DE3618279A1 - Verfahren zur erwaermung und verdampfung bzw. verdunstung einer fluessigkeit mittels sonnenenergie, vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und anwendung des verfahrens bzw. der vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und Ver­ dampfung bzw. Verdunstung einer Flüssigkeit mittels Sonnen­ energie. Die Durchsetzung von Sonnenkollektoren oder ähn­ lichen Konstruktionen scheiterte hier bisher an einem unbe­ friedigendem Preis-Leistungsverhältnis oder an verfahrens­ technischen Unzulänglichkeiten. Herkömmliche Sonnen-Flach­ kollektoren bestehen hauptsächlich aus dem Absorber mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung.

Die Absorber sind üblicherweise schwarz beschichtet und leiten die solar gewonnene Energie an den geführten Wärmeträger, meist Wasser oder Luft. Diese Konstruktionen haben sich besonders für Meer- und Brackwasserentsalzungsanlagen nicht bewährt. Mit flüssigen Wärmeträgern konnte die gewonnene Energie nur unbefriedigend den herkömmlichen Meerwasserentsalzungsanlagen zugeführt werden. Submariner Bewuchs und Korrosionsprobleme gestatten nicht, das Meerwasser direkt durch die Kollektoren und ihre Rohrsysteme zu leiten. Einsetzbare Wärmetauscher (neutraler Wärmeträger auf Meerwasser) waren nicht nur durch hohe Investitionen sondern auch durch Bewuchs und Krusten­ bildung mit schlechten Wirkungsgraden und hohem Wartungs­ aufwand unwirtschaftlich.

Sonnen-Luftkollektoren, welche mittels erwärmter Luft Wasser verdunsten und transportieren, haben sich als unwirtschaft­ lich erwiesen, weil der Energieeinsatz für die Gebläse und der gesamte Investitionsaufwand für die Verdunstungs- und Kondensationsanlagen zu hoch ist.

Darüber hinaus sind noch Verfahren bekannt, welche in einem Kanal geführtes Wasser verdunsten und an der strahlungsdurch­ lässigen Abdeckung kondensieren. Besonders nachteilig ist hier, daß der Kanalgrund als Absorber dient, daher schnell verschmutzen und bewachsen kann und daß die Kondensations­ wärme ausschließlich an die Außenluft abgegeben wird, also verloren ist. Nachteilig wirkte sich auch der große Luftraum zwischen verdunstender Wasserfläche und strahlungsdurch­ lässiger Abdeckung aus. Alle Abwandlungen dieser Konstruktion haben keine deutlichen Verbesserungen gezeigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren die wesentlichen Nachteile der beschriebenen Entwicklungen zu vermeiden. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, welches ohne wesentliche Zufuhr von zusätz­ licher Energie mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit mittels eines saugenden Vlies in Kontakt mit der Unterseite der Absorberfläche eines Sonnenkollektors gebracht wird, daß die Flüssigkeit durch die von der Absorberfläche abgegebene Wärme teilweise verdampft oder verdunstet wird, daß der Dampf durch eigenen Druck zu einer Kühlfläche transportiert und dort kondensiert wird, und daß das Kondensat und die Restflüssigkeit getrennt voneinander abgeführt werden.

Die Flüssigkeit wird erwärmt verdampft teilweise und kondensiert an der Kühlfläche. Aufgrund der Druckerhöhung infolge der Verdampfung gelangt der Dampf ohne weitere Hilfsmittel zur Kühlfläche. Der Dampfstrom kann zusätzlich noch durch ein Gebläse unterstützt werden. Dies ist insbe­ sondere dann von Vorteil, wenn die Kühlfläche weiter ent­ fernt von der Absorberfläche ist.

Mit besonderem Vorteil wird der Flüssigkeitsstrom in dem Vlies ständig aufrechterhalten und gewährleistet, daß stets Restflüssigkeit abgeführt wird. Dadurch ist weitestgehend vermieden, daß sich daß Vlies durch Bewuchs bzw. im Falle von Meerwasser durch Kristallisation bzw. Verkrustung zu­ setzt.

Führt man zusätzlich Flüssigkeit mittels eines saugenden Vlies an die der Kondensationsfläche abgekehrte Oberfläche der Kühlfläche heran, wird die Flüssigkeit mittels der Konden­ sationswärme teilweise verdampft bzw. verdunstet. Da somit die Kondensationswärme ständig für die Verdampfung benötigt und abgeführt wird, kann es zu einer unzulässigen Aufheizung der Kühlfläche nicht kommen. Darüberhinaus kann der Wirkungs­ grad des Verfahrens verbessert werden, da die zugeführte Wärme besser ausgenützt wird.

Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens, die aus einem Sonnenkollektor be­ steht, der einen Absorber sowie eine Glasabdeckung aufweist. Solche Sonnenkollektoren sind bekannt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Sonnenkollektor geneigt angeordnet ist, daß an der der Glasabdeckung abge­ kehrten Oberfläche des Absorbers ein Vlies angebracht ist, daß das Vlies in dem auf einem höheren Niveau gelegenen Bereich des Sonnenkollektors in die zu verdampfende bzw. verdunstende Flüssigkeit eintaucht und daß eine Konden­ sationsfläche bzw. Kühlfläche mit einem Sammelbehälter für das Kondensat vorgesehen ist.

Parallel und im Abstand zur Unterseite des Absorbers ist zweckmäßigerweise die Kondensationsfläche angeordnet. Dadurch wird ein in sich geschlossener Raum gebildet, aus dem der Dampf nicht austreten kann und somit gezwungen wird, an der Kühl- bzw. Kondensationsfläche zu kondensieren. Das Kondensat fließt an der Oberseite der Kondensations­ fläche abwärts in eine Sammelrinne. Auch die Restflüssig­ keit fließt aufgrund der Schwerkraft in eine gesonderte Sammelrinne. Sieht man unterhalb der Kühl- bzw. Kodensations­ fläche eine weitere Kondensationsfläche vor, wird der Wirkungs­ grad der Anlage noch verbessert.

Um zu einer hohen Ausnutzung der eingestrahlten Energie zu kommen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Absorber­ fläche zu profilieren, z. B. eine Vielzahl von Kalotten ein­ zuformen. Als Werkstoff für den Absorber hat sich eine Aluminium-Legierung als vorteilhaft erwiesen.

Der Sonnenkollektor liegt auf zwei unterschiedlich hohen Auflagern auf und bildet mit den Auflagern und einer Boden­ platte einen im Querschnitt gesehen im wesentlichen dreieck­ förmigen Kanal. Dieser Kanal dient der Zuführung eines Kühl­ mediums.

Die Auflager sind so ausgestaltet, daß in dem höheren Auf­ lager eine Zulaufrinne für die zu verdampfende Flüssigkeit und in dem unteren Auflager die Sammelrinne für die nicht verdampfte Restflüssigkeit angeordnet ist. Die Kondensations- bzw. Kühlflächen bestehen aus Metallblech, zweckmäßigerweise ebenfalls aus einer korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung und sind in ihrem unten gelegenen Bereich nach oben umge­ kantet, wodurch sich die Sammelrinnen für das Kondensat bilden.

Die Erfindung ist geeignet jede Flüssigkeit zu erwärmen. Mit besonderem Vorteil läßt sich die Erfindung anwenden für die Gewinnung von Süßwasser aus Meer- oder Brackwasser.

Vlies und Neigung des Kollektors sind so bemessen, daß der Flüssigkeitsdurchsatz eine bestimmte Menge beibehält. Weder Flüssigkeit noch Dampf kommen mit der absorbierenden Fläche des Kollektors oder der Abdeckung in Berührung. Verluste an Kondensationswärme durch die Abdeckung sind ausgeschlossen.

Die Erfindung ist an Hand der in den Fig. 1 und 2 schema­ tisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Durch die Glasabdeckung 1 gelangt solare Strahlung auf den Absorber 2 und wird in Wärmeenergie umgewandelt. An der Unter­ seite des Absorbers 2 ist ein Vlies 3 angebracht. Als Vlies 3 kommen beispielsweise Schaumstoffe, Moosgummi und ähnliche Werkstoffe in Frage. An der oberen Seite ist das Vlies 3 über die Absorberfläche 2 hinaus verlängert und taucht als Saug­ vlies 6 in eine Zulaufrinne 7, in der Meerwasser fließt.

Das Saugvlies 6 saugt mit kapillarer Wirkung aus der Zulauf­ rinne 7 eine Flüssigkeitsmenge, welche in Kontakt mit dem Sickervlies 3 kommt, dort übernommen wird und absickert in Rinne 12.

Der Mengenstrom im Saugvlies 6 bzw. Sickervlies 3 ist durch die Saughöhe, die Art des Vliesmaterials und den Neigungs­ winkel des Sonnenkollektors bestimmt. Er ist so einzustellen, daß trotz Konzentration durch Verdampfung eine Kristallisation oder Verkrustung vermieden wird, bzw. das während des Nacht­ betriebes, wenn keine Verdampfung stattfindet, eine aus­ reichende Verdünnung erfolgt. Bei entsprechender Konstruktion regelt sich das selbständig.

Der Dampf gelangt durch eigenen Druck und Konvektion an die Kühl- bzw. Kondensationsfläche 4 und kondensiert dort. Die Kühl- bzw. Kodensationsfläche 4 sowie der Absorber 2 be­ stehen aus einer korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung, jedoch sind auch Kupferlegierungen oder Edelstahl geeignet. Die Abkühlung der Fläche 4 kann verstärkt werden, indem mit einem zusätzlichem Sickervlies 9 eine Teilwassermenge aus der Zulaufrinne 7 die Fläche 4 von außen benetzt. Die Abführung der Kondensationswärme kann auch dadurch erreicht werden, wenn Umgebungsluft durch den Kanal 15 hindurchge­ leitet wird, die sich dadurch erwärmt und nutzbar gemacht werden kann z. B. in Luftheizungs- und Trocknungsanlagen.

Die von dem Absorber 2 aufgenommene Sonnenenergie wird durch die Wandung des Absorbers 2 hindurchgeleitet, erwärmt das Vlies 3 sowie die in dem Vlies 3 strömende Flüssigkeit. Der entstehende Dampf tritt infolge der Druckerhöhung aus dem Vlies 3 aus und gelangt an die Kühl- bzw. Kondensations­ fläche 4, wo er kondensiert. Das Kondensat rinnt an der Oberseite der Fläche 4 in die Sammelrinne 13. Die nicht ver­ dampfte Flüssigkeit tritt aus dem unten gelegenen Ende des Vlies 3 aus und tropft in die Ablaufrinne 12.

Die Glasabdeckung 1, der Absorber 2 und das Vlies 3 sind in einem gemeinsamen Rahmen 20 gehalten, sind aber abnehm­ bar oder aufklappbar, so daß die Anlage leicht gewartet werden kann.

Ein Auflager 10 dient als Bodenstütze für den Kollektor. In ihm ist eine Rinne 11 als Regenwassersammler und eine Rinne 12 als Ablaufwassersammler ausgeformt.

Ein weiterer Auflager, die Kopfstütze 8 bestimmt mit ihrer Höhe und der Höhe der Stütze 21 den Neigungswinkel des Kollektors. In der Kopfstütze 8 ist die Zulaufrinne 7 aus­ geformt. Eine Bodenplatte 14 ist eine konstruktive Ergän­ zung der Auflager bzw. Stützelemente 8, 10 und 21. Sie be­ stimmt den Abstand der Auflager und sorgt für eine saubere Bodenfläche unter dem Kollektor. Die Teile 8, 10, 21 und 14 mit aufgelegtem Kollektor bilden den Luftkanal 15. Zweckmäßig ist, daß die Zulaufrinne 7 mit dem Element 16 abgedeckt ist, womit Schmutzeinfall verhindert wird. Gleich­ zeitig sorgt das Element 16 für eine Isolation gegen Wärme­ verluste aus der Zulaufrinne 7 und aus dem Sonnenkollektor.

In Fig. 2 ist erweiternd das Blech 17 dargestellt, welches einen zweiten Dampfraum 18 begrenzt. Dadurch kann die Leis­ tung der Anlage erhöht werden.

Für das Verfahren ergibt sich hiernach folgender Ablauf:

Mit solarer Energie wird aus dem Sickervlies 3 Flüssigkeit verdampft, welche an der Fläche 4 kondensiert. Die Konden­ sationswärme wird durch die Fläche 4 in das Sickervlies 9 geleitet und bewirkt eine teilweise Verdampfung der dort sickernden Flüssigkeit. Der entstandene Dampf wird am Blech 17 gekühlt. Er kondensiert bei ausreichender Kühlung durch den verbliebenen Luftkanal 15. Das Kondensat rinnt in die Sammelrinne 19. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zeigt die Möglichkeiten einer zwei- oder mehrstufigen solaren Verdampfung mit nur einem Sonnenkollektor.

Die produzierte Menge Kondensat läßt sich nahezu beliebig steigern indem man eine Vielzahl der dargestellten Vorrich­ tungen hintereinander zu einer Batterie vereinigt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Erwärmung und Verdampfung bzw. Verdunstung einer Flüssigkeit mittels Sonnenenergie, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit mittels saugenden Vlies in Kontakt mit der Unterseite der Absorberfläche eines Sonnenkollektors gebracht wird, daß die Flüssigkeit durch die von der Absorberfläche abgegebene Wärme teil­ weise verdampft oder verdunstet wird, daß der Dampf durch eigenen Druck zu einer Kühlfläche transportiert und dort kondensiert wird und daß das Kondensat und die Restflüssig­ keit getrennt voneinander abgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport des Dampfes durch ein Gebläse unterstützt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom in dem Vlies ständig aufrecht­ erhalten wird und daß gewährleistet ist, daß stets Rest­ flüssigkeit abgeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Flüssigkeit mittels eines saugenden Vlies an die der Kondensationsfläche abge­ kehrten Oberfläche der Kühlfläche herangeführt wird und dort mittels der Kondensationswärme teilweise verdampft bzw. verdunstet wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem Sonnenkollektor, der aus einem Absorber und einer Glasab­ deckung aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor (1, 2) geneigt angeordnet ist, daß an der der Glasabdeckung (1) abgekehrten Oberfläche des Absorbers (2) ein Vlies (3) angebracht ist, daß das Vlies (3) in dem auf einem höheren Niveau gelegenen Bereich des Sonnenkollektors (1, 2) in die zu verdampfende bzw. verdunstende Flüssigkeit eintaucht und daß eine Kondensationsfläche (4, 7) mit einem Sammelbehälter (13, 19) für das Kondensat vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel und im Abstand zur Unterseite des Absorbers (2) die Kondensationsfläche (4) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite der Kondensationsfläche (4) ein Vlies (9) angebracht ist welches ebenfalls im auf höheren Niveau gelegenen Bereich der Kondensationsfläche (4) in die zu verdampfende bzw. verdunstende Flüssigkeit ein­ taucht.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Kondensations­ fläche (4) parallel und im Abstand zu dieser eine weitere Kondensationsfläche (17) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberfläche (2) profiliert ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor (1, 2) auf zwei unterschiedlich hohen Auflagern (10, 21) aufliegt und mit einer Bodenplatte (14) und den Auflagern (10, 21) einen im Querschnitt im wesentlichen dreieckförmigen Kanal (15) bildet.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem höheren Auflagern (21) eine Zulaufrinne (7) für die zu ver­ dampfende Flüssigkeit und in dem unteren Auflager (10) die Sammelrinne für die nicht verdampfte Flüssigkeit angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensations­ flächen (4, 17) an ihrem unten gelegenen Bereich nach oben umgekantet sind und dort Sammelrinnen (13, 19) für das Kondensat bilden.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 bzw. der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 12, zur Herstellung von Trinkwasser aus Meer- oder Brackwasser.