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Die
Erfindung betrifft eine Solardestillationsanlage mit einem nach
oben mit einem lichtdurchlässigen Deckel abgeschlossenen
Gehäuse, einer Evaporationsfläche in dem Gehäuse,
die auf den Deckel so ausgerichtet ist, dass durch den Deckel hindurchtretende
Sonnenenergie auf eine Oberseite der Evaporationsfläche
auftrifft, mit einem Mediumzirkulationskreislauf mit Leitungen zum
Transport eines zu destillierenden flüssigen Mediums, die
in Richtung der Oberseite der Evaporationsfläche ausgerichtete Öffnung
zum Leiten von Medium auf die Evaporationsfläche haben,
und mit einem zum Auffangen von Destillat des Mediums in dem Gehäuse
angeordneten Auffangbehälter.
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Solardestillen
zur Gewinnung von sauberem Süßwasser aus schmutzigem
Primärwasser unter direkter Ausnutzung von Sonnenenergie,
die einem mit dem Primärwasser benetzte Evaporations- bzw.
Verdampfungsfläche erwärmt, sind hinreichend beispielsweise
aus der
DE 37 21 072
A1 und
DE
38 29 725 A1 bekannt. Ohne Verwendung elektrischer Energie
oder störanfälliger wartungsintensiver mechanischer
Filter erfolgt bei den Solardestillen ein Sterilisieren, Reinigen
und gegebenenfalls Entsalzen von Primärwasser dadurch,
dass das Primärwasser auf der Verdamp fungsfläche
verdunstet und das Destillat als Produkt aufgefangen wird. Derartige
Solardestillen sind daher vorteilhaft überall dort einsetzbar,
wo sich kein öffentliches Wassernetz mit einer zentralen Versorgung
der Abnehmer und Verbraucher mit sauberem Süßwasser
befindet. Vielmehr kann das saubere Süßwasser
aus dem Primärwasser, insbesondere Salz- und Brackwasser,
individuell vor Ort erzeugt werden.
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In
der
DE 38 29 725 A1 wird
eine Kombination von Kondensator, Wärmetauscher und Kollektor vorgeschlagen,
um die Massenströme und ihre Proportionierung zu steuern.
Dabei soll eine selbstregulierende Luftmassenzirkulation erreicht
werden. Durch die isolierte Evaporationsfläche soll ein
optikverbesserter Temperaturgradient zwischen Oberseite der Evaporationsfläche
und Unterseite der Evaporationsfläche sichergestellt werden.
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Im
Tagesverlauf verändern sich die thermischen Bedingungen
ständig. Dies führt zu einer noch nicht zufrieden
stellenden Gesamtausbeute der bekannten Solardestillen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Solardestillationsanlage
zu schaffen, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Die
Aufgabe wird mit der Solardestillationsanlage der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Evaporationsfläche
aus einem nicht isolierten, wärmeleitenden Material gebildet
ist, so dass bei der Kondensation von Medium an der Unterseite der Evaporationsfläche
Energie zur Oberseite der Evaporationsfläche zurückgeführt
wird.
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Es
wurde erkannt, dass der Wirkungsgrad der Solardestillationsanlagen
wesentlich durch die Ausnutzung der im Gehäuse verfügbaren
Energie bestimmt ist und erhebliche Enthalpie in dem Kondensationsprozess
steckt. Dabei kommt es nicht – wie bislang angenommen – darauf
an, die Unterseite der Evaporationsfläche möglichst
kühl zu halten, um eine Kondensation des im Gehäuse
zirkulierenden dampfförmigen Mediums an der Unterseite
der Evaporationsfläche und an Kondensatoren herbeizuführen.
Vielmehr wurde erkannt, dass der Wärmefluss von Unterseite
zu Oberseite der Evaporationsfläche entscheidend für
den Wirkungsgrad von Solardestillationsanlagen ist. Der Wärmewiderstand
der Evaporationsfläche ist dabei so gering wie mög lich
zu halten, um die an der Unterseite der Evaporationsfläche beim
Kondensieren des dampfförmigen Mediums frei werdende Kondensationsenergie
wieder an die Oberseite der Evaporationsfläche zurückzutragen, um
dort den Verdampfungsprozess des Mediums zu fördern. Überraschenderweise
führt diese Rückführung der Enthalpie über
die Kondensation an der Rückseite der Evaporationsfläche
zur Oberseite der Evaporationsfläche zu einer höheren
Ausbeute, ohne dass die im Vergleich zu den bisher bekannten Evaporationsflächen
höhere Temperatur der Unterseite der Evaporationsfläche
den Kondensationsprozess überproportional beeinträchtigt.
Dies ist dadurch bedingt, dass die Luftmassen oberhalb der Evaporationsfläche
wesentlich wärmer sind, als die Luftmassen unterhalt der
Evaporationsfläche, so dass es für die Kondensation
nicht wesentlich auf die Temperatur der Unterseite der Evaporationsfläche
ankommt.
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Um
eine kontinuierliche Luftzirkulation sicherzustellen ist vorteilhaft,
das Luftvolumen oberhalb der Evaporationsfläche annähernd
gleich zu dem Luftvolumen unterhalb der Evaporationsfläche ist.
Damit wird sichergestellt, dass das kühlere Luftvolumen
unterhalb der Evaporationsfläche im ständigen
Austausch mit dem wärmeren Luftvolumen oberhalb der Evaporationsfläche
steht.
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Unter
einem annähernd gleichen Luftvolumen wird verstanden, dass
der Unterschied der Luftvolumen unterhalb und oberhalb der Evaporationsfläche
maximal 10% beträgt.
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Vor
dem Auftragen des Mediums auf die Evaporationsfläche ist
es vorteilhaft, diese vorzuwärmen. Dies kann mit mindestens
einer Kondensatoranordnung erfolgen, durch die der Mediumzirkulationskreislauf
geführt ist und die in dem Gehäuse angeordnet
ist. Eine der Kondensatoranordnungen kann beispielsweise im oberen
Bereich des Gehäuses unterhalb der Evaporationsfläche
angeordnet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist eine weitere Kondensatoranordnung
im unteren Bereich des Gehäuses angrenzend an die Unterkante der
Evaporationsfläche angeordnet. Damit kann der Luftaustausch
verbessert werden, da die Luft au ßerhalb der Kondensatoranordnung
gekühlt wird, indem die den Luftmassen in dem Bereich entzogene
Wärme mindestens teilweise in das Medium geleitet wird.
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Der
Wirkungsgrad kann durch Wärmeisolierung des Gehäuses
weiter verbessert werden. Eine besonders robuste, einfache und preiswerte
Variante ist, wenn das Gehäuse aus einer faserverstärkten Kunststoffwanne
mit integral eingebautem Isolierstoff gebildet ist. Als faserverstärkte
Kunststoffwanne bietet sich ein glasfaserverstärkter Kunststoff
(GFK) oder ein kohlefaserverstärkter Kunststoff an. Der
Isolierstoff kann dabei im Vakuumverfahren integral mit der inneren
und äußeren Kunststoffwanne gefertigt werden.
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Der
Deckel zum oberen Abschluss des Gehäuses hat vorzugsweise
mindestens eine Isolierglasscheibe. Derartige Isolierglas- oder
Thermopenscheiben sind hinreichend bekannt und bestehen aus zwei
oder mehr über Vakuumräume voneinander getrennte
Scheiben. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft,
wenn die Oberfläche der Isolierglasscheibe aufgeraut ist.
Damit kann die Reflektion der Isolierglasscheibe reduziert werden,
so dass der Anteil der in das Gehäuse hingelangenden Sonnenenergie
vergrößert wird. Das Aufrauen der Oberfläche
der Isolierglasscheibe kann durch eine Beschichtung aus Siliziumdioxid
erfolgen.
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Zur
Reduzierung des Austritts von wärmetragender Lichtstrahlung,
insbesondere von UV-Licht ist die Unterseite der Isolierglasscheibe
vorzugsweise ebenfalls behandelt, indem diese mit einer silberhaltigen
Beschichtung beschichtet ist. Die Beschichtung ist vorzugsweise
auf der Innenseite der unteren Glasscheibe angeordnet, die in dem
Vakuumraum liegt.
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Auf
diese Weise wird verhindert, dass die silberhaltige Beschichtung
einem Korrosionseinfluss ausgesetzt ist.
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Die
Thermik in dem Gehäuse kann verbessert werden, wenn ein
oberer, an die Kondensatorenanordnung angrenzender Bereich der Evaporationsfläche
wärmeisoliert ist. Auf diese Weise wird der Temperaturgradient
im oberen Bereich des Gehäuses zwischen der Luftmasse oberhalb
der Evaporationsfläche und der Luftmasse unter halb der
Evaporationsfläche vergrößert, was zu
einer verbesserten Thermik führt, ohne dass die Energierückgewinnung bei
der Kondensation von der Unterseite der Evaporationsfläche
zur Oberseite wesentlich beeinträchtigt wird.
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Zur
Vergrößerung der Evaporationsfläche ist es
vorteilhaft, diese treppenförmig auszuführen.
Eine Vielzahl aufeinanderfolgender Treppenstufenflächen ist
im Abstand voneinander so angeordnet, dass sich die jeweils aufeinanderfolgenden
Treppenstufenflächen teilweise überlappen, dies
führt zu einem Zick-Zack-förmigen Treppenverlauf.
Die Hinterkante einer jeweiligen Treppenstufenfläche ist
dabei vorzugsweise mit der überlappenden Vorderkante der darüber
liegenden Treppenstufenfläche über eine Verbindungsplatte
miteinander verbunden.
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Die
Evaporationsfläche ist vorzugsweise aus einem Metallblech
gebildet, dass einen geringen Wärmewiderstand zwischen
Unterseite und Oberseite des Metallblechs hat.
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Zum
Sammeln des sich nicht nur an der Unterseite der Evaporationsfläche,
sondern auch an der Innenseite des Deckels ansammelnden Destillats
ist es vorteilhaft, wenn an den innenseitigen Oberflächen
der das Gehäuse abschließenden Glasabdeckungen
Kondensatablaufrinnen angeordnet sind, die das Destillat seitlich
ableiten, so dass dieses in den Auffangbehälter fließen
kann.
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In
entsprechender Weise können auch Ablaufrinnen an der Unterseite
der Evaporationsfläche vorgesehen sein.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Durchflusssteuerungsventil
im Mediumzirkulationskreislauf vorgesehen ist, das in Abhängigkeit
von der Temperatur im Gehäuse so steuerbar ist, dass bei
geringerer Temperatur ein reduzierter Durchfluss des Mediums und
bei höherer Temperatur ein erhöhter Durchfluss
des Mediums erfolgt. Dieses Durchflusssteuerungsventil kann über
eine elektronische Steuerung verbunden werden. Besonders vorteilhaft ist
es jedoch, wenn das Durchflusssteuerungsventil automatisch beispielsweise
mit Hilfe eines Bimetalls oder eines hydraulisch arbeitenden Dehnungskörpers
den Durchfluss an die Temperatur im Gehäuse anpasst. Damit
ist ein nahezu optimaler Betrieb der Solardestillationsanlage ohne aufwendige
Steuerungselektronik möglich. Insbesondere wird durch die
Reduzierung des Mediumzuflusses bei geringerer Temperatur auf der
Evaporationsfläche sichergestellt, dass mit der verfügbaren
Energie das Medium in möglichst großer Menge in
die Dampfphase übergehen kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt:
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1 – Querschnittsansicht
einer Solardestillationsanlage zur Durchführung des Betriebsregelungsverfahrens;
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2 – Skizze
einer Zick-Zack-förmigen Evaporationsfläche.
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Die 1 lässt
eine Schnittansicht einer Solardestillationsanlage 1 mit
einem Gehäuse 2 erkennen, dass vorzugsweise aus
einer Kunststoffwanne gebildet ist oder im Inneren mit Kunststoff
beschichtet ist. Eine solche Kunststoffwanne kann beispielsweise aus
glasfaserverstärktem Kunststoff GFK hergestellt sein.
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Das
Gehäuse 2 hat eine Vorder- und Rückwand 3a, 3b,
nicht erkennbare Seitenwände und einen Boden 4,
der ggf. auf einem Fundament 5a, 5b ruht. Die
Kunststoffwanne kann aber auch auf höhenverstellbaren Füßen
gelagert sein. Unterhalb des Bodens 4 kann zur Aufsammlung
von Destillat als gereinigtes Süßwasser eine Zisterne 6 vorgesehen
sein. Zur Installation und Kontrolle von im Innenraum des Gehäuses 2 angeordneten
Bauelementen kann ein Einstieg 7 beispielsweise in die
Rückwand 3b eingebaut sein.
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Die
Oberseite des Gehäuses 2 ist mit einem lichtdurchlässigen
Deckel 8 verschlossen. Der Deckel 8 ist in Bezug
auf den Boden 4 des Gehäuses geneigt, wobei der
Neigungswinkel vorzugsweise etwa 10° bis 75° beträgt.
In den Deckel können mehrere vorzugsweise aufklappbare
(Isolier-)Glasfenster 9a–e eingebaut sein, die
unterseitig über Auffangrinnen 10 für
Destillat verfügen.
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In
das Gehäuse 2 ist eine ebenfalls schräg gestellte
Kunststoffwanne 11 zur Aufnahme einer gut wärmeleitenden
Evaporationsfläche 12 eingebaut, die den Evaporationsraum
(Verdampfungsraum) 13 und den Kondensationsraum 14 trennt
und gegeneinander thermisch isoliert. Die Evaporationsfläche 12 verfügt über
einen aufkragenden Rand und eine terrassenförmig ausgeführte
Struktur, die zudem mit einem Vlies 15 bedeckt sein kann.
Der Evaporationsfläche 12 wird beispielsweise über
nicht dargestellte Düsen über den inneren Mediumzirkulationskreislauf Primärmedium
von einer Pumpe 16 aus einem Solebehälter 17 über
Kondensatoren 18 und ggf. einer Zulaufrinne 19 zugeführt.
Die terrassenartige Struktur der Evaporationsfläche 12 sowie
das Vlies 15 ermöglichen eine nahezu vollständige
und sichere Benässung und eine maximale Verdunstung des
Primärmediums in dem Evaporationsraum 13.
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Unterhalb
der Kunststoffwanne 11 im vorderen Bereich der Solardestille 1 ist
ein Destillat-Sammelbehälter 20 vorgesehen. Der
Destillat-Sammelbehälter 20 sowie die Destillatabflussöffnung
in der Kunststoffwanne 11 befinden sich zur Vermeidung von
Kontamination nicht im Bereich der unteren Kante des Kunststoffbehälters 11,
sondern sind leicht nach rechts verschoben. Das in dem Destillat-Sammelbehälter 20 aufgesammelte
Destillat wird dann über eine Leitung in die Zisterne 6 geführt.
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Zum
Auffangen von nicht destilliertem Medium ist im unteren Bereich
der Evaporationsfläche 12 eine Auffangrinne 21 vorgesehen,
die über eine Rohrleitung zu dem Solebehälter 17 geführt
ist. Der Solebehälter 17 hat einen Überlauf
zur Ableitung von überschüssigem Primärmedium
aus dem Solebehälter 17.
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Mit
einem Schwimmer 23 wird der Zulauf vom Primärmedium 24 von
außen aus einem äußeren Mediumzirkulationskreislauf
in den inneren Mediumzirkulationskreislauf (Bypass) geregelt. Das
frische Medium 25 in dem äußeren Mediumzirkulationskreislauf
wird dabei über einen Kondensator 26 und einer
Regeleinheit 27, z. B. einer Pumpe, in erforderlichen Teilmengen
in den Solebehälter 17 geführt.
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Die
Regeleinheit 27 dient auch dazu, konzentrierte Sole 28 aus
dem Solebehälter 17 in Abhängigkeit von
dem Zulauf des Primärmediums 24 abzuleiten.
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Die
Nutzung eines äußeren Mediumzirkulationskreislaufes
ist optional, aber bevorzugt. Die Ableitung von Solekonzentrat 28 sollte
in einem Verhältnis erfolgen, dass das Löslichkeitsprodukt
der im Solebehälter 17 gelösten Stoffe
nicht unterschritten wird. Auf diese Weise wird die Kristallisation
z. B. von Salzen verhindert.
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Unter
Sonneneinstrahlung entsteht in der Kunststoffwanne 11 eine
interne Zirkulation der Luftmassen um die Evaporationsfläche 12,
die sich autark aufbaut. Diese Zirkula tion stellt einen thermodynamischen
Kreisprozess dar, der sich selbstständig zwischen Evaporation
und Kondensation ausbildet und sich autark einstellt. Hierdurch
sind die Grundlagen für eine interne Rückgewinnung
der Evaporationsenergie durch die Kondensation des Primärmediums 24 und
die dadurch bedingte Erwärmung des Primärmediums 24 geschaffen.
Der Betrieb der Solardestille 1 sollte so geregelt werden,
dass die Luftmassen und die Sole in Kreisprozessen derart geführt
werden, dass die Evaporationsenergie über die Kondensation
am Primärmedium 24 im Verhältnis 1:1 wieder
zur Evaporation in wiederholten Zyklen zur Verfügung gestellt
wird. Zudem ist es vorteilhaft den Betrieb der Solardestille 1 in
drei Phasen aufzueilen.
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In
einer Vorwärmphase wird kein Primärmedium auf
die Evaporationsfläche 12 aufgebracht. Stattdessen
wird die einstrahlende Sonnenenergie genutzt, um den Innenraum der
Kunststoffwanne 11 aufzuheizen.
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Die
Betriebsphase wird erst dann gestartet, wenn im oberen Bereich des
Evaporationsraums 13 bzw. der Evaporationsfläche 12 eine
Temperatur von mindestens 80°C und im unteren Bereich des
Evaporationsraums 13 bzw. der Evaporationsfläche 12 eine Temperatur
von mindestens 50°C herrscht. Hierbei handelt es sich um
ungefähre Temperaturangaben mit einer Toleranz von etwa
10°C.
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In
der Betriebsphase wird dann in Abhängigkeit von der Temperatur
auf der Evaporationsfläche 12 eine optimale Menge
vom Primärmedium 24 auf die Evaporationsfläche 12 geführt,
so dass eine möglichst große Menge an Flüssigkeit
in die Dampfphase übergeht. Die wasserdampfgesättigten
Luftmassen strömen im oberen Luftvolumen oberhalb der Evaporationsfläche 12 nach
oben und werden von dort aufgrund der entstehenden Luftzirkulation
in das Luftvolumen unterhalb der Evaporationsfläche geführt,
wo diese an der Unterseite der Evaporationsfläche 12 kondensieren
können. Bei dem Prozess wird das unterschiedliche spezifische
Gewicht der Luftmassen oberhalb und unterhalb der Evaporationsfläche
ausgenutzt.
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Weiterhin
wird vorzugsweise eine Luftzirkulation durch gezielte Kühlung
des Raumes im oberen Bereich der Evaporationsfläche 12 so
eingestellt, dass kühle Luftmassen vom unteren Bereich
der Evaporationsfläche 12 durch den Evaporationsraum 13 als Zwischenraum
zwischen Evaporationsfläche 12 und Deckel 8 zum
oberen Bereich der Evaporationsfläche 12 strömen.
Zur Kühlung wird vorzugsweise frisches Primärmedium 27 über
den Kondensator 26 des äußeren Mediumzirkulationskreislaufes
geleitet, das sich dadurch erwärmt und Wärmeenergie aus
dem oberen Bereich des Evaporationsraums 13 entnimmt.
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Dieses
erwärmte Frischmedium kann entweder wieder abgeführt
werden oder in Teilmengen oder vollständig über
die Regeleinheit 27 dem Solebehälter 17 und
damit dem inneren Mediumzirkulationskreislauf zugeführt
werden.
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Der
Wechsel zwischen der Vorwärmphase und der Betriebsphase
und ggf. der Wechsel zwischen Betriebsphase und einer Abklingphase
kann durch Auswertung eines Tagestemperaturverlaufs der Temperatur
in einem Bereich innerhalb der Solardestille 1 oder der
Außentemperatur erfolgen. Aus diesem Tagestemperaturverlauf
wird dann die zu erwartende maximale Tagestemperatur geschätzt.
Einen Anhaltspunkt für den zu erwartenden maximalen Tagestemperaturwert
mit hinreichender Genauigkeit gibt die Steigung der ansteigenden
Flanke des Temperaturverlaufs, wenn die Temperatur morgens bis zum
Mittag hoch ansteigt. Die Betriebsphase wird dann in Abhängigkeit
von der Momentantemperatur und dem zu erwartenden maximalen Tagestemperaturwert
gestartet. So kann beispielsweise der durchschnittliche Tageswirkungsgrad
der Solardestille 1 gesteigert werden, wenn bei geringem
Tagestemperaturwert die Betriebsphase bereits bei Erreichen einer
zur Destillation ausreichenden Außentemperatur gestartet
wird, während beispielsweise im Hochsommer bei einem zu
erwartenden höheren maximalen Tagestemperaturwert eine
höhere Grenztemperatur zum Starten der Betriebsphase vorgesehen
wird und stattdessen die Vorwärmung optimiert wird.
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2 lässt
eine Skizze einer Zick-Zack-förmigen Evaporationsfläche 12 erkennen.
Die Oberfläche der Evaporationsfläche 12 wird
dadurch wesentlich erhöht, dass die Treppenstufenflächen 29 der Evaporationsfläche 12 im
Abstand voneinander parallel so angeordnet sind, dass sich die aneinander angrenzenden
Treppenstufenflächen 29 teilweise überlappen.
Die sich schräg gegenüberliegenden Vorder- und
Hinterkanten der Treppenstufenfläche 29 sind über
eine Verbindungsplatte 30 miteinander ge schlossen, so dass
eine im Wesentlichen geschlossene Evaporationsfläche 12 geschaffen
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3721072
A1 [0002]
- - DE 3829725 A1 [0002, 0003]