DE202011051461U1

DE202011051461U1 - Mobile Solar-Wasserentsalzungsanlage

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Publication number: DE202011051461U1
Application number: DE202011051461U
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2021-09-29

Abstract

Wasserentsalzungsanlage mit einem Sonnenkollektor, einer Verdampfungskammer (17), in der Salzwasser (6) in einer dünnen Schicht auf einer Verdampferfläche (2) unter Unterdruck durch Sonnenenergie fortlaufend verdampft, und einer Kondensationsfläche (4), an der Wasserdampf wieder kondensiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor, die Verdampfungskammer (17) und eine Kondensationskammer (3) mit der Kondensationsfläche (4) in einer wärmeisolierten Box mit transparenter Frontscheibe (1) untergebracht sind und der als dunkle Platte ausgebildete Sonnenkollektor eine Wand der Verdampfungskammer (17) als Verdampferfläche (2) bildet, der entstandene Wasserdampf in die Kondensationskammer (3) gepumpt wird und an der, durch das nachströmende Salzwasser gekühlten Kondensationsfläche (4) zu Süßwasser kondensiert und dabei das Salzwasser vorheizt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserentsalzungsanlage mit einem Sonnenkollektor, einer Verdampfungskammer, in der Salzwasser in einer dünnen Schicht auf einer Verdampferfläche unter Unterdruck durch Sonnenenergie fortlaufend verdampft, und einer Kondensationsfläche, an der Wasserdampf wieder kondensiert.
Die Sonne stellt eine unerschöpfliche Energiequelle dar, mit der aus Salzwasser Süßwasser gewonnen werden kann. Das in vielen heißen Ländern, insbesondere im Nahen Osten, nur in sehr begrenztem Umfang vorhandene Wasser wird dringend für die weitere Industrialisierung, den Bau neuer Tourismus-Zentren bei gleichzeitiger Bevölkerungsexplosion benötigt. Es werden einfache und ökonomisch attraktive Wasserentsalzungsanlagen benötigt, um aus dem Meerwasser Süßwasser zu gewinnen.
Es sind mehrere Verfahren zur Süßwassergewinnung aus Salzwasser bekannt, aber nur wenige sind wirtschaftlich einsetzbar. Zu den häufig genutzten Verfahren gehören die Umkehrosmose und thermale Destillation. Das Umkehrosmoseverfahren wird Dank seines großen Wirkungsgrades breit eingesetzt. Es nutzt aber eine komplizierte Membrantechnologie, die sich nur wenige Entwicklungsländer leisten können. Die hohen Kosten für die Energieversorgung und die Wartung gehören weiter zu den Nachteilen der Umkehrosmose. Die thermale Destillation benötigt eine große Menge an CO2 produzierenden Kraftstoffs. Durch die Nutzung der reichlich verfügbaren Sonnenenergie können die Betriebskosten niedrig gehalten und eine Umweltbelastung vermieden werden. Elektrolyseverfahren, wie etwa in dem Patent US 6,279,321 beschrieben, benötigen große Mengen an elektrischer Energie.
Die einfachste Methode um Süßwasser mithilfe der Sonnenenergie zu gewinnen ist die „still basin distillation”. Diese besitzt aber nur einen geringen Wirkungsgrad. In vielen Patentschriften werden Wege vorgeschlagen, den Wirkungsgrad zu erhöhen oder die Betriebskosten davon zu minimieren.
Die Patentanmeldung US 2010/0275599 A1 bezieht sich auf ein solares Entsalzungssystem, mit dem primär elektrische Energie aus Meerwasser gewonnen werden soll. Dabei wird auch Süßwasser produziert. Dies ist eine großtechnische Anlage, die nicht kostengünstig aufgebaut werden kann.
In der Patentanmeldung US 2008/0083604 A1 ist eine Meerwasserentsalzungsanlage beschrieben, bei der Meerwasser in Kammern verdampft und an einer schrägen transparenten Abdeckung wieder kondensiert. Auch hier ist der Aufwand sehr groß, um eine größere Menge Süßwasser zu erhalten.
In der Patentanmeldung US 2009/0107831 A1 ist eine Wasserdestillationsanlage in einem luftdichten Gehäuse mit einer Vielzahl von Röhren als Kondensator beschrieben. Das Gehäuse muss sehr groß ausgebaut werden, um eine größere Menge Süßwasser zu erhalten.
Die Patentanmeldung US 2003/0038022 A1 bezieht sich auf ein solares Entsalzungssystem, bei dem sich in einem luftdicht abgeschlossenen, transparenten Dom-Gehäuse kondensiertes Wasser an dem Inneren der Gehäusewand niederschlägt und aufgefangen wird. Das Verdampfen des Salzwassers wird durch im Wasser schwimmende schwarze Bruchstücke erreicht. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage ist sehr gering.
In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 018 127 A1 ist eine Wasserentsalzungsanlage beschrieben, die für den Einsatz in Entwicklungsländern geeignet ist. Aber auch hier sind noch teure Materialen notwendig, um die Anlage herzustellen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die in der letztgenannten Patentanmeldung beschriebene Wasserentsalzungsanlage weiter zu optimieren, damit sie noch kostengünstiger hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Wasserentsalzungsanlage besitzt einen Sonnenkollektor, eine Verdampfungskammer, in der Salzwasser in einer dünnen Schicht auf einer Verdampferfläche unter Unterdruck durch Sonnenenergie fortlaufend verdampft, und einer Kondensationsfläche, an der Wasserdampf wieder kondensiert. Die hier vorgestellte Wasserentsalzungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass der Sonnenkollektor, die Verdampfungskammer mit der Verdampfungsfläche und eine Kondensationskammer mit der Kondensationsfläche in einer einzigen wärmeisolierten Box mit transparenter Frontscheibe gemeinsam untergebracht sind. Der als dunkle Platte ausgebildete Sonnenkollektor bildet eine Wand der Verdampfungskammer und dient somit als Verdampferfläche. Der an der Verdampferfläche entstandene Wasserdampf wird in die Kondensationskammer gepumpt. Dort kondensiert der Wasserdampf und an der, durch das nachströmende Salzwasser gekühlten Kondensationsfläche zu Süßwasser, das aufgefangen wird. Dabei heizt der dampf das Salzwasser vor. Das Süßwasser kann dann aus der Kondensationskammer entnommen und genutzt werden. Das Salzwasser wird durch das Verdampfen von reinem Wasser weiter konzentriert. Diese konzentrierte Salzlösung wird abgelassen.
Die Wasserentsalzungsanlage ist so konstruiert, dass sie mit einer Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Salzwassers arbeitet, ohne dass Reflektoren oder Wärmekonzentratoren genutzt werden. Mit den in dieser Wasserentsalzunganlage realisierten Merkmalen kann ein kosteneffektives System bei gutem Wirkungsgrad realisiert werden.
Die Verdampfungsfläche der Verdampfungskammer hinter der transparenten Frontscheibe ist unter einem vorbestimmten Winkel zum mittleren Sonnenstand hin aufgestellt. Der optimale Winkel ist von dem Breitengrad des Aufstellortes abhängig, damit die Sonnenstrahlen möglicht lange in etwa senkrecht auf die Verdampferfläche fallen. Die Frontscheibe der Verdampfungskammer besitzt eine hohe Lichtdurchlässigkeit durch einen geringen Reflektionsfaktor und eine geringe Absorption, damit ein hoher Anteil der Sonnenenergie für die Verdampfung des Wassers genutzt wird. Der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors, also der Anteil der Sonnenenergie, der in Wärme gewandelt wird, wird deutlich erhöht, wenn der Sonnenkollektor aus geschwärztem Metall besteht. Eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit des Sonnenkollektors, etwa durch die Verwendung von Kupfer, ist nicht erforderlich. Auch kann ein anderes dunkles, wärmebeständiges und preisgünstiges Material verwendet werden.
Das Salzwasser wird vorteilhaft in einer dünnen Schicht mittels einer Schlitzdüse, die sich am oberen Ende der Verdampferfläche über deren ganze Breit erstreckt, auf die Verdampferfläche geleitet. Die Öffnung der Schlitzdüse ist vorteilhaft über die Temperatur der Verdampferfläche geregelt. Dies kann über etwa über eine Bimetallfeder erfolgen. Für Wartungszwecke kann die Öffnung der Schlitzdüse aber auch manuell geändert werden, etwa um die Anlage zu spülen. Die Verdampferfläche ist vorteilhaft mit einem dunklen hydrophilen Material beschichtet, damit sich das Wasser gleichmäßig auf der Verdampferfläche verteilt und damit gut in einer dünnen Schicht verdampft.
Die Kondensationskammer ist unter der Verdampferkammer angeordnet ist und mit dieser über mindestens ein Absaugrohr, in dem eine Saugpumpe arbeitet, verbunden. So wird der Wasserdampf von der Verdampferkammer in die Kondensationskammer gepumpt.
Die Saugpumpe stellt auch den Unterdruck in der Verdampferkammer her, wodurch das Wasser einen niedrigeren Siedepunkt besitzt und weniger Sonnenenergie zum Verdampfen benötigt wird. Vorteilhaft wird auch die Saugpumpe über Sonnenenergie betrieben, etwa durch photovoltaische Zellen.
Die Kondensationsfläche in der Kondensationskammer ist der innere Teil einer doppelwandigen Wärmetauscherwand, durch die frisches Salzwasser zu der Schlitzdüse strömt. Das frische Salzwasser kühlt die Kondensationsfläche und wird beim Durchströmen der Wärmetauscherwand damit auch vorgewärmt. Die Kondensationsfläche ist dabei aus gut wärmeleitendem Material hergestellt, vorzugsweise aus nicht korrodierendem Metall.
Die Kondensationskammer ist an ihrer Wand nach außen hin abgedichtet und gut wärmeisoliert, vorzugsweise mit mehreren Isolationsschichten, um die Kühlung durch das frische Salzwasser effektiv zu halten. Dabei ist die Form der Kondensationskammer in weiten Bereichen variierbar. Sie kann einen dreieckigen, vieleckigen oder auch runden Querschnitt besitzen.
Der Einsatz der Wasserentsalzungsanlage ist weiter verbessert, wenn die Anlage transportabel aufgebaut ist und einfach an unterschiedlichsten Orten aufgebaut werden kann.
Die Wärmeaufnahme des Sonnenkollektors kann weiter erhöht werden, wenn eine Zusatzkollektorkammer angebracht ist. Dazu kann der Sonnenkollektor bzw. die Verdampferfläche weiter verlängert und über dieser Verlängerung eine Kammer mit transparenter Oberfläche und sehr niedrigem Druck, möglichst Vakuum, eingerichtet sein. Das wärmeleitende Material des Sonnenkollektors nimmt die Wärme aus dem Zusatzkollektor auf und leitet sie auf die Verdampferfläche, wo sie den Verdampfungsvorgang weiter unterstützt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den 1 bis 5 beispielhaft dargestellt:
1 zeigt einen Querschnitt durch eine dreiecksförmige Wasserentsalzungsanlage.
2 zeigt im Detail die verschieden Zu- und Abläufe.
3 zeigt einen Schnitt durch den Wärmetauscher der Kondensationskammer.
4 zeigt im Detail das obere Ende der Verdampferkammer mit der Schlitzdüse.
5 zeigt die Verdampferfläche mit Schlitzdüse und Absaugkanälen.
6 zeigt einen Schnitt durch die Verdampferkammer.
7 zeigt eine dreiecksförmige Anlage mit verlängertem Sonnenkollektor.
8 zeigt einen Querschnitt durch eine vieleckige Wasserentsalzungsanlage.
9 zeigt einen Querschnitt durch eine Wasserentsalzungsanlage mit runder Kondensationskammer.
In 1 ist ein Querschnitt durch eine Wasserentsalzungsanlage gezeigt, die dreiecksförmig aufgebaut ist. Die Frontscheibe 1 ist zu Sonne hin ausgerichtet, die die dunkel ausgeführte Verdampferfläche 2 erhitzt. Über die Verdampferfläche 2 läuft in einer dünnen Schicht Salzwasser 6, aus der sich bei Unterdruck Dampf 18 entwickelt und über Durchgangsöffnungen 10 in die Kondensationskammer 3 gepumpt wird. Das Salzwasser 6 wird über den Salzwasser-Zulauf 11 durch die Wärmetauscherwand aus der Kondensationsfläche 4 und der äußeren Wand 5 des Kondensators zu der Schlitzdüse 16 geleitet, die das Salzwasser 6 auf der Verdampferfläche 2 verteilt. Die Menge des verteilten Wassers kann über die Regelung 15 der Schlitzdüse eingestellt werden. Das konzentrierte Salzwasser wird über den Salzwasserauslauf 12 wieder abgegeben. Der Dampf 18 kondensiert an der durch das Salzwasser gekühlten Kondensationsfläche 4 und sammelt sich als Süßwasser in der Kondensationskammer 3 und kann über den Süßwasser-Auslauf 13 abgenommen werden. Sollte sich in der Kondensationskammer 3 ein Überdruck einstellen, wird er über das Überdruckventil 20 abgebaut. Die Kondensationskammer 3 ist gut gegenüber der Umwelt isoliert. Dafür sind drei Isolationslagen 7, 8 und 9 vorgesehen. In der 2 ist das Detail A der Anschlüsse näher dargestellt. Über den Anschluss 11 läuft das Salzwasser in die Anlage. Das überschüssige konzentrierte Salzwasser wird über Anschluss 12 wieder abgegeben. Über Anschluss 13 kann das destillierte Süßwasser aus der Kondensationskammer 3 entnommen und genutzt werden.
In 3 ist das Detail B der Dämmung der Kondensationskammer 3 näher dargestellt. Die doppelwandige Wärmetauscherwand des Kondensators ist aus der Kondensationsfläche 4 und der äußeren Wand 5 aufgebaut, durch die das Salzwasser 6 strömt und damit die Kondensationsfläche 4 kühlt. Hinter der äußeren Wand 5 sind die innere Isolationslage 7, die mittlere Isolationslage 9 und die äußere Isolationslage 8 dargestellt.
In 4 ist das Detail C des Düsenauslaufs näher dargestellt. Das Salzwasser 6 gelangt durch die Kondensationsfläche 4 und die äußere Wand 5 des Kondensators über die Schlitzdüse 16 auf die Verdampferfläche 2. Die Menge des Salwassers 6, die über die Verdampferfläche 2 strömt, wird über den Regler 15 eingestellt.
In 5 ist die Verdampferfläche 2 mit der darüberliegenden Schlitzdüse 16 und dem Regler 15 gezeigt. Der erzeugte Dampf wird über die seitlichen Durchgangsöffnungen 10 der Absaugrohre 22 und die Saugpumpen 14 in die Kondensationskammer 3 gepumpt. 6 zeigt einen Schnitt durch die Verdampfungskammer 17 entlang der Schnittlinie D. Die durch die Frontscheibe 1 einstrahlende Sonnenenergie erzeugt auf der Verdampferfläche 2 aus dem Salzwasser 6 den Dampf 18. Dieser gelangt durch die Durchgangsöffnungen 10 der Absaugrohre 22 und die Saugpumpen 14 in die Kondensationskammer 3.
7 zeigt die Wasserentsalzungsanlage gemäß 1 mit einem Zusatzkollektor 19. Dieser besitzt eine verlängerte Verdampferfläche 2, die in einer transparenten Vakuumkammer 21 der Sonne ausgesetzt ist. Die Rückseite ist genauso wärmeisoliert wie die Kondensationskammer 3. Die Verdampferfläche 2 ist gut wärmeleitend und leitet die aufgenommene Sonnenwärme auf den Teil der Verdampferfläche 2 in der in Verdampfungskammer 17. Die Wärmeübertragung erfolgt durch das gut wärmeleitende Metall.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform der Wasserentsalzungsanlage gemäß 1. Die Kondensationskammer 3 ist hier vieleckig ausgeführt, um das Volumen für den Dampf 18 und das destillierte Süßwasser zu vergrößern. Alle anderen Merkmale entsprechen der Ausführungsform gemäß 1.
In 9 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Wasserentsalzungsanlage gemäß 1 dargestellt. Hier ist die Kondensationskammer 3 im Querschnitt rund ausgeführt. Eine solche Ausführungsform lässt sich relativ einfach aus Komponenten herstellen, wie sie in südlichen Ländern für sonnenbeheizte Warmwasseranlagen genutzt werden. Probleme mit schwer zu schweißenden Eken werden bei einer solchen Ausführungsform vermieden.
Bezugszeichenliste

1: Frontscheibe
2: Verdampferfläche
3: Kondensationskammer
4: Kondensationsfläche
5: Äußerer Teil der doppelwandigen Wärmetauscherwand
6: Salzwasser
7: Innere Isolationslage
8: Äußere Isolationslage
9: Mittlere Isolationslage
10: Durchgangsöffnung
11: Salzwasser-Zulauf
12: Salzwasser-Auslauf
13: Süßwasser-Auslauf
14: Saugpumpe
15: Regelung für die Schlitzdüse
16: Schlitzdüse
17: Verdampfungskammer
18: Dampf
19: Zusatz-Kollektor
20: Überdruckventil
21: Vakuumkammer
22: Absaugrohr
A: Detail der Anschlüsse
B: Detail der Kondensatordämmung
C: Detail des Düsenauslaufs
D: Schnittlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6279321 [0003]
DE 102006018127 A1 [0009]

Claims

Wasserentsalzungsanlage mit einem Sonnenkollektor, einer Verdampfungskammer (17), in der Salzwasser (6) in einer dünnen Schicht auf einer Verdampferfläche (2) unter Unterdruck durch Sonnenenergie fortlaufend verdampft, und einer Kondensationsfläche (4), an der Wasserdampf wieder kondensiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor, die Verdampfungskammer (17) und eine Kondensationskammer (3) mit der Kondensationsfläche (4) in einer wärmeisolierten Box mit transparenter Frontscheibe (1) untergebracht sind und der als dunkle Platte ausgebildete Sonnenkollektor eine Wand der Verdampfungskammer (17) als Verdampferfläche (2) bildet, der entstandene Wasserdampf in die Kondensationskammer (3) gepumpt wird und an der, durch das nachströmende Salzwasser gekühlten Kondensationsfläche (4) zu Süßwasser kondensiert und dabei das Salzwasser vorheizt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsfläche (2) der Verdampfungskammer (17) hinter der transparenten Frontscheibe (1) unter einem vorbestimmten Winkel zum mittleren Sonnenstand hin aufgestellt ist.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontscheibe (1) der Verdampfungskammer (17) eine hohe Lichtdurchlässigkeit durch geringen Reflektionsfaktor und eine geringe Absorption besitzt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor aus einer flachen geschwärztem Metallplatte oder einem geeigneten wärmebeständigen Material besteht.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Salzwasser (6) über eine Schlitzdüse (16) in einer dünnen Schicht auf die Verdampferfläche (2) geleitet wird.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzdüse (16) die Breite der Verdampferfläche (2) besitzt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Schlitzdüse (16) von der Wärme der Verdampferfläche (2) über einen Regler (15) reguliert oder manuell einstellbar ist.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferfläche (2) mit einem dunklen hydrophilen Material beschichtet ist.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Verdampferkammer (17) die Kondensationskammer (3) angeordnet ist und der Dampf in diese über mindestens ein Absaugrohr (22) und eine Saugpumpe (14) gepumpt wird, wobei die Saugpumpe auch den Unterdruck in der Verdampferkammer (17) herstellt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugpumpe (14) über photovoltaische Zellen mit Energie versorgt wird.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsfläche (4) der Kondensationskammer (3) der innere Teil einer doppelwandigen Wärmetauscherwand ist, durch die frisches Salzwasser (6) zu der Schlitzdüse (16) strömt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsfläche (4) aus gut wärmeleitendem Material hergestellt ist und darüber mit der Wärme des Dampfes das Salzwasser vorheizt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationskammer (3) an dem äußeren Teil (5) der Wärmetauscherwand nach außen abgedichtet und wärmeisoliert ist.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationskammer (3) einen dreieckigen, vieleckigen oder runden Querschnitt besitzt.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als transportable Anlage aufgebaut ist.
Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor verlängert ist und sich auf ihm eine Zusatzkollektorkammer (19) mit transparenter Abdeckung befindet, die unter sehr niedrigem Druck gehalten ist, und die darin gesammelte Wärme über das wärmeleitende Material des Sonnenklektors zu der Verdampferfläche (2) geleitet wird.