DE3819124C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur De­ stillation von Flüssigkeiten, wie z. B. von Wasser oder Lösun­ gen in Wasser bei variabler oder intervallweiser Energiezu­ fuhr, wie z. B. bei Verwendung von mittels Sonnenenergie er­ hitztem Dampf oder Flüssigkeiten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung befaßt sich mit Destillationsgeräten, die sich sowohl zur Gewinnung eines Destillates, als auch eines Kon­ zentrates eignen und bei welchen vor allem Sonnenenergie ein­ gesetzt werden soll. Solarbetriebene Kleinanlagen zu Destilla­ tionszwecken, wie z. B. zur Gewinnung von Trinkwasser werden normalerweise einstufig ausgelegt, um am Einsatzort unabhängig von der Versorgung mechanischer Antriebsleitung für Pumpen zu sein. Weiterhin operieren derartige Anlagen bei Atmosphären­ druck, so daß Entlüftungsvorgänge entfallen. Diese bekannten Anlagen erfordern zu ihrer Bedienung komplizierte Handhabungs­ vorgänge und benötigen elektrische Engergie für Pumpen usw.

Bei herkömmlichen Verdampfungsanlagen kühlt die Anlage bei Ausfall der Wärmequelle ab, d. h. es bildet sich ein Unter­ druck, die Anlage zieht Luft oder muß gegen diesen Unterdruck ausgelegt sein. Hat die Anlage Luft gezogen, muß sie beim An­ fahren z. B. bei einer Solaranlage am Morgen entlüftet werden. Wenn die Luft nicht völlig aus der Anlage entfernt ist, blo­ ckiert sie im Kondensator die Wärmeübergangsfläche. Darüber hinaus muß bei solchen Anlagen Rohwasser ständig in den Ver­ dampfer gefördert werden, oder er muß z. B. morgens bei Solar­ energiezufuhr mit dem gesamten Wasser gefüllt sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Destilla­ tions- oder Verdampfungsanlage zu schaffen, die vor allem für den Betrieb mit intervallweiser Energiezufuhr geeignet ist und mit welcher Flüssigkeiten, wie z. B. Rohwasser auf einfachste Weise ohne Anwendung von Pumpen oder komplizierter Handha­ bungsvorgänge verdampft werden können.

Aus den DE-OSen 37 07 769, 35 27 708 und 35 26 122 sind Anlagen bekannt, bei denen durch Solarenergie erzeugter Prozeßdampf als Wärmeträger verwendet wird. Eine Destillation von Flüssigkeiten ist jedoch bei diesen nicht vorgesehen.

In der WO 83 03 775 ist eine Vorrichtung für industrielle Destillation beschrieben, bei der ein Sack aus flexiblem Material benützt wird. Dieser Sack wird jedoch als Destillationsgefäß in der Destillierkammer und nicht als Kondenssammelgefäß eingesetzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin­ dung bei einer Destillationsvorrichtung der eingangs beschrie­ benen Art die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angeführt sind. Weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Destillation mit dem Dop­ pelkammermembranbehälter kann in mehreren übereinander ange­ ordneten Stufen arbeiten, um die Leistung der Wärmequelle mehrmals zur Destillatgewinnung zu nutzen. Mit dem Tagesdurch­ satz einmal aufgefüllt, entfallen durch die angekoppelten Luftsammler Entlüftungsmaßnahmen auch bei vorübergehendem Lei­ stungsab- oder -ausfall der Energiezufuhr, wie z. B. einer So­ laranlage im Tag/Nachtrhythmus. Die potentielle Energie des in das Kondensatmembrangefäß rückgeführten Kondensats wird zum Transport des Rohwassers in das Verdampfergefäß genutzt. Dabei bewirkt die sackartige Ausbildung dieses Kondensatmembrange­ fäßes, daß das Kondensat bzw. Destillat und das Rohwasser hy­ drostatisch in Verbindung stehen, jedoch durch die elastische Wand voneinander getrennt sind. D. h. Destillat und Rohwasser stehen unter demselben Druck, obwohl sie voneinander getrennt sind. Neu ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterhin die Anordnung eines Luftbehälters. Um nun die Wärmeleistung des z. B. angeschlossenen Solarkollektors mehrmals ausnützen zu können, wird die Destillationsanlage, wie bereits erwähnt, mehrstufig angelegt. Da die Vorrichtung unabhängig von der Versorgung mit elektrischer Energie ist, entfällt die Verwen­ dung einer Pumpe für die Zufuhr des Rohwassers und für die Entleerung des Destillates. Andererseits kann jedoch der Um­ satz eines ganzen Tages nicht in einem Destillationsbehälter untergebracht werden. Diese Destillationsbehälter würden zu viel Wärme speichern, so daß Vorheizzeit und abendliche Verlu­ ste zu groß wären. Weiter sind Handhabungsvorgänge zur Entlüf­ tung solcher Destillationsbehälter unerwünscht, da sie nach jeder Einstrahlungsänderung am Kollektor mehrmals täglich zu wiederholen wären. Alle diese Nachteile vermeidet die Vorrich­ tung gemäß der hier vorgeschlagenen Erfindung. Mittels eines sogen. Doppelkammerbehälters, in dem das Rohwasser und das De­ stillat durch eine Art flexible Membran, das Kondensatmembran­ gefäß getrennt sind, sowie einer Luftkammer und einem Verdamp­ ferbehälter in einem geschlossenen Kreislauf gelingt die Pro­ duktförderung und die Druckregelung ohne Entlüftung selbst­ ständig. Die besonderen Vorteile bestehen nun darin, daß Roh- und Produktflüssigkeit selbstständig transportiert werden, daß wie bereits gesagt Entlüftungsmaßnahmen entfallen, daß der be­ heizte Bereich der Anlage minimiert wird und daß die latente Wärme des Produktstromes rekuparativ dem Vorlauf wieder zuge­ führt werden kann. Besonders geeignet ist die neue Destillati­ onsanlage für die Verwendung von Solarkollektoren als Wärme­ quelle wobei das Gerät auch zum Aufkonzentrieren benutzt wer­ den kann, und das Konzentrat im Verdampfer zurückgehalten wird.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol­ genden anhand der Figur näher erläutert:

Die Figur zeigt dabei schematisch den Aufbau der Destillati­ onsvorrichtung, wobei über der ersten Stufe eine identische zweite Stufe usw. angeordnet ist.

Die neue Destillationsvorrichtung wird gemäß der Figur zweck­ mäßigerweise mehrfach übereinander bzw. hintereinander ge­ schaltet, so daß sich ein mehrstufiger Destillationsapparat ergibt. Die erste Stufe ist die in der Figur unten darge­ stellte Apparatur und besteht im wesentlichen aus dem Verdamp­ fergefäß 1, dem Kondensationsgefäß 2, dem Luftsammelgefäß 3, dem Rohwasserbehälter 4 und dem darin angeordneten Kondensat- oder Destillatmembrangefäß 5, wobei Behälter 4 mit innen lie­ gendem Gefäß 5 eine Art Doppelkammerbehälter bilden. Die glei­ chen Elemente der darüberliegenden Stufen der Destillations­ vorrichtung sind mit denselben Positionsnummern versehen, je­ doch mit einem Index, wie z. B. 1′, 2′, 3′, usw.

Die in den Gefäßen 1 bis 5 enthaltenen Phasen der zu behan­ delnden Flüssigkeit sind schematisch durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt, wie in den unter der Figur gezeichne­ ten Flächen, als Beispiel Rohwasser 6, Dampf 7, Destillat 8 und Luft 9.

Das Verdampfungsgefäß 1 ist mit der zu verdampfenden bzw. zu destillierenden Flüssigkeit 6 gefüllt, diese Flüssigkeit 6 kann Wasser oder eine zu destillierende Lösung sein, und weist im inneren ein koaxiales Verdampferrohr 10 auf, das von unten her z. B. mit erhitztem Dampf 11 aus einem nicht mehr darge­ stellten Solarkollektor beheizt wird. Dieses Rohr 10 ent­ spricht dem Kondensationsgefäß 2, das mit einer Außenfläche 19 entsprechend als Erhitzer des Verdampfergefäßes 12 der zweiten Stufe dient.

Aus dem Verdampfergefäß 1 führt ein Steigrohr 13, dessen Boden 20 durchdringend in das Kondensationsgefäß 2 mit seinem oberen offenen Ende 14 bis unter den Deckel 15 des Kondensationsge­ fäßes 2. Das Kondensationsgefäß 2 befindet sich seinerseits innerhalb des Verdampfergefäßes 12 der zweiten Stufe und bil­ det mit seiner Außenfläche 19 zugleich ein koaxiales Verdamp­ ferrohr für die zweite Stufe, wie das Rohr 10 für die erste Stufe. Vom unteren Ende des Verdampfergefäßes 12 bzw 1′ führt eine Querleitung 16 nach unten und quer in das seitlich unter­ halb des Gefäßes 12 jedoch über dem Gefäß 1 gelegene Luftsam­ melgefäß 3.

Vor dem Gefäß 3 zweigt eine Leitung 17 von der Leitung 16 ab und führt in etwa senkrecht nach unten, mündet an der unteren Seite in den Rohwasserbehälter 4 und ist durch dessen Wand hindurch an das aus elastischem Material gefertigte Kondensat­ membrangefäß 5 angeschlossen. Dieses wiederum befindet sich im Inneren des Gefäßes 4, sein Inneres ist gegen das Rohwasser 6 im Behälter 4 abgeschlossen. Behälter 4 und Gefäß 5 bilden demnach eine Art Doppelkammerbehälter mit Druckausgleich. Das Kondensatmembrangefäß 5 wird auf nicht näher dargestellte Art z. B. mittels einer Abzweigleitung entleert.

Von der Oberseite 26 des Rohwässerbehälters 4 führt nun eine weitere Leitung 18 nach unten, die an der Unterseite 22 in das Verdampfergefäß 1 einmündet. Der vollgefüllte Rohwasserbe­ hälter 4 ist nun neben dem Verdampfergefäß 1 so hoch angeord­ net, daß seine Oberseite 26 etwas unterhalb des Flüssigkeits­ spiegels 21 im Gefäß 1 gelegen ist.

Das Kondensatmembrangefäß 5 trennt durch seine elastische Wan­ dung das Wasser 6 vom Destillat bzw. Kondensat 8 und wird aus einem leicht verformbaren Plastiksack z. B. aus verschweißtem Polyethylen gebildet. An das Gefäß ist noch eine Fülleitung 23 angeschlossen, die absperrbar ist und mittels welcher der Be­ hälter 4 mit Rohwasser 6 gefüllt wird. Zur Verbessung des Wär­ metausches kann zwischen die Leitungen 17 und 18 die Kondensat und Rohwasser führen, noch ein zusätzlicher Wärmeaustauscher 24 geschaltet werden wodurch die Wärmebilanz weiter verbessert wird.

Wie bereits erwähnt, ist über den Gefäßen 1, 2, 3 und 4 und dem Behälter 5 eine zweite, genauso aufgebaute Destillations­ stufe dargestellt, deren Elemente identisch sind und die ent­ sprechend mit 1′, 2′, 3′, 4′ usw. bezeichnet sind. Bei die­ ser zweiten Stufe bildet das Kondesationsgefäß 2 den Erhitzer bzw. das Element der Wärmezufuhr. Dies gilt geauso für wei­ tere evtl. darüber angeordnete Stufen, wie sie im Oberteil der Figur angedeutet sind.

Die Funktion der ein- oder mehrstufigen Destillationsvorrich­ tung ist nun wie folgt:

Gefäß 1 und Behälter 4 sind bis zum Spiegel 21 mit der zu de­ stillierenden Flüssigkeit, z. B. Wasser oder wie bereits er­ wähnt einer Salzlösung, gefüllt. Dann wird in das Verdampfer­ rohr 10, Dampf 11, z. B. intervallweise oder in der Leistung schwankend eingeführt.

Dabei enthält jede Stufe des Destillators einen Verdampfer 1 bzw. 1′, 12, dem aus dem äußeren Bereich jedes Rohwasserbehäl­ ters 4, 4′ die Rohflüssigkeit bzw. das Rohwasser 6, 6′ zuge­ führt wird. Die Verdampfung erfolgt dazu an einer in den Flüs­ sigkeitsbereich ragenden Wärmeübertragungsfläche, hier einem koaxialen Verdampferrohr 10. Der erzeugte Dampf 7 wird zur Kondensation in die nächste Stufe geleitet. Die Einleitung in das Innere des Verdampferrohres 10′ der folgenden Stufe gibt zunächst mit gerissenen Wassertropfen noch Gelegenheit, nach unten in den ersten Verdampfer 1 zurückzulaufen. Erst am ober­ en Ende 15 des Verdampferrohres 10′ der folgenden Stufe wird der Dampfstrom umgelenkt und strömt an der Kondensationsfläche 19 nach unten. Das dort gebildete Destillat 8 bzw. Kondensat tropft ab und wird im Inneren des Kondensatmembrangefäßes 5 im Rohwasserbehälter 4 gesammelt. Durch die geodätische Höhe der Kondensationsflächen 19 über dem Gefäß 5 baut sich in der Kon­ densateinleitung 17 eine Flüssigkeitssäule mit einem Spiegel 25 auf, die infolge der Druckübertragung durch die Membranwand des Gefäßes die Rohflüssigkeit 6 in den Verdampfer 1 fördert. Die Druckdifferenz Δ zwischen den Spiegeln 25 und 21 muß nun so groß sein, daß das Kondensat bzw. Destillat 8 die Folien­ wand des Kondensatmembrangefäßes 5 verformen kann und zu­ sätzlich zu dieser Verformung das Rohwasser 6 in das Verdamp­ fungsgefäß 1 fördern kann.

Jeweils eine Stufe mit Verdampfungsgefäß in doppelkammerarti­ gen Behältern und einem angeschlossenen Luftsammelbehälter 3 wird als geschlossenes System betrieben.

Vor Betriebsbeginn werden der Behälter 4 bei zusammengefalteter Membranwand des Gefäßes 5, d. h. vollständig, sowie der Ver­ dampfer 1 teilweise mit Rohflüssigkeit 6 gefüllt. Im restli­ chen Stufenvolumen, vor allem im Gefäß 3 verbleibt Luft 9. Nach Verdampfungsbeginn im Gefäß 1 strömt der Dampf 7 zur Kon­ densationsfläche im Gefäß 8. Dazu muß die Luft 9 aus diesem Bereich verdrängt werden, d. h. in dem geschlossenen System wird die Luft 9 verdichtet und in den Luftsammler 3 geschoben. Die Einleitung des Dampfes 7 in das Innere des Verdampferroh­ res 10′, 2 der nächsten Stufe muß dafür sorgen, daß die Luft 9 möglichst keinen Dampf 7 in den Sammler 3 mitschleppt. Dessen Verdampfungsentalpie könnte nicht mehr rückgeführt werden. Außerdem ist dadurch eine mehrfache Rückführung der Luft 9 bei Leistungsschwankungen oder Teillast ohne Wärmeverluste mög­ lich.

Das Volumen 3 entscheidet über den Betriebsdruck bei der Lei­ stung. Die Volumina in den verschiedenen Stufen müssen so aus­ gelegt werden, daß sich eine Abstufung der Sättigungsdrücke ergibt. Die Sättigungsdrücke entsprechen Sättigungstemperatu­ ren und deren Abstufung ist für die Wärmeübertragung von Stufe zu Stufe erfoderlich. Die Luftsammler 3 bzw. 3′ haben die Auf­ gabe, im Betriebszustand des Auslegungspunktes die Luft aus dem Verdampfer und dem Kondensationsgefäß vollständig aufzu­ nehmen. Zudem sorgen sie für ein selbsttätiges Anlaufen und Wiederanlaufen nach Leitungsabfall sowie eine flexible Anpas­ sung an unterschiedliche Leistungsniveaus.

Der Luftsammler 3 der ersten Stufe kann gleichzeitig als Wär­ metauscher ausgebildet sein. Dadurch wird eine Ersatzwär­ mesenke erreicht, mit der bei Ausfall der nachfolgenden Stufen 1′, 2′, 3′ usw. eine Überhitzung der Wärmequelle vermieden werden kann.

Nach dem beschriebenen Prinzip arbeitet eine Versuchsanlage mit drei Stufen. Die dritte Stufe arbeitet dabei mit Atmosphä­ rendruck. Es wurden dabei Doppelkammerbehälter mit einem Volu­ men von je sechs Liter eingebaut. Als Membranwand für das Kon­ densatgefäß wurden Säcke aus verschweißten Polyethylenfolien verwendet. Für die Beheizung der ersten Stufe diente ein Dampfgenerator mit Solarbeheizung und Wasserdampf.

Die Anlage wurde für eine Leistung von 1200 Watt, d. h. einer ensprechenden Heizdampfmenge, ausgelegt. Bei Experimenten er­ gaben sich dann folgende Temperaturabstufungen für den stabi­ len Betriebszustand:

Heizdampf 117°C
erste Stufe 111,5°C
zweite Stufe 106,5°C
ditte Stufe 100°C.

Mit Wirkungsgraden der Leistungsübertragung für die

erste Stufe mit 76%
zweite Stufe von 87%
dritte Stufe von 89,5%

ergibt der Destillationsapparat pro kg Heizdampf eine Destil­ latmenge von zwei Kilo.

Die erste Stufe allein bringt 0,75 kg Destillat.

Die Anlage lief stabil im Dauerbetrieb. Auch bei kleineren Leistungen traten keine Störungen auf. Leistungsabsenkungen oder -abschaltungen hatten keinen Einfluß auf das nachfolgende Betriebsverhalten. Handhabungsmaßnahmen nach Leistungsänderun­ gen waren nicht erforderlich.

Die neue Destillationsvorrichtung funktioniert bei allen Dampferzeugungen, ergibt jedoch eine besonders optimale Funk­ tion bei variabler Energiezufuhr, d. h. bei ständigem An- und Abfahren, wie es für solare Wärmeerzeugung charakteristisch ist.

Bezugszeichenliste:

 1 Verdampfergefäß erste Stufe
 2 Kondensationsgefäß
 3 Luftsammelgefäß
 4 Rohwasserbehälter
 5 Kondensatmembrangefäß
 6 Rohwasser
 7 Dampf
 8 Destillat
 9 Luft
10 Verdampferrohr erste Stufe
11 Dampf
12 Verdampfergefäß zweite Stufe
13 Steigrohr
14 offenes Ende
15 Deckel
16 Querleitung
17 Leitung
18 Leitung
19 Außenfläche
20 Boden
21 Flüssigkeitsspiegel
22 Unterseite
23 Fülleitung
24 Wärmetauscher
25 Kondensatspiegel im Rohr 17
26 Oberseite des Rohwasserbehälters
Δ Druckdifferenz zwischen Spiegel 21 und Spiegel 25

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten wie z. B. von Wasser oder Lösungen in Wasser bei variabler und/oder in­ tervallweiser Energiezufuhr, wie z. B. bei Verwendung von mittels Sonnenenergie erhitztem Dampf oder Flüssigkeiten mit einem durch den Energieträger beheizten Verdampfungsge­ fäß sowie einem geodätisch über diesem angeordneten Konden­ sationsgefäß mit gekühlten Kondensationsflächen und einem geodätisch unterhalb diesem gelegenen Kondensatsammelbehäl­ ter, in welchen das Kondensat durch Schwerkraft gelangt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) Das Kondensationsgefäß (2) weist eine nach unten austre­ tende Kondensatableitung auf, die als Querleitung (16) in ein Luftsammelgefäß (3) führt,
• b) in der Querleitung (16) befindet sich vor dem Luftsam­ melgefäß (3) eine Abzweigung, von der eine weitere Lei­ tung (17) nach unten führt, die an ein elastisch ver­ formbares Kondensatmembrangefäß (5) angeschlossen ist,
• c) das Kondensatmembrangefäß (5) befindet sich diesem ge­ genüber abgedichtet in dem Rohwasserbehälter (4), steht in Druckausgleich mit dessen Innenraum und bildet mit ihm zusammen einen Doppelkammerbehälter,
• d) der Rohwasserbehälter (4) ist füllbar, das Kondensatmem­ brangefäß (5) entleerbar,
• e) vom Rohwasserbehälter (4) führt eine Leitung (18) in das Verdampfergefäß (1), beide Behälter kommunizieren mit­ einander.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das wei­ tere Merkmal:

• f) Der Flüssigkeitsspiegel (25) in der zum Kondensatmem­ brangefäß (5) führenden Leitung (17) steht höher als der Flüssigkeitsspiegel (21) im Verdampfer (1) und übt Druck auf die Flüssigkeit (6) im Rohwasserbehälter (4) aus.