DE102020006905A1

DE102020006905A1 - Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) für solar betriebene Trinkwasser-Destillationsanlagen

Info

Publication number: DE102020006905A1
Application number: DE102020006905.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Die Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) dient dem internen Energie-Recycling bei solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlagen. Sie ist ein Einbau, der aus einem Kompressor (1), einem Verdichter (2), einer Drossel (3) und einem Verdampfer (4) besteht (Fig. 1). Ein durch einen Kompressor (1) angetriebener, interner Kälteprozess sorgt dafür, dass der Verdichter (2) heiß und über eine Drossel (3) der Verdampfer (4) kühl wird. Dabei unterstützt der heiße Verdichter (2) die Verdampfung der Vorlage aus der Solewanne (12), während der kühle Verdampfer (4) die Kondensation des Wassers aus der Dampfphase ermöglicht.Durch diesen technisch integrierten thermischen Kälteprozess der DeWäp wird die ursprünglich investierte Verdampfungsenthalpie, über die Kondensation des Destillats, wieder der Verdampfung zugeführt, so dass der Wasser-Destillationsanlage diese Energiebeträge zusätzlich zu der Solareinstrahlung und der Kompressionsenergie zur Verfügung stehen. Empirische Versuche lassen eine erhebliche Steigerung der Destillationsleistung erwarten.

Description

Systembeschreibung
Die Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) dient dem internen Energie-Recycling bei solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlagen. Sie ist ein Einbau, der aus einem meist extern zugänglichen Kompressor (1), einem Verdichter (2), einer Drossel (3) und einem Verdampfer (4) besteht (1). Die Bezeichnungen folgen dabei den aus der Kältetechnik bekannten Begrifflichkeiten, wobei hier der „Verdichter“ der Verdampfung der Vorlage und der „Verdampfer“ der Kondensation des Produktes dient. Eine zweckdienliche Anordnung kann abweichend von 1 auch in anderer Weise erfolgen.
Der meist extern zugängliche Kompressor (1) dient dem Antrieb des Kältemediums im Energie-Recycling-Kreislauf. Er sollte leicht zugänglich sein für die Inbetriebnahme und für Wartungszwecke. So ist bei der Inbetriebnahme das Kältemedium in das System einzubringen, welches ein Kohlenwasserstoff (z.B. Propan oder Butan) sein kann.
Der Verdichter (2) dient dazu, das Kältemedium mit Hilfe des Kompressionsdruckes zu verflüssigen. Dabei wird dieses und somit das Rohrsystem des Verdichters heiß und überträgt diese Energie zusätzlich zur Solareinstrahlung auf die zu verdampfende Vorlage aus Meer- oder Brackwasser in der Solewanne (12), in die der Verdichter eingebracht ist. Der Verdichter erhöht so den für die Verdampfung der Vorlage im Destillationssystem zur Verfügung stehenden Energiebetrag - erhöht also die verfügbare Verdampfungsenthalpie. Die über den elektrisch betriebenen Kompressor eingebrachte Kompressionsenergie steht damit zusätzlich zur Solareinstrahlung zur Verdampfung der Vorlage zur Verfügung.
Der verfügbare Betrag an Verdampfungsenthalpie ist für die Trinkwasserproduktion in solar betriebenen Trinkwasserdestillen systembegrenzend, da i.d.R. ausschließlich die aktuelle Sonneneinstrahlung vor Ort zur Verfügung steht. Die Solareinstrahlung stellt in Abhängigkeit zur geographischen Lage maximal 1.000 Wh auf Erdniveau zur Verfügung. Da der Verdampfungsvorgang von Wasser allein 626,59 Wh/I für den Übergang in die Gasphase benötigt, zuzüglich ca.97,65 Wh/I für die Erwärmung von 20°C auf 100°C und somit ca. 724,24 Wh/l insgesamt benötigt, ergibt sich thermodynamisch über 8 Stunden ein täglicher Destillationsertrag von maximal 111 bis 121 Trinkwasser.
Diese thermodynamische Grenze ist nur zu überschreiten, wenn zusätzliche Energiequellen - wie hier die Kompressionsenergie über den Kompressor - eingebracht werden oder wenn ein technischer Prozess installiert wird, der die Verdampfungsenthalpie über die Kondensation intern wieder der Verdampfung zur Verfügung stellt.
Eben diesem Zweck dient die Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) vor allem: sie soll über den Verdampfer (4) eine Kondensationsfalle systemintern anbieten, die geeignet ist, über die Kondensation am Leitungssystem des Verdampfers (4) die Verdampfungsenthalpie aus dem Wasserdampf des Evaporationsraums (7) im Kondensationsraum (5) über das Kältemedium in der Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) vollständig wieder aufzunehmen. Anschließend führt der Kompressor (1) das Kältemedium auf höherem Energieniveau wieder dem Verdichter (2) zu, so dass ein interner Kreisprozess des Energie-Recyclings etabliert ist. Die Regulation des Systems kann über einem einstellbaren Thermostaten mit Temperatursensoren in der Solewanne (12) und am Verdampfer (4) erfolgen, der auf eine optimale Verdampfung der Vorlage in der Solewanne (12) eingestellt ist und die Funktion des Kompressors steuert.
In dieser Ausstattung stehen einer Wasser-Destillationsanlage für die Verdampfung der Vorlage - Meer- oder Brackwasser - neben der üblichen solaren Energie, die Kompressions-energie und die Rückgeführte Verdampfungs-Enthalpie (RFE) zur Verfügung. Geht man davon aus, dass die Energie einer täglichen Solareinstrahlung mit dem Faktor 1 zu bewerten ist und dass die zugeführte Kompressionsenergie ebenfalls den Faktor 1 trägt, so schlägt nach einfachen Simulationen und empirischen Versuchen die RFE mit ca. dem Faktor 3 zu Buche, so dass die Produktionsleistung der Destille insgesamt auf den Faktor 4 bis 5 gehoben werden kann.
Abgrenzende Stellungname zu bisherigen Anlagen
Viele solare Trinkwasser-Destillationsanlagen weisen Produktionsdaten auf, die deutlich über den Werten liegen, die eine einfache Destillation erlauben sollte. Daher ist in jeder dieser Anlagen eine Energierückführung mehr oder weniger realisiert, auch wenn nicht exakt erklärt werden kann, wie diese funktioniert. Als Ursache vermutet wird die interne Gaszirkulation und die Vorwärmung der Vorlage über eine Wärmerückgewinnung aus der Kondensation.
Schon lange ist bekannt, dass bei solaren Destillationsanlagen der Wärmerückgewinnung aus der Kondensation eine entscheidende Bedeutung zukommt. In einer Vielzahl von Konstruktionen und Verfahren wurde in den vergangenen 30 Jahren versucht, eine Wärmerückgewinnung zu optimieren, um so den solaren Energiebedarf für die Wasserdestillation zu senken, bzw. die Produktionsleistung zu erhöhen( https://de.wikipedia.org/wiki/Solare_Meerwasserentsalzung). Hier sind insbesondere das MEH-Verfahren mit 20 l/m(https://www.desolenator.com/) bis 25 l/m(https://www.desolenator.com/) Kollektorfläche, die Mehrfacheffektverdampfung (MED), die Mehrstufige Entspannungsverdampfung (MSF), der Destillationszyclon, die Aquadestil und Verfahren der indirekten und der direkten Kondensat-Wärmerückgewinnung zu nennen. Allerdings wurden bisher meist Konzeptionen realisiert, die intern eine Kondensation an Wärmetauschern vorsieht, durch die zunächst das zu verdampfende Medium geführt wird, welches sich dadurch erwärmt. Ferner wurde jüngst ein innovatives Membranverfahren, der Desolenator(https://www.desolenator.com/), vorgestellt, dessen Leistungswerte von ca. 15 l/m(https://www.desolenator.com/) auf einer modularen Technologie unter Nutzung der Abwärme aus der Stromerzeugung mittels Solarpanelen in Kombination mit dem solar erzeugten Strom beruhen.
Keine der bisherigen Konzeptionen hat es zur Marktreife geschafft und keine solare Trinkwasser-Destillationsanlage mit hoher Wärmerückgewinnung beruht auf dem Prinzip einer integrierten Destillations-Wärmepumpe (DeWäp).
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit der beigefügten Zeichnung erläutert:

1 Räumliche Anordnung einer Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) in einer solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlage

1 zeigt die konstruktive, technische Ausgestaltung der Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) in einer solaren Trinkwasser-Destillationsanlage. Die Trinkwasser-Destillationsanlage ist durch eine transparente Glasabdeckung (8) gasdicht verschlossen. Der Kompressor- (1) befindet sich außerhalb der Anlage, der Verdichter (2) im Meer- oder Brackwasser in der Solewanne (12), die Drossel (3) im unteren Übergang des Evaporationsraumes (7) zum Kondensationsraum (5) und der Verdampfer (4) im oberen Bereich des Kondensationsraumes (5). Der Verdampfer (4) kühlt sich durch die Expansion des Kältemediums an der Drossel (3) stark ab und funktioniert als Kondensator. Das Kondensat, das destillierte Wasser, wird zunächst in der Destillatwanne (6) gesammelt, bevor es einer Zisterne zugeführt wird. Eine autarke, über Photovoltaik gesicherte Stromversorgung (9) des Kompressors ermöglicht einen nachhaltigen Betrieb. Die räumliche Anordnung der Baugruppen der Destillations-Wärmepumpe (DeWäp) in der solar betriebenen Wasser-Destillationsanlage kann technisch auch in anderer Weise sinnvoll ausgeführt werden, ohne die Grundfunktionen zu beeinträchtigen.

Claims

Die Vorrichtung ist eine Wärmepumpe als zusätzlicher Bestandteil einer solar betriebenen Trinkwasser-Destillationsanlage zur Erhöhung der Ertragsleistungen, in diese integriert und dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über einen Kompressor (1), über einen Verdichter (2), über eine Drossel (3) und über einen Verdampfer (4) verfügt (1).
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) extern angebracht sein kann, um bei der Inbetriebnahme und für Wartungsarbeiten gut zugänglich zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) intern in der Sole- bzw. Meerwasserwanne angebracht ist, um so die freiwerdende Kompressionsenergie zusätzlich zur Solareinstrahlung der Verdampfung des Meerwassers oder der Sole zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang zum Kondensationsraum (5) intern die Drossel (3) angebracht sein kann, um den Kondensationsraum durch diese und im weiteren Verlauf des Kältemediums über den Verdampfer (4) bevorzugt im oberen Bereich abzukühlen. Durch die Entspannung des Kältemediums über die Drossel (3) kühlt sich dieses stark ab.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) intern im Kondensationsraum (5) oben so angebracht ist, dass durch die obere Zirkulationsöffnung des Kondensationsraumes mit Wasserdampf angereicherte Luft aus dem Evaporationsraum (7) über ihn strömen kann und Kondensation verursacht. Das Kondensat (Destillat) wird in der Destillatwanne (6) gesammelt und zur Nutzung abgeleitet. Die erhöhten Temperaturunterschiede zwischen der Ebene des Verdampfers (4) und des Verdichters (2) verursachen eine verstärkte, interne Zirkulation der Gasmassen durch die obere und untere Öffnung des Kondensationsraumes (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Verdampfer (4) übertragene Kondensationsenergie zu einem erheblichen Teil im System verbleibt und im weiteren Verlauf mittels des Kompressors dem Verdichter (2) zur Verdampfung des Sole- bzw. Meerwassers wieder zugeführt wird. Durch diese technischen Maßnahmen wird ein interner Energie-Recycling-Prozess etabliert, der Verdampfungsenthalpie über die Kondensation erneut der Verdampfung zuführt. Dies verspricht eine erhebliche Steigerung der Produktionsleistung einer solar betriebenen Destille.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Kompressors mit Hilfe eines Thermostaten reguliert werden kann, um die Destillationsleistung der Trinkwasser-Destillationsanlage in einem optimalen Bereich zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor über ein Photovoltaikfeld emissionsfrei betrieben werden kann.