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EINLEITUNG
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Verfahren zum Antrieb einer Entsalzungsanlage mit Vakuumpumpe mit CO2-Antriebsmotoren in Kombination mit einer Wärmepumpe und einer Solaranlage für die Entsalzung von Meer- und Grundwasser. Für den Antrieb des Verdichters, der Vakuumpumpe, und der optionalen Wasserförderpumpe, sowie anderer Pumpen und Motoren werden CO2-Gasmotoren oder Turbinen als Entspannungsmaschine verwendet, die mit CO2 betrieben werden, indem das unter Hochdruck stehende CO2 in die Entspannungsmaschine geleitet wird, um ohne Verbrennung die Kolben oder die Schaufelräder anzutreiben. Für die Erzeugung des benötigten CO2-Hochdruckes wird die Wärme der Solaranlage und/oder die Kondensationswärme der Wärmepumpe genutzt, indem das Hochdruckgas (wie z.B. R744 (CO2), R744A etc.) in einem geschlossenen System annähernd isochor (bei annähernd gleichbleibenden Volumen) und anschließend auch annähernd isobar (bei annähend gleichbleibendem Druck) erwärmt und nach dessen adiabatischer Expansion in der Entspannungsmaschine des Verdichters, der Wasserförderpumpe und der Vakuumpumpe, wieder im Verflüssiger verflüssigt wird. Hierbei wird der linksläufige Camot-Prozess einer Wärmepumpe (Kälteprozess) mit dem rechtsläufigen Camot-Prozess eines Antriebsmotors (bzw. dem rechtsläufigen Clausius Rankin-Prozesses) kombiniert, indem das Gas zunächst im Mollier-Druck-Enthalpie-Diagramm linksläufig isentrop bzw. polytrop verdichtet und anschließend verflüssigt wird, anschließend die Flüssigkeit mittels der Wärme der Solaranlage und ggf. mit der Kondensationswärme des Verdichters rechtsläufig isochor erwärmt wird, um dadurch den Druck der CO2-Flüssigkeit zu erhöhen.
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NAME DER ERFINDUNG
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Verfahren zum Antrieb einer Entsalzungsanlage mit Vakuumpumpe mit CO2-Antriebsmotoren in Kombination mit einer Wärmepumpe und einer Solaranlage.
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TECHNISCHES GEBIET
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Entsalzungsanlagen, Solaranlagen
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STAND DER TECHNIK
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Es ist nicht bekannt, ob derzeit eine Entsalzungsanlage mit einer Wärmepumpe und einer Solaranlage betrieben wird, indem CO2 mit hohen Druckdifferenzen genutzt wird, um die Antriebsmotoren des Verdichters, der Vakuumpumpe und der Wasserförderpumpe anzutreiben.
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DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
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Gängige Entsalzungsanlagen verbrauchen sehr viel teuren Strom. Die Herstellung von Trinkwasser aus Meerwasser ist deswegen oftmals unwirtschaftlich. Durch die Nutzung der Wärme einer Solaranlage in Kombination mit einer Wärmepumpe, sollen die Betriebskosten einer Entsalzungsanlage erheblich reduziert und somit die Herstellung von Trinkwasser aus Meerwasser wirtschaftlicher werden. Gebiete die u.a. wegen dem Klimawandel unter einer Knappheit an Süßwasser leiden, sollen mit diesem Verfahren auch in abgelegenen Orten ohne Stromversorgung, Trinkwasser zur Verfügung gestellt bekommen.
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ALLGEMEINES
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Dieses Verfahren nutzt die Eigenschaft des flüssigen Hochdruckgases (wie z.B. CO2), mit geringer Energiezufuhr und gleichbleibendem Volumen, hohe Druckunterschiede in einem Clausius Rankin-Prozess ohne Speisepumpe zu erzielen.
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Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energiezufuhr durch die Verdampfung eines Kältemittels, als auch die Energieabfuhr durch die Verflüssigung eines Kältemittels in einem physikalisch geschlossenem System eines Camot-Kreisprozesses (Kälteprozess) als Energiequelle genutzt.
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Alle nachfolgend beschriebenen Ventile können direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden, bzw. über konventionelle Nockenwellen von Verbrennungsmotoren geöffnet und geschlossen werden. Alle Druckregelventile können mechanisch, thermomechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können entweder mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Die aufgeführten Wärmetauscher können sowohl als Rohrbündel-, als auch als Platten-, oder Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen Wärmeaustauschtechnologien ausgeführt werden.
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Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren, das als Entsalzungsanlage mit Vakuumpumpe mit CO2-Antriebsmotor in Kombination mit einer Wärmepumpe und einer Brennstoffzelle für die Entsalzung von Meerwasser dient, erzeugt mittels Wärme hohe Drücke von >800 bar, die auf die Kolbenoberfläche(n) des Antriebsmotors einer Vakuumpumpe wirken.
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TECHNISCHE BESCHREIBUNG
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FIGUR 1:
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Darstellung des Verfahrens mit zwei voneinander getrennten Kreisprozesse im Mollier-Druck-Enthalpie (log p - h) - Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens, wobei der linksläufige Kreisprozess eines Kühlkreislaufes mit dem rechtsläufigen Kreisprozess eines Antriebsmotors (Clausius-Rankin-Prozess ohne Speisepumpe) kombiniert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Figur lediglich zum Verständnis des Verfahrens dient. Die exakte Lage der einzelnen Linien, bzw. der Betriebszustände können je nach den tatsächlich vorherrschenden Drücken, Temperaturen, Enthalpie etc. variieren und sind für das Verfahren deshalb nicht bindend.
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Ein Gasverdichter (1), der zur Vermeidung der Verbrennung des Schmierstoffes bei hohen Verdichtungsendtemperaturen eventuell auch ohne Öl betrieben werden kann, saugt das überhitzte Gas vom Punkt (A) an und verdichtet es auf Punkt (B). Das heiße Gas mit der Enthalpie-Differenz-Strecke (B-C) kann für die isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) genutzt werden. Zur Erreichung der Enthalpie-Differenz (K-G) wird die Wärme der Solaranlage und die Enthalpie-differenz des Verflüssigers (B-D) genutzt.
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Das Kältemittel kann vom Punkt (C) auf Punkt (D) u.U. auch vom eingespeisten Salzwasser und ggf. von der Umgebungstemperatur der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt werden. Wird die Verdichtungswärme der Strecke (2) vom Punkt (B) bis ca. Punkt (C) nicht für die isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) genutzt, wird diese Wärmemenge ebenfalls an das eingespeiste Salzwasser oder an die Umgebungsluft abgegeben, d.h. das Gas wird vom Punkt (B) bis Punkt (D) vom Salzwasser oder von der Umgebungsluft der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wie bei einem konventionellen Kühlkreislauf liegt die Kondensationstemperatur, bzw. der Druck der Strecken (2) und (3) oberhalb der Umgebungstemperatur, um die Wärme entsprechend abführen zu können. Das eingesetzte Kältemittel im Kreislauf (A-B-D-E) kann vom Hochdruckgas des Kreislaufes (G-H-K-L) verschieden sein, sodass eine Verflüssigung im subkritischen Bereich möglich ist. Das Kältemittel wird vom Punkt (D) auf Punkt (E) entspannt, d.h. bei konstanter Enthalpie expandiert. Dieses expandierte Kältemittel nimmt in einem Wärmetauscher (5) die Energie des ebenfalls expandierten Hochdruckkältemittels (7) auf, um dieses vom Punkt (L) auf Punkt (G) zu kühlen und zu verflüssigen. Das vom Punkt (F) bis Punkt (A) überhitzte Kältemittel wird wieder vom Verdichter (1) angesaugt.
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Der Kühlkreislauf (A-B-D-E) wird für die Kondensation des Wasserdampfes aus der Vakuumpumpe und für die Verflüssigung eines Hochdruckgases, wie z.B. R744, R744A o.ä., eingesetzt, des Weiteren auch für die isochore Erwärmung des Flüssiggases entlang der Strecke (8).
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Das verflüssigte Gas am Punkt (G) wird in je einen von zwei geschlossenen Behältern geleitet, welcher vollständig mit der CO2-Flüssigkeit befüllt wird. Nach der Befüllung wird der Zulauf geschlossen, sodass die Flüssigkeit nicht rückwärts von Punkt (G) in Richtung (L) fließen kann. Der Flüssigkeitsbehälter (8) muss den ggf. sehr hohen Drücken Punkt (H) standhalten können, sowie ggf. von Punkt (H) nach Punkt (K) ausdehnbar sein, was mit Hilfe von z.B. zwei sich ineinander verschiebbaren Zylindern mit angebrachten Zugfedern realisieren lassen könnte.
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Wie bereits zuvor erwähnt wird für die isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) das heiße Gas mit Enthalpie-Differenz (B-C) genutzt, wobei die Verdichtungstemperatur (B) höher sein sollte als die Temperatur am Punkt (H), bzw. am Punkt (K). Sollte die Enthalpie-Differenz (B-C) kleiner als die Enthalpie-Differenz (E-D) sein, bzw. die Verdichtungsendtemperatur (B) niedriger sein, als die benötigte Temperatur am Punkt (H), wird die Abwärme der Brennstoffzelle genutzt, um dies auszugleichen.
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Am Punkt (H) ist der gewünschte, einstellbare Druck, der bei einer Temperatur von weniger als 60°C ggf. bis zu 900 bar betragen kann, erreicht. Wird mehr Energie mittels der Abwärme der Solaranlage zugeführt, dehnt sich der Behälter von Punkt (H) nach Punkt (K) aus. Alternativ kann (muss) ungewollter, überschüssiger Druck gemäß den gültigen, technischen Verordnungen über gegendruckunabhängige Sicherheitsventile auf Punkt (L), bzw. über gegendruckabhängige Sicherheitsventile in die Atmosphäre abgeblasen werden.
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Wird die Flüssigkeit von Punkt (H) auf Punkt (K) annähernd entlang der Isobaren erwärmt, dehnt sich der Behälter aus und die Flüssigkeit beginnt zu verdampfen, wobei das Volumen zunimmt. Die Länge der Strecke (9) ist variabel und muss je nach Bedarf empirisch ermittelt werden. Für den Antrieb von Turbinen kann die Strecke (H-K) z.B. wesentlich länger sein, als für den Antrieb von Kolbenmotoren. Unter Umständen könnte diese Strecke (9) auch gänzlich entfallen, wenn der Druck der Flüssigkeit auf einmal, d.h. schlagartig wieder von Punkt (H) auf Punkt (L) zurückversetzt wird, indem das unter hohem Druck stehende Flüssiggas über Einspritzventile auf die Kolben- oder Schaufeloberfläche(n) der Entspannungsmaschine injiziert wird. Für die annähernd isobare Erwärmung der Flüssigkeit von Punkt (H) auf Punkt (K) wird überwiegend die Abwärme der Solaranlage genutzt. Für die isochore Erwärmung der Flüssigkeit von Punkt (G) auf Punkt (H) kann anstatt der Verdichtungsenergie (2) ebenfalls die Abwärme der Solaranlage genutzt werden.
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Das Flüssiggas wird bei annähernd gleichbleibender Enthalpie am oberen Totpunkt des Kolbens des Antriebsmotors der Vakuumpumpe, entweder vom Punkt (H), oder vom Punkt (K) auf den Punkt (L) entspannt.
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FIGUR 2:
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Darstellung eines Ausschnitts des Mollier-Druck-Enthalpie (log p - h) - Diagramm von CO2, aus dem die Isochore mit r = 1000 kg/m3 hervorgeht. Bei Erwärmung der CO2-Flüssigkeit auf ca. 80 °C erhöht sich der Druck auf ca. 900 bar, ohne dass hierfür zusätzliche mechanische Energie, z.B. in Form einer Speisepumpe benötigt wird.
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FIGUR 3:
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Salzwasser wird über die Förderpumpe (15) in den Wärmetauscher (14) geleitet, wo es vom Kältemittel vorerwärmt und anschließend über den Niveauregler (14) in den Behälter (13) geleitet wird. Eine Solaranlage (24), die z.B. mit Hydrauliköl oder Wasser betrieben wird, erwärmt das Salzwasser im Behälter (13) auf die gewünschte Temperatur. Die Vakuumpumpe (11), die von einer mit CO2 betriebenen Entspannungsmaschine (12), ohne Verbrennungsvorgänge betrieben wird, reduziert den Druck im Behälter (13), sodass das Salzwasser bei geringen Temperaturen zum Kochen gebracht wird und das Wasser dadurch verdampft. Der Wasserdampf kondensiert im Verflüssiger/Verdampfer (26), der von einem Kältemittel gekühlt wird. Um den Reinheitsgrad des Trinkwassers zu erhöhen kann/muss dieser Prozess mehrfach wiederholt werden.
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Der Kältemittelverdichter (17) wird ebenfalls, wie die Vakuumpumpe und die Förderpumpe von einer CO2-Entspannungsmaschine (16) angetrieben. Für die elektrische Versorgung anderer Bauteile, kann zudem noch ein Generator verbaut werden, der ebenfalls von einer CO2-Entspannungsmaschine angetrieben wird (nicht dargestellt). Das verdichtete Kältemittel gibt die Energie entweder an das eingespeiste Salzwasser im Enthitzer (14), oder an das im Wärmetauscher (18) sich befindliche, flüssige CO2 ab. Das Kältemittel wird u.U. im Verflüssiger (20) verflüssigt und/oder unterkühlt und anschließend vom Expansionsventil (21) in den Verdampfer (26) entspannt, wo es die Wärme vom Wasserdampf aufnimmt, um diesen zu Trinkwasser (H2O) zu kondensieren. Parallel hierzu wird das Kältemittel vom Expansionsventil (23) in den Verdampfer (22) entspannt, um das sich darin befindliche CO2 zu verflüssigen. Das in den Verdampfern (26) und (22) expandierte und verdampfte Kältemittel wird wieder vom Verdichter (17) angesaugt und erneut verdichtet. Das sich im Behälter (19) befindliche, flüssige CO2 wird von der Solaranlage (24) auf die gewünschte Temperatur erwärmt.
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FIGUR 4:
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Darstellung eines ausdehnbaren Ladezylinders, bestehend aus zwei Hälften (30 & 31), die sich übereinander-, bzw. ineinanderschieben lassen. Eine Abdichtung (34) verhindert das Austreten von Gas in die Atmosphäre. Alternativ kann auch eine Faltenbalgtechnik oder ähnlich verwendet werden. Im Ladezylinder wird das CO2 vom Punkt (G, 1) auf Punkt (K, 1) entlang der Strecken (8 & 9) erwärmt. Am wählbaren Punkt (H, 1) beginnt sich der Ladezylinder auszudehnen, bis der wählbare Punkt (K, 1) erreicht ist. Zugfedern (32) halten die beiden Zylinderhälften (30 & 31) zusammen. Beim Überschreiten von Punkt (H, 1) fangen die Federn (32) an sich bis Punkt (K, 1) auszudehnen. Das sich darin befindliche, flüssige CO2 wird vom verdichteten, heißen Kältemittel und/oder von der Wärme der Solaranlage auf die gewünschte Temperatur erwärmt.
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FIGUR 5:
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Zunächst wird das Magnetventil (53) am Behälter (18) geöffnet, um den Druck in den Behälter (22, 3) zu leiten und um somit einen Druckausgleich zwischen den beiden Behältern (18) und (22) zu erzielen. Danach wird das Magnetventil (53) geschlossen und das Magnetventil (55) geöffnet, um den Behälter (18) mit flüssigem CO2 aus dem Behälter (22, 6) zu befüllen. Der innenliegende Wärmetauscher (51) erwärmt das flüssige CO2 auf die gewünschte Temperatur, wobei sich der Flüssigkeitsdruck erhöht. Danach öffnet entweder das Magnetventil (46), oder das Magnetventil (50), je nachdem welcher Ladezylinder (30a) oder (30b) befüllt werden soll. Die optionale Pumpe (42) mit Überströmventil kann dabei helfen eventuelle Druckunterschiede zu überwinden. Nachdem die gewünschte Befüllung des Ladezylinders (30a) oder (30b) erreicht wurde, wird das Magnetventil (46) oder (50) wieder geschlossen.
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Das Magnetventil (54) am Behälter (19) geöffnet, um den Druck in den Behälter (22, 3) zu leiten und um somit einen Druckausgleich zwischen den beiden Behältern (19) und (22) zu erzielen. Danach wird das Magnetventil (54) geschlossen und das Magnetventil (56) geöffnet, um den Behälter (19) mit flüssigem CO2 aus dem Behälter (22, 6) zu befüllen. Der innenliegende Wärmetauscher (52) erwärmt das flüssige CO2 auf die gewünschte, im Vergleich zu Behälter (18) höheren Temperatur, wobei sich der Flüssigkeitsdruck erhöht. Danach öffnet entweder das Magnetventil (47), oder das Magnetventil (49), je nachdem welcher Ladezylinder (30a) oder (30b) befüllt werden soll. Die optionale Pumpe (40) mit Überströmventil kann dabei helfen eventuelle Druckunterschiede zu überwinden. Nachdem die gewünschte Befüllung des Ladezylinders (30a) oder (30b) und der Druck erreicht wurde, indem sich dieser wie (30b) ausgedehnt hat, wird das Magnetventil (46) oder (50) wieder geschlossen und das Magnetventil (48) oder (47) geöffnet, um das flüssige CO2 in die Entspannungsmaschinen (12, 16, 28, 6) zu leiten.
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FIGUR 6:
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Das Magnetventil (47) oder das Magnetventil (48) werden wechselweise geöffnet, um das CO2 in die Entspannungsmaschinen (12, 16, 28) zu leiten. Nach verrichteter Arbeit wird das adiabatische entspannte CO2 aus den Entspannungsmaschinen in den Behälter (22) geleitet, wo es wieder vom Punkt (L) auf Punkt (G), gemäß (Strecke 7, 1) verflüssigt wird. Das verflüssigte CO2 wird über die Magnetventile (55) und (56) in die Behälter (18) und (19) geleitet, wo es wieder von der Kondensationswärme des Kältemittelkreislaufes und von der Solaranlage isochor erwärmt wird.