WO2007054143A1 - Wasserreinigungsanlage - Google Patents

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WO2007054143A1 PCT/EP2006/006834 EP2006006834W WO2007054143A1 WO 2007054143 A1 WO2007054143 A1 WO 2007054143A1 EP 2006006834 W EP2006006834 W EP 2006006834W WO 2007054143 A1 WO2007054143 A1 WO 2007054143A1
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Peter TÜRK
Bernd HÖFLER
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Türk Gmbh Und Bernd Höfler Gbr
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    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Definitions

  • the invention relates to a water purification system according to the preamble of claim 1, in particular for the desalination of seawater or brackish water, but also for wastewater treatment.
  • the object of the invention is therefore to provide a high-performance water purification system that requires only low construction costs and requires virtually no operating costs.
  • the evaporator is formed by a flat vessel which is closed by a plate exposed to solar radiation.
  • the evaporator has a very low overall height, ie the distance between the vessel bottom the and the plate which closes the vessel above, is at most 10 cm, preferably at most 5 cm, more preferably at most 3 cm.
  • a large ratio of the surface of the plate, which is exposed to solar radiation, achieved to the internal volume of the evaporator, so a high energy input into the relatively small internal volume, whereby a very high temperature in the evaporator can be reached.
  • the evaporator has a low water level of at most 5 mm, preferably at most 3 mm, more preferably at most 2 mm. The low water level also leads to a high temperature in the floor area and thus rapid evaporation of the water to be cleaned.
  • the plate which closes the flat evaporator vessel is translucent and provided on its inside with a metal plate, preferably a copper plate, which in turn on the side facing the glass plate preferably has a light-absorbing layer, such as titanium dioxide or a solar paint, as for example in the collectors of thermal solar systems is used.
  • a metal plate preferably a copper plate
  • a light-absorbing layer such as titanium dioxide or a solar paint
  • the use of copper plate is also suitable because copper is resistant to seawater.
  • the transparent plate is preferably formed by an insulating glass to obtain the high temperature in the interior of the evaporator vessel.
  • the provided with the light-absorbing layer copper plate under the insulating glass is thus heated by the solar radiation to a temperature up to 180 0 C.
  • the water supplied to the evaporator can be preheated in a preheater.
  • the preheater is constructed in the same manner as the evaporator, ie it consists of a flat vessel, which is closed by a solar radiation-exposed translucent plate, preferably an insulating glass, on the inside of a metal, in particular copper plate is arranged on the light-permeable plate-facing side with a light-absorbing layer, in particular of titanium dioxide or solar paint, is provided.
  • the preheater preferably also has a small distance between the vessel bottom and plate of at most 10 cm, preferably at most 5 cm, more preferably at most 3 cm. In contrast to the evaporator, however, the preheater can be fully filled.
  • the condenser in which the steam formed in the evaporator is cooled and condenses, is preferably designed as a plate capacitor.
  • the water to be purified is fed to it in countercurrent.
  • the heated in the condenser, in countercurrent, to be purified water can then be fed either directly to the evaporator or the preheater.
  • the condenser is preferably arranged in the shade below the evaporator and / or the preheater.
  • the evaporator and / or the preheater may be provided with an additional heater which may be connected to a thermal solar system.
  • the additional heater can be fed directly to a heated to a high temperature up to 180 0 C heat transfer fluid of the solar system. But also heated in the memory of the solar system liquid can be used for the additional heater.
  • the fan for the hot air line is provided.
  • the fan for the hot air can be operated with the electric power of a photovoltaic system, as well as any pumping of the system. If a thermal solar system is available, with the memory of the solar thermal system, a night operation of the water purification system is possible.
  • the water purification system according to the invention can thus be operated practically energy self-sufficient exclusively with solar energy.
  • a seawater desalination plant it is particularly suitable in regions with a solar energy of 1000 W / m 2 to 1200 W / m 2 .
  • the vessel is lined on the ground and at least up to the level of the water level with a film. Also, the plate is designed to be removable. In seawater desalination, the removal and emptying of the film practically represents the only workload. Since at a capacity of 1 l / m 2 per hour in seawater desalination only a salt layer of about 10 mm per year forms, but the film only very rarely to be emptied.
  • Figures 1 and 2 a longitudinal section and a plan view of a water purification system.
  • the water purification system comprises an evaporator 1, which consists of a flat vessel 2, which is closed with a translucent plate 3, which is exposed to the solar radiation S.
  • the translucent plate 3 is arranged plane-parallel to the bottom 5 of the vessel 2.
  • the plate 3 preferably an insulating glass pane, is provided on its underside with a metal plate, preferably a copper plate 6. Between the metal or copper plate 6 and the transparent plate 3, a light-absorbing layer 7 is provided.
  • the distance a between the vessel bottom 5 and the copper plate 6 of the evaporator is for example 2 cm.
  • the vessel 2 is filled to a height indicated by the arrow h of 2 mm with the water to be purified.
  • a preheater 8 is provided, which consists in the same way of a flat vessel 9, which is closed with a translucent plate 10, preferably an insulating glass, wherein on the underside of the plate 10, a copper plate 11 is disposed, which at the of the translucent Plate 10 facing side is provided with a light-absorbing layer 12.
  • the preheater 8 is flowed through over its entire inner height according to the arrow 13 of the water to be purified.
  • the water to be purified is supplied via the inlet openings 14 to the preheater 8 and exits via the outlet openings 15 from the preheater 8, from where it passes via lines not shown corresponding to the arrows 16, 17 via the inlet openings 18, 19 in the evaporator 1 ,
  • the evaporated water in the evaporator 1 is supplied via the steam outlet 20a, 20b, 20c in lines not shown in the arrows 21 to 23 via the opening 24 to the plate capacitor 25, wherein the condensed in the plate capacitor 25 purified water through the outlet opening 26 according to the arrow 27 is supplied in a line, not shown, a water storage, not shown.
  • the condenser 25 is cooled in countercurrent with the water to be purified according to the arrows 28 to 30.
  • the preheated water during cooling can be at least partially supplied to the preheater 8, as shown by the arrows 31, 32, via the inlet openings 14.
  • the evaporator 1 can also be provided at its other end with steam outlet openings 34a, 34b, 34c, from where the steam can be fed to another capacitor, not shown.
  • the additional heater 35, 36 can be operated with a thermal solar system, not shown.
  • the heat carrier medium heated by the collector of the solar system can be supplied to the devices 35, 36 or the heated liquid from the storage of the solar system.

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Abstract

Eine Wasserreinigungsanlage, insbesondere Meerwasserentsalzungsanlage, weist einen Verdampfer (1) auf, der durch ein flaches Gefäß (2) gebildet ist, das mit einer der Sonnenstrahlung (S) ausgesetzten Platte (3) verschlossen ist. Der Abstand zwischen dem Gefäßboden (5) und der Platte (3) beträgt höchstens 10 cm, der Wasserstand in dem Gefäß (2) höchstens 5 mm.

Description

Wasserreinigungsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserreinigungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zum Entsalzen von Meer- oder Brackwasser, aber auch zur Abwasserreinigung.
Neben der umgekehrten Osmose gehören Destillationsverfahren, bei denen das Wasser verdampft und anschließend kondensiert wird, zu den wichtigsten Verfahren zur Meerwasserentsalzung. Beide Verfahren sind jedoch mit hohen Energiekosten verbunden. Hinzu kommen erhebliche Wartungskosten und insbesondere bei der umgekehrten Osmose beträchtliche Baukosten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wasserreinigungsanlage hoher Leistung zur Verfügung zu stellen, die nur geringe Baukosten erfordert und praktisch ohne Betriebskosten auskommt .
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Wasserreinigungsanlage erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Nach der Erfindung wird der Verdampfer durch ein flaches Gefäß gebildet, das mit einer der Sonnenstrahlung ausgesetzten Platte verschlossen ist. Der Verdampfer weist eine sehr niedrige Bauhöhe auf, d.h. der Abstand zwischen dem Gefäßbo- den und der Platte, die das Gefäß oben verschließt, beträgt höchstens 10 cm, vorzugsweise maximal 5 cm, noch bevorzugter maximal 3 cm. Damit wird ein großes Verhältnis der Fläche der Platte, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, zu dem Innenvolumen des Verdampfers erzielt, also ein hoher Energieeintrag in das vergleichsweise geringe Innenvolumen, wodurch eine sehr hohe Temperatur in dem Verdampfer erreichbar ist. Weiterhin weist der Verdampfer einen geringen Wasserstand von höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, noch bevorzugter höchstens 2 mm auf. Die geringe Wasserhöhe führt auch im Bodenbereich zu einer hohen Temperatur und damit raschen Verdampfung des zu reinigenden Wassers.
Die Platte, die das flache Verdampfergefäß verschließt, ist lichtdurchlässig ausgebildet und an ihrer Innenseite mit einer Metallplatte, vorzugsweise einer Kupferplatte versehen, die ihrerseits auf der der Glasplatte zugewandten Seite vorzugsweise eine lichtabsorbierende Schicht aufweist, beispielsweise aus Titandioxid oder einem Solarlack, wie er beispielsweise bei den Kollektoren thermischer Solaranlagen Verwendung findet. Damit wird ein großer Teil des Sonnenlichts von der Metall- bzw. Kupferplatte in Form von Wärme aufgenommen, die insbesondere durch Strahlung, aber auch durch Konvektion auf die dünne Schicht des zu reinigenden Wassers in dem Verdampfergefäß übertragen wird. Die Verwendung der Kupferplatte bietet sich auch deswegen an, weil Kupfer gegenüber Meerwasser beständig ist. Die transparente Platte wird vorzugsweise durch eine Isolierglasscheibe gebildet, um die hohe Temperatur im Innenraum des Verdampfergefäßes zu erhalten. Die mit der lichtabsorbierenden Schicht versehene Kupferplatte unter der Isolierglasscheibe wird damit durch die Sonnenstrahlung auf eine Temperatur bis 180 0C erwärmt. Das dem Verdampfer zugeführte Wasser kann in einem Vorerwär- mer vorerwärmt werden. Der Vorerwärmer ist in gleicher Weise wie der Verdampfer aufgebaut, d.h. er besteht aus einem flachen Gefäß, das mit einer der Sonnenstrahlung ausgesetzten lichtdurchlässigen Platte, vorzugsweise einer Isolierglasscheibe verschlossen ist, an deren Innenseite eine Metall-, insbesondere Kupferplatte angeordnet ist, die auf der der lichtdurchlässigen Platte zugewandten Seite mit einer lichtabsorbierenden Schicht, insbesondere aus Titandioxid oder Solarlack, versehen ist. Dabei weist auch der Vorerwärmer vorzugsweise einen geringen Abstand zwischen Gefäßboden und Platte von höchstens 10 cm, vorzugsweise höchstens 5 cm, noch bevorzugter höchstens 3 cm auf. Im Gegensatz zum Verdampfer kann jedoch der Vorerwärmer voll befüllt sein.
Der Kondensator, in dem der im Verdampfer gebildete Wasserdampf abgekühlt wird und kondensiert, ist vorzugsweise als Plattenkondensator ausgebildet. Zum Kühlen wird ihm im Gegenstrom das zu reinigende Wasser zugeführt. Das im Kondensator erwärmte, im Gegenstrom geführte, zu reinigende Wasser kann dann entweder direkt dem Verdampfer oder dem Vorerwärmer zugeführt werden. Der Kondensator ist vorzugsweise im Schatten unter dem Verdampfer und/oder dem Vorerwärmer angeordnet .
Der Verdampfer und/oder der Vorerwärmer kann mit einer Zusatzheizeinrichtung versehen sein, die an eine thermische Solaranlage angeschlossen sein kann. Der Zusatzheizeinrichtung kann dabei direkt die auf eine hohe Temperatur bis zu 180 0C erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit der Solaranlage zugeführt werden. Aber auch die im Speicher der Solaranlage erwärmte Flüssigkeit kann für die Zusatzheizeinrichtung verwendet werden. Auch ist es möglich, Heißluft über die Wasserfläche in dem Verdampfer streichen zu lassen, wozu der Verdampfer neben einem Wasserzu- und -ablauf auch mit einer Luftzuleitung versehen ist. Der Ventilator für die Heißluft leitung versehen ist. Der Ventilator für die Heißluft kann mit dem elektrischen Strom einer Photovoltaikanlage betrieben werden, ebenso etwaige Pumpen der Anlage. Wenn eine thermische Solaranlage vorhanden ist, ist mit dem Speicher der thermischen Solaranlage auch ein Nachtbetrieb der Wasserreinigungsanlage möglich.
Die erfindungsgemäße Wasserreinigungsanlage kann damit praktisch energieautark ausschließlich mit Solarenergie betrieben werden. Als Meerwasserentsalzungsanlage ist sie insbesondere in Regionen mit einer Solarenergie von 1000 W/m2 bis 1200 W/m2 geeignet. Das bedeutet, dass pro Stunde und Quadratmeter des Verdampfers ca. 1 1 Wasser gewonnen werden kann. Wenn man von ca. 8 h Sonnenschein pro Tag und der Nutzung der geschilderten Vorwärmeffekte ausgeht, kann man dahin auf eine Tagesleistung von ca. 14 l/m2 kommen. Das bedeutet, dass eine Anlage mit einem Verdampfer mit einer Fläche von 100 m2 pro Tag 1,4 m3 Süßwasser liefert.
Um das Verdampfergefäß zu reinigen, ist das Gefäß am Boden und zumindest bis zur Höhe des Wasserstandes mit einer Folie ausgekleidet. Auch ist die Platte dazu abnehmbar ausgebildet. Bei der Meerwasserentsalzung stellt das Herausnehmen und Entleeren der Folie praktisch den einzigen Arbeitsaufwand dar. Da sich bei einer Leistung von 1 l/m2 pro Stunde bei der Meerwasserentsalzung pro Jahr nur eine Salzschicht von etwa 10 mm bildet, braucht die Folie aber nur sehr selten entleert zu werden.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen: Figur 1 und 2 einen Längsschnitt bzw. eine Draufsicht auf eine Wasserreinigungsanlage.
Die Wasserreinigungsanlage weist einen Verdampfer 1 auf, der aus einem flachen Gefäß 2 besteht, das mit einer lichtdurchlässigen Platte 3 verschlossen ist, die der Sonnenstrahlung S ausgesetzt ist. Die lichtdurchlässige Platte 3 ist planparallel zum Boden 5 des Gefäßes 2 angeordnet.
Die Platte 3, vorzugsweise eine Isolierglasscheibe, ist an ihrer Unterseite mit einer Metall-, vorzugsweise einer Kupferplatte 6 versehen. Zwischen der Metall- bzw. Kupferplatte 6 und der lichtdurchlässigen Platte 3 ist eine lichtabsorbierende Schicht 7 vorgesehen.
Der Abstand a zwischen dem Gefäßboden 5 und der Kupferplatte 6 des Verdampfers beträgt beispielsweise 2 cm. Das Gefäß 2 ist bis zu einer durch den Pfeil h angedeuteten Höhe von 2 mm mit dem zu reinigenden Wasser gefüllt.
Ferner ist ein Vorerwärmer 8 vorgesehen, der in gleicher Weise aus einem flachen Gefäß 9 besteht, das mit einer lichtdurchlässigen Platte 10, vorzugsweise einer Isolierglasscheibe, verschlossen ist, wobei an der Unterseite der Platte 10 eine Kupferplatte 11 angeordnet ist, die an der der lichtdurchlässigen Platte 10 zugewandten Seite mit einer lichtabsorbierenden Schicht 12 versehen ist. Der Vorerwärmer 8 wird jedoch über seine gesamte Innenhöhe gemäß dem Pfeil 13 von dem zu reinigenden Wasser durchströmt. Das zu reinigende Wasser wird dazu über die Einlassöffnungen 14 dem Vorerwärmer 8 zugeführt und tritt über die Auslassöffnungen 15 aus dem Vorerwärmer 8 aus, von wo es über nicht dargestellte Leitungen entsprechend den Pfeilen 16, 17 über die Einlassöffnungen 18, 19 in den Verdampfer 1 gelangt. Das in dem Verdampfer 1 verdunstete Wasser wird über die Dampfauslassöffnungen 20a, 20b, 20c in nicht dargestellten Leitungen gemäß den Pfeilen 21 bis 23 über die Öffnung 24 dem Plattenkondensator 25 zugeführt, wobei das im Plattenkondensator 25 kondensierte gereinigte Wasser über die Auslassöffnung 26 gemäß dem Pfeil 27 in einer nicht dargestellten Leitung einem nicht dargestellten Wasserspeicher zugeführt wird.
Der Kondensator 25 wird im Gegenstrom mit dem zu reinigenden Wasser gemäß den Pfeilen 28 bis 30 gekühlt. Das beim Kühlen vorerwärmte Wasser kann zumindest teilweise dem Vorerwärmer 8, wie durch die Pfeile 31, 32 dargestellt, über die Einlassöffnungen 14 zugeführt werden.
Der Verdampfer 1 kann auch an seinem anderen Ende mit Dampfauslassöffnungen 34a, 34b, 34c versehen sein, von wo der Dampf einem weiteren, nicht dargestellten Kondensator zugeführt werden kann.
Unter dem Verdampfer 1 und dem Vorerwärmer 8 ist jeweils eine schematisch dargestellte Zusatzheizeinrichtung 35 bzw. 36 angeordnet. Die Zusatzheizeinrichtung 35, 36 kann mit einer nicht dargestellten thermischen Solaranlage betrieben werden. Dazu kann das vom Kollektor der Solaranlage aufgeheizte Wärmeträgermedium den Einrichtungen 35, 36 zugeführt werden oder die erhitzte Flüssigkeit aus dem Speicher der Solaranlage.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserreinigungsanlage mit einem Verdampfer (1) und einem Kondensator für das verdampfte, gereinigte Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) durch ein flaches Gefäß (2) gebildet ist, das mit einer der Sonnenstrahlung (S) ausgesetzten Platte (3) verschlossen ist, wobei der Abstand (a) zwischen dem Gefäßboden (5) und der Platte (3) höchstens 10 cm und der Wasserstand (h) in dem Gefäß (2) höchstens 5 mm beträgt.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (3) abnehmbar ausgebildet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (3) lichtdurchlässig ausgebildet ist.
4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite der lichtdurchlässigen Platte (3) eine Metallplatte angeordnet ist.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte auf der der lichtdurchlässigen Platte (3) zugewandten Seite mit einer lichtabsorbierenden Schicht (7) versehen ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässige Platte (3) eine Isolierglasscheibe ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässige Platte (3) doppelt verglast ist.
8. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte eine Kupferplatte (6) ist.
9. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (2) des Verdampfers (1) am Boden (5) und zumindest bis zur Höhe (h) des Wasserstandes mit einer Folie ausgekleidet ist.
10. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorerwärmer (8) zum Vorerwärmen des dem Verdampfer (1) zugeführten Wassers vorgesehen ist .
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorerwärmer (8) in gleicher Weise wie der Verdampfer (1) aufgebaut ist, jedoch einen höheren Wasserstand als der Verdampfer (1) aufweist.
12. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator zum Kühlen des zu reinigenden Wassers im Gegenstrom ausgebildet ist und das in dem Kondensator erwärmte im Gegenstrom geführte Wasser dem Verdampfer (1) und/oder dem Vorerwärmer (8) zugeführt wird.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator im Schatten unter dem Verdampfer (1) und/oder dem Vorerwärmer (8) angeordnet ist.
14. Anlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator als Plattenkondensator (25) ausgebildet ist.
15. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) und/oder der Vo- rerwärmer (8) mit einer Zusatzheizeinrichtung (35, 36) versehen ist.
16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Zusatzheizeinrichtung (35, 36) eine thermische Solaranlage vorgesehen ist.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzheizeinrichtung (35, 36) die Wärmeträgerflüssigkeit von dem Kollektor der Solaranlage oder die in dem Speicher der Solaranlage erwärmte Flüssigkeit zugeführt wird.
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