WO2015055178A1 - Reinigungsverfahren und reinigungsanlage für mit begleitstoffen belastetes wasser - Google Patents

Reinigungsverfahren und reinigungsanlage für mit begleitstoffen belastetes wasser Download PDF

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Torsten Enders
Kerstin Gutewort
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WätaS Wärmetauscher Sachsen GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a purification process for contaminated with accompanying water and the associated cleaning equipment.
  • the aforementioned methods are usually designed so that the liquid to be purified is heated by energy supply above its boiling point, after boiling a forced cooling takes place and thus a high throughput in the plants is achieved. Ultimately, however, the high throughput is purchased at a high level of investment and energy.
  • Another disadvantage is that the temperature within the insulating housing is not controllable. Control options for the temperature level in the insulating housing exist at most on the order of magnitude of the temperature increase and on the amount of polluted water pumped through the system. A direct influence on the temperature of the air inside the housing is not given.
  • the boiling, evaporation or condensation assemblies are placed in a mandatory housing or encapsulation. Energy exchange and phase change of the contaminated water can be achieved by way of free convection in a mostly existing air flow without additional drive energy. Corresponding suggestions are contained in DE 24 59 935 A1, DE 30 10 208 A1 and DE 199 29 212 A1.
  • a cleaning system for contaminated water should be designed as a compact system with a humidifier operating in the cross-flow principle.
  • the humidifier is a rotating convection drum.
  • the system is to be supplied with solar heated contaminated water and supplied via a photovoltaic system and associated accumulators with electrical energy.
  • a stationary cleaning system can be operated with a cleaning method in which the heating of the loaded water and the process air takes place via solar energy.
  • evaporators there are a number of proposals for their implementation.
  • DE 30 10 208 A1 proposes providing a fleece for the evaporator which can be heated by a heat exchanger associated with the fleece.
  • the liquid to be evaporated should be able to flow down over woven or nonwoven webs. In the absence of suitable ancillary equipment, this can only be a disordered, waterfall-like flow. In addition, it is indispensable to set up the system with exactly the right balance every time you use it.
  • the supplied contaminated water has a temperature of up to 30 ° C when the cleaning systems are operated in areas of intense sunlight. If the supplied contaminated water expediently used for cooling the condensation region, this results in a limitation of the condensation performance.
  • the known large-scale seawater desalination plants are stationary. The amount of purified water is thus only available at the location of such facilities and it must be brought to users with additional resources. As far as the design of compact systems with solar heating is proposed, these can not achieve the necessary benefits, which is why such systems must be sized accordingly and / or must be installed multiple times. According to Hendrik Müller-Holst, a compact system with an evaporator area of 76 m2 should be able to provide a cleaning capacity of 0.37 lm "2 h " 1 .
  • Contaminated water - is a mixture of substances with a liquid phase and a vapor pressure below the prevailing ambient pressure, from which the water content can be obtained by evaporation and condensation already at temperatures below the boiling point. It is in particular a mixture of water and accompanying substances of different types.
  • Reservoir - is any container containing contaminated water.
  • Condensation area - is a device which contains technical means which have a lower temperature compared to the temperature of a gaseous medium and therefore cause a condensation process on the outside of the area or the associated technical means.
  • Collecting device - is a device which receives condensate accumulating on the outside of the means forming the condensation region and leads it away from the condensation region via a line.
  • Condensate tank - is any container in which condensate carried away from the condensing area is collected and kept ready for further use.
  • Heating device - is a device that makes it possible to heat the liquid medium coming from the condensation zone and thus increase the vapor pressure of the medium.
  • Water Distributor - is a device designed to distribute the heated contaminated water in the form of droplets to a humidifier.
  • Humidifier - is a device in which liquid medium supplied from the heating device is superficially distributed and evaporates to a greater extent due to the increased vapor pressure of the liquid medium.
  • a polluted water purifying method uses a plant consisting of at least one loaded water pumping device, a condensing section, a condensate tank, a heater and an evaporation section. Furthermore, the system includes a ventilation duct, which connects the evaporation area and the condensation area with each other and allows a moving air flow through a fan.
  • the listed components are designed so that they can co-operate with a view to operation with a lower temperature difference than usual.
  • Necessary energy supply as for example in the heating device, preferably takes place via renewable forms of energy or via energy surpluses of processes not belonging to the process.
  • a closed housing is executed.
  • the condensation area within this enclosure are at least the condensation area, the evaporation area with a water distributor, a fan, a partition wall between the condensation and evaporation area and collecting facilities for condensate and dripping contaminated water.
  • the closed housing may be provided with a thermal insulation.
  • the heating device within the closed housing.
  • the initially listed and interconnected facilities are only flowed through by the polluted water.
  • the said devices are flowed through or through the air flow. Only in the condensation region is a second, the purified, medium. All interacting media work under atmospheric pressure conditions, which is why special technical expenses can be omitted.
  • the components described above can be designed so that they are adapted as a whole system the usual load dimensions for road or rail transport and thus are transportable as a whole system. Even smaller embodiments are also conceivable.
  • the individual areas of the cleaning system described above are operated according to the cleaning method according to the invention so that the peak temperature of the contaminated water does not exceed 85 ° C if possible. This makes it possible to heat the polluted water in a solar heater solar.
  • the cold contaminated water is first conveyed by means of a pumping device in the condensation region.
  • the condensation zone is a heat exchanger which removes heat from a heated air flow and is cooled down by the liquid flow to the lower temperature of the supplied contaminated water, so that the entrained in the air to be cooled purified liquid particles can be condensed and collected at the surface of the condensation region.
  • the condensate can be fed to a condensate tank, where it is available for other uses.
  • the charged water is fed to a heating device, in which it is heated up to a temperature of about 85 ° C.
  • the heated contaminated water is passed via a line to the evaporation device, where it is distributed dropwise over the surface of the evaporation device and falls down due to its own weight. Effective evaporation takes place in the evaporation zone, with the amount of evaporation dependent on the temperature of the contaminated water, the temperature of the surrounding air and the temperature of the evaporation zone, as well as on the velocity of the airflow.
  • the falling drops of water hit an obstacle, which slows down the previously free fall.
  • the obstacle is a grid-like structure whose dimensions are such that no falling drop has a free passage. Furthermore, that the impacting drops adhere to the lattice-like structure and thereby hang on the parts of the structure due to their adhesion and surface tension. At the same time, the holding force for the water droplet is greater than the weight of the same. If a certain droplet size is exceeded, the equilibrium is disturbed and the water droplet falls off the structural element.
  • the motion of the drop of water is by design measures within the grid-like structure to an area smaller than 10 cms' 1 set, with a speed of 7, 5 cms "has proved advantageous.
  • 1 in the evaporation zone is usually worked with an excess of water, so that the lower At the end of the evaporation zone, excess amounts of water can be drained off, collected and returned to the reservoir.
  • the air flow is used according to the cleaning method according to the invention on the one hand to transport the evaporated liquid from the evaporation area to the condensation area.
  • This refinement of the cleaning method makes it possible to use the respectively optimum means both in the evaporation region and in the condensation region and to adapt them to the process in such a way that they operate with maximum effectiveness.
  • the temperature difference required for the process can also be influenced by the rate of flow of the air, that is to say by the amount of air per unit of time.
  • the amount and temperature of the air stream can be regulated. Equally important is that the air flow is kept in circulation. In any case, this is not a disadvantage when the cleaning method is used to purify water, and only the amount of condensate per unit time is decisive for the effectiveness of the cleaning process. Since heating with other energy available, there are no disadvantages in terms of energy use.
  • the cleaning system combines the components already mentioned in the description of the cleaning process, the supply, the pumping device, the condensation zone, the heating device and the evaporation device.
  • the evaporation device / the humidifier and the condensation zone are components of the cleaning system, which are also arranged in a ventilation duct.
  • a line connects the supply of contaminated water with the pumping device, which in turn conveys the polluted water via a line to the arranged in the ventilation duct condensation region.
  • the heater and the water distributor also towards the heater and the water distributor.
  • the condensation zone is essentially an air-water heat exchanger having a surface which condenses water contained at its relatively low temperature from the passing air stream.
  • the condensation region or the heat exchanger is designed so that moisture condensing on its surface following moisture can easily drain off and detected by means of a collecting tray, flow via a line connection in a condensate tank and kept there for further use.
  • the contaminated water has a temperature which largely corresponds to the temperature present in the reservoir.
  • the airflow sweeping the condensation region has been heated in the evaporation device. When flowing through the condensation region of the heated air flow due to the temperature difference must necessarily release moisture. The resulting heat of condensation warms the contaminated water.
  • the heater belonging to the system serves to heat the contaminated water after flowing through the condensation region to a higher temperature. It is sufficient if the excess temperature of the contaminated water to a value of at least 50 ° C, better to 85 ° C, but not above the boiling temperature of the water is heated.
  • the evaporation device / humidifier is arranged coaxially in the ventilation duct. It is supplied from the heater with heated contaminated water.
  • the evaporation device is a body with a large surface and an increased flow resistance, thus the highest possible turbulence the intake air and thus an intensive contact between air and water arise.
  • the preferred form of evaporation device is a grid-like structure designed so that there is no free passage for falling water droplets. It is charged from above with freely falling water droplets, which initially impinge on the lattice-like structure, then hang in the structure drop or lentil-shaped until the resulting droplets dissolves due to its Eigengeweichtes and further falls down.
  • the grid-like structure is designed so that a resulting flow rate of less than 10 cm / s is realized. Lower flow rates increase the residence time and thus at the same time the degree of evaporation relative to a single drop of water.
  • Other embodiments for the evaporation device may operate on the principle of the wet cooling tower of the polluted water and forced ventilation.
  • Further preferred embodiments can work with superficial distribution of the contaminated water on textile fabrics, wherein these in turn can preferably be folded to achieve a large surface, as a coarse mesh, as spacer fabric, as a net or as hanging threads or cords.
  • the distribution of the heated loaded medium takes place at the outlet side of the evaporation device.
  • the evaporation device is a body which, with continuous operation of the cleaning system, quickly assumes the temperature of the inflowing, contaminated water and thus ensures a high degree of evaporation.
  • the plant described above can be modified depending on specific conditions of use. If the cleaning system according to the invention is used on a coast or in a standing or flowing water body, the water can form the reservoir. The cleaning system can then stand, for example, directly in the water or be supplied via a supply line.
  • the pumping device may be designed for manual operation.
  • the ventilation duct can be designed so that a buoyancy is created by the heating of the air in the evaporation device and thus the air flow starts automatically.
  • the first section of the ventilation duct can preferably be arranged vertically.
  • the heater can work with solar heating, so no external heat quantities and auxiliary energy are necessary for the heating of the contaminated water.
  • the cleaning system can be made compact, so it is mobile and can be transported by vehicles.
  • the ventilation duct With appropriate design of the ventilation duct this can take over the function of the condensate collection tray in the condensation region. If the cleaning system is connected to a mains network, the condensate tank can be omitted. With the cleaning system associated control device operation with high efficiency, that is condensation power, ensured. Depending on the respective requirements, important measured values are recorded within the cleaning system and processed by the control device.
  • control device can work out the necessary control variables by comparison between actual values and setpoints, by querying permissible ranges of values and comparison with these or else using predetermined algorithms, and transmit them to the system components to be controlled.
  • control device It is also possible in the control device to deposit a program that takes over the fully automatic control of the cleaning system.
  • a manipulated variable for the heating power of the heater is generated, which can be minimized in terms of energy saving at the same time.
  • the control device can take into account all these influencing variables in a suitable way.
  • the cleaning system may optionally be used on heated process water. This is possible, for example, if in industrial plants, due to the processes to be carried out there, charged water with temperatures in the sub-boiling range is available. In this case, can be dispensed with the heater. The condensation zone is then not connected to the circuit of the loaded and to be cleaned water, but a pure cold water rinse cycle.
  • the cleaning system 1 consists essentially of the main components listed below.
  • a reservoir 2 from which contaminated water 3 can be supplied, a housing 4 which has a condensation area 5, a humidifier 6, a water distributor 7, a dividing wall 8, a flow channel 9 leading through humidifier 6 and condensation area 5, a receptacle 10 for Purified water 1 and a collecting container 28 for dripping residual water 22 are combined in one unit.
  • a line 12, which supplies the contaminated water 3 to the condensation area 5, and a heating device 13 are furthermore necessary, the heating device 13 being connected via a line 14 to the condensation area 5 and via a line 15 to the water distributor 7.
  • An essential component of the cleaning system 1 is furthermore in the flow channel 9, a fan 16, which circulates the air flow 17 at an optimum speed for the cleaning process.
  • the cleaning method according to the invention consists in that the cleaning system 1 is fed via the line 12 loaded water 3 in the condensation region 5.
  • the temperature of the loaded water 3 may have values above 30 ° C., as is the case, for example, in dry hot regions of the earth.
  • an air flow 17 is circulated, which is heated by the heater 13 and the supplied via the line 15 to the water distributor 7 heated contaminated water 3 to an operating temperature near the boiling temperature of the loaded water 3. With the help of the fan 16, this air flow is kept in motion.
  • the cleaning system 1 thus operates in the best case with a temperature difference between contaminated water 3 and the air flow 17 of up to 80 ° C, in less favorable cases with a temperature difference down to 5 ° C.
  • the cleaning system. 1 Therefore, optimized for operation with a temperature difference of about 40 ° C, with larger temperature differences further increase performance.
  • the contaminated water 3 flows via the line 12 into the lower region 18 of the condensation region 5. In this region of the condensation region 5, the lowest temperature is thus even present in the condensation region 5 and within the housing 4. As it flows through the lines of the condensation region 5, the supplied contaminated water 3 heats up, since it receives heat quantities from the air flow 17. At the upper end 19 of the condensation region 5, the contaminated water 3 thus already has an elevated temperature. Via the line 14, the loaded water 3 of the heater 13 is supplied and heated in this with originating from external energy sources heat tight up to a temperature near the boiling point.
  • the heating device 13 is preferably supplied with heat quantities from process heat, which generally arise as waste heat during industrial processes.
  • Such heat sources may be, for example, waste heat from elevated temperature industrial processes, heat loss from the operation of combustion and electric motors, compressors, cogeneration units, waste heat from electrical converters, electrical storage devices or geothermal. It is also possible to use the solar heating, if other energy sources are not permanently available and restrictions on the availability of the cleaning system 1 can be accepted.
  • the heated in the heater 13 to a high temperature contaminated water 3 is supplied via the line 15 to the water manifold 7. Via openings 20, the water distributor 7 discharges the heated loaded water 3 in the form of drops, the drops 21 dropping downwards due to their weight and bouncing in the humidifier 6 on obstacles 26, by which they are first held.
  • the obstacles 26 are designed so that they provide the drops 21 only a very small contact surface. That is, the contact area for the drops 21 is dimensioned so that the holding force is slightly above the weight of the drops 21. The forming drops thus hang on the underside of the obstacles 26, thereby have a relatively large surface and can evaporate over them.
  • the circulating in the housing 4 air flow 17 takes in the humidifier 6, the evaporating amounts of water by flowing from below into the humidifier 6, flows through it, and exits at the upper end of the same, the air flow 17 at the outlet from the humidifier 6 a Moisture content near 100% and ideally at the same time has a temperature near the boiling point of the water.
  • the air flow 17 therefore, during continuous operation of the cleaning system 1, an equilibrium of the shape arises that the temperature in the air flow 17 sets itself to a high value and the air humidity to a value close to 100%.
  • the actually resulting values are first determined by the size of the heat losses occurring in the cleaning system 1.
  • the housing 4 is provided with an insulation 27.
  • the condensation area 5 is the area with the lowest temperature during operation of the cleaning system 1, since this constantly charged water 3 is supplied with a low input temperature. Due to the temperature differences in the region of the lines and the collecting tray 24 of the condensation zone 5 designed as a heat exchanger, condensing water droplets form on its surface. These move downwards until they are in the lower region 18 of the condensation region 5 due to their size and Draining self-mass, collected in a drip tray 24, discharged via a line 25 and 11 are supplied to the collecting container 10 as purified water.
  • the cleaning method is therefore based on the fact that in the interior of the housing 4, an equilibrium state is formed, which is disturbed by the supplied with a low temperature charged water 3 and due to this disturbance of equilibrium in the condensation region 5, a falling air movement sets. This in turn leads in the humidifier 6 to an upward air flow.
  • a further source of interference for the developing equilibrium is the water distributor 7, through which a supply of amounts of heat takes place via the discharged drops 21.
  • the process which always strives for an equilibrium, is additionally disturbed by the fact that a forced circulation of the airflow 17 is forced by means of the fan 16.
  • the operating parameters of the cleaning system 1 are detected with the aid of a control device 29 and control signals for the operation of the fan 16 are determined from the measured values obtained.
  • the amount of purified water 11 produced per unit time can be detected and, according to previously empirically determined results, a control variable for the fan 16 can be generated by comparing between the various operating parameters and the amount of purified water 11 per unit of time.
  • the invention thus takes into account that the result of the method according to the invention must be a maximization of the amount of purified water 11 to be obtained.
  • the control device 29 can be designed such that it maintains an operating point which has been found to be optimal or an operating regime which has been found to be optimal. It can work in such a way that further external influences on the cleaning system 1 are included in the control. This may be the temperature of the loaded water 3, the available amounts of heat for the heater 13 or the heat losses of the exiting from the circuit residual water 22 which are fed via a discharge line 23 again to the reservoir 2.
  • Known stationary cleaning systems with solar heating achieve cleaning performance of about 0.14 lm “3 h “ 1 , improved systems cleaning performance of about 0.4 lm “3 h “ 1
  • the system of the invention achieved by their optimized components and the optimized operating parameters, a cleaning performance of up to 42 lm “3 h “ 1 , based on a system volume of 1 m 3 and a flow temperature of the loaded water 3 in the water distributor 7 of 80 ° C.
  • An experimental version of the cleaning system 1 according to the invention has a volume of 0.75 m 3 and a weight of only 75 kg. It delivers 750 1 of purified water in 24 hours.
  • Preferred uses are the operation in conjunction with the electric power generation serving internal combustion engines, the waste heat is used. Likewise, the use of heat sources that generate waste heat when carrying out technical processes, which would otherwise be lost as waste heat.
  • the small footprint of the cleaning system 1 according to the invention also allows uses that were previously not possible with known systems. For example, the installation in the engine room of a ship with simultaneous use of the waste heat of the ship's engine, in buildings in the use of waste heat from air conditioning, cooking appliances, drying and washing facilities or industrial heat sources or their waste heat.
  • the compact cleaning system 1 can be used for a self-sufficient water supply when a sufficiently large reservoir 2 is assigned and at least via the reservoir 2 is a way to lower the temperature of the loaded water 3 therein again.
  • the cleaning systems 1 according to the invention can also be designed in a significantly larger version with at least the same parameters if the required heat quantities are available at the installation site.
  • Such a combination of cleaning systems with large-scale processes in petroleum processing, in power generation, in the production of cold and similar processes is possible.
  • the cleaning system 1 according to the invention is designed such that it is suitable for carrying out the cleaning method according to the invention. It consists accordingly of the above-mentioned main components humidifier 6, condensation zone 5, a heater 13 and the water distributor 7. Furthermore, the cleaning system 1 a collecting container 10 for the resulting purified water 11 belong.
  • the flow channel 9 is a closed channel. That is, the present in the flow channel 9 air flow 17 is in a circuit.
  • the flow channel 9 is predominantly vertically aligned in a first section and receives the humidifier 6. That is, he encloses this.
  • the humidifier 6 can be designed in various ways. In any case, it acts in such a way that the polluted water 3 comes into contact with the air flow 17, so that an evaporation process begins with the polluted water 3.
  • the humidifier 6 may be a single component, which has formed a particularly large surface.
  • the humidifier 6 may be a folded, rolled-up or shrunk textile fabric. It can also be a similar structure of felt, a fiber structure or nonwoven fabric. Further possibilities are the use of knitted fabrics, especially knitted fabrics, latticed or reticulated fabrics.
  • the humidifier 6 may be a three-dimensional lattice-like structure made of plastic, metal or vitreous materials or of a metallic structure. It may be a heap of metal chips in a preferred embodiment.
  • Other possibilities are the use of fleece, felt, cellulose glass or plastic fibers, so-called packing of ceramic, plastics or metals or in a floor arrangement in which repeatedly stacked collecting trays regularly overflow and thus allow a constant dripping of the contaminated water 3.
  • the preferred embodiment of the humidifier 6 is a lattice structure with grid elements having such a small diameter that impinging water immediately forms drops to be suspended.
  • the holding force of the grid elements is only slightly above the weight of the forming drops. With increasing droplet size these dissolve, fall and collide with other grid elements, so that the process is repeated.
  • the velocity of the water droplets, which is reached when passing through the lattice structure, lies at a maximum of 0.1 ms -1, with an optimally designed lattice structure even lower.
  • a simple embodiment of the humidifier 6 envisages completely dispense with additional internals and instead provide a water distributor 7, which rains the contaminated water 3, wherein the resulting drops 21, as in the embodiments described above, fall down due to their weight ,
  • the contaminated water 3 is heated in a heating device 13 to a high temperature, but which remains below the boiling point of the loaded water 3. It is not relevant to the invention, in which way the amount of heat necessary for heating the charged water 3 generated and how they are introduced into the contaminated water 3.
  • the air flow 17 is charged with moisture.
  • the air flow 17 is heated, so that in the flow channel 9 an upward air flow is formed.
  • a second section of the flow channel 9 is again oriented vertically.
  • the condensation region 5 is arranged, which is preferably designed as a heat exchanger. It is irrelevant to the essence of the invention, which embodiment of a heat exchanger is selected.
  • an insulating partition 8 is arranged between the humidifier 6 and the condensation region 5.
  • the condensation region 5 is flushed through the line 12 with cold contaminated water 3, so that the condensation region 5 at its lower portion 18 has a surface temperature which corresponds approximately to the temperature of the loaded water supplied 3.
  • condensation region 5 can be improved in various ways.
  • a fin heat exchanger can be used, the fins are aligned vertically.
  • a fin spacing can be selected, which precludes bridging by water droplets between two adjacent lamellae.
  • lamellae with a surface coating which increases the flow rate of adherent water is particularly preferred.
  • This can be a plastic coating.
  • the cleaning system 1 described above can be configured further in various ways.
  • a preferred embodiment of the cleaning system 1 provides for this a separate reservoir 2, in which the contaminated water 3 is filled.
  • the reservoir 2 may be disposed below the humidifier 6 and so dripping charged water 3 can be recovered.
  • the reservoir 2 or an additional container can be arranged in the earth region in order to keep the temperature of the loaded water 3 low.
  • the heater 13 may be configured to heat the charged water 3 with solar energy. It may also be heated with amounts of heat from the combustion of fossil fuels or with electrical energy or with energy lost from non-cleaning plant processes.
  • the heating device 13 can be designed as a solar collector or assigned to it.
  • a particularly preferred embodiment of the cleaning system 1 envisages using a high-performance solar collector as the heating device 13 and downstream of this a plurality of humidifiers 6, which in turn operates with a plurality of condensation regions 5 and thus makes it possible to cascade several similar cleaning systems.
  • an embodiment of the cleaning system 1 can provide that a humidifier 6 is followed by a plurality of condensation zones 5.
  • the humidifier 6 can be designed in various ways.
  • the humidifier 6 can be carried out without evaporator body by raining over a line 15 downstream water distributor 7, the contaminated water 3.
  • the air flow 17 is in countercurrent to the droplet flow, which falls due to the weight of the individual droplets down.
  • a preferred embodiment of the cleaning installation 1 furthermore arises when, in conjunction with an oversized heating device 13, which may be designed as a solar collector, an additional store for heated, loaded water 3 is assigned. An oversupply of heated polluted water 3 can then be cached and is, for example, after Sunset for the continuation of the operation of the cleaning system 1 again available.
  • a further preferred embodiment of the cleaning system 1 can dispense with the arrangement of a heating device 13.
  • the cleaning system 1 is supplied directly with process water from plants not belonging to the invention or processes as contaminated water 3. This makes it possible to harness otherwise lost amounts of energy in addition to the production of purified water.
  • the cleaning system 1 can be designed with exclusively solar heating so that it requires no external energy except for the operation of a pumping device 30 and the fan 16 and optionally to be supplied measuring and evaluation.
  • this can be designed to be mobile, as a vehicle body or in compact design for small consumers.
  • the invention has the advantage that it makes it possible, with the involvement of waste heat of technical processes or natural, renewable energy sources run under normal pressure cleaning process for contaminated water and a suitable for carrying out cleaning system, compared with previously known cleaning systems and their methods at of the same size provides a much larger amount of purified water 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Reinigungsverfahren für belastetes Wasser (3) und die zur Durchführung benötigte Reinigungsanlage (1). Erfindungsgemäß wird in einem Strömungskanal (9) wenigstens je eine Verdunstungseinrichtung (5), wenigstens ein Kondensationsbereich (5) angeordnet und beide von einem Luftstrom (17) umspült. Im Befeuchter (6) wird der Luftstrom (17) mit Feuchtigkeit beladen und im Kondensationsbereich (5) die Feuchtigkeit wieder auskondensiert. Der Strömungskanal (9) ist ein geschlossener Kreislauf.

Description

Reinigungsverfahren und Reinigungsanlage
für mit Begleitstoffen belastetes Wasser
Die Erfindung betrifft Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser und die dazu gehörenden Reinigungsanlagen.
Allgemein bekannt ist die Destillation von Flüssigkeiten mit dem Ziel, diese über den Siedepunkt zu erhitzen und durch nachfolgende Kondensation die abgeschiedenen Flüssigkeiten frei von Begleitstoffen zurückzugewinnen. Allgemein bekannt sind hier Verfahren zur Meerwasserentsalzung, die Alkoholdestillation und die fraktionierte Destillation zur Trennung von Erdölprodukten.
Die vorgenannten Verfahren werden gewöhnlich so ausgestaltet, dass die zu reinigende Flüssigkeit durch Energiezufuhr über ihren Siedepunkt erhitzt wird, nach dem Sieden eine Zwangskühlung erfolgt und damit ein hoher Durchsatz in den Anlagen erreicht wird. Letztlich wird der hohe Durchsatz jedoch mit einem hohen Anlagen- und Energieaufwand erkauft.
Im Bereich der Trink- bzw. Brauchwasseraufbereitung sind auch Anlagen bekannt, die das belastete Wasser lediglich auf Temperaturen knapp unterhalb des jeweiligen Siedepunktes bringen.
Es sind mehrere Lösungen bekannt, welche mittels einer gezielten Be- und Entfeuchtung von Luft die Kondensation von gereinigtem Wasser erreichen.
Am häufigsten wird die Gewinnung von Destillat oder Kondensat aus Meerwasser beschrieben.
Bekannt ist die in großem Stil betriebene Meerwasserentsalzung, bei der groß- flächige Anlagen errichtet werden und im Wege der Solarerwärmung der Ver- dunstungsprozess eingeleitet wird. Solche Anlagen haben den Nachteil, dass sie erhebliche Landflächen in Anspruch nehmen, diese Flächen anderweitigen Nutzungen entzogen werden, mit einem erheblichen Anlagenaufwand einher- gehen, nicht mobil sind und im Übrigen nur eine geringe Effizienz haben. Es soll nur eine Reinigungsleistung von 0,1 1 bis 0, 14 lm"2h"1 erreicht werden.
Ebenso sind bereits Anlagen vorgeschlagen worden, bei denen der physikalische Effekt des Verdunstens eines Mediums genutzt wird. Für den Bereich der Wasseraufbereitung ist dies als sogenannte Mehrfacheffekt-Feuchtluftdestillation bei Umgebungsdruck in der Dissertation Hendrik Müller-Holst, 2002, TU München, beschrieben. Einen ähnlichen Vorschlag enthält DE 43 40 745 A1 . Es wird ein Verfahren für eine Anordnung, bestehend aus einem Vorratsbehälter, einem Verdunstungsbereich und einem Kondensationsbereich vorgeschlagen, die sich in einem gemeinsamen isolierenden Gehäuse befinden. Zur Erreichung einer großen Temperaturdifferenz ist zwischen dem Ausgang des Kondensationsbereiches und dem Eingang des Verdunstungsbereiches in der Medienleitung ein Solarmodul angeordnet. Die Luftzirkulation innerhalb des isolierenden Gehäuses soll auf freier Konvektion beruhen, was gleichzeitig der Hauptnachteil dieser Anordnung ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Temperatur innerhalb des isolierenden Gehäuses nicht steuerbar ist. Steuerungsmöglichkeiten für das Temperaturniveau im isolierenden Gehäuse bestehen allenfalls bei der Größenordnung der Temperaturerhöhung und über die Menge des durch die Anlage gepumpten belasteten Wassers. Ein direkter Einfluss auf die Temperatur der Luft im Inneren des Gehäuses ist nicht gegeben. Bei anderen vorgeschlagenen Lösungen werden die Siede-, Verdunstungs- oder die Kondensationsbaugruppen in eine zwingend notwendige Umhausung oder gar Kapselung gebracht. Energieaustausch und Phasenwechsel des belasteten Wassers können dabei im Wege freier Konvektion in einer zumeist vorhandenen Luftströmung ohne zusätzliche Antriebsenergie erreicht werden. Entsprechende Vor- Schläge sind in DE 24 59 935 A1 , DE 30 10 208 A1 und DE 199 29 212 A1 enthalten. ln DE 24 59 935 A1 wird vorgeschlagen, an Stelle freier Konvektion einen Lüfter einzusetzen, der die Prozessluft innerhalb der umhausten Einrichtung umwälzt. Ein Betrieb der Anlage ohne Einsatz des Lüfters soll ebenso möglich sein. Da im Fall des Betriebes der Anlage mit dem Lüfter eine erhöhte Strömungs- geschwindigkeit der beladenen Prozessluft entsteht, gelangt beladene Prozessluft wieder in den Verdunstungsbereich der Anlage zurück. Diese muss neu aufgeheizt werden, wodurch der energetische Wirkungsgrad der Anlage sinkt.
Bei einigen Anlagen wird davon ausgegangen, dass zwischen der kalten und der warmen Seite ein großer Temperaturunterschied notwendig ist. Deshalb wird auf der kalten Seite bei einigen Anlagen dem Wasser technisch erzeugte Kälte zugeführt oder bei anderen Anlagen im Verdunstungsbereich durch Energiezufuhr nachgeheizt. Ein solcher Vorschlag ist in DE 24 59 935 A1 enthalten. Bei diesen Anlagen muss zwingend Primärenergie aufgewendet werden, um die notwendige Energiezufuhr zu erreichen. Ein Betrieb allein mit erneuerbaren Energiequellen ist nicht möglich. Soll die zuzuführende Energie aus überschüssiger Energie vorhandener Anlagen zugeführt werden, besteht eine Bindung der Reinigungsanlagen an die jeweils anderen Anlagen. Im ersten Fall wird also zusätzliche Energie für den Betrieb des Lüfters notwendig, während im zweiten Fall die Mobilität solcher Anlagen wegen der Bindung an vorhandene andere Anlagen und Prozesse verloren geht.
Nach einem Vorschlag in DE 20 2004 017 383 U1 soll eine Reinigungsanlage für belastetes Wasser als Kompaktanlage mit einem im Querstromprinzip arbeitenden Befeuchter ausgeführt sein. Als Befeuchter wird eine rotierende Konvektions- trommel vorgeschlagen. Die Anlage soll mit solar erwärmtem belastetem Wasser gespeist und über eine Fotovoltaikanlage sowie zugeordneten Akkumulatoren mit Elektroenergie versorgt werden.
Nach einem Vorschlag in WO 95/21 130 A1 soll eine stationäre Reinigungsanlage mit einem Reinigungsverfahren betrieben werden können, bei der die Erwärmung des belasteten Wassers und der Prozessluft über Sonnenenergie erfolgt. Im Hinblick auf den Einsatz von Verdunstern existiert eine Reihe von Vorschlägen für deren Ausführung. So ist in DE 30 10 208 A1 vorgeschlagen, für den Verdunster ein Vlies vorzusehen, das durch einen dem Vlies zugeordneten Wärme- tauscher aufgeheizt werden kann.
Nach einem Vorschlag aus DE 43 40 745 A1 soll die zu verdunstende Flüssigkeit über Gewebe- oder Vliesbahnen herabströmen können. Mangels geeigneter Zusatzeinrichtungen kann es sich dabei nur um eine ungeordnete, wasserfallartige Strömung handeln. Darüber hinaus ist es unerlässlich, die Anlage bei jedem Einsatz exakt wagerecht aufzustellen.
Ebenso bekannt ist die Verwendung freihängender Tücher, Netze oder starrer Gebilde aus Metall oder Kunststoff.
In den oben beschriebenen Lösungen wird stets versucht, einzelne Eigenschaften oder die dazu notwendigen Komponenten der Reinigungsanlagen so zu verbessern, dass die Anlage und dazugehörige Verfahren jeweils auf die vorgeschlagenen Eigenschaften beziehungsweise Baueinheiten optimiert werden können. Dabei bleiben allerdings andere Eigenschaften bzw. die zu deren Ausbildung erforderlichen Baueinheiten weitgehend unbeachtet, weshalb die Optimierungseffekte beschränkt bleiben. Dem Zusammenwirken aller Einzelkomponenten solcher Reinigungsanlagen wird wenig Bedeutung beigemessen. Die betrifft insbesondere auch die entsprechende Verfahrensführung mit dem Ziel, eine höchstmögliche Ausbeute an Kondensat zu erreichen.
Soweit es sich um Anlagen handelt, die mit dem Verfahren Verdunstung-Kondensation arbeiten, bleiben außerdem bestimmte Forderungen von vornherein unberücksichtigt:
— Mit Solarwärme betriebene Anlagen versprechen zwar die Nutzung erneuerbarer Energien. Jedoch wird häufig übersehen, dass diese Art von Energie nicht über 24 Stunden täglich zur Verfügung steht und die Anlagen deshalb nur eingeschränkt nutzbar sind.
Zum Verdunsten von 1 kg Wasser pro Stunde bei einer Verdunstungstemperatur von etwa 80°C ist eine Leistung von ca. 640 Watt notwendig. Die Erwärmung des Wassers von etwa 30° C auf ca. 80° C erfordert des Weiteren einen Energieaufwand von ca. 60 Watt pro Liter. Hinzu kommen weitere 14 W je Liter Luft für die Erwärmung von 30° C auf 80° C Um Reinigungsanlagen für belastetes Wasser effektiv betreiben zu können, bedarf es deshalb bei solar betriebenen Anlagen enorm großer Flächen für die durchzuführende Erwärmung von belastetem Wasser und Prozessluft. Sind solcher Art Reinigungsanlagen nicht in äquatornahen Bereichen im Einsatz, reduziert sich die Verfügbarkeit noch weiter. — Soweit Befeuchter Temperaturen erreichen können, die eine Temperaturschwelle von 70°C überschreiten, besteht die Gefahr des Ausfallens mineralischer Beimengungen aus dem belasteten Wasser.
— Das zugeführte belastete Wasser hat eine Temperatur von bis zu 30°C, wenn die Reinigungsanlagen in Gebieten mit intensiver Sonneneinstrahlung betrieben werden. Wird das zugeführte belastete Wasser zweckmäßigerweise zur Kühlung des Kondensationsbereiches eingesetzt, ergibt sich daraus eine Limitierung der Kondensationsleistung. Die bekannten großflächig angelegten Meerwasserentsalzungsanlagen sind ortsfest. Das Aufkommen an gereinigtem Wasser ist damit nur am Standort solcher Anlagen vorhanden und es muss mit zusätzlichen Mitteln zu den Anwendern gebracht werden. Soweit die Ausführung von Kompaktanlagen mit solarer Erwärmung vorgeschlagen ist, können diese nicht die notwendigen Leistungen erreichen, weshalb solche Anlagen entsprechend groß dimensioniert und/oder mehrfach installiert werden müssen. Eine Kompaktanlage mit einer Verdunsterfläche von 76 qm soll gemäß Dis- sertation Hendrik Müller-Holst eine Reinigungsleistung von 0,37 lm"2h"1 erbringen können.
In den vorgenannten Fällen werden die Angaben für eine Mindesttemperatur von 75° C, normalerweise 80° C im Verdunstungsbereich gemacht. Ein Betrieb bei nie- drigeren Temperaturen wird als ineffektiv angesehen.
Soweit Kompaktanlagen ausgeführt worden sind, wird deren Leistung oft nur durch Verdunstungstemperaturen über der Siedetemperatur der Flüssigkeit erreicht, wozu allerdings Energiezufuhr notwendig ist. Die notwendigen Energie- mengen stehen jedoch nicht immer zur Verfügung, wobei an vielen Einsatzorten solcher Anlagen nicht einmal Energieträger in ausreichendem Maße vorhanden sind.
Es besteht deshalb ein Bedarf an kompakten Anlagen zur Reinigung von Wasser, die mobil sind, mit geringem Energiebedarf arbeiten, dabei eine hohe Ausbeute bezogen auf die Verdunstungsfläche haben und deshalb an allen Orten einsetzbar sind. Auch an solchen Orten, an denen solar betriebene Anlagen nicht verwendbar sind. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein mit Solarerwärmung arbeitendes Reinigungsverfahren, wie die in DE 43 40 745 A1 und DE 24 59 935 A1 vorgeschlagenen, und die zum Betrieb des Verfahrens gehörende Reinigungsanlage so weiterzuentwickeln, dass sie ohne Solarenergie ausführ- beziehungsweise betreibbar ist, eine deutlich erhöhte Reinigungsleistung gegenüber den bekannten Verfahren und Anlagen erreicht wird, die zur Durchführung des Reinigungsverfahrens notwendigen Reinigungsanlagen kompakter und gegebenenfalls transportabel ausgelegt werden können, ein Betrieb bereits mit niedrigeren Arbeitstemperaturen möglich ist und beim Betrieb des Reinigungsverfahrens und der Reinigungsanlage Hilfsenergien allenfalls zur Aufrechterhaltung von Medienströmen erforderlich sind.
Diese oben stehende Aufgabe wird gelöst mit einem Reinigungsverfahren für be- lastetes Wasser mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Patentanspruches. Die obenstehende Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einer Reinigungsanlage für belastetes Wasser mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 8 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Patentanspruches. Neben- und nachgeordnete Patentansprüche beschreiben Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens und der erfindungsgemäßen Reinigungsanlage.
In der nachstehenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Patent- ansprüchen werden die nachstehend aufgeführten Begriffe mit folgendem Bedeutungsinhalt verwendet:
Belastetes Wasser - ist ein Stoffgemisch mit einer flüssigen Phase und einem Dampfdruck unterhalb des herrschenden Umgebungsdrucks, von dem der Wasseranteil durch Verdunstung und Kondensation bereits bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes gewinnbar ist. Es ist insbesondere ein Gemisch aus Wasser und Begleitstoffen unterschiedlicher Arten.
Reservoir - ist ein beliebiger, das belastete Wasser enthaltender Behälter.
Kondensationsbereich - ist eine Einrichtung, die technische Mittel enthält, die eine gegenüber der Temperatur eines gasförmigen Mediums niedrigere Temperatur haben und deshalb einen Kondensationsvorgang an der Außenseite des Bereiches beziehungsweise der zu diesem gehörenden technischen Mittel bewirken.
Auffangeinrichtung - ist eine Einrichtung, die an der Außenseite des den Kondensationsbereich bildenden Mittels anfallendes Kondensat aufnimmt und dasselbe über eine Leitung vom Kondensationsbereich wegführt. Kondensatbehälter - ist ein beliebiges Behältnis, in dem vom Kondensationsbereich weggeführtes Kondensat gesammelt und für den weiteren Gebrauch bereitgehalten wird.
Heizeinrichtung - ist eine Einrichtung, die es ermöglicht, das vom Kondensationsbereich kommende flüssige Medium zu erwärmen und damit den Dampfdruck des Mediums zu erhöhen.
Wasserverteiler - ist eine Einrichtung, die dazu dient, das erwärmte belastete Wasser in Form von Tropfen verteilt einem Befeuchter zuzuführen.
Befeuchter - ist eine Einrichtung, in der aus der Heizeinrichtung zugeführtes flüssiges Medium oberflächlich verteilt wird und aufgrund des erhöhten Dampfdrucks des flüssigen Mediums in verstärktem Maße verdunstet.
Nach der Erfindung wird ein Reinigungsverfahren für belastetes Wasser vorgeschlagen, das mit einer Anlage arbeitet, die wenigstens aus einer Pumpeinrichtung für belastetes Wasser, einem Kondensationsbereich, einem Kondensatbehälter, einer Heizeinrichtung und einem Verdunstungsbereich besteht. Ferner gehört zu der Anlage ein Lüftungskanal, der den Verdunstungsbereich und den Kondensationsbereich miteinander verbindet und einen durch einen Lüfter bewegten Luftstrom ermöglicht. Die aufgeführten Komponenten sind so ausgelegt, dass sie im Hinblick auf einen Betrieb mit einer geringeren Temperaturdifferenz als üblich zusammenwirken können. Notwendige Energiezufuhr, wie beispiels- weise in der Heizeinrichtung, erfolgt vorzugsweise über erneuerbare Energieformen oder über Energieüberschüsse aus nicht zum Verfahren gehörenden Prozessen.
Nach der Erfindung ist insbesondere ein geschlossenes Gehäuse ausgeführt. In- nerhalb dieses Gehäuses befinden sich wenigstens der Kondensationsbereich, der Verdunstungsbereich mit einem Wasserverteiler, ein Lüfter, eine Trennwand zwischen Kondensations- und Verdunstungsbereich sowie Auffangmöglichkeiten für Kondensat und abtropfendes belastetes Wasser. Das geschlossene Gehäuse kann mit einer thermischen Isolierung versehen sein.
Es ist möglich, innerhalb des geschlossenen Gehäuses auch die Heizeinrichtung anzuordnen.
Bedingt durch die im Gehäuse angeordnete Zwischenwand und die sich bei der Durchführung des Reinigungsverfahrens ergebenden thermischen Verhältnisse entsteht im Verdunstungsbereich eine aufwärts gerichtete und im Kondensations- bereich abwärts gerichtete Luftströmung und mithin ein sich ständig bewegender Luftstrom.
Die eingangs aufgeführten und miteinander verbundenen Einrichtungen werden ausschließlich von dem belasteten Wasser durchströmt. Als Trägermedium wer- den die genannten Einrichtungen durch den Luftstrom durch- beziehungsweise umströmt. Lediglich im Kondensationsbereich fällt ein zweites, das gereinigte, Medium an. Alle miteinander zusammenwirkenden Medien arbeiten unter atmosphärischen Druckverhältnissen, weshalb besondere technische Aufwendungen entfallen können.
Lediglich zur Aufrechterhaltung der Strömung des belasteten Wassers sowie zur Aufrechterhaltung des beladenen Luftstroms kann Hilfsenergie notwendig sein. Der Energiebedarf ist dabei so gering, dass mit Hilfe transportabler Energieerzeuger, wie Notstromaggregaten, Solarzellenstationen, Akkumulatorstationen oder durch Direktantrieb mit Hilfe von Brennkraftmaschinen die erforderlichen Strömungen erreicht werden können. Möglich ist selbst ein zeitweiliger manueller Betrieb von Lüfter und Pumpeinrichtung.
Die oben beschriebenen Komponenten können so ausgelegt sein, dass sie als Gesamtanlage den üblichen Lademaßen für Straßen- oder Bahntransport an- gepasst und somit als Gesamtanlage transportabel sind. Noch kleinere Ausführungsformen sind ebenso denkbar. Die oben beschriebenen Einzelbereiche der Reinigungsanlage werden nach dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren so betrieben, dass die Spitzentemperatur des belasteten Wassers nach Möglichkeit 85° C nicht übersteigt. Dadurch wird es möglich, das belastete Wasser in einer Heizeinrichtung solar zu er- wärmen.
Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, als belastetes Wasser beispielsweise Prozessabwärme zu nutzen, die mit einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes des Wassers zur Verfügung steht. In diesem Fall bedarf es kei- ner zusätzlichen Heizenergie.
Die nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte laufen gleichzeitig und parallel zueinander ab, wenn die Anlage im kontinuierlichen Betrieb arbeitet. Nach dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren wird das kalte belastete Wasser zunächst mithilfe einer Pumpeinrichtung in den Kondensationsbereich gefördert. Der Kondensationsbereich ist ein Wärmetauscher, der einem erwärmten Luftstrom Wärmemengen entzieht und dazu durch den Flüssigkeitsstrom auf die niedrigere Temperatur des zugeführten belasteten Wassers herabgekühlt wird, sodass die in der zu kühlenden Luft mitgeführten gereinigten Flüssigkeitspartikel an der Oberfläche des Kondensationsbereiches auskondensiert und aufgefangen werden können. Mit einer Leitung kann das Kondensat einem Kondensatbehälter zugeführt werden, wo es für weitere Verwendungen zur Verfügung steht. Nach dem Durchströmen des Kondensationsbereiches wird das belastete Wasser einer Heizeinrichtung zugeführt, in der es bis zu einer Temperatur von etwa 85° C aufgeheizt wird.
Das aufgeheizte belastete Wasser wird über eine Leitung zur Verdunstungsein- richtung geleitet, wo es über der Oberfläche der Verdunstungseinrichtung tropfenförmig verteilt wird und aufgrund seiner eigenen Gewichtskraft nach unten fällt. Im Verdunstungsbereich findet eine effektive Verdunstung statt, wobei die verdunstende Menge von der Temperatur des belasteten Wassers, der Temperatur der umgebenden Luft und der Temperatur des Verdunstungsbereiches ebenso abhängig ist wie von der Geschwindigkeit des Luftstroms.
Im Verdunstungsbereich treffen die herabfallenden Wassertropfen auf ein Hindernis, wodurch der bis dahin freie Fall abgebremst wird. Bei dem Hindernis handelt es sich um eine gitterartige Struktur, die in ihren Abmessungen so gewählt ist, dass kein herabfallender Tropfen einen freien Durchgang hat. Weiterhin, dass die aufprallenden Tropfen an der gitterartigen Struktur haften und dabei aufgrund ihres Adhäsion und Oberflächenspannung an den Teilen der Struktur hängen. Zugleich ist die Haltekraft für den Wassertropfen größer, als die Gewichtskraft desselben. Bei Überschreitung einer bestimmten Tropfengröße wird das Gleichgewicht gestört und der Wassertropfen fällt vom Strukturelement ab.
Die Bewegung der Wassertropfen ist durch konstruktive Maßnahmen innerhalb der gitterartigen Struktur auf einen Bereich kleiner als 10 cms'1 eingestellt, wobei sich eine Geschwindigkeit von 7, 5 cms"1 als vorteilhaft erwiesen hat. Im Verdunstungsbereich wird gewöhnlich mit Wasserüberschuss gearbeitet, sodass am unteren Ende des Verdunstungsbereichs überschüssige Wassermengen abtropfen, aufgefangen und wieder dem Reservoir zugeführt werden können.
Der Luftstrom wird nach dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren einerseits zum Transport der verdunsteten Flüssigkeit vom Verdunstungsbereich zum Kondensationsbereich genutzt. Andererseits kann über die Temperaturführung der strömenden Luft eine große Temperaturdifferenz des Luftstroms gegenüber der Oberflächentemperatur im Kondensationsbereich erreicht werden. Es ist deshalb ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens, dass der Luftstrom stets eine hohe Temperatur hat. Um auftretende Wärmeverluste zu minimieren wird der Luftstrom deshalb im geschlossenen Kreislauf bewegt. Dies hat den Vorteil, dass nur die im Kondensationsbereich ver- fahrensbedingt entzogenen Wärmemengen dem Luftstrom im Verdunster wieder zugeführt werden müssen.
Bei Inkaufnahme erheblicher Leistungsverluste wäre es möglich, auch mit einem offenen Strömungskanal zu arbeiten. Dadurch wäre es sogar möglich, ohne Reservoir an belastetem Wasser allein aus Luftfeuchtigkeit gereinigtes Wasser zu gewinnen.
Diese Ausgestaltung des Reinigungsverfahrens ermöglicht es, sowohl im Ver- dunstungsbereich als auch im Kondensationsbereich die jeweils optimalen Mittel einzusetzen und diese so an das Verfahren anzupassen, dass sie mit höchster Effektivität arbeiten.
Der für das Verfahren notwendige Temperaturunterschied kann auch mit der Strö- mungsgeschwindigkeit der Luft, das heißt mit der Luftmenge pro Zeiteinheit, be- einflusst werden.
Es ist ein wesentliches Element des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens, dass Menge und Temperatur des Luftstroms regelbar sind. Ebenso wesentlich ist, dass der Luftstrom in Zirkulation gehalten wird. Dies ist jedenfalls kein Nachteil, wenn das Reinigungsverfahren zur Reinigung von Wasser eingesetzt wird, und allein die Menge an Kondensat pro Zeiteinheit für die Effektivität des Reinigungsverfahrens maßgeblich ist. Da mit anderweitig vorhandener Energie geheizt wird, entstehen keine Nachteile im Hinblick auf die Energienutzung.
Die erfindungsgemäße Reinigungsanlage vereinigt die bereits bei der Beschreibung des Reinigungsverfahrens erwähnten Komponenten Vorrat, Pumpeinrichtung, Kondensationsbereich, Heizeinrichtung und Verdunstungsreinrichtung miteinander. Die Verdunstungsreinrichtung/der Befeuchter und der Kondensationsbereich sind dabei Bestandteile der Reinigungsanlage, die zugleich in einem Lüftungskanal angeordnet sind. Eine Leitung verbindet den Vorrat an belastetem Wasser mit der Pumpeinrichtung, die wiederum über eine Leitung das belastete Wasser zur im Lüftungskanal angeordneten Kondensationsbereich befördert. Darüber hinaus auch in Richtung zu der Heizeinrichtung und den Wasserverteiler.
Der Kondensationsbereich ist im Wesentlichen ein Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einer Oberfläche, die mit ihrer verhältnismäßig geringen Temperatur aus dem vorbeistreichenden Luftstrom enthaltenes Wasser auskondensieren lässt. Hierzu ist der Kondensationsbereich bzw. der Wärmetauscher so ausgeführt, dass an seiner Oberfläche auskondensierende Feuchtigkeit der Schwerkraft folgend leicht abtropfen kann und mithilfe einer Auffangschale erfasst, über eine Leitungsverbindung in einen Kondensatbehälter fließen und dort zur weiteren Verwendung bereitgehalten werden kann. Wenigstens bis zum Kondensationsbereich hat das belastete Wasser eine Temperatur, die weitgehend der im Vorrat vorhandenen Temperatur entspricht. Der den Kondensationsbereich umstreichende Luftstrom ist jedoch in der Verdunstungseinrichtung aufgeheizt worden. Beim Durchströmen des Kondensationsbereiches muss der erwärmte Luftstrom aufgrund des Temperaturunterschiedes notwendigerweise Feuchtigkeit abgeben. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wärmt das belastete Wasser vor.
Die zur Anlage gehörende Heizeinrichtung dient dazu, das belastete Wasser nach dem Durchströmen des Kondensationsbereiches auf eine höhere Temperatur aufzuheizen. Dabei ist es ausreichend, wenn die Übertemperatur des belasteten Wassers auf einen Wert von wenigstens 50° C, besser auf 85° C, jedoch nicht ü- ber die Siedetemperatur des Wassers, erhitzt wird.
Die Verdunstungseinrichtung/der Befeuchter ist koaxial im Lüftungskanal angeordnet. Sie wird aus der Heizeinrichtung mit erwärmtem belastetem Wasser versorgt.
Die Verdunstungseinrichtung ist ein Körper mit einer großen Oberfläche und einem erhöhten Strömungswiderstand, damit eine möglichst intensive Verwirbelung der angesaugten Luft und somit ein intensiver Kontakt zwischen Luft und Wasser entstehen.
Die bevorzugte Form der Verdunstungseinrichtung ist eine gitterartige Struktur, die so ausgelegt ist, dass für herabfallende Wassertropfen kein freier Durchgang vorhanden ist. Sie wird von oben her mit frei fallenden Wassertropfen beaufschlagt, die zunächst auf die gitterartige Struktur aufprallen, sodann in der Struktur tropfen- oder linsenförmig hängen, bis der entstehende Tropfen sich aufgrund seines Eigengeweichtes löst und weiter nach unten fällt. Die gitterartige Struktur ist so ausgelegt, dass eine resultierende Fließgeschwindigkeit von weniger als 10 cm/s realisiert wird. Geringere Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen die Verweildauer und damit zugleich den Verdunstungsgrad bezogen auf einen einzelnen Wassertropfen. Andere Ausführungsformen für die Verdunstungseinrichtung können nach dem Prinzip des Nasskühlturms des belasteten Wassers und Zwangsbelüftung arbeiten.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen können mit oberflächlicher Verteilung des belasteten Wassers auf textilen Flächengebilden arbeiten, wobei diese wiederum vorzugsweise zur Erreichung einer großen Oberfläche gefaltet, als grobmaschiges Flächengebilde, als Abstandsgestrick, als Netz oder als hängende Fäden beziehungsweise Schnüre ausgeführt sein können. Bevorzugt erfolgt die Verteilung des erwärmten belasteten Mediums an der Ausgangsseite der Verdunstungseinrichtung.
Es ist vorteilhaft, wenn die Verdunstungseinrichtung ein Körper ist, der bei ständigem Betrieb der Reinigungsanlage schnell die Temperatur des zufließenden be- lasteten Wassers annimmt und so für einen hohen Verdunstungsgrad sorgt.
Die oben beschriebene Anlage kann in Abhängigkeit von spezifischen Einsatzbedingungen abgewandelt werden. Wird die erfindungsgemäße Reinigungsanlage an einer Küste oder einem stehenden oder fließenden Gewässer eingesetzt, kann das Gewässer das Reservoir bilden. Die Reinigungsanlage kann dann beispielsweise direkt im Wasser stehen oder über eine Zuleitung versorgt werden.
Bei Einsatzorten ohne verfügbare Hilfsenergien kann die Pumpeinrichtung für manuellen Betrieb ausgelegt sein. Der Lüftungskanal kann so ausgelegt sein, dass durch die Erwärmung der Luft in der Verdunstungseinrichtung ein Auftrieb entsteht und die Luftströmung damit von selbst einsetzt.
Um dies zu erreichen, kann der erste Abschnitt des Lüftungskanals vorzugsweise vertikal angeordnet sein.
Die Heizeinrichtung kann mit Solarerwärmung arbeiten, sodass für die Beheizung des belasteten Wassers keine anlagenfremden Wärmemengen und Hilfsenergien notwendig sind.
Die Reinigungsanlage kann kompakt ausgeführt sein, sodass sie mobil ist und mit Fahrzeugen transportiert werden kann.
Es ist möglich, die Reinigungsanlage so auszulegen, dass sie in Container- abmessungen ausgeführt werden kann.
Bei entsprechender Ausgestaltung des Lüftungskanals kann dieser im Kondensationsbereich die Funktion der Kondensatauffangschale übernehmen. Sofern die Reinigungsanlage an ein Leitungsnetz angeschlossen ist, kann der Kondensatbehälter entfallen. Mit der Bereinigungsanlage zugeordneten Steuereinrichtung wird ein Betrieb mit hoher Effektivität, dass heißt Kondensationsleistung, sichergestellt. In Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen werden innerhalb der Reinigungsanlage wichtige Messwerte erfasst und durch die Steuereinrichtung verarbeitet.
Die Steuereinrichtung kann dabei durch Vergleich zwischen Ist- und Sollwerten, durch Abfragen zulässiger Wertebereiche und Vergleich mit diesen oder auch unter Anwendung vorgegebener Algorithmen die notwendigen Steuergrößen erarbeiten und an die zu steuernden Anlagenkomponenten übermitteln.
Es ebenso möglich in der Steuereinrichtung ein Programm abzulegen, das die vollautomatische Steuerung der Reinigungsanlage übernimmt.
Bevorzugt wird eine Stellgröße für die Heizleistung der Heizeinrichtung erzeugt, wobei diese im Sinne der Energieeinsparung zugleich minimiert werden kann.
Es kann auch eine Stellgröße für den Lüfter erzeugt werden, da über die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms auch die Menge verdampften Wassers und damit die Kondensationsleistung bestimmt werden kann.
Weitere Steuerungsmöglichkeiten bestehen in der zugeführten Menge an belastetem Wasser. Ebenso das Verteilungsschema des Wasserverteilers.
Die Steuereinrichtung kann alle diese Einflussgrößen auf geeignete Weise be- rücksichtigen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Reinigungsanlage kann gegebenenfalls auf erwärmtes Prozesswasser zurückgegriffen werden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn in industriellen Anlagen bedingt durch dort auszuführende Prozes- se belastetes Wasser mit Temperaturen im Untersiedebereich zur Verfügung steht. In diesem Fall kann auf die Heizeinrichtung verzichtet werden. Der Kondensationsbereich ist dann nicht mit dem Kreislauf des belasteten und zu reinigenden Wassers verbunden, sondern ein reiner Kaltwasser-Spülkreislauf. Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 - Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Reinigungsanlage.
Die erfindungsgemäße Reinigungsanlage 1 besteht im Wesentlichen aus den nachfolgend aufgeführten Hauptbestandteilen. Ein Reservoir 2, aus dem be- lastetes Wasser 3 zugeführt werden kann, ein Gehäuse 4, das einen Kondensationsbereich 5, einen Befeuchter 6, einen Wasserverteiier 7 eine Trennwand 8, einen durch Befeuchter 6 und Kondensationsbereich 5 führenden Strömungskanal 9, einen Auffangbehälter 10 für gereinigtes Wasser 1 und einen Auffangbehälter 28 für abtropfendes Restwasser 22 sind in einer Einheit zusammen- gefasst. Zum Betrieb der Reinigungsanlage 1 sind weiterhin eine Leitung 12, die das belastete Wasser 3 der Kondensationsbereich 5 zuführt und eine Heizeinrichtung 13 notwendig, wobei die Heizeinrichtung 13 über eine Leitung 14 mit dem Kondensationsbereich 5 und über eine Leitung 15 mit dem Wasserverteiier 7 verbunden ist. Essenzieller Bestandteil der Reinigungsanlage 1 ist weiterhin im Strö- mungskanal 9 ein Lüfter 16, der den Luftstrom 17 mit einer für das Reinigungsverfahren optimalen Geschwindigkeit umwälzt.
In der Reinigungsanlage 1 werden die nachfolgend beschriebenen Arbeitsschritte zumeist gleichzeitig ausgeführt, auch wenn sie in der nachfolgenden Be- Schreibung aus Gründen der übersichtlichen Darstellungsweise nacheinander beschrieben sind.
Das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren besteht darin, dass der Reinigungsanlage 1 über die Leitung 12 belastetes Wasser 3 in den Kondensationsbereich 5 zugeführt wird. Je nach Aufstellungsort der Reinigungsanlage 1 kann die Temperatur des belasteten Wassers 3 Werte bis über 30° C haben, wie es beispielsweise in trockenheißen Regionen der Erde der Fall ist. Im Lüftungskanal 9 wird ein Luftstrom 17 umgewälzt, der über die Heizeinrichtung 13 und das über die Leitung 15 dem Wasserverteiler 7 zugeführte erwärmte belastete Wasser 3 auf eine Betriebstemperatur nahe der Siedetemperatur des belasteten Wassers 3 aufgeheizt ist. Mit Hilfe des Lüfters 16 wird dieser Luftstrom in Bewegung gehalten.
Die Reinigungsanlage 1 arbeitet mithin im günstigsten Fall mit einer Temperaturdifferenz zwischen belastetem Wasser 3 und dem Luftstrom 17 von bis zu 80° C, in weniger günstigen Fällen mit einer Temperaturdifferenz bis herab zu 5° C. Um maximale Leistungsergebnisse zu erzielen, ist die Reinigungsanlage 1 deshalb für einen Betrieb mit einer Temperaturdifferenz von etwa 40° C optimiert, wobei größere Temperaturdifferenzen die Leistung weiter steigern.
Das belastete Wasser 3 strömt über die Leitung 12 in den unteren Bereich 18 der Kondensationsbereich 5. In diesem Bereich der Kondensationsbereich 5 ist somit die niedrigste Temperatur im Kondensationsbereich 5 und innerhalb des Gehäuses 4 überhaupt vorhanden. Beim Durchströmen der Leitungen des Kondensationsbereiches 5 erwärmt sich das zugeführte belastete Wasser 3, da es aus dem Luftstrom 17 Wärmemengen aufnimmt. Am oberen Ende 19 des Kondensationsbereiches 5 hat das belastete Wasser 3 somit bereits eine erhöhte Temperatur. Über die Leitung 14 wird das belastete Wasser 3 der Heizeinrichtung 13 zugeführt und in dieser mit von externen Energiequellen stammenden Wärm- engen bis auf eine Temperatur nahe der Siedetemperatur aufgeheizt. Bevorzugt werden der Heizeinrichtung 13 Wärmemengen aus Prozesswärme, die allgemein als Verlustwärme bei technischen Prozessen entstehen, zugeführt. Solche Wärmequellen können beispielsweise Abwärme aus mit erhöhter Temperatur ausgeführten technischen Prozessen, Verlustwärme aus dem Betrieb von Verbrennungs- und Elektromotoren, Verdichtern, von Blockheizkraftwerken, aus Abwärme elektrischer Wandler, elektrischer Speichereinrichtungen oder Erd- wärme sein. Es ist ebenso möglich, die Solarerwärmung zu nutzen, wenn andere Energiequellen nicht dauerhaft zur Verfügung stehen und Einschränkungen bei der Verfügbarkeit der Reinigungsanlage 1 in Kauf genommen werden können. Das in der Heizeinrichtung 13 auf eine hohe Temperatur aufgeheizte belastete Wasser 3 wird über die Leitung 15 dem Wasserverteiler 7 zugeführt. Über Öffnungen 20 gibt der Wasserverteiler 7 das erwärmte belastete Wasser 3 in Tropfenform ab, wobei die Tropfen 21 auf Grund ihrer Gewichtskraft nach unten fallen und im Befeuchter 6 auf Hindernisse 26 prallen, durch die sie zunächst festgehalten werden. Die Hindernisse 26 sind dabei so gestaltet, dass sie den Tropfen 21 nur eine sehr geringe Kontaktfläche bieten. Dass heißt, die Kontaktfläche für die Tropfen 21 ist so bemessen, dass die Haltekraft geringfügig über der Gewichtskraft der Tropfen 21 liegt. Die sich bildenden Tropfen hängen folglich an der Unterseite der Hindernisse 26, haben dadurch eine vergleichsweise große Oberfläche und können über diese verdunsten.
Der im Gehäuse 4 zirkulierende Luftstrom 17 nimmt im Befeuchter 6 die verdunstenden Wassermengen auf, indem er von unten in den Befeuchter 6 ein- strömt, diesen durchströmt, und am oberen Ende desselben wieder austritt, wobei der Luftstrom 17 beim Austritt aus dem Befeuchter 6 einen Feuchtegehalt nahe 100 % und im Idealfall gleichzeitig eine Temperatur nahe dem Siedepunkt des Wassers hat. Im Luftstrom 17 stellt sich mithin bei Dauerbetrieb der Reinigungsanlage 1 ein Gleichgewicht der Gestalt ein, dass die Temperatur im Luftstrom 17 sich auf einen hohen Wert und die Luftfeuchte sich auf einen Wert nahe 100 % einstellt. Die sich tatsächlich ergebenden Werte werden zunächst von der Größe der in der Reinigungsanlage 1 auftretenden Wärmeverluste bestimmt. Um diese deutlich zu ver- mindern, ist das Gehäuse 4 mit einer Isolierung 27 versehen.
Der Kondensationsbereich 5 ist beim Betrieb der Reinigungsanlage 1 der Bereich mit der niedrigsten Temperatur, da diesem ständig belastetes Wasser 3 mit einer niedrigen Eingangstemperatur zugeführt wird. Bedingt durch die Temperaturunter- schiede im Bereich der Leitungen und der Auffangschale 24 des als Wärmetauscher ausgeführten Kondensationsbereiches 5 bilden sich an dessen Oberfläche kondensierende Wassertröpfchen. Diese bewegen sich nach unten, bis sie im unteren Bereich 18 des Kondensationsbereiches 5 aufgrund ihrer Größe und Eigenmasse abtropfen, in einer Auffangschale 24 aufgefangen werden, über eine Leitung 25 abgeführt und als gereinigtes Wasser 11 dem Auffangbehälter 10 zugeführt werden. Das Reinigungsverfahren beruht also darauf, dass im Inneren des Gehäuses 4 ein Gleichgewichtszustand ausgebildet ist, der durch das mit geringer Temperatur zugeführte belastete Wasser 3 gestört wird und bedingt durch diese Störung des Gleichgewichts sich im Kondensationsbereich 5 eine fallende Luftbewegung einstellt. Diese wiederum führt im Befeuchter 6 zu einer aufwärts gerichteten Luft- Strömung.
Eine weitere Störquelle für das sich ausbildende Gleichgewicht ist der Wasserverteiler 7, durch den über die abgegebenen Tropfen 21 eine Zufuhr von Wärmemengen erfolgt.
Nach der Erfindung wird nun der stets einem Gleichgewicht zustrebende Prozess zusätzlich dadurch gestört, dass mit Hilfe des Lüfters 16 ein Zwangsumlauf des Luftstromes 17 erzwungen wird. Erfindungswesentlich ist dabei, dass mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung 29 die Betriebsparameter der Reinigungsanlage 1 erfasst werden und aus den erhaltenen Messwerten Steuerungssignale für den Betrieb des Lüfters 16 ermittelt werden. Im einfachsten Fall kann beispielsweise die pro Zeiteinheit entstehende Menge an gereinigtem Wasser 11 erfasst werden und nach vorher empirisch er- mittelten Ergebnissen eine Steuerungsgröße für den Lüfter 16 durch Vergleich zwischen den verschiedenen Betriebsparametern und der Menge an gereinigtem Wasser 11 pro Zeiteinheit erzeugt werden.
Die Erfindung berücksichtigt also, dass das Ergebnis des erfindungsgemäßen Ver- fahrens.eine Maximierung der Menge des zu erhaltenden gereinigten Wassers 11 sein muss. Die Steuerungseinrichtung 29 kann so ausgelegt sein, dass sie einen als optimal gefundenen Betriebspunkt beziehungsweise ein als optimal gefundenes Betriebsregime einhält. Sie kann so arbeiten, dass weitere äußere Einflüsse auf die Reinigungsanlage 1 in die Steuerung einbezogen werden. Dies kann die Temperatur des belasteten Wasser 3, die zur Verfügung stehenden Wärmemengen für die Heizeinrichtung 13 oder die Wärmeverluste des aus dem Kreislauf austretenden Restwassers 22 sein die über eine Ableitung 23 wieder dem Reservoir 2 zugeführt werden.
Bekannte stationäre Reinigungsanlagen mit solarer Erwärmung erreichen Reinigungsleistungen von etwa 0, 14 lm"3h"1 , verbesserte Anlagen Reinigungsleistungen von etwa 0,4 lm"3h"1 Die erfindungsgemäße Anlage erreicht durch ihre optimierten Bestandteile und die optimierten Betriebsparameter eine Reinigungs- leistung von bis zu 42 lm"3h"1 , bezogen auf ein Anlagenvolumen von 1 m3 und eine Vorlauftemperatur des belasteten Wassers 3 im Wasserverteiler 7 von 80 °C. Eine experimentelle Ausführung der erfindungsgemäßen Reinigungsanlage 1 hat ein Volumen von 0,75 m3 und ein Gewicht von nur 75 kg. Sie liefert in 24 Stunden 750 1 gereinigtes Wasser 11. Mithin können auch in ihrer Baugröße klein dimensionierte Anlagen aufgestellt und betrieben werden, die beispielsweise nur 0,75 m2 Platzbedarf, ein geringes Gewicht haben, auf einem Pkw-Anhänger transportiert werden können und nur einen geringen Wärmebedarf haben. Sie können an vielen Orten aufgestellt werden, an denen Abwärme für den Betrieb der Reinigungsanlage 1 zu Verfügung steht.
Bevorzugte Verwendungen sind dabei der Betrieb in Verbindung mit der Elektroenergieerzeugung dienenden Verbrennungsmotoren, wobei deren Abwärme genutzt wird. Ebenso die Verwendung mit Wärmequellen, die bei der Durchführung technischer Prozesse Abwärme erzeugen, die anderenfalls als Verlustwärme ver- loren gehen würde.
Der geringe Flächenbedarf der erfindungsgemäßen Reinigungsanlage 1 lässt zugleich Verwendungen zu, die bisher mit bekannten Anlagen nicht möglich waren. So zum Beispiel die Aufstellung im Maschinenraum eines Schiffes bei gleichzeitiger Nutzung der Abwärme der Schiffsmaschine, in Gebäuden bei der Nutzung der Abwärme von Klimaanlagen, Kochgeräten, Trocken- und Wascheinrichtungen oder industriell genutzter Wärmequellen beziehungsweise deren Abwärme.
Die kompakte Reinigungsanlage 1 kann für eine autarke Wasserversorgung eingesetzt werden, wenn ein ausreichend großes Reservoir 2 zugeordnet ist und zumindest über das Reservoir 2 eine Möglichkeit besteht, die Temperatur des belasteten Wassers 3 darin wieder abzusenken.
Neben den wie beschrieben klein bauenden Anlagen können die erfindungsgemäßen Reinigungsanlagen 1 auch in deutlich größerer Ausführung bei mindestens gleichen Parametern ausgeführt werden, wenn am Aufstellungsort die erforderlichen Wärmemengen zur Verfügung stehen. Möglich ist so eine Kombination der Reinigungsanlagen mit großtechnischen Prozessen in der Erdölverarbeitung, bei der Stromerzeugung, bei der Erzeugung von Kälte und ähnlichen Prozessen.
Auf jeden Fall möglich ist auch die Mehrfachaufstellung der Reinigungsanlage 1 und deren Parallelbetrieb.
Die erfindungsgemäße Reinigungsanlage 1 ist so ausgestaltet, dass sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens geeignet ist. Sie besteht demgemäß aus den oben bereits erwähnten Hauptbestandteilen Befeuchter 6, Kondensationsbereich 5, einer Heizeinrichtung 13 und dem Wasserverteiler 7. Ferner kann zur Reinigungsanlage 1 ein Auffangbehälter 10 für das anfallende gereinigte Wasser 11 gehören.
Nach der Erfindung ist der Strömungskanal 9 ein geschlossener Kanal. Das heißt, der im Strömungskanal 9 vorhandene Luftstrom 17 befindet sich in einem Kreislauf. Der Strömungskanal 9 ist in einem ersten Abschnitt vorwiegend vertikal ausgerichtet und nimmt den Befeuchter 6 auf. Das heißt, er umschließt diesen.
Der Befeuchter 6 kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Er wirkt jeden- falls so, dass das belastete Wasser 3 mit dem Luftstrom 17 in Kontakt kommt, sodass ein Verdunstungsprozess beim belasteten Wasser 3 einsetzt.
Der Befeuchter 6 kann ein Einzelbauteil sein, das eine besonders große Oberfläche ausgebildet hat.
Der Befeuchter 6 kann ein gefaltetes, aufgerolltes oder gekrumpftes textiles Flächengebilde sein. Es kann ebenso ein gleichartiges Gebilde aus Filz, einer Faserstruktur oder aus Vliesstoff sein. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Anwendung von Gestricken, vor allem Abstandsgestricken, gitter- oder netzförmig ausgebildeten Flächengebilden.
Weitere Möglichkeiten bestehen in der Anordnung einzelner Fäden oder von Schnüren, die mit großer Packungsdichte angeordnet sein können. Des Weiteren kann der Befeuchter 6 eine dreidimensionale gitterartige Struktur aus Kunststoff, Metall oder glasartigen Werkstoffen oder aus einem metallischen Gebilde sein. Es kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Haufwerk aus Metallspänen sein. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Anwendung von Vlies, Filz, Zellulose- Glas- oder Kunststofffasern, sogenannter Füllkörper aus Keramik, Kunststoffen oder Metallen oder in einer Etagenanordnung, bei der mehrfach übereinander angeordnete Auffangschalen regelmäßig überlaufen und so ein ständiges Abtropfen des belasteten Wassers 3 ermöglichen.
Die bevorzugte Ausführungsform des Befeuchters 6 ist eine Gitterstruktur mit Gitterelementen, die einen so geringen Durchmesser haben, dass auftreffendes Wasser sich sofort zu hängenden Tropfen formt. Die Haltekraft der Gitterelemente liegt nur wenig über der Gewichtskraft der sich bildenden Tropfen. Mit zunehmender Tropfengröße lösen diese sich ab, fallen und kollidieren mit weiteren Gitterelementen, sodass sich der Vorgang wiederholt. Die beim Durchgang durch die Gitterstruktur erreichte Geschwindigkeit der Wassertropfen liegt maximal bei 0, 1 ms"1 , bei optimal ausgelegter Gitterstruktur noch wesentlich darunter.
Eine einfache Ausführungsform des Befeuchters 6 sieht vor, auf zusätzliche Einbauten gänzlich zu verzichten und statt dessen einen Wasserverteiler 7 vorzusehen, der das belastete Wasser 3 verregnet, wobei die entstehenden Tropfen 21 , wie auch bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, aufgrund ihrer Gewichtskraft nach unten fallen.
Um den Verdunstungsvorgang zu beschleunigen, wird das belastete Wasser 3 in einer Heizeinrichtung 13 auf eine hohe Temperatur, die aber unter dem Siede- punkt des belasteten Wassers 3 bleibt, aufgeheizt. Dabei ist es für die Erfindung nicht relevant, auf welche Weise die zum Aufheizen des belasteten Wassers 3 notwendigen Wärmemengen erzeugt und wie sie in das belastete Wasser 3 eingebracht werden. Im Befeuchter 6 wird der Luftstrom 17 mit Feuchtigkeit beladen.
Bedingt durch die hohe Temperatur des belasteten Wassers 3 erwärmt sich auch der Luftstrom 17, sodass im Strömungskanal 9 ein aufwärts gerichteter Luftstrom entsteht.
Ein zweiter Abschnitt des Strömungskanals 9 ist wiederum senkrecht orientiert. In diesem Abschnitt ist der Kondensationsbereich 5 angeordnet, wobei dieser bevorzugt als Wärmetauscher ausgelegt ist. Dabei ist es für das Wesen der Erfindung unerheblich, welche Ausführungsform eines Wärmetauschers gewählt wird.
Zwischen dem Befeuchter 6 und dem Kondensationsbereich 5 ist eine isolierende Trennwand 8 angeordnet. Der Kondensationsbereich 5 wird über die Leitung 12 mit kaltem belastetem Wasser 3 durchspült, sodass der Kondensationsbereich 5 an seinem unteren Bereich 18 eine Oberflächentemperatur hat, die etwa der Temperatur des zugeführten belasteten Wassers 3 entspricht.
Mithin besteht zwischen dem ankommenden beladenen Luftstrom 17 und dem unteren Bereich 18 des Kondensationsbereiches 5 ein erheblicher Temperaturunterschied von wenigstens 10° C, bevorzugt jedoch bis zu 85° C. An der Oberfläche des Kondensationsbereiches 5 kondensiert die mit dem Luftstrom 17 beförderte Feuchtigkeit aus, tropft von dessen Oberfläche ab und wird mit Hilfe eines Auffangbehälters 24 aufgefangen, einer Leitung 25 zugeführt und als gereinigtes Wasser 11 im Auffangbehälter 10 gesammelt. Der Kondensationsbereich 5 kann auf verschiedene Weise verbessert werden. So kann ein Lamellen-Wärmetauscher verwendet werden, dessen Lamellen vertikal ausgerichtet sind. Weiter kann ein Lamellenabstand gewählt werden, der eine Brückenbildung durch Wassertropfen zwischen zwei benachbarten Lamellen ausschließt.
Besonders bevorzugt wird die Verwendung von Lamellen mit einer Oberflächen- beschichtung, die die Fließgeschwindigkeit anhaftenden Wassers erhöht. Dies kann eine Kunststoffbeschichtung sein. Die oben beschriebene Reinigungsanlage 1 kann auf verschiedene Weise weiter ausgestaltet werden.
Über die Leitung 14 kann eine Verbindung zu einem natürlichen Wasserreservoir oder zu einem Fließgewässer hergestellt werden, aus dem dann das belastete Wasser 3 entnommen wird.
Es ist möglich, mithilfe einer Pumpeinrichtung 30 den Flüssigkeitsstrom des belasteten Wassers 3 zu fördern. Eine bevorzugte Ausführungsform der Reinigungsanlage 1 sieht für diese ein eigenes Reservoir 2 vor, in dem das belastete Wasser 3 eingefüllt ist. Das Reservoir 2 kann unter dem Befeuchter 6 angeordnet sein und so abtropfendes belastetes Wasser 3 zurückgewonnen werden.
Es ist weiterhin möglich, zur Sicherstellung einer niedrigen Temperatur des belasteten Wassers 3 die Leitung 12 zu isolieren, sie tief im Erdreich zu verlegen oder sie so kurz zu halten, dass in der Leitung 14 keine nennenswerte Erwärmung des belasteten Wassers 3 auftreten kann.
Ebenso kann das Reservoir 2 oder ein zusätzlicher Behälter im Erdbereich angeordnet sein, um die Temperatur des belasteten Wassers 3 niedrig zu halten.
Die Heizeinrichtung 13 kann so ausgelegt sein, dass sie das belastete Wasser 3 mit Sonnenenergie aufheizt. Sie kann ebenso mit Wärmemengen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder mit Elektroenergie oder mit Verlustenergie von nicht zur Reinigungsanlage gehörenden Prozessen beheizt sein.
Steht ausreichend Solarenergie zur Verfügung, kann die Heizeinrichtung 13 als Sonnenkollektor ausgelegt oder ein solcher zugeordnet sein.
Dieser kann ferner teilweise abdeckbar sein und auf diese Weise eine Steuerung der Heizleistung ermöglichen. Dabei kann er in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur des belasteten Wassers 3 in der Leitung 15 beim Übergang zum Befeuchter 6 regelbar sein.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Reinigungsanlage 1 sieht vor, einen leistungsstarken Solarkollektor als Heizeinrichtung 13 einzusetzen und diesem eine Mehrzahl von Befeuchtern 6 nachzuschalten, die wiederum mit einer Mehrzahl von Kondensationsbereichen 5 arbeitet und es so ermöglicht, mehrere gleichartige Reinigungsanlagen zu kaskadieren. Ebenso kann eine Ausführungsform der Reinigungsanlage 1 vorsehen, dass einem Befeuchter 6 eine Mehrzahl von Kondensationsbereichen 5 nachgeschaltet ist.
Der Befeuchter 6 kann auf verschiedenste Weise ausgestaltet sein.
Bevorzugt wird ein Verdunstungskörper, der über den Wasserverteiler 7 mit Tropfen 21 von erwärmtem belastetem Wasser 3 versorgt wird.
Soweit überschüssige Mengen an belastetem Wasser 3 auftreten, können diese in das Reservoir 2 abtropfen, wenn der Befeuchter 6 entsprechend angeordnet ist.
Andere Ausführungsformen des Befeuchters 6 können ohne Verdunstungskörper ausgeführt sein, indem über einen der Leitung 15 nachgeschalteten Wasserverteiler 7 das belastete Wasser 3 verregnet. Dabei befindet sich der Luftstrom 17 im Gegenstrom zum Tröpfchenstrom, der auf Grund der Gewichtskraft der einzelnen Tröpfchen nach unten fällt. Es ist möglich, den Lüfter 16 in Abhängigkeit von Messgrößen der Reinigungsanlage 1 , wie beispielsweise der Zulauftemperatur des belasteten Wassers 3, der Temperatur des belasteten Wassers 3 in der Leitung 15, der Temperatur des Luftstroms 17 oder der Menge des ausgetragenen gereinigten Wassers 11 zu steuern. Die gleichen Steuerungsmöglichkeiten bestehen bei einer Pumpeinrichtung 30, die zur Förderung des belasteten Wassers 3 angeordnet sein kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Reinigungsanlage 1 entsteht ferner dann, wenn in Verbindung mit einer überdimensionierten Heizeinrichtung 13, die als So- larkollektor ausgelegt sein kann, ein zusätzlicher Speicher für erwärmtes belastetes Wasser 3 zugeordnet wird. Ein Überangebot an aufgeheiztem belastetem Wasser 3 kann dann zwischengespeichert werden und steht beispielsweise nach Sonnenuntergang für die Fortsetzung des Betriebs der Reinigungsanlage 1 wieder zur Verfügung.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Reinigungsanlage 1 kann auf die Anordnung einer Heizeinrichtung 13 verzichten. In diesem Fall wird die Reinigungsanlage 1 direkt mit Prozesswasser aus nicht zur Erfindung gehörenden Anlagen beziehungsweise Verfahren als belastetem Wasser 3 versorgt. Dies ermöglicht es, sonst verloren gehende Energiemengen zusätzlich zur Erzeugung von gereinigtem Wasser nutzbar zu machen.
Schließlich kann die Reinigungsanlage 1 bei ausschließlich solarer Erwärmung so ausgelegt werden, dass sie außer zum Betrieb einer Pumpeinrichtung 30 und des Lüfters 16 sowie gegebenenfalls zu versorgender Mess- und Auswerteeinrichtungen keine Fremdenergie benötigt.
Bei geeigneter Dimensionierung der Reinigungsanlage 1 kann diese mobil, als Fahrzeugaufbau oder in Kompaktausführung für Kleinverbraucher ausgeführt sein.
Die Erfindung hat also den Vorteil, dass sie es ermöglicht, unter Einbeziehung von Abwärme technischer Prozesse oder natürlicher, erneuerbarer, Energiequellen ein unter Normaldruck arbeitendes Reinigungsverfahren für belastetes Wasser und eine zu dessen Durchführung geeignete Reinigungsanlage auszuführen, die gegenüber bisher bekannten Reinigungsanlagen und deren Verfahren bei gleicher Baugröße eine um ein Mehrfaches größere Menge an gereinigtem Wasser 11 lie- fert.
Bezugszeichenliste
1 Reinigungsanlage
2 Reservoir
3 Wasser
4 Gehäuse
5 Kondensationsbereich
6 Befeuchter
7 Wasserverteiler
8 Trennwand
9 Strömungskanal
10 Auffangbehälter
1 1 Wasser
12 Leitung
13 Heizeinrichtung
14 Leitung
15 Leitung
16 Lüfter
17 Luftstrom
18 Bereich
19 Ende
20 Öffnung
21 Tropfen
22 Restwasser
23 Ableitung
24 Auffangbehälter
25 Leitung
26 Hindernis
27 Isolierung
28 Auffangschale
29 Steuerungseinrichtung
30 Pumpeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) in einer Reinigungsanlage (1 ), wenigstens bestehend aus:
- einer Möglichkeit zur Zuführung von belastetem Wasser (3),
- einer Pumpeinrichtung (30),
- einem Kondensationsbereich (5),
- einem Auffangbehälter (10),
- einer Heizeinrichtung (13),
- einem Wasserverteiler (7)
- einem Befeuchter (6),
- einer ersten Leitung (12), durch die das belastete Wasser (3) mit Hilfe der
Pumpeinrichtung (30) zum Kondensationsbereich (5), in die Heizeinrichtung (13) und den Befeuchter (6) förderbar ist,
- eine Leitung (25), durch die der Kondensationsbereich (5) mit dem Auffangbehälter (10) verbunden ist
- und einem Strömungskanal (9), der wenigstens den Befeuchter (6) und den Kondensationsbereich (5) miteinander verbindet,
- einem Lüfter (16)
- und einer Steuereinrichtung (29),
wobei die genannten Einrichtungen miteinander dergestalt wechselwirken, dass:
- das belastete Wasser (3) mithilfe der Pumpeinrichtung (30) dem
Kondensationsbereich (5) zugeführt wird, wodurch dessen Oberflächentemperatur sich an die Medientemperatur des belasteten Wassers (3) angleicht,
- das belastete Wasser (3) beim Durchströmen des Kondensationsbereiches (5) Wärmemengen aufnimmt,
- das belastete Wasser (3) nachfolgend eine Heizeinrichtung (13) durchströmt, in der es weitere Wärmemengen aufnimmt, wobei - in der Heizeinrichtung (13) das in der ersten Leitung (12) zirkulierende belastete Wasser (3) über seine Eigentemperatur hinaus erwärmt wird, sodass dieses beim Eintritt in den Befeuchter (6) eine erhöhte Verdunstungsneigung hat,
- das belastete Wasser (3) nachfolgend zum Befeuchter (6) befördert und verteilt wird und mit einem Luftstrom (17) in engen Kontakt kommt, wodurch es wenigstens teilweise verdunstet,
- im Strömungskanal (9) sich ein Luftstrom (17) ausbildet, der durch den Befeuchter (6) strömt und mit einem verdunstenden Anteil des belasteten Wassers (3) beladen wird,
- der beladene Luftstrom (17) durch den Kondensationsbereich (5) strömt und nachfolgend im Strömungskanal (9) zum Befeuchter (6) zurückgeführt wird, wobei der Kondensationsbereich (5) eine niedrigere Temperatur hat als der Luftstrom (17), sodass gereinigte Flüssigkeit auskondensieren kann und diese aufgefangen und über eine Leitung (25) dem Auffangbehälter
(10) zugeführt wird,
wobei
die Temperatur des in der ersten Leitungsstrang (12) strömenden belasteten Wassers (3), am Eingang des Kondensationsbereichs (5) minimal der Temperatur des zugeführten belasteten Wassers (3) und am Ausgang der Heizeinrichtung (13) maximal der Siedetemperatur desselben entspricht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (29) das Reinigungsverfahren in der Weise steuert, dass aus in der Reinigungsanlage (1 ) ermittelten Messgrößen jeweils die größtmögliche Menge gereinigten Wassers (1 1 ) pro Zeiteinheit ermittelt und die dazu erforderliche Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms (17) eingestellt wird. 2. Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (29) in einem Speicherbereich Daten für die jeweils optimalen Betriebsregimes innerhalb festgelegter Ausgangsbedingungen hat und die Steuerungsgrößen für den Lüfter (16) durch Vergleich gemessener Daten mit abgespeicherten Daten erzeugt werden.
Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (29) einen Speicherbereich hat, in dem Kennfelder für Parameterbereiche abgespeichert sind und nach im Speicherbereich abgespeicherten Algorithmen Steuerkenngrößen für den Lüfter (16) und/oder die Pumpeinrichtung (30) erzeugt werden.
Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zusätzlichen Arbeitsschritt die Temperatur am Ausgang der Heizeinrichtung (13) erfasst wird und bei Erreichen eines Grenzwertes nahe der Siedetemperatur des belasteten Wassers (3):
die Förderleistung der Pumpeinrichtung (30) erhöht und/oder die Heizeinrichtung (13) in der Heizleistung verringert und/oder ein Teilstrom des aufgeheizten belasteten Wassers (3) einer Speichereinrichtung zugeführt wird.
Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das belastete Wasser (3) einem natürlichen Wasserreservoir und/oder einem Reservoir (2) und/oder einer Speichereinrichtung und/oder einem Prozesswasserkreislauf entnommen wird.
Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zum Betrieb der Reinigungsanlage (1 ) erforderlichen Wärmemengen aus einer externen geothermischen oder solaren Wärmequelle, aus Abwärme von Wärmeerzeugern, Verbrennungsmotoren, Wärmeerzeugern oder industriell erzeugter Abwärme bezogen werden.
7. Reinigungsverfahren für mit Begleitstoffen belastetes Wasser (3) nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der entladene Luftstrom (17) in einem nachfolgenden Arbeitsschritt wenigstens eine weitere Reinigungsanlage (1 ) durchströmt.
8. Reinigungsanlage (1 ) für belastetes Wasser (3) zur Durchführung eines Reinigungsverfahrens nach Patentanspruch 1 , wenigstens enthaltend:
- eine Möglichkeit zur Zuführung von belastetem Wasser,
- eine Pumpeinrichtung (30),
- einen Kondensationsbereich (5),
- einen Auffangbehälter (10),
- eine Heizeinrichtung (13),
- einem Wasserverteiler (7),
- einen Befeuchter (6) und
- eine erste Leitung (12), durch die das belastete Wasser (3) mit Hilfe der Pumpeinrichtung (30) zum Kondensationsbereich (5), in die Heizeinrichtung (13) und den Befeuchter (6) förderbar ist,
- eine Leitung (25), durch die der Kondensationsbereich (5) mit dem Auffangbehälter (10) verbunden ist,
- einen Strömungskanal (9), der den Befeuchter (6) und den Kondensationsbereich (5) jeweils an deren Aus- und Eingängen miteinander verbindet
- und einen Lüfter (16), der im Lüftungskanal (9) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Reinigungsanlage (1 ) eine Steuereinrichtung (29) angeordnet ist, die einen Speicherbereich und in demselben gespeicherte Parameter und/oder Parameterbereiche und/oder Algorithmen, die zur Steuerung des Lüfters (16) oder der Pumpeinrichtung (30) verwendbar sind, enthält.
9. Reinigungsanlage (1 ) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskanal (9) im Bereich des Befeuchters (6) und im Kondensationsbereich (5) vorwiegend vertikal angeordnet ist.
10. Reinigungsanlage (1 ) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
derselben ein Reservoir (2) zugeordnet ist.
Reinigungsanlage (1 ) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass,
die Heizeinrichtung (13) solar und/oder geothermisch und/oder mit Brennstoffen und/oder mit Elektroenergie und/oder mit Verlustenergie technischer Prozesse beheizbar ist.
Reinigungsanlage (1 ) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Befeuchter (6) ein berieselbarer eigenstabiler Verdunstungskörper ist.
Reinigungsanlage (1 ) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdunstungskörper ein metallischer, ein glas- oder keramischer Körper, ein Kunststoffkörper, ein Haufwerk aus wasserbeständigen Faserwerkstoffen, ein Filz, ein textiles Flächengebilde, ein Gitter, eine dreidimensional geformte Gitterstruktur, ein Netz, ein Gestrick, eine Anordnung mit einer endlichen Zahl hängender Bahnen und/oder Streifen und/oder Fäden und/oder Schnüre ist.
14. Reinigungsanlage (1 ) nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitung (14) oder die Leitung (15) eine Möglichkeit zur Einspeisung von belastetem erwärmtem Prozesswasser externer Einrichtungen haben.
15. Reinigungsanlage nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Reservoir (2) unter dem Befeuchter (6) angeordnet ist.
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