WO2020033984A4 - Solarbetriebener kontinuierlicher destillator mit effizienter wärmerückgewinnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Destillator (1), der mit Hilfe von Sonnenenergie (2) eine Ausgangsflüssigkeit (4) kontinuierlich verdampft. Ein Behälter (3), der die Ausgangsflüssigkeit (4) enthält, ein Behälter (5) in dem sich das Destillat (6) sammelt, wobei diese Behälter (3, 5) im thermischen Kontakt sind, und ein Kompressor (7) sind Teil des Destillators (1). Der Kompressor (7) komprimiert den Dampf, der durch Sieden der Ausgangsflüssigkeit (4) durch Konzentration von Sonnenenergie (2) und/oder durch Unterdruck entsteht, in den Destillatbehälter (5), damit dieser Dampf dort kondensiert und die Verdampfungsenthalpie und Wärmeenergie über den thermischen Kontakt an die Ausgangsflüssigkeit (4) rückgeführt wird.

Claims

GEÄNDERTE ANSPRÜCHE beim Internationalen Büro eingegangen am 6. April 2020 (06.04.2020)| Patentansprüche
1. Durch Sonnenwärme betriebener Destill ator (1), der aus einem oder mehreren Behältern (3) für die Ausgangsflüssigkeit (4) und aus einem oder mehreren Behältern (5) für das Destillat (6) besteht und ein oder mehrere Kompressoren (7) enthält, die den Dampf aus dem oder den Behältern (3) der Ausgangsflüssigkeit absaugen und zur Kondensation in den oder die Destillatbehälter (5) zu komprimieren, gekennzeichnet dadurch, dass der oder die Behälter (3) für die Ausgangsflüssigkeit (4) und der oder die Behälter (5) für das Destillat (6) durch einen oder mehrere thermische Kontakte verbunden sind, um die Verdampfungsenthalpie und Wärmeenergie rückzuführen, dass gleichzeitig Sonnenstrahlung auf den oder die Behälter für die Ausgangsflüssigkeit trifft, um die Ausgangsflüssigkeit (4) zum Sieden zu bringen, diese Behälter (3, 5) einen kreisförmigen oder einen davon abweichenden, z.B. einen ovalen, ellipsenförmigen, drei- oder mehreckigen, Querschnitt aufweisen und deren Oberfläche wahlweise gewellt ist und/oder Rippen trägt, um den Wärmeübergang zu verbessern und die Verdampfungs- und Kondensationsfläche zu vergrößern, dass eine oder mehrere Zuleitungen (8), eine oder mehrere Ableitungen (9) für die Ausgangsflüssigkeit (4), eine oder mehrere Ableitungen (10) für das Destillat (6) und vorzugsweise Ventile (23, 26) und/oder Pumpen (22) vorhanden sind, um den Zu- und Abfluss zu steuern, und dass wahlweise eine oder mehrere Vakuumpumpen (11) vorhanden sind, um einen Unterdrück in dem oder den Behältern (3) für die Ausgangsflüssigkeit (4) zu erzeugen, damit die
Siedetemperatur der Ausgangsflüssigkeit (4) abgesenkt wird.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich der oder die Behälter (3), die die Ausgangsflüssigkeit (4) enthalten, in einem oder mehreren Behältern (5) befinden, die das Destillat (6) und den Dampf enthalten, wodurch die Behälter (3, 5) im thermischen Kontakt sind, und dass ein oder mehrere Kompressoren (7) vorhanden sind, um den Dampf zu verdichten, damit er an den Wänden der Destillatbehälter (5) kondensiert und an dem oder den Ausgangsflüssigkeitsbehältem (3) die in ihm innewohnende thermische Verdampfungsenthalpie und thermische Energie abgibt, um die Wärme an die
Ausgangsflüssigkeit (4) zurückzuführen, wobei das Licht der Sonne (2) den oder die äußeren Behälter (5) durchdringt, die den komprimierten Dampf enthalten und dessen Wände sonnenstrahlungsdurchlässig ausgeführt sind.
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich in dem oder den Behältern (3), die die Ausgangsflüssigkeit (4) enthalten, ein oder mehrere Behälter (5) befinden, die das Destillat (6) und den Dampf enthalten, wodurch die Behälter (3, 5) im thermischen Kontakt sind, und dass ein oder mehrere Kompressoren (7) vorhanden sind, um den Dampf zu verdichten damit er an den Wänden der Destillatbehälter (5) kondensiert und an dem oder den Ausgangsflüssigkeitsbehältem (3) die in ihm innewohnende thermische Verdampfungsenthalpie und thermische Energie abgibt, um die Wärme an die
Ausgangsflüssigkeit (4) zurückzuführen, wobei das Licht der Sonne (2) den oder die äußeren Behälter (3) trifft, die die Ausgangsflüssigkeit enthalten.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein oder mehrere Behälter (3), die die Ausgangsflüssigkeit (4) enthalten, über eine oder mehrere Membranen oder Kontaktflächen (12) sich im thermischen Kontakt mit einem oder mehreren Behältern (5) befinden, die das Destillat (6) und den Dampf enthalten, und ein oder mehrere
Kompressoren (7) vorhanden sind, um den Dampf zu verdichten, damit er an der oder den Membranen oder Kontaktflächen (12) kondensiert und an dem oder den
Ausgangsflüssigkeitsbehältern (3) die in ihm innewohnende thermische
Verdampfungsenthalpie und thermische Energie abgibt, um die Wärme an die
Ausgangsflüssigkeit (4) zurückzuführen, wobei die Strahlung der Sonne (2) den oder die Ausgangsflüssigkeitsbehälter trifft, und der Destillator (1) wahlweise drehbar gelagert ist, damit möglichst nur der oder die Ausgangsflüssigkeitsbehälter beleuchtet werden.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass ein oder mehrere Spiegel, wie z.B. Paraboirinnenspiegel (27) und/oder Fresnelspiegel, wobei diese Spiegel wahlweise auch als aufblasbare, faltbare, aufgespannte oder
zusammenklappbare Spiegel ausgeführt sind, ein oder mehrere Fresnellinsen und/oder eine Vielzahl von Spiegeln (33) vorhanden sind, um die Sonnenenergie (2) auf den Destillator (1) zu konzentrieren, dass vorzugsweise eine Steuerung vorhanden ist, um diese Spiegel und/oder Linsen entsprechend den Beleuchtungsverhältnissen nachzuführen und wahlweise bei Unwettern in eine sichere Position zu drehen, und dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung oder Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung schwimmend mit Barken auf einem Gewässer angeordnet sind, wobei sie dann entweder am Grund des Gewässers verankert werden und/oder über einen eigenen Antrieb verfügen, um die Position zu halten, und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung oder Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) am Grund eines Gewässers oder eines Gezeitenbereichs stehen oder mit einem Turm oder einem Fundament über der Wasseroberfläche gehalten werden, wobei wahlweise mehrere oder alle Teile auf einer oder mehreren Plattformen zusammengefasst montiert sind.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass
Behälter, Kompressoren, Leitungen und/oder wahlweise vorhandene Vakuumpumpen, Turbinen, Pumpen, und/oder Ventile der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise aus korrosionsbeständigen Metallen, aus Quarzglas, wobei an der Oberfläche wahlweise Quarzgries aufgeschmolzen ist, und/oder Kunststoffen bestehen, wobei diese Materialien wahlweise, z.B. mit Teflon, beschichtet und/oder nanotechnologisch, z.B. mit carbon nanotubes, behandelt sind, um Kesselstein und/oder biologische Verunreinigung durch Organismen zu verhindern oder zu reduzieren, und/oder diese Materialien wahlweise oberflächenbehandelt und/oder beschichtet sind, um Siedeverzug zu verhindern oder Kondensation zu begünstigen, und dass ein Spritzschutz (21), z.B. ein Labyrinth, ein Sieb und/oder ein Drahtgeflecht, und/oder ein oder mehrere Filter (24), z.B. ein Aktivkohlefilter, Mikrofilter, Ultrafilter und/oder Nanofilter, im Behälter (3) der Ausgangsflüssigkeit (4) eingebaut sind, die im Dampf der Ausgangsflüssigkeit vorhandene unerwünschte
Verunreinigungen entfernen oder reduzieren, dass vorzugsweise Sensoren (20, 25) und/oder Schaugläser für die Füllstandsregelung eingebaut sind, dass wahlweise weitere Zu- und Ableitungen vorhanden sind, um Reinigungs-, Desinfektions- und/oder Spülflüssigkeiten dem Destillator (1) zuzuführen, und/oder dass Schallerzeuger z.B. Piezokristalle und/oder Vibratoren im Destillator (1) und an den Zu- und Ableitungen angebracht sind, um physikalische Methoden zur Reinigung wie z.B. Ultraschall und/oder Vibrationen anzuwenden, wobei ein oder mehrere Molche, eine Vorrichtung die bei Pipelines zum Einsatz kommt und die sich durch Röhren oder röhrenförmige Behälter bewegt, um die Wände zu überprüfen und/oder zu reinigen, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung untergebracht sind, wobei vorzugsweise Seile und/oder Zahnstangen vorhanden sind, um eine Bewegung der Molche zu ermöglichen.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Ausgangsflüssigkeit (4) zu- (8) und abgeführt (9) und die Zu- und Abflussmenge so geregelt wird, dass der Pegel der Ausgangsflüssigkeit (4) in einem gewissen Bereich bleibt, damit keine Flüssigkeit in den optionalen Spritzschutz (21), einen optional eingebauten Filter (24) und/oder in den oder die Kompressoren (7) gelangt, und die Ausgangsflüssigkeit flüssige
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) Konsistenz behält, und dass das Destillat (6) kontinuierlich abgeleitet (10) und die
Abflussmenge so geregelt wird, dass der Pegel des Destillates über der oder den Ableitungen (10) steht, damit kein Dampf entweichen kann, und vorzugsweise möglichst niedrig bleibt, damit eine größtmögliche Oberfläche für die Kondensation des Dampfes vorhanden ist, wobei die Füllstandsregelung der Flussmenge der zu- und abgeführten Flüssigkeiten (4, 6) hündisch oder automatisiert, z.B. elektronisch und/oder mechanisch, vorzugsweise über Sensoren (20, 25) erfolgt, die den Pegelstand an die Füllstandsregelung (18) übertragen, um ein Steuersignal für Ventile und/oder Pumpen (22, 23, 26) zu erzeugen, und/oder über Schaugläser erfolgt, um den oder die Pegel der Flüssigkeiten (4, 6) sichtbar zu machen, dass die Füllstandsmessung (20, 25) für die Ausgangsflüssigkeit (4) und das Destillat (6) mit einem Schwimmer, durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit, durch kapazitive
Messung, durch optische Messung, durch Ultraschallmessung oder durch Messung mit Mikrowellen oder Radar erfolgt, dass die Druckregelung durch die Leistung des Antriebs des oder der Kompressoren (7) erfolgt und/oder dass Überdruck durch ein oder mehrere
Überdruckventile abgeleitet und/oder durch Ausschwenken des Spiegels abgebaut wird.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass
wahlweise statt einer oder mehrerer Pumpen (22) ein oder mehrere Behälter über dem Destillator (1) angeordnet sind, um aus diesen mit Hilfe der Schwerkraft und vorzugsweise über ein oder mehrere Regelventile die Ausgangsflüssigkeit dem erfindungsgemäßen Destillator (1) oder mehreren erfindungsgemäßen Destillatoren zuzuführen, dass wahlweise statt eines oder mehrerer Ventile (23, 26) ein oder mehrere Pumpen, z.B. Zahnradpumpen oder Schlauchpumpen, eingebaut sind, um Flüssigkeiten wohldosiert zu fördern.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass sich der Destillator (1) in einem doppelwandigen evakuierten Rohr (13) befindet oder ein doppelwandig evakuiertes Rohr (13) als Behälter dient und z.B. aus Borosilikatglas besteht, wobei das äußere Rohr (14) lichtdurchlässig ist, das innere Rohr (15) lichtdurchlässig ist, und dann wahlweise als Behälter (5) für das Destillat dient, oder lichtabsorbierend ist, indem es mit einer sonnenstrahlenabsorbierenden Schicht (z.B. TiNox) überzogen ist und dann als Behälter (3) für die Ausgangsflüssigkeit dient, wobei die lichtdurchlässigen Rohre vorzugsweise Schichten tragen, die die Reflexion der Sonnenstrahlung (2) reduzieren und die Infrarotstrahlung des Destillators reflektieren, und wobei außerhalb des Bereiches, auf
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) den die Sonnenstrahlen treffen, das doppelwandige Rohr (13) vorzugsweise ähnlich einem Dewargefäß verspiegelt ist, um noch bessere Wärmeisolation dort zu erreichen.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der oder die Kompressoren (7), die zur Verdichtung des Dampfes dienen, als
Strömungsverdichter, z.B. axialer, radialer oder diagonaler Turboverdichter, als
Verdrängerverdichter, z.B. Rotationsverdichter, Rootsverdichter oder Schraubenverdichter, als Ventilator oder als Zentrifugalgebläse ausgeführt sind, wobei dieser oder diese
Kompressoren (7) mit einen Motor, z.B. mit einem Elektromotor (43), mit einem
Stirlingmotor, mit einer Strömungsmaschine, die durch den Dampf der Ausgangsflüssigkeit betrieben wird, z.B. eine axiale, radiale (39) oder diagonale Turbine, oder durch eine Verdrängermaschine, die durch den Dampf der Ausgangsflüssigkeit betrieben wird, z.B. eine Rotationskolbenmaschine, über eine oder mehrere Achsen verbunden sind, um dadurch angetrieben zu werden, wobei wahlweise Rohrleitungen und/oder hohl ausgeführte
Antriebsachsen (40) vorhanden sind, um den Dampf der Ausgangsflüssigkeit der oder den Strömungsmaschinen oder der oder den Verdrängermaschinen zuzuführen, und wahlweise Drosselklappen, Waste-Gates oder Maschinen mit veränderbarer Geometrie eingebaut sind, um eine Leistungsvariation zu ermöglichen, dass ein oder mehrere an den
Strömungsmaschinen oder an den Verdrängermaschinen angeschlossene Stromgeneratoren vorhanden sind, um vom öffentlichen Stromnetz unabhängig zu sein, und zwischen allen Geräten wahlweise ein Getriebe angeordnet ist, um Drehzahlen anzupassen.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass ein oder mehrere Wärmetauscher (17) in den Zu- und Ableitungen (8, 9, 10) eingebaut sind, um die Ausgangsflüssigkeit möglichst heiß zufließen zu lassen, indem sie die Wärme des abfließenden Destillationsrückstandes (9) und/oder des abfließenden Destillates (10) der zufließenden Ausgangsflüssigkeit (8) zuführen, wobei, wenn ein doppelwandiges evakuiertes Rohr (13) vorhanden ist, sich die Wärmetauscher (17) vorzugsweise darin befinden, damit die thermische Isolation verbessert wird, wobei wahlweise in und/oder auf den Wärmetauschern (17) ein oder mehrere Peltierelemente angeordnet sind, die mit Hilfe des Seebeck-Effektes elektrischen Strom für den Betrieb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung liefern, und/oder dass auf der Sonnenstrahlen absorbierenden Schicht und/oder an beliebiger Stelle Photovoltaikzellen angebracht sind, damit deren elektrischer Strom unabhängig vom öffentlichen Stromnetz zur Verfügung steht, wobei die Photozellen
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) wahlweise thermisch mit dem oder den Behältern der Ausgangsflüssigkeit verbunden sind, um deren Verlustwärme der Ausgangsflüssigkeit wieder zuzuführen.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass der
Destillator (1) geneigt ist und im Wesentlichen normal zur Sonneneinstrahlung (2) ausgerichtet ist, mit einem Paraboirinnenspiegel (27) ausgestattet ist, in dessen Brennlinie sich der Destillator (1) befindet, wobei die Anordnung aus Destillator (1) und
Paraboirinnenspiegel (27) durch ein Gestell (28) in Position gehalten wird, ein Teil dieses Gestells (28) vorzugsweise durch ein Rohr (29) in„D“-Form gebildet wird, wobei der Paraboirinnenspiegel oder das Rohr, das dann mit dem Paraboirinnenspiegel fest
verbundenen ist, drehbar gelagert ist, um entsprechend den Beleuchtungsverhältnissen ausgerichtet zu werden, und, dass wahlweise der Destillator (1) und der
Paraboirinnenspiegels (27) so drehbar gelagert ist, um den Elevationswinkel in Abhängigkeit des Sonnenstandes tageszeitlich zu ändern, dass wahlweise die erfindungsgemäße
Vorrichtung modular auf gebaut ist und diese Module vorzugsweise durch Schraub- und/oder Schnellverschlüsse zusammengehalten werden, wobei die modularen Komponenten z.B. der Destillator (1), der Spiegel (27), das Rohr (29) in„D“-Form und das Gestell (28) sind und das Rohr (29) weiter teilbar ist, um z.B. eine Reinigung zu ermöglichen, und dass erfindungsgemäße Vorrichtungen dieser Bauart wahlweise in Farmen parallel und/oder hintereinander angeordnet werden.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass der
Destillator (1) entweder waagrecht, oder leicht abfallend, weitgehend in Nord-Süd-Richtung angeordnet ist, mit einem oder mehreren drehbar befestigten Paraboirinnenspiegeln (27) ausgestattet ist, in deren Brennlinie sich die Mitte des Destill ators (1) oder der Behälter (3) für die Ausgangsflüssigkeit befindet, um eine Nachführung tageszeitlich abhängig durch einen Antrieb automatisch durchführen zu können , wobei der Destillator an einem Ende (30) nach oben gebogen ist, damit die Ausgangsflüssigkeit und das Destillat nicht in den Kompressor oder in die Turbine fließt , am anderen Ende (31) nach unten gebogen ist, damit dort das Destillat abgezapft werden kann, das Ende (30) des Destillators, in dem sich der Kompressor befindet, vorzugsweise gering erhöht angeordnet ist, damit der Dampf in dem Destillator leichter entweichen kann und dass erfindungsgemäße Vorrichtungen dieser Bauart wahlweise in Farmen parallel und/oder hintereinander angeordnet werden.
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass der Destillator (1) vertikal als Solarturm (32) ausgeführt und von Spiegeln (33) umgeben ist, die das Sonnenlicht (2) auf den Solarturm (32) lenken, wobei dafür jeder Spiegel (33), der vorzugsweise rechteckig ausgeführt ist und um eine oder mehrere Achsen drehbar gelagert ist, um von der Tages- und Jahreszeit abhängig oder auf die hellste Stelle am Himmel ausgerichtet zu werden, damit die Sonnenstrahlung (2) auf den turmförmigen Destillator (32) oder auf den oder die Behälter (3) für die Ausgangsflüssigkeit gerichtet und
vorzugsweise dort möglichst gleichmäßig verteilt wird, dass der Solarturm (32) wahlweise auf einem Podest (34) steht, damit er gegebenenfalls in seiner gesamten Länge angestrahlt werden kann und dass erfindungsgemäße Vorrichtungen dieser Bauart wahlweise in Farmen parallel und/oder hintereinander angeordnet werden.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass
Siedesteine und/oder eine oder mehrere Siedestäbe in dem oder den
Ausgangsflüssigkeitsbehältern (3) verwendet werden, dass ein oder mehrere Rührwerke die Ausgangsflüssigkeit (4) umrühren, dass Luft, Gas und/oder Dampf in die
Ausgangsflüssigkeit (4) geleitet wird, dass der oder die Ausgangsflüssigkeitsbehälter (3) mit Ultraschall beschallt werden, um Siedeverzug zu verhindern, wobei die Beschallung auch dem Kesselstein und den biologische Ablagerungen entgegenwirken kann, dass das Destillat physikalisch keimtötend, z.B. durch Strahlensterilisation mit UV-Licht, behandelt wird, wobei Quecksilberdampflampen, Leuchtdioden, Laser und/oder Gasentladungslampen zum Einsatz kommen, die vorzugsweise in dem oder den Behältern des Destillates angeordnet sind, und/oder dass in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Druck- und Temperaturmessfühler verwendet werden, deren Messsignal vorzugsweise an die elektronische Regelung (18) weitergegeben wird, um das Sieden der Ausgangsflüssigkeit (4) genauer steuern zu können.
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GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)
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