DE10161210A1

DE10161210A1 - Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser

Info

Publication number: DE10161210A1
Application number: DE10161210A
Authority: DE
Inventors: Lutz Richter
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung mittels Verdampfung, thermischer Verdichtung und Kondensation. Erfindungsgemäß wird eine offene Absorptionskälteanlage mit Wasser als Kältemittel genutzt. Dabei erfolgt die Verdampfung von Meerwasser bei niedrigem und die nachfolgende Kondensation des Wasserdampfes bei höherem Druckniveau. Dazu wird der Kreisprozeß zwischen Wasserabfluß nach dem Kondensator (C1) und Wasserzufluß zum Verdampfer (EO) geöffnet. Die Druckerhöhung mittels thermischer Verdichtung wird über ein Lösungsmedium realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung mittels Verdampfung, thermischer Verdichtung und Kondensation. Besonderer Gegenstand der Erfindung ist die Prozessführung sowie die Kombination und Verschaltung von Wärmeübertragem und Speicherbehältern.
Ein hoher Anteil der Erdbevölkerung lebt in Gebieten, in denen Wassermangel herrscht und folglich die Trinkwasserversorgung der Menschen nicht stabil oder gar nicht gesichert werden kann. Die Trinkwassersicherung der Erdbevölkerung ist eine der entscheidenden gegenwärtigen Menschheitsaufgaben. In den letzten Jahren wurden unterschiedliche Verfahren zur Trinkwassergewinnung und Meerwasserentsalzung entwickelt. Konventionelle Verfahren wie Destillationskolonnen wurden optimiert, die Umkehrosmose marktfähig gemacht, Verfahren mit solarer Energienutzung zur Trinkwassergewinnung entwickelt.
Der stets stärker werdende Trend zur Verwendung von regenerativen Energien sowie hinsichtlich einer rationellen Energienutzung und folglich der damit verbundenen Einsparung von Primärenergie führt verstärkt auch zu Verfahren mittels Antriebsenergien Solar- oder Abwärme. Und gerade in Gebieten mit großem Wassermangel ist eine hohe jährliche Sonnenscheindauer und somit eine große Energiemenge an jährlich nutzbarer Sonnenenergie zu verzeichnen.
Mit einem kältetechnischen Absorptionskreisprozess ist es möglich, aus niedertemperierter Wärme, beispielsweise Abwärme oder Solarwärme, die sonst an die Umwelt gegeben oder nicht genutzt werden würde, Kälte zu erzeugen. Dazu ist dieser Prozess in sich geschlossen. Absorptionskreisprozesse verwenden ein Arbeitsstoffpaar. Auf niedrigem Druck wird der eine Arbeitsstoff, die leichter siedende Komponente, verdampft, wobei Kälte erzeugt wird, die durch einen Kälteträger abgeführt wird. Der andere Arbeitsstoff, eine schwerer siedende Komponente, absorbiert unter Anfall von Absorptions- und Lösungswärme den erzeugten Wasserdampf. Mittels einer Lösungsmittelpumpe wird unter Verwendung einer geringen Menge Exergie die dabei entstehende und sogenannte reiche Lösung auf ein höheres Druckniveau gepumpt. In einem Austreiber, auch Generator genannt, wird die leichter siedende Komponente durch Wärmezufuhr aus der Lösung ausgetrieben. Die entstehende Lösung, die einen kleineren Anteil an der leichter siedenden Komponente besitzt, wird arme Lösung genannt und fließt dem Absorber im Niederdruck wieder zu. Zur energetischen Verbesserung ist ein interner Lösungswärmeübertrager zwischen reicher und armer Lösung integriert. Der im Austreiber erzeugte Dampf der leichter siedenden Komponente wird auf dem hohen Druckniveau in einem Kondensator unter Anfall von Kondensationswärme, die abgeführt werden muss, kondensiert. Damit steht diese Flüssigkeit nach einer Entspannung auf den niedrigen Druck erneut einer Verdampfung und somit der Kälteerzeugung zur Verfügung. Im Bereich der Klimakälteerzeugung wird als leichter siedende Komponente, somit als Kältemittel, allgemein Wasser verwendet. In der Regel ist gegenwärtig eine Lithium-Bromid- Lösung die andere Arbeitsstoffkomponente, andere Lösungsmedien sind möglich, derzeit jedoch nicht verbreitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Absorptionskälteprozesses so zu verändern, um damit eine thermische Meerwasserentsalzung zu realisieren. Das Verfahren soll mit niedertemperierter Wärme, Ab- oder Solarwärme unter 60°C, angetrieben werden und den Primärenergieverbrauch bei der Meerwasserentsalzung senken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Ansprüche enthalten auch notwendige, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird Meerwasser indirekt thermisch entsalzt. Für das Verfahren sind sehr niedrige Antriebstemperaturen und folglich weniger Antriebsenergie in Form von Wärme notwendig. Die Verwendung von Elektroenergie als Pumpenergie ist stark minimiert. Mit dem Verfahren können entweder bisher nicht verwendete Abwärmeströme zur Meerwasserentsalzung genutzt oder bei der Nutzung von Solarwärme folglich einfachste Solarabsorber angewandt werden. Einfache Solarabsorber mit tiefer Nutztemperatur, kleiner 60°C, besitzen neben geringen Kosten auch einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Eine wirtschaftliche Anlagenlösung kann geschaffen werden.
Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein Absorptionskältekreislauf im Kälteteil zwischen Kondensator und Verdampfer geöffnet wird, Meerwasser in einem Direktverdampfer verdampft, der Dampf in einem Lösungsmedium gebunden, nach Druckerhöhung der Lösung aus dieser ausgetrieben und anschließend in einem Kondensator kondensiert wird. Das Kondensat wird in einem Speicher gesammelt und steht der weiteren Aufbereitung zur Verfügung.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Abbildung (Fig. 1) ist eine Anlage zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Fig. 1 wird Meerwasser (1) mit Umgebungstemperatur der Umwelt entnommen und bei Umgebungsdruck in einem Wärmeübertrager Absorber (A0) und einem Kondensator (C1) durch Aufnahme der im Verfahren anfallenden Absorptions- und Kondensationswärme erwärmt (2) sowie anschließend in einen Vakuumdirektverdampfer (E0) entspannt. Eine Teilmenge des Meerwassers (3) verdampft, wobei der nichtverdampfenden Menge die Verdampfungswärme entzogen wird und diese nach Druckerhöhung auf Umgebungsdruck (MWP) abgeleitet wird (10). Ein Lösungsmedium (5), beispielsweise Wasser/Lithiumbromid-Lösung, absorbiert den Wasserdampf in Absorber A0 (4), da der Partialdruck des Wasserdampfes in der Lösung geringer als deren Sättigungsdruck ist. Die dabei anfallende Absorptions- und Lösungswärme wird wie bereits erwähnt dem Meerwasser übertragen. Nach Druckerhöhung der Lösung mittels einer Pumpe (LMP) wird aus dieser reichen Lösung (4) durch niedertemperierte Wärme (11) der Wasserdampf in einem Austreiber (G1) ausgetrieben. Die weniger Wasser enthaltende Lösung (5), sogenannte arme Lösung, wird dem Niederdruck wieder zugeführt (LDV). Ein interner Wärmeübertrager (LWÜ) zwischen der armen und reichen Lösung verbessert den Prozess energetisch. Der Wasserdampf (6) wird in einem Kondensator C1 kondensiert. Die Kondensationswärme nimmt das Meerwasser auf. Das anfallende Kondensat (7) wird auf Umgebungsdruck gepumpt (TWP) und in einem Behälter (TW) gespeichert. Durch die Prozessführung, die einen hohen Verdampfungsdruck in E0 und A0 sowie einen geringen Kondensationsdruck in C1 und G1 bedingt, kann die Austreibungstemperatur in (5) sehr klein sein. Temperaturen unter 45°C sind möglich. Damit sind niedertemperierte Abwärmeenergie oder mit einfachen Konstruktionen zu gewinnende Solarwärmeenergie zum Antrieb des Verfahrens verwendbar.
Das Verfahren ist selbstregulierend in der Art, dass beispielsweise bei hoher Solartemperatur, infolge extremer Sonneneinstrahlung, die anfallende Wassermenge in (7) durch das vergrößerte Lösungsfeld zwischen (4) und (5) zunimmt. Sinkt diese Temperatur verringert sich die Wassergewinnung von selbst. Aufwendige Regelungen sind nicht erforderlich. Insbesondere für dezentrale Anlagen ist dies von Bedeutung. Bezugszeichen 1 Zufluss Meerwasser
2 Meerwasserleitung zum Verdampfer
3 Leitung Wasserdampf-Niederdruck
4 Leitung reiche Lösung
5 Leitung arme Lösung
6 Leitung Wasserdampf-Hochdruck
7 Leitung Wasserdampfkondensat
8 Kondensatzufluss zum Trinkwasserspeicher
9 Trinkwasserentnahme
10 Abfluss konzentriertes Meerwasser
11 solarthermischer Heizkreislauf
E0 Direktverdampfer
A0 Absorber
LWÜ Lösungswärmeübertrager
G1 Austreiber
C1 Kondensator
TW Trinkwasserspeicher
LMP Lösungsmittelpumpe
LDV Lösungsdrossel
MDV Meerwasserdrosselventil
MWP Meerwasserpumpe
TWP Trinkwasserpumpe
SABS Solarabsorber

Claims

1. Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser unter Nutzung einer offenen Absorptionskälteanlage mit Wasser als Kältemittel, wobei die Verdampfung von Meerwasser bei niedrigem und die nachfolgende Kondensation des Wasserdampfes bei höherem Druckniveau erfolgt, und durch Öffnung des Kreisprozesses zwischen Wasserabfluss nach dem Kondensator (C1) und Wasserzufluss zum Verdampfer (E0), wobei die Druckerhöhung mittels thermischer Verdichtung über ein Lösungsmedium realisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Nutzung eines Direktverdampfers (E0), bei dem nur eine Teilmenge des zugeführten Meerwassers verdampft und die notwendige Verdampfungswärme durch Abkühlung der nichtverdampften Meerwasserteilmenge zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erwärmung des Meerwassers vor dem Eintritt in den Verdampfer (E0) durch Aufnahme der im Verfahren anfallenden Absorptions- und Kondensationswärme mit dem Ziel, die notwendige Antriebstemperatur des Prozesses noch weiter zu senken.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Antrieb des Verfahrens durch niedertemperierte Wärme, vorzugsweise Solarwärme, über einfachste Solarabsorber (SABS), in Kopplung mit einer einfachen Regelung erfolgt, so dass das System sich leistungsmäßig entsprechend des Angebots an Antriebsenergie selbst reguliert.