DE202012009318U1

DE202012009318U1 - Solar seawater desalination plant

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Publication number: DE202012009318U1
Application number: DE202012009318U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-02-01
Anticipated expiration: 2022-09-28

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 1
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 1
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 DE 19915818A1 ist eine modulartig aufgebaute Meerwasserentsalzungsanlage bekannt, die in der kleinsten Ausführung aus zwei Vakuumkammern besteht, in denen Salzwasser verdampft wird. Beide Kammern sind gleich gebaut. Die nötige Verdampfungswärme wird der ersten Vakuumkammer mittels eines Plattenwärmetauschers zugeführt, in dem eine solar erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Der Wasserdampf, der in der ersten Kammer entsteht, wird in den Plattenwärmetauscher der zweiten Kammer geleitet. In diesem Plattenwärmetauscher der zweiten Vakuumkammer kondensiert der Dampf aus der ersten Kammer. Das kondensierte Süsswasser wird abgeleitet. Das vorgewärmte Salzwasser aus der zweiten Kammer wird der ersten Vakuumkammer zugeleitet.Evaporation / evaporation with heat recovery, direct heat transfer, condensation by cooling, multi-level:
Out DE 19915818A1 is a modular seawater desalination plant known, which consists of the smallest version of two vacuum chambers in which salt water is evaporated. Both chambers are built equal. The necessary heat of vaporization is supplied to the first vacuum chamber by means of a plate heat exchanger in which circulates a solar heated heat transfer fluid. The water vapor produced in the first chamber is directed into the plate heat exchanger of the second chamber. In this plate heat exchanger of the second vacuum chamber, the vapor condenses out of the first chamber. The condensed fresh water is discharged. The preheated salt water from the second chamber is fed to the first vacuum chamber.

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 WO 02/087721 A2 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Süsswasser aus Salzwasser bekannt, die aus einem senkrecht aufgestellten Zylinder besteht, in dem koaxial ein zweiter Zylinder angeordnet ist. Im Zwischenraum zwischen beiden wird Salzwasser solar verdampft. Im Innenraum des inneren Zylinders, dessen Wände gekühlt werden, kondensiert der Dampf. Für das Funktionieren wesentlich ist die Zirkulation von auf- und absteigenden Luftmassen, die Wasserdampf transportieren. Die Zirkulation beruht auf Temperaturunterschieden und davon induzierten Druckunterschieden zwischen dem Verdämpfungsbereich zwischen den Zylindern und dem Kondensationsbereich im inneren des inneren Zylinders.Evaporation / evaporation with heat recovery, indirect heat transfer, single-stage, continuous, condensation by cooling, air in the circulation as a carrier medium:
Out WO 02/087721 A2 a device for the recovery of fresh water from salt water is known, which consists of a vertical cylinder, in which a second cylinder is coaxially arranged. In the space between the two salt water is evaporated solar. In the interior of the inner cylinder, whose walls are cooled, the steam condenses. Essential for the functioning is the circulation of ascending and descending air masses that transport water vapor. The circulation is based on temperature differences and pressure differences between them between the damping area between the cylinders and the condensation area inside the inner cylinder.

Verdunstung/Verdampfung mit Wärmerückgewinnung, indirekte Wärmeübertragung, einstufig, kontinuierlich, Kondensation durch Kühlung, Luft im Kreislauf als Trägermedium:
Aus DE 100 47 522 A1 ist eine solare Meerwasserentsalzungsanlage bekannt, die aus einem schrägliegenden quaderförmigen Gehäuse besteht. Die obere Seitenfläche lässt die Sonnenstrahlung durch, die auf eine parallele Absorberfläche fällt. Die Trennwand mit der Absorberfläche teilt das Gehäuse in einen darüberliegenden Verdampfungsbereich und einen darunterliegenden Kondensationsbereich. Im Kondensationsbereich sind zur Kühlung plattenförmige Wärmetauscher angebracht.Evaporation / evaporation with heat recovery, indirect heat transfer, single-stage, continuous, condensation by cooling, air in the circulation as a carrier medium:
Out DE 100 47 522 A1 is a solar desalination plant known, which consists of a sloping cuboid housing. The upper side surface transmits the solar radiation, which falls on a parallel absorber surface. The partition with the absorber surface divides the housing into an overlying evaporation zone and an underlying condensation zone. In the condensation area plate-shaped heat exchangers are mounted for cooling.

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 WO 02/087721 und DE 100 47 522 A1 die gleichen:
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 WO 02/087721 and DE 100 47 522 A1 the same:
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 DE 3010 208 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, in der Salzwasser in einem Vlies oder Gewebe verdunstet, welches mittels eines anliegenden Wärmetauschers aufgeheizt wird. Der Wärmetauscher wird von einer Sonnenkollektor mit erhitzter Wärmeübertragungsflüssigkeit im Kreislauf beschickt. Im selben Raum wie das Vlies befindet sich der als Rohrschlange ausgebildete Kondensator, auf dessen äußeren Oberfläche sich der Dampf niederschlägt und der von frischem Salzwasser durchströmt wird.Evaporation / evaporation with heat recovery, indirect heat recovery, single stage, continuous, condensation by cooling:
Out DE 3010 208 A1 a device is known in which salt water evaporates in a fleece or fabric which is heated by means of an adjacent heat exchanger. The heat exchanger is charged by a solar collector with heated heat transfer fluid in the circuit. In the same room as the fleece is the as Coil formed condenser, on the outer surface of which precipitates the steam and is flowed through by fresh salt water.

Nachteilig an der Vorrichtung nach DE 30 10 208 A1 ist insbesondere bei starker Sonneneinstrahlung die Tatsache, dass sich das Verdampfungs-Vlies und die Kondensator-Rohrschlange in demselben Raum befinden, d. h. thermisch nicht getrennt sind, und die Süßwasserproduktion deshalb zum Erliegen kommen kann. Außerdem ist das Wiederverdampfen des eben kondensierten Süßwassers möglich.A disadvantage of the device after DE 30 10 208 A1 In particular, in strong sunlight, the fact that the evaporation fleece and the condenser coil are in the same room, ie are not thermally separated, and the fresh water production can therefore come to a standstill. In addition, the Wiederverdampfen the newly condensed fresh water is possible.

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

benutzt. Indem die vorliegende Erfindung von der Klassifikation nach Brendel nur zum Teil erfasst wird, geht sie über bekannte Vorrichtungen und Verfahren hinaus.In application and extension of the classification of Brendel, the present invention is to be referred to as a desalination plant comprising

- 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

used. By being only partially understood by the Brendel classification, the present invention goes beyond known devices and methods.

Als weitere Kennzeichnung der vorliegenden Erfindung ist hinzuzufügen, dass

– 2 getrennte Kammern für Verdunstung/Verdampfung und Kondensation
– Kondensation durch Kühlung und adiabatische Entspannung

benutzt werden.As a further marking of the present invention, it should be added that

- 2 separate chambers for evaporation / evaporation and condensation
- condensation by cooling and adiabatic relaxation

to be used.

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

1 Klassifizierung von Meerwasser-Entsalzungsanlagen nach Brendel 1 Classification of sea water desalination plants to Brendel

2 Komplett-Anlage 2 Complete system

3 Querschnitt Überdruckventil (geöffnet) 3 Cross section of pressure relief valve (opened)

4a Gestaltung der klassischen Lavaldüse 4a Design of the classic Laval nozzle

4b Lavaldüse für hohe Strömungsgeschwindigkeiten wie im Raketentriebwerk 4b Laval nozzle for high flow velocities like rocket engines

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

Fig. 3

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

Fig. 4A

Amin: Minimaldurchmesser
U: Bereich der Unterschallgeschwindigkeit
Ü: Bereich der Überschallgeschwindigkeiten

Fig. 4B

B: Brennkammer eines Raketentriebwerks
L: glockenförmige Lavaldüse

Fig. 2

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

Fig. 3

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

Fig. 4A

Amin: Minimum diameter
U: Range of subsonic speed
Ü: Range of supersonic speeds

Fig. 4B

B: Combustion chamber of a rocket engine
L: bell-shaped Laval nozzle

Aufbau Verdampfungskammer (I) in Fig. 2Construction evaporation chamber ( I ) in Fig. 2

Die würfelförmige Verdampfungkammer besteht auf (mindestens) einer Seite aus einer Glas- oder Kunststoff-Scheibe (4), die das Sonnenlicht durchläßt. Optional sind außerhalb der Kondensationskammer Sonnenlicht-Reflektoren (z. B. Parabolspiegel) angebracht, die die Sonneneinstrahlung verstärken.The cube-shaped evaporation chamber consists on (at least) one side of a glass or plastic disc ( 4 ) that lets the sunlight through. Optionally, sunlight reflectors (eg parabolic mirrors) are attached outside the condensation chamber to enhance solar radiation.

(Mindestens) zur Kondensationskammer hin ist die Wand wärmeisolierend (13) ausgeführt. Die (mindestens eine) Rohrleitung, die die Verdampfungskammer mit der Kondensationskammer verbindet, hat einen geeignet dimensionierten Qerschnitt, ergänzend ist sie mit einem regelbaren Ventil (7) versehen, das mit einem einstellbaren (z. B. Federkraft-)Mechanismus verschlossen gehalten wird. In der Verdampfungskammer ist oben eine ”Pfanne” (6) angebracht, in der das Zuleitungrohr (5) des Primärwassers endet. Das zugeführte Primärwasser wurde im Gegenstrom in der Kondensationskammer und zusätzlich optional durch einen von der Sonne beschienenen Erhitzer (z. B. in der Sonne ausgelegter langer Schlauch) vorgewärmt. Die Pfanne ist im Boden und an den Seitenwänden mit Riesel-Löchern versehen. Unten in der Verdampfungskammer ist eine Auffangwanne für die Sole (8) mit einer Pumpe (9) und einer Rohrleitung nach außen angebracht.(At least) towards the condensation chamber, the wall is heat-insulating ( 13 ). The (at least one) pipe, which connects the evaporation chamber with the condensation chamber, has a suitably dimensioned Qerschnitt, in addition it is equipped with a controllable valve ( 7 ) which is held closed by an adjustable (eg spring-loaded) mechanism. In the evaporation chamber is above a "pan" ( 6 ), in which the supply pipe ( 5 ) of the primary water ends. The supplied primary water was preheated in countercurrent in the condensation chamber and additionally optionally by a heater illuminated by the sun (eg a long hose laid out in the sun). The pan is provided in the bottom and on the side walls with trickle holes. At the bottom of the evaporation chamber is a sump tray ( 8th ) with a pump ( 9 ) and a pipe attached to the outside.

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 (II) in Fig. 2Structure of the condensation chamber ( II ) in Fig. 2

Die würfelförmige Kondensationskammer enthält (mindestens) einen Wärmetauscher (12), der mit durchströmendem Primärwasser kühl gehalten wird – dies ist zugleich Wärmerückgewinnung. Die kurze Rohrleitung von der Verdampfungskammer her endet oben. Unten ist eine Auffangwanne für Süsswasser (15) angebracht, aus der dieses nach außen gepumpt (16) wird.The cube-shaped condensation chamber contains (at least) one heat exchanger ( 12 ), which is kept cool with primary water flowing through - this is at the same time heat recovery. The short pipe from the evaporation chamber ends up. Below is a drip tray for fresh water ( 15 ) from which it is pumped outwards ( 16 ) becomes.

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 (6) rieselt das Primärwasser durch die Wirkung der Schwerkaft heraus. Dadurch benetzt das Primärwasser die darunter aufgeschichteten Dornbuschäste. Auf ihnen verdampft das Primärwasser. Die Dornbuschäste sind vorteilhaft, weil durch sie die Verdampfungs-Oberfläche vergrößert wird. Zudem bewirkt die Rauheit der Oberflächen der Dornbuschäste zusätzlich eine Siedepunktserniedrigung.From the holes of the pan ( 6 ), the primary water trickles out through the effect of gravity. As a result, the primary water wets the underneath Dornbuschäste. On them the primary water evaporates. The Dornbuschäste are advantageous because it increases the evaporation surface. In addition, the roughness of the surfaces of Dornbuschäste additionally causes a boiling point reduction.

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 (8), d. h. das herunter gerieselte, nicht verbrauchte Primärwasser auf, das mittels einer Rohrleitung nach außen abgepumpt wird. Um sicherzustellen, dass aus der Sole kein Salz ausrollt, wird die Sole ständig mit frischem Primärwasser über einen ”Bypass” (10) verdünnt.The bottom pan catches the brine ( 8th ), ie the down-sprinkled, unconsumed primary water, which is pumped by a pipe to the outside. To ensure that salt does not roll out of the brine, the brine is constantly filled with fresh primary water via a "bypass" ( 10 ) diluted.

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 (7)) bewirkt, dass in der Verdampfungskammer trotz des z. T. ausströmenden Dampfes bei erhöhter Temperatur der gesättigte Dampf unter Überdruck steht (”überkritischer Dampf”).The small (adjustable) cross-section of the connecting pipe (with valve ( 7 )) causes in the evaporation chamber despite the z. T. steam flowing at elevated temperature of the saturated steam is under pressure ("supercritical steam").

Funktion der Kondensationskammer (II) im NormalbetriebFunction of the condensation chamber ( II ) in normal operation

Mittels des Wärmetauschers (12), der von Primärwasser durchströmt wird, wird die Kondensationskammer ständig kühl und damit unter einem verringerten Druck gegenüber der Verdampfungskammer (1) gehalten.By means of the heat exchanger ( 12 ), which is flowed through by primary water, the condensation chamber is constantly cool and thus under a reduced pressure compared to the evaporation chamber ( 1 ) held.

Der ausströmende Dampf wird im verengten Verbindungsrohr (7) stark beschleunigt und entspannt sich beim Verlassen des Rohres in der Kondensationskammer. Beides bewirkt, dass sich der Dampf stark abkühlt. The effluent steam is in the narrowed connecting pipe ( 7 ) greatly accelerates and relaxes when leaving the tube in the condensation chamber. Both of these causes the steam to cool off considerably.

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 (15). Diese drei Effekte sind der Grund für eine wesentlich erhöhte Ausbeute an Süßwasser.This so-called adiabatic relaxation has the immediate consequence that it (in principle) is constantly "raining" in the entire volume of the condensation chamber. In addition, it comes to the fact that constantly precipitates steam as a liquid on the cooling surfaces. The constant cooling of the entire condensation chamber and the design of the drip tray with minimal water surface also prevent re-evaporation of the water droplets just formed ( 15 ). These three effects are the reason for a significantly increased yield of fresh water.

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 (7) zwischen Verdampfungs- und Kondensationskammer ständig geöffnet, und es herrschen stabile Zustände, d. h. es wird ständig gleich viel Primärwasser der Verdampfungskammer (5) zugeführt wie in der Summe Süsswasser (15) aus der Kondensationskammer und (unverdünnte) Sole (8) aus der Verdampfungskammer abgeführt werden. Das heißt auch, dass alle Teilprozesse in den beiden Kammern ebenfalls mit gleichbleibender Geschwindigkeit ablaufen. Wesentliche, regelbare Einflußgrößen der Süsswasser-Ausbeute sind die Intensität der Sonneneinstrahlung in die Verdampfungskammer, die Ausgangstemperatur des kühlenden Primärwassers in der Kondensationskammer sowie Querschnitt und Öffnungsweite des Ventils sowie Länge des Verbindungsrohres.In normal operation, the expansion valve ( 7 ) between the evaporation and condensation chamber constantly open, and there are stable conditions, ie it is constantly the same amount of primary water of the evaporation chamber ( 5 ) as in the sum of fresh water ( 15 ) from the condensation chamber and (undiluted) brine ( 8th ) are removed from the evaporation chamber. This also means that all sub-processes in the two chambers also run at a constant speed. Significant controllable parameters of the fresh water yield are the intensity of solar radiation into the evaporation chamber, the outlet temperature of the cooling primary water in the condensation chamber, and the cross section and opening width of the valve as well as the length of the connecting pipe.

Im reduzierten Betrieb gibt es eine Phase des geschlossenen und eine Phase des geöffneten Entspannungsventils (7), Öffnen und Schließen des Entspannungventils bestimmen den zeitlichen Verlauf des Produktions-Zyklus mit seinen Teilabläufen in den beiden Kammern.In reduced mode, there is one phase of the closed and one phase of the opened expansion valve ( 7 ), Opening and closing of the expansion valve determine the time course of the production cycle with its partial drains in the two chambers.

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 (3), und maßgebend für das Offenhalten des Ventils ist die Größe der (großen) Druckfläche A2 (3)
Außerdem ist der ringförmige Auslass-Kanal des Ventils (3, Ziffer 2) angelehnt an das Bauprinzip einer Lavaldüse vorteilhaft so konstruiert, dass in allen Betriebszuständen eine ablösungsfreie, d. h. wirbelfreie Strömung entsteht (4a optimaler Erweiterungswinkel α = ca 9 bis 15 Grad).In an advantageous embodiment, the geometry of the valve and adjustable spring forces determine the shape and the threshold values of the hysteresis. Decisive for the opening of the valve is the size of the (small) pressure surface A1 ( 3 ), and decisive for keeping the valve open is the size of the (large) pressure surface A2 (FIG. 3 )
In addition, the annular outlet channel of the valve ( 3 , Paragraph 2) based on the construction principle of a Laval nozzle advantageously designed so that in all operating conditions a separation-free, ie vortex-free flow is formed ( 4a optimal extension angle α = approx. 9 to 15 degrees).

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 (4b) Hier treten dann besonders hohe Überschallgeschwindigkeiten auf, vergleichbar mit denen in Raketen- oder Flugzeug-Überschalltriebwerken.In large proposed desalination plants in which particularly large pressure differences between the evaporation chamber and the condensation chamber occur, the outlet channel can be made more "bell-shaped" ( 4b ) Here then occur particularly high supersonic speeds, comparable to those in rocket or aircraft supersonic engines.

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 (3) entsteht eine ausreichende Druckkraft, die diesen Vorgang verhindert. Insgesamt sind die regelbare Kraft der Schließfeder, die Weite des Durchlasses an der engsten Stelle sowie die Größe der Druckfläche A2 regelbar aufeinander abgestimmt. The valve is designed to prevent "fluttering", ie constant opening and closing of the valve. With the valve open and steam flowing through, a back pressure-based force tends to close at the narrowest point of the valve. Due to a sufficiently large pressure surface A2 ( 3 ) creates a sufficient compressive force that prevents this process. Overall, the controllable force of the closing spring, the width of the passage at the narrowest point and the size of the pressure surface A2 are adjustably matched to one another.

Zitierte DruckschriftenQuoted pamphlets

1) DE 19915818A1 1) DE 19915818A1
2) WO 02/087721 A2 2) WO 02/087721 A2
3) DE 100 47 522 A1 3) DE 100 47 522 A1
4) DE 3010 208 A1 4) DE 3010 208 A1
5) Thomas Brendel, Solare Meerwasserentsalzung mit mehrstufiger Verdunstung, (Diss.) Ruhr-Universität-Bochum, 2003 5) Thomas Brendel, Solar desalination with multi-stage evaporation, (Diss.) Ruhr-University-Bochum, 2003

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19915818 A1 [0004] DE 19915818 A1 [0004]
WO 02/087721 A2 [0007] WO 02/087721 A2 [0007]
DE 10047522 A1 [0008, 0010] DE 10047522 A1 [0008, 0010]
WO 02/087721 [0010] WO 02/087721 [0010]
DE 3010208 A1 [0012, 0013] DE 3010208 A1 [0012, 0013]

Claims

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 adjustable valve connects the solar Verdamfungskammer with the cooled by primary water condensation chamber to win low maintenance and inexpensive fresh water in small plants.

Verdampfungskammer nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskammer zur Erhöhung ihrer Wirksamkeit mit locker geschichteten Dornbüschen oder vorzugsweise schwarzem Plastikmaterial so gefüllt ist, dass die Strahlungsabsorption optimiert, die Verdampfungsflächen maximiert und durch die Rauheit des Materials der Siedepunkt des Salzwassers erniedrigt werden und das Schichtmaterial (Verbrauchsmaterial) die Sollstellen für das Ausfällen von Kontaminationsprodukten bildet.Evaporation chamber for protection claim 1 characterized in that the evaporation chamber is filled to increase their effectiveness with loosely piled thorn bushes or preferably black plastic material so that the radiation absorption is optimized, the evaporation surfaces are maximized and the roughness of the material lowers the boiling point of the salt water and the coating material (consumables) the target points for the precipitation of Forms contamination products.

Ventil nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Weite des geöffneten Ventils sowie die Schwellwerte für sein Öffnen und Schließen (Hysterese) mittels eines Mikroprozessors bezüglich der Intensität der Sonneneinstrahlung und des Druckunterschiedes zwischen Verdampfungs- und Kondensationskammer geregelt werden.Valve for protection claim 1 characterized in that the shape and width of the open valve and the thresholds for its opening and closing (hysteresis) are controlled by means of a microprocessor with respect to the intensity of the solar radiation and the pressure difference between the evaporation and condensation chamber.

Kondensationskammer nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch geometrisch-räumliche Vergrößerung und gute Dampfbeaufschlagung die Wirksamkeit der Kühloberflächen optimiert sowie durch Geometrie und Kühlung des Auffangbeckens für das Destillat ein Wiederverdampfen verhindert wird.condensation chamber for protection claim 1 characterized in that the effectiveness of the cooling surfaces is optimized by geometrical-spatial enlargement and good steaming, and re-evaporation is prevented by geometry and cooling of the collecting basin for the distillate.

Kondensationskammer nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Erhöhung ihrer Wirksamkeit unter Vakuum (gegenüber der Verdampfungskammer) betrieben wird.condensation chamber for protection claim 1 characterized in that this is operated to increase their effectiveness under vacuum (opposite the evaporation chamber).

vereinfachte Bauweise des Ventils nach Schutzanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch eine Mehrzahl von einfachen Lavaldüsen ersetzt wird, die mittels Mikroprozessorregelung jeweils in der optimalen Anzahl geöffnet oder geschlossen werden.simplified construction of the valve according to protection claim 3 characterized in that the valve is replaced by a plurality of simple Laval nozzles, which are opened or closed by microprocessor control in each case in the optimum number.

Primärwasserverwendung als Kühlwasser in der Kondensationskammer nach Schutzanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmung erreicht und die Zuführung in die Verdampfungskammer entsprechend dem Wasserstand im Solebecken und der Intensität der Sonneneinstrahlung sowie optional entsprechend der Erwärmung in einem Zusatzerhitzer mechanisch oder per Mikroprozessor geregelt wird. Mit dem Zusatzerhitzer ist es möglich, ergänzend zur Solareinstrahlung auch andere Wärmequellen zu nutzen, z. B. Abwärme von Kleinindustrie oder auch KleinkraftwerkenPrimary water use as cooling water in the condensation chamber for protection claim 4 characterized in that achieved a preheating and the supply to the evaporation chamber according to the water level in the brine pool and the intensity of solar radiation and optionally according to the heating in a booster heater is controlled mechanically or by microprocessor. With the booster heater, it is possible to use in addition to solar radiation and other heat sources, eg. B. waste heat from small industries or small power plants

Zwei oder mehr parallelgeschaltete Anlagen gemäß Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie in dem Sinne parallel geschaltet sind, dass die jeweiligen gleichen Funktionen mit nur einer gemeinsamen Mikroprozessorsteuerung gesteuert werden. Die Parallelschaltung ist besonders vorteilhaft, da die Süßwasserproduktion auch dann weiterläuft, wenn ein Modul gewartet wirdTwo or more parallel systems according to protection claim 1 characterized in that they are connected in parallel in the sense that the respective same functions are controlled with only a common microprocessor control. The parallel connection is particularly advantageous because the fresh water production continues even when a module is being serviced