CH712868A2 - Solare Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage. - Google Patents

Abstract

Diese Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage wird mit Solarenergie betrieben. Sie besteht hauptsächlich aus einem kompakten Inputbereich, einem Verdampfungs- einem Unterdruck-, Verdichtungs- und Kondensations-, einem Destillat- und Schlackenteil. Das angewandte Verdampfungssystem im Unterdruckverfahren arbeitet und damit kann diese Dekontaminierungsanlage praktisch überall und für viele Zwecke eingesetzt werden. Über Unterdruck wird eine tiefere Verdampfungstemperatur erreicht, was den Einsatz eines kostengünstigen solaren Thermo-Kollektors ermöglicht. Die Verdampfungsenergie erzeugt ein solarer Thermo-Kollektor. Diese Solarenergie wird verstärkt mit einer Wärmerückgewinnungsanlage. Die Integration von Verdampfung und Kondensation ermöglicht es, den Unterdruck dauernd mit geringem energetischem Aufwand aufrechtzuerhalten, was die gesamte Anlage zur Deckung des Trink- und Brauchwasserbedarfs interessant macht. Die Anlage ist so ausgelegt, dass mit regulierter Durchflussgeschwindigkeit des aufzubereitenden Wassers die gewünschte Konzentration an Sole-Abwasser hergestellt wird (Fig. 1 ).

Description

Beschreibung Zielsetzung der Erfindung a) Ausgangslage [0001] Die anhaltende Trockenheit der letzten Jahre, insbesondere in der westlichen Hemisphäre, machte vor allem das Thema Meerwasserentsalzung wieder interessant.

[0002] Punktuell stark betroffen von einer anhaltenden Dürreperiode war in den letzten Jahren speziell die Region Kalifornien, wo sich der Süsswassermangel wegen des hohen Wasserkonsums besonders ausprägte. Auch weltweit ist der Bedarf an Brauch- und Trinkwasser in den letzten Jahrzehnten sehr stark gestiegen, was vielerorts Mangelerscheinungen verursacht. Nicht nur Dürreperioden, sondern auch eine fortschreitende Kontaminierung der Abwässer erfordern neue Technologien zur Bekämpfung der Wasserarmut.

[0003] Es ist daher nicht zu verwundern, dass die Suche nach geeigneten Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlagen intensiviert worden ist. Zur Diskussion stehen vor allem zwei Systeme; das ältere Verfahren über die thermische Destillation von Meerwasser und das neuere Verfahren der Umkehrosmose. Das Letztere benötigt weniger Energie, das Wasser muss aber aus hygienischen Gründen noch entkeimt, beispielsweise mit UV-Licht bestrahlt werden, was langfristig der menschlichen Gesundheit abträglich ist. Die thermische Meerwasserentsalzung liefert dagegen hygienisch einwandfreies Süsswasser. Beide Systeme sind jedoch sehr energieintensiv. Die vorliegende Erfindung soll nun diesen Nachteil beheben, indem eine neuartige thermische Verdampfung des Meerwassers zusammen mit einer permanent automatischen Unterdruckregulierung die Verdampfung auf tiefem Siedepunkt, gekoppelt mit Wärmerückgewinnung, eine kostengünstige Entsalzung des Meerwassers mittels Solarenergie gewährleistet.

[0004] Die solare Wasser-Destillationsanlage in der vorliegenden Erfindung ist so angelegt, dass die Anlage einerseits grundsätzlich mit Sonnenenergie betrieben und anderseits die Verdampfungsenergie zurück gewonnen werden kann.

[0005] Normalerweise liegt der Siedepunkt und damit die Verdampfung von normalem Wasser auf Meereshöhe bei 100° Celsius. Der Dampfdruck ist dann höher als der Umgebungsdruck und es kommt zur Dampfbildung. Bei künstlich hergestelltem Unterdrück wird der Umgebungsdruck herabgesetzt, was das Wasser auf tieferem Siedepunkt zum Verdampfen bringt. Das Wasser siedet bei 0.6 bar Umgebungsdruck bereits bei etwa 86° C und bei 0.2 bar bei etwa 60° C. Diese physikalische Tatsache wird in der vorliegenden Erfindung ausgenützt, indem das Salzwasser oder anderweitig kontaminiertes Wasser im Unterdrück verdampft wird. Durch entsprechende Regulierung des Unterdrucks in der Verdampfungsanlage wird der Siedepunkt auf die jeweilige Temperatur der Solarheizwärme automatisch eingestellt. Somit kann auch eine relativ niedere Solarwärmetemperatur der Verdampferanlage das Wasser zum Sieden bzw. zum Verdampfen bringen.

[0006] Die Verdampfung bei einem herabgesetzten Siedepunkt ermöglicht nun auch den Einsatz von Sonnenenergie in Verdampfungsanlagen, was den Einsatz von Fremdenergie praktisch unnötig macht. Damit wird ein energieunabhängiger und kostengünstiger Einsatz solcher Anlagen praktisch überall ermöglicht. Die Koppelung der beiden erfindungsgemäs-sen technischen Vorrichtungen zur Erreichung tiefer Siedepunkte zusammen mit der Rückgewinnung der Verdampfungsenergie erschliesst auch neue Anwendungsgebiete, die nicht nur auf die Meerwasserentsalzung beschränkt sind, sondern beispielsweise auch die Dekontaminierung von Abwässern oder anderem verschmutztem Wasser ermöglichen.

[0007] Verunreinigtes Wasser oder Meerwasser kann durch verschiedene Destillationsprozesse, oder andere physikalische, chemische oder elektrische Prozesse gereinigt oder entsalzt werden. Alle diese Reinigungsprozesse, die im grossen Stil vorwiegend in Meerwasserentsalzungsanlagen angewandt werden, sind sehr energieintensiv und werden infolgedessen nur an Schwerpunktorten, wo genügend Investitionskapital vorhanden ist oder wo eine problemlose Energiezufuhr besteht, eingesetzt. Energiezufuhrprobleme und Kapitalmangel verhindern jeoch an den meisten Orten den umfassend weltweiten Einsatz solcher Anlagen, mit deren Hilfe beispielsweise Wüste in urbares Kulturland umgewandelt werden kann. Speziell ärmere Gegenden profitierten deswegen nicht von der Möglichkeit, gereinigtes Wasser für Mensch und Kulturen einzusetzen. Grosse Landstriche verblieben damit bisher unkultiviert und die Bevölkerung in Armut. Auch noch nicht richtig eingesetzt worden ist bis heute, nebst der Meerwasserentsalzung, die technisch einwandfreie Wasseraufbereitung an jedem Ort der Erde, wo sich Abwasser ansammelt. In fast jeder Siedlung mit Abwassersammel- oder -kläranlage wird praktisch nur Grobgut ausgefiltert. Das restliche Abwasser wird dann in die Flüsse und Seen abgeleitet und damit dem grossen Wasserkreislauf übergeben, statt, dass das Wasser in diesen Kläranlagen richtig dekontaminiert, sofort zu Trinkoder Brauchwasser aufbereitet im kleinen Wasserkreislauf direkt den dortigen Bewohnern oder der Landschaft wieder zugeführt wird. Bei Anwendung dieser Methode würden ganze Agglomerationen oder Regionen auch unabhängiger von Trockenheit und Dürre.

[0008] Die moderne Kriegsführung richtet sich unter anderem auch gegen die Infrastruktur des Gegners. Eines der Ziele ist die Ausschaltung des Stromnetzes und der Geräte durch EMP. Die vorliegende Anlage kann zufolge ihrer Konstruktion sicher gegen elektromagnetische Impulse (EMP) gebaut werden und es können so Gebiete mit starker Wohndichte in Krisenfällen vor grösseren Katastrophen mangels sauberem Wasser bewahrt werden. b) Entwicklungsziele [0009] Die vorliegende Erfindung beruht auf dem altbewährten Verfahren der thermischen Destillation durch Wasserdampf. Die ganze Anlage wird neu aber nur mit erneuerbarer Energie betrieben und es wird neu auch die Verdampfung, die Wärmerückgewinnung und Wiederaufbereitung der Sole verbessert. Die schädlichen Stoffe bleiben in der Sole zurück und werden mit dieser separat, variierbar in der erlaubten Konzentration abgeleitet.

[0010] Die Besonderheit der neuen technischen Anwendung ist, dass zur Destillation des verunreinigten Einlauf-, beziehungsweise Rohwassers oder des Meerwassers lediglich Sonnenenergie benötigt wird. Dadurch fallen die Umwelt schädigenden, energieintensiven und teuren Verbrennungsprozesse weg und es kann damitweltweitzu einem umfassenden, kostengünstigen Einsatz von Meerwasserentsalzungs- oder Destillieranlagen zur Herstellung von Brauch- oder Trinkwasser in grösseren Mengen kommen; speziell in heissen und trockenen Gegenden, wo genügend Solarenergie vorhanden ist. In weniger sonnenreichen Gegenden kann die Solarenergie mit dieser Erfindung auch unterstützend eingesetzt werden, was die Betriebskosten erheblich senkt.

[0011] Die Anlage funktioniert in ihrem Grundprinzip ähnlich wie bereits bestehende Meerwasserentsalzungsanlagen, hat aber durch die funktionale Abstimmung auf Solarenergie entschiedene Vorteile gegenüber den konventionellen Anlagen. Die teure Verdampfungsenergie in konventionellen Anlagen wird hier durch den Einsatz von Solarenergie und durch Rückgewinnung der Verdampfungsenergie ersetzt Die Vorteile der Anlage werden insbesondere durch Unterdrück im Verdampfungsbereich und damit über eine tiefere Betriebstemperatur erreicht, die den Einsatz von Solarenergie erst ermöglicht und damit Fremd-Energie einspart und infolgedessen eine von Stromnetzen und Gas- oder Mineralölzuleitungen unabhängige Standortwahl erlaubt. Somit kann die Anlage überall gebaut und eingesetzt werden, wo eine gewisse, minimale Sonneneinstrahlung die Funktionsfähigkeit der Anlage gewährleistet. Dies wird vor allem dort der Fall sein, wo Dürre oder Trockenheit vorherrschen, also speziell vom Äquator bis zu den Wendekreisen. Das erweitert den regionalen Einsatz der vorliegenden Anlage grundlegend. Es können damit nun auch wirtschaftlich schwächere Gebiete kostengünstig mit reinem Wasser versorgt werden.

[0012] Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der Anlage zwecks kostengünstiger Erstellung. Ihr einfacher Bedienerservice erlaubt auch weniger ausgebildeten Fachkräften die Bedienung, was einen dauerhaften Einsatz gewährleistet. Dem dient auch die einfache Wartung durch Austauschmodule, sowie Umweltfreundlichkeit und Unabhängigkeit von Energielieferanten.

[0013] Ein weiterer Anwendungsbereich erschliesst sich dort, wo aus kontaminiertem Wasser reines Wasser hergestellt werden soll oder wo Gemeinschaftskläranlagen das Abwasser sogleich zu reinem Wasser regenerieren, womit Wasserknappheit wirksam und kostengünstig bekämpft wird.

[0014] Der geringe Bedarf an externer Wärmezufuhr ermöglicht auch den Nachtbetrieb, besonders dann, wenn eine So-lar-Sole-Anlage, beispielsweise als Wärmezwischenspeicher vorgeschaltet wird. Die Anlage ist technisch so konzipiert, dass sie sich für den 24-Stunden-Dauerbetrieb eignet. Sie kann aber auch im Teilbetrieb mit Solarwärme und/oder Verbrennungswärme arbeiten. c) Ausführung der Erfindung [0015] Eine solare Dekontaminierungsanlage, die aus einem kompakten Inputbereich für kontaminiertes Wasser und im Wesentlichen aus einer Verdampfungs-, einer Unterdrück-, Verdichtungs- und Kondensations- sowie aus einer Reinwasser- und einer Sole-Einheit besteht (Fig. 1).

[0016] Die thermische Solarkollektor-Anlage (Fig. 1) kann grundsätzlich ohne Zusatz von Wärmepumpen die nötige Verdampfungsenergie liefern. Dies wird ermöglicht, weil der mit einer Vakuumpumpe (2) versehene Verdampferkessel (Fig. 1) im Unterdrück arbeitet und damit der Verdampfungsprozess auf einem tieferen Temperaturniveau abläuft. Die Verdampfungsenergie wird ohne Zufuhr von mechanischer Energie, allein durch den solaren Thermo-Kollektor (1) mittels Schwerkraftausgleich zwischen dem Warm- und Kaltbereich, nach dem Prinzip der Schwerkraftheizungen, geliefert. Damit wird das Rohwasser über den flexiblen Verdampfer (19, Fig. 2) aufgeheizt. Zuvor ist das Rohwasser über den Wärmetauscher (5) zufolge interner Wärmerückgewinnung aus dem Kondensationsvorgang im Kondensator (3) vorgewärmt worden (Fig. 1)· [0017] Die eingesetzte Solar- und Wärmerückgewinnungsanlage liefert aufgrund ihrer technischen Beschaffenheit genügend Verdampfungsenergie. Der auf tieferem Temperaturniveau entstandene Dampf wird mit geringem photovoltaischem Energieaufwand im Verdichter (2) komprimiert, damit er im Kondensator (3) bei höherer Temperatur zu reinem Wasser kondensiert und die Kondensationswärme direkt im Beschickungsbehälter abgeben kann. Das noch sehr warme, kondensierte Wasser wird im Wärmetauscher (5) mit dem eingepumpten Rohwasser abgekühlt und erwärmt dieses gleichzeitig. Die auf diese technische Art der Rückgewinnung der Verdampfungsenergie zur Wiederverwendung im geschlossenen Kreislauf der Wasser-Destillationsanlage gewonnene Energie ergibt einen Energiegewinn um den Faktor 550/99.8 = 5.5 bis 550/27.1 = 20.3 und berechnet sich wie folgt: Um einen Liter Wasser zu verdampfen sind in der vorliegenden Anlage in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zwischen 550 bis 570 kcal Energie erforderlich. Damit kann mittels eines thermischen Solarkollektors mit der Fläche eines Quadratmeters rund ein Liter Wasser pro Stunde verdampft werden. Bei der Kondensation wird die gleiche Energiemenge (550 kcal) wieder in Form von Wärme abgegeben zur Wiederverwendung als Verdampfungsenergie. Um die Kondensationswärme in den Verdampfungsbehälter zurückzuführen, muss der Dampf zuvor auf einen höheren Druck und damit höhere Temperatur verdichtet werden (2, Fig. 1). Die dazu erforderliche Energie schwankt je nach dem Druckverhältnis der Verdichtung zwischen 31.5 und 116 Wattstunden. Das erfordert eine Verdichtungsenergie von 27.1 kcal bzw. 99.8 kcal, damit eine Wärmezufuhr von 550 kcal erreicht wird. Dadurch erklärt sich der zuvor erwähnte Energiegewinn um den Faktor 550/99.8 = 5.5 bis maximal 550/27.1 = 20.3. Zufolge der idealen Kombination von Verdampfung und Wärmerückgewinnung im selben Kessel wird ein hoher Leistungsgewinn erzielt und damit kann gegenüber der einfachen thermischen Verdampfung ein Vielfaches an Kondensat gewonnen werden. Besonders wichtig dabei ist, dass diese Vorgänge in der Anlage durch ihre neuartige Konstruktion auf einer tieferen Betriebstemperaturebene ablaufen, was den Einsatz von thermischen Solarkollektoren ermöglicht.

[0018] Die Verdampfungs- und Kondensationsanlagen sind miteinander technisch verbunden und arbeiten zusammen im geschlossenen System mitunterdruck, der temperaturabhängig vom zu verdampfenden Schmutzwasser reguliert wird und so eine kontinuierliche und optimale Dampfbildung zur Erzeugung von reinem Wasser in grösseren Mengen ermöglicht (Fig. 1) [0019] Das neuartige Zusammenwirken der Konzeptionen von Verdampfung und Kondensation ermöglicht es, den nötigen Unterdrück dauernd mit geringem energetischem Aufwand aufrecht zu erhalten. Hiezu genügt eine mit Solarvoltaik betriebene Unterdruckpumpe (2). Somit kann die gesamte Anlage praktisch total mit Solarenergie betrieben werden.

[0020] Der erfindungsgemäss neu eingesetzte Verdampfer (Fig. 2) ermöglicht eine energieeffiziente Verdampfung. Sie beruht auf einem innovativen Konzept der konvektiven Wärmeleitung und der optimalen Dampfblasenbildung. Daher hält sich der Verdampfer über Schwimmer (20) optimal für die Verdampfung an der Flüssigkeitsoberfläche und ist so konstruiert, dass die Wärmeleitung nur an den Stellen (19) erfolgt, wo eine optimale Blasenbildung stattfinden kann. Optimal wird die Blasenbildung dann ermöglicht, wenn sie auf einer Heiz-Oberfläche in einem Winkel zwischen 1-89° zur Senkrechten erfolgt, damit die Dampfblasen nicht behindernd der Heizfläche entlang streichen, was demzufolge eine optimale Verdampfung ermöglicht. Stellen, wo keine Blasenbildung erfolgen soll, sind isoliert (21).

[0021] Der Verdampfer arbeitet innovativ nicht mit einer Wärmespirale, sondern mit neu konzipierten Wärmetauschern, die mit Schwimmern (20) versehen, flexibel an der Oberfläche der Verdampferflüssigkeit arbeiten und so auch bei variierendem Flüssigkeitsstand im Verdampferkessel optimal arbeiten. Der flexible Einsatz dieser Verdampferelemente (19) ermöglicht auch günstige und schnelle Servicearbeiten im Austauschverfahren. Alle Verdampferelemente in Meerwasserentsalzungsanlagen müssen regelmässig von Verkrustung und Biofouling gereinigt werden. Vorliegend erfolgt dies im Austauschverfahren auf einfache Weise mit nur kurzem Betriebsstillstand.

[0022] Die Vakuumpumpe (2) einerseits vergrössert den Unterdrück (18) und erhöht anderseits auf der Output-, d.h. Verdichterseite im Kondensator (3) den Dampfdruck und die Dampftemperatur. Der Kondensator (3) befindet sich in der Verdampferflüssigkeit und gibt die Kondensationswärme direkt ab. Die Abwärme der Verdampferanlage wird damit optimal ausgenützt (Fig. 1).

[0023] Die Anlage regelt durch Ventile am Einlauf und Auslauf (6,15) des Rohwasserbeckens die Wasserstandshöhe so, dass keine Überflutung des Destillationsraumes stattfinden kann. Ein zweites Ventil ist zur Sicherheit eingebaut. Die Anlage ist so ausgelegt, dass über die Regulierung der Durchflussgeschwindigkeit des aufzubereitenden Wassers die gewünschte Konzentration an Sole-Abwasser hergestellt wird (Fig. 1). Damit lässt sich eine teure Aufbereitung des Sole-Abwassers in das Meer oder in die Umgebung vermeiden.

[0024] Legende zu Fig. 1 1 Thermischer Solarkollektor 2 Vakuumpumpe / Verdichter 3 Kondensator 4 zu verdampfende Flüssigkeit 5 Wärmetauscher 6 Einlassventil 7 Beschickungsbehälter 8 Reinwasserbehälter 9 Feststoffbehälter (Schlacke) 10 Solebehälter 11 Entlüftung

Claims (8)

12 Rohwasser-bzw. Meerwasserefnleitung 13 PV-Kollektor 14 Absperrventil Schlacke 15 Absperrventil Sole 16 Druckregler 17 Füllstandsregler 18 Dampf / Unterdrück 19 Flexibler Verdampfer 20 Schwimmer 21 Isolation 22 Zuleitung 23 Abwasseroutputöffnung 24 Entschlackungsöffnung [0025] Legende zu Fig. 2 19 Verdampfer-Element 20 Schwimmer 21 Isolation 22 Zuleitung Patentansprüche

1. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Verdampferprinzip mit Unterdrück arbeitet, was die Siedetemperatur des Meerwassers oder anderer Flüssigkeiten deutlich unter 100°C reduziert und die Anlage somit ganz oder teilweise durch Solarenergie betrieben werden kann, die Anlage den Dampf dann verdichtet und so die Kondensation des Dampfes zu destilliertem Wasser oder anderem Kondensat herbeiführt; bestehend aus einem Erhitzer im geschlossenen System mit thermischen Solarkollektoren (1) einer Vakuumpumpe (2), einem Kondensator (3), einem Beschickungsbehälter (7), einem im Gegenstromprinzip arbeitenden Wärmetauscher (5), einem Verdichter (2), einem Reinwasserbehälter (8), einem Feststoff-Auffangbehälter (9), einem Solebehälter (10).

2. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Verdampfer (19) und Kondensator (3) sich im selben Arbeitsdom (7) in einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse befinden, das so konzipiert ist, dass es ohne Druckverlust bzw. einem geringen energetischen Unterdruckaufbau bzw. durch optimale Wärmerückgewinnung einen Dauerbetrieb gewährleistet.

3. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Solarwärme durch flexible Leitungen zum Verdampfer (19) nahe der Oberfläche der Verdampferflüssigkeit geführt wird, und der Verdampfer mittels verstellbaren Schwimmern in optimaler horizontaler Lage zur Schmutzwasseroberfläche gebracht wird (20).

4. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit (19, Fig. 2) über flexible Schläuche beschickt wird und sich durch verstellbare Schwimmer (20) stets nahe der Wasseroberfläche befindet, dass die einzelnen Wärme zuführenden Heizelemente mit ihrer Heizfläche nach oben in einem Winkel von 1°-89° zur horizontalen Wasseroberfläche geneigt und nach unten isoliert sind (21), was die optimale Dampfblasenbildung bzw. Verdampfung im oberen Bereich ermöglicht.

5. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der im Arbeitsdom entstehende Dampf über einen Verdichter (2) in einer Kondensationsspirale (3) durch das erhitzte noch zu verdampfende Wasser (4) geführt wird, womit die Kondensationsspirale der Wärmerückgewinnung dient und wo der Dampf gleichzeitig durch den Druckaufbau durch den Verdichter zu Destillatwasser kondensiert.

6. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Destillat über einen Gegenlaufwärmetauscher (5) in den Destillatbehälter geleitet wird und so seine Restwärme an das neu zugeleitete kontaminierte Rohwasser bzw. Meerwasser abgibt.

7. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Solebereichs ein Schlackenkessel (9) platziert ist, der über ein Ventil (14) bedient wird, wodurch ein Dauerbetrieb ermöglicht wird.

8. Meerwasserentsalzungs- und Dekontaminierungsanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasseroutputöffnung (20) oberhalb der Entschlackungsöffnung (21) platziert ist, womit, zusammen mit den Einlassventilen (6), und den Absperrventilen (14.15) die Durchflussgeschwindigkeit reguliert werden kann, je nach der erlaubten oder gewünschten Salz- oder Mineralienkonzentration in der Sole bzw. im Rückflusswasser.