DE102013224351B4

DE102013224351B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Brauchwasser

Info

Publication number: DE102013224351B4
Application number: DE102013224351.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: DE102013224351A1; WO2015078863A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Brauchwassergewinnung aus verunreinigtem Wasser, umfassend einen Kondensationsbehälter (2) mit einem Brauchwasserabfluss (4) und einem Prozessluftabfluss (36), einen Verdunstungsbehälter (6) mit einem Restwasserabfluss (8) und einem Prozessluftzufluss (38), eine Trenneinrichtung (10) mit steuerbarer Durchlässigkeit, die einen horizontalen Durchgang zwischen Kondensationsbehälter (2) und Verdunstungsbehälter (6) bildet, einen Kondensator (12), der im Kondensationsbehälter angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass (14) für verunreinigtes Wasser und einen Kühlmittelauslass (16) aufweist, eine Heizeinrichtung (18), die mit dem Kühlmittelauslass (16) verbunden und eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser aufzuheizen, eine Sprüheinrichtung (20), die mit der Heizeinrichtung (18) verbunden und eingerichtet ist, das aufgeheizte verunreinigte Wasser in den Verdunstungsbehälter (6) einzusprühen, und eine regelbare Luftfördereinrichtung (22), die eingerichtet ist, Prozessluft dem Verdunstungsbehälter (6) zuzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Brauchwasser durch Entsalzung von Meerwasser bzw. allgemein Salzwasser oder Reinigung von verunreinigten Wässern wie brackigem Grundwasser oder Abwasser. Die Vorrichtung soll bevorzugt durch Solarenergie versorgt werden.
Stand der Technik
Ein bekanntes Verfahren zur Meerwasserentsalzung beruht auf dem Grundprinzip der so genannten Feuchtluftdestillation. Diese eignet sich gut auch für kleine, dezentrale Anlagen sowie die Energiezufuhr durch Solarenergie.
Es sind einstufige Verfahren zur solarthermischen Meerwasserentsalzung bekannt, bei denen Verdunster und Kondensator jeweils nur oben und unten einen Luft- und Wasserzulauf bzw. -Ablauf aufweisen. Es kann dabei nur eine Wärmerückgewinnung von etwa 50% erreicht werden. Allerdings ist der apparative Aufwand vergleichsweise gering, so dass sich der Einsatz in strukturschwachen Gebieten anbietet.
Um eine höhere Wärmerückgewinnung zu erzielen, sind mehrere Stufen bei der Verdunstung und Kondensation erforderlich. Diese Methode wird daher häufig bei Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt. Bei Hochleistungsanlagen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, sind mehr als 12 Stufen und mehr als 96% Wärmerückgewinnung möglich. Allerdings ist bei solchen Anlagen der apparative Aufwand sehr hoch. Für strukturschwache Gebiete sind derartige Anlagen daher weniger geeignet.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur thermischen Entsalzung von Meerwasser ist das so genannte Multi-Effect-Humidification/Dehumidification-Verfahren (MEH). Systeme nach dem MEH-Verfahren basieren auf thermischer Energiezufuhr aus Niedertemperaturquellen (z. B. Sonnenkollektoren). Die Wärme wird einem abgeschlossenen Entsalzungsbehälter zugeführt, in dem der natürliche Wasserkreislauf mit Verdunstung und Kondensation nachgebildet wird.
Vorgewärmtes Meerwasser wird durch Zufuhr von Solarenergie weiter aufgeheizt und in einem Teil des Entsalzungsbehälters verdunstet, wobei Sole (so genannte Brine) mit aufkonzentriertem Salzgehalt abgeschieden wird. In dem anderen Teil des Entsalzungsbehälters wird der Wasserdampf zur Gewinnung des Destillats bzw. Brauchwassers mittels eines Kühlers kondensiert, dem kaltes Meerwasser als Kühlmedium zugeführt und dieses damit vorgewärmt wird. Dieses Verfahren läuft im Kreislauf, wobei kaltes Meerwasser und Solarenergie zugeführt und Brine und Brauchwasser abgezogen werden.
Durch die Übertragung der beim Kondensieren frei werdenden Wärmeenergie auf das zugeführte Meerwasser wird in dem Prozess ein großer Teil der beim Verdunsten eingesetzten Wärmeenergie beim Kondensieren wieder zurück gewonnen und für die Vorwärmung des Meerwassers eingesetzt. Durch die Vorwärmung wird wiederum die Energie verringert, die zur weiteren Aufheizung des Meerwassers benötigt wird.
Die Druckschrift DE 43 40 745 C2 verwendet ein derartiges Feuchtluftdestillations-Verfahren zur Brauchwassererzeugung.
Dieses System hat jedoch bestimmte Nachteile. Zum Einen erfolgt die Verdunstung durch das Aufbringen erhitzten Meer- oder allgemein verunreinigten Wassers auf Vlies- oder Gewebetücher, um so die zur Verfügung stehende Oberfläche für die Verdunstung zu erhöhen. Dies bedingt jedoch, dass das verunreinigte Wasser keine wesentlichen Anteile an Fest- oder Schwebstoffen enthalten darf, da sich ansonsten die Tücher schnell zusetzen und somit unbrauchbar würden. Das System ist daher zur Reinigung von verschmutztem Wasser mit Anteilen von Fest- und Schwebstoffen, z. B. von brackigem Grundwasser, nicht geeignet.
Weiterhin handelt es sich um ein System mit einem Prozessbehälter ohne innere Trennwände. Es gibt also keine Trennung zwischen Verdunstungsraum und Kondensationsraum. Eine Steuerung der beteiligten Massenströme ist somit nicht möglich. Das Verfahren ist darauf angewiesen, dass sich eine Konvektionswalze zwischen Verdunstungsraum und Kondensationsraum ausbildet. Die Leistung der Anlage ist daher durch das Volumen des Prozessbehälters begrenzt, welches benötigt wird, um diese der Natur nachempfundene Konvektion zu gewährleisten. Die Luftumwälzung findet vorwiegend laminar statt.
Die Druckschrift EP 2455343 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Reinigen von Wasser, wobei Wasser durch ein Zerstäubungsgerät in Tröpfchen geteilt wird und wobei der von den Tröpfchen verdampfte Wasserdampf in einem von dem Zerstäubungsgerät erzeugten Trägerluftstrom entlang eines Zirkulationsweges über einen Entnebler, der noch vorhandene Tröpfchen entfernt, zu einem Kondensator transportiert wird.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Brauchwassererzeugungsvorrichtung auf Basis der Feuchtluftdestillation bereitzustellen, die bei einem gegebenen Volumen des Prozessbehälters leistungsfähiger ist, d. h. pro Zeiteinheit mehr Brauchwasser erzeugen kann, und welche trotzdem die grundsätzlichen Vorteile des MEH-Verfahrens beibehält. Die vorgeschlagene Vorrichtung soll weiterhin geeignet sein, auch verunreinigtes Wasser mit Anteilen von Fest- und Schwebstoffen zu verarbeiten.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Brauchwassergewinnung aus verunreinigtem Wasser bereitgestellt, umfassend:

– einen Kondensationsbehälter mit einem Brauchwasserabfluss und einem Prozessluftabfluss;
– einen Verdunstungsbehälter mit einem Restwasserabfluss und einem Prozessluftzufluss;
– eine Trenneinrichtung mit steuerbarer Durchlässigkeit, die einen horizontalen Durchgang zwischen Kondensationsbehälter und Verdunstungsbehälter bildet;
– einen Kondensator, der im Kondensationsbehälter angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass für verunreinigtes Wasser und einen Kühlmittelauslass aufweist;
– eine Heizeinrichtung, die mit dem Kühlmittelauslass verbunden und eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser aufzuheizen;
– eine Sprüheinrichtung, die mit der Heizeinrichtung verbunden und eingerichtet ist, das aufgeheizte verunreinigte Wasser in den Verdunstungsbehälter einzusprühen; und
– eine regelbare Luftfördereinrichtung, die eingerichtet ist, Prozessluft dem Verdunstungsbehälter zuzuführen
– eine regelbare Luftleitung, die eingerichtet ist, Prozessluft im oberen Bereich, bevorzugt an der Oberseite des Verdunstungsbehälters abzuführen und dem oberen Bereich, bevorzugt der Oberseite des Kondensationsbehälters zuzuführen, um einen Teil der Luftmenge, bevorzugt etwa 8–10%, zwingend durch den Sprühstrahl der Sprüheinrichtung zu führen;

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die umgewälzte Luftmenge und die Solemenge und damit die Leistung gezielt geregelt werden, das erfindungsgemäß eingesetzte Funktionsprinzip wird daher als Controlled-Multi-Effekt-Humidification/Dehumidification (CMEH) bezeichnet. Durch die Luftfördereinrichtung kann bei gleichem Raumbedarf von Verdunstungsbehälter und Kondensationsbehälter wesentlich mehr Prozessluft pro Zeiteinheit umgewälzt werden und dadurch mehr Wasser verdunsten. Durch die zwischen Verdunstungsbehälter und Kondensationsbehälter befindliche Trenneinrichtung mit variabel steuerbarer Durchlässigkeit kann die Ausbildung einer gewünschten Luftumwälzung gezielt beeinflusst werden, so dass die Luftumwälzung vorwiegend im turbulenten Bereich stattfindet. Die Vorteile des nahezu stufenlosen MEH-Verfahrens bleiben trotz erheblicher Leistungssteigerung beim CMEH-Verfahren erhalten.
Die Luftumwälzung kann so bevorzugt etwa im oberen und unteren Bereich getrennt gesteuert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trenneinrichtung derart ausgestaltet, dass an jeder vertikalen Position die Durchlässigkeit unabhängig steuerbar ist. Dadurch kann gezielt die gewünschte Form der Luftwalze beeinflusst werden, die sich innerhalb von Verdunstungsbehälter und Kondensationsbehälter, angetrieben von der Luftfördereinrichtung, ausbildet.
Die Verstellung kann per Hand erfolgen, bevorzugt wird jedoch die Ansteuerung über einen geeigneten Antrieb.
Eine Jalousie stellt eine sehr einfache Trenneinrichtung dar, die von im Wesentlichen geschlossen bis zu im Wesentlichen vollständig geöffnet steuerbar ist. Zusätzlich zum Grad der Durchlässigkeit kann die Luftströmung hier auch durch die Ausrichtung der jeweiligen Lamellen beeinflusst werden. Beispielsweise kann im oberen Bereich des Verdunstungsbehälters eine im Wesentlichen schräg aufwärts gerichtete Luftströmung vorliegen. Je nach gewünschter Steuerung können die Lamellen parallel dazu ausgerichtet werden, um eine möglichst ungestörte Durchströmung zu erreichen, oder senkrecht dazu, wenn eine turbulentere Durchströmung aufgrund des höheren Widerstands erzielt werden soll.
Durch den unterschiedlichen Wassergehalt von heißer gesättigter Luft (340 g/m³ bei 85°C) und kalter gesättigter Luft (30 g/m³ bei 30°C) ist der Luftbedarf im oberen Bereich des Verdunstungs- und Kondensationsbehälters etwa 10mal geringer als im unteren Bereich. Entsprechend variiert die Luftströmung, die durch die verstellbare Trenneinrichtung demgemäß gesteuert werden kann. Durch die Änderung der Luftmenge und der Prozesswassermenge kann die Leistung der Anlage geregelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Luftfördereinrichtung ein Ventilator.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessluftabfluss des Kondensationsbehälters mit dem Prozessluftzufluss des Verdunstungsbehälters verbunden, so dass bevorzugt ein geschlossener Luftkreislauf entsteht. Alternativ kann der Luftkreislauf jedoch auch offen sein, so dass
Prozessluft aus der Umgebung der Vorrichtung entnommen und nach dem Durchgang durch die Vorrichtung wieder an die Umgebung abgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Prozessluftabfluss und der Prozessluftzufluss jeweils im unteren Bereich, bevorzugt an der Unterseite des Kondensationsbehälters beziehungsweise des Verdunstungsbehälters angeordnet.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung weiter:

– eine regelbare Luftleitung, die eingerichtet ist, Prozessluft im oberen Bereich, bevorzugt an der Oberseite des Verdunstungsbehälters abzuführen und dem oberen Bereich, bevorzugt der Oberseite des Kondensationsbehälters zuzuführen.

Diese Maßnahme hat den Zweck, einen Teil der Luftmenge, bevorzugt etwa 8–10%, zwingend durch den Sprühstrahl zu führen. Damit ist eine sehr intensive Befeuchtung der Luft gewährleistet. Außerdem wird dabei der volle Strahl mit der gesamten von dem eingesprühten erhitzten Wasser mitgeführten Wärmeenergie durch nur 8–10% der Luftmenge geführt. Eine Austrittstemperatur der Luft nahe der entsprechenden Wassereintrittstemperatur ist dabei zu erreichen. Je geringer diese Temperaturdifferenz ist, umso eher kann eine höhere Wärmerückgewinnung bzw. ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Heizeinrichtung einen Solarkollektor, der eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser direkt oder über einen Wärmetauscher aufzuheizen.
Bevorzugt wird die Anlage durch Solarenergie versorgt, welche insbesondere in Gebieten wie beispielsweise der Sahara ausreichend zur Verfügung steht. Dadurch kann der zuzuführende Energiebedarf kostengünstig und umweltfreundlich gedeckt werden. Das zu reinigende Wasser kann direkt im Solarfeld auf die nötige Temperatur erhitzt werden, oder es kann mittels eines Wärmetauschers die Wärmeenergie auf das verunreinigte Wasser übertragen werden. Ersteres ermöglich eine sehr einfache Konstruktion mit geringen Verlusten. Letzteres ermöglicht es, in den Solarkollektoren eine andere Flüssigkeit zu verwenden, beispielsweise Öl, so dass eine Trennung vom verunreinigten Wasser vorliegt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter:

– einen Kühler, der zwischen den Restwasserabfluss und den Kondensator geschaltet und eingerichtet ist, das Restwasser abzukühlen und dem Kondensator zuzuführen.

Der Kühler hat die Aufgabe, das Prozesswasser aus dem Verdunstungsbehälter abzukühlen und dem Kondensator zuzuführen. Die Kühlung kann mithilfe von kaltem verunreinigtem Wasser erfolgen, alternativ aber auch durch einen Kühlturm oder Kamin. Die Kühlleistung entspricht dabei bevorzugt der Heizleistung der Heizeinrichtung, so dass ein geschlossener Wärmekreislauf entsteht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter:

– einen Wärmespeicher, der eingerichtet ist, Wärmeenergie zu speichern und bedarfsweise der Heizeinrichtung zuzuführen.

Um beispielsweise bei solarthermischer Energieversorgung der Anlage einen Betrieb auch außerhalb der Sonnenstunden sicherzustellen, kann ein Wärmespeicher vorgesehen werden, der zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie dient. Im Falle der Verwendung von Solarkollektoren muss dafür die Leistung bzw. Fläche entsprechend erhöht werden. Allgemein dient der Wärmespeicher dazu, nur zu bestimmten Zeiten anfallende und/oder wirtschaftlich nutzbare Wärmeenergie zwischenzuspeichern, um diese bedarfgerecht der Brauchwassererzeugungsvorrichtung bereitzustellen. Dies gilt auch für andere Energieformen wie etwa Industrieabwärme etc.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
5 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Versuchsanlage gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird in beispielhafter Weise auf Meer- bzw. allgemein Salzwasser als eine Möglichkeit für verunreinigtes Wasser Bezug genommen. Andere verunreinigte Wässer mit anderen unerwünschten Inhaltsstoffen als Salz, insbesondere auch solche mit Anteilen von Fest- und Schwebstoffen, können jedoch in gleicher Weise verarbeitet werden.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verdunsterbehälter 6 hat die Aufgabe, die Prozessluft auf eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100%, also gesättigt, und eine Temperatur von etwa 85°C zu bringen. Dazu wird Salzwasser mittels einer Sprüheinrichtung 20 fein verteilt in den Verdunsterbehälter 6 eingesprüht.
Der Wassergehalt beträgt bei dieser Temperatur dann etwa 340 g/m³. Die benötigte Luftmenge zum Transport von 1 m³ Wasser beträgt demnach etwa 3000 m³/h bei einstufigem Betrieb, bei mehrstufigem Betrieb etwa 6000 m³/h. Die benötigte Energie erhält der Verdunster durch 10 m³/h Prozesswasser (Sole) mit einer Temperatur von beispielsweise 86°C. Diese Temperatur wird durch Vorwärmung im Kondensator und Zufuhr von zusätzlicher Wärmeenergie, vorzugsweise Solarenergie, erreicht. Bei der Kondensation kühlt sich das Prozesswasser beispielsweise auf etwa 32°C ab, die freiwerdende Energie wird auf das als Kühlmittel verwendete Salzwasser übertragen und dadurch eine Vorwärmung und Wärmerückgewinnung erzielt.

Um die Wärmeenergie vom Prozesswasser auf die Prozessluft übertragen zu können, bedarf es einer großen Übergangsfläche zwischen den beiden Medien. In einer Abschätzung dazu werden die folgenden Annahmen gemacht:

Temperaturdifferenz zwischen Prozesswasser und Prozessluft:	3°C.
Wärmeenergie für die Verdunstung von 1 m³ Meerwasser:	700 kW.
Wärmeübergangskoeffizient α:	0,05 kW/(m²·ΔT).
Erforderliche Übergangsfläche:	4667 m².

Der Wärmeübergang bzw. Wärmeübergangskoeffizient hat bei der Meerwasserentsalzung eine entscheidende Bedeutung, da er die Flächen zur Kühlung und Verdunstung maßgeblich beeinflusst. Die vorstehend Annahme würde einen Wärmetauscher mit einer riesigen Oberfläche bzw. eine riesige Wasserfläche erfordern, was für eine entsprechende Anlage so unrealistisch ist. Im Stand der Technik wurde dies durch die Verwendung von Tüchern bzw. Gewebebahnen gelöst, die für eine Oberflächenvergrößerung sorgen, aber problematisch bei Schweb- und Feststoffen sind.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem daher stattdessen durch Tropfenbesprühung gelöst. Mit geeigneten Düsen kann die Sprüheinrichtung 20 so eine große Menge an kleinsten Tropfen erzeugen, die eine 10mal größere Fläche von etwa 50.000 m² aufweisen. Auf diese Weise wird im Verdunsterbehälter 6 eine mit Wasser gesättigte Prozessluft erzeugt. Nicht von der Prozessluft aufgenommenes, aufkonzentriertes Salzwasser bzw. Brine kann durch einen Restwasserablauf 8 aus dem Verdunsterbehälter 6 abgeführt werden.
Durch die Verwendung einer Sprüheinrichtung ergibt sich kein Problem mit Wasser, welches Fest- bzw. Schwebstoffe enthält. Das Prozesswasser kann daher auch grobkörnige Anteile haben, der Durchmesser sollte jedoch nicht mehr als etwa 1/3 der Düsenöffnung betragen. Die Festkörper werden bei dem Prozess ausgefiltert. Dies ist ein enormer technischer und wirtschaftlicher Vorteil, da die Ausfilterung solcher Stoffe ansonsten aufwendig und teuer wäre.
Folgende im Prozesswasser enthaltene Schadstoffe werden bei dem erfindungsgemäßen Prozess ganz oder teilweise ausgefiltert, wobei diese Stoffe meist sehr umweltschädlich sind:

– Medikamentenrückstände;
– Düngemittelrückstände und Giftstoffe;
– Chemische Rückstände wie z. B. Farbstoffe.

Durch die Ausfilterung von auch feinsten Festkörpern wird auch eine eventuelle Strahlenbelastung reduziert.
Mit Feinststoffen belastetes Abwasser kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung soweit eingedickt werden, dass es nicht mehr versprühbar ist. Das derart eingedickte Abwasser kann separat abgeführt und einer Weiterbehandlung mit gängigen Verfahren wie Verpressung, Trocknung und Verbrennung zugeführt werden.
Die mit Wasser gesättigte Prozessluft wird horizontal vom Verdunsterbehälter 6 zum Kondensationsbehälter 2 geführt. Zwischen dem Verdunsterbehälter 6 und dem Kondensationsbehälter 2 ist erfindungsgemäß eine Trenneinrichtung 10, beispielsweise eine Jalousie mit einer Vielzahl von Lamellen 24, angeordnet. Die Jalousie 10 kann die Öffnung zwischen Verdunsterbehälter 6 und Kondensationsbehälter 2 von vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dabei jede Lamelle der Jalousie individuell gesteuert werden. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind einige Lamellen in der unteren Hälfte Jalousie geschlossen, während alle anderen Lamellen teilweise geöffnet sind. Damit kann die Strömung zwischen Verdunsterbehälter 6 und Kondensationsbehälter 2 gezielt beeinflusst werden.
Im Kondensationsbehälter 2 ist ein Kondensator 12 angeordnet. Der Kondensator 12 hat die Aufgabe, die Prozessluft abzukühlen und auf eine Temperatur von etwa 32°C zu bringen. Dabei wird Destillat abgeschieden, welches durch einen Abfluss 4 abgeführt und etwa zu Trinkwasser verarbeitet werden kann. Hierbei kann kein Sprühsystem verwendet werden, da sonst eine Vermischung zwischen Salzwasser und Destillat auftreten würde.
Bevorzugt wird daher ein Metall- oder Stegplattenkondensator eingesetzt. Zwischen gesättigter Luft und Metall-Kondensator wäre der Wärmeübergangskoeffizient α normalerweise = 0,05. Es ist jedoch anzunehmen, dass Film- oder Tröpfchenkondensation eintritt, was den Wert von α auf 3 erhöhen würde. Daher beträgt die Übergangsfläche nur noch etwa 78 m².
In dem Kondensator 12 wird Meerwasser als Kühlmittel verwendet. Das Meerwasser bleibt innerhalb des Kondensators 12, das Destillat bildet sich getrennt davon außen am Kondensator und kann abgeführt werden. Das als Kühlmittel eingesetzte Prozesswasser erwärmt sich durch die bei der Kondensation der gesättigten Luft frei werdenden Wärmeenergie auf etwa 79°C und wird einer Heizeinrichtung 18, beispielsweise einem Solarkollektor mit optionalem Wärmetauscher, zugeführt, um auf die benötigten 86°C aufgeheizt zu werden. Das aufgeheizte Prozesswasser wird dann der Sprüheinrichtung 20 zugeführt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Prozessluftzufluss 38 im unteren Bereich des Verdunsterbehälters 6 vorgesehen, in dem eine Luftfördereinrichtung 22 angeordnet ist. Die Luftfördereinrichtung 22 ist bevorzugt ein Ventilator. Die Luftmenge der vom Ventilator 22 transportierten Prozessluft kann gezielt geregelt werden. Der Kondensationsbehälter 2 weist einen entsprechenden Prozessluftabfluss 36 auf. In der Ausführungsform von 1 ist der Luftkreislauf der Vorrichtung daher offen gestaltet. Prozessluft wird aus der Umwelt angesaugt und nach Durchgang durch die Vorrichtung wieder an die Umwelt abgegeben. In alternativen Ausführungsformen kann der Luftkreislauf auch geschlossen realisiert werden, wobei Prozessluftabfluss 36 Prozessluftzufluss 38 dann über eine Luftleitung verbunden sind. Siehe dazu beispielweise die Ausführungsformen der 2–5, die jeweils beispielhaft geschlossene Luftkreisläufe zeigen.
Prozessluftabfluss 36 und Prozessluftzufluss 38 sind im unteren Bereich der jeweiligen Behälter angeordnet. In der 1 ist die bevorzugte Variante gezeigt, gemäß der sich Prozessluftabfluss 36 und Prozessluftzufluss 38 an der Unterseite der jeweiligen Behälter befinden, was im Wesentlichen der hauptsächlichen Richtung der Luftströmung entspricht. Alternative Anordnungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise seitlich im unteren Bereich des jeweiligen Behälters.
Im Zusammenspiel von Ventilator 22 und Jalousie 10 ist es so möglich, gesteuert einen wesentlich höheren Luftdurchsatz pro Zeiteinheit zu erreichen, wobei die Strömung bevorzugt im Wesentlichen turbulent ist. Durch das erfindungsgemäße CMEH-Verfahren in der Brauchwassergewinnungsvorrichtung kann gegenüber herkömmlichen MEH-Anlagen ein Vielfaches an Meerwasser pro Zeiteinheit verdunstet werden, und somit auch ein Vielfaches an Destillat gewonnen werden.
In 2 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von 1 gezeigt. Hier ist weiterhin eine Luftleitung zwischen dem oberen Teil des Verdunsterbehälters 6 und des Kondensationsbehälters 2 angeordnet. Etwa 8–10% der Prozessluft werden so dem Kondensationsbehälter 2 zugeführt. Die Luftmenge ist regelbar.
Dadurch kann erreicht werden, dass dieser Anteil der Prozessluft zwangsweise durch den Sprühstrahl geführt wird, was zu einer sehr intensiven Befeuchtung dieses Luftanteils führt. Weiterhin wird durch den Kontakt zwischen einem kleinen Anteil der Prozessluft mit dem gesamten eingesprühten erhitzten Meerwasser und somit der gesamten davon transportierten Wärmeenergie die Austrittstemperatur der Prozessluft auf einen Wert nahe der Temperatur des eingesprühten Meerwasser gebracht. Je geringer die Temperaturdifferenz ist, desto höher ist die erzielbare Wärmerückgewinnung.
Der Luftkreislauf für die Prozessluft ist hier geschlossen ausgeführt, er kann alternativ (nicht gezeigt) jedoch ebenso wie in 1 gezeigt offen ausgeführt sein. Allgemein kann jede Ausführungsform der Erfindung je nach Bedarf mit offenem oder geschlossenem Prozessluftkreislauf ausgeführt werden.
In 3 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von 2 gezeigt. Allgemein kann die erforderliche Zufuhr von Wärmeenergie, um das vorgewärmte Prozesswasser aus dem Kondensator auf die nötigen 86°C aufzuheizen, aus allen dazu geeigneten Quellen stammen. Industrieabwärme, Erdwärme, Wärmeenergie aus Blockheizkraftwerken oder dergleichen kann verwendet werden. Aus Kosten- und Umweltgründen wird jedoch bevorzugt Solarenergie verwendet. Dazu weist die Ausführungsform der 3 als Heizeinrichtung einen Solarkollektor 28 auf, der über einen Wärmetauscher 30 das vorgewärmte Prozesswasser aufheizt. Der Wärmetauscher 30 ist hier optional, alternativ kann das Wasser auch direkt im Solarkollektor aufgeheizt werden.
Nicht gezeigt ist eine weitere Ausführungsform. Da bei der Verwendung von Solarenergie nur während der täglichen Sonnenstunden ein Betrieb der Anlage möglich ist, kann zusätzlich ein Wärmespeicher vorgesehen werden, der auch für Nachtstunden genügend Wärmeenergie vorhält, um die Vorrichtung kontinuierlich oder zumindest wesentlich länger betreiben zu können. Dazu ist es erforderlich, die Leistung des Solarkollektors entsprechend zu erhöhen, um den Wärmespeicher zu füllen und gleichzeitig die Vorrichtung zu versorgen.
Es soll betont werden, dass der Wärmespeicher sich natürlich auch anbietet, um bei allen anderen Arten der Wärmezufuhr den Betrieb sicherzustellen bzw. die Wärmezufuhr gleichmäßiger gestalten zu können. Auch kann so etwa Wärmeenergie genutzt und gespeichert werden, die nur zeitweise zur Verfügung steht und/oder nur zu bestimmten Zeiten kostengünstig ist.
In 4 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von 3 gezeigt. Hier ist im Zulauf des Meerwassers ein Kühler 32 vorgesehen. Der Kühler hat die Aufgabe, das Prozesswasser, welches mit 32°C aus dem Verdunstungsbehälter kommt, auf 26°C abzukühlen und dem Kondensator 12 zuzuführen. Die Kühlung kann mit beispielsweise 18°C kaltem Meerwasser erfolgen. Alternativ sind auch andere Kühlungsverfahren denkbar, wie etwa ein Kühlturm oder Kamin.
In der gezeigten Ausführungsform ist weiterhin ein Mischbehälter 34 vorgesehen. Der Mischbehälter 34 ermöglicht es, das aus dem Verdunstungsbehälter 6 abgeführte Brine-Wasser nach Bedarf dem frischen Meerwasser beizumischen. Über einen regelbaren Ablauf kann es jedoch auch bedarfsweise abgeführt werden.
In 5 ist eine beispielhafte Versuchsanlage gezeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitet. Die Anlage weist eine Leistung von 13 Litern Brauchwasser pro Stunde auf. Die Bruttoleistung beträgt 9,3 kW, die Solarzusatzleistung beträgt 0,9 kW. Die Fläche des Solarkollektors beträgt 3 m². Die gezeigten Temperaturangaben und Leistungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen.

Claims

Vorrichtung zur Brauchwassergewinnung aus verunreinigtem Wasser, umfassend: – einen Kondensationsbehälter (2) mit einem Brauchwasserabfluss (4) und einem Prozessluftabfluss (36); – einen Verdunstungsbehälter (6) mit einem Restwasserabfluss (8) und einem Prozessluftzufluss (38); – eine Trenneinrichtung (10) mit steuerbarer Durchlässigkeit, die einen horizontalen Durchgang zwischen Kondensationsbehälter (2) und Verdunstungsbehälter (6) bildet; – einen Kondensator (12), der im Kondensationsbehälter (2) angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass (14) für verunreinigtes Wasser und einen Kühlmittelauslass (16) aufweist; – eine Heizeinrichtung (18), die mit dem Kühlmittelauslass (16) verbunden und eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser aufzuheizen; – eine Sprüheinrichtung (20), die mit der Heizeinrichtung (18) verbunden und eingerichtet ist, das aufgeheizte verunreinigte Wasser in den Verdunstungsbehälter (6) einzusprühen; – eine regelbare Luftfördereinrichtung (22), die eingerichtet ist, Prozessluft dem Verdunstungsbehälter (6) zuzuführen; und – eine regelbare Luftleitung (26), die eingerichtet ist, Prozessluft im oberen Bereich, bevorzugt an der Oberseite des Verdunstungsbehälters (6) abzuführen und dem oberen Bereich, bevorzugt der Oberseite des Kondensationsbehälters (2) zuzuführen, um einen Teil der Luftmenge, bevorzugt etwa 8–10%, zwingend durch den Sprühstrahl der Sprüheinrichtung (20) zu führen; wobei die Durchlässigkeit der Trenneinrichtung (10) an verschiedenen Positionen in der Trenneinrichtung (10) unabhängig von im Wesentlichen geschlossen bis im Wesentlichen vollständig geöffnet steuerbar ist, so dass die Luftströmung innerhalb von Verdunstungsbehälter (6) und Kondensationsbehälter (2) dadurch gezielt so beeinflusst werden kann, dass die Luftströmung im Wesentlichen turbulent ist; und wobei die Trenneinrichtung (10) eine Jalousie mit mehreren horizontal verlaufenden Lamellen (24) ist, wobei bevorzugt jede Lamelle (24) einzeln steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftfördereinrichtung (22) ein Ventilator ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessluftabfluss des Kondensationsbehälters (2) mit dem Prozessluftzufluss des Verdunstungsbehälters (6) verbunden ist, wobei bevorzugt ein geschlossener Luftkreislauf entsteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessluftabfluss und der Prozessluftzufluss jeweils im unteren Bereich, bevorzugt an der Unterseite des Kondensationsbehälters (2) beziehungsweise des Verdunstungsbehälters (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Heizeinrichtung (18) einen Solarkollektor (28) umfasst, der eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser direkt oder über einen Wärmetauscher (30) aufzuheizen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: – einen Kühler (32), der zwischen den Restwasserabfluss (8) und den Kondensator (12) geschaltet und eingerichtet ist, das Restwasser abzukühlen und dem Kondensator (12) zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: – einen Wärmespeicher, der eingerichtet ist, Wärmeenergie zu speichern und bedarfsweise der Heizeinrichtung (18) zuzuführen.