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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur
Entsalzung von Meer- oder Brackwasser zur Gewinnung von Trinkwasser.
Das Verfahren basiert auf der Gefrierentsalzung des entsprechend
verunreinigten Wassers, wobei die Energie zur Kühlung/Gefrierung
dieses Rohwassers durch konzentrierende Sonnenkollektoren bereitgestellt
wird.
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Alle
Lebewesen auf der Erde benötigen Wasser um zu leben und
zu gedeihen. Leider ist Wasser in vielen Regionen der Welt – speziell
im Sonnengürtel der Erde – eine knappe Ressource. Mehr
als 80 Entwicklungsländer, welche die Heimat etwa der Hälfte
der Weltbevölkerung darstellt, leiden unter Wasserknappheit.
In diesen Ländern ist die Wasserknappheit für
etwa 80–90% aller Erkrankungen und etwa 30% der Todesfälle
verantwortlich.
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Trinkwasser
stammt meist aus Niederschlägen oder Brunnen, die nicht
selten eine erschöpfliche Bezugsquelle darstellen oder
mit der Zeit immer stärker versalzen. Bereits heute wird
ein Großteil des benötigten Trink- und Frischwassers
durch die Entsalzung von Meerwasser (und Brackwasser) bereitgestellt.
Der Meerwasserentsalzung wird auch für die Zukunft eine
große Bedeutung zugemessen. Die hier großtechnisch
umgesetzten Verfahren sind jedoch energieintensiv und mit erheblichen Belastungen
der (marinen) Umwelt verbunden, da hier in größerem Umfang
Hilfschemikalien wie Antifouling- und Antiscalingmittel zugesetzt
werden.
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Im
Nahen Osten ist diese energieintensive Form der Trinkwassergewinnung
weit verbreitet. In den ölreichen Golfstaaten ist sie die
Hauptquelle der Trinkwassergewinnung. Überwiegend wird
das Trinkwasser durch gas- oder ölgefeuerte Entsalzungsanlagen
gewonnen. Thermische Entsalzungsverfahren, beruhend auf der Verdunstung
oder Verdampfung des Wassers, sowie die Umkehrosmose sind bei der Entsalzung
von Meerwasser häufig verwendete Verfahren.
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Von
Verdunstung spricht man bekanntermaßen, wenn die Temperatur
der Lösung unter der Siedetemperatur liegt und der Dampfdruck
im umgebenden Trägergas, hier üblicherweise Luft,
geringer als in der Flüssigkeit ist. Das Lösungsmittel
verdunstet dann abhängig von der Temperatur und der Teildruckdifferenz.
Beim Verdampfen wird eine Flüssigkeit in den Dampfzustand
durch Änderung der Temperatur und des Druckes überführt.
Dabei wird aus einer Mischung das Lösungsmittel, beispielsweise Wasser,
durch Erhitzen der Lösung auf Siedetemperatur entsprechend
teilweise abgetrennt.
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Bei
der Umkehrosmose wird die Lösung, also hier das Meerwasser,
zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck
durch eine semipermeable Membran gepresst. Als Membran dienen häufig
Folien aus Polyamid, PTFE oder sulfonierten Copolymeren, welche
meist einen Porendurchmesser von 5 × 10–7 bis
5 × 10–6 mm aufweisen.
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All
diesen Verfahren ist der hohe Energiebedarf gemein. Neuere Verfahren
verwenden regenerative Energiequellen zur Deckung des Energiebedarfs.
In der zukünftigen Energieversorgung der Menschheit werden
regenerative Energiequellen und -techniken eine entscheidendere
Rolle spielen als bisher. Eine sehr gute Option bieten hier solarthermische
Verfahren, die die Energie der Sonne nutzen, um Energie für
unterschiedliche Verwendungszwecke bereitzustellen. Auch die Verwendung
solarer Energie zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser ist
im Stand der Technik bekannt.
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In
DE 100 47 522 A1 und
in
WO 02/087721 A2 werden
Vorrichtungen beschrieben, in welchen durch Destillation Trinkwasser
aus Meer- oder Brackwasser gewonnen werden kann. In einem Reaktionsraum
wird Meerwasser mit Hilfe von solarer Energie verdampft, wobei durch
das Verdampfen unterschiedliche Temperaturen innerhalb des geschlossenen
Reaktionsraumes entstehen. Dies führt zu einem Luftstrom
innerhalb des Reaktionsraums. Das kondensierte Wasser sammelt sich
dann am Boden des entsprechenden Gefäßes.
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Eine
Destillation von salzhaltigem Rohwasser wird in
DE 10 2004 035 189 A1 beschrieben.
Weitere Destillationsanlagen zur Meerwasserentsalzung sind aus
DE 20 2006 000 195
U1 und
DE
20 2007 012 405 U1 bekannt. Mit Hilfe von Sonnenkollektoren wird
hier salzhaltiges Rohwasser erhitzt, bis Wasserdampf entweicht.
Dieser wird dann kondensiert und getrennt gesammelt.
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Ein
Verdampfen des Rohwassers beschreibt
DE 10 2006 052 671 A1 .
Das gebildete Wasser/Dampfgemisch wird in ein Trenngefäß geleitet.
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Die
erforderliche thermische Energie zur Trennung wird nahezu ausschließlich
durch die Umwandlung von Solarenergie erzeugt.
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Eine
weitere Anlage zur Entsalzung von Meerwasser ist aus
DE 103 61 318 A1 bekannt.
Bei der hier beschriebenen Anlage wird eine Brüdenverdichtung
mit einer Absorptionskraftmaschine so kombiniert, dass die gesamte
für den Prozess benötigte Energie mit Hilfe eines
Solarkollektors zugeführt werden kann. Das Meerwasser wird
verdampft, der Dampf kondensiert an einem Brüdenkondensator, wodurch
entsalztes Wasser erhalten wird.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Entsalzung ist aus
DE 10 2007 038 599 A1 bekannt.
In dem hier beschriebenen Verfahren wird Meerwasser komprimiert.
Durch Entspannung von einem Druck von über 3 bar auf etwa
0,5 bar verdampft das Wasser schlagartig. Der Dampf kann das Salz
nicht halten, dieses fällt in eine Rinne aus, aus der es
mittels Meerwasser herausgespült werden kann.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Aufreinigung von Meerwasser ist
die Gefrierentsalzung. Durch Abkühlen von Meerwasser bilden
sich Eiskristalle, die frei von Salzen sind.
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Bei
den bekannten Gefrierverfahren zur Wasserentsalzung unterscheidet
man zwischen Verfahren mit direktem oder indirektem Kontakt des Kühlmittels
mit dem zu entsalzenden Wasser. Beschreibungen der Verfahren finden
sich in Miller, J. E.; Review of Water Resources and Desalination Technologies,
SANDIA Report 2003-0800, 2003;Younos, T., Kimberly,
E. T., Overview of Desalination Techniques, Journal of Contemporary
Water Research & Education
132 (2005), 3–10 oder Rice, W.; Chau,
D. S. C., Freeze desalination using hydraulic refrigerant compressors,
Desalination 109 (1997), 157–164. Bei Verfahren
mit direktem Kontakt wird das Kühlmittel (z. B. Butan,
Ammoniak) mit dem zu entsalzenden Wasser vermischt. Bei den indirekten Verfahren
sind Kühlmittel und Meerwasser durch eine Wärmetauscheroberfläche
voneinander getrennt, d. h. sie werden nicht miteinander vermischt.
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Beim
Gefrierentsalzungsverfahren mit indirektem Kontakt des Kühlmittels
mit dem zu entsalzenden Wasser basiert die Kälteerzeugung
auf einem kompressorbetriebenen Standardkreislauf. Der Verdampfer
stellt den Gefrierteil und der Kondensator den Eisschmelzer dar.
Im Gefrierteil wird das Wasser bis auf den Gefrierpunkt gekühlt.
Die Eiskristalle werden in einem nachgeschalteten Separator vom
aufkonzentrierten Sol abgetrennt und gewaschen. Das Frischwasser
und das aufkonzentrierte Sol werden zur Vorkühlung des
zulaufenden salzhaltigen Wasser eingesetzt.
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Die
in der Vergangenheit vorgeschlagenen Konzepte scheiterten häufig
an unzureichend entwickelten Abtrenntechniken für die Eiskristalle
und vor allem aufgrund unterschiedlicher Probleme mit den eingesetzten
Kompressoren (z. B. Verunreinigung des Frischwassers durch Schmiermittel
des Kompressors oder Ähnliches).
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Rein
energetisch betrachtet ist das Auskristallisieren deutlich günstiger
als das Verdampfen und Rekondensieren von Wasser. Theoretisch ist der spezifische
Energiebedarf bei der Gefrierentsalzung mit 334 kJ/kg geringer als
für die Verdampfung von Wasser (2200 kJ/kg). Die mehrstufige
Ausführung moderner Verdampfungsverfahren führt
jedoch zu erheblich geringerem tatsächlichen Energiebedarf,
abhängig von der Anzahl der ausgeführten Stufen.
Moderne, auf Verdampfung beruhende, mehrstufige Anlagen weisen einen
Energiebedarf im Bereich von 200 kJ/kg auf.
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Aufgrund
der geringen Betriebstemperaturen spielt beim Gefrierverfahren „Scaling” im
Gegensatz zu den herkömmlichen Verdampfungsverfahren kaum
eine Rolle. Auch „Fouling”, aufgrund von biologischen
Kontaminationen, wie etwa bei der Umkehrosmose, spielt bei der Gefrierentsalzung
lediglich eine untergeordnete Rolle.
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Die
technischen Schwierigkeiten im Gefrierverfahren bestehen jedoch
im Wesentlichen in der Abtrennung der Eiskristalle von der Mutterlauge,
also dem solid-liquid handling. Die Eiskristalle müssen von
der Muterlauge getrennt und gewaschen werden. Hierbei besteht ein
erheblicher Bedarf an Süßwasser. Das Abtrennen
und Nachwaschen der Eiskristalle ist bisher verfahrenstechnisch
unzureichend gelöst. So wurden in der Vergangenheit zumeist
erhöhte Salzgehalte im erzeugten Frischwasser (> 700 ppm) im Vergleich
zu herkömmlichen Destillationsprozessen (< 10 ppm) festgestellt.
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Zur
Gefrierentsalzung von Meerwasser muss das Rohwasser auf Temperaturen
unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser gebracht werden. Zu den
im Stand der Technik bekannten Kühlverfahren zählen
beispielsweise strombetriebene Kompressionskältemaschinen.
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Thermisch
angetriebene Verfahren zur Kälteerzeugung, die mit solaren
Receivertechniken kombiniert werden können, sind zum einen
Wärmeabsorptionskälteanlagen, zumeist mit den
Arbeitsmedienpaaren Wasser/Lithiumbromid (Kühltemperatur > 5°C) oder
Wasser/Ammoniak (Kühltemperaturen auch < 0°C), zum anderen Dampfstrahlkälteanlagen. Entsprechende
Anlagen werden unter anderem in Noeres, P.; Thermische Kälteerzeugung
mit Dampfstrahlkältemaschinen-Konzepte und Erfahrungen,
KI Luft- und Kältetechnik 11/2006, 478–483 und Pollerberg,
C.; Ahmed Hamza, H. A.; Dötsch, C.; Solar driven steam
jet ejector chiller Applied Thermal Engineering, 29 (2009) 5–6,
1245–1252 und Pollerberg C., Heinzel,
A., Weidner, E., Model of a solar driven steam jet ejector chiller
and investigation of its dynamic operational behaviour, Solar Energy
(2009), article in press, beschrieben. Diese Technologien
zur solaren Kühlung sind nach wie vor Gegenstand der Forschung.
Zumeist gibt es noch keine Anlagen im Prototypenmaßstab
geschweige denn Industrieanlagen.
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Aus
WO 03/048658 A1 ist
eine Anlage zur solarthermischen Kälteerzeugung bekannt.
Hier wird ein Kältemittel eines Strahlverdichters durch
Anbindung an Sonnenkollektoren verdampft. Der Kältemitteldampf
wird nach Verdichtung durch den Strahlverdichter unter Wärmeabgabe
kondensiert. Als Kältemittel wird hier Wasser verwendet.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren
zur Entsalzung von Meer- und Brackwasser bereitzustellen, welches
die beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
Die zum Entsalzen benötigte Energie soll durch Sonnenkollektoren
gewonnen werden. Das Verfahren soll weiterhin eine hohe energetische
Effizienz aufweisen und einfach, robust und leicht zu steuern sein.
Auch soll auf Hilfschemikalien, wie sie im Bereich der thermischen
Entsalzungsverfahren und der Umkehrosmose benötigt werden,
verzichtet werden.
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In
einer ersten Ausführungsform wird die Aufgabe durch ein
Verfahren gelöst, welches auf der Gefrierentsalzung von
Meerwasser basiert. Die Energie zur Kühlung/Gefrierung
des Meerwassers wird durch konzentrierende Sonnenkollektoren, etwa
Parabolrinnen oder Fresnelkollektoren, bereit gestellt.
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Insbesondere
umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Entsalzung von Meer- und
Brackwasser, dadurch gekennzeichnet, dass das Meer- oder Brackwasser
mit Hilfe einer oder mehrerer Dampfstrahldüsen (8)
abgekühlt wird und sich salzfreie Eiskristalle bilden,
wobei die erforderliche Energie durch konzentrierende Sonnenkollektoren
(2) bereitgestellt wird.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Verfahrensprinzip einer
solarbetriebenen Gefrierentsalzung von Meerwasser. Im Sonnenkollektorkreislauf
wird Wasser mit Hilfe einer Pumpe (1) im Kreis geführt. Durch
die solare Einstrahlung, welche von den Sonnenkollektoren (2)
eingefangen wird, wird das Wasser in den Absorberrohren (3)
der Sonnenkollektoren (2) aufgeheizt.
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Das
Wasser verdampft und wird im Treibdampfkessel (4) gesammelt.
Der hier gesammelte Dampf ist ein gesättigter Wasserdampf.
Der gesammelte Dampf enthält einen hohen Anteil an Wasser, es
handelt sich um einen Sattdampf. Dieser wird über ein Dampfmassenstromregelventil
(5) in einen Tropfenabscheider (6) geleitet. Hier
wird der Dampf getrocknet. Das Kondensat wird über ein
Ventil (7) in den Treibdampfkessel (4) zurückgeleitet,
und steht somit dem Sonnenkollektor wieder zur Verfügung. Der
getrocknete Dampf wird über eine oder mehrere Dampfstrahldüsen
(8) entspannt. Die Dampfstrahldüsen sind mit einer
Flash-Kühler-Einheit (10) über Rückschlagventile
(9) verbunden. Durch das Entspannen des Dampfes über
eine oder mehrere Dampfstrahldüsen (8) wird nun
ein Unterdruck in der Flash-Kühler Einheit (10)
erzeugt.
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Das
zu entsalzende Meerwasser wird beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe
(11) zu einer Vorkühlung (12) gebracht.
Das vorgekühlte Meerwasser läuft nun zur Flash-Kühler-Einheit
(10) und wird dort fein verteilt. Die Verteilung kann beispielsweise
mit Hilfe einer Sprühdüse erfolgen. Da in der
Flash-Kühler-Einheit (10) ein Unterdruck herrscht,
verdampft ein Teil des Meerwassers. Dies führt zu einer
rapiden Abkühlung desselben. Ist der Gefrierpunkt des Meerwassers
erreicht, bilden sich Eiskristalle im Meerwasser. Der Gefrierpunkt
ist dabei abhängig vom Salzgehalt des ursprünglich
zugeführten Wassers. Die gebildeten Eiskristalle sind im
Wesentlichen salzfrei. Das Gemisch aus Eiskristallen und aufkonzentriertem
Meerwasser wird nun in einen Separator (13) gepumpt. Aufgrund
der Dichteunterschiede zwischen Eiskristallen und konzentriertem
Meerwasser schwimmen die Eiskristalle auf. Sie können im Überlauf
des Eisseparators (13) gesammelt werden.
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Der
entspannte Dampf aus einer oder mehreren Dampfstrahldüsen
(8) wird nun eingesetzt, um den Eisseparator (13)
zu erwärmen. Die Eiskristalle schmelzen hierdurch auf.
Auf der einen Seite wird durch das Aufschmelzen der Eiskristalle
im Separator das Problem des solid-liquid handlings der Eiskristalle
umgangen, auf der anderen Seite können die Dampfstrahldüsen,
die für das Aufschmelzen der Eiskristalle eingesetzt werden,
unter optimalen Rückkühlbedingungen betrieben
werden, was zu einem sehr hohen COP (Coefficient of Performance)
dieser Dampfstrahldüsen führt.
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Die
aufschwimmenden Eiskristalle sollten zuvor jedoch noch gespült
werden, um diese von anhaftendem Meerwasser zu reinigen. Dies geschieht beispielsweise
durch Rückführung eines Teilstroms des gewonnen
Eiskristallwassers. Mit Hilfe einer Frischwasserpumpe (14)
kann das gewonnene Frischwasser teilweise über ein Ventil
zum Überlauf des Eisseparators (13) zurückgeführt
werden. Aufgrund der geringen Temperatur des Wassers schmelzen die
Kristalle nicht beim Spülen, sondern erst beim Aufschmelzen
durch den Dampf aus der Dampfstrahldüse (8). Erfindungsgemäß befindet
sich im Eisseparator (13) eine Einheit, in welcher die
Eiskristalle durch Treibdampf einer oder mehrerer Dampfstrahldüsen
(8) aufgeschmolzen werden, integriert.
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Das
gewonnene, wenige Grad Celsius kalte Frischwasser, kann an einen
Wärmetauscher (16) geleitet werden. Mit dem kalten
Frischwasser wird das Kühlwasser des Treibdampfkondensators
(15) heruntergekühlt. Dieses führt zu
einem gesteigerten COP der Dampfstrahldüse(n), die nicht
zum Aufschmelzen der Eiskristalle eingesetzt werden. Dieser Treibdampfkondensator
(15) ist vorzugsweise als Mischkondensator ausgeführt.
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Das
stark gekühlte aufkonzentrierte Meerwasser (Sole) kann
zunächst zur Vorkühlung (12) des frisch
zugeführten Meerwassers verwendet werden. Alternativ kann
auch dieser stark gekühlte Teilstrom zur Kühlung
des Kühlwassers (16) des Treibdampfkondensators
(15) oder den Mischkondensator eingesetzt werden, die nicht
für die Aufschmelzung der Eiskristalle eingesetzt werden,
verwendet werden. Das durch den Mischkondensator (15) gewonnene Treibdampfkondensat
wird in einem Kondensatsammelbehälter (17) gesammelt.
Anschließend kann es erneut dem Sonnenkollektorkreislauf
zugeführt werden.
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Der
im Flash-Kühler (10) verdampfte Meerwasseranteil
kann entsprechend dem Verschmutzungsgrad des Kreislaufwasser/-dampfes
dem Soleanteil oder dem Frischwasseranteil zugeschlagen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird die Aufgabe der Erfindung
durch eine Anlage gelöst, in welcher ein erfindungsgemäßes
Verfahrensprinzip durchgeführt werden kann.
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Außer
den Antriebspumpen werden in einer erfindungsgemäßen
Anlage keinerlei bewegte oder rotierende Bauteile benötigt.
Auch komplizierte Maschinen werden nicht eingesetzt. Eine entsprechende
Anlage ist demnach wartungsarm und leicht zu bedienen. Auch die
den Unterdruck erzeugende Dampfstrahldüsen sind einfache
und robuste Bauteile. Zudem kommt man im Gegensatz zu anderen Kälte-
und Entsalzungsverfahren ohne jegliche Hilfschemikalien aus. So
entfällt beispielsweise der Einsatz eines umweltgefährdenden
oder giftigen Kältemittels. Auch eine aufwendige Aufbereitung
des Meerwassers mit Antiscalants und Antifoulants gegen chemische
und bakterielle Belagbildung innerhalb der Entsalzungseinheiten
ist nur sehr begrenzt bis gar nicht notwendig.
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Zur
energetischen Optimierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es außerdem möglich, dieses als
mehrstufiges Verfahren auszuführen. Der Gefrierpunkt des
Meerwassers ist abhängig vom Salzgehalt. In einer mehrstufigen
Ausführung des Verfahrens, beispielsweise durch eine Verschaltung mehrerer
kleinerer Einheiten Dampfstrahldüsen/Flash-Kühler/Separator,
wird diesem Rechnung getragen.
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Dampfstrahlkälteanlagen
zeigen weiterhin ein gutes dynamisches Betriebsverhalten, beispielsweise
bei Teillast aufgrund schwankender solarer Einstrahlung. Die Regelung
einer entsprechenden Kälteanlage ist einfach zu handhaben.
Durch die Regulierung des Dampfmassenstroms, also über
ein Regelventil, oder über die Anzahl der zugeschalteten Düsen/Gefriereffekte
ist eine erfindungsgemäße Dampfstrahlkälteanlage
herstellbar und leicht zu betreiben.
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Bei
der Kälteerzeugung mit Dampfstrahldüsen ist der
Gesamtwirkungsgrad der Kälteerzeugung von den Rückkühlbedingungen
abhängig. Der Gesamtwirkungsgrad wird definiert durch den
COP. Da hier das nahe am Gefrierpunkt befindliche entsalzte Wasser
zur Rückkondensation des Treibdampfes eingesetzt wird,
ist der COP der erfindungsgemäßen Kälteerzeugung
sehr gut. Aufgrund der sehr geringen Kondensationstemperatur kann
der COP-Wert sogar über 1 steigen, so dass neben dem herzustellenden Frischwasser
noch Kälte für die Klimatisierung erzeugt werden
kann.
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Die
Kälteerzeugung im erfindungsgemäßen Verfahren
kann auch über solarbetriebene Wärmeabsorptionskältemaschinen
erfolgen. Das vorgeschlagene Verfahren ist somit ideal mit solarer
Prozessrinnentechnologie anwendbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße
Vorrichtung eignen sich für Meer- und Brackwasserentsalzung
für industrielle, als auch landwirtschaftliche oder kommunale
Zwecke. Aufgrund des guten COP der Anlage ist auch eine Versorgung
von Hotelkomplexen mit Frischwasser in Kombination mit Strom und
Klimakälte denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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