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WO2015078863A1 - Vorrichtung zur erzeugung von brauchwasser mithilfe eines verdunstungsbehälters - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von brauchwasser mithilfe eines verdunstungsbehälters Download PDF

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WO2015078863A1
WO2015078863A1 PCT/EP2014/075551 EP2014075551W WO2015078863A1 WO 2015078863 A1 WO2015078863 A1 WO 2015078863A1 EP 2014075551 W EP2014075551 W EP 2014075551W WO 2015078863 A1 WO2015078863 A1 WO 2015078863A1
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WO
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water
process air
air
condensation
evaporation
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PCT/EP2014/075551
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French (fr)
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Reinhold Barth
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Original Assignee
Individual
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    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Definitions

  • the present invention relates to a device for recovering service water by desalination of seawater or salt water in general or purification of contaminated waters such as brackish or oil-contaminated groundwater or wastewater.
  • the device should preferably be powered by solar energy.
  • a known process for desalination of seawater is based on the basic principle of the so-called Fuchtuchtde sti 11 tion. This is also well suited for small, decentralized systems and the energy supply by solar energy.
  • MEH multi-effect humidification / Dehumidification- method
  • Preheated seawater is further heated by the supply of solar energy and evaporated in a part of the desalting tank, whereby brine is deposited with concentrated salt content.
  • the steam for condensing the distillate or service water is condensed by means of a cooler, the cold seawater is supplied as a cooling medium and this is preheated. This process runs in the cycle, with cold seawater and solar energy supplied and Brine and hot water are withdrawn.
  • the document DE 43 40 745 C2 uses such Feuchtluftdestillations- process for hot water production.
  • the method relies on a convection roller forming between the evaporation space and the condensation space.
  • the performance of the plant is therefore limited by the volume of the process vessel needed to ensure this convection, which is modeled on nature.
  • the air circulation takes place predominantly laminar.
  • the convection roller is substantially limited, since the heated moist air flowing from the evaporator to the condenser flows back after cooling from the condenser to the evaporator within the process vessel.
  • the object of the present invention is to provide an improved hot water producing apparatus based on wet air distillation, which is more efficient for a given volume of the process container, i. can produce more process water per unit of time, and which nevertheless retains the fundamental advantages of the MEH process.
  • the proposed device should continue to be suitable to process contaminated water with fractions of solids and suspended matter.
  • the cooled moist air to be returned outside the process container.
  • an apparatus for producing industrial water from contaminated water comprising:
  • controllable-permeability separator which forms a horizontal passage between the condensation container and the evaporation container
  • a condenser disposed in the condensation vessel and having a contaminated water coolant inlet and a coolant outlet; a heater connected to the coolant outlet and configured to heat the contaminated water;
  • a spray device connected to the heater and configured to spray the heated contaminated water into the evaporation tank; and a controllable air conveying device configured to supply process air to the evaporation tank.
  • Controlled Multi-Effect Humidification / Dehumidification CMEH
  • the functional principle used according to the invention can therefore be referred to as Controlled Multi-Effect Humidification / Dehumidification (CMEH).
  • CMEH Controlled Multi-Effect Humidification / Dehumidification
  • the permeability of the separating device can be controlled at different positions from substantially closed to substantially completely open, so that the air flow within the evaporation container and condensation container can be specifically influenced in such a way that the air flow is substantially turbulent.
  • the air circulation can be controlled so preferably about the top and bottom separately.
  • the separating device is designed such that at each vertical position the permeability is independently controllable. This can be specifically influenced the desired shape of the air roll, which is within evaporation tank and condensation tank, driven by the air conveyor, forms.
  • the separating device is a Venetian blind with a plurality of horizontally extending slats, wherein preferably each slat is individually controllable.
  • other types of separation devices come into consideration, such as rotatable or movable slats, sliding panels and associated openings, etc. The adjustment can be done by hand, but preferred is the control of a suitable drive.
  • a Venetian blind represents a very simple separating device, which can be controlled from essentially closed to substantially completely open.
  • the air flow here can also be influenced by the orientation of the respective lamellae. For example, there may be a substantially obliquely upward directed air flow in the upper region of the evaporation tank.
  • the lamellae can be aligned parallel to achieve the best possible undisturbed flow, or perpendicular to it, if a more turbulent flow is to be achieved due to the higher resistance.
  • the air requirement in the upper part of the evaporation and condensation tank is about 10 times lower than in the lower one Area. Accordingly, the air flow that can be controlled by the variable separator accordingly varies. By changing the amount of air and the amount of process water, the performance of the system can be regulated.
  • the Luft whoeinriehtung is a fan.
  • the air circuit may also be open, so that process air is taken from the environment of the device and returned to the environment after passing through the device.
  • the process air outlet and the process air inlet are each arranged in the lower region, preferably on the underside of the condensation container or the evaporation container.
  • the device further comprises:
  • an adjustable air line which is adapted to discharge process air in the upper region, preferably at the top of the evaporation container and to supply the upper region, preferably the upper side of the condensation container.
  • This measure has the purpose, a portion of the air flow, preferably about 8-10%, mandatory to pass through the spray. This ensures a very intensive humidification of the air.
  • a portion of the air flow preferably about 8-10%, mandatory to pass through the spray. This ensures a very intensive humidification of the air.
  • the full beam with the total heat carried by the injected heated water heat energy is passed through only 8-10% of the amount of air.
  • An outlet temperature of the air near the corresponding water inlet temperature can be achieved. The lower this temperature difference, the sooner a higher heat recovery or a higher efficiency can be achieved.
  • the heating device comprises a solar collector which is adapted to heat the contaminated water directly or via a heat exchanger.
  • the plant is powered by solar energy, which is sufficiently available especially in areas such as the Sahara.
  • solar energy which is sufficiently available especially in areas such as the Sahara.
  • the energy required to be supplied can be covered in a cost-effective and environmentally friendly manner.
  • the water to be purified can be heated directly in the solar field to the required temperature, or it can be transferred by means of a heat exchanger, the heat energy to the contaminated water.
  • the former allows a very simple construction with low Losses.
  • the latter makes it possible to use in the solar collectors another liquid, such as oil, so that a separation from the contaminated water is achieved.
  • the device further comprises:
  • a cooler which is connected between the residual water drain and the condenser and arranged to cool the residual water and supply it to the condenser.
  • the cooler has the task to cool the process water from the evaporation tank and zuzulchanen the condenser. Cooling can be done using cold contaminated water, or alternatively through a cooling tower or chimney.
  • the cooling power preferably corresponds to the heating power of the heater, so that a closed heat cycle is formed.
  • the device further comprises:
  • a heat accumulator configured to store heat energy and supply it to the heater as needed.
  • a heat storage can be provided, which serves for the intermediate storage of heat energy.
  • the power or area must be increased accordingly.
  • the heat accumulator serves to temporarily store accumulating and / or economically usable heat energy only at certain times in order to provide it to the service water generating device as needed. This also applies to other forms of energy such as industrial waste heat etc. Short description of the drawing
  • Fig. 1 is a schematic view of a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic view of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic view of a third embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is a schematic view of a fourth embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a schematic view of an exemplary pilot plant according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.
  • a Verdunster disposer 6 has the task to bring the process air to a relative humidity of nearly 100%, ie saturated, and a temperature of about 85 ° C.
  • salt water is sprayed finely distributed by means of a spray device 20 in the evaporator container 6.
  • the water content at this temperature is then about 340 g / m 3 .
  • the required amount of air for the transport of 1 m J of water is therefore about 3000 m 3 / h in single-stage operation, in multi-stage operation about 6000 m 3 / h.
  • the evaporator receives the required energy through 10 m 3 / h of process water (brine) with a temperature of, for example, 86 ° C. This temperature is achieved by preheating in the condenser and supplying additional heat energy, preferably solar energy achieved. During condensation, for example, the process water cools to about 32 ° C, the released energy is transferred to the salt water used as a coolant, thereby achieving preheating and heat recovery.
  • Heat transfer coefficient a 0.05 kW / (m 2 * AT).
  • the heat transfer or heat transfer coefficient is of crucial importance in seawater desalination, since it significantly influences the areas for cooling and evaporation.
  • the above assumption would require a heat exchanger with a huge surface or a huge water surface, which is so unrealistic for a corresponding plant.
  • this has been solved by the use of cloths or webs that provide surface enlargement but are problematic with suspended and solids.
  • this problem is therefore solved instead by Tropfenbesprühung.
  • the sprayer 20 can thus produce a large amount of minute droplets having a 10 times larger area of about 50,000 m 2 .
  • a process air saturated with water is produced in the evaporator container 6.
  • concentrated salt water or Brine can be removed by a residual water outlet 8 from the evaporator tank 6.
  • Wastewater loaded with fine substances can be thickened with the device according to the invention to the extent that it can no longer be sprayed.
  • the thus thickened wastewater can be removed separately and fed to a further treatment with conventional methods such as pressing, drying and combustion.
  • the saturated with water process air is guided horizontally from the evaporator tank 6 to the condensation tank 2.
  • a separating device 10 for example, a blind with a plurality of fins 24, according to the invention is arranged.
  • the shutter 10 can control the opening between evaporator tank 6 and condensation tank 2 from fully open to fully closed.
  • each slat of the blind can be controlled individually. In the example shown in Figure 1, some slats in the lower half of the blind are closed while all the other slats are partially open. Thus, the flow between evaporator 6 and condensation tank 2 can be influenced.
  • a capacitor 12 is arranged in the condensation vessel 2.
  • the condenser 12 has the task to cool the process air and bring to a temperature of about 32 ° C. Distillate is separated, which can be discharged through a drain 4 and processed about to drinking water. In this case, no spray system can be used, otherwise a mixing between salt water and distillate would occur.
  • a metal or multiwall capacitor is used.
  • the heat transfer coefficient ⁇ would normally be 0.05.
  • the transition area is only about 78 m 2 .
  • seawater is used as the coolant.
  • the seawater remains within the condenser 12, the distillate is separated from the outside of the condenser and can be removed.
  • the process water used as coolant heats up by the heat energy released in the condensation of the saturated air to about 79 ° C and is a heater 18, for example, a solar collector with optional heat exchanger, fed to be heated to the required 86 ° C.
  • the heated process water is then supplied to the spray device 20.
  • a process air inlet 38 is provided in the lower region of the evaporator container 6, in which an air conveyor device 22 is arranged.
  • the air conveying device 22 is preferably a fan.
  • the amount of air transported by the fan 22 process air can be controlled specifically.
  • the condensation tank 2 has a corresponding process air outlet 36.
  • the air circuit of the device is therefore designed to be open. Process air is sucked from the environment and released to the environment after passing through the device.
  • the air circuit can also be realized closed, process air outlet 36 and process air inlet 38 then being connected via an air line are. See, for example, the embodiments of Figures 2-5, each showing exemplary closed air circuits.
  • Process air outlet 36 and process air inlet 38 are arranged in the lower region of the respective containers.
  • FIG. 1 shows the preferred variant according to which process air outflow 36 and process air inflow 38 are located on the underside of the respective containers, which essentially corresponds to the main direction of the air flow. Alternative arrangements are also possible, for example laterally in the lower region of the respective container.
  • FIG. 2 shows a development of the embodiment of FIG.
  • an air line between the upper part of the Verdunster essenceers 6 and the condensation vessel 2 is further arranged. About 8-10% of the process air is thus supplied to the condensation tank 2.
  • the air volume is adjustable.
  • FIG. 3 shows a development of the embodiment of FIG.
  • the required supply of heat energy to heat the preheated process water from the condenser to the required 86 ° C may come from any suitable sources.
  • Industrial waste heat, geothermal energy, heat energy from combined heat and power plants or the like can be used.
  • solar energy is preferably used.
  • the embodiment of Figure 3 as a heating device to a solar collector 28 which heats the preheated process water via a heat exchanger 30.
  • the heat exchanger 30 is optional here, alternatively, the water can also be heated directly in the solar collector.
  • the heat accumulator is of course also available to ensure the operation of all other types of heat supply or to be able to make the heat more evenly. It is also possible to use and store heat energy that is available only occasionally and / or is inexpensive only at certain times.
  • FIG. 4 shows a development of the embodiment of FIG. 3.
  • a cooler 32 is provided in the inlet of the seawater.
  • the cooler has the task of the process water which is 32 ° C from the Verdunstungs electricr to cool to 26 ( 'and supplied to the condenser twelfth
  • the cooling can with, for example, 18 ° C done cold seawater.
  • other cooling methods are conceivable, such as a cooling tower or chimney.
  • a mixing container 34 is further provided.
  • the mixing tank 34 makes it possible to mix the Brine water discharged from the evaporation tank 6 as needed to the fresh seawater. However, it can also be removed as required via an adjustable sequence.
  • FIG. 5 shows an exemplary test plant which operates on the principle according to the invention.
  • the system has an output of 13 liters of process water per hour.
  • the gross output is 9.3 kW.
  • the additional solar power is 0.9 kW.
  • the area of the solar collector is 3 m 2 .
  • the temperatures and performances shown are only examples.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Brauchwassergewinnung aus verunreinigtem Wasser, umfassend einen Kondensationsbehälter (2) mit einem Brauchwasserabfluss (4) und einem Prozessluftabfluss (36), einen Verdunstungsbehälter (6) mit einem Restwasserabfluss (8) und einem Prozessluftzutluss (38), eine Trenneinrichtung (10) mit steuerbarer Durchlässigkeit, die einen horizontalen Durchgang zwischen Kondensationsbehälter (2) und Verdunstungsbehälter (6) bildet, einen Kondensator (12), im Kondensationsbehälter angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass (14) für verunreinigtes Wasser und einen Kühlmittelauslass (16) aufweist, eine Heizeinrichtung (18. 28, 30), die mit dem Kühlmittelauslass (16) verbunden und eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser aufzuheizen, eine Sprüheinrichtung (20), die mit der Heizeinrichtung (18) verbunden und eingerichtet ist, das aufgeheizte verunreinigte Wasser in den Verdunstungsbehälter (6) einzusprühen, und eine regelbare Luftfördereinrichtung (22), die eingerichtet ist, Prozessluft dem Verdunstungsbehälter (6) zuzuführen.

Description

VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON BRAUCHWASSER MITHILFE EINES VERDUNSTUNGSBEHÄLTERS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Brauchwasser durch Entsalzung von Meerwasser bzw. allgemein Salzwasser oder Reinigung von verunreinigten Wässern wie brackigem oder ölverseuchtem Grundwasser oder Abwasser. Die Vorrichtung soll bevorzugt durch Solarenergie versorgt werden.
Stand der Technik
Ein bekanntes Verfahren zur Meerwasserentsalzung beruht auf dem Grundprinzip der so genannten F euchtluftde sti 11 ation . Diese eignet sich gut auch für kleine, dezentrale Anlagen sowie die Energiezufuhr durch Solarenergie.
Es sind einstufige Verfahren zur solarthermischen Meerwasserentsalzung bekannt, bei denen Verdunster und Kondensator jeweils nur oben und unten einen Luft- und Wasserzulauf bzw. -Ablauf aufweisen. Es kann dabei nur eine Wärmerückgewinnung von etwa 50% erreicht werden. Allerdings ist der apparative Aufwand vergleichsweise gering, so dass sich der Einsatz in strukturschwachen Gebieten anbietet.
Um eine höhere Wärmerückgewinnung zu erzielen, sind mehrere Stufen bei der Verdunstung und Kondensation erforderlich. Diese Methode wird daher häufig bei Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt. Bei Hochleistungsanlagen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, sind mehr als 12 Stufen und mehr als 96% Wärmerückgewinnung möglich. Allerdings ist bei solchen Anlagen der apparative Aufwand sehr hoch. Für strukturschwache Gebiete sind derartige Anlagen daher weniger geeignet.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur thermischen Entsalzung von Meerwasser ist das so genannte Multi-Effect-Humidification / Dehumidification- Verfahren (MEH). Systeme nach dem MEH-Verfahren basieren auf thermischer Energiezufuhr aus Niedertemperaturquellen (z. B. Sonnenkollektoren). Die Wärme wird einem abgeschlossenen Entsalzungsbehälter zugeführt, in dem der natürliche Wasserkreislauf mit Verdunstung und Kondensation nachgebildet wird.
Vorgewärmtes Meerwasser wird durch Zufuhr von Solarenergie weiter aufgeheizt und in einem Teil des Entsalzungsbehälters verdunstet, wobei Sole (so genannte Brine) mit aulkonzentriertem Salzgehalt abgeschieden wird. In dem anderen Teil des Entsalzungsbehälters wird der Wasserdampf zur Gewinnung des Destillats bzw. Brauchwassers mittels eines Kühlers kondensiert, dem kaltes Meerwasser als Kühlmedium zugeführt und dieses damit vorgewärmt wird. Dieses Verfahren läuft im Kreislauf, wobei kaltes Meerwasser und Solarenergie zugeführt und Brine und Brauchwasser abgezogen werden.
Durch die Übertragung der beim Kondensieren frei werdenden Wärmeenergie auf das zugeführte Meerwasser wird in dem Prozess ein großer Teil der beim Verdunsten eingesetzten Wärmeenergie beim Kondensieren wieder zurück gewonnen und für die Vorwärm ung des Meerwassers eingesetzt. Durch die Vorwärmung wird wiederum die Energie verringert, die zur weiteren Aufheizung des Meerwassers benötigt wird.
Die Druckschrift DE 43 40 745 C2 verwendet ein derartiges Feuchtluftdestillations- Verfahren zur Brauchwassererzeugung.
Dieses System hat jedoch bestimmte Nachteile. Zum Einen erfolgt die Verdunstung durch das Aufbringen erhitzten Meer- oder allgemein verunreinigten Wassers auf Vlies- oder Gewebetücher, um so die zur Verfügung stehende Oberfläche für die Verdunstung zu erhöhen. Dies bedingt jedoch, dass das verunreinigte Wasser keine wesentlichen Anteile an Fest- oder Schwebstoffen enthalten darf, da sich ansonsten die Tücher schnell zusetzen und somit unbrauchbar würden. Das System ist daher zur Reinigung von verschmutztem Wasser mit Anteilen von Fest- und Schwebstoffen, z. B. von brackigem Grundwasser, nicht geeignet.
Weiterhin handelt es sich um ein System mit einem Prozessbehälter ohne innere Trennwände. Es gibt also keine Trennung zwischen Verdunstungsraum und Kondensationsraum. Eine Steuerung der beteiligten Massenströme ist somit nicht möglich. Das Verfahren ist darauf angewiesen, dass sich eine Konvektionswalze zwischen Verdunstungsraum und Kondensationsraum ausbildet. Die Leistung der Anlage ist daher durch das Volumen des Prozessbehälters begrenzt, welches benötigt wird, um diese der Natur nachempfundene Konvektion zu gewährleisten. Die Luftumwälzung findet vorwiegend laminar statt. Außerdem wird die Konvektionswalze wesentlich eingeschränkt, da die erwärmte Feuchtluft, die vom Verdunster zum Kondensator strömt, nach Abkühlung vom Kondensator zum Verdunster innerhalb des Prozeßbehälters zurückströmt.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Brauchwassererzeugungsvorrichtung auf Basis der Feuchtluftdestillation bereitzustellen, die bei einem gegebenen Volumen des Prozessbehälters leistungsfähiger ist, d.h. pro Zeiteinheit mehr Brauchwasser erzeugen kann, und welche trotzdem die grundsätzlichen Vorteile des MEH-Verfahrens beibehält. Die vorgeschlagene Vorrichtung soll weiterhin geeignet sein, auch verunreinigtes Wasser mit Anteilen von Fest- und Schwebstoffen zu verarbeiten. Bei der vorliegenden Erfindung soll die abgekühlte Feuchtluft außerhalb des Prozeßbehälters zurückgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Brauchwassergewinnung aus verunreinigtem Wasser bereitgestellt, umfassend:
einen Kondensationsbehälter mit einem Brauchwasserabfluss und einem
Prozessluftabfiuss;
einen Verdunstungsbehälter mit einem Restwasserabfluss und einem Prozessluftzufluss;
eine Trenneinrichtung mit steuerbarer Durchlässigkeit, die einen horizontalen Durchgang zwischen Kondensationsbehälter und Verdunstungsbehälter bildet;
einen Kondensator, der im Kondensationsbehälter angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass für verunreinigtes Wasser und einen Kühlmittelauslass aufweist; eine Heizeinrichtung, die mit dem ühlmittelauslass verbunden und eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser aufzuheizen;
eine Sprüheinrichtung, die mit der Heizeinrichtung verbunden und eingerichtet ist, das aufgeheizte verunreinigte Wasser in den Verdunstungsbehälter einzusprühen; und eine regelbare Luftfördereinrichtung, die eingerichtet ist, Prozessluft dem Verdunstungsbehälter zuzuführen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die umgewälzte Luftmenge und die Solemenge und damit die Leistung gezielt geregelt werden, das erfindungsgemäß eingesetzte Funktionsprinzip kann daher als Controlled-Multi-Effekt-Humidification/Dehumidification (CMEH) bezeichnet werden. Durch die Luftfördereinrichtung kann bei gleichem Raumbedarf von Verdunstungsbehälter und Kondensationsbehälter wesentlich mehr Prozessluft pro Zeiteinheit umgewälzt werden und dadurch mehr Wasser verdunsten. Durch die zwischen Verdunstungsbehälter und Kondensati onsbehälter befindliche Trenneinrichtung mit variabel steuerbarer Durchlässigkeit kann die Ausbildung einer gewünschten Luftumwälzung gezielt beeinflusst werden, so dass die Luftumwälzung vorwiegend im turbulenten Bereich stattfindet. Die Vorteile des nahezu stufenlosen MEH- Verfahrens bleiben trotz erheblicher Leistungssteigerung beim CMEH-Verfahren erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Durchlässigkeit der Trenneinrichtung an verschiedenen Positionen von im Wesentlichen geschlossen bis im Wesentlichen vollständig geöffnet steuerbar, so dass die Luftströmung innerhalb von Verdunstungsbehälter und Kondensationsbehälter dadurch gezielt so beeinflusst werden kann, dass die Luftströmung im Wesentlichen turbulent ist.
Die Luftumwälzung kann so bevorzugt etwa im oberen und unteren Bereich getrennt gesteuert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trenneinrichtung derart ausgestaltet, dass an jeder vertikalen Position die Durchlässigkeit unabhängig steuerbar ist. Dadurch kann gezielt die gewünschte Form der Luftwalze beeinflusst werden, die sich innerhalb von Verdunstungsbehälter und Kondensationsbehälter, angetrieben von der Luftfördereinrichtung, ausbildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Trenneinrichtung eine Jalousie mit mehreren horizontal verlaufenden Lamellen, wobei bevorzugt jede Lamelle einzeln steuerbar ist. Alternativ kommen auch andere Arten von Trenneinrichtungen in Betracht, etwa durch dreh- oder verschiebbare Lamellen, verschiebbare Blenden und zugehörige Öffnungen etc. Die Verstellung kann per Hand erfolgen, bevorzugt wird jedoch die Ansteuerung über einen geeigneten Antrieb.
Eine Jalousie stellt eine sehr einfache Trenneinrichtung dar, die von im Wesentlichen geschlossen bis zu im Wesentlichen vollständig geöffnet steuerbar ist. Zusätzlich zum Grad der Durchlässigkeit kann die Luftströmung hier auch durch die Ausrichtung der jeweiligen Lamellen beeinflusst werden. Beispielsweise kann im oberen Bereich des Verdunstungsbehälters eine im Wesentlichen schräg aufwärts gerichtete Luftströmung vorliegen. Je nach gewünschter Steuerung können die Lamellen parallel dazu ausgerichtet werden, um eine möglichst ungestörte Durchströmung zu erreichen, oder senkrecht dazu, wenn eine turbulentere Durch Strömung aufgrund des höheren Widerstands erzielt werden soll.
Durch den unterschiedlichen Wassergehalt von heißer gesättigter Luft (340 g/nr bei 85°C) und kalter gesättigter Luft (30 g/m3 bei 30°C) ist der Luftbedarf im oberen Bereich des Verdunstungs- und Kondensationsbehälters etwa lOmal geringer als im unteren Bereich. Entsprechend variiert die Luftströmung, die durch die verstellbare Trenneinrichtung demgemäß gesteuert werden kann. Durch die Änderung der Luftmenge und der Prozesswassermenge kann die Leistung der Anlage geregelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Luftfördereinriehtung ein Ventilator.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessluftabfluss des Kondensationsbehälters mit dem Prozessluftzufluss des Verdunstungsbehälters durch eine außerhalb liegende Rohrleitung verbunden, so dass bevorzugt ein geschlossener Luftkreislauf entsteht. Alternativ kann der Luftkreislauf jedoch auch offen sein, so dass Prozessluft aus der Umgebung der Vorrichtung entnommen und nach dem Durchgang durch die Vorrichtung wieder an die Umgebung abgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Prozessluftabfluss und der Prozessluftzufluss jeweils im unteren Bereich, bevorzugt an der Unterseite des Kondensationsbehälters beziehungsweise des Verdunstungsbehälters angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter:
eine regelbare Luftleitung, die eingerichtet ist, Prozessluft im oberen Bereich, bevorzugt an der Oberseite des Verdunstungsbehälters abzuführen und dem oberen Bereich, bevorzugt der Oberseite des Kondensationsbehälters zuzuführen.
Diese Maßnahme hat den Zweck, einen Teil der Luftmenge, bevorzugt etwa 8- 10%, zwingend durch den Sprühstrahl zu führen. Damit ist eine sehr intensive Befeuchtung der Luft gewährleistet. Außerdem wird dabei der volle Strahl mit der gesamten von dem eingesprühten erhitzten Wasser mitgeführten Wärmeenergie durch nur 8- 10% der Luftmenge geführt. Eine Austrittstemperatur der Luft nahe der entsprechenden Wassereintrittstemperatur ist dabei zu erreichen. Je geringer diese Temperaturdifferenz ist, umso eher kann eine höhere Wärmerückgewinnung bzw. ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Heizeinrichtung einen Solarkollektor, der eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser direkt oder über einen Wärmetauscher aufzuheizen.
Bevorzugt wird die Anlage durch Solarenergie versorgt, welche insbesondere in Gebieten wie beispielsweise der Sahara ausreichend zur Verfügung steht. Dadurch kann der zuzuführende Energiebedarf kostengünstig und umweltfreundlich gedeckt werden. Das zu reinigende Wasser kann direkt im Solarfeld auf die nötige Temperatur erhitzt werden, oder es kann mittels eines Wärmetauschers die Wärmeenergie auf das verunreinigte Wasser übertragen werden. Ersteres ermöglich eine sehr einfache Konstruktion mit geringen Verlusten. Letzteres ermöglicht es, in den Solarkollektoren eine andere Flüssigkeit zu verwenden, beispielsweise Öl, so dass eine Trennung vom verunreinigten Wasser erreicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter:
einen Kühler, der zwischen den Restwasserabfluss und den Kondensator geschaltet und eingerichtet ist, das Restwasser abzukühlen und dem Kondensator zuzuführen.
Der Kühler hat die Aufgabe, das Prozesswasser aus dem Verdunstungsbehälter abzukühlen und dem Kondensator zuzulühren. Die Kühlung kann mithilfe von kaltem verunreinigtem Wasser erfolgen, alternativ aber auch durch einen Kühlturm oder Kamin. Die Kühlleistung entspricht dabei bevorzugt der Heizleistung der Heizeinrichtung, so dass ein geschlossener Wärmekreislauf entsteht.
Gemäß einer A us führungsform umfasst die Vorrichtung weiter:
einen Wärmespeicher, der eingerichtet ist, Wärmeenergie zu speichern und bedarfsweise der Heizeinrichtung zuzuführen.
Um beispielsweise bei solarthermischer Energieversorgung der Anlage einen Betrieb auch außerhalb der Sonnenstunden sicherzustellen, kann ein Wärmespeicher vorgesehen werden, der zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie dient. Im Falle der Verwendung von Solarkollektoren muss dafür die Leistung bzw. Fläche entsprechend erhöht werden. Allgemein dient der Wärmespeicher dazu, nur zu bestimmten Zeiten anfallende und/oder wirtschaftlich nutzbare Wärmeenergie zwischenzuspeichern, um diese bedarfgerecht der Brauchwassererzeugungsvorrichtung bereitzustellen. Dies gilt auch für andere Energieformen wie etwa Industrieabwärme etc. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausfuhrungsform der Erfindung;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer vierten Austuhrungsform der Erfindung; und
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Versuchsanlage gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird in beispielhafter Weise auf Meer- bzw. allgemein Salzwasser als eine Möglichkeit für verunreinigtes Wasser Bezug genommen. Andere verunreinigte Wässer mit anderen unerwünschten Inhaltsstoffen als Salz, insbesondere auch solche mit Anteilen von Öl, Fest- und Schwebstoffen, können jedoch in gleicher Weise verarbeitet werden.
Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verdunsterbehälter 6 hat die Aufgabe, die Prozessluft auf eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100%, also gesättigt, und eine Temperatur von etwa 85°C zu bringen. Dazu wird Salzwasser mittels einer Sprüheinrichtung 20 fein verteilt in den Verdunsterbehälter 6 eingesprüht.
Der Wassergehalt beträgt bei dieser Temperatur dann etwa 340 g/m3. Die benötigte Luftmenge zum Transport von 1 mJ Wasser beträgt demnach etwa 3000 m3/h bei einstufigem Betrieb, bei mehrstufigem Betrieb etwa 6000 m3/h. Die benötigte Energie erhält der Verdunster durch 10 m3/h Prozesswasser (Sole) mit einer Temperatur von beispielsweise 86°C. Diese Temperatur wird durch Vorwärmung im Kondensator und Zufuhr von zusätzlicher Wärmeenergie, vorzugsweise Solarenergie, erreicht. Bei der Kondensation kühlt sich das Prozesswasser beispielsweise auf etwa 32°C ab, die freiwerdende Energie wird auf das als Kühlmittel verwendete Salzwasser übertragen und dadurch eine Vorwärmung und W ärmerückgewinnung erzielt.
Um die Wärmeenergie vom Prozesswasser auf die Prozessluft übertragen zu können, bedarf es einer großen Übergangsfläche zwischen den beiden Medien. In einer Abschätzung dazu werden die folgenden Annahmen gemacht:
Temperaturdifferenz zwischen Prozesswasser und Prozessluft: 3°C.
Wärmeenergie für die Verdunstung von 1 m Meerwasser: 700 kW.
Wärmeübergangskoeffizient a: 0,05 kW / (m2*AT).
Erforderliche Übergangsfläche: 4667 m2.
Der Wärmeübergang bzw. Wärmeübergangskoeffizient hat bei der Meerwasserentsalzung eine entscheidende Bedeutung, da er die Flächen zur Kühlung und Verdunstung maßgeblich beeinflusst. Die vorstehende Annahme würde einen Wärmetauscher mit einer riesigen Oberfläche bzw. eine riesige Wasserfläche erfordern, was für eine entsprechende Anlage so unrealistisch ist. Im Stand der Technik wurde dies durch die Verwendung von Tüchern bzw. Gewebebahnen gelöst, die für eine Oberflächenvergrößerung sorgen, aber problematisch bei Schweb- und Feststoffen sind.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem daher stattdessen durch Tropfenbesprühung gelöst. Mit geeigneten Düsen kann die Sprüheinrichtung 20 so eine große Menge an kleinsten Tropfen erzeugen, die eine 1 Omal größere Fläche von etwa 50.000 m2 aufweisen. Auf diese Weise wird im Verdunsterbehälter 6 eine mit Wasser gesättigte Prozessluft erzeugt. Nicht von der Prozessluft aufgenommenes, aufkonzentriertes Salzwasser bzw. Brine kann durch einen Restwasserablauf 8 aus dem Verdunsterbehälter 6 abgeführt werden.
Durch die Verwendung einer Sprüheinrichtung ergibt sich kein Problem mit Wasser, welches Öl, Fest- bzw. Schwebstoffe enthält. Das Prozesswasser kann daher auch grobkörnige Anteile haben, der Durchmesser sollte jedoch nicht mehr als etwa 1/3 der Düsenöffnung betragen. Die Pestkörper werden bei dem Prozess ausgefiltert. Dies ist ein enormer technischer und wirtschaftlicher Vorteil, da die Ausfilterung solcher Stoffe ansonsten aufwendig und teuer wäre.
Folgende im Prozesswasser enthaltene Schadstoffe werden bei dem erfindungsgemäßen Prozess ganz oder teilweise ausgefiltert, wobei diese Stoffe meist sehr umweltschädlich sind:
Medikamentenrückstände;
Düngemittelrückstände und Giftstoffe;
Chemische Rückstände wie z.B. Farbstoffe und Öle.
Durch die Ausfilterung von auch feinsten Festkörpern wird auch eine eventuelle Strahlenbelastung reduziert.
Mit Feinststoffen belastetes Abwasser kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung soweit eingedickt werden, dass es nicht mehr versprühbar ist. Das derart eingedickte Abwasser kann separat abgeführt und einer Weiterbehandlung mit gängigen Verfahren wie Verpressung, Trocknung und Verbrennung zugeführt werden.
Die mit Wasser gesättigte Prozessluft wird horizontal vom Verdunsterbehälter 6 zum Kondensationsbehälter 2 geführt. Zwischen dem Verdunsterbehälter 6 und dem Kondensationsbehälter 2 ist erfindungsgemäß eine Trenneinrichtung 10, beispielsweise eine Jalousie mit einer Vielzahl von Lamellen 24, angeordnet. Die Jalousie 10 kann die Öffnung zwischen Verdunsterbehälter 6 und Kondensationsbehälter 2 von vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen steuern. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform kann dabei jede Lamelle der Jalousie individuell gesteuert werden. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel sind einige Lamellen in der unteren Hälfte Jalousie geschlossen, während alle anderen Lamellen teilweise geöffnet sind. Damit kann die Strömung zwischen Verdunsterbehälter 6 und Kondensationsbehälter 2 gezielt beeinflusst werden. Im Kondensationsbehälter 2 ist ein Kondensator 12 angeordnet. Der Kondensator 12 hat die Aufgabe, die Prozessluft abzukühlen und auf eine Temperatur von etwa 32°C zu bringen. Dabei wird Destillat abgeschieden, welches durch einen Abfluss 4 abgeführt und etwa zu Trinkwasser verarbeitet werden kann. Hierbei kann kein Sprühsystem verwendet werden, da sonst eine Vermischung zwischen Salzwasser und Destillat auftreten würde.
Bevorzugt wird daher ein Metall- oder Stegplattenkondensator eingesetzt. Zwischen gesättigter Luft und Metall-Kondensator wäre der Wärmeübergangskoeffizient α normalerweise = 0,05. Es ist jedoch anzunehmen, dass Film- oder Tröpfchenkondensation eintritt, was den Wert von α auf 3 erhöhen würde. Daher beträgt die Übergangsfläche nur noch etwa 78 m2.
In dem Kondensator 12 wird Meerwasser als Kühlmittel verwendet. Das Meerwasser bleibt innerhalb des Kondensators 12, das Destillat bildet sich getrennt davon außen am Kondensator und kann abgeführt werden. Das als Kühlmittel eingesetzte Prozesswasser erwärmt sich durch die bei der Kondensation der gesättigten Luft frei werdenden Wärmeenergie auf etwa 79°C und wird einer Heizeinrichtung 18, beispielsweise einem Solarkollektor mit optionalem Wärmetauscher, zugeführt, um auf die benötigten 86°C aufgeheizt zu werden. Das aufgeheizte Prozesswasser wird dann der Sprüheinrichtung 20 zugeführt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Prozessluftzufluss 38 im unteren Bereich des Verdunsterbehälters 6 vorgesehen, in dem eine Luftfördereinrichtung 22 angeordnet ist. Die Luft fördere i nri chtung 22 ist bevorzugt ein Ventilator. Die Luftmenge der vom Ventilator 22 transportierten Prozessluft kann gezielt geregelt werden. Der Kondensationsbehälter 2 weist einen entsprechenden Prozessluftabfluss 36 auf. In der Ausführungsform von Figur 1 ist der Luftkreislauf der Vorrichtung daher offen gestaltet. Prozessluft wird aus der Umwelt angesaugt und nach Durchgang durch die Vorrichtung wieder an die Umwelt abgegeben. In alternativen Ausführungsformen kann der Luftkreislauf auch geschlossen realisiert werden, wobei Prozessluftabfluss 36 und Prozessluftzufluss 38 dann über eine Luftleitung verbunden sind. Siehe dazu beispielweise die Ausführungsformen der Figuren 2-5, die jeweils beispielhaft geschlossene Luftkreisläufe zeigen.
Prozessluftabfluss 36 und Prozessluftzufluss 38 sind im unteren Bereich der jeweiligen Behälter angeordnet. In der Figur 1 ist die bevorzugte Variante gezeigt, gemäß der sich Prozessluftabfluss 36 und Prozessluftzufluss 38 an der Unterseite der jeweiligen Behälter befinden, was im Wesentlichen der hauptsächlichen Richtung der Luftströmung entspricht. Alternative Anordnungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise seitlich im unteren Bereich des jeweiligen Behälters.
Im Zusammenspiel von Ventilator 22 und Jalousie 10 ist es so möglich, gesteuert einen wesentlich höheren Luftdurchsatz pro Zeiteinheit zu erreichen, wobei die Strömung bevorzugt im Wesentlichen turbulent ist. Durch das erfindungsgemäße CMEH- Verfahren in der Brauchwassergewinnungsvorrichtung kann gegenüber herkömmlichen MEH-Anlagen ein Vielfaches an Meerwasser pro Zeiteinheit verdunstet werden, und somit auch ein Vielfaches an Destillat gewonnen werden.
In Figur 2 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von Figur 1 gezeigt. Hier ist weiterhin eine Luftleitung zwischen dem oberen Teil des Verdunsterbehälters 6 und des Kondensationsbehälters 2 angeordnet. Etwa 8- 10% der Prozessluft werden so dem Kondensationsbehälter 2 zugeführt. Die Luftmenge ist regelbar.
Dadurch kann erreicht werden, dass dieser Anteil der Prozessluft zwangsweise durch den Sprühstrahl geführt wird, was zu einer sehr intensiven Befeuchtung dieses Luftanteils führt. Weiterhin wird durch den K ntakt zwischen einem kleinen Anteil der Prozessluft mit dem gesamten eingesprühten erhitzten Meerwasser und somit der gesamten davon transportierten Wärmeenergie die Austrittstemperatur der Prozessluft auf einen Wert nahe der Temperatur des eingesprühten Meerwasser gebracht. Je geringer die Temperaturdifferenz ist, desto höher ist die erzielbare Wärmerückgewinnung. Der Luftkreislauf für die Prozessluft ist hier geschlossen ausgeführt, er kann alternativ (nicht gezeigt) jedoch ebenso wie in Figur 1 gezeigt offen ausgeführt sein. Allgemein kann jede Ausführungsform der Erfindung je nach Bedarf mit offenem oder geschlossenem Prozessluftkreislauf ausgeführt werden.
In Figur 3 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von Figur 2 gezeigt. Allgemein kann die erforderliche Zufuhr von Wärmeenergie, um das vorgewärmte Prozesswasser aus dem Kondensator auf die nötigen 86°C aufzuheizen, aus allen dazu geeigneten Quellen stammen. Industrieabwärme, Erdwärme, Wärmeenergie aus Blockheizkraftwerken oder dergleichen kann verwendet werden. Aus Kosten- und Umweltgründen wird jedoch bevorzugt Solarenergie verwendet. Dazu weist die Ausführungsform der Figur 3 als Heizeinrichtung einen Solarkollektor 28 auf, der über einen Wärmetauscher 30 das vorgewärmte Prozesswasser aufheizt. Der Wärmetauscher 30 ist hier optional, alternativ kann das Wasser auch direkt im Solarkollektor aufgeheizt werden.
Nicht gezeigt ist eine weitere Ausführungsform. Da bei der Verwendung von Solarenergie nur während der täglichen Sonnenstunden ein Betrieb der Anlage möglich ist, kann zusätzlich ein Wrärmespeicher vorgesehen werden, der auch für Nachtstunden genügend Wärmeenergie vorhält, um die Vorrichtung kontinuierlich oder zumindest wesentlich länger betreiben zu können. Dazu ist es erforderlich, die Leistung des Solarkollektors entsprechend zu erhöhen, um den Wärmespeicher zu füllen und gleichzeitig die Vorrichtung zu versorgen.
Es soll betont werden, dass der Wärmespeicher sich natürlich auch anbietet, um bei allen anderen Arten der Wärmezufuhr den Betrieb sicherzustellen bzw. die Wärmezufuhr gleichmäßiger gestalten zu können. Auch kann so etwa Wärmeenergie genutzt und gespeichert werden, die nur zeitweise zur Verfügung steht und/oder nur zu bestimmten Zeiten kostengünstig ist.
In Figur 4 ist eine Weiterbildung der Aus führungs form von Figur 3 gezeigt. Hier ist im Zulauf des Meerwassers ein Kühler 32 vorgesehen. Der Kühler hat die Aufgabe, das Prozesswasser, welches mit 32°C aus dem Verdunstungsbehältcr kommt, auf 26 ( ' abzukühlen und dem Kondensator 12 zuzuführen. Die Kühlung kann mit beispielsweise 18°C kaltem Meerwasser erfolgen. Alternativ sind auch andere Kühlungsverfahren denkbar, wie etwa ein Kühlturm oder Kamin.
In der gezeigten Aus ührungsform ist weiterhin ein Mischbehälter 34 vorgesehen. Der Mischbehälter 34 ermöglicht es, das aus dem Verdunstungsbehälter 6 abgeführte Brine- Wasser nach Bedarf dem frischen Meerwasser beizumischen. Über einen regelbaren Ablauf kann es jedoch auch bedarfsweise abgeführt werden.
In Figur 5 ist eine beispielhafte Versuchsanlage gezeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitet. Die Anlage weist eine Leistung von 13 Litern Brauchwasser pro Stunde auf. Die Bruttoleistung beträgt 9,3 kW. die Solarzusatzleistung beträgt 0,9 kW. Die Fläche des Solarkollektors beträgt 3 m2. Die gezeigten Temperaturangaben und Leistungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur Brauchwassergewinnung aus verunreinigtem Wasser, umfassend: einen Kondensationsbehälter (2) mit einem Brauchwasserabfluss (4) und einem Prozessluftabfluss (36); einen Verdunstungsbehälter (6) mit einem Restwasserabfluss (8) und einem Prozessluftzufluss (38); eine Trenneinrichtung (10) mit steuerbarer Durchlässigkeit, die einen horizontalen Durchgang zwischen Kondensationsbehälter (2) und Verdunstungsbehälter (6) bildet; einen Kondensator (12), der im Kondensationsbehälter angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass (14) für verunreinigtes Wasser und einen Kühlmittelauslass (16) aufweist; eine Heizeinrichtung (18), die mit dem Kühlmittelauslass (16) verbunden und eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser aufzuheizen; eine Sprüheinrichtung (20), die mit der Heizeinrichtung (18) verbunden und eingerichtet ist, das aufgeheizte verunreinigte Wasser in den Verdunstungsbehälter (6) einzusprühen; und eine regelbare Lu ftförderei nrichtung (22), die eingerichtet ist, Prozessluft dem Verdunstungsbehälter (6) zuzuführen,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Durchlässigkeit der Trenneinri chtung (10) von im Wesentlichen geschlossen bis im Wesentlichen vollständig geöffnet steuerbar ist, wobei bevorzugt die Durchlässigkeit an verschiedenen Positionen in der Trenneinrichtung unabhängig steuerbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trenneinrichtung (10) eine Jalousie mit mehreren horizontal verlaufenden Lamellen (24) ist, wobei bevorzugt jede Lamelle (24) einzeln steuerbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftfördereinrichtung (22) ein Ventilator ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessluftabfluss des Kondensationsbehälters (2) mit dem Prozessluftzufluss des Verdunstungsbehälters (6) verbunden ist, wobei bevorzugt ein geschlossener Luftkreislauf entsteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessluftabfluss und der Prozessluftzufluss jeweils im unteren Bereich, bevorzugt an der Unterseite des Kondensationsbehälters (2) beziehungsweise des Verdunstungsbehälters (6) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine regelbare Luftleitung (26), die eingerichtet ist, Prozessluft im oberen Bereich, bevorzugt an der Oberseite des Verdunstungsbehälters (6) abzuführen und dem oberen Bereich, bevorzugt der Oberseite des Kondensationsbehälters
(2) zuzuführen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (18) einen Solarkollektor (28) umfasst, der eingerichtet ist, das verunreinigte Wasser direkt oder über einen Wärmetauscher (30) aufzuheizen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Kühler (32), der zwischen den Restwasserabfluss (8) und den Kondensator (12) geschaltet und eingerichtet ist, das Restwasser abzukühlen und dem Kondensator (12) zuzuführen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Wärmespeicher, der eingerichtet ist, Wärmeenergie zu speichern und bedarfsweise der Heizeinrichtung (18) zuzuführen.
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