DE202017001429U1

DE202017001429U1 - Solare Entsalzungsanlage nach dem Mehrstufendestillationsverfahren mit und ohne Sandspeicher

Info

Publication number: DE202017001429U1
Application number: DE202017001429.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2027-03-17

Abstract

Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren (s. ) dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorfeld (1) bestehend aus Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren so angeordnet ist, das die Wärmeeinkoppelung in die Entsalzungsanlage mit einem Ölkreislauf (4) über Naturkonvektion erfolgt.

Description

Thematischer Hintergrund
Die Trinkwasserversorgung, aber auch die Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen, stellt in vielen Küstenorten und ariden Gebieten der Erde ein zunehmendes Problem dar. Überbevölkerung, Tourismus, die zunehmende Industrialisierung und der Einsatz von Chemikalien in der Landwirtschaft bewirken, dass sich die Qualität des Süßwassers ständig verschlechtert. Angesichts dieser Wasserknappheit wurden zahlreiche Verfahren zur großtechnischen Meer- und Brackwasserentsalzung entwickelt. Wegen der hohen Investitions- und Betriebskosten und der oft nicht vorhandenen notwendigen Infrastruktur ist der Einsatz dieser großtechnischen Anlagen in vielen ländlichen Regionen der Erde, besonders für den dezentralen Einsatz in Entwicklungsländern, nicht geeignet. Für diesen Anwendungsbereich besteht ein Bedarf an wartungsarmen, preisgünstigen und leistungsfähigen dezentralen Kleinanlagen.
Neben der Trinkwassergewinnung aus Meer-, Brack- und salzhaltigem Grundwasser besteht ein großer Bedarf an Kleinanlagen für die Trinkwasserbereitung aus mit Fluor, Arsen und Blei kontaminierten Grundwässern. Besonders betroffene Länder sind zum Beispiel Indien, Bangladesh, Mexiko, Nordbrasilien, Chile und Regionen in Nordafrika.
Stand der Technik
Meer- und Brackwasserentsalzung ist kosten- und energieintensiv. Derzeitige Entsalzungsanlagen werden zum Großteil mit fossiler Energie betrieben. Zum Einsatz kommt in Regel die Abfallwärme aus Kraftwerken oder der darin produzierte Strom. Von den weltweit entsalzten 80 Millionen m³ pro Tag werden nur etwa 0,03% regenerativ erzeugt. Steigende Öl- und Gaspreise werden jedoch in Zukunft einen höheren Kostendruck auf energieintensive Verfahren wie die Meerwasserentsalzung ausüben. Für den dezentralen Einsatz in ariden strukturschwachen Regionen sind diese Großanlagen jedoch nicht geeignet. Eine interessante Alternative bietet die Nutzung erneuerbarer Energie von Sonne und Wind, da die Entsalzung meistens gerade dort benötigt wird, wo ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht.
Im Bereich der solaren Trinkwassergewinnung mit kleinen dezentralen Entsalzungsanlagen wird neben dem mechanischen Membranverfahren (Reverse Osmose-Anlagen (RO)) an der Weiterentwicklung drei verschiedener thermischer Entsalzungsverfahren gearbeitet, dem Membran-Diffusionsverfahren (MD), dem Feuchtluft Destillationsverfahren (Multiple-Effect-Humidification (MEH)) und dem Mehrstufendestillationsverfahren (MSD). Eine Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren wurde von den Antragstellern entwickelt.
Beschreibung der MSD-Anlagen
Aufgabe der Erfindung ist eine Entsalzungsanlage nach dem Mehrstufendestillationsverfahren, die sich durch hohe Effektivität, geringe Kosten und einfachen Betrieb in sonnenreichen dezentralen Regionen in Entwicklungs- und Schwellenländer zur Trinkwasserbereitstellung aus Meerwasser-, salzhaltigem Grund- oder Brackwasser eignet. Diese MSD-Anlagen wurden in verschiedenen Ländern unter extremen Randbedingungen eingesetzt und überzeugten durch ihre Einfachheit im Aufbau, Betrieb, Produktivität und Kosten. Der Betrieb lieferte zusätzlich wichtige Informationen für weitere Optimierungsschritte bzw. technische Erneuerungen für dieses Anlagenkonzept bzw. neuartige Anlagenvarianten, die im Folgenden beschrieben werden. Insgesamt ergeben sich fünf verschiedene Anlagenvarianten.
MSD-Anlage mit thermische Kollektoren und Sandspeicher mit Ölkreislauf (Abb. 1)
Eine neue Bauart von solarthermischen Entsalzungsanlagen nach dem Mehrstufendestillationsverfahren (MSD) mit Wärmerückgewinnung mit einem Sandspeicher ist in dargestellt. Die Anlage besteht aus einem Kollektorfeld (1) mit mehreren Flach- oder Vakuumkollektoren, einer Entsalzungseinheit (2) mit mehreren Kondensationsstufen (10) und einem Sandspeicher (3). Bei kleinen Kollektorfeldern erfolgt der Wärmetransport von den Kollektoren über den Kollektorkreislauf (4) in den Speicher (3) über Naturkonvektion. Dies wird dadurch erreicht, dass das Kollektorfeld tiefer als der Entsalzungsanlage (2) angeordnet ist. Das Wärmeträgermittel ist bei dieser Variante Öl. Falls das Kollektorfeld für Naturkonvektion zu groß wird, wird eine Pumpe (5), die im kälteren Rücklauf des Kollektorkreislaufes (4) eingebaut wird, für den Wärmetransport in den Speicher eingesetzt. Zur Erhöhung der solaren Einstrahlung ist an der Seitenwand Entsalzungsteils eine Spiegelfläche (6) angeordnet, die die Solarstrahlung auf das Kollektorfeld reflektiert und damit die Kollektorleistung erhöht.
Das Rohwasser (7) wird je nach Bedarf aus einem oberhalb der Entsalzungsanlage liegenden Rohwasserbehälter (9) mit Schwebstofffilter (8) über eine Rohwasserzulaufleitung auf die oberer Kondensationsstufe (10) geleitet. Je nach Anlage können bis zu 10 Kondensationsstufen (10) im Entsalzungsteil eingesetzt werden. Als Rohwassermenge wird etwa die zweifache Destillatmenge von oben in die Entsalzungsanlage eingeleitet. Das Rohwasser kann kontinuierlich oder auf einmal zugeführt werden. Das überschüssige Rohwasser in den Kondensationsstufen (10) fließt über die Rohwasserüberläufe (11) bis ins Folienbecken (17). Von dort gelangt die überschüssige Sole (18) über eine Soleabflussleitung (21) aus der Entsalzungsanlage.
Durch den Sandspeicher wird die sonnenscheinbedingte Abnahme der Trinkwasserproduktion in den Abend/Nachtstunden reduziert und die Tagesproduktion der Anlage (bei gleicher Anlagengröße des Entsalzungsteils) um etwa den Faktor 2–2,5 gegenüber einer Anlage ohne Speicher erhöht. Das Kollektorfeld (1) muss jedoch um etwa den gleichen Faktor vergrößert werden. Die Wärmezufuhr in den Sandspeicher (3) erfolgt über den Kollektorkreislauf (4) mit einer oder mehreren Wärmetauscherrohrwendeln (22). Durch den Wärmetransport von oben nach unten durch den Sandspeicher bildet sich ein entsprechendes Temperaturprofil im Sandspeicher aus. Die Wärmeauskopplung zum Entsalzungsteil (2) erfolgt über Naturkonvektion über einen unter dem Folienbecken (17) angeordneten öldurchflossenen Wärmetauscher (23) über eine Ölrücklaufleitung (24). Die Steuerung der Wärmeauskoppelung über den Wärmetauscher (23) in das mit Sole (18) gefüllte Folienbecken (17) erfolgt über ein thermo/mechanische Ventil (19) über die Ölrücklaufleitung (24). Es kann aber auch wahlweise ein elektrisch gesteuertes Ventil verwandt werden. Die Außenwände (14) des Sandspeicher (2) und des Entsalzungsteils (3) sind thermisch isoliert. Eine zusätzliche Isolation trennt den Sandspeicher (2) vom Entsalzungsteil (3). Vorteil dieses Speichers ist der einfache und kostengünstige Aufbau vor Ort und seine thermodynamischen Eigenschaften (drucklos, Temperatur bis ca. 300°C) mit ausreichenden Be- und Entladezeiten für einen nahezu stationären Betrieb der Entsalzungsanlage.
Das Folienbecken (17) besteht aus einem temperatur- und säurefesten Material (z. B. Teflon oder Silikon). Durch die Wärmezufuhr wird das Sole- bzw. Rohwasser (18) im Folienbecken (17) auf etwa 95–100°C erhitzt und zum Verdampfen bzw. Verdunsten gebracht. Der aufsteigende Dampf kondensiert an der Unterseite der darüber liegenden Kondensationsstufe (10). Die durch die Kondensation freiwerdende Verdampfungsenthalpie wird an die darüber liegende Stufe abgegeben und erwärmt das darin befindliche Rohwasser. Das Kondensat läuft, an der schrägen Unterseite der Kondensationsstufen (10) zu den Seitenwänden der Entsalzungsanlage ab, wird unten in einer Rinne (16) aufgefangen und in einen Sammelbehälter (20) am tiefsten Punkt der Anlage geleitet. Die Wärmezufuhr führt in die nächst höher liegende Kondensationsstufe zu einer erneuten Verdunstung und Kondensation. Die dadurch erreichte Wärmerückgewinnung senkt den spezifischen Wärmebedarf pro Liter Destillat. Insgesamt werden in der Anlage bis zu 10 Kondensationsstufen eingebaut. Die Kondensationsstufen (10) können zur Reinigung aus der Entsalzungsanlage (2) herausgezogen werden. Die Kondensationsstufen sind von innen mit einer temperatur- und säurefesten Kunststoffklebefolie (12) ausgekleidet. Dies verhindert die Korrosion der metallischen Kondensationsstufen durch das heiße salzhaltige Rohwasserwasser und verhindert feste Ablagerungen in den Stufen. Die Unterseite der Stufen hat eine oxydische Oberfläche (13), die durch Dipolbildung mit dem Kondensat ein Rücktropfen des Kondensates verhindert. Dies kann z. B. auch durch den Einsatz von Aluminium als Stufenmaterial erreicht werden, die im Betrieb der Anlagen an der Unterseite eine Oxydschicht (13) bilden.
MSD-Anlage mit Ölkreislauf ohne Speicher (Abb. 2)
Eine weitere neue Alternative stellt die Anlage mit Ölkreislauf ohne Speicher dar. Bei diesem Anlagentyp wird das heiße Öl vom Kollektorfeld (1) über Naturkonvektion oder bei größeren Anlagen mit einer Pumpe (5) direkt in den Wärmetauscher (23) unterhalb das mit der Sole gefüllte Folienbecken (17) geleitet. Die Anlage regelt sich selbst, das thermo/mechanische Ventil (19) entfällt. zeigt den unteren Stufenbereich mit dem thermischen Kollektorfeld. Der obere Entsalzungsteil ist mit dem in beschrieben Anlagenteil identisch.
MSD-Anlage mit Destillatkreislauf ohne Speicher (Abb. 3)
Neben der Wärmezufuhr aus thermischen Kollektoren durch einen Ölkreislauf kann die Anlage auch durch das aufgefangene Destillat als Wärmeträgermedium für die Kollektoren im Kollektorkreislauf (4) eingesetzt werden. In diesem Fall wird das untere Folienbecken (17) als Destillatauffangbecken verwandt, dadurch entfällt auch der Ölwärmetauscher (24). Durch ein Destillatüberlaufrohr (27) wird das aufgefangene Destillat in den Destillatbehälter geleitet (20). Das Destillat als Wärmeträgermittel verursacht im Kollektorkreislauf (4) keine Korrosion. Es wird in den Kollektoren erhitzt und zum Verdampfen gebracht und tritt als Dampf unter der untersten Kondensationsstufe (10) aus. Das Dampfaustrittrohr (26) ist oberhalb des Destillatspiegels im Folienbecken angeordnet, so dass nur eine Strömungsrichtung möglich ist und Naturkonvektion entsteht. Bei größeren Anlagen kann auch eine Pumpe (5) eingesetzt werden. Der Dampf kondensiert an der darüber liegenden Kondensationsstufe und erwärmt die darin enthaltene Sole. Die überschüssige Sole wird von der untersten Kondensationsstufe über eine Soleabflussleitung (21) abgeleitet. zeigt den unteren Stufenbereich mit dem thermischen Kollektorfeld. Der obere Entsalzungsteil ist mit dem in beschrieben Anlagenteil identisch.
MSD-Anlage mit Photovoltaikgenerator und Sandspeicher mit Ölkreislauf (Abb. 4)
Statt der thermischen Kollektoren werden bei diesem neuem Konzept Photovoltaikpanels (28) für die Wärmeerzeugung eingesetzt. Die Wärmeauskopplung an den Ölkreislauf im Sandspeicher (31) erfolgt über einem elektrisch beheizten Wärmetauscher (29) im unteren Teilbereich des Sandspeichers. Durch die Erwärmung des Öls nimmt die Dichte des Öls ab und das Öl steigt nach oben und fließt durch die Rohrwendelwärmetauscher (22) und gibt seine Wärmeenergie an den Sandspeicher (2) ab. Der Wärmetransport erfolgt somit über Naturkonvektion. Bei größeren Anlagen kann auch eine Pumpe eingesetzt werden. zeigt das Anlagenschema des veränderten Teils der Wärmeeinspeisung in dem Sandspeicher. Alle anderen Komponenten entsprechen der Anlage mit Sandspeicher und thermischen Kollektoren (s. ).
MSD-Anlage mit Photovoltaikpanels ohne Speicher (Abb. 5)
Bei dieser Alternative ohne Speicher wird der von dem Photovoltaikgenerator (28) erzeugte Strom direkt über eine Widerstandsheizung (29) z. B. einer Heizmatte zur Erwärmung des Rohwassers im Folienbecken (19) benutzt. Der andere Entsalzungsteil ist identisch mit der Anlage mit thermischer Wärmeeinbindung mit Solarkollektoren. Es besteht aber auch die Möglichkeit die Widerstandsheizung der Entsalzungsanlage (30) ohne Photovoltaik-Anlage direkt mit Strom aus dem Netz zu betreiben. zeigt den unteren Teil der Entsalzungsanlage mit der photovoltaischen Stromversorgung.
Bezugszeichenliste

1: Kollektorfeld
2: Entsalzungsanlage
3: Speichereinheit
4: Kollektorkreislauf
5: Pumpe
6: Spiegel
7: Rohwasser
8: Filter
9: Rohwasserbehälter (Hochbehälter)
10: Kondensationsstufe
11: Rohwasserüberlauf
12: Klebefolie
13: Oxydschicht
14: Isolierung
15: Thermostat
16: Destillatauffangrinne
17: Folienbecken
18: Sole
19: Thermostatventil
20: Destillatbehälter
21: Soleabflussleitung
22: Wärmetauscherrohrwendel
23: Wärmetauscher
24: Ölrücklaufleitung
25: Sand
26: Dampfaustrittsrohr
27: Kondensatüberlaufrohr
28: Photovoltaikgenerator
29: Widerstandsheizung (Ölkreislauf)
30: Elektrische Heizmatte
31: Ölkreislauf im Sandspeicher

Claims

Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren (s. ) dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorfeld (1) bestehend aus Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren so angeordnet ist, das die Wärmeeinkoppelung in die Entsalzungsanlage mit einem Ölkreislauf (4) über Naturkonvektion erfolgt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkopplung vom Kollektorfeld (1) bestehend aus Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren mit einem Ölkreislauf (4) über eine elektrisch betriebene Pumpe (5) erfolgt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren (s. ) dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkopplung vom Kollektorfeld (1) bestehend aus Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren mit Destillat aus dem unteren Folienbecken (17) über Naturkonvektion in die Entsalzungsanlage erfolgt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren (s. ) dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkopplung vom Kollektorfeld (1) bestehend aus Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren mit Destillat aus dem unteren Folienbecken (17) mit einer Pumpe (5) in die Entsalzungsanlage erfolgt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeauskoppelung über einen Ölwärmetauscher (24) an das Rohwasser bzw. Sole (18) in einem Folienbecken (17) erfolgt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Folienbecken (17) aus einem wasserdichten, temperatur- und säurefesten Kunststoff (Teflon, Silikon usw.) besteht.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsstufen (10) zur Reinigung aus der Entsalzungsanlage (2) herausgezogen werden können.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat von den Kondensationsstufen (10) zur Seitenwand abläuft und am Boden der Anlage über zwei Auffangrinnen (16) aufgefangen wird.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsstufen (10) auf der Rohwasserseite mit einer wasserdichten, temperatur- und säurefesten Kunststofffolie (12) ausgeklebt sind und somit die Korrosion der Kondensationsstufen durch das Rohwasser oder Sole (18) verhindert wird.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, das die Kondensationsstufen (10) mit Überlaufrohren (11) ausgestattet sind, die überschüssiges Rohwasser (7) bei der Einfüllung mit Rohwasser in die Anlage in die darunterliegenden Kondensationsstufen (10) ableitet.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsstufen auf der unteren Kondensationsseite eine Oxydschicht (13) aufweisen und damit ein Abtropfen des Kondensats verhindert wird.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsstufen (10) aus Aluminium gefertigt sind, die bei Betrieb der Anlage auf der unteren Kondensationsseite eine Oxydschicht (13) aufbauen, und damit ein Abtropfen des Kondensats verhindert wird.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkopplung statt durch thermische Kollektoren durch eine mit einem Fotovoltaikgenerator (28) betriebene Widerstandsheizung (30) erfolgt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsheizung (30) direkt unter dem Folienbecken (17) angeordnet ist und die darin enthaltene Sole (18) erhitzt und zum Verdampfen bringt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkopplung in die Entsalzungsanlage über eine Widerstandheizung (30) mit Strom aus dem Netz erfolgen kann.
Solare Entsalzungsanlage (2) nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmenergie über einen Ölkreislauf (4) mit Hilfe von Rohrwendelwärmetauschern (22) in einem Sandspeicher (3) gespeichert wird.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmenergie über einen Ölkreislauf bestehend aus einer Ölrücklaufleitung (24) und Rohrwendelwärmetauscher (22) über ein Ölwärmetauscher (24) unter dem Folienbecken (17) aus dem Sandspeicher über Naturkonvektion entnommen wird und damit die Sole (18) im Folienbecken erhitzt und zum Verdampfen bringt.
Solare Entsalzungsanlage nach dem MSD-Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme der Wärmenergie aus dem Sandspeicher (3) in das Folienbecken (17) über ein Thermoventil (19) in der Ölrücklaufleitung (24) gesteuert wird.
Sandspeicher (3) dadurch gekennzeichnet, dass der Solarstrom aus den Photovoltaikgeneratoren (28) über einen elektrischen Wärmetauscher (29) seine Energie an einen Ölkreiskreislauf (31) abgibt und damit den Sandspeicher über die Rohrwendelwärmetauscher (22) mit Hilfe der Naturkonvektion aufheizt.
Sandspeicher (3) dadurch gekennzeichnet, dass der mit Photovoltaikgeneratoren (28) betriebene elektrische Wärmetauscher (29) im unteren isolierten Bereich des Speichers so angeordnet ist, dass über den Ölkreiskreislauf (31) der Wärmetransport über Naturkonvektion stattfindet und damit der Sandspeicher über die Rohrwendelwärmetauscher (22) aufheizt wird.
Sandspeicher (3) dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherentladung über die Rohrwendelwärmetauscher (22) zu einem thermischen Verbraucher über Naturkonvektion mit Hilfe einer Ölrücklaufleitung (24) möglich ist.