DE2431204B2 - Vorrichtung zur Gewinnung von destilliertem Wasser aus Salzwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von destilliertem Wasser aus Salzwasser, mit so mindestens drei in einem Gehäuse übereinander angeordneten Kondensationselementen, weiche ebene Oberseiten und geneigte Bodenplatten aufweisen, und mit einer dem Beheizen des untersten Kondensationselementes dienenden Heizeinrichtung.

Eine derartige Lösung ist aus der DE-OS 15 17 492 bekannt. Sie betrifft einen Verdampfer zum Erzeugen von destilliertem Wasser aus Salzwasser oder Brackwasser. Insbesondere, entsprechend Fig. 1, sind im Gehäuse des Verdampfers mehrere Kondensationsele- m> mente übereinander angeordnet, wobei lediglich das unterste Kondensationselement beheizt wird. Die übrigen Kondensationselemente werden durch die entstehende Kondensationswärme aufgeheizt. Dadurch, daß die Kondensationselemente von einer senkrechten <>5 Wand des Gehäuses zur anderen senkrechten Wand verlaufen, und darüber hinaus die Kondensationselemente eine bestimmte Neigung haben müssen, damit ein tropffreier Kondensatablauf gewährleistet ist, ergeben sich zwei wesentliche Nachteile. Der erste Nachteil besteht darin, daß jedem Kondensationselement ein Salzwasserzulauf und -ablauf sowie jedem Kondensaticnselement ein Kondensatablauf zugeordnet sein muß. Dies verkompliziert und verteuert die Gesamtanlage in wesentlichem Umfang. Außerdem wirkt sich die Schräge derart negativ aus, daß für die Staffelung der Kondensationselemente eine größere Höhe in Anspruch genommen wird.

Weiterhin ist aus der DE-OS 1940693 eine Vorrichtung zur Destillation von Meerwasser bekannt, wobei die Gesamtanordnung aus zwei übereinander angeordneten Kolonnen besteht, von denen die obere Kolonne eine Flash-Kolonne und die untere eine Kondensationskolonne ist In der oberen Kolonne erfolgt das Verdampfen des Meerwassers und in der unteren Kolonne durch eine Kühlflüssigkeit das Kondensieren des Dampfes. Diese Übereinanderanordnung der beiden Kolonnen erfordert nicht nur eine große Bauhöhe der Gesamtanlage, sondern darüber hinaus einen erheblichen Verbrauch an Kühlflüssigkeit, welche sich mit dem Kondensat vermischt Außerdem müssen sämtliche Elemente der Flash-Kolonne beheizt werden, damit eine einwandfreie Verdampfung über die gesamte Höhe gewährleistet ist.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei verringerter Wärmezufuhr im Verhältnis zur Wasserausbeute und bei gutem Ablauf des Kondensates an den Kondensationselementen mit einfachen konstruktiven Mitteln eine möglichst geringe Bauhöhe gewährleistet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß oberhalb des obersten Kondensationselementes ein Zuführrohr zum Zuführen von zu entsalzendem Salzwasser vorgesehen ist, daß die Bodenplatten koaxial angeordnet und ins Innere des Gehäuses geneigt sind und nach oben ragende, innere Wände aufweisen, die zentrale, miteinander in Verbindung stehende öffnungen begrenzen, welche einen angrenzenden axialen Durchlaß durch den Aufbau bilden, daß Auslaßrohre voi jedem der Kondensationselemente zum nächst tieferen Kondensationselement führen, ausgenommen vom untersten Kondensationselement, welches statt dessen ein Abflußrohr zum Ausstoßen nicht verarbeiteten Wassers aufweist, und daß ein Auffanggefäß unterhalb der untersten der öffnungen zum Ableiten des entsalzten Wassers angeordnet ist.

Durch die konzentrische Anordnung der Kondensationselemente, deren Bodenplatten von allen Seiten gleichmäßig zur Mitte des Gehäuses hin geneigt sind, besteht die Möglichkeit, dem gesamten System das Salzwasser nur über eine einzelne Leitung zuzuführen, so daß das Salzwasser die Gesamtanlage durchfließen kann, und dabei über sämtlichen Kondensationselementen eine große Verdampfungsfläche gegeben ist. Bei gegenüber der DE-OS 15 17 492 gleicher Neigung der Kondensationselemente erzielt man bei dichter Staffelung eine um die Hälfte verringerte Bauhöhe, da die Kondensationsplatten nicht von einer senkrechten Wand zur anderen senkrechten Wand schräg verlaufen, sondern vielmehr von beiden Wandungen nach innen mit derselben Neigung. Für das Kondensat bedarf es nicht einzelner Abführkanäle, da die Kondensationselemente derart mit zentralen öffnungen versehen sind, daß das Kondensat zentral abfließen kann. Diese sehr kompakte Anlage gestattet darüber hinaus einen hohen

Wirkungsgrad hinsichtlich der Abgabe der Kondensationswärme an die einzelnen Kondensationselemente. Dies bedeutet, daß nicht nur eine verringerte Wärmezufuhr im Verhältnis zur Wasserausbeute und ein guter Ablauf des Kondensates am Kondensationselement gewährleistet ist, sondern darüber hinaus auch eine besonders einfache und kompakte Bauweise, die eine geringe Bauhöhe der Anlage gestattet

Insbesondere durch die Merkmale des Unteren spruchs 4 erreicht man eine geringere Neigung der Kondensationselemente, so daß die Verringerung der Bauhöhe weiter optimiert werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt eines Kondensationselementes, das einen Teil der Vorrichtung bildet,

Fig.3 einen vergrößerten Teilschnitt einiger Kondensationselemente,

F i g. 4 eine Darstellung der Wärmeverteilung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig.5 ein Wärmeberechnungsschema für die erfindungsgemäße Vorrichtung, und

Fig.6 eine Darstellung einer Wärmeverteilung bei einer herkömmlichen Vorrichtung zum Vergleich mit der Darstellung der F i g. 4.

Eine Vorrichtung 20 zur Gewinnung von destilliertem Wasser aus Meerwasser, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, ist aus mehreren, nach innen geneigten Kondensationselementen 2 zusammengesetzt, die koaxial in einem Behälter 1 aufgestapelt sind. Die Kondensalionselemenie sind schalenartig und haben eine leichte Abwärtsneigung von der Kante zur Mitte am unteren Teil einer nach innen geneigten Bodenplatte 3, die einen Teil jedes Kondensationselementes bildet. In der Mitte ist eine öffnung 4 vorgesehen, die nach oben erweitert ist. Die Bodenplatte 3 hat eine äußere Wand 6, deren Höhe nicht geringer als die einer inneren Wand 5 ist welche die öffnung 4 bildet. Jede Bodenplatte 3 hat in der Nähe ihres äußeren Randes auch ein vertikales Auslaßrohr 7 (Fig. 1). Das untere Ende des Auslaßrohres 7 führt zur Oberseite des darunterliegenden, folgenden Kondensationselementes 2. Das Auslaßrohr 7 des untersten Kondensationselements 2b führt zu einem Abflußrohr 8. Ein Kühlrohr 9 verläuft durch alle öffnungen 4, und sein oberes Ende ragt in das oberste Kondensationselement 2a hinein und ist dort befestigt. Das oberste Kondensationselement 2a ist im wesentlichen genauso wie die anderen Kondensationselemente 2. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß das Kondensationselement 2a keine Öffnung 4 aufweist.

Die Kondensationselemente 2, la und 2b sind koaxial aufgestapelt. Ein Auffanggefäß 10 ist unter der untersten öffnung 4 angeordnet, und ein Ablaßrohr 11 ist am Auffanggefäß angeschlossen. Eine schematisch dargestellte Wärmequelle 12 ist unter dem untersten Kondensationselement 2b vorgesehen. Alternativ kann auch ein Heißwasserrohr 13 vorgesehen werden (F i g. 1), das heißes Wasser von einer nicht dargestellten anderen Vorrichtung zum Behälter bzw. zur Oberseite des Kondensationselements 2b zuführt. Außerdem ist ein Zuführrohr 14 am oberen Kondensationselement 2a vorgesehen, welches das Eeewasser, möglicherweise von einer anderen Vorrichtung, zuführt.

ίο

Der Dampf wird dazu gebracht, an den Oberflächen der Bodenplatten 3 zu kondensieren, welche eine leichte Einwärtsneigung haben, entlang der das kondensierte Wasser in der Mitte gesammelt wird und zur Außenseite geführt wird (z. B. durch das AblaBrohr 11).

Nun könnte ein Teil des Kondensats tropfenweise in die Kondensationselemente 2 fallen, wenn die Sammlung des Wassers nur durch Schwerkraft erfolgen würde. Um das Sammeln des Wassers sicherzustellen und zu steigern, wird daher die an der Bodenplatte wirkende Oberflächenspannung durch filmartiges Wachstum des kondensierten Wassers verstärkt Hierzu werden die Bodenplatten 3 aus Kupfer oder Aluminium (F i g. 3) hergestellt unter denen drahtgitterartige oder gewobene Schichten 15 angebracht werden. So tritt keine tröpfchenweise Kondensation auf, weil die Wassersammeiwirkung durch die erzielte Oberflächenspannung verstärkt wird.

Wenn der Durchmesser der KLondensationselemente 2 z. B. 500 mm beträgt und der Höhenunterschied zwischen den äußeren Rändern der Bodenplatten 3 und ihren Mitten kleiner als 20 mm ist kommt es vor, daß der an den Unterseiten der Bodenplatten 3 haftende Kondenswasserfilm aufgrund des tröpfchenweisen Wachsens des Kondenswassers in die darunter befindlichen, nachfolgenden Kondensationselemente 2 fäll!.

Wenn jedoch die drahtgitterartigen oder gewobenen Schichten 15 unter mindestens einigen Bodenplatten 3 vorgesehen s'nd, wie es zuvor erwähnt wurde, fallen die kondensierten Tröpfchen nicht einmal ab, wenn die oben erwähnte Höhendifferenz kleiner als 5 mm ist. In diesem Fall ist es möglich, daß die Schichten verdampften Dampfes (das Innere zwischen jeder Verdampfungsfläche und der kondensierten Fläche) in den Mitten 5 bis 10 mm dick gemacht werden können und 15 bis 20 mm an den äußeren Rändern. Dadurch wird die Zeit des Dampfstadiums sehr kurz, und der Wärmeverlust wird daher klein, wenn die Vorrichtung nicht in einem vollständig adiabatischen Stadium ist.

Im Betrieb läßt man Meerwasser, insbesondere Salzwasser, durch das Zuführrohr 14 in das oberste Kondensationselement 2a fließen, wo es aufbewahrt wird. Das überschüssige Wasser fließt anschließend durch die Rohre 7 in die tieferen Kondensationselemente 2 nach unten. Gleichzeitig fließt das oben erwähnte überschüssige Wasser durch das Kühlrohr 9 nach unten. Vorausgesetzt, daß alle Kondensationselemente 2 mit Meerwasser gefüllt sind, wird das unterste Kondensationselement 2b durch die Wärmequelle 12 beheizt, oder ihm wird heißes Wasser durch das Heißwassereinlaßrohr 13 zugeführt. Dann verdampft das Wasser im Kondensationselement 2b, und der Dampf kondensiert an der Unterseite der Bodenplatte 3 des oberen Kondensationselements 2 darüber und wird verflüssigt. Die Flüssigkeit bewegt sich entlang der Unterseite der Bodenplatte zur Mitte und wird im Auffanggefäß 10 durch die öffnungen 4 entlang am Kühlrohr 9 gesammelt.

Wenn der Dampf kondensiert, wird die Kondensationswärme von dem Wasser in dem gerade darüber befindlichen Kondensationselement 2 als merkliche Wärme durch dessen Bodenplatte 3 aufgenommen und wird wieder als Verdampfungswärme zum Verdampfen des Wassers verwendet.

Jedes Kondensationselement 2 erzeugt durch Wiederholen dieses fundamentalen Prinzips destilliertes oder Frischwasser, welches über die Öffnungen 4 im Auffanggefäß 10 gesammelt wird. Das Kühlrohr 9

verläuft durch die öffnungen 4, auch um das destillierte Wasser am erneuten Verdampfen zu hindern.

Gewöhnlich wird die durch die Wärmequelle (12 oder 13) zugeführte Wärme sowohl in Form latenter als auch fühlbarer Wärme verwendet. Bei der beschriebenen Vorrichtung ist nun die Wassertiefe jedes Kondensationselements 2 sehr niedrig, weil die Neigung der Bodenplatte 3 sehr klein ist, wie oben beschrieben wurde. So kann der größte Anteil der durch die Wärmequelle zugeführten Wärme als latente Wärme verwendet werden.

Zuerst kann der größte Teil der durch die Wärmequelle abgegebenen Wärme im untersten Kondensationselement 2b in Form latenter Wärme zur Verdampfung des Meerwassers verwendet werden. Dann tritt der die latente Wärme enthaltende Dampf zwischen dem untersten Kondensationselement und der nächst höheren Stufe auf.

Wenn dieser Dampf am Boden des zweiten Kondensationselements 2, insbesondere an der Unterseite der nächst höheren Bodenplatte 3, haftet, tritt Kondensationswärme auf, und es wird gleichzeitig kondensiertes oder reines, destilliertes Wasser erhalten. Der größte Anteil der Kondensationswärme wird so aus dem oben erwähnten Grunde als Verdampfungswärme verwendet.

Je mehr die Anzahl der Kondensationselemente gesteigert wird, desto mehr Wärmebewegung tritt daher auf, wie in F i g. 4 bei Wl, H 2... Hn gezeigt ist, und desto mehr steigt die Menge des kondensierten Wassers.

In Fig.4 ist zu sehen, daß die Wassertemperatur in den Kondensationselementen 2 sich steigert, wenn entlang der Elemente von oben nach unten abgestiegen wird, weil ein kleiner Teil der durch die Wärmequelle zugeführten Wärme als spürbare Wärme verwendet wird, d. h. zum Steigern der Wassertemperatur. Die Differenz Δ T der Temperatur des behandelten Meerwassers L 1 und des verbleibenden Wassers L 2 tritt in Erscheinung.

Wenn die Entsalzungsvorrichtung N Kondensationselemente aufweist, und die dem Element 2b zugeführten Kalorien H zur Erzeugung des Frischwassers C verwendet werden, wird ungefähr eine Temperatur

Δ Tauf jedes Kondensationselement 2 verteilt. Die

Gesamtmenge des Frischwassers C ist der Unterschied zwischen der Menge des zugeführten Meerwassers L 1 und des verbleibenden Wassers L 2, d. h. die Menge der Reduktion.

Es wurde ein einfacher Versuch durchgeführt, um die obige Hypothese zu beweisen. In Fig.5 ist eine experimentelle Temperaturverteilung der Kondensationselemente dargestellt Unter der Bedingung, daß die Vorrichtung drei Kondensationselemente aufweist, denen oben das Kondensationselement 2a hinzugefügt wird, ließ man eine Wassermenge von 36,8 g mit einer Temperatur von 25°C/min einfließen. Dem untersten Kondensationselement 2b wurde eine Wärme von 6 Kilokalorien/min zugeführt und die Temperatur des Wassers in den Kondensationselementen 2b, 2c, 2c/und 2a (wie sie in Fig.5 unabhängig von den übrigen Bezeichnungen 2a und 2b bezeichnet sind) auf 100, bzw. 85,70 und 55° C gesteigert.

Die Menge des erhaltenen Frischwassers betrug 10; 9,7 und 93 g (insgesamt 29 g) von den Kondensationselementen 2c bzw. 2c/und 2a, während 7,8 g Dampf frei vom obersten Kondensationselement 2a verdampften.

So wurde die Menge des zugeführten Wassers von 36,8 g, die pro Minute in das oberste Kondensationselement 2a gegossen wurde, auf 29; 19,7 und 10 g verringert, während sie nach unten hindurchging, und am Ende wurde eine Menge konzentrierten Salzwassers von 0 g/min im untersten Element 2bgefunden.

Wenn 600 Kalorien notwendig sind, um 1 g Frischwasser zu erhalten, versteht es sich aus dem obigen Versuch, das 10 g χ 600 Kalorien = 6 Kilokalorien im Kondensationselement 2c der zweiten Stufe verbraucht werden, welche 100% der erzeugten Wasserleistung für die 6 Kilokalorien ausmacht, die vom Kondensationselement 2b der ersten Stufe pro Minute zugeführt werden.

Ferner werden 9,7 g χ 600 Kalorien = 5,85 Kilokalorien beim Kondensationselement 2c/ der dritten Stufe verbraucht und 9,3 g χ 600 Kalorien = 5,58 Kilokalorien beim obersten Kondensationselement 2a, was die Höhe von 98 bzw. 95% des Wirkungsgrades der

2(i Wassererzeugung beweist. Daher beweisen die berechneten Werte, d. h. 100%, 98% und 95%, klar die obige Hypothese.

Bei einer mehrstufigen Vorrichtung der herkömmlichen Art, wie sie schematisch in Fig.6 dargestellt ist, steigt die Temperatur des Seewassers L1, welches stetig latente Wärme des Dampfes in Form fühlbarer Wärme H1, H2 ...Hn aufnimmt, und wird in mehreren Stufen verdampft, nachdem es in der letzten Stufe erwärmt ist, und fließt dann als Restwasser L 2 ab.

Im Vergleich mit der herkömmlichen, mehrstufigen, mit Verdampfung arbeitenden Vorrichtung, in der das Wasser die Wärme in Form fühlbarer Wärme trägt, ist der Anstieg der Wassertemperatur in der beschriebenen Entsalzungsvorrichtung durch fühlbare Wärme sehr

i") klein, und der größte Teil der durch Dampf vorhandenen latenten Wärme wird zur Verdampfung des Wassers benutzt wie durch die Versuchswerte der F i g. 5 gezeigt wurde.
Mit anderen Worten, steigert die beschriebene

ίο Entsalzungsvorrichtung die erzeugte Wasserleistung durch Verwendung der Temperaturdifferenzen in einer Serie, während herkömmliche, mehrstufige, mit Verdampfung arbeitende Vorrichtungen die Wärme wiederholt parallel verwenden.

Die Betriebskosten einer Meerwasser-Entsalzungsvorrichtung werden stark durch die Art der Wärmequelle beeinflußt. In einem mehrstufigen Überlaufsystem, das im Prinzip ein Verdampfungsverfahren darstellt wird billiger Dampf als Wärmequelle verwendet z. B.

so durch thermische und atomare Energieerzeugung.

Es kann auch wirksam Sonnenenergie als Wärmequelle verwendet werden und auch eine Wärmepumpe kann als zusätzliche Wärmequelle benutzt werden. Daher würden die Betriebskosten einer solchen Entsalzungsvorrichtung durch Verwendung von Sonnenenergie als Hauptenergie und einer Wärmepumpe als sekundäre Wärmequelle niedriger sein.

Derzeit ist ein herkömmliches Entsalzungsverfahren bekannt das Sonnenenergie als Wärmequelle benutzt Es ist das sogenannte »Treibhausverfahren«. Wenn dieses bekannte Verfahren mit dem hier beschriebenen Verfahren und der hier beschriebenen Vorrichtung verglichen wird, so sind die letzteren in folgenden zwei Punkten überlegen: Erstens kann Sonnenenergie

*>5 wirksamer in Wärmeenergie umgewandelt werden, und zweitens ist die erzeugte Wassermenge der im Treibhausverfahren erzeugten erheblich überlegen.
F i g. 2 zeigt ein etwas abgewandeltes Kondensations-

element 2, das jedoch keine zentrale öffnung aufweist (wie sie in Fig. 1 in der Mitte des obersten Kondensationselements 2a gezeigt ist). Das Kühlrohr 9 erreicht nicht dieses oberste Kondensationselement. Diese Darstellung wurde auch verwendet, um zu zeigen, daß ein etwas anders gestaltetes Heißwassereinlaßrohr 13 für das unterste Kondensationselement 2b verwendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Gewinnung von destilliertem Wasser aus Salzwasser, mit mindestens drei in einem Gehäuse übereinander angeordneten Kondensationselementen, welche ebene Oberseiten und geneigte Bodenplatten aufweisen, und mit einer dem Beheizen des untersten Kondensationselementes dienenden Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des obersten Kondensationselementes (2a) ein Zuführrohr (14) zum Zuführen von zu entsalzendem Salzwasser vorgesehen ist, daß die Bodenplatten koaxial angeordnet und ins Innere des Gehäuses geneigt sind und nach oben ragende, innere Wände (5) aufweisen, die zentrale, miteinander in Verbindung stehende öffnungen (4) begrenzen, weiche einen angrenzenden axialen Durchlaß durch den Aufbau bilden, daß Auslaßrohre (7) von jeden» der Kondensationsele- 2ß mente zum nächst tieferen Kondensationselement führen, ausgenommen vom untersten Kondensationselement (2b), welches statt dessen ein Abflußrohr (8) zum Ausstoßen nicht verarbeiteten Wassers aufweist, und daß ein Auffanggefäß (10) unterhalb der untersten öffnung (4) zum Ableiten des entsalzten Wassers angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlrohr (9) vorgesehen ist, das mit seinem oberen Ende in das oberste Kondensationselement (2a) ragt und durch die axialen öffnungen (4) nach unten verläuft.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (4) der Bodenplatten (3) am oberen Ende erweitert sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine die tröpfchenweise Kondensation verhindernde Schicht (15) an der Unterseite mindestens einer der Bodenplatten (3) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der gestapelten Kondensationselemente (2b, 2, 2a) im Aufbau zwischen 15 und 20 mm beträgt.