DE202012009318U1 - Solar seawater desalination plant - Google Patents
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Abstract
Solare Destillieranlage, die vorzugsweise zur Meerwasser- oder Brackwasserentsalzung oder auch zur Reinigung von anderweitig kontaminiertem Wasser dient, dadurch gekennzeichnet; dass ein ringförmiges, nach dem Prinzip der Lavaldüse gestaltetes, mit einer Hysteresekurve arbeitendes und regelbares Ventil die solare Verdamfungskammer mit der mittels Primärwasser gekühlten Kondensationskammer verbindet, um in kleinen Anlagen wartungsarm und kostengünstig Süßwasser zu gewinnen.Solar distillation plant, which is preferably used for seawater or brackish water desalination or for the purification of otherwise contaminated water, characterized; that an annular, designed according to the principle of the Laval nozzle, working with a hysteresis curve and controllable valve connects the solar Verdamfungskammer with the cooled by primary water condensation chamber in order to gain low maintenance and inexpensive fresh water in small plants.
Description
Die Erfindung betrifft eine solare Meerwasserentsalzungsanlage, um in einer dezentralen, kleinen Anlage kostengünstig und wartungsarm Süßwasser zu gewinnen für Haushalt und Kleingewerbe.The invention relates to a solar desalination plant to win in a decentralized, small system cost and low maintenance fresh water for household and small businesses.
Brendel (2003, S. 18) hat mögliche solare Salzwasser-Entsalzungsanlagen, unabhängig von ihrer konkreten Bauart klassifiziert gemäß
Brendel (2003, S. 22) unterscheidet Anlagen des weiteren danach, ob zwischen Verdunstung/Verdampfung und Kondensation als Trägermedium zirkulierende Luft zum Einsatz kommt oder nicht.Brendel (2003, p. 18) has classified possible solar saltwater desalination plants, irrespective of their concrete design
Brendel (2003, p. 22) further distinguishes plants according to whether or not circulating air is used between evaporation / evaporation and condensation as a carrier medium.
Im Folgenden werden bekannte Anlagen nach Brendel klassifiziert.In the following, known systems are classified according to Brendel.
Verdunstung/Verdampfung mit Wärmerückgewinnung, direkte Wärmeübertragung, Kondensation durch Kühlung, mehrstufig:
Aus
Out
Nachteilig an dieser Konstruktion sind grundsätzlich der funktionsnotwendige Einsatz einer Vakuumpumpe sowie die Tatsache, dass die metallenen Wärmetauscher von Salzwasser auf Verdampfungstemperatur (nahe 100 grad C) umspült werden, was die Korrosion stark begünstigt.A disadvantage of this construction are basically the functionally necessary use of a vacuum pump and the fact that the metal heat exchanger from salt water to evaporation temperature (near 100 degrees C) are lapped, which strongly favors corrosion.
Demgegenüber spielt die gute Ausnutzung der Solarenergie nur eine untergeordnete Rolle.In contrast, the good utilization of solar energy plays only a minor role.
Verdunstung/Verdampfung mit Wärmerückgewinnung, indirekte Wärmeübertragung, einstufig, kontinuierlich, Kondensation durch Kühlung, Luft im Kreislauf als Trägermedium:
Aus
Out
Verdunstung/Verdampfung mit Wärmerückgewinnung, indirekte Wärmeübertragung, einstufig, kontinuierlich, Kondensation durch Kühlung, Luft im Kreislauf als Trägermedium:
Aus
Out
Die Trennwand läßt sowohl oben als auch unten im Gehäuse einen Raum frei, damit sich – aufgrund von Temperaturunterschieden – eine Kreisströmung aus aufsteigenden und absteigenden Luftmassen bilden kann.The partition leaves both the top and bottom of the housing free a space so that - due to temperature differences - can form a circular flow of ascending and descending air masses.
Die Nachteile sind für
Abgesehen von Strömungswiderständen, die aus Verwirbelungen an den Stirnflächen des inneren Zylinders bzw. der Trennwand entstehen, ist es besonders nachteilig, dass keine strikt abgrenzende, räumliche Trennung von Verdampfungs- und Kondensationsbereich und damit auch keine strikte thermische Trennung zwischen ihnen existiert. Dadurch kann es insbesondere bei starker Sonneneinstrahlung zu einer Nivellierung der Temperaturunterschiede kommen, was zu einem Aussetzen der funktionsnotwendigen Strömungen führen kann. Daneben kann es zu einem Rückverdampfen des eben kondensierten Süßwassers kommen.The disadvantages are for
Apart from flow resistances that arise from turbulence on the end faces of the inner cylinder or the partition wall, it is particularly disadvantageous that no strictly delimiting, spatial separation of evaporation and condensation and thus no strict thermal separation between them exists. This can lead to a leveling of the temperature differences, especially in strong sunlight, which can lead to a suspension of the functional necessary currents. In addition, it can come to a re-evaporation of just condensed fresh water.
Außerdem ist es für die beschriebenen Funktionen, wie z. B. der Vorwärmung, steuerungstechnisch ziemlich aufwändig, im Rohwasser die Grenzwerte der Löslichkeit von Kontaminisationsprodukten einzuhalten.Moreover, it is for the described functions, such. As the preheating, control technically quite complex to comply with the limits of solubility of contaminants in raw water.
Verdunstung/Verdampfung mit Wärmerückgewinnung, indirekte Wärmerückgewinnung, einstufig, kontinuierlich, Kondensation durch Kühlung:
Aus
Out
Nachteilig an der Vorrichtung nach
In Anwendung und Erweiterung der Klassifikation von Brendel ist die vorliegende Erfindung als eine Entsalzunganlage zu bezeichnen, die ein
- – Verdunstungs/Verdampfungs-Verfahren
- – mit Wärmerückgewinnung,
- – indirekter Wärmeübertragung,
- – im einstufigen Aufbau,
- – bei kontinuierlicher Verdunstung mit diskontinuierlicher Kondensation,
- – mit zirkulierender Luft bei Normaldruck als Trägermedium
- - evaporation / evaporation process
- - with heat recovery,
- - indirect heat transfer,
- - in a single-stage structure,
- In continuous evaporation with discontinuous condensation,
- - With circulating air at atmospheric pressure as a carrier medium
Als weitere Kennzeichnung der vorliegenden Erfindung ist hinzuzufügen, dass
- – 2 getrennte Kammern für Verdunstung/Verdampfung und Kondensation
- – Kondensation durch Kühlung und adiabatische Entspannung
- - 2 separate chambers for evaporation / evaporation and condensation
- - condensation by cooling and adiabatic relaxation
Außerdem vermeidet die vorliegende Erfindung die oben beschriebenen Nachteile.In addition, the present invention avoids the disadvantages described above.
Die vorliegende Erfindung erfüllt folgende Anforderungen: Solare Meerwasserensalzungsanlagen sollen auch zur Aufbereitung von Brackwasser oder anderweitig kontaminiertem Brauchwasser dienen (abgekürzt, auch in den Schutzansprüchen, als ”Salzwasser”). Zum Einsatz in Entwicklungsländern müssen sie robust sein, einfach konstruiert und zu bedienen und ohne große Spezialkenntnisse zu warten sowie in verschiedenen Anlagengrößen erhältlich oder modulartig erweiterbar und preisgünstig sein. Insbesondere müssen elektrische Teile und elektronische Steuerungen sowie versalzene Bauteile leicht austauschbar sein. (Zeitweise) kann eine elektronische Steuerung durch eine Steuerung von Hand ersetzt werden.The present invention fulfills the following requirements: Solar seawater salting plants should also serve for the treatment of brackish water or otherwise contaminated process water (abbreviated, also in the protection claims, as "salt water"). For deployment in developing countries, they must be robust, easy to design, operate, and maintain without much specialized knowledge, available in a variety of plant sizes, or modularly expandable and cost-effective. In particular, electrical parts and electronic controls as well as salty components must be easily replaceable. (At times) an electronic control can be replaced by a manual control.
Der Betrieb muss autark, d. h. auch in Regionen ohne Stromversorgung möglich sein.The enterprise must be self-sufficient, d. H. also be possible in regions without power supply.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
Es zeigenShow it
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Fig. 2
- I
- Verdampfungskammer
- II
- Kondensationskammer
- 3
- Sonneneinstrahlung
- 4
- Lichtdurchlässige Wand
- 5
- vorgewärmtes Primärwasser (Wärmerückgewinnung und Zusatzerhitzung)
- 6
- Rieselpfanne
- 7
- einstellbares Überdruckventil
- 8
- Sole
- 9
- Solepumpe
- 10
- Primärwasser zur Soleverdünnung („Bypass”)
- 11
- Dampf
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- wärmeisolierende Wände
- 14
- Primärwasserpumpe
- 15
- Süsswasser
- 16
- Süsswasserpumpe
- Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind die „Dornbuschäste” weggelassen
- 1
- Trennwand zwischen Verdampfungs- und Kondensationskammer
- 2
- ringförmiger Auslass, gestaltet nach dem Prinzip der Lavaldüse
- 3
- Ventilstopfen
- 4
- Federmechanismus zum Schließen des Ventils
- A1
- maßgebende (kleine) Druckfläche zum Öffnen des Ventils
- A2
- maßgebende (große) Druckfläche zum Offenhalten des Ventils
- Amin
- Minimaldurchmesser
- U
- Bereich der Unterschallgeschwindigkeit
- Ü
- Bereich der Überschallgeschwindigkeiten
- B
- Brennkammer eines Raketentriebwerks
- L
- glockenförmige Lavaldüse
- I
- Evaporation chamber
- II
- condensation chamber
- 3
- sunlight
- 4
- Translucent wall
- 5
- preheated primary water (heat recovery and additional heating)
- 6
- Rieselpfanne
- 7
- adjustable overpressure valve
- 8th
- brine
- 9
- brine pump
- 10
- Primary water for brine dilution ("bypass")
- 11
- steam
- 12
- heat exchangers
- 13
- heat-insulating walls
- 14
- Primary water pump
- 15
- Freshwater
- 16
- Fresh water pump
- Because of the better clarity, the "Dornbuschäste" are omitted
- 1
- Partition wall between evaporation and condensation chamber
- 2
- annular outlet, designed according to the principle of the Laval nozzle
- 3
- valve plug
- 4
- Spring mechanism for closing the valve
- A1
- decisive (small) pressure surface for opening the valve
- A2
- decisive (large) pressure surface for keeping the valve open
- Amin
- Minimum diameter
- U
- Range of subsonic speed
- Ü
- Range of supersonic speeds
- B
- Combustion chamber of a rocket engine
- L
- bell-shaped Laval nozzle
Aufbau Verdampfungskammer (
Die würfelförmige Verdampfungkammer besteht auf (mindestens) einer Seite aus einer Glas- oder Kunststoff-Scheibe (
(Mindestens) zur Kondensationskammer hin ist die Wand wärmeisolierend (
Unterhalb der Rieselpfanne und oberhalb der Auffangwanne sind Dornbuschäste locker aufgeschichtet, die praktisch das ganze Volumen der Verdampfungskammer ausfüllen. Optional können die Dornbuschäste durch einen schwarzen Kunststoffschwamm oder ein schwarzes Kunststoffvlies ersetzt werden.Underneath the trickle pan and above the drip pan, bush branches are loosely piled up, which fill practically the entire volume of the evaporation chamber. Optionally, the bush branches can be replaced by a black plastic sponge or a black plastic fleece.
Aufbau der Kondensationskammer (
Die würfelförmige Kondensationskammer enthält (mindestens) einen Wärmetauscher (
Funktion der Verdampfungskammer im NormalbetriebFunction of the evaporation chamber in normal operation
Die Dornbuschäste bewirken auf einer vergrößerten Oberfläche eine (verbesserte) Absorption der Sonneneinstrahlung (nach dem Prinzip des ”schwarzen Loches”).The Dornbuschäste cause on an enlarged surface (improved) absorption of solar radiation (on the principle of the "black hole").
Aus den Löchern der Pfanne (
Außerdem bilden die Dornbuschäste-Oberflächen die Sollstellen für die Ausfällung von Salzen, wenn örtlich deren Höchstkonzentration im Primärwasser überschritten wird. Wegen der unvermeidlichen Versalzung sind die Dornbuschäste bzw. die optionalen Materialien als Verbrauchsteile anzusehen. In Entwicklungsländern bleiben die leicht zu beschaffenden Dornbuschäste die erste Wahl.In addition, the Dornbuschäste surfaces are the target points for the precipitation of salts, when locally their maximum concentration in the primary water is exceeded. Due to the unavoidable salinisation, the bushes or the optional materials are to be regarded as consumables. In developing countries, the easy-to-obtain bushes remain the first choice.
Die untenliegende Wanne fangt die Sole (
Die optionalen Reflektoren verstärken die Sonneneinstrahlung und bewirken auch bei zeitweiliger Bewölkung ein Weiterlaufen des Arbeitsprozesses sowie dessen früheren Beginn am Morgen und sein späteres Ende am Abend. Auch etwaige jahreszeitliche Schwankungen der Sonneneinstrahlung können ausgeglichen werden.The optional reflectors intensify the sun's rays and, even with temporary clouds, cause the work process to continue, as well as its earlier start in the morning and its later end in the evening. Also, any seasonal variations in solar radiation can be compensated.
Der gering gehaltene (regelbare) Querschnitt des Verbindungsrohres (mit Ventil (
Funktion der Kondensationskammer (
Mittels des Wärmetauschers (
Der ausströmende Dampf wird im verengten Verbindungsrohr (
Diese sogenannte adiabatische Entspannung hat zur unmittelbaren Folge, daß es (im Prinzip) im gesamten Volumen der Kondensationskammer ständig ”regnet”. Zusätzlich kommt es dazu, daß sich ständig Dampf als Flüssigkeit an den Kühlflächen niederschlägt. Die ständige Kühlung der gesamten Kondensationskammer sowie die Ausgestaltung der Auffangwanne mit minimaler Wasseroberfläche verhindern außerdem ein Rück-Verdampfen der gerade gebildeten Wassertröpfchen (
Normalbetrieb und reduzierter BetriebNormal operation and reduced operation
Es sind Normalbetrieb bei normaler bis erhöhter Sonneneinstrahlung meistens tagsüber und reduzierter Betrieb bei verringerter Sonneneinstrahlung in der An- und Ablaufphase morgens und abends oder bei. bewölktem Himmel u. ä. zu unterscheiden.It is normal operation with normal to increased sunlight mostly during the day and reduced operation with reduced solar radiation in the arrival and expiration phase morning and evening or at. cloudy sky & to distinguish a.
Im Normalbetrieb ist das Entspannungsventil (
Im reduzierten Betrieb gibt es eine Phase des geschlossenen und eine Phase des geöffneten Entspannungsventils (
Während der Phase des geschlossenen Ventils erhöht sich in der Verdampfungskammer durch die ständige Sonneneinstrahlung und neu entstehenden Dampf der Dampfdruck. Zeitgleich schlägt sich in der Kondensationskammer der Dampf aus dem vorangehenden Zyklus auf den Kühlflächen nieder.During the phase of the closed valve, the vapor pressure increases in the evaporation chamber due to the constant sunlight and new steam. At the same time the vapor from the previous cycle settles on the cooling surfaces in the condensation chamber.
Die Bildung von Wassertröpfchen stellt eine Volumenverkleinerung des Wassers dar, was sich als Druckverringerung auswirkt. In der Verdampfungskammer erhöht sich der Druck bis sich beim Erreichen eines Schwellwertes das Ventil öffnet.The formation of water droplets represents a reduction in volume of the water, which acts as a pressure reduction. In the evaporation chamber, the pressure increases until the valve opens when a threshold value is reached.
In dem Moment, in dem sich das Ventil öffnet, strömt Wasserdampf in die Kondensationskammer, verteilt sich sofort im gesamten dortigen Volumen und es findet die oben beschriebene adiabatische Entspannung usw. statt.At the moment when the valve opens, water vapor flows into the condensation chamber, immediately distributes itself in the entire volume there and there is the above-described adiabatic relaxation, etc. instead.
Funktionen des Ventils (Fig. 3)Functions of the valve (Fig. 3)
Das Entspannungsventil zwischen beiden Kammern ist in der Weise konstruiert, dass seine Funktion eine ”Hysterese” aufweist, d. h. dass es sich bei einem höheren Schwellwert öffnet und bei einem niedrigeren Schwellwert des Druckes in der Verdampfungskammer bzw. alternativ der Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern wieder schließt.The expansion valve between both chambers is constructed in such a way that its function has a "hysteresis", i. H. that it opens at a higher threshold and closes again at a lower threshold value of the pressure in the evaporation chamber or alternatively the pressure difference between the two chambers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bestimmen die Geometrie des Ventils und einstellbare Federkräfte die Form und die Schwellwerte der Hysterese. Maßgebend für das Öffnen des Ventils ist die Größe der (kleinen) Druckfläche A1 (
Außerdem ist der ringförmige Auslass-Kanal des Ventils (
In addition, the annular outlet channel of the valve (
Liegt der Druck in der Kondensationskammer nur wenig unter dem Druck der Verdampfungskammer, so bildet sich eine laminare Unterschallströmung des Dampfes im gesamten Ventil aus.If the pressure in the condensation chamber is only slightly below the pressure of the evaporation chamber, then a laminar subsonic flow of the vapor forms in the entire valve.
Liegt der Druck in der Kondensationskammer weit unter dem der Verdampfungskammer, so liegt im Auslass, bestimmt durch die Geometrie des ringförmigen Kanals eine Überschallströmung vor, entsprechend der in einer klassischen Lavaldüse. In diesem Fall wird die Bildung von Wassertröpfchen zusätzlich begünstigt, weil ja die benötigte Beschleunigungsenergie dem Wasserdampf selbst entnommen werden muss.If the pressure in the condensation chamber is far below that of the vaporization chamber, then there is a supersonic flow in the outlet, determined by the geometry of the annular channel, corresponding to that in a classical Laval nozzle. In this case, the formation of water droplets is additionally favored, because the required acceleration energy has to be taken from the water vapor itself.
In großen vorschlagsgemäßen Meerwasserentsalzunganlagen, in denen besonders große Druckdifferenzen zwischen der Verdampfungskammer und der Kondensationskammer auftreten, kann der Auslass-Kanal stärker „glockenförmig” gestaltet werden (
Das Ventil ist so gestaltet, dass ein „Flattern”, d. h. ein ständiges Öffnen und Schließen, des Ventils verhindert wird. Bei geöffnetem Ventil und durchströmendem Dampf tritt an der engsten Stelle des Ventils eine auf dem Staudruck beruhende Kraft auf, die die Tendenz hat, das Ventil zu schließen. Durch eine genügend großen Druckfläche A2 (
Zitierte DruckschriftenQuoted pamphlets
-
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DE 100 47 522 A1 DE 100 47 522 A1 -
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- DE 3010208 A1 [0012, 0013] DE 3010208 A1 [0012, 0013]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20130328 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |