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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gefrierentsalzung eines Salzwassers, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gefrierentsalzung des Salzwassers bereitgestellt wird.
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Von großer aktueller und zukünftiger Bedeutung ist der Zugang zu sauberen Süßwasser. Hierbei besteht das Problem, dass nur ein äußerst geringer Anteil aller verfügbaren Wassermengen der Erde Süßwasser sind. Zudem ist ein großer Anteil des zur Verfügung stehenden Süßwassers nicht zugänglich und daher nicht verwertbar oder nutzbar. Salzwasser ist hingegen, größtenteils in den Ozeanen, in ausreichend großen Mengen vorhanden. Es ist daher erstrebenswert effiziente Verfahren zur Entsalzung von Salzwasser bereitzustellen.
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Zur Entsalzung von Salzwasser gibt es eine Mehrzahl bekannter Verfahren, die typischerweise einen hohen Energiebedarf aufweisen, sodass es von besonderer Bedeutung ist, die energetische Effizienz der bekannten Verfahren zu verbessern. Die am häufigsten angewandten Verfahren sind Umkehrosmose, Membrandestillation und Verfahren mittels einer mehrstufigen Entspannungsverdampfung. Weitere nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren verwenden eine Elektrodialyse oder ein Gefrierverfahren, bei dem das Salzwasser gefroren und somit der Salzgehalt im gefrorenen Anteil reduziert wird.
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Beim Gefrierverfahren wird typischerweise ein Kühlmittel in indirektem thermischen Kontakt mit dem Salzwasser gebracht. Hierbei wird das Salzwasser über seinen Gefrierpunkt abgekühlt, sodass es zur Bildung von salzärmeren oder salzfreien Eiskristallen (Eis) kommt. Das so gebildete Eis wird dann vom restlichen bezüglich seiner Salzkonzentration aufkonzentrierten Salzwasser (Sol) abgetrennt. Entsprechend kann die Salzkonzentration der Eiskristalle beziehungsweise des Eises und somit die Salzkonzentration des aus dem Eis resultierenden Frischwassers (Produktwasser/Süßwasser) reduziert werden.
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Ein Nachteil der nach dem Stand der Technik bekannten Gefrierverfahren ist, dass diese, im Vergleich zu den anderen genannten Verfahren, einen hohen Bedarf an Energie sowie an Süßwasser aufweisen. Das Süßwasser ist deshalb erforderlich, da das mittels des Gefrierverfahrens gebildete Eis mittels des Süßwassers vom Salzwasser abgetrennt und gereinigt werden muss.
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Typischerweise werden zur Gefrierentsalzung von Salzwasser Wärmeübertrager verwendet, die Spiralen, Platten oder Rohrschlangen zur Kühlung beziehungsweise Wärmeübertragung aufweisen. Die Spiralen, Platten oder Rohrschlangen werden hierbei von einem Kühlmittel durchströmt. Das Salzwasser, welches die Spiralen, Platten oder Rohrschlangen umströmt, wird durch den indirekten thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel wenigstens teilweise gefroren. Dadurch setzt sich Eis auf eine Oberfläche der genannten Elemente ab. Typischerweise weist das sich zuerst absetzende Eis noch einen zu hohen Salzgehalt auf, sodass es von Vorteil ist, dieses vorerst zu verwerfen. Hierzu wird das sich zuerst absetzende und somit innenliegende Eis durch ein Aufwärmen der Elemente zum Schmelzen gebracht und abgeführt. Dieses Verfahren wird als Schwitzverfahren (engl. sweating) bezeichnet. Das abgeführt geschmolzen Eis wird als Schwitzwasser (engl. sweating water) bezeichnet. Das später, das heißt weiter ausliegende geschmolzene Eis weist einen geringeren Salzgehalt auf und kann zur Bereitstellung von Frischwasser verwendet werden.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die bekannten Ausgestaltungen der Wärmeübertrager kein vollständiges Abfließen des Schwitzwassers ermöglichen. Zudem kann Eis, welches zur Bereitstellung von Frischwasser geeignet oder vorgesehen ist, durch das Schwitzwasser abrutschen und mit ausgetragen werden. Insgesamt wird dadurch die Effizienz der nach dem Stand der Technik bekannten Gefrierentsalzungen limitiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die energetische Effizienz einer Gefrierentsalzung eines Salzwassers zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 7 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Gefrierentsalzung eines Salzwassers, insbesondere von Meerwasser, umfasst einen Wärmeübertrager mit wenigstens zwei Wärmeübertragerplatten, die einen zwischen ihnen angeordneten Zwischenraum begrenzen, wobei der Zwischenraum vom Salzwasser durchströmbar ist. Erfindungsgemäß weist wenigstens eine der Wärmeübertragerplatten eine Mehrzahl von Vertiefungen auf, die sich in den vom Salzwasser durchströmbaren Zwischenraum erstrecken.
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Das mittels der Vorrichtung wenigstens teilweise entsalzte Salzwasser wird als Frischwasser, Produktwasser oder Süßwasser bezeichnet und kann als Trinkwasser und/oder zu dessen Herstellung verwendet werden. Sollte der Salzgehalt (Salinität) im Frischwasser für seine vorgesehene Verwendung, beispielsweise als Trinkwasser, zu hoch sein, so kann eine weitere Entsalzung, beispielsweise mittels einer Umkehrosmose, insbesondere durch eine Rückführung des Salzwassers in die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einer weiteren Entsalzung, vorgesehen sein.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Vertiefungen der wenigstens einen Wärmeübertragerplatte, die sich in den vom Salzwasser durchströmbaren Zwischenraum erstrecken, wird eine vorteilhafte Strukturierung der Oberfläche beziehungsweise eine vorteilhafte Topologie der Oberfläche der Wärmeübertragerplatte bereitgestellt. Das ist deshalb der Fall, da sich Eiskristalle, die beim wenigstens teilweisen Gefrieren des Salzwassers, welches den Zwischenraum durchströmt, entstehen, sich an der strukturierten Oberfläche der Wärmeübertragerplatte als Eis besonders effizient absetzen. Als Strukturierung der Oberfläche wird die Ausgestaltung der Wärmeübertragerplatte oder ihrer Oberfläche mittels der Vertiefungen verstanden.
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Weiterhin ermöglichen die erfindungsgemäß vorgesehenen Vertiefungen zum einen eine Vergrößerung der Oberfläche zwischen dem den Zwischenraum durchströmenden Salzwasser und der Wärmeübertragerplatte. Dadurch wird vorteilhafterweise die Effizienz der Gefrierentsalzung des Salzwassers verbessert, da durch die vergrößerte Oberfläche, welche durch die Vertiefungen ausgebildet wird, die thermische Kontaktfläche zum Salzwasser vergrößert wird.
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Zum anderen ermöglichen die Vertiefungen ein vorteilhaftes Halten oder Anhaften des gebildeten Eises an der Wärmeübertragerplatte beziehungsweise an ihrer dem Salzwasser zugewandten Oberfläche. Das ist deshalb von Vorteil, da Eis, welches zur Bereitstellung von Frischwasser vorgesehen ist, nicht oder wesentlich schwerer durch ein Schwitzwasser eines Schwitzverfahrens mit ausgetragen wird.
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Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung die Effizienz des Schwitzverfahrens und somit die energetische Effizienz der Gefrierentsalzung des Salzwassers verbessert.
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Weiterhin ist es besonders bevorzugt als Salzwasser Meerwasser zu verwenden. Das wenigstens teilweise entsalzte Salzwasser wird als Frischwasser bezeichnet und kann beispielsweise zur Herstellung von Trinkwasser und/oder direkt als Trinkwasser verwendet werden. Sollte der Salzgehalt im Frischwasser für die Verwendung als Trinkwasser zu hoch sein, so kann eine weitere Entsalzung, insbesondere eine Rückführung des Salzwassers in die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einer weiteren Entsalzung, vorgesehen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Vertiefungen zueinander einen konstanten Abstand auf.
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Vorteilhafterweise wird dadurch eine periodische oder regelmäßige Strukturierung der wenigstens einen Wärmeübertragerplatte ermöglicht. Durch die genannte periodische oder regelmäßige Strukturierung wird vorteilhafterweise eine annähernd gleichmäßige Wärmeübertragung, insbesondere Kühlung, zwischen der Wärmeübertragerplatte und dem Salzwasser ermöglicht. Dadurch wird vorteilhafterweise die energetische Effizienz der Vorrichtung für die Gefrierentsalzung des Salzwassers verbessert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen beide Wärmeübertragerplatten eine Mehrzahl von Vertiefungen auf, die sich in den vom Salzwasser durchströmbaren Zwischenraum erstrecken, wobei die Vertiefung der einen Wärmeübertragerplatte zu den Vertiefungen der anderen Wärmeübertragerplatte versetzt angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise wird dadurch eine besonders effiziente Kühlung des Salzwassers ermöglicht. Weiterhin wird das Schwitzverfahren verbessert, da das Eis, welches sich an den Oberflächen der Wärmeübertragerplatten, die dem Zwischenraum zugewandt sind, ausbildet, besseren Halt an diesen findet. Zugleich wird das Abfließen des Schwitzwassers verbessert sowie das Austragen des für die Bereitstellung von Frischwasser vorgesehenen Eises verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmeübertragerplatten parallel zueinander angeordnet.
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Vorteilhafterweise wird durch die parallele Anordnung der Wärmeübertragerplatten eine über die Oberfläche der Wärmeübertragerplatten homogene und isotrope Verteilung des gebildeten Eises ermöglicht. Dadurch wird vorteilhafterweise die energetische Effizienz der Vorrichtung verbessert.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine der Wärmeübertragerplatten eine Längsachse auf, die in geodätisch vertikaler Richtung ausgerichtet ist.
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Mit anderen Worten ist die Längsachse der wenigstens einen Wärmeübertragerplatte parallel zum Ort der Wärmeübertragerplatte vorherrschenden Schwerkraft ausgerichtet. Dadurch weist das Salzwasser, welches nun den Zwischenraum von oben nach unten durchströmt, eine möglichst große Kontaktfläche zur Wärmeübertragerplatte auf. Zudem wird die Durchströmung mittels der Schwerkraft bewirkt, sodass Pumpen, die für die Durchströmung des Zwischenraumes erforderlich sind, reduziert werden können oder nicht erforderlich sind. Dadurch wird eine verbesserte und energetisch effizientere Gefrierentsalzung des Salzwassers ermöglicht.
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Die relativen Begriffe oben und unten beziehen sich auf ihre relative geodätische Lage, das heißt auf die am Ort der Vorrichtung vorherrschende Schwerkraft.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine wasserdichte Absperrplatte, die verschiebbar und/oder aufklappbar ausgebildet ist, wobei die Absperrplatte am geodätisch unteren Ende der Wärmeübertragerplatten angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise wird durch die Absperrplatte ein verfrühtes Austragen des gebildeten Eises verhindert. Weiterhin ermöglicht es die Absperrplatte das gebildete Eis zu einem bestimmten Zeitpunkt aus dem Zwischenraum abzuführen. Hierbei ist es besonders bevorzugt die Absperrplatte schräg anzuordnen, das heißt die Absperrplatte ist als schiefe Ebene ausgebildet. Durch das Verschieben oder Aufklappen der Absperrplatte kann dann das wenigstens teilweise abgeschmolzene Eis aus dem Zwischenraum ausgeleitet werden.
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Erfolgt vor dem Ausleiten des abgeschmolzenen und für die Bereitstellung von Frischwasser vorgesehenen Eises ein Schwitzverfahren, so kann durch die geschlossene Absperrplatte das Schwitzwasser mittels eines Auslasses abgeführt werden, ohne dass das für die Bereitstellung von Frischwasser vorgesehene Eis mit ausgetragen wird. Die Absperrplatte verhindert somit, dass dieses Eis abrutscht. Sobald das Schwitzverfahren abgeschlossen ist, wird der Auslass geschlossen und die Absperrplatte kann, beispielsweise durch ihr Aufklappen, geöffnet werden. Dadurch rutscht das für die Bereitstellung von Frischwasser vorgesehen Eis aufgrund der Schwerkraft nach unten und kann mittels der Absperrplatte, die beispielsweise als schiefe Ebene ausgebildet ist, aus der Vorrichtung entnommen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gefrierentsalzung eines Salzwassers umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen beziehungsweise Weiterbildungen;
- – Durchströmen des Zwischenraumes mit dem Salzwasser; und
- – Kühlung der Wärmeübertragerplatten, sodass sich an den dem Zwischenraum zugewandten Oberflächen der Wärmeübertragerplatten Eis durch ein wenigstens teilweises gefrieren des Salzwasser ausbildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik eine effizientere Gefrierentsalzung des Salzwassers, da insbesondere durch die Ausgestaltung der verwendeten erfindungsgemäßen Vorrichtung ein verbessertes Schwitzverfahren ermöglicht wird.
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Es ergeben sich zur bereits genannten erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Besonders bevorzugt ist es das restliche nicht gefrorene Salzwasser aus dem Zwischenraum wenigstens teilweise zu entfernen.
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Dadurch wird vorteilhafterweise der Salzgehalt des Frischwassers verbessert.
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Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, das gebildete Eis erst nach dem Entfernen des restlichen Salzwassers wenigstens teilweise zu schmelzen oder vom Wärmeübertrager zu entfernen.
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Dadurch wird vorteilhafterweise der Salzgehalt im Frischwasser weiter verbessert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
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1 eine schematische und exemplarische Draufsicht eines Abschnittes zweier zueinander parallel angeordneter Wärmeübertragerplatten; und
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2 eine schematische und exemplarische seitliche Ansicht einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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In 1 ist eine Draufsicht beziehungsweise ein Schnitt eines ersten Abschnittes einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst einen Wärmeübertrager 2, der wenigsten zwei Wärmeübertragerplatten 4 aufweist, die sich parallel zueinander erstrecken. Entlang der Oberfläche der Wärmeübertragerplatten 4 sind eine Mehrzahl von Vertiefungen 42 angeordnet. Mit anderen Worten weisen die Wärmeübertragerplatten 4 eine Mehrzahl von Vertiefungen 42 auf. Hierbei erstrecken sich die Vertiefungen 42 in einen Zwischenraum 6, der durch Oberflächen 111 der Wärmeübertragerplatten 4 begrenzt ist. Mit anderen Worten liegt der Zwischenraum 6 zwischen den Wärmeübertragerplatten 4. Weiterhin wird der Zwischenraum 6 durch die genannten Vertiefungen 42 strukturiert, da diese sich in den Zwischenraum 6 erstrecken. Dadurch ergibt sich in der dargestellten Draufsicht eine Art schlangenartige Form des Zwischenraumes 6.
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Zur Entsalzung eines Salzwassers, insbesondere von Meerwasser, wird der Zwischenraum 6 wenigstens teilweise mit Salzwasser 10 befüllt. Werden die Wärmeübertragerplatten 4 mittels einer nicht dargestellten Kühlvorrichtung ausreichend gekühlt, so setzt sich an den dem Zwischenraum 6 zugewandten Oberflächen 111 der Wärmeübertragerplatten 4 Eis ab. Das gebildete Eis 8 weist im Vergleich zum Salzwasser 10 einen geringeren Salzgehalt (Salinität) auf. Das restliche nicht gefrorene Salzwasser verbleibt annähernd in der Mitte des Zwischenraumes 6.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Strukturierung der Oberfläche 111 der Wärmeübertragerplatten 4, das heißt durch die Ausbildung der Vertiefungen 42, wird eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen den Wärmeübertragerplatten 4 und dem Salzwasser sowie dem gebildeten Eis 8 ermöglicht. Zudem weist das gebildete Eis durch die Vertiefungen 42 einen größeren mechanischen Halt zu den Wärmeübertragerplatten 4 auf. Insbesondere beim Schwitzverfahren wird das gebildete Eis, welches für die Bereitstellung des Frischwassers vorgesehen ist, nicht mit dem Schwitzwasser des Schwitzverfahrens ausgetragen. Das ist deshalb der Fall, da die Vertiefungen 42 sich in den Zwischenraum 6 erstrecken und somit einen besonders vorteilhaften mechanischen Halt ermöglichen.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchströmt das Salzwasser 10 im Kontakt mit den Wärmeübertragerplatten 4 den Zwischenraum 6 von der oberen Ebene zur unteren Ebene des Blattes. Mit anderen Worten ist eine Draufsicht dargestellt, bei der die am Ort der Vorrichtung 1 vorherrschende Schwerkraft senkrecht zur Ebene des Blattes verläuft.
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2 zeigt eine schematische und exemplarische seitliche Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Wie bereits in 1 umfasst die Vorrichtung 1 einen Wärmeübertrager 2, der eine Mehrzahl von Wärmeübertragerplatten 4 mit einer Mehrzahl von Vertiefungen 42 (siehe 1) aufweist. Die Wärmeübertragerplatten 4 in 2 sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Schwerkraft ist mit dem Pfeil 104 symbolisiert.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Absperrplatte 12, die am unteren Ende der Wärmeübertragerplatten 4 angeordnet ist. Die Absperrplatte 12 ist bewegbar und/oder ausklappbar an den Wärmeübertragerplatten 4 angeordnet. Hierbei ist die Bewegbarkeit der Absperrplatte 12 durch den zweiten Pfeil 102 gekennzeichnet. Die Ausklappbarkeit der Absperrplatte 12 ist durch den Winkel 103 gekennzeichnet. An einem Ende der Absperrplatte 12 ist ein Auslass, der durch den ersten Pfeil 101 symbolisiert ist, angeordnet.
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Das für die Gefrierentsalzung vorgesehene Salzwasser durchströmt die dargestellten Wärmeübertragerplatten 4 von oben nach unten. Hierbei verhindert die Absperrplatte 12 zunächst ein Auslaufen des Salzwassers, so dass sich innerhalb der Zwischenräume und an den strukturierten Oberflächen der Wärmeübertragerplatten 4 Eis ausbildet. Bevor das gebildete Eis zu Frischwasser gewandelt wird, ist ein Schwitzverfahren vorgesehen, das heißt, dass zunächst ein gewisser Anteil des gebildeten Eises, der den Wärmeübertragerplatten 4 am nächsten kommt, wenigstens teilweise abgeschmolzen und mittels des Auslasses aus den Zwischenräumen 6 der Wärmeübertragerplatten 4 ausgeleitet wird. Dadurch wird vorteilhafterweise der Salzgehalt des Frischwassers verbessert. Anschließend kann restliches innerhalb der Zwischenräume 6 zwischen den Wärmeübertragerplatten 4 zurückbleibendes Salzwasser mittels des Auslasses (gekennzeichnet durch den Pfeil 101) aus den Zwischenräumen 6 ausgeleitet werden.
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Zur Entnahme des an den Oberflächen der Wärmeübertragerplatten 4 gebildeten Eises wird die Absperrplatte 12 entlang des Winkels 103 aufgeklappt. Der Auslass wird hierbei geschlossen, sodass das gebildete Eis nach unten und dann entlang der schiefen Absperrplatte 12 abrutschen kann. Weiterhin kann auch durch eine Bewegung der Absperrplatte 12 – symbolisiert durch den zweiten Pfeil 102 – das Ausrutschen des Eises, das heißt die Entnahme des Eises, ermöglicht werden.
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Mittels des gebildeten Eises, welches wiederum geschmolzen werden kann, wird das Frischwasser bereitgestellt. Dieses kann weiter zu Trinkwasser aufbereitet werden. Insbesondere können weitere Verfahren zur Entsalzung und/oder Reinigung vorgesehen sein.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
