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nMeerwasser-Entsalzungsanlage"
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Die Erfindung betrifft eine Meerwasser-Entsalzungsanlage mit wenigstens
einem Verdampfungsraum, in dem ein Trägerluftstrom mit verdampftem Meerwasser beladbar
ist sowie mit wenigstens einem dem Verdampfungsraum nachgeschalteten Kondensationsraum,
in dem mindestens ein Wärmetauscher für die Kondensation des vom Trägerluftstrom
mitgeführten Wasserdampfes angeordnet ist, wobei das für die Entsalzung vorgesehene
Meerwasser unter Aufnahme der Kondensationswärme des Wasserdampfes durch den Wärmetauscher,
zur weiteren Aufheizung durch wenigstens einen Vorwärmer und zur Dampfbildung anschließend
wenigstens einem im Verdampfungsraum angeordneten Zerstäuber zuführbar ist.
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Bei einer bekannten Entsalzungsanlage dieser Art sind Verdampfungsraum
und Kondensationsraum jeweils in nebeneinander-
stehenden, vertikalen
Schächten angeordnet, deren oberen Enden durch eine Leitung, welche im Verhältnis
zum Querschnitt der Schächte eng ist, miteinander verbunden sind.
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Im oberen Bereich des Verdampfungsraums ist #der Zerstäuber angeordnet,
dessen Spritzdüsen nach unten auf die im Verdampfungsraum angeordneten Füllkörper
gerichtet sind.
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Das zerstäubte Meerwasser trifft hierbei auf die Füllkörper, rieselt
über diese nach unten unter weitgehender Sättigung des Trägerluftstroms der im Gegenstrom
durch den Verdampfungsraum geführt wird.
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Im Kondensationsraum ist eine Kühlschlange angeordnet für die Kondensation
des vom Trägerluftstrom mitgeführten Wasserdampfes, der als entsalztes Wasser tropfenförmig
ausfällt und in einem unterhalb angeordneten Sammelbecken aufgefangen wird. Das
für die Entsalzung vorgesehene Meerwasser wird hierbei durch die Kühlschlange geführt,
wobei es die Kondensationswärme aufnimmt, und anschließend zu einem elektrisch oder
mit Brennstoffen beheizten Vorwärmer geleitet zur weiteren Aufheizung. Dann wird
das so aufgeheizte Meerwasser dem Zerstäuber zugeführt.
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Diese bekannte Anlage entspricht nicht den zu stellenden Forderungen
bezüglich der Wirtschaftlichkeit. Denn insbesondere durch die nebeneinanderliegende
Anordnung von Verdampfungsraum und Kondensationsraum sowie durch die etwa in gleicher
Höhenlage erfolgende Verdampfung und Kondensation des Meerwassers ist keine natürliche
Luftbewegung.
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durch die Entsalzungsanlage in Folge thermischen Auftriebs möglich,
so daß ein Ventilator und somit elektrische Energie für die Erzeugung des Trägerluftstroms
erforderlich ist.
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Desweiteren ist die Wirtschaftlichkeit der bekannten Entsalzungsanlage
durch den Aufwand an Heizenergie für den Vorwärmer in Frage gestellt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meerwasser-Entsalzungsanlage
der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß ihre Wirtschaftlichkeit gesteigert
ist, insbesondere durch weitgehende Verringerung des Bedarfs an elektrischer Energie
und/oder aus Primär energie erzeugter Heizenergie. Darüberhinaus soll die Anlage
in ihrem Aufbau einfach und somit billig herstellbar sowie den im Betrieb auftretenden
üblichen Belastungen voll gewachsen sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Kondensationsraum
oberhalb des Verdampfungsraums angeordnert ist und sich vorzugsweise unmittelbar
an diesen anschließt, daß der Vorwärmer als Solarkollektor ausgebildet und der Trägerluftstrom
durch Naturzug erzeugbar ist. Dazu wird die Dichtedifferenz zwischen der Luft vom
Umgebungszustand und dem Zustand mit höherer Temperatur und relativer Feuchte am
oberen Ende des Kondensationsraumes ausgenutzt, wobei die Vermeidung von Rohrleitungen,
die bei der bekannten Anlage zur Verbindung von Verdampfungsraum und Kondensationsraum
erforderlich sind, die Strömungswiderstände so weit verringert, daß sich ein Trägerluftstrom
durch thermisch ausgelösten Naturzug einstellen kann. Ein Ventilator und der damit
verbundene Aufwand an Antriebsenergie ist somit nicht erforderlich. Gleichzeitig
wird durch die Ausnutzung der Sonnenenergie für die Aufheizung des Meerwassers der
Bedarf an Energie weiter gesenkt, so daß insgesamt gesehen die Wirtschaftlichkeit
der Entsalzungsanlage ohne besonderen Aufwand gesteigert ist.
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Als Meerwasser im Sinne vorliegender Anmeidung sollen sämtlich salzhaltigen
Wässer, wie zum Beispiel auch Seewasser oder Brackwasser, verstanden sein.
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Um die Ausbildung des Trägerluftstroms durch Naturzug zu fördern,
ist vorteilhaft der Verdampfungsraum als freier
Hohlraum ausgebildet.
Es sind somit keinerlei Einbauten, wie zum Beispiel Füllkörper, im Verdampfungsraum
vorgesehen, die Strömungswiderstände für den durch Naturzug ausgelösten Trägerluftstrom
bilden könnten.
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Eine andere ebenfalls empfehlenswerte Maßnahme, welche die Ausbildung
des Trägerluftstroms günstig beeinflußt, besteht darin, daß der Trägerluftstrom
bezüglich seiner Strömungsrichtung sowie die Spritzrichtung des Zerstäubers etwa
gleich sind. Da der Impuls des zerstäubten Meerwassers in Strömungsrichtung des
Trägerluftstroms wirkt, ist dessen Ausbildung und Strömungsgeschwindigkeit verbessert.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß
unterhalb des Verdampfungsraums wenigstens ein weiterer zweiter Verdampfungsraum
angeordnet ist, dessen Zerstäuber mit Meerwasser, das lediglich im Wärmetauscher
aufgeheizt ist, versorgbar ist. Das für die Entsalzung vorgesehene Meerwasser wird
somit nach der Vorwärmung im Wärmetauscher zu einem Teil direkt in die zweite Verdampfungskammer
geführt und dort versprüht. Der restliche Teil des Meerwassers strömt unter Erwärmung
durch den Solarkollektor zum (ersten) Verdampfungsraum zur weiteren Versprühung.
Bei dieser Anordnung wird der Trägerluftstrom in der zweiten Verdampfungskammer
befeuchtet und vorgewärmt und in der (ersten) Verdampfungskammer auf die vorgesehene
Endtemperatur und Feuchte gebracht. Durch diese stufenweise Befeuchtung in zwei
oder gegebenenfalls mehreren Verdampfungskammern wird bei gleicher vorgegebener
Größe des Solarkollektors eine sehr starke Wasserdampfbeladung und Erwärmung des
Trägerluftstroms erzielt und somit der Wirkungsgrad der Anlage erhöht.
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Eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist dann gegeben, wenn
vorteilhaft zwischen dem Kondensationsraum
und dem darunter liegenden
Verdampfungsraum mindestens noch ein dritter Verdampfungsraum eingeschaltet ist,
dessen Zerstäuber mit Meerwasser beaufschlagbar ist, das in mindestens einem weiteren,
dem Solarkollektor nachgeschalteten zweiten Solarkollektor aufheizbar ist.
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Um eine gleichmäßige Aufheizung des Meerwassers durch Sonnenwärme
mit gleichbleibend gutem Wirkungsgrad zu gewährleisten, weist der Solarkollektor
und gegebenenfalls der zweite Solarkollektor jeweils einen Wärmeabsorber auf, dessen
Wände flexibel sind. Durch Verformung dieser Wände lassen sich nämlich Verkrustungen
und Versalzungen von den wärmeaufnehmenden Wänden ablösen und gegebenenfalls ausspülen.
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Dies kann insbesondere dann sehr'einfach erreicht werden, wenn der
Wärmeabsorber aus Kunststoff besteht.
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Besonders günstige Strömungsverhältnisse für den Trägerluftstrom sind
dann gegeben, wenn vorteilhaft der Verdampfungsraum bzw. die Verdampfungsräume sowie
der Kondensationsraum in einem vertikalen Schacht mit vorzugsweise kreisförmigem
Querschnitt angeordnet sind. Hierbei kann es auch vorteilhaft sein, daß der Naturzug
durch einen im Schacht angeordneten Ventilator verstärkbar ist, sofern auf besonders
niedrige Bauweise zu achten ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor. Hierbei zeigen: Figur 1 eine Meerwasser-Entsalzungsanlage gemäß der Erfindung,
wobei Verdampfungsraum und Kondensationsraum im vertikalen Schnitt dargestellt sind,
Figur 2 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Figur 1 mit zwei Verdampfungsräumen
und
Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante des Gegenstands der
Figur 1 mit drei Verdampfungsräumen.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die in Figur 1 dargestellte Meerwasser-Entsalzungsanlage weist einen
Schacht 10 mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt auf. Im unteren Bereich
des vertikal verlaufenden Schachtes 10 ist der Verdampfungsraum 14 angeordnet, an
den sich nach oben der Kondensationsraum 16 unmittelbar anschließt und sich etwa
bis zum oberen Ende des Schachtes 10 erstreckt.
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Am unteren Ende des Verdampfungsraums 14 ist der Zerstäuber 18 vorgesehen,
dessen Spritzdüsen 20 nach oben zum Kondensationsraum 16 hin zeigen. Die Spritzdüsen
sind auf Rohren 22 angeordnet und gleichmäßig über den freien Lufteintrittsquerschnitt
des Schachtes 10 verteilt angeordnet, so daß zwischen den Rohren genügend freier
Raum für den Eintritt des Trägerluftstroms verbleibt.
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Im Kondensationsraum 16 ist ein Wärmetauscher 24 angeordnet, der als
Oberflächen-Wärmetauscher, zum Beispiel in Form eines Plattenwärmetauschers, ausgebildet
ist. Unterhalb des Wärmetauschers 24 ist eine Auffangvorrichtung 26 für das vom
Wärmetauscher 24 abtropfende entsalzte Wasser vorgesehen und über eine Leitung 28
mit einem Sammelbehälter 30 verbunden, der an seinem unteren Ende eine Zapfleitung
32 für die Entnahme des entsalzten Wassers aufweist. Die Auffangvorrichtung 26 weist
einzelne, nach oben offene Rinnen auf, zwischen denen ausreichend freier Querschnitt
für den Durchtritt des Trägerluftstroms verbleibt. Um nun das sich am Wärmetauscher
24 niederschlagende Kondensat in die Auffangvorrichtung 26 leiten zu können, sind
am unteren Ende des Wärmetauschers 24 oberhalb der nach oben offenen Rinnen Abtropfnasen
ausgebildet, von welchen das zufließende Kondensat als entsalztes Wasser in
die
Auffangvorrichtung 26 abtroprt.
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In einem sich in der Nähe des Schachtes 10 befindenden Gewässer 34,
zum Beispiel dem Meer, endet eine Ansaugleitung 36 vorzugsweise an einer kaltes
Meerwasser führenden Stelle, die sich in der Regel in der Tiefe des Gewässers befindet.
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Diese Ansaugleitung 36 führt zu einer Pumpe 38, an die der Wärmetauscher
24 durch die Zuflußleitung 40 an seinem oberen Bereich angeschlossen ist. Vom unteren
Bereich des Wärmetauschers 24 führt eine Leitung 42 zum Zerstäuber 18 und mündet
dort in das Rohr 22, welches mit den Spritzdüsen 20 versehen ist. In die Leitung
42 ist der Wärmeabsorber eines der Sonnenstrahlung ausgesetzten Solarkollektors
44 eingeschaltet. Der Wärmeabsorber besteht hierbei vorzugsweise aus Kunststoff,
so daß dieser elastisch ist und somit innere Verkrustungen und/oder Verkalkungen
durch leichte Verformung abgesprengt werden können. Selbstverständlich können auch
mehrere zu einem Kollektorfeld zusammengefaßte Sonnenkollektoren vorgesehen sein,
der Einfachheit wegen ist jeweils nur ein einzelner Sonnenkollektor dargestellt.
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Unterhalb des Schachtes 10 ist eine Wanne 46 angebracht, die einen
Überlauf 12 aufweist, der in das Gewässer 34 mündet.
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Nach dem Einschalten der Pumpe 38 wird dem Gewässer 34 über die Ansaugleitung
36 kaltes Meerwasser entnommen und durch die Zuflußleitung 4O dem Wärmetauscher
24 zugeführt. Im Wärmetauscher 24 wird das kalte Meerwasser vorgewärmt, wobei die
hierzu erforderliche Wärme bei der Kondensation des vom Trägerluftstrom mitgeführten
Wasserdampfes anfällt. Das so vorgewärmte Meerwasser fließt nun zum Solarkollektor
44, wird auf Endtemperatur aufgeheizt und dem Zerstäuber 18 zugeführt. Hier wird
das warme Meerwasser durch die Spritzdüsen 20 zerstäubt, so daß die Luft, welche
sich in der Verdampfungskammer 14 befindet, mit Wasserdampf beladen wird.
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Da sich die Luft hierbei erwärmt, setzt im Schacht 10 ein thermischer
Auftrieb ein und der mit Wasserdampf beladene Trägerluftstrom bewegt sich nach oben
und im Gegenstrom am Wärmetauscher 24 vorbei ins Freie, wobei Außenluft dem Zerstäuber
18 zuströmt. Am Wärmetauscher 24 kondensiert der im Trägerluftstrom enthaltene Wasserdampf
und das niedergeschlagene entsalzte Wasser tropft, wie bereits beschrieben, in die
Auffangvorrichtung 26 und gelangt in den Sammelbehälter 30.
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Der Trägerluftstrom, welcher den Wasserdampf im Verdampfungsraum 14
aufnimmt und zum Kondensationsraum 16 transportiert, entsteht durch thermischen
Auftrieb, das heißt durch Naturzug. Diese Arbeitsweise ist dadurch möglich, daß
der Kondensationsraum 16 oberhalb des Verdampfungsraumes angeordnet ist und die
auftretenden Strömungswiderstände gering gehalten sind. Hierbei kommt die Tatsache,
daß im Verdampfungsraum 14 keinerlei Einbauten vorhanden sind, besonders zum tragen.
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Eine weitere, den Trägerluftstrom fördernde Maßnahme besteht in der
nach oben gerichteten Spritzrichtung der Spritzdüsen 20. Hierdurch wird der im Impuls
des ausgespritzten Wassers für die Beschleunigung des in gleicher Richtung strömenden
Trägerluftstroms ausgenutzt.
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Da lediglich für den Betrieb der Pumpe 38 Fremdenergie benötigt wird,
ist mit vorbeschriebener Meerwasser-Entsalzungsanlage ein sehr wirtschaftlicher
Betrieb möglich. Es wirkt sich energetisch ebenfalls günstig aus, daß das anfallende
entsalzte Wasser in einer Höhenlage über dem Niveau der Verbraucher anfällt und
dadurch ohne Zusatzenergie zu den Verbrauchern fließen kann.
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Zu bemerken ist noch, daß das vom Trägerluftstrom nicht aufgenommene
zerstäubte Wasser nach unten in die Wanne 46 tropt und durch den Überlauf 12 dem
Gewässer 34 zurückgeführt wird.
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In Figur 2 ist eine Ausführungsvariante der Meerwasser-Entsalzungsanlage
dargestellt, wobei lediglich die für das Verständnis notwendigen und erforderlichen
Teile gezeigt sind. Bei dieser Ausführungsvariante ist unterhalb des (ersten) Verdampfungsraums
14 ein zweiter Verdampfungsraum 48 mit zugehörigem Zerstäuber 50 im Schacht 10 angeordnet,
wie dies aus Figur 2 deutlich zu ersehen ist. Der Zerstäuber 50 des zweiten Verdampfungsraums
48 ist identisch ausgebildet mit dem Zerstäuber 18 des Verdampfungsraums 14 und
über eine Leitung 52 an jene Leitung 42 angeschlossen, welche den Wärmetauscher
24 wasserseitig mit dem Solarkollektor 44 verbindet, wobei in die Anschlußstelle
der Leitung 52 ein Verteilventil 54 eingeschaltet ist, um das zuströmende Meerwasser
auf die einzelnen Verdampfungsräume aufteilen zu können.
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Der im Schacht 10 strömende Trägerluftstrom wird jetzt in der zweiten
Verdampfungskammer 48 durch das dort verspritzte Meerwasser vorgewärmt und vorbefeuchtet,
wobei das zugeführte Meerwasser lediglich im Wärmetauscher 24 vorgewärmt ist. Die
Nachbefeuchtung und Nachwärmung des Trägerluftstroms erfolgt jetzt im (ersten) Verdampfungsraum
14 durch das vom Zerstäuber 18 verspritzte Meerwasser, das im Solarkollektor 44
durch die einfallende Sonnenstrahlung (Pfeile 56) aufgeheizt ist. Da jetzt bei gleicher
Förderleistung der Pumpe 38 und gleicher Heizfläche des Solarkollektors 44 gegenüber
der Entsalzungsanlage nach Figur 1 weniger Meerwasser zur Erwärmung durch den Solarkollektor
44 geleitet wird, wird dieses stärker aufgeheizt, so daß dem Zerstäuber 18 heißeres
Meerwasser zur Zerstäubung zugeführt wird. Hierdurch wird die Dampfbeladung des
Trägerluftstromes verbessert und somit der Wirkungsgrad der Entsalzungsanlage auf
einfache Weise gesteigert.
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In Figur 3 ist eine Ausführungsvariante der in Figur 2 gezeigten Anlage
dargestellt. Der wesentliche Unterschied gegenüber
Figur 2 ist
darin zu sehen, daß jetzt zwischen dem (ersten) Verdampfungsraum 14 und dem Kondensationsraum
16 ein dritter Verdampfungsraum 58 im Schacht 10 angeordnet ist. Am unteren Ende
des dritten Verdampfungsraumes 58 ist, nach dem Vorbild der anderen Verdampfungsräume,
ein Zerstäuber 60 angeordnet, der bezüglich seiner Ausbildung identisch mit dem
Zerstäuber 18 des (ersten) Verdampfungsraums 14 ist und der bei der Erläuterung
der Figur 1 ausführlich beschrieben wurde. Der Zerstäuber 60 ist über eine Leitung
64 mit zwischengeschaltetem zweiten Solarkollektor 62 an jenes Leitungsstück 66
angeschlossen, welches den Solarkollektor 44 mit dem Zerstäuber 18 des (ersten)
Verdampfungsraums 14 verbindet. Um den Durchfluß einregulieren zu können, ist ein
Verteilorgan 68 in Form eines Dreiwegeventils eingeschaltet.
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Während des Betriebs wird jetzt ein Teilstrom des Meerwassers, welches
im Solarkollektor 44 aufgeheizt und für den Zerstäuber 18 des (ersten) Verdampfungsraums
14 vorgesehen ist, abgezweigt, im zweiten Solarkollektor 62 weiter aufgeheizt und
dem Zerstäuber 60 des dritten Verdampfungsraums geführt. Die Beladung des Trägerluftstroms
mit Wasserdampf erfolgt jetzt in drei Stufen: in der unteren, zweiten Verdampfungskammer
48 erfolgt jetzt eine Vorbefeuchtung und Vorerwärmung durch Meerwasser, welches
lediglich im Wärmetauscher 24 vorgewärmt wurde, im nachgeschalteten (ersten) Verdampfungsraum
14 erfolgt eine weitere Wasserdampfbeladung und Aufheizung durch Meerwasser, welches
im Solarkollektor 44 zusätzlich aufgeheizt wurde und im dritten Verdampfungsraum
58 erfolgt die Befeuchtung und Aufheizung auf den gewünschten Endwert durch Meerwasser,
welches im zweiten Solarkollektor 62 auf eine Endtemperatur weiter aufgeheizt wurde.
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Durch eine solche vielstufige Verdampfung wird ein optimaler
Wirkungsgrad
der Anlage erreicht, wobei gegebenenfalls noch weitere Stufen vorgesehen sein können.
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Reicht bei einer Bauhöhe des Schachtes 10, die im Verhältnis zu seinem
Durchmesser gering ist, der sich einstellende Naturzug nicht vollständig zur Erzeugung
des Trägerluftstroms aus, so ist vorzugsweise ein Ventilator vorgesehen, der den
Naturzug unterstützt. Hierzu ist lediglich ein Ventilator erforderlich, der gegenüber
dem Ventilator der bekannten Entsalzungsanlage sehr geringe Leistungsaufnahme erfordert.
Der Ventilator 70 ist vorzugsweise im Schacht 10 oberhalb des Kondensationsraums
16 angeordnet, wie dies in Figur 3 angedeutet ist und von einem Motor 72 angetrieben.
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Die einzelnen Bauteile der Entsalzungsanlage sind mindestens so weit,
wie diese mit Meerwasser in Berührung kommen, vorzugsweise aus Kunststoff oder gegebenenfalls
aus kunststoffbeschichtetem Stahl hergestellt.