier vorgesehene Dampfpumpe ermöglicht in vorteilhafter Weise
eine Druckbeaufschlagung des Kondensators und eine zumindest teilweise Evakuierung
des Verdampfers.
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Die Verdampfung kann hierbei demnach auf wesentlich niedrigerem Druckniveau
stattfinden als die Kondensation, was einen hohen Dampf und Kondensatanfall ergibt
und damit einen hohen Nassedurchsatz. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß die Verdampfung
auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau stattfinden kann, was die Nutzung
sogenannter alternativer Energien ermöglicht, ohne daß sich dies negativ auf den
erzielbaren Ausstoß auswirkt. Da die Dampfpumpe mit Kondensat betrieben wird, das
gleichzeitig zur Beheizung des Verdampfer verwendet
wird, ergibt
sich ein besonders einfacher Aufbau, ohne daß Kondensat verloren geht, da dieses
in den Kondensat tor zurückfließt. Dabei wird in vorteilhafter Weise eine intensive
Vermischung des in den Kondensator einströmenden Dampfes mit dem zurückfließenden
Kondensat erreicht, wodurch die Kondensation des Dampfes beschleunigt wird, ohne
daß im Kondensator ein Kühlregister etc. erforderlich wäre. Gleichzeitig ergibt
sich hierbei ein sehr schneller, intensiver und praktisch verlustfreier Wärmeaustausch
zwischen dem kondensierenden Dampf und dem hiermit in Verbindung kommenden Kondensat.
Die im Kondensator frei weddende Kondensationswärme wird von dem vorher im Verdampfer
abgekühlten Kondensat praktisch vollständig aufgenommen und anschließend wieder
auf dem Verdampfer übertragen, der hiermit beheizt wird. Es ergibt sich daher in
vorteilhafter Weise eine abgesehen von System- und Entnahmeverlusten ausgeglichene
Energiebilanz, so daß im Bereich der von der Ringleitung durchfahrenen Energieeinspeisungseinrichtung
lediglich Verluste. ausgeglichen werden müssen. Das mit Hilfe der Ringleitung aus
dem Kondensator entnommene und in den Kondensator zurückgeführte Kondensat dient
hierbei demnach sowohl als Wärmeträger zur Beheizung des Verdampfers als auch als
Druckträger zum Antrieb der Dampfpumpe.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der übergeordneten
Maßnahmen kann die Dampfpumpe als Strahlpumpe ausgebildet sein. Diese Ausführung
ergibt eine besonders einfache und praktisch verschleißfreie Bauweise ohne bejegliche
Teile. Gleichzeitig wird hierbei eine besonders gute Durchmischung von Dampf und
Kondensat erreicht.
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-In vorteilhafter Weiterbildung dieses Gedankens kann im bereich der
kondensatorseitigen Mündung des Verbindungs-
kanals eine Einschnürung
vorgesehen sein, im Bereich der die in den Verbindungskanal eingeführte Ringleitung
endet, die an ihrem Ende mit einer Düse versehen ist. Diese Maßnahmen ermöglichen
die Erzielung eines besonders hohen Druckgefälks, Zweckmäßig kann dabei die Düse
als einen Sprühkegel erzeugende Dralldüse ausgebildet sein. Die Strahlen des Sprühkegels
schneiden hierbei praktisch den Strö mungsquerschnitt des Dampfes, was eine intensive
Vermischung von Dampf und Kondensat und damit eine sehr schnelle Kondensation ergibt
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann
die Dampfpumpe als mit mindestens einem Verdichterrad versehener Verdichter ausgebildet
sein, der mittels einer Wasserturbine mit mindestens einem Turbinenrad antreibbar
ist, das mit tels der Ringleitung mit Kondensat beaufschlagbar ist.
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Diese Ausführung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzielung eines
besonders großen Druckunterschieds zwischen Verdampfer und Kondensator, was sich
positiv auf den Ausstoß auswirkt. In vielen Fällen läßt sich dabei bereits eine
solche Evakuierung des Verdampfers erreichen, daß eine anderweitige Evakuiereinrichtung
nicht mehr erforderlich ist, was sich positiv auf den baulichen Aufwand auswirkt.
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Zweckmäßig können dabei der Verdichter und die zugeordn nete Turbine
eine gemeinsame Welle aufweisen--. Hierdurch ergibt sich praktisch eine Zusammenfassung
von Verdichter und turbine zu einem kompakten Baueinheit; In vorteilhafter Weise
kann die Wassorturbine zuminm
dest ein im Bereich der zum Kondensator
hin offenen Druckseite des Verdichters angeordnetes Peltonrad aufweisen, auf das
mindestens eine im Bereich des Endes der Ringleitung angeordnete Strahldüse gerichtet
ist. Diese Maßnahmen ermöglichen eine hohe Verdichterleistung und ergeben gleichzeitig
eine gute Durchmischung von Dampf und Kondensat.
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Zur Erzielung einer mehrstufigen und damit besonders hohen Verdichtung
kann der Verdichter mehrere, hintereinander angeordnete Verdichterräder und zwischen
diesen angeordnete Umlenkbleche aufweisen.
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Die Lager der Verdichter-Turbinenwelle können zweckmäßig als wassergeschmierte
Gleitlager ausgebildet sein.
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Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise eine automatische Lagerschmierung
durch den vorbeiströmenden Dampf und das vorbeiströmende Kondensat. Hierzu kann
einfach die Abdichtung der Lager entfallen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen,
daß hierbei keinerlei Verschmutzungsgefahr durch ein Schmiermittel besteht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zu bevorzugende Fortbildungen
der übergeordneten Maßnahmen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den restlichen Jnteranspr'üchen.
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In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Heerwasserentsalzungsanlage,
Figur 2 ein Beispiel für eine als
Strahlpumpe ausgebildete Dampfpumpe und Figur 3 ein Beispiel für eine als Verdichter
mit auge ordneter Wasserturbine ausgebildete Dampfpumpe Die in Figur 1 dargestellte
Meerwasserentsalzungsanlage besteht aus einem Verdampfer 1 und einem Kondensator
2, der durch einen Verbindungskanal 3 mit dem Verdampfer 1 so verbunden ist, daß
der im Verdampfer 1 entstehende Dampf in den Kondensator 2 überführt werden kann.
Der-Ein- bzw. Ausgang des Verbindungskanals 1 befindet sich dementsprechend im Bereich
der oberen Deckelwandung des Verdampfers 1 bzw. Kondensators 2, die jeweils einen
unteren, eine Flüssigkeit aufnehmenden und einen oberen, den Dampf aufnehmenden
Bereich aufweisen, wie durch den Wasserspiegel 4 bzw 5 angedeutet ist. Das im unteren
Bereich des Kondensators 2 sich sammelnde Kondensat kann durch einen Ablaßstutzen
6 in einen Auffangbehcr ter 7 abgelassen werden. Zur ErmöglichunG einer Ent,asung
beim Anfahren der Anlage ist der Kondensator 2 mit einer Entlüftungseinrichtung
8 versehen.
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Im Verdampfer 1 wird ein niedrigeres Druckniveau eingestellt als in
dem durch den Verbindungskanal hiermit verbundenen Kondensator 2. Der Druckunterschied
wird dabei so gewählt, daß die Verdampfung im Verdampfer 1 unter Unterdruck und
die Kondensation im Kondensator 2 unter Überdruck stattfindet, was einen hohen Masse
durchsatz gewährleistet, Hierzu ist am kondensatorseitigen Ende des Verbindungskanals
3 eine Dampfpumpe 9 vorgesehen, die den Dampf aus dem Verdampfer 1 absaugt und in
den Kondensator 2 hineindrückt. Die Dampfpumpe 9
wird mit Kondensat
betrieben, das mittels einer Kondensatpumpe 10 aus dem Kondensator 2 abgesaugt und
über eine Ringleitung 11 der im Bereich der Einmündung des Verbindungskanals 3 in
den Kondensator 2 angeordneten Dampfpumpe 9 zugeführt wird. Die Ringleitung 11 führt
über eine im Verdampfer 1 angeordnete, etwa als Heizschlange oder Heizregister ausgebildete
Heizeinrichtung 12. Hierbei wird dem die Ringleitung 11 durchströmenden Kondensat
Warme entzogen und an das im Verdampfer 1 -sich befindende, zu verdampfende Substrat,
hier in Form von Meerwasser, übertragen. In Serie zur Kondensatpumpe 10 ist eine
als in die Ringleitung 11 einbezogener Wärmetauscher ausgebildete Energieeinspeisungseinrichtung
13 vorgesehen. Diese dient zum Ausgleich von Wärmeverlusten des Systems sowie zum
Ausgleich von Entnahmeverlusten, d. h. von Wärmeverlusten, die dem Wärmeinhalt des
in den Auffangbehälter 7 abgelassenen Kondensats entsprechen. Die Wärmeverluste
des Systems werden zweckmäßig durch Isolation möglichst aller Wärmeabgabeflächen
so klein wie möglich gehalten. infolge der Druckabsenkung im Verdampfer 1 findet
die Verdampfung bereits bei vergleichsweise niedriger Temperatur statt.
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Der die Energieeinspeisungseinrichtung 13 bildende Wärmetauscher kann
daher in vorteilhafter Weise unter Ausnutzung sogenannter alternativer Energieträger
betrieben werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll der die Energieeinspeisungseinrichtung
13 bildende Wärmetauscher mittels eines Kreislaufs mit einem Sonnenkollektor 14
oder einer Wärmepumpe oder dergleichen verbunden sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wie die vorstehenden
Ausführungen erkennen lassen, eine zweifache Nutzung des die Ringleitung durchströmenden
ELonacnsats,
nämlich einerseits als Wärmeträger zur ieheizung des Verdampfers 1 und andererseits
als Druckträger zum Betreiben der Dampfpumpe 9. Zur Erzielung eines guten tiärmeübergangi,
im Bereich der Heizeinrichtung 12 wird eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kondensats
in der Ringleitung II vorgesehen. Dies wirkt sich jedoch nicht nachteilig aus, da
der Betrieb der Dampfpumpe 9 mit Kondenkt ohnehin eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
verlangt.
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Um. sicherzustellen, daß stets ausreichend Kondensat zur Beaufschlagung
der Ringleitung 11 zur Verfügung steht, ist im Bereich des Kondensators 2 ein Niveauregler
15 vorgesehen, mittels dessen ein im Bereich des Ablaßstutzens e angeordnetes hbsperrorgan
16 steuerbar ist. Beim Anfahren der Anlage wird der Kondensator 2 bis auf das durch
den Niveauregler 15 vorgegebene Niveau mit Frischwasser bzw.
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Kondensat geftillt. Die Anfahrwärme wird ebenfalls durch die ergieeispeisungseinrlchtung
13 eingespeist.
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Der Verdampfer 1 wird mittels einer Versorgungspumpe 17 im Durchlaufbetrieb
mit Salzwasser beaufschlagt. Hierdurch ist sichergestellt, daß trotz der im Verdampfer
1 stattfindenden Verdampfung die Salzkonzentration praktisch konstant bleibt. Um
trotz des Durchlaufbotriebs eine lange Verweilzeit des Salzwassers im Verdampfer
1 zu gewänrleisten, ist das verdampferseitige Ende der durch die Versorgungspumpe
1 beaufschlagten Versorgungsleitung 18 im Bereich des Verdampferbodens angeordnet.
Der Einlaufquerschn der Rücklaufleitung 19 befindet sich dagegen auf der Höhe des
gewünschten Salzwasserspiegels. Die Entsalzungsanlage wird zweckmäßig in der Nähe
einer Neeresküste instaliert, so daß das benötigte Salzwasser einfach dem Meer entnommen
bzw. wieder ins Meer zurückgeleitet werden kann. Das dem Verdampfer 1 zuströmende
Salzwasser wird mittels des aus dem Verdampfer 1 abflieeenaen Salzwassers vorgewärmt.
Hier ist ein einerseits an die Versorgungsleitung 13 und anderer~ seits an die Rücklaufleitung
19 angeschlossener Wärmetausck 20 vorgesehen. Zur wei-
teren Vorwärmung
des. dem Verdampfer 1 zugeführten Salzwassers kann die Versorgungsleitung 21 an
einen weite-.
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ren Wärmetauscher 21 angeschlossen sein, an den andererseits die mit
Hilfe der Kondensatpumpe 10 mit Kondensat beaufschlagte Ringleitung 11 angeschlossen
ist.
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Der Wärmetauscher 21 ist dabei stromabwärts von der direkt im Kondensator
2 angeordneten Heizeinrichtung 12 angeordnet.
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Zur Erzielung eines besonders hohen Unterdrucks im Verdampfer 1 kann
diesem zusätzlich zur Dampfpumpe 9 eine Evakuiereinrichtung 22 zugeordnet sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierzu zwei etwas höher als die vom Umgebungsluftdruck
erzeugbare Wassersäule oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels, hier des Meeresspiegels
23, angeordnete Behälter 24 vorgesehen, die über absperrbare Stichleitungen 25 mit
dem oberen Bereich des Verdampfers 1 verbunden sind. Die Behälter 24 sind über absperrbare,
von der Versorgungapumpe 17 beaufschlagbare aJersorgungslFitungen 26 mit Salzwasser
beaufschlagbar und über in den Flüssigkeitsspiegel, hier den Meeresspiegel 23 eintauchende
Falleitungen 27 entleerbar. Zur Erzeugung eines Vakuums werden die Behälter 24 mit
Salzwasser gefüllt, wobei über als Rückschlagventile ausgebildete Entlüftungseinrichtungen
28 eine Entlüftung möglich ist. Die Stichleitungen 25 und die Falleitungen 27 sind
dabei abgesperrt.
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Beim Öffnen der Falleitungen 27 sinkt die Wassersäule infolge der
Hochlage der Behälter 24 nach unten, wobei infolge des Eintauchens der Falleitungen
27 in den Meeresspiegel 23 eine Belüftung unterbleibt und somit ein Vakuum entsteht.
Dieses wird durch Schließen der Falleitungen 27 eingefangen und schlägt beim Öffnen
der
Stichleitungen 25 in der Weise auf den Kondensator 1 durch, daß der im Kondensator
1 vorhandene Unterdriol verstärkt wird. Die im dar£;eatellten Ausführungsbeispiel
vorgesehene Doppelanordnung der Behälter 24 ermöglicht eine wechselweise Befüllung
und Entleerung und damit praktisch eine kontinuierliche Betriebsweise. In vielen
Fällen genügt jedoch bereits ein Behälter 24, da die Evakuiereinrichtung 22 hier
praktisch lediglich zur Unterstützung der Dampfpumpe 9 dient, was insbesondere beim
Anfahren der erfindungsgemäßen Entsalzungsanlage erforderlich ist.
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In Figur 1 ist die Dampfpumpe 9 als Strahlpumpe angedeutet. Hierzu
ist die Ringleitung 11 in den Verbindungskanal 3 zwischen Verdamper 1 und Kondensator
2 eingeführt und so angeordnet, daß ihr mündungaseitiger Endquerschnitt 29 im Bereich
der kondensatorseitigen Mündung des Verbindungskanals 3 liegt Im Bereich der kondensatorseitigen
Mündung des Verbindungskanals 3 ist dabei eine den Endquerschnitt 28 der Ringleitung
1 aufnehmende Sinschnürung 30 vorgesehen. Die Einschnü rung 30 ist in der Praxis,
wie Figur 2 zeigt, als Doppel kegel ausgebildet, in den die Ringleitung 11 hineinra£-t,
die an ihrem Ende zur Erzeugung eines sauberen Strahls mit einer Sprühdüse 31 bestückt
ist. Die Sprühdüse 31 ist hier als Dralldüse ausgebildet, die einen Sprühkegel 32
erzeugt. Der Sprühkegel 32 sorgt dabei für eine Verengung des durch die Einschnürung
31 ohnehin bereits verengten Strömungsquerschnitts des Dampfes, wodurch der Dampf
eine starke Beschleunigung erSilrt und damit wirkungsvoll angesaugt wird. Gleichzeitig
wird hierbei erreicht, daß der Dampf beim Austritt aus dem Verbindungskanal 3 eine
intensive Nischung mit dem aus der Ringleitung 11 austretenden Kondensat erfährt,
wodurch
eine aRneRe Kondensation des Dampfes und eine zuverlässige und praktisch verlustfreie
Wärmeübertragung auf das Kondensat stattfindet. Der Kegelwinkel des Sprühkegels
32 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel etwas größer als der Kegelwinkel des
die Einschnürung 30 bildenden Doppelkegels, so daß der Dampf praktisch den Sprühkegel
durchsetzen muß, was eine besonders intensive Vermischung ergibt.
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Bei dem der Figur 3 zugrunde liegenden Ausfürrungsbeispiel ist die
Dampfpumpe 9a als am kondensatorseitigen Ende des Verbindungskanals 3 angeordneter
Hoationsolbenverdichter ausgebildet. Dieser wird mittels einer Wasserturbine 33
angetrieben, die durch die Ringleitung 11 mit Kondensat beaufschlagbar ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der die Dampfpumpe 9a bildende
Verdichter und die diesem zugeonunetc ITasserturbine 33 zu einer Baueinheit zusammen#;efaßt,
die eine durchgehende Welle 34 aufweist, auf der mindestens ein Verdichterrad 35
und ein Turbinenrad 36 angeordnet sind Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Verdichter zweistufig ausgebildet. Dementsprechend sind auf der Welle 34 zwei
hintereinander angeordnete Verdichterräder 35 aufgenommen, deren Abstand durch Umlenkschaufeln
37 überbrückt ist. Das Turbinenrad 36 ist hier als Peltonrad ausgebildet, auf das
hier eine durch die Ringleitung 11 gespeiste Strahldüse 38 gerichtet ist.
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Das Peltonrad befindet sich im Bereich der zum Innenraum des Kondensators
2 hin offenen Druckseite des Kompressors, was eine gute Vermischung des aus dem
Kompressor austretenden Dampfes mit dem vom Turbinenrad 36 abprallenden Kondensat
gewährleistet.
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Die den die Dampfpumpe 9 a bildenden Kompressor und die zugeordnete
Turbine 33 enthaltende Baueinheit 39 ist mit stehend angeordneter Welle 34 so auf
den Kondensator 2 aufgesetzt, daß ihr äußeres Gehäuse die kondensatorseitige Einlaßausnehmung
40 umfaßt. Der gegenüberliegende Deckel der Baueinheit 39 ist mit einer Einströmausnehmung
41 versehen, die vom angeflanschten Verbindungskanal 3 umfaßt wird Die stehende
Welle 34 kann dabei einfach an im Bereich der Einlaßöffnungen 40 bzw. 41 angeordneten
Stegen 42, 43 gelagert sein. Die Lager können dabei als einfache, wassergeschmierte
Gleitlager ausgebildet sein. Sofern die Schmierung durch den vorbeiströmenden Dampf
bzw das vorbeifließende Wasser nicht ausreichen sollte, können diesen. Lagern mittels
der Ringleitung 11 beaufachlagbare Schmierleitungen zugeordnet sein. In folge der
Waaserschmierung unterbleibt jede Art von Verschmutzung des gewonnenen Kondensats,
ohne daß eine komplizierte Abdichtung erforderlich wäre. Das Gehäuse der Baueinheit
39 ist hier als geschlossener Kasten ausgebildet, aus dem kein Dampf entweichen
kann Es würde aber auch genügen, wenn das Gehäuse der kondensatorseitigen Kompressorstufe
die unterhalb hiervon angeordnete Turbine 33 umgriffe und dicht auf dem Rand der
Einlaßausnehmung 40 aufsetzte, so daß kein Dampf entweichen kann0 In einer einfachen
Ausführung könnte der Verdampfer 1 selbst mit einer von einer bodenseitigen Wandung
abgeehenden Falleitung 27 versehen sein. Zur Erhöhung des Vakuums müßte dabei lediglich
lich ein Teil der Füllung des Verdampfers 1 abgelassen werden.