DE3829464A1 - Apparatus for solar production of fresh water - Google Patents

Apparatus for solar production of fresh water

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Abstract

The demineralisation of untreated water requires large amounts of energy which must be applied either thermally (distillation) or mechanically (reverse osmosis). This requires the use of technically demanding plants or the provision of large solar facilities having horizontal installed surfaces. The apparatus permits the production of fresh water with the use of known and inexpensive film greenhouses and extensive plastic absorbers, for example on steep slopes which cannot otherwise be utilised. For this purpose, by exploitation of a sloping site or by the construction of a tower-like elevation in a transparent building, for example a greenhouse, with the aid of solar energy, a gravity-related air current is induced. The untreated water initially flows through a heat exchanger and then, as an open channel, through the building. The amount of water evaporating is condensed at the heat exchanger. The thermal mass of the receiving body of water is utilised as a heat sink.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Frischwassergewinnung aus Schmutz- oder Salzwasser dient.The invention relates to a device for fresh water production from dirty or salt water.
Mit dieser Vorrichtung soll mit Hilfe von Solarenergie Frischwasser gewonnen werden, wobei lediglich mechanische Antriebsenergie für die Pumpe als Fremdenergie für das zu verdunstende Wasser benötigt wird.With this device, fresh water is said to use solar energy are obtained, whereby only mechanical drive energy for the Pump is needed as external energy for the water to be evaporated.
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur solaren Meerwasser­ entsalzung bekannt. Am weitesten verbreitet ist die Entsalzung in Treib­ häusern bei denen die Glasscheibe als Kondensator dient. Weiterhin sind zahlreiche Patente bzw. Patentanmeldungen bekannt, wie aus Deutschland P 34 40 842.8 / P 29 22 348.1-43 / P 29 35 231.6-43 / P 31 19 615.2 / P 26 500 492.5-43, das europäische Patent EPO 1 54 971 A2 sowie die US Patente 34 14 481 und 30 15 613. Des weiteren sind Verfahren bekannt, welche mit solarthermisch induzierten Auftriebskräften große Luftmengen bewegen P 37 17 313.8-16, US-Patent 34 36 908.There are various methods and devices for solar sea water desalination known. Desalination is most widespread in Treib houses where the glass pane serves as a condenser. Furthermore are numerous patents and patent applications known, as from Germany P 34 40 842.8 / P 29 22 348.1-43 / P 29 35 231.6-43 / P 31 19 615.2 / P 26 500 492.5-43, the European patent EPO 1 54 971 A2 and the US Patents 34 14 481 and 30 15 613. Furthermore, methods are known which with large solar air-induced buoyancy forces move P 37 17 313.8-16, U.S. Patent 34 36 908.
Des weiteren sind Entsalzungsanlagen bekannt, die mit Kollektoranlagen die Solarenergie zur Erwärmung des Salzwassers benutzen und dann mit bekannten Destillationsvorrichtungen, wie Multiflash, die Entminerali­ sierung vornehmen.Furthermore, desalination plants with collector systems are known use the solar energy to heat the salt water and then use known distillation devices, such as Multiflash, the deminerali undertake.
Als nachteilig hat sich bei den herkömmlichen Entsalzungsanlagen mit Solarkollektoren deren ungleichmäßige Wärmelieferung gezeigt, die ohne umfangreiche Speicherungen keine kontinuierliche Funktion der indu­ striellen Destillationsvorrichtungen zulassen. A disadvantage of conventional desalination plants Solar collectors shown their uneven heat delivery without extensive storage no continuous function of the indu allow strategic distillation devices.  
Nachteilig bei den bekannten Destillationsvorrichtungen ist außerdem der hohe Bedarf an Fremdenergie, der zum Aufbau von Über- oder Unterdrücken notwendig ist. Die Treibhausentsalzungsanlagen wiederum besitzen keinen gerichteten Luftstrom, so daß der Wasserdampf nachteiligerweise auch an ungewollten Stellen kondensieren kann.A disadvantage of the known distillation devices is also that high need for external energy, which builds up overpressure or underpressure necessary is. The greenhouse desalination plants in turn have none directed air flow so that the water vapor also disadvantageously can condense unwanted points.
Die anderen bekannten Solarsysteme zur Entmineralisierung von Wasser scheitern meistens entweder am komplizierten Aufbau der Anlage oder an den hohen Investitionskosten.The other known solar systems for demineralizing water mostly fail either due to the complex structure of the system or the high investment costs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entmineralisierung von verschmutztem oder salzhaltigem Wasser so zu vereinfachen, daß die Vorrichtung auch ohne hohe Investitionskosten realisiert und mit mög­ lichst wenig Fremdenergie betrieben werden kann.The invention has for its object the demineralization of to simplify polluted or saline water so that the Device realized without high investment costs and with poss little external energy can be operated.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß bekannte einfache Gewächshäuser als Baukörper benutzt werden und der Transport des Wasser­ dampfes zum Kondensator durch Auftriebskräfte sichergestellt wird. Ein wesentliches Merkmal ist dabei die direkte Erwärmung des zu entminerali­ sierenden Rohwassers innerhalb des Gebäudes durch die Sonne und die durch Auftriebskräfte induzierte, gerichtete Luftströmung. Die für die Kondensation des Wasserdampfes notwenige Wärmesenke wird durch die Tem­ peratur des Vorfluters bereitgestellt. Die durch die Kondensation frei­ werdende Energiemenge wärmt das zu verdunstende Rohwasser auf, und verbessert so die Verdunstungsrate. Der durch die Schwerkraft induzierte Aufwind kann auch zur Erzeugung der Antriebsenergie für die Pumpe aus­ genutzt werden. Sofern die transparente Gebäudehülle aus ultraviolett­ durchlässigem Folienmaterial, beispielsweise Fluorkohlenwasserstoff, besteht, wirkt das einfallende Sonnenlicht entkeimend auf die Flüssig­ keit. This object is achieved according to the invention in that known simple Greenhouses can be used as building structures and the transportation of water steam to the condenser is ensured by buoyancy forces. A An essential feature is the direct heating of the deminerali raw water within the building by the sun and the directional air flow induced by buoyancy forces. The for the Condensation of the water vapor necessary heat sink is through the Tem temperature of the receiving water provided. The free through the condensation increasing amount of energy warms up the raw water to be evaporated, and thus improves the rate of evaporation. The one induced by gravity Upswing can also be used to generate drive energy for the pump be used. If the transparent building envelope made of ultraviolet permeable film material, for example fluorocarbon, If there is, the incident sunlight disinfects the liquid speed.  
Eine Entkeimung kann nach Anspruch 5 auch thermisch erreicht wer­ den, indem der Zustrom von Luft und Rohwasser reduziert wird, so daß die interne Temperatur auf über 60°C ansteigt.A disinfection can also be achieved thermally according to claim 5 by reducing the inflow of air and raw water so that the internal temperature rises to over 60 ° C.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß bekannte und kostengünstige Bauteile eingesetzt werden, wie beispielsweise Foliengewächshäuser als Solarkollektoren und großflächige Kunststoff­ absorber als Wärmetauscher und Kondensatoren. Letztere sind als solare Schwimmbadkollektoren bekannt.The advantages achieved with the invention are that known and inexpensive components are used, such as Foil greenhouses as solar collectors and large-area plastic absorber as heat exchanger and condenser. The latter are considered solar Swimming pool collectors known.
Vorteilhaft für dichtbesiedelte Küstenstreifen ist, nach Anspruch 1, die Ausnutzung von steilen Hängen für die ansonsten keine Nutzungsmöglich­ keit besteht. Thermisch besonders vorteilhaft ist die nach den Ansprü­ chen 1 und 2 im transparenten Gebäude stattfindende Verdunstung, welche zu einer Abkühlung des Innenraumes führt. Dadurch werden die thermischen Verluste des als Solarkollektors wirkenden Gewächshauses vermindert. Da jedoch Wasserdampf bekanntlich leichter ist als Luft, bei gleicher Temperatur, wird der schwerkraftbedingte Auftrieb und damit der Ab­ transport des Wasserdampfes dennoch sichergestellt. Die Struktur der offenen Verdunstungsrinne kann nach Anspruch 2 individuell mit örtlich vorhandenen Materialien wie Steinen, Reisig oder Ortsbeton gestaltet werden.It is advantageous for densely populated coastal strips, according to claim 1, which Use of steep slopes for which otherwise no use is possible there is. According to the claims, it is particularly advantageous thermally Chen 1 and 2 evaporation taking place in the transparent building, which leads to a cooling of the interior. Thereby the thermal Losses of the greenhouse acting as a solar collector reduced. There however, water vapor is known to be lighter than air, with the same Temperature, the gravitational lift and thus the down transport of water vapor is nevertheless ensured. The structure of the open evaporation channel can individually according to claim 2 with local existing materials such as stones, brushwood or in-situ concrete will.
Die benötigte Fremdenergie ist im Vergleich zu industriellen Entminera­ lisierungsanlagen äußerst gering und kann beispielsweise nach Anspruch 4 auch durch Ausnutzung des induzierten Aufwindes mit geeigneten Windkon­ vertern erzeugt werden. Dadurch ist ein Inselbetrieb ohne Fremdenergie erreichbar, was für strukturschwache Gegenden als besonderer Vorteil anzusehen ist, zumal die Anlage in Funktion der Solarstrahlung selbstre­ gelnd wäre. The external energy required is compared to industrial deminers lisationsanlagen extremely low and can for example according to claim 4 also by using the induced upwind with suitable wind con generated vertically. This makes island operation without external energy achievable, which is a particular advantage for structurally weak areas can be seen, especially since the system functions as a function of solar radiation would be applicable.  
Wird zusätzlich Fremdenergie zum Transport der Luftmengen eingesetzt (Anspruch 4.1) und ist das Rohwasser genügend kalt, so kann prinzipiell die Fortluft kühler und trockener als die der Umgebung sein. Diese Methode wird bekanntlich zur Entfeuchtung in herkömmlichen Klimaanlagen benützt. In diesem Fall kann die Fortluft auch vorteilhaft weiterbenutzt werden, etwa für Raumklimatisierung oder für Trocknungsvorgänge.If additional external energy is used to transport the air volumes (Claim 4.1) and if the raw water is sufficiently cold, it can in principle the exhaust air is cooler and drier than that of the surroundings. These As is known, the method is used for dehumidification in conventional air conditioning systems used. In this case, the exhaust air can also be advantageously used be used, for example, for room air conditioning or for drying processes.
Ausführungsbeispiele zur Anwendung der Vorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben:Embodiments for using the device are in the Drawings are shown and are described in more detail below:
Es zeigen.Show it.
Fig. 1 eine Gewächshauskonstruktion in Hanglage mit nachgeschaltetem Wärmetauscher, Fig. 1 is a greenhouse construction on a slope with a downstream heat exchanger,
Fig. 2 ein Gewächshaus auf ebenem Gelände mit turmartigem Anbau, Fig. 2 is a greenhouse on the level, with tower-like mounting,
Fig. 3 den Schnitt durch die Anordnung eines Röhrenwärmetauschers, Fig. 3 is a section through the arrangement of a tubular heat exchanger,
Fig. 4 die perspektivische Ansicht eines Plattenwärmetauschers. Fig. 4 is a perspective view of a plate heat exchanger.
Die Fig. 1 zeigt eine Anwendung in der Nähe eines Vorfluters (1). Das transparente Gebäude (2), beispielsweise ein Foliengewächshaus, wird an einen Hang gebaut, der einen genügend großen Höhenunterschied zwischen Ein- und Auslaß von typischerweise mindestens 10 m ermöglicht. Dieser Höhenunterschied kann auch durch einen turmartigen Anbau (9) vergrößert werden. Am Auslaß dieses transparenten Tunnels wird ein Wärmetauscher (3) installiert. Eine Wasserpumpe (4) pumpt das zu entmineralisierende Rohwasser durch den Wärmetauscher. Das nun vorgewärmte Rohwasser fließt als offenes Gerinne über die als Solarabsorber dienende dunkelfarbige Verdampfungsfläche (6), wobei eine Teilmenge des Rohwassers verdunstet. Das mit Mineralien bzw. Schmutzteilen angereicherte Restwasser fließt in den Vorfluter (1) zurück. Das Frischwasser (7) kondensiert an den Wan­ dungen des Wärmetauschers, sofern deren Oberflächentemperatur unterhalb des Taupunktes liegt. Beispielsweise muß Luft mit einer 70% relativen Feuchte und 35°C Temperatur auf eine Wandungstemperatur unter 30.5°C auftreffen, damit der Wasserdampf auskondensiert. In natürlichen Gewäs­ sern, besonders aber am Meer stehen in aller Regel große Wassermengen mit kühleren Temperaturen zur Verfügung. Fig. 1 shows an application in the vicinity of a receiving water ( 1 ). The transparent building ( 2 ), for example a film greenhouse, is built on a slope that enables a sufficiently large difference in height between the inlet and outlet of typically at least 10 m. This difference in height can also be increased by a tower-like extension ( 9 ). A heat exchanger ( 3 ) is installed at the outlet of this transparent tunnel. A water pump ( 4 ) pumps the raw water to be demineralized through the heat exchanger. The now preheated raw water flows as an open channel over the dark-colored evaporation surface ( 6 ), which serves as a solar absorber, a portion of the raw water evaporating. The residual water enriched with minerals or dirt flows back into the receiving water ( 1 ). The fresh water ( 7 ) condenses on the walls of the heat exchanger, provided that their surface temperature is below the dew point. For example, air with a 70% relative humidity and 35 ° C temperature must hit a wall temperature below 30.5 ° C so that the water vapor condenses out. Large amounts of water with cooler temperatures are generally available in natural waters, but especially at the sea.
Zur Gewinnung der notwendigen Antriebsenergie für die Pumpe kann prinzipiell die vorhandene kinetische Energie der Fortluft durch geeignete Windkonverter (8) erzeugt werden. Eine Zusatzheizung (5) in der Verdunstungsfläche kann die Verdampfungsleistung noch erhöhen.To obtain the necessary drive energy for the pump, the existing kinetic energy of the exhaust air can in principle be generated by suitable wind converters ( 8 ). An additional heater ( 5 ) in the evaporation surface can further increase the evaporation capacity.
Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einem horizontalen Gelände. Mit dem turmartigen Anbau (9) entsteht ein Höhenunterschied der die Induzierung eines schwerkraftbedingten Luftstromes ermöglicht. Nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher fließt das Rohwasser langsam durch flache, wannenartige Behälter (11), die als Solarabsorber dienen und deshalb schwarz oder dunkelfarbig sind. Über einen Überlauf fließt das Restwasser wieder dem Vorfluter (1) zu. Fig. 2 shows the device according to the invention on a horizontal ground. The tower-like extension ( 9 ) creates a height difference that enables the induction of a gravity-induced air flow. After passing through the heat exchanger, the raw water slowly flows through flat, trough-like containers ( 11 ), which serve as solar absorbers and are therefore black or dark-colored. The residual water flows back to the receiving water ( 1 ) via an overflow.
Um die Verdunstung zu verbessern, können die Behälter (11) auch mit Fremdenergie beheizt werden (5). To improve evaporation, the containers ( 11 ) can also be heated with external energy ( 5 ).
Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Art eines Wärmetauschers, beispielsweise aus schräg montierten Rohrregistern. Die warme Luft (16) strömt durch das Rohrregister (10) hindurch. Das kühle Rohwasser (12) fließt durch die Rohrregister und danach als vorgewärmtes Rohwasser (13) zur Verdamp­ fungsfläche im Tunnel. Das kondensierte Frischwasser rinnt entlang den schräg stehenden Rohrregistern in die Auffangwannen (11) hinunter und fließt von dort zum Nutzungsort. Das Rohrregister kann auch längs ange­ strömt werden. Fig. 3 shows a possible type of heat exchanger, for example from diagonally mounted pipe registers. The warm air ( 16 ) flows through the tube register ( 10 ). The cool raw water ( 12 ) flows through the pipe register and then as preheated raw water ( 13 ) to the evaporation surface in the tunnel. The condensed fresh water runs down the inclined pipe registers into the drip pans ( 11 ) and flows from there to the place of use. The pipe register can also be flowed lengthways.
In der Fig. 4 wird die Anordnung von Plattenwärmetauschern (14) in perspektivischer Darstellung gezeigt. Je nach Lage des Gewächshauses, am Berghang oder im flachen Gelände, können die Wärmetauscherflächen auch quer angeströmt werden.In FIG. 4, the arrangement is shown of plate heat exchangers (14) in a perspective view. Depending on the location of the greenhouse, on the mountain slope or on flat terrain, the heat exchanger surfaces can also be flowed across.
Liste der Bezeichnungen:List of names:
 1 Vorfluter
 2 Transparentes Gebäude
 3 Wärmetauscher
 4 Wasserpumpe
 5 Zusatzheizung
 6 Dunkle Verdampfungsfläche
 7 Frischwasser
 8 Windkonverter
 9 Turmartiger Anbau
10 Flache Behälter
11 Rohrregister
12 Rohwasser, kalt
13 Vorgewärmtes Rohwasser
14 Auffangwannen
15 Warme Luft
16 Plattenwärmetauscher
1 receiving water
2 Transparent building
3 heat exchangers
4 water pump
5 additional heating
6 Dark evaporation surface
7 fresh water
8 wind converters
9 Tower-like extension
10 flat containers
11 pipe registers
12 raw water, cold
13 Pre-heated raw water
14 sumps
15 Warm air
16 plate heat exchangers

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Frischwassergewinnung aus einem Luftstrom, der durch Unterschiede der Lufttemperatur und Luftfeuchte schwerkraft­ bedingt innerhalb eines Gebäudes erzeugt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß
  • 1.1 das Gebäude aus einer transparenten Hülle besteht
  • 1.2 der Höhenunterschied einer Geländeform ausgenutzt wird
  • 1.3 mindestens ein Wärmetauscher im Luftstrom eingebracht wird, durch den das zu verdunstende Rohrwasser mit einer geeigneten Pumpe gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1.4 der Wärmetauscher als Kondensator für die Luftfeuchte dient und
  • 1.5 das im Wärmetauscher erwärmte Rohwasser als offenes Gerinne im Gebäude nach unten fließt und direkt von der Sonne zur Steigerung der Verdunstung erwärmt werden kann.
1. Device for the production of fresh water from an air flow that is caused by gravity due to differences in air temperature and humidity within a building, characterized in that
  • 1.1 the building consists of a transparent envelope
  • 1.2 the height difference of a terrain shape is used
  • 1.3 at least one heat exchanger is introduced into the air stream through which the pipe water to be evaporated is pumped with a suitable pump, characterized in that
  • 1.4 the heat exchanger serves as a condenser for the air humidity and
  • 1.5 the raw water heated in the heat exchanger flows down as an open channel in the building and can be heated directly by the sun to increase evaporation.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als offenes Gerinne dienende Verdunstungsoberfläche durch
  • 2.1 geeignete Strukturen oder Materialien vergrößert und
  • 2.2 zusätzlich beheizt wird.
2. Device according to claim 1, characterized in that the evaporation surface serving as an open channel through
  • 2.1 suitable structures or materials enlarged and
  • 2.2 is additionally heated.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 3.1 die transparente Gebäudehülle im flachen Gelände steht und
  • 3.2 einen turmartigen Anbau aufweist.
3. Apparatus according to claim 1 and claim 2, characterized in that
  • 3.1 the transparent building envelope is in flat terrain and
  • 3.2 has a tower-like extension.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 4.1 die Luftzirkulation durch geeignete Maßnahmen mit oder ohne Fremd­ energie erhöht wird und
  • 4.2 daß der induzierte Aufwind mit Hilfe von geeigneten Windgeneratoren auch zur Erzeugung der notwendigen Antriebsenergie für die Pumpe ausgenutzt wird.
4. Device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that
  • 4.1 the air circulation is increased by suitable measures with or without external energy and
  • 4.2 that the induced upwind is used with the help of suitable wind generators to generate the necessary drive energy for the pump.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom und die durchfließende Wassermenge mit geeigneten Geräten so geregelt werden, daß eine thermische Sterilisation des Roh- und/oder Frischwassers erreicht wird.5. Device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the air flow and the amount of water flowing through with suitable Devices are controlled so that thermal sterilization of the Raw and / or fresh water is reached.
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