DE102021107393B3

DE102021107393B3 - Meerwasseraufbereitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021107393B3
Application number: DE102021107393.6A
Authority: DE
Inventors: Ramin Assisi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2041-03-25
Also published as: WO2022199756A1

Abstract

Die Meerwasseraufbereitungsvorrichtung enthält ein horizontal angeordnetes Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß (12), bestehend aus einem quaderförmigen ersten Bereich (2) zum Erwärmen und einem quaderförmigen zweiten Bereich (3) zum Verdunsten von Salzwasser. Der erste Bereich (2) weist eine erste Abdeckung (2.1), bestehend aus einem Metall oder einer Metalllegierung, eine ersten Höhe hi und zwei Zuführöffnungen (7) auf. Der zweite Bereich (3) weist eine zweite Abdeckung (3.1), eine zweite Höhe h2, die größer als die erste Höhe h1ist, und oberhalb der ersten Höhe hi wenigstens eine Lufteintrittsöffnung (6), wenigstens eine Ablauföffnung (4) und wenigstens eine Abführöffnung (9) auf. Der Ablaufkanal (5) ist mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß (12) thermisch gekoppelt und unterhalb des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes (12) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meerwasseraufbereitungsvorrichtung, mit der Meerwasser verdunstet und wieder kondensiert wird und ein dadurch gebildetes Kondensat als Nutz- oder Trinkwasser gewonnen werden kann, gattungsgemäß bekannt aus der WO 2007/054143 A1 .
Die Versorgung der Landwirtschaft mit Süßwasser stellt in immer mehr Teilen der Erde ein größer werdendes Problem dar. Durch den Klimawandel gelangt immer weniger Wasser in Form von Schnee und Eis auf die Berge, so dass der Anteil an Oberflächenwasser kontinuierlich sinkt. Es gilt als anerkannt, dass in Zukunft dieses Problem nur durch die Nutzung des Meerwassers nachhaltig gelöst werden kann. Der hierfür erforderliche Energieaufwand ist sehr hoch, sodass die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen durch viele Länder aus Kostengründen nicht nachhaltig genutzt werden können.
Ein großer Teil der bekannten Vorrichtungen nutzt für die Erwärmung des Meerwassers Solarenergie, die entweder über Solarpanels in elektrische Energie gewandelt wird, um damit eine elektrische Heizung zu betreiben, oder das Meerwasser unmittelbar erwärmt. Bei direkter Erwärmung mit Solarenergie ist die Größe der Wasseroberfläche, über die die Solarenergie in das Wasser eingetragen wird, im Verhältnis zum Volumen des zu erwärmenden Wassers für die Effizienz der Vorrichtung bestimmend. Gegenüber Vorrichtungen mit einer elektrischen Beheizung des Wassers, bei denen dieses Verhältnis eine untergeordnete Rolle für die Effizienz der Vorrichtung spielt, wird man also andere Maßnahmen treffen müssen, um eine Effizienzsteigerung zu erreichen.
Als Stand der Technik werden daher hier nur solche Vorrichtungen von einem Fachmann betrachtet werden, bei denen durch den Eintrag von Solarenergie unmittelbar oder mittelbar Wasser erwärmt wird.
Aus der Offenlegungsschrift CN 101 955 239 A ist eine Wasserentsalzungsanlage bekannt, die einen ins Erdreich eingelassenen geschlossenen Kondensationsbehälter und einen geschlossenen Verdampfungsbehälter (Verdunstungskammer) aufweist, der über dem Kondensationsbehälter angeordnet ist. Der Verdampfungsbehälter besteht aus thermoisolierendem Glas und ist der Sonnenstrahlung ausgesetzt, wobei sein Boden und die der Sonne zugewandte Wand mit einer das Sonnenlicht absorbierenden Beschichtung versehen sind. Das sich mit einem geringen Füllstand im Verdampfungsbehälter befindende Salzwasser bildet Wasserdampf, der über ein Verbindungsrohr in den Kondensationsbehälter geleitet wird. Im Kondensationsbehälter befindet sich ein Wärmetauscher, der mit zum Verdampfungsbehälter fließendem kalten Salzwasser gekühlt wird. Am Wärmetauscher kondensiert der Wasserdampf und tropft in den Kondensationsbehälter ab. Wie der Wasserkreislauf vom Salz- zum Kondenswasser aufrechterhalten wird und ob Maßnahmen zur erforderlichen Reinigung der Anlage von Salz bzw. aufkonzentriertem Salzwasser vorgesehen sind, ist hier nicht offenbart. Weiterhin werden keine Maßnahmen erwähnt, die zur Aufrechterhaltung eines möglichst hohen Temperaturgradienten und damit zur Erreichung einer hohen Effektivität der Anlage dienlich sind. Ein weiteres Problem stellt die Erwärmung des Kondensationsbehälters aufgrund der schlechten Wärmeleitung im Boden dar.
Eine in der DE 10 2006 018 127 A1 offenbarte Meerwasseraufbereitungsvorrichtung enthält einen Sonnenkollektor, einen plattenförmigen Verdampfer und einen Kondensator. Dabei befindet sich zwischen dem der Sonne zugewandten plattenförmigen Verdampfer und dem zu verdampfenden Wasser ein Zwischenraum, der mit Luft gefüllt ist.
Eine von der DE 10 2009 030 770 A1 beschriebene Meerwasseraufbereitungsvorrichtung weist eine Membran in einem Behälter zur Unterteilung des Behälters in zwei Kammern auf. In der ersten Kammer befindet sich Salzwasser und in der zweiten Kammer befindet sich bereits gereinigtes Wasser. Bei einer Erwärmung der ersten Kammer durch Sonnenlicht wird Salzwasser verdunstet und es entsteht Wasserdampf. Die erste Kammer wird dabei aufgrund der Ausrichtung des Behälters zur Sonne stärker erwärmt als die zweite Kammer. Durch eine sich ausbildende Druckdifferenz zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer gelangt der entstehende Wasserkampf durch die Membran in die zweite Kammer und kondensiert dort. Die beschriebene Meerwasseraufbereitungsvorrichtung ist einfach aufgebaut und verzichtet gänzlich auf Pumpen und Energieversorgung. Eine aus der vorgenannten WO 2007/054143 A1 bekannte Wasseraufbereitungsvorrichtung mit hohem Ertrag und geringen Bau- und Betriebskosten besteht aus einem flächigen und thermisch isolierten Verdampfungsbehälter geringer Höhe, in dem sich eine flache Schicht Salzwasser befindet. Die Verdampfungskammer weist eine nur geringe Bauhöhe auf und ist durch eine für Sonnenstrahlung transparente Abdeckung verschlossen. Der Abstand zwischen dem Boden des Verdampfungsbehälters und der Abdeckung beträgt höchstens 10 cm, womit ein großes Verhältnis der Fläche der Abdeckung zu dem Volumen des Verdampfungsbehälters erzielt wird. Die Verdampfungskammer ist aus Metall, wobei bevorzugt die der Abdeckplatte gegenüberliegende Innenseite eine lichtabsorbierende Schicht aufweist. Damit wird ein großer Anteil der Sonnenenergie, der nicht durch Wärmestrahlung direkt von der Salzwasserschicht aufgenommen wird, durch Konvektion bzw. Wärmeleitung von der sich mit einem Luftabstand darunter befindenden Salzwasserschicht aufgenommen. Der dabei entstehende Wasserdampf wird über Auslassöffnungen einem Abführkanal zur Kondensation zugeführt. Zum Kühlen des Abführkanals wird Salzwasser im Gegenstrom zum Wasserdampf in einer den Abführkanal umgebenden äußeren Rohrleitung geleitet. Das sich dabei bildende Kondenswasser wird in einem mit dem Abführkanal verbundenen Speicherbehälter aufgenommen. In dem Zuführkanal des Salzwassers zum Verdampfungsbehälter kann ein zusätzlicher Vorwärmbehälter (Erwärmungskammer) angeordnet sein, in dem das Salzwasser bereits vorgewärmt wird. Er ist in der gleichen Weise aufgebaut wie der Verdampfungsbehälter. Der Vorwärm- und/oder der Verdampfungsbehälter kann zudem mit einer Heizvorrichtung ausgestattet sein, welcher durch eine externe Solaranlage eine auf bis zu 180°C erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit zugeführt wird, um die Effizienz des Verdampfungsprozesses zu erhöhen.
Allen vorgenannten Wasserentsalzungsanlagen ist gemeinsam, dass sie einen Verdampfungsbehälter aufweisen, der durch eine für Sonnenstrahlung transparente Abdeckung verschlossen ist. In dem Verdampfungsbehälter wird das zu erwärmende Salzwasser durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung insbesondere des durch die Wärmestrahlung erwärmten Bodens der Verdunstungskammer erwärmt, wobei eine sich über dem Wasser befindende Luftschicht zunehmend mit Wasserdampf angereichert wird. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass diese Anlagen bei der Entsalzung großer Mengen Meerwasser in kurzer Zeit sehr große Flächen mit Glas, bevorzugt Thermoglas, aufweisen müssen. Große Flächen von Thermoglas sind teuer. Darüber hinaus ist zum einen die Transparenz der Glasflächen und damit die in den Verdampfungsbehälter eingetragene Wärmestrahlung stark abhängig von deren Verschmutzungsgrad und zum anderen ist im Falle von Vandalismus oder anderen mechanischen Einwirkungen besonders Glas zerstörungsgefährdet. Es bedarf daher neben hohen Investitionskosten für die Glasflächen wiederkehrender Wartungsarbeiten zur Freihaltung der Glasflächen und besonderer sicherheitstechnischer Maßnahmen, um eine Zerstörung der Glasflächen, zumindest durch Vandalismus, auszuschließen.
Eine gattungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung ist aus der DE 10 2019 125 622 A1 bekannt. Die hier offenbarte Meerwasseraufbereitungsvorrichtung ist insofern ineffizient, als dass ein vorhandener Zuführkanal für Salzwasser und ein vorhandener Abführkanal zur Abführung von mit Wasserdampf beladener Luft nicht thermisch miteinander gekoppelt sind, wodurch sich nur langsam Kondensat im Abführkanal bildet.
Die Effizienz bekannter Wasserentsalzungsanlagen wird in den meisten Vorrichtungen dadurch gesteigert, dass das zugeführte kalte Salzwasser dazu genutzt wird, die Abführkanäle zu kühlen und damit den Kondensationsprozess effizienter zu gestalten. Die in dem Salzwasser nach der Erwärmung gespeicherte Wärme wird hingegen üblicherweise nicht genutzt. Dadurch weisen bekannte Wasserentsalzungsanlagen einen hohen Energieverbrauch auf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zu schaffen, die eine einfache Bauweise aufweist, vergleichsweise kostengünstig sowie wartungs- und betreuungsarm ist und eine möglichst hohe Effizienz, einen niedrigen Energieverbrauch sowie einen vergleichsweise hohen Ertrag an Süß-/Frischwasser aufweist.
Die Aufgabe wird für eine Meerwasseraufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Sie besteht aus wenigstens einer Pumpe, einer Erwärmungskammer mit einer ersten Abdeckung, einer Verdunstungskammer, in der Luft mit Wasserdampf beladen wird, mit einer zweiten Abdeckung und mindestens einer Ablauföffnung, die mit einem Ablaufkanal verbunden ist, sowie mindestens einer Lufteintrittsöffnung, einem über eine Zuführöffnung oder über zwei Zuführöffnungen mit der Erwärmungskammer verbundenen einzügigen oder zweizügigen Zuführkanal zur Zuführung des Salzwassers, in dem die wenigstens eine Pumpe angeordnet ist, und entweder einem über eine Abführöffnung mit der Verdunstungskammer verbundenen Abführkanal oder zwei Abführkanälen, die über jeweils eine Abführöffnung mit der Verdunstungskammer verbunden sind und in die mit Wasserdampf beladene Luft eingeleitet wird, wobei der eine Abführkanal oder die zwei Abführkanäle und der Zuführkanal thermisch miteinander gekoppelt sind, sodass der Wasserdampf an wenigstens einer Wand des einen Abführkanals oder der zwei Abführkanäle kondensiert und Kondensat gebildet wird.
Es ist erfindungswesentlich, dass die Erwärmungskammer einen quaderförmigen ersten Bereich mit einer ersten Höhe hi und die Verdunstungskammer einen quaderförmigen zweiten Bereich mit einer zweiten Höhe h₂ eines Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes bilden, das horizontal angeordnet ist.
Dabei befindet sich die mindestens eine Ablauföffnung in einer dritten Höhe h₃ oberhalb der ersten Höhe h₁, wodurch ein sich einstellender Salzwasserspiegel in dem ersten Bereich gleich der ersten Höhe hi ist, sodass das Salzwasser unmittelbar an die erste Abdeckung angrenzt und durch die Sonnenenergie eingetragene Wärme von der ersten Abdeckung durch Konvektion an das Salzwasser abgegeben wird.
Die erste Abdeckung besteht aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung und der Ablaufkanal ist mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß thermisch gekoppelt und unterhalb des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes angeordnet.
Vorteilhaft ist die Ablauföffnung eine Überlaufkante, die insbesondere über die gesamte Breite des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausführung der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung sind die eine Abführöffnung oder die zwei Abführöffnungen an einem Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes angeordnet und die eine Zuführöffnung oder die zwei Zuführöffnungen am entgegengesetzten Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes angeordnet. Dadurch werden der Zuführkanal, gegebenenfalls dessen zwei Kanalzweige, und der eine Abführkanal oder die beiden Abführkanäle in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Für eine optimale Flächennutzung durch die Meerwasseraufbereitungsvorrichtung verlaufen der Zuführkanal und der eine Abführkanal oder die zwei Abführkanäle über mindestens eine Länge L des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes parallel zu dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß.
Vorteilhaft besteht auch die zweite Abdeckung aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung.
Zur Vergrößerung der Kontaktfläche der ersten Abdeckung und der zweiten Abdeckung mit dem Salzwasser sind vorteilhaft an der ersten Abdeckung und/oder an der zweiten Abdeckung Wärmeleitelemente vorhanden, die in das Innere des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes ragen.
Alternativ oder zusätzlich können die erste Abdeckung und/oder die zweite Abdeckung eine wellige Querschnittsform aufweisen, damit unabhängig vom Sonnenstand immer ein Teil des einfallenden Sonnenlichts senkrecht auf die erste Abdeckung und/oder die zweite Abdeckung trifft.
Es ist bautechnisch und wärmetechnisch günstig, dass der Zuführkanal oberhalb oder unterhalb des einen Abführkanals oder der zwei Abführkanäle horizontal angeordnet ist.
Wärmetechnisch vorteilhaft ist das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß gegenüber dem Zuführkanal und dem einen Abführkanal oder den zwei Abführkanälen thermisch isoliert.
Die Meerwasseraufbereitungsvorrichtung enthält in einer bevorzugten Ausführung Messgeräte innerhalb der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zum Messen der Temperatur der Luft und/oder der Temperatur und/oder des Salzgehaltes des Salzwassers und/oder Messgeräte außerhalb der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zum Messen der Umgebungstemperatur und/oder des Sonneneinfallswinkels.
Vorteilhaft ist dann auch eine Steuer- und Recheneinheit vorhanden ist, die mit der Pumpe und den Messgeräten verbunden ist und dazu ausgelegt ist, auf Grundlage der gemessenen Temperaturen und/oder der Salzgehalte und/oder dem Sonneneinfallswinkel und/oder von meteorologischen Daten einen Salzwasserzufluss zu berechnen und die Pumpe entsprechend zu steuern.
Um die Vielzahl der gewinnbaren Messwerte optimal zu nutzen, kann in der Rechen- und Steuereinheit ein neuronales Netzwerk implementiert sein.
Für einen montagefreundlichen Aufbau der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung an einem Bestimmungsort ist sie insbesondere als ein Modul aufgebaut ist, wobei mehrere Module miteinander zu einer Meerwasseraufbereitungsanlage verbunden werden können.
Die Erfindung soll nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. Hierzu zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine vorteilhafte Ausführung einer Meerwasseraufbereitungsvorrichtung,
2 ein Schnittbild der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung gemäß 1,
3 eine Seitenansicht der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung gemäß 1,
4 eine Ansicht der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung gemäß 1 von unten,
5a-5c verschiedene Ausführungsformen der ersten Abdeckung und
6 eine weitere Ausführung der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung.

Die in 1 schematisch dargestellte Meerwasseraufbereitungsvorrichtung enthält alle erfindungswesentlichen Merkmale. Hierzu gehören eine Pumpe 1, ein Zuführkanal 8 für Salzwasser, der hier zweizügig ist, ein Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12, ein Ablaufkanal 5 für überschüssiges Salzwasser und zwei Abführkanäle 10 für mit Wasserdampf beladene Luft. Das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 ist horizontal angeordnet und besteht aus einem quaderförmigen ersten Bereich 2 und einem quaderförmigen zweiten Bereich 3.
Der erste Bereich 2 weist eine erste Abdeckung 2.1, die aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung besteht, eine ersten Höhe hi (dargestellt in 2) und zwei Zuführöffnungen 7 auf.
Der zweite Bereich 3 weist eine zweite Abdeckung 3.1, eine zweite Höhe h₂ (dargestellt in 2) und oberhalb der ersten Höhe hi mehrere Lufteintrittsöffnungen 6, eine Ablauföffnung 4 in einer dritten Höhe h₃ und zwei Abführöffnungen 9 auf.
Die Pumpe 1 ist in dem Zuführkanal 8 angeordnet, der sich hinter der Pumpe 1 in zwei Kanalzweige verzweigt, die an den Enden jeweils über die Zuführöffnung 7 mit dem ersten Bereich 2 verbunden sind.
In der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung können auch mehr als eine Pumpe 1 vorhanden sein.
Der Ablaufkanal 5 ist mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 thermisch gekoppelt und über die eine Ablauföffnung 4 mit diesem verbunden. Die zwei Abführöffnungen 9 sind jeweils mit einem der Abführkanäle 10 verbunden.
Anstelle des zweizügigen Zuführkanals 8 ist in einer anderen, nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführung, ein einzügiger Zuführkanal 8 vorhanden, der entsprechend über nur eine Zuführöffnung 7 mit dem ersten Bereich 2 verbunden ist. Bei dieser Ausführung ist dann auch nur ein Abführkanal 10 und entsprechend auch nur eine Abführöffnung 9 vorhanden.
In den Zuführkanal 8 wird mittels der Pumpe 1 Salzwasser eingespeist. Der Begriff Salzwasser steht stellvertretend für Meerwasser, Salzwasser, Brackwasser oder verunreinigtes Wasser. Das eingespeiste Salzwasser fließt durch den Zuführkanal 8 aufgeteilt zu den zwei Zuführöffnungen 7. Dabei wird es durch eine thermische Kopplung des Zuführkanals 8, genauer dessen Kanalzweige, mit den zwei Abführkanälen 10 bereits vor Eintritt in den ersten Bereich 2 erwärmt. Der Zuführkanal 8 und die Abführkanäle 10 sind vorteilhaft gegenüber ihrer Umgebung und/oder gegenüber dem Wärmeeintrag durch Sonnenlicht isoliert.
Es ist nicht erfindungswesentlich, ob die Vorrichtung einen Zuführkanal 8 oder zwei Zuführkanäle 8 aufweist. Es ist ebenso nicht erfindungswesentlich, ob die Vorrichtung einen Abführkanal 10 oder zwei Abführkanäle 10 aufweist.
In dem ersten Bereich 2 wird die durch die Sonnenenergie in die erste Abdeckung 2.1 eingetragene Wärme von der ersten Abdeckung 2.1 auf das Salzwasser übertragen, wodurch das Salzwasser erwärmt wird. Vorteilhaft beträgt die Temperatur des Salzwassers am Übergang von dem ersten Bereich 2 zu dem zweiten Bereich 3 80-90°C.
Es ist erfindungswesentlich, dass die zweite Höhe h₂ größer als die erste Höhe hi ist und sich die Ablauföffnung 4 zwischen der ersten Höhe hi und der zweiten Höhe h₂ in der dritten Höhe h₃ befindet, so dass in dem zweiten Bereich 3 oberhalb eines sich einstellenden Salzwasserspiegels ein Hohlraum verbleibt, in dem Wasserdampf entsteht, der die Luft, die durch die Lufteintrittsöffnungen 6 in den zweiten Bereich 3 eintritt, befeuchtet. Die mit Wasserdampf beladene Luft wird durch die Abführöffnungen 9 in die mit dem zweiten Bereich 3 verbundenen Abführkanäle 10 abgeleitet.
Dadurch, dass sich die Ablauföffnung 4 oberhalb der ersten Höhe hi befindet wird auch gewährleistet, dass der Salzwasserspiegel in dem ersten Bereich 2 gleich der ersten Höhe hi ist. Durch den Kontakt zwischen der ersten Abdeckung 2.1 und dem Salzwasser erfolgt eine Wärmeübertragung von der ersten Abdeckung 2.1 auf das Salzwasser mittels Konvektion, wodurch es in dem ersten Bereich 2 in Fließrichtung zunehmend zu einer Temperaturerhöhung des Salzwassers kommt.
Es ist ebenso erfindungswesentlich, dass die erste Abdeckung 2.1 aus Metall oder aus einer Metalllegierung besteht, vorteilhaft mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 25 W/(m*K), womit die erste Abdeckung 2.1 im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Abdeckung aus Glas nicht-transparent, sondern absorbierend und wärmeleitend ist.
Davon ausgehend, dass das Salzwassers nach dem Durchfließen des ersten Bereiches 2 ausreichend erwärmt ist, ist es im Wesentlichen egal, aus welchem Material die zweite Abdeckung 3.1 besteht. Vorteilhaft kann die zweite Abdeckung 3.1 aus dem gleichen Material wie die erste Abdeckung 2.1 gefertigt sein.
Das Material für die erste Abdeckung 2.1 ist vorteilhaft so ausgewählt, dass es ein möglichst hohes Absorptionsvermögen für die Wärmestrahlung der Sonne und eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit aufweist. Gleichzeitig ist das Material korrosionsbeständig, formstabil und kostengünstig. Die Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Salzwasser ist vorteilhaft durch eine zusätzliche Beschichtung verbessert.
Vorteilhaft wird als Metall Aluminium oder als eine Metalllegierung eine Aluminiumlegierung verwendet.
Damit die erste Abdeckung 2.1 und bevorzugt auch die zweite Abdeckung 3.1 möglichst viel Sonnenenergie absorbieren, sind diese vorteilhaft mit einem schwarzen Anstrich oder einer schwarzen Beschichtung versehen.
Aufgrund der thermischen Kopplung zwischen dem Zuführkanal 8 und den Abführkanälen 10 bildet sich ein Temperaturgradient zwischen Wänden und Innenräumen der Abführkanäle 10 aus. Infolge dessen kondensiert der Wasserdampf an den Wänden der Abführkanäle 10.
Um die Wärmekopplung des Zuführkanals 8 und der Abführkanäle 10 so effizient wie möglich zu gestalten, ist es sinnvoll, den Zuführkanal 8 oberhalb oder unterhalb der Abführkanäle 10 horizontal anzuordnen. Dabei können vorteilhaft der Zuführkanal 8 und der Abführkanal 10 eine gemeinsame Trennwand miteinander teilen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Fläche, über die der Zuführkanal 8 mit den Abführkanälen 10 thermisch gekoppelt ist, maximal ist. Noch vorteilhafter ist das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 gegenüber dem Zuführkanal 8 und gegenüber den Abführkanälen 10 thermisch isoliert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass keine unerwünschte Erwärmung der Wände der Abführkanäle 10 und keine unerwünschte Abkühlung des Salzwassers in dem Zuführkanal 8 stattfindet.
Je nachdem, ob und wo eine Wärmeübertragung an dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 stattfinden soll, weist dessen Material entweder eine möglichst geringe oder eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit auf oder das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 besteht entsprechend der jeweiligen Ausführungsform aus unterschiedlichen Materialien.
In den Abführkanälen 10 stellt sich aufgrund der Kompression der Luft infolge des Abkühlens durch die Kondensation auch ohne weitere Hilfsmittel ein Unterdruck ein, sodass der Fachmann hier je nach Dimensionierung der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung und den gegebenen Parametern entscheidet, ob zusätzliche Hilfsmittel zum Erzeugen eines Unterdrucks notwendig sind. Vorteilhaft wird der an den Abführkanälen 10 anliegende Unterdruck durch zusätzliche Hilfsmittel erzeugt, sodass die mit Wasserdampf beladene Luft aus dem zweiten Bereich 3 abgesaugt wird.
Für die erfindungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung ist es nicht von Belang, ob Speicher zum Sammeln des anfallenden Kondensats vorhanden sind und ob diese mit den Abführkanälen 10 verbunden sind oder wie und wohin das gewonnene Kondensat abgeführt wird. Das Kondensat kann beispielsweise ohne Zwischenspeicherung zum Wässern von Nutzflächen genutzt oder direkt in ein (Trink-) Wassernetz eingespeist werden.
Das überschüssige Salzwasser fließt, wie in 2 dargestellt, durch die Ablauföffnung 4 in einen Ablaufkanal 5. Der Ablaufkanal 5 ist unterhalb des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12 angeordnet und mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 thermisch gekoppelt. Vorteilhaft ist der Ablaufkanal 5 mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 über dessen gesamte Länge L thermisch gekoppelt. Das ist vorteilhaft realisiert, indem das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 einen Boden aufweist, der gleichzeitig eine Deckwand des Ablaufkanals 5 bildet. Durch die thermische Kopplung des Ablaufkanals 5 mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 wird die im überschüssigen Salzwasser enthaltene Wärme zumindest teilweise genutzt, um das Salzwasser in dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 zu erwärmen.
Vorteilhaft ist die Ablauföffnung 4 eine Überlaufkante. Noch vorteilhafter sind die Überlaufkante und der Ablaufkanal 5 über die Breite des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12 ausgebildet.
Um die Bauweise der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung möglichst einfach zu gestalten und gleichzeitig alle Vorteile einer erfindungsgemäßen Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zu erhalten, ist es vorteilhaft, dass die Abführöffnungen 9 an einem Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12 angeordnet sind und die Zuführöffnungen 7 am entgegengesetzten Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12 angeordnet sind, wie in 3 dargestellt.
Wie in 4 dargestellt ist es außerdem vorteilhaft, dass das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 eine Länge L aufweist und der Zuführkanal 8 und die Abführkanäle 10 über mindestens die Länge L parallel zum Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 verlaufen. Vorteilhaft sind die Abführkanäle 10 und der Zuführkanal 8 in dem Bereich, in dem sie parallel zum Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 angeordnet sind, thermisch gekoppelt, wobei sie übereinanderliegen. Dabei sind vorteilhaft die Abführkanäle 10 und der Zuführkanal 8, der in diesem Bereich durch die zwei Kanalzweige gebildet ist, durch nur eine gemeinsame Trennwand miteinander thermisch verbunden.
Um zu gewährleisten, dass unabhängig vom Sonnenstand immer ein Teil des einfallenden Sonnenlichts senkrecht auf die erste Abdeckung 2.1 und/oder die zweite Abdeckung 3.1 trifft, kann die erste Abdeckung 2.1 und/oder die zweite Abdeckung 3.1 vorteilhaft eine wellige Querschnittsform aufweisen, wie in 5a dargestellt.
Eine vergrößerte Oberfläche der ersten Abdeckung 2.1 und/oder der zweiten Abdeckung 3.1 zum Salzwasser hin kann vorteilhaft auch erreicht werden, wenn an der ersten Abdeckung 2.1 und/oder der zweiten Abdeckung 3.1 eine Vielzahl an Wärmeleitelementen 13 ausgebildet ist, wie in 5b und 5c dargestellt. Das können z.B. Stäbe oder in Fließrichtung ausgebildete Platten sein. Alternativ können auch quer zur Fließrichtung ausgerichtete Platten verwendet werden. Damit Wärme auch von der zweiten Abdeckung 3.1 durch Konvektion direkt an das Salzwasser abgegeben werden kann, sind Wärmeleitelemente 13, die bis unter den Salzwasserspiegel in dem zweiten Bereich 3 ragen, notwendig.
Um einen effizienten Betrieb der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die Salzwasserzuführung und damit den Salzwasserspiegel in dem ersten Bereich 2 zu steuern. Der Salzwasserspiegel in dem ersten Bereich 2 darf nicht zu niedrig sein, da ansonsten ohne Wärmeleitelemente 13 keine direkte Wärmeübertragung durch Konvektion von der ersten Abdeckung 2.1 auf das Salzwasser möglich ist. Um einen zu niedrigen Salzwasserspiegel zu verhindern, sollte vorteilhaft gewährleistet sein, dass mehr Salzwasser in den ersten Bereich 2 eintritt als Wasserdampf in dem zweiten Bereich 3 verdunstet. Es ist außerdem von Vorteil, wenn nicht übermäßig viel Salzwasser in den Zuführkanal 8 und damit in den ersten Bereich 2 gepumpt wird, da so unnötig Energie verbraucht wird. Um eine Steuerung der Salzwasserzuführung zu ermöglichen, sollten Temperatur(en) und/oder Salzgehalt(e) an kritischen Stellen der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung gemessen werden. Dazu sind, wie in 6 dargestellt, vorteilhaft Messgeräte 14 vorhanden. Noch vorteilhafter wird durch die Messgeräte 14 ebenso die Umgebungstemperatur sowie der Sonneneinfallswinkel oder andere für die Steuerung der Salzwasserzuführung relevante Größen, wie beispielsweise die Luftfeuchtigkeit in und um die Meerwasseraufbereitungsvorrichtung, gemessen.
Die Steuerung der Salzwasserzuführung erfolgt vorteilhaft mittels einer mit der Pumpe 1 und mit den Messgeräten 14 verbundenen Steuer- und Recheneinheit 15. Die Steuer- und Recheneinheit 15, in die vorteilhaft ein neuronales Netzwerk implementiert ist, ist dazu ausgelegt, auf Grundlage der gemessenen Temperatur(en) und/oder Salzgehalt(e) und/oder dem Sonneneinfallswinkel und/oder von meteorologischen Daten einen Salzwasserzufluss zu berechnen und die Pumpe 1 entsprechend zu steuern. Es können auch weitere für die Steuerung der Salzwasserzuführung relevante Größen zur Steuerung der Pumpe 1 gemessen und ausgewertet werden.
Eine erfindungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung muss, um (kosten-) effizient zu sein, eine gewisse Größe aufweisen. Da beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft nur eine Erhöhung des Salzgehaltes des Salzwassers von 3% - 6% erfolgt, ist sie umweltverträglich, weist aber eine geringe Effizienz bezogen auf die verwendete Salzwassermenge auf. In Bezug auf die zum Betrieb nötigen Kosten, seien es Anschaffungskosten, Wartungskosten oder Strom- und Betriebskosten, ist die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen sehr hoch. Um hohe Erträge beim Betrieb der erfindungsgemäßen Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zu erzielen, ist es also notwendig, eine große Fläche, insbesondere zum Erwärmen und Verdunsten des Salzwassers, zu nutzen.
Das Nutzen einer großen Fläche kann entweder dadurch gewährleistet werden, dass die Meerwasseraufbereitungsvorrichtung, insbesondere das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12, entsprechend dimensioniert werden. Eine erfindungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung kann beispielsweise eine Gesamtfläche von 50 m x 100 m oder 100 m x 100 m aufweisen oder noch größer dimensioniert sein. Bei Meerwasseraufbereitungsvorrichtungen mit einer sehr großen Fläche (> 1 km²) ist jedoch eine Montage vor Ort notwendig.
Um sehr große Flächen zu nutzen, kann die erfindungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung vorteilhaft auch als ein Modul aufgebaut sein, wobei mehrere Module miteinander verbindbar sind. Mittels mehrerer Module, die wesentlich kleiner sind, ist es so ebenfalls möglich, eine sehr große Fläche zur Meerwasseraufbereitung zu nutzen. Dadurch kann der Montageaufwand vor Ort sowie der Transportaufwand minimiert werden.
Um die Produktions-, Montage- und Transportkosten für eine erfindungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zu senken, kann der Ablaufkanal 5 vorteilhaft durch eine Folie gebildet sein.
Um den Ablaufkanal 5 zu isolieren, kann er vorteilhaft in das umgebende Erdreich eingelassen werden, da dieses in der Regel eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Ebenso vorteilhaft kann der Ablaufkanal 5 auch gegenüber dem Untergrund thermisch isoliert sein, um sicherzustellen, dass die im überschüssigen Salzwasser gespeicherte Wärme zu einem größtmöglichen Anteil an das Salzwasser in dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 abgegeben wird.
Es ist auch vorteilhaft, die Zuführkanäle 8 und/oder die Abführkanäle 10 gegenüber ihrer Umgebung und/oder gegenüber einem Energieeintrag durch Sonnenlicht zu isolieren. Dadurch kann gewährleistet werden, dass keine unerwünschte Erwärmung der Wände der Abführkanäle 10 und keine unerwünschte Abkühlung des Salzwassers in den Zuführkanälen 8 stattfindet.
Eine erfindungsgemäße Meerwasseraufbereitungsvorrichtung kann durch die Kombination unterschiedlich ausgeführter, voneinander unabhängig gestaltbarer Merkmale, wie das Material der ersten Abdeckung 2.1 oder der zweiten Abdeckung 3.1, die geometrische Form der ersten Abdeckung 2.1 oder der zweiten Abdeckung 3.1 und eventuell daran ausgebildeter Wärmeleitelemente 13, die Anordnung, Größe und Geometrie der Ablauföffnung 4, der Lufteintrittsöffnungen 6 oder die Art des Ablaufkanals 5, die Anordnung der Zuführkanäle 8 und der Abführkanäle 10, die Isolierung des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12, der Zuführkanäle 8 oder der Abführkanäle 10 sowie die Steuerung der Pumpe 1, vorteilhaft gestaltet sein. So können die aufgezeigten vorteilhaften Ausführungen, die nicht alternativer Art sind, gemeinsam oder auch nur einzeln in Ausführungsbeispielen verwirklicht sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung weist eine Ablauföffnung 4 auf, die eine Überlaufkante ist. Die Überlaufkante und der Ablaufkanal 5 sind über die Breite des Erwärmungs-und Verdunstungsgefäßes 12 ausgebildet. Die Abführöffnung 9 der Abführkanäle 10 ist an einem Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12 angeordnet und die Zuführöffnung 7 der Zuführkanäle 8 ist am entgegengesetzten Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes 12 angeordnet. Das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12 weist eine Länge L auf und die Zuführkanäle 8 und die Abführkanäle 10 verlaufen über mindestens die Länge L parallel zu dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß 12. Die Zuführkanäle 8 sind oberhalb der Abführkanäle 10 horizontal angeordnet. Sowohl die erste Abdeckung 2.1 als auch die zweite Abdeckung 3.1 bestehen aus Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 25 W/(m*K). Zudem enthält die Vorrichtung Messgeräte 14 sowie eine Steuer- und Recheneinheit 15, die mit der Pumpe 1 und den Messgeräten 14 verbunden ist und dazu ausgelegt ist, auf Grundlage der von den Messgeräten 14 gemessenen Temperatur(en) und/oder Salzgehalt(e) und/oder dem Sonneneinfallswinkel und/oder auf Grundlage von meteorologischen Daten einen Salzwasserzufluss zu berechnen und die Pumpe 1 entsprechend zu steuern.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: erster Bereich
2.1: erste Abdeckung
3: zweiter Bereich
3.1: zweite Abdeckung
4: Ablauföffnung
5: Ablaufkanal
6: Lufteintrittsöffnung
7: Zuführöffnung
8: Zuführkanal
9: Abführöffnung
10: Abführkanal
11: Kondensat
12: Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß
13: Wärmeleitelement
14: Messgerät
15: Steuer- und Recheneinheit
hi: erste Höhe
h2: zweite Höhe
h3: dritte Höhe
L: Länge

Claims

Meerwasseraufbereitungsvorrichtung, mit der Salzwasser zum Zweck der Verdunstung durch Sonnenenergie erwärmt, verdunstet und wieder kondensiert wird, bestehend aus - wenigstens einer Pumpe (1), - einer Erwärmungskammer mit einer ersten Abdeckung (2.1), - einer Verdunstungskammer, in der Luft mit Wasserdampf beladen wird, mit einer zweiten Abdeckung (3.1), mit mindestens einer Ablauföffnung (4), die mit einem Ablaufkanal (5) verbunden ist, und mit mindestens einer Lufteintrittsöffnung (6), - einem über eine Zuführöffnung (7) oder über zwei Zuführöffnungen (7) mit der Erwärmungskammer verbundenen einzügigen oder zweizügigen Zuführkanal (8) zur Zuführung des Salzwassers, in dem die wenigstens eine Pumpe (1) angeordnet ist, und - entweder einem über eine Abführöffnung (9) mit der Verdunstungskammer verbundenen Abführkanal (10) oder zwei über jeweils eine Abführöffnung (9) mit der Verdunstungskammer verbundenen Abführkanälen (10), in den bzw. in die die mit Wasserdampf beladene Luft eingeleitet wird, wobei der eine Abführkanal (10) oder die zwei Abführkanäle (10) und der Zuführkanal (8) thermisch miteinander gekoppelt sind, sodass der Wasserdampf an wenigstens einer Wand des einen Abführkanals (10) bzw. der zwei Abführkanäle (10) kondensiert und somit Kondensat (11) gebildet wird, - wobei die Erwärmungskammer einen quaderförmigen ersten Bereich (2) mit einer ersten Höhe (h₁) und die Verdunstungskammer einen quaderförmigen zweiten Bereich (3) mit einer zweiten Höhe (h₂) eines Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes (12) bilden, die horizontal angeordnet sind, wobei sich die mindestens eine Ablauföffnung (4) in einer dritten Höhe (h₃) oberhalb der ersten Höhe (h₁) befindet, wodurch ein sich einstellender Salzwasserspiegel in dem ersten Bereich (2) gleich der ersten Höhe (h₁) ist, sodass das Salzwasser unmittelbar an die erste Abdeckung (2.1) angrenzt und durch die Sonnenenergie eingetragene Wärme von der ersten Abdeckung (2.1) durch Konvektion an das Salzwasser abgegeben wird, - wobei die erste Abdeckung (2.1) aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung besteht und - wobei der Ablaufkanal (5) mit dem Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß (12) thermisch gekoppelt und unterhalb des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes (12) angeordnet ist.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnung (4) eine Überlaufkante ist.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufkante und der Ablaufkanal (5) über die Breite des Erwärmungs-und Verdunstungsgefäßes (12) ausgebildet sind.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Abführöffnung (9) bzw. die zwei Abführöffnungen (9) an einem Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes (12) angeordnet sind und die eine Zuführöffnung (7) bzw. die zwei Zuführöffnungen (7) am entgegengesetzten Ende des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes (12) angeordnet sind.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß (12) eine Länge L aufweist und der Zuführkanal (8) sowie der eine Abführkanal (10) bzw. die zwei Abführkanäle (10) über mindestens die Länge L parallel zum Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß (12) verlaufen.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abdeckung (3.1) aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung besteht.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Abdeckung (2.1) und/oder an der zweiten Abdeckung (3.1) Wärmeleitelemente (13) vorhanden sind, die in das Innere des Erwärmungs- und Verdunstungsgefäßes (12) ragen.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abdeckung (2.1) und/oder die zweite Abdeckung (3.1) eine wellige Querschnittsform aufweisen, damit unabhängig vom Sonnenstand immer ein Teil des einfallenden Sonnenlichts senkrecht auf die erste Abdeckung (2.1) und/oder die zweite Abdeckung (3.1) trifft.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (8) oberhalb oder unterhalb des einen Abführkanals (10) bzw. der zwei Abführkanäle (10) horizontal angeordnet ist.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmungs- und Verdunstungsgefäß (12) gegenüber dem Zuführkanal (8) und dem einen Abführkanal (10) bzw. den zwei Abführkanälen (10) thermisch isoliert ist.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messgeräte (14) innerhalb der Meerwasseraufbereitungsvorrichtung zum Messen der Temperatur der Luft und/oder der Temperatur und/oder des Salzgehaltes des Salzwassers und/oder außerhalb der Meerwasserwasseraufbereitungsvorrichtung zum Messen der Umgebungstemperatur und/oder des Sonneneinfallswinkels vorhanden sind.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Recheneinheit (15) vorhanden ist, die mit der Pumpe (1) und den Messgeräten (14) verbunden ist und dazu ausgelegt ist, auf Grundlage der gemessenen Temperatur(en) und/oder des Salzgehaltes und/oder dem Sonneneinfallswinkel und/oder von meteorologischen Daten einen Salzwasserzufluss zu berechnen und die Pumpe (1) entsprechend zu steuern.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rechen- und Steuereinheit (15) ein neuronales Netzwerk implementiert ist.
Meerwasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meerwasseraufbereitungsvorrichtung als ein Modul aufgebaut ist und mehrere Module miteinander verbindbar sind, um eine Meerwasseraufbereitungsanlage zu bilden und so eine größere Fläche zur Meerwasserentsalzung zu nutzen als mit nur einem Modul.