WO2011070105A2 - Verdampfer und meerwasserentsalzungsanlage mit einem solchen verdampfer - Google Patents

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WO2011070105A2
WO2011070105A2 PCT/EP2010/069258 EP2010069258W WO2011070105A2 WO 2011070105 A2 WO2011070105 A2 WO 2011070105A2 EP 2010069258 W EP2010069258 W EP 2010069258W WO 2011070105 A2 WO2011070105 A2 WO 2011070105A2
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Andreas Tausch
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Environeers Technologies Ag
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/0011—Heating features
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/22—Evaporating by bringing a thin layer of the liquid into contact with a heated surface
    • B01D1/222—In rotating vessels; vessels with movable parts
    • B01D1/223—In rotating vessels; vessels with movable parts containing a rotor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/08—Thin film evaporation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination

Definitions

  • the present invention relates to a device for
  • system can be used for any other form of
  • Water treatment z. B. brackish water or bacterial contaminated water can be used.
  • the recovered water is practically sterile.
  • the aim and thus the object of the present invention is that the evaporation takes place essentially without heat input and thus an energy-efficient system
  • the present invention is based on the idea to bring the water by means of cavitation for spontaneous evaporation, wherein a principle that is used in semiconductor comminution is used. Another basic idea of the present invention is that of cavitation
  • the device for vaporizing a liquid and in particular water, comprises a housing with a liquid inlet for the introduction or introduction of the liquid
  • channels which are preferably designed in cross-section C-shaped but may also be U-shaped.
  • the radially outer ends of the respective channels form the inner surface of the housing defining the gap.
  • Another aspect of the present invention is the high pressures and the
  • the generator comprises a stator and a rotor, wherein the generator is supplied with the evaporated liquid and a
  • volume change work acts directly on the runner. That is, the volume change work is done directly and without
  • Friction losses and dissipation losses can be reduced or avoided.
  • the generator used is a linear generator
  • the linear generator comprises a stator, the stationary, non-moving part of the generator, and a rotor, the linearly movable part of the generator.
  • the stand surrounds the runner
  • the stand is usually and preferably cylindrical in shape and can assume circular or polygonal cross-sectional shapes.
  • the linearly displaceable rotor is usually adapted in cross section to the inner cross section of the stator.
  • a first chamber is formed on one side and a second chamber on the other side of the rotor, which also acts as a piston.
  • the first and the second chamber are alternately, for example via a two-way valve, with the steam outlet in
  • Ring generator to use which has turbine blades, which comprise a rotating rotor ring and are surrounded by a housing containing the stator.
  • Turbine blades from one side to the other, comparable to a turbine, whereby the turbine blades and the associated rotor ring are rotated and a voltage is induced in the stator.
  • the electrical energy generated in the generator can be fed into a power grid or used by other consumers. According to a preferred embodiment of
  • the generated electric power is used to drive the rotor of the evaporator.
  • the present invention is used for the treatment of water, wherein for example sterilized via the evaporator and the high temperatures water and can be cleaned through a filter to produce drinking water.
  • the device for treating water is particularly preferably used in seawater desalination. It includes a device like the one above
  • the filter is preferably formed by a device for membrane distillation.
  • This preferably comprises a condenser channel and an opposite one
  • the condenser channel is provided with an inlet to the. Introducing impure water, to.
  • Example seawater designed, wherein the device for evaporating water between the condenser channel and the evaporator channel is arranged and the introduced impure water to
  • the evaporator channel is subdivided by a preferably hydrophobic, porous membrane into a distillate channel with a distillate outlet for the removal of purified, in particular desalinated, water, and a cozentrate channel with a concentrate outlet for the removal of concentrate, in particular brine.
  • the membrane is preferably hydrophobic so that it is not directly from liquid Water is wetted.
  • PTFE can be used.
  • the pore size is about 35 ⁇ .
  • the membrane may be mounted on a plastic sieve which serves for mechanical support and has larger pores than the membrane, and preferably also one
  • hydrophobic material is formed on the two sides of the membrane there is a temperature difference, so that a part of the water diffuses as vapor through the membrane and condenses on the opposite membrane surface, where the heat of condensation possibly serves for preheating in the condenser channel.
  • the residual heat of pure water can also be used elsewhere, for example as domestic hot water.
  • the distillate channel also has an outlet for removal of the purified water, for example, the
  • Drinking water supply can be supplied.
  • Concentrate channel with the Konzentratauslass is preferably connected to a removable container, so that the
  • Figure 1 is a schematic view of an apparatus for
  • Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line 2-2
  • Figure 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3
  • Figure 1 shows; and Figure 4 shows an alternative embodiment for the generator in Figure 1.
  • Figure 1 shows a schematic view of a device for desalination of seawater. This comprises a device for membrane distillation 10, an evaporator 20 for
  • the device for membrane distillation 10 comprises a condenser channel 11 with a seawater inlet 12 and an outlet 13, which also serves as an inlet to the evaporator 20. Further, one to the condenser channel 11 opposite
  • Evaporator 14 provided, which is directly and directly adjacent to the capacitor channel 11.
  • the condenser channel 11 and the evaporator channel 14 are separated by a partition wall 15, which is preferably formed of a material with good thermal conductivity, for example aluminum or copper.
  • the flow direction in the two channels is opposite.
  • the evaporator channel 14 has a steam inlet 16. He is also through a
  • Microporous membrane 17 in a down in Figure 1 concentrate channel 18 and an overhead distillate channel 19 divided.
  • the membrane 17 is designed so that it only lets through water vapor, but retains liquid water and larger molecules.
  • it is preferably made of a hydrophobic material, for example PTFE,
  • the membrane may be mounted on a plastic sieve which serves for mechanical support.
  • the plastic screen has larger pores and is also made of a hydrophobic material.
  • the distillate channel 19 is on the one hand by the membrane 17 and on the other hand by the partition wall 15 delimited, wherein heat of the distillate
  • the distillate channel 19 finally has a
  • Distillate outlet 41, on the pure, demineralized water can be removed.
  • the concentrate channel 18 has a concentrate outlet 42, which is releasably connected to a collecting container 40, whereby the container 40 is exchangeable.
  • the container is used to absorb brine which forms during desalting. This can be used as a raw material in particular in the case of poorly contaminated seawater for further processing in the chemical industry.
  • the device for evaporating water 20 comprises a housing 21 and a rotor 22 which is rotatably received in the housing 21 about an axis 23.
  • the rotor 22 is driven by a motor 24, on the one hand with a
  • Power supply 25 is connected.
  • the motor 24 is supplied via the generator 30 with power, which is indicated by the connecting line 26.
  • a gap 27 is formed, which is dimensioned such that the liquid in the gap 27 during rotation of the rotor 22 claimed to shear spontaneously evaporated.
  • a plurality schaufelf rmiger elevations 28 is provided (Fig. 2).
  • the blades 28 are inclined in the direction of rotation R of the rotor 22.
  • the outer ends in the radial direction of the blades 28 define or limit one side of the gap 27.
  • the channels 29 have in cross-section, as shown in Figure 2, an egg-shaped shape, but may also be U-shaped.
  • the radially inner ends of the channels 29, for example the ends of the radially extending legs of the channels 29, thereby form the second boundary of the gap 27.
  • Velocity behavior of the liquid in the evaporator 20 varies locally, causing local pressure changes
  • the steam outlet 31 is also connected via a pipe to the generator 30, ie the generator 30 is directly acted upon by steam from the device 20.
  • the generator 30 is formed by a ring generator, as shown in cross section in Figure 3.
  • the ring generator 30 comprises a plurality of turbine blades 32, which are rotatably mounted about an axis 33 in the housing 34.
  • the turbine show eln 32 are about a rotating rotor ring 35 with each other
  • the stator 39 or its winding is also included.
  • the rotor ring 35 also rotates, thereby inducing a voltage in the stator 39, which is optionally converted via an inverter (not shown) to the voltage required by the motor 24 and the motor 24 for driving the rotor 22 Alternatively, the electricity generated by other
  • the generator 30 comprises a steam inlet 37 for impinging the rotor 36 with steam from the outlet 31 and a steam outlet 38 on which the steam is discharged after expansion in the turbine blade stage.
  • the steam outlet 38 is connected to the steam inlet 16 of the evaporator channel 14.
  • the linear generator shown in FIG. 4 can also be used.
  • the steam outlet 31 is connected to a two-way valve 39, which connects the steam outlet 31 alternately with a first steam line 50 and a second steam line 51.
  • the first vapor line 50 opens into a first chamber 52 of a linear generator, while the second
  • Steam line 51 opens into a second chamber 53 of the linear generator.
  • the linear generator has a stator 54
  • the rotor 55 is provided on opposite sides, each with a piston 56 which seals tightly against the inner wall of the linear generator.
  • the first chamber 52 and the second chamber 53 are formed on the opposite sides of the piston surfaces of the pistons 56, and thus of the rotor 55.
  • each chamber 52, 53 an outlet 59, each of which
  • Inlet 12 is supplied and flows through the condenser channel 11 to the liquid inlet 13. On the way from the inlet 12 to the outlet / inlet 13, the sea water on the in
  • the cavitation leads to the spontaneous evaporation of the liquid in the device 20, wherein the generated steam is removed via the steam outlet 31.
  • the rotor 22 is driven by a motor 24.
  • the extracted steam is fed to a generator 30, either in the form of the ring generator shown in FIGS. 1 and 3, or a linear generator as shown in FIG.
  • Evaporator 14 There diffuses the pure water vapor f ie only the water molecules, through the membrane 17 in the distillate channel 19 where the water condenses steam and the condensate heat is discharged through the partition 15 to the condenser channel 11 and preheating new, impure
  • the present invention a simple structure, and thus inexpensive system is created, which is at the same time low maintenance and low energy. As a result, the use is possible especially in developing countries.
  • the present invention is not limited to the above embodiment. Rather, various modifications are conceivable.
  • the device for vaporizing a liquid according to the present invention can also be used for media other than water and find a use other than in the treatment of water.
  • the cross-sectional shape of the channels can be chosen differently.
  • the use of the current generated in the generator is arbitrary and can be used for other consumers than the motor for driving the rotor. Also, instead of the heat release

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, umfassend ein Gehäuse (21) mit einem Flüssigkeitseinlass (12) zum Einströmen der Flüssigkeit in das Gehäuse (21) und einem Dampfauslass (13) zum Entnehmen von verdampfter Flüssigkeit; und einen in dem Gehäuse (21) drehbar gelagerten Rotor (22), wobei ein Spalt (27) zwischen der Innenfläche des Gehäuses (21) und der Außenfläche des Rotors (22) gebildet ist, in dem die Flüssigkeit bei Drehung des Rotors auf Scherung beansprucht spontan verdampft. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zur Behandlung von Wasser mit einer solchen Vorrichtung und einem Filter zum Trennen nicht volatiler Stoffe, insbesondere Salz aus dem verdampften Wasser.

Description

Verdampfer und Meerwasserentsalzungsanlage mit einem solchen
Verdampfer
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, sowie eine Vorrichtung zum Behandeln von Wasser, insbesondere zur
Meerwasserentsalzung, umfassend eine solche Vorrichtung.
Ferner kann das System für jede andere Form der
Wasseraufbereitung z. B. von Brackwasser oder bakterielle verseuchtem Wasser genutzt werden. Das gewonnene Wasser ist praktisch steril.
Dabei ist Ziel und damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das die Verdampfung im Wesentlichen ohne Wärmeeintrag stattfindet und damit ein energieeffizientes System
geschaffen wird, das zugleich kompakt und kostengünstig herstellbar ist.
Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Wasser mittels Kavitation zur Spontanverdampfung zu bringen, wobei ein Prinzip das in der Halbleiterzerkleinerung zum Einsatz kommt verwendet wird. Ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die bei der Kavitation
entstehenden sehr hohen Drücke von bis zu 400 bar und
Temperaturen des erzeugten Wasserdampfs von ca. 130 °C zur Energierückgewinnung zu nutzen.
Dementsprechend umfasst die Vorrichtung zum Verdampfen einer Flüssigkeit, und insbesondere Wasser, ein Gehäuse mit einem Flüssigkeitseinlass zum Einströmen bzw. Einbringen der
Flüssigkeit in das Gehäuse und einem Dampfauslass zum
Entnehmen von verdampfter Flüssigkeit sowie einen in dem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor. Dabei ist ein Spalt
zwischen dem Rotor und dem Gehäuse, d. h. zwischen der
Innenfläche des Gehäuses und der Außenfläche des Rotors, derart bemessen, dass die Flüssigkeit bei Drehung des Rotors in der Vorrichtung auf Kavitation und Scherungen beansprucht wird und spontan verdampft. Mit anderen Worten wird mittels des Rotors in dem Gehäuse in dem Spalt künstlich Kavitation erzeugt und die dabei verdampfende Flüssigkeit in Form von Wasserdampf abgeführt. Es entstehen hohe Drücke von bis zu 400 bar mit Temperaturen der verdampften Flüssigkeit von ca. 130 °C bei Verwendung von Wasser, wobei kein separater
Eintrag von Wärme, außer ggf. einer geringen Vorwärmung des Wassers vor der Einspeisung in das Gehäuse zur Verdampfung der Flüssigkeit erforderlicht ist. Dadurch wird ein
energieeffizientes System mit einfachem Aufbau, und damit geringen Kosten, geschaffen.
Um den Effekt der Kavitation zu verstärken ist es bevorzugt auf der Außenfläche des Rotors eine Vielzahl von
geometrischen Formen (Erhebungen) anzuordnen, die sich radial von einer Außenfläche des Rotors erstrecken, wobei die radial außen liegenden Enden den Spalt definieren.
Dies kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform durch im Querschnitt schaufei- oder keilförmige Erhebungen erfolgen. Es sind aber auch trapezförmige oder andersartig
ausgestaltete Erhebungen bzw. Profilgestaltungen möglich. Durch die Erhebungen entstehen in Bereichen in
Rotationsrichtung vor den Erhebungen und in Bereichen in Rotationsrichtung hinter den Erhebungen erhebliche
Geschwindigkeitsunterschiede in der Flüssigkeit, die die Kavitation begünstigen. Bei einer keilförmigen Ausgestaltung ist es dabei bevorzugt die Keilfläche der Rotationsrichtung abgewandt vorzusehen, während die im Wesentlichen radial verlaufende Kante des Keils in Rotationsrichtung vorne liegt. Gleichermaßen sind bei einer schaufelförmigen Ausgestaltung die Schaufeln vorzugsweise in Rotationsrichtung geneigt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es zur weiteren Verstärkung des Kavitationseffektes denkbar, auf der Innenfläche des Gehäuses in Umfangsrichtung mehrere in
Längsrichtung des Gehäuses verlaufende Kanäle anzuordnen, die im Querschnitt vorzugsweise C-förmig ausgestaltet sind aber auch U-förmig sein können. Dabei bilden die in Radialrichtung verlaufenden äußeren Enden der jeweiligen Kanäle die den Spalt definierende Innenfläche des Gehäuses. Durch die Kanäle werden gleichfalls „Toträume" geschaffen, in denen sich eine Geschwindigkeitsreduzierung im Vergleich zu den umgebenden Bereichen insbesondere im Spalt ergibt, die zu einer
Unterstützung des Kavitationseffekts führt.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung aus den hohen Drücken und den
Temperaturen des erzeugten Dampfes Kapital zu schlagen und ein System zur Energierückgewinnung zu integrieren.
Dementsprechend ist es vorteilhaft einen Generator zur
Erzeugung elektrischer Energie vorzusehen, der in
Fluidverbindung mit dem Dampfauslass steht. Um ein
wartungsarmes, kostengünstiges und effektives System zu schaffen ist es dabei bevorzugt, dass der Generator einen Ständer und einen Läufer umfasst, wobei der Generator mit der verdampften Flüssigkeit beaufschlagt wird und eine
Entspannung der verdampften Flüssigkeit im Generator erfolgt. Hier ist der Generator so gestaltet, dass die bei der
Entspannung der verdampften Flüssigkeit auftretende
Volumenänderungsarbeit unmittelbar auf den Läufer wirkt. Das heißt die Volumenänderungsarbeit wird direkt und ohne
zwischengeschaltete Elemente in mechanische Arbeit ( die Bewegung des Läufers} umgewandelt. Dadurch können aufwändig zwischengeschaltete Elemente, und damit verbundene
Reibungsverluste und Dissipationsverluste, reduziert oder vermieden werden. Alternativ kann die Wärmeenergie auch in z. B. Heizungsanlagen oder anderweitig genutzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommt als Generator ein Lineargenerator zum
Einsatz, wie sie im Stand der Technik im Prinzip bekannt sind. Bei einem Lineargenerator handelt es sich dabei um einen Generator, der an einer geraden Linie, nicht an einer Drehachse, anfallende Bewegungsenergien in elektrische
Energie umwandelt. Zu diesem Zweck weist der Lineargenerator einen Ständer, den feststehenden, nicht beweglichen Teil des Generators, und einen Läufer, den linearbeweglichen Teil des Generators, auf. Dabei umgibt der Ständer den Läufer
zumindest teilweise und kann sich aus mehreren einzelnen Wicklungsabschnitten zusammensetzen. Daher ist der Ständer in der Regel und vorzugsweise zylindrisch ausgestaltet und kann kreisrunde oder mehreckige Querschnittsformen annehmen. Der linearverschiebbare Läufer ist in der Regel im Querschnitt an den Innenquerschnitt des Ständers angepasst. Gemäß dieser Ausgestaltung ist eine erste Kammer auf einer Seite und eine zweite Kammer auf der anderen Seite des Läufers ausgebildet, der zugleich als Kolben fungiert. Um die verdampfte
Flüssigkeit direkt auf den Läuferkolben aufzubringen, werden die erste und die zweite Kammer abwechselnd, zum Beispiel über ein Zweiwegeventil, mit dem Dampfauslass in
Fluidverbindung gebracht, d. h. die Kammern werden
abwechselnd mit verdampfter Flüssigkeit (Dampf) beaufschlagt, wodurch sich der Kolben entsprechend verschiebt und eine Entspannung mit der einhergehenden Volumenänderung der verdampften Flüssigkeit erfolgt. Durch die Verschiebung des Läufers wird in dem Ständer eine Spannung induziert und somit elektrische Energie erzeugt.
Alternativ ist es auch denkbar als Generator einen
Ringgenerator zu verwenden, der Turbinenschaufeln aufweist, welche einen umlaufenden Läuferring umfassen und von einem den Ständer enthaltenden Gehäuse umgeben sind. Dabei
durchströmt die verdampfte Flüssigkeit (Dampf) die
Turbinenschaufeln von einer Seite zur anderen, vergleichbar mit einer Turbine, wodurch die Turbinenschaufeln und der damit verbundene Läuferring rotiert werden und in dem Ständer eine Spannung induziert wird.
Die im Generator erzeugte elektrische Energie kann in ein Stromnetz eingespeist oder durch andere Verbraucher genutzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird die erzeugte elektrische Energie jedoch zum Antreiben des Rotors des Verdampfers genutzt.
Besonders vorteilhaft wird die vorliegende Erfindung zur Behandlung von Wasser verwendet, wobei beispielsweise über den Verdampfer und die hohen Temperaturen Wasser entkeimt und über einen Filter gesäubert werden kann, um Trinkwasser zu produzieren. Besonders bevorzugt kommt die Vorrichtung zur Behandlung von Wasser jedoch bei der Meerwasserentsalzung zum Einsatz. Sie umfasst eine Vorrichtung wie sie oben
beschrieben wurde sowie einen Filter zum Trennen nicht volatiler Stoffe, insbesondere Salz, oder anderer
Verunreinigungen aus dem verdampften Wasser.
Dabei ist der Filter vorzugsweise durch eine Einrichtung zur Membrandestillation gebildet. Diese umfasst vorzugsweise einen Kondensatorkanal und einen gegenläufigen
Verdampferkanal. Der Kondensatorkanal ist mit einem Einlass zum. Einführen von unreinem Wasser, zum. Beispiel Meerwasser, ausgestaltet, wobei die Vorrichtung zum Verdampfen von Wasser zwischen dem Kondensatorkanal und dem Verdampferkanal angeordnet ist und das eingebrachte unreine Wasser zur
Spontanverdampfung bringt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Verdampferkanal durch eine vorzugsweise hydrophobe, poröse Membran in einen Destillatkanal mit einem Destillatauslass zur Entnahme von gereinigtem, insbesondere entsalztem, Wasser, und einen Kozentratkanal mit einem Konzentratauslass zur Entnahme von Konzentrat, insbesondere Salzlake unterteilt. Die Membran ist vorzugsweise hydrophob damit sie nicht direkt von flüssigem Wasser benetzt wird. Beispielsweise kann PTFE zum Einsatz kommen. Die Porengröße beträgt ca. 35 μηα. Ferner kann die Membran auf einem Kunststoffsieb befestigt sein, das zur mechanischen Unterstützung dient und größere Poren als die Membran aufweist und vorzugsweise ebenfalls aus einem
hydrophoben Material gebildet ist. Auf den beiden Seiten der Membran herrscht eine Temperaturdifferenz, so dass ein Teil des Wassers als Dampf durch die Membran diffundiert und an der gegenüberliegenden Membranfläche kondensiert, wo die Kondensationswärme ggf. zur Vorwärmung im Kondensatorkanal dient. Alternativ ist die Restwärme des reinen Wassers auch anderweitig nutzbar, zum Beispiel als Brauchwarmwasser. Der Destillat kanal weist ferner einen Auslass zur Entnahme des gereinigten Wassers auf, das beispielsweise der
Trinkwasserversorgung zugeführt werden kann. Der
Konzentratkanal mit dem Konzentratauslass ist vorzugsweise mit einem wechselbaren Behälter verbunden, so dass die
Salzlake in dem Behälter als Rohstoff für die chemische
Industrie zur weiteren Verarbeitung Verwendung finden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der obigen Merkmale umgesetzt werden können, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen, sind der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu entnehmen. Diese Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur
Entsalzung von Salzwasser mit einer Vorrichtung zum
Verdampfen von Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 aus
Figur 1 zeigt;
Figur 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 aus
Figur 1 zeigt; und Figur 4 eine alternative Ausführung für den Generator in Figur 1 zeigt.
In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Elemente.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser. Diese umfasst eine Einrichtung zur Membrandestillation 10, einen Verdampfer 20 zum
Verdampfen von Wasser, einen Generator 30 sowie einen
Salzlakebehälter 40.
Die Einrichtung zur Membrandestillation 10 umfasst einen Kondensatorkanal 11 mit einem Meerwassereinlass 12 und einem Auslass 13, der auch als Einlass in den Verdampfer 20 dient. Ferner ist ein zum Kondensatorkanal 11 gegenläufiger
Verdampferkanal 14 vorgesehen, der unmittelbar und direkt an den Kondensatorkanal 11 angrenzt. Mit anderen Worten sind der Kondensatorkanal 11 und der Verdampferkanal 14 durch eine Trennwand 15 voneinander getrennt, die vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, gebildet ist. Die Strömungsrichtung in den beiden Kanälen ist gegenläufig. Der Verdampferkanal 14 weist einen Dampfeinlass 16 auf. Er ist ferner durch eine
mikroporöse Membran 17 in einen in Figur 1 unten liegenden Konzentratkanal 18 und einen oben liegenden Destillatkanal 19 unterteilt. Die Membran 17 ist so ausgestaltet, dass sie nur Wasserdampf durchlässt, flüssiges Wasser und größere Moleküle jedoch zurückhält. Zu diesem Zweck ist sie bevorzugterweise aus einem hydrophoben Material, zum Beispiel PTFE,
ausgestaltet und besitzt Porengrößen von ca. 35 pm.
Gegebenenfalls kann die Membran auf einem Kunststoffsieb befestigt sein, das zur mechanischen Unterstützung dient. Das Kunststoffsieb weist größere Poren auf und besteht ebenfalls aus einem hydrophoben Material. Der Destillatkanal 19 ist dabei einerseits durch die Membran 17 und andererseits durch die Trennwand 15 abgegrenzt, wobei Wärme des Destillats
(dampfförmig) an das eingespeiste, unreine Meerwasser im Kondensatorkanal 11 abgegeben wird, um dieses vorzuwärmen. Alternativ ist es statt dieser Ausgestaltung jedoch auch denkbar, die Wärme des Destillats (reinen Wassers)
anderweitig, zum Beispiel als Brauchwarrawasser, zu nutzen. Der Destillatkanal 19 weist schließlich einen
Destillatauslass 41 auf, über den reines, entsalztes Wasser entnommen werden kann. Der Konzentratkanal 18 weist einen Konzentratauslass 42 auf, der mit einem Auffangbehälter 40 lösbar verbunden ist, wodurch der Behälter 40 wechselbar ist. Der Behälter dient der Aufnahme von bei der Entsalzung entstehender Salzlake. Diese kann insbesondere bei wenig verunreinigtem Meerwasser zur Weiterverarbeitung in der chemischen Industrie als Rohstoff verwendet werden.
Die Vorrichtung zum Verdampfen von Wasser 20 umfasst ein Gehäuse 21 sowie einen Rotor 22, der um eine Achse 23 drehbar in dem Gehäuse 21 aufgenommen ist. Der Rotor 22 wird durch einen Motor 24 angetrieben, der einerseits mit einer
Stromversorgung 25 verbunden ist. Andererseits wird der Motor 24 über den Generator 30 mit Strom versorgt, was durch die Verbindungsleitung 26 angedeutet ist. Zwischen dem Gehäuse 21 und dem Rotor 22, d. h. zwischen der Innenfläche des Gehäuses 21 und der Außenfläche des Rotors 22, ist ein Spalt 27 ausgebildet, der derart bemessen ist, dass die Flüssigkeit im Spalt 27 bei Rotation des Rotors 22 auf Scherung beansprucht spontan verdampft.
Dabei ist auf der Außenfläche des Rotors 22 eine Vielzahl schaufelf rmiger Erhebungen 28 vorgesehen (Fig. 2) . Statt der schaufelförmigen Erhebung 28 können sich auch keilförmige oder trapezförmige Profile anbieten. Die Schaufeln 28 sind dabei in Richtung der Rotation R des Rotors 22 geneigt. Die äußeren Enden in Radialrichtung der Schaufeln 28 definieren bzw. begrenzen dabei eine Seite des Spaltes 27. Auf der Innenfläche des Gehäuses 21 sind darüber hinaus mehrere in Längsrichtung, d. h. entlang der Rotorachse 23, verlaufende Kanäle 29 vorgesehen. Die Kanäle 29 weisen im Querschnitt, wie er in Figur 2 dargestellt ist, eine ei förmige Gestalt auf, können jedoch auch U-förmig sein. Die radial inneren Enden der Kanäle 29, zum Beispiel die Enden der radial verlaufenden Schenkel der Kanäle 29, bilden dabei die zweite Begrenzung des Spalts 27.
Durch die Neigung der Schaufeln in Rotationsrichtung sowie die Schaffung von Toträumen in den Kanälen 29 wird das
Geschwindigkeitsverhalten der Flüssigkeit in dem Verdampfer 20 lokal variiert, wodurch lokal Druckänderungen,
insbesondere Druckerhöhungen, auftreten, in denen der kritische Druck der Flüssigkeit (hier Wasser} überschritten wird. In diesen überkritischen Bedingungen verdampft das Wasser spontan durch die entstehende Kavitation. Dabei können die entstehenden Dampfblasen in der Flüssigkeit bzw. dem Wasser aufgrund des nur geringen Spaltes 21 sowie der hohen Drehzahl des Rotors 22 im Bereich von ca. 2.000-30.000
Umdrehungen pro Minute nicht wieder kollabieren, so dass das spontan verdampfte Wasser abgeführt werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Dampfauslass 31, vorzugsweise in einem in Vertikalrichtung oberen Bereich des Gehäuses 21, vorgesehen. Ferner bildet vorzugsweise der Meerwasserauslass 13 des Kondensatorkanals 11 gleichzeitig auch den
Flüssigkeitseinlass der Vorrichtung zum Verdampfen der
Flüssigkeit 20.
Der Dampfauslass 31 ist darüber hinaus über eine Rohrleitung mit dem Generator 30 verbunden, d. h. der Generator 30 wird unmittelbar mit Dampf aus der Vorrichtung 20 beaufschlagt. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der Generator 30 durch einen Ringgenerator gebildet, wie er im Querschnitt auch in Figur 3 gezeigt ist. Der Ringgenerator 30 umfasst mehrere Turbinenschaufeln 32, die um eine Achse 33 im Gehäuse 34 drehbar gelagert sind. Die Turbinenschau eln 32 sind über einen umlaufenden Läuferring 35 miteinander
verbunden, der eine Erregerwicklung umfasst. In dem Gehäuse 34 ist darüber hinaus der Ständer 39 bzw. dessen Wicklung enthalten. Bei einer Rotation des Läufers 36 rotiert auch der Läuferring 35 und induziert dadurch eine Spannung im Ständer 39, die ggf. über einen Inverter (nicht dargestellt} auf die Spannung umgerichtet wird, die der Motor 24 erfordert und dem Motor 24 zum Antreiben des Rotors 22 zugeführt werden kann. Alternativ ist der erzeugte Strom auch durch andere
Verbraucher nutzbar oder in ein Stromnetz einspeisbar. Der Generator 30 weist zur Beaufschlagung des Läufers 36 mit Dampf aus dem Auslass 31 einen Dampfeinlass 37 auf und einen Dampfauslass 38, auf dem der Dampf nach der Entspannung in der Turbinenschaufelstufe ausgegeben wird. Der Dampfauslass 38 ist mit dem Dampfeinlass 16 des Verdampferkanals 14 verbunden .
Alternativ zur Verwendung eines Ringgenerators kann auch der in Figur 4 dargestellte Lineargenerator verwendet werden. Bei diesem ist der Dampfauslass 31 mit einem Zweiwegeventil 39 verbunden, das den Dampfauslass 31 abwechselnd mit einer ersten Dampfleitung 50 und einer zweiten Dampfleitung 51 verbindet. Die erste Dampfleitung 50 mündet in eine erste Kammer 52 eines Lineargenerators, während die zweite
Dampfleitung 51 in eine zweite Kammer 53 des Lineargenerators mündet. Der Lineargenerator weist einen Ständer 54
{vorzugsweise zylindrisch) , den feststehenden Teil des
Generators, und einen Läufer 55, der innerhalb des Ständers
54 entlang eines Linearwegs, wie er durch den Doppelpfeil S dargestellt ist, verschieblich ist. Eine Bewegung des Läufers
55 innerhalb des Ständers 54 induziert eine Spannung in den Wicklungen des Ständers 54, wodurch elektrische Energie erzeugt wird, wie es im Prinzip bekannt ist. Bei der
dargestellten Ausführungsform ist der Läufer 55 auf entgegen gesetzten Seiten mit je einem Kolben 56 versehen, der dicht gegen die Innenwandung des Lineargenerators abdichtet. Auf den entgegengesetzten Seiten der Kolbenflächen der Kolben 56, und damit des Läufers 55, sind die erste Kammer 52 und die zweite Kammer 53 gebildet. Darüber hinaus weist jede Kammer 52, 53 einen Auslass 59 auf, der jeweils über
Rückschlagventile 58 oder aktiv betätigte (Einwege- ) Ventile mit dem Dampfeinlass 16 des Verdampferkanals 14 in
Fluidverbindung steht.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung an Hand der Meerwasserentsalzung erläutert.
Zunächst wird dem. Kondensatorkanal Meerwasser über den
Einlass 12 zugeführt und strömt durch den Kondensatorkanal 11 zum Flüssigkeitseinlass 13. Auf dem Weg vom Einlass 12 zum Auslass/Einlass 13 wird das Meerwasser über den im
Destillatkanal 19 vorherrschenden Dampf mit höherer
Temperatur vorgewärmt, bevor es in die Vorrichtung 20
eintritt. In der Vorrichtung 20 rotiert der Rotor 22 in
Richtung R (siehe Figur 2) , wodurch, unterstützt durch die Schaufeln 28 und die Kanäle 29 im Spalt 27, die Flüssigkeit auf Scherung beansprucht wird und aufgrund von
Geschwindigkeits- und Druckunterschieden Kavitation auftritt. Die Kavitation führt zur Spontanverdampfung der Flüssigkeit in der Vorrichtung 20, wobei der erzeugte Dampf über den Dampfauslass 31 entnommen wird. Der Rotor 22 wird dabei über einen Motor 24 angetrieben.
Der entnommene Dampf wird einem Generator 30, entweder in Form des in Figuren 1 und 3 dargestellten Ringgenerators oder einem wie in Figur 4 dargestellten Lineargenerator,
zugeführt. Im Generator 30 wird der Dampf entspannt und die dabei entstehende Volumenänderungsarbeit in eine mechanische Arbeit, nämlich die Rotation des Läuferrings 35 oder die Verschiebung des Läufers 55 der Generatoren 30 umgesetzt, wodurch in den Ständern 39 bzw. 54 der Generatoren eine
Spannung induziert und Strom erzeugt wird. Dieser wird wiederum genutzt um den Motor 24 anzutreiben. Nach dem Generator 30 verläset der entspannte Dampf den
Generator 30 und strömt über den Dampfeinlass 16 in den
Verdampferkanal 14. Dort diffundiert der reine Wasserdampf f d. h. nur die Wassermoleküle, durch die Membran 17 in den Destillat kanal 19, wo der Wasserdampf kondensiert und die Kondensatwärme über die Trennwand 15 an den Kondensatorkanal 11 abgegeben wird und zur Vorwärmung neuen, unreinen
Meerwassers dient. Anschließend wird das Destillat, d. h. das reine Wasser, über den Auslass 41 ausgegeben und kann als Trinkwasser oder anderweitig genutzt werden. Ferner wird das im Verdampferkanal verbleibende Konzentrat, die Salzlake, über den Auslass 42 in den Behälter 40 abgegeben und bei geringer Verunreinigung zur Weiterverarbeitung in der chemischen Industrie als Rohstoff genutzt, wozu der Behälter 40 ab- und angekuppelt werden kann.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein einfach aufgebautes, und damit kostengünstiges System geschaffen, das zugleich wartungsarm und energetisch günstig ist. Dadurch wird der Einsatz insbesondere auch in Entwicklungsländern möglich Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt ist. Vielmehr sind verschiedene Abwandlungen denkbar. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zum Verdampfen einer Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung auch für andere Medien als Wasser eingesetzt werden und eine andere Verwendung als in der Behandlung von Wasser finden. Darüber hinaus sind andere Ausgestaltungen der Erhebungen als die schaufelförmigen
Gestaltungen denkbar, zum Beispiel keilförmige oder
trapezförmige Gestaltungen. Auch die Querschnittsform der Kanäle kann anders gewählt werden. Darüber hinaus ist die Nutzung des im Generator erzeugten Stroms beliebig und kann für andere Verbraucher als den Motor zum Antreiben des Rotors Verwendung finden. Auch kann statt der Wärmeabgabe
(Kondensatwärme} im Destillat kanal zur Vorwärmung neu eingebrachten Wassers im reinen Wasser verbleiben, um Brauchwarmwasser zur Verfügung zu stellen.

Claims

P ten ans rüche
1. Vorrichtung zum Verdampfen einer Flüssigkeit (20), insbesondere Wasser, umfassend
ein Gehäuse (21) mit einem Flüssigkeitseinlass (13) zum Einströmen der Flüssigkeit in das Gehäuse und einem
Dampfauslass (13) zum Entnehmen von verdampfter Flüssigkeit; und
einen in dem Gehäuse (21) drehbar gelagerten Rotor (22) , wobei ein Spalt (27) zwischen der Innenfläche des Gehäuses (21) und der Außenfläche des Rotors (22) gebildet ist, in dem die Flüssigkeit bei Drehung des Rotors (22) auf Scherung beansprucht spontan verdampft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der auf der Außenfläche des Rotors (22) in Umfangsrichtung eine Vielzahl von
Erhebungen angeordnet ist, deren radial außen liegenden Enden den Spalt (27) definieren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Erhebungen (28) im Querschnitt schaufei- oder keilförmig ausgestaltet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der auf der Innenfläche des Gehäuses (21) in Umfangsrichtung mehrere in Längsrichtung des Gehäuses 821) verlaufende Kanäle (29) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kanäle (29) im Querschnitt C-förmig sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Generator (30) zur Erzeugung
elektrischer Energie, der in Fluidverbindung mit dem
Dampfauslass (31) steht und einen Ständer (39; 54) und einen Läufer (36; 55) umfasst, wobei die Volumenänderungsarbeit bei Entspannung der verdampften Flüssigkeit im Generator
unmittelbar auf den Läufer (36; 55) wirkt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Generator ein Lineargenerator mit einem zylindrischen Ständer (54) und einem darin linear verschiebbaren Läuferkolben (55) ist, wobei eine erste Kammer {52} auf einer Seite und eine zweite Kammer (53) auf der anderen Seite Läuferkolbens 855) gebildet sind, die abwechselnd mit dem Dampfauslass (31) in
Fluidverbindung bringbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Generator ein Ringgenerator mit Turbinenschaufeln (32), die einen
umlaufenden Läuferring (35) umfassen und einem den Ständer (39) enthaltenden Gehäuse (34) ist, wobei die verdampfte Flüssigkeit von einer Seite der Turbinenschaufeln (32) zur anderen strömbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die im Generator (30) erzeugte elektrische Energie zum
Antreiben des Rotors (22) genutzt wird.
10. Vorrichtung zur Behandlung von Wasser, insbesondere zur Entsalzung von Salzwasser, umfassend eine Vorrichtung zum Verdampfen von Wasser (20) nach einem der vorstehenden
Ansprüche und einen Filter (10) zum Trennen nicht volatiler Stoffe, insbesondere Salz, aus dem verdampften Wasser.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Filter durch eine Einrichtung zur Membrandestillation (10) gebildet ist, die einen Kondensatorkanal (11) und einen gegenläufigen
Verdampferkanal (14) aufweist, wobei die Vorrichtung zum Verdampfen von Wasser (20) zwischen dem Kondensatorkanal (11) und dem Verdampferkanal (14) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der
Verdampferkanal (14) durch eine, vorzugsweise hydrophobe, poröse Membran (15) in einen Destillatkanal (19) mit einem Destillatauslass (41) zur Entnahme von gereinigtem, insbesondere entsalztem, Wasser und einen Konzentratkanal (18) mit einem Konzentratauslass (42) zur Entnahme von Konzentrat, insbesondere Salzlake, unterteilt ist.
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