DE19915818A1 - Solare Trinkwassergewinnung aus Meer- bzw. Brackwasser mittels einer Entsalzungsanlage nach dem Baukastenprinzip - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Trinkwassergewinnung aus Meer- bzw. Brackwasser beschrieben, dessen Entsalzung mittels solarthermischer Energie unter weitestgehendem Verzicht auf elektronischer Steuerung erfolgt. Die Vakuum-Kammern sind in einem modularen Baukastensystem kaskadenähnlich miteinander durch Rohrleitungen verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine solare Meer- bzw. Brack­ wasser-Entsalzungsanlage im modularen Aufbau nach dem Baukasten­ prinzip. Grundgedanke dieser Erfindung ist eine Entsalzungsanlage, die rlach dem Baukastenprinzip der durchschnittlich angebotenen Solarenergie des Installationsortes ohne große konstruktive Ver­ änderungen vergrößert oder verkleinert werden kann.

Meerwasser-Entsalzungsanlagen, die nach dem thermischen Verdamp­ fungsprinzip arbeiten, sind in ihrer Konstruktion sehr aufwendig gebaute Systeme. Sie arbeiten in der Regel als mehrstufige Ver­ dampfer, d. h. die erste Verdampferstufe erhitzt die nachfolgende. Der bei der Verdampfung entstehende freiwerdende Energiebetrag erhitzt die nachfolgende Stufe. Damit dieses Prinzip eine hohe wirtschaftliche Ausbeute erfährt, werden die Verdampferstufen unter Vakuum betrieben.

Sieht man von Meerwasser-Entsalzungsanlagen die nach dem Osmose­ verfahren arbeiten einmal ab, ist der Einsatz thermischer Entsal­ zungsanlagen kosten- und sehr wartungsintensiv. An den hohen Kosten haben u. a. die hochwertigen Metallegierungen - sie sind zur Vermeidung von Korrosion notwendig - einen hohen Anteil.

Aus diesem Grunde kommen als stationäre Anlagen nur Großsysteme zum Einsatz. Die Betreibermannschaft solcher Systeme hat notwendiger­ weise einen hohen qualitativen Ausbildungsstand und trägt ebenfalls zu den Kosten entsprechend bei.

Ziel der hier vorgestellten Erfindung ist es daher, Anlagen zu entwickeln und einzusetzen, deren technische, ausbildungsmäßige und finanzielle Aufwendungen stark reduziert werden, und daher vom Betreiber solcher Anlagen nicht zu hoch qualifizierten Aus­ bildungsstand und finanzielle Belastungen voraussetzen.

Erreicht wird dieses Ziel durch den Einsatz von Solarenergie in Kombination mit der hier vorgestellten Verdampfungstechnik und der einfachen chemischen Aufbereitung des destillierten Wassers zu Trinkwasser.

Eine weitere Reduzierung der Herstellkosten wird durch den Ein­ satz hochtemperaturbeständiger Kunststoffe beim Bau der Vakuum­ kammern statt hochwertiger korrosionsbeständiger Edelstähle er­ reicht. Diese Vakuumkammern sind alle baugleich und können sowohl in Serie wie auch zusätzlich parallel - also in einer Gruppenschaltung - miteinander verbunden werden.

Ein weiterer entscheidender Punkt für den kostenreduzierenden Einsatz dieser Entsalzungsanlagen ist der weitgehende Verzicht auf elektronische Regelkreise für den Betrieb des Gesamtsystems. Die Elektronik ist bei aller bisher erreichten Betriebssicherheit immer noch wartungsintensiv. Eine Anlage in verkehrsmäßig nicht oder nur teilerschlossenen Regionen ist nach Ausfall der Elektronik nur unter Schwierigkeiten zu reparieren. So sind komplizierte Systeme in solchen Regionen nicht selten dem Verfall preisgegeben, weil eine Wartung zu teuer oder wegen fachmännischer Kenntnisse nicht durchgeführt werden konnte. Auch wird bei der chemischen Aufbereitung des Trinkwassers auf einfachste Verfahren zurück­ gegriffen. Hierzu eignet sich das von
Herrn Dr. Fritz Küke
Diplomchemiker
Haselnuweg 27
30629 Hannover
Verfahren. Es ist von ihm zum Patent angemeldet worden und hat die notwendige Prüfungs- und Zulassungsverfahren beim
Lebensmittelhygenischen
Institut,
Gelsenkirchen,
durchlaufen.

Als Energielieferant für die Entsalzungsanlage ist eine das Sonnenlicht konzentrierende Solar-Kollektor-Anlage vorgesehen. In Regionen ohne Möglichkeiten einer Stromversorgung muß die Kollektor-Anlage als hybride Kollektor-Anlage - d. h. sie muß sowohl thermische wie auch elektrische Energiemittels Photo- Zellen für den Betrieb der Pumpen liefern - ausgelegt sein. Hierbei wird der hybride Teil der Kollektor-Anlage im Nieder- Temperatur-Bereich betrieben, der restliche Teil wird zur Pro­ zeßwärmeerzeugung ausgelegt.

Eine derartige Entsalzungsanlage kann somit Einsatzgebiete mit Trinkwasser versorgen, die konventionellen Systemen aus Kosten­ gründen, einer nicht vorhandenen Infrastruktur oder nur ein geringer Tagesbedarf an Trinkwasser besteht und mit herkömm­ lichen Systemen kostengünstig nicht zu bedienen ist.

Patentbeschreibung

Fig. 1 zeigt eine Prinzipzeichnung über den Zusammenbau von Platten-Wärmetauschern zu einer Funktionsgruppe für eine Vakuum-Kammer.

Fig. 2 zeigt in einer Prinzipzeichnung einen Teilausschnitt einer Vakuum-Kammer aus Kunststoff.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipzeichnung von zwei Vakuum-Kammern mit eingebauten Wärmetauschern, die zu zwei Verdampfer­ stufen im Baukastenprinzip verbunden worden sind.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipzeichnung einer Vakuum-Kammer im Ausschnitt mit Ventil zur Zuflußsteuerung für das zu verdampfende Wasser.

Fig. 5 zeigt ein Aufbauschema einer 4-stufigen Vakuum-Verdampfer- Stufe nach dem Baukastenprinzip mit Pumpen und chemischer Aufbereitung.

In Fig. 1 sind handelsübliche Platten-Wärmetauscher (1) in einer Mehrfach-Gruppe dargestellt. Zwischen den Platten- Wärmetauschern wird mittels Abstandshülsen (2) je ein Zwischen­ raum (3) gehalten. In das Anschlußrohr (4) fließt, vom Kol­ lektor kommend, eine solar hocherhitzte Wärmeträgerflüssigkeit. Durchfließt die Hohlräume der Wärmetauscher-Platten (1) und fließt am Anschlußrohr (5) als Rücklauf zum Kollektor zurück. In den folgenden nachgeschalteten Vakuum-Kammern fließt der von der Vorkammer strömende Dampf in das Anschlußrohr (4b) des folgenden Wärmetauschers und kondensiert in den Hohlräumen der Platten und gibt dabei seine aufgenommene Energie nach dem Phasenwechsel an die Innenwände des Wärmetauschers ab. Die Rund­ stäbe (6) sind aus Vollmaterial und dienen zusätzlich zur Halterung des Wärmetauschers in der Vakuum-Kammer.

Fig. 2 zeigt eine Teil-Prinzipzeichnung als Schnittzeichnung ausgelegt. Sie stellt eine Vakuum-Kammer aus Kunststoff dar, wobei der Kunststoff in unterschiedlicher Dichte ausgelegt ist. In Richtung Innenwand weist er seine höchste Dichte auf.

Die Kammer besteht aus einem viereckigen Behälter (8) und seiner lose aufgelegten Abdeckung (9). Ist der Behälter zu ca. drei Viertel mit Meer- bzw. Brackwasser gefüllt, wird der restliche Raum evakuiert. Dies bewirkt ein Aufpressen der Abdeckung (9) durch den atmosphärischen Überdruck. Die im vollen Umfang ver­ legte Gummidichtung (10) auf dem Behälterabsatz wird zusam­ mengepreßt, und der Unterdruck wird so aufrechterhalten. Durch die Bohrung (11) wird das Rohranschlußstück (4) des Wärme­ tauschers geführt. Durch die Bohrung (12) führt das Rohr (4b) des nächsten Wärmetauschers und nimmt den Dampf von der ersten Vakuum-Kammer auf, und läßt ihn auch hier im Wärme­ tauscher kondensieren. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder nachgeschalteter Vakuum-Kammer.

Die Innenwand einer Vakuum-Kammer (13) ist entweder mit einer keramischen Komposite oder einem dünnen Edelstahlblech ausge­ kleidet, welches mit einem hybriden Korrosionsschutz versehen ist, um Zerstörungen durch im Wasser befindliche Mineralien, wie Salze, zu verhindern. Der Kunststoff, aus dem die Vakuum- Kammern gefertigt ist, übernimmt gleichzeitig die Funktion der Wärmeisolation. Somit entfällt bei dieser technischen Auslegung eine zusätzliche Isolation, was weiterhin kostenreduzierend wirkt.

In Fig. 3 sieht man in einer Prinzipzeichnung zwei miteinander durch Rohrleitungen (4b) + (17) verbundene Vakuum-Kammern (8), in denen jeweils ein Wärmetauscher nach Fig. 1 eingesetzt ist. Jede Vakuum-Kammer ist bis zur vorgesehenen Füllhöhe mit Meer- bzw. Brackwasser zu füllen (14). Der verbleibende Raum (15) oberhalb der Füllhöhe wird dann evakuiert, um den Verdampfungs­ punkt herabzusetzen.

Der erste Wärmetauscher wird von einer im Solar-Kollektor er­ wärmten Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen. Der Zufluß erfolgt am Anschluß (4) der Rückfluß am Anschluß (5).

Über den nächsten Anschluß (4b) strömt der Wasserdampf der ersten Vakuum-Kammer zu dem Wärmetauscher der nächsten - hier der zweiten - Vakuum-Kammer. Dies geschieht so häufig, wie Vakuum-Kammern nachgeschaltet und miteinander verbunden sind. Die jeweils nachfolgende Vakuum-Kammer ist höhenversetzt gegenüber der ihr vorgeschalteten Kammer angeordnet. Der Grund liegt in der Vermeidung eines sonst notwendigen Krümmers in der nachfolgenden Kammer. Dessen Krümmungsteil würde sonst im Verdampfungsteil liegen, und der Dampf würde einen Teil der von der Vorkammer zuströmenden Energie, wenn auch nur in geringer Höhe, verbrauchen, die dann als Verdampfungsenergie verloren wäre.

Das im Wärmetauscher der zweiten Kammer kondensierte Wasser fließt über den Anschluß (16) zur Trinkwasseraufbereitung ab. Über den Anschluß (17) fließt jeweils aus der letzten, hier die rechte Vakuum-Kammer, in die ihr vorgeschalteten, hier die linke Vakuum-Kammer jeweils die notwendige Meer- bzw. Brackwassermenge zur weiteren Verdampfung zu. Wassermengen- und Füllhöhensteuerung wird unter Fig. 4 näher beschrieben.

In der Vertiefung einer jeweiligen Kammer, dem Sumpf (18) sammelt sich die Salzsole und fließt durch die gemeinsame Leitung (19) ab.

Fig. 4 zeigt in einer Prinzipzeichnung einen Ausschnitt einer Vakuum-Kammer (8). Erläutert wird hier anhand dieser Prin­ zipzeichnung Fig. 4 die Steuerung der Meerwassermenge und Füllhöhe in der Kammer.

In der Kammer befindet sich ein Schwimmer (20) der über einer flexiblen Verbindung (21) an einer Ventilstange (22) ange­ schlossen ist. Am unteren Ende dieser Ventilstange (22) be­ findet sich der Ventilkegel (23), an den vorbei im geöffneten Zustand das Meer- bzw. Brackwasser (24) zufließen kann, wenn sich das Ventil (23) in der untersten Position befindet und damit nicht geschlossen ist.

Positioniert wird die Ventilstange (22) mit dem Ventilkegel (23) von der Halterung (25). Um ein zu tiefes Abrutschen des Ventiles (22 mit 23) zu verhindern, ist am oberen Ende der Ventilstange (22) ein Begrenzer (26) angebracht. Beim Befüllen der Vakuum-Kammer mit Meerwasser erhält aufgrund der Wasserverdrängung der Schwimmer (20) ab einer vorgegebenen Füllhöhe einen Auftrieb und zieht das Ventil (22 mit 23), durch die Straffung der flexiblen Verbindung (21) in die oberste Position und schließt mit dem Ventilgehäuse (27) dicht ab. Es fließt kein weiteres Meerwasser zu. Während das Meerwasser aufgrund des Siedevorganges verdampft, fällt der Wasserspiegel und mit ihm der Schwimmer. Die Straffung der Ver­ bindung (21) läßt nach. Das Ventil ist mit seinem Gewicht so ausgelegt, daß es nach unten absinkt, und das Meerwasser (24) wieder zufließen kann. Dieses Wechselspiel wiederholt sich während des gesamten Siedevorganges. Die Länge der flexiblen Verbindung (21) ist so bemessen, daß intervallmäßig nur soviel Meerwasser wieder zufließt wie verdampft worden ist. Hierbei ist zu berück­ sichtigen, daß das zufließende Wasser aus der Vorkammer bereits erwärmt zufließt und das in der Kammer vorhandene Meerwasser durch zu großen Mengenzufluß nicht abkühlt und den Siedevorgang unterbricht.

Das zufließende Meerwasser wird durch das Rohr (17) zugeführt, das als Verbindungsrohr zur nachgeschalteten Vakuum-Kammer - in Fig. 3 ist es die rechte Kammer - in Fig. 4 findet es seine Fort­ setzung als in die Vakuum-Kammer hineinragendes Rohr (17b). Dieses Meerwasser-Abfluß-Rohr (17b) ragt in die obere Hälf­ te der mit Meerwasser gefüllten Kammer, wo es wärmer ist als im unteren Bereich des Meerwassers. Bei einem Mengenbedarf an Meer­ wasser in der vorgeschalteten Kammer fließt somit erwärmtes Was­ ser aus der nachgeschalteten Kammer. Auch in diesem Falle sinkt der Wasserspiegel. Diese Kammer wiederum holt sich dann die nö­ tige Menge an vorgewärmten Wasser aus der ihr nachgeschalteten Kammer. Dieser Vorgang wiederholt sich im Takt der insgesamt mit­ einander durch Rohrleitungen (4) und (17) verbundenen Kammern. Die letzte Kammer holt sich die notwendige Menge durch eine Pumpe über einen Wärmetauscher.

Fig. 5 zeigt eine Prinzipzeichnung des Gesamtsystems der zum Patent angemeldeten Trinkwasser-Gewinnungs-Anlage mit 4 Vakuum-Verdampfern in kaskadenähnlichem Aufbau (8).

Mit der Pumpe (27) wird Meer- bzw. Brackwasser in die letzt­ verrohrte Vakuum-Kammer (8) gepumpt. Von der fließt das Wasser über die anderen Kammern (8), bis sie die erste - hier die linke - Vakuum-Kammer erreicht, von der sie die Verdamp­ fungsenergie vom Kollektor über die Anschlüsse (4 + 5) er­ hält. Diese Kammer füllt sich zuerst. Ist die vorgegebene Füllhöhe erreicht, schließt das Ventil (23) angehoben durch den Schwimmer (20). Dieser Vorgang wiederholt sich im Gesamt­ sytem, bis die letzte Kammer ebenfalls gefüllt ist. Eine Vakuum- Pumpe (30) evakuiert nun über die Sammelleitung (16) das Gesamtsystem einschließlich des Vorrats-Behälters (29) in dem das durch Destillation gewonnene und chemisch aufbereitete Trinkwasser aufgefangen wird.

Über die Leitungen (4b) strömt jeweils der erzeugte Dampf in die Wärmetauscher der nachfolgend verrohrten Kammern (1). Konden­ siert dabei und fließt zum Schluß über die Sammelleitung (16) in den Vorrats-Behälter (29). Der Dampf der letzten Ver­ dampfer-Stufe fließt über einen Wärmetauscher (28) zum Vorrats-Behälter (29).

Über eine Dosiereinrichtung (31) wird dem destillierten Wasser in Abhängigkeit der erzeugten Wassermenge ein genau definierter Betrag an Mineralien zugeführt, und so das Wasser für den menschlichen und tierischen Genuß aufbereitet.

Über die Solepumpe (32) und der Sammelleitung (19) wird die Salzsole abgepumpt.

Die Anzahl der Vakuum-Kammern wird vom Energieangebot des Kollektors bestimmt. Die Vakuum-Kammern (8) können auch zusätzlich parallel und somit zu einer Gruppenschaltung ver­ rohrt werden. Über das Einweg-Ventil (33) kann nach Druck­ ausgleich im Gesamtsystem das aufbereitete Trinkwasser dem Vor­ ratsbehälter (29) entnommen werden.

Claims (12)

1. Solare Trinkwassergewinnung aus Meer- bzw. Brackwasser mittels einer Entsalzungsanlage nach dem modularen Bau­ kastenprinzip unter weitestgehendem Verzicht von elek­ tronischer Steuerung, vorwiegend geeignet für Regionen mit schwacher oder gar fehlender Infrastruktur und Serviceangebot, dadurch gekennzeichnet, daß die solare Energie in Vakuum-Verdampfern, nachfolgend auch Vakuum-Kammern genannt, die nach dem modularen Bau­ kastenprinzip gerfertigt und einsetzbar sind, Trink­ wasser zu geringen Kosten aus Meer- bzw. Brackwasser zu gewinnen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Kammern (8) aus hochtemperaturbeständigem Kunststoff zu einem Serienprodukt gefertigt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunst­ stoffstruktur dieser Vakuum-Kammern (8) so ausgelegt sein muß, daß diese Vakuum-Kammern gleichzeitig der Wärmeisolation gegen Wärmeverluste des zu verdampfenden Mediums dienen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände (13) dieser Vakuum-Kammern durch eine keramische Komposite gegen das salzhaltige Medium ge­ schützt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Kammern auch aus einer Metallegierung bestehen können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ein­ satz von Metallegierungen ein hybrider Korrosionsschutz die Metalle zu schützen hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdampfer in die Vakuum-Kammer handelsübliche Wärme­ tauscher (1) eingesetzt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Kammern je nach Energieangebot und -nachfrage seriell in kaskadenähnlicher Anordnung miteinander erweitert und verrohrt werden können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Kammern zusätzlich zur seriellen Anordnung auch parallel zu einer Gruppenschaltung miteinander verrohrt werden können.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Füllhöhe des zu versiedenden Mediums über ein Ventil (23) mit Schwimmer (20) gesteuert werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur höheren Ausbeute an Trinkwasser die Vakuum-Kammern zentral mittels einer Vakuumpumpe (30) evakuiert werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Aufbereitung des Destillates zu Trinkwasser über eine Dosiereinrichtung (31) automatisch nach dem Verfahren vor Dr. F. Küke, Hannover, erfolgt.