Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserentsalzung und eine Wasserentsalzungsanlage mit einem Sonnenkollektor, einem plattenförmigen Verdampfer und einem Kondensator.

Die Erfindung nutzt die unerschöpfliche Energiequelle der Sonne um aus Salzwasser Süßwasser zu gewinnen. In einigen Entwicklungsländern, insbesondere im Nahen Osten, wird das nur in sehr begrenztem Umfang vorhandene Wasser dringend für die weitere Industrialisierung, den Bau neuer Tourismus-Zentren bei gleichzeitiger Bevölkerungsexplosion benötigt. So ist es zwingend, das Meerwasser zur Gewinnung von Süßwasser zu nutzen.

Es sind mehrere Verfahren zur Süßwassergewinnung aus Salzwasser bekannt, aber nur wenige sind wirtschaftlich einsetzbar. Thermaler Druck, überhitzter Dampf und mehrstufige Verdampfer sind für diesen Zweck kaum wirtschaftlich einzusetzen, da für sie große Mengen an fossiler Energie benötigt werden. Elektrolyseverfahren, wie etwa in dem Patent US 6,279,321 beschrieben, benötigen große Mengen an elektrischer Energie.

Das Umkehrosmoseverfahren wird Dank seines großen Wirkungsgrades breit eingesetzt. Anlagen mit einem solchen Verfahren setzen eine Hochtechnologie voraus, die sich nur wenige Entwicklungsländer leisten können. Auch ist die Versorgung mit Ersatzteilen und deren Kosten ein Problem. Die hohen Kosten für Wartung und Betrieb gehören weiter zu den Nachteilen der Umkehrosmose.

Im Mittleren Osten erscheint die Nutzung der Solarenergie für die Gewinnung von Süßwasser attraktiv. Der geringe Ertrag von Wärmekollektoren führt dazu, Verfahren zu entwickeln, die einen besseren Wirkungsgrad besitzen. Die bisher bekannten Wasserentsalzungsanlagen optimieren jeweils einen oder zwei Verfahrensschritte, ohne eine optimale Gesamtlösung anzugeben. Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades sind die Verdampfung des Wassers bei Unterdruck und das Vorheizen des der Anlage zugeführten Salzwassers, wie sie in dem Patent US 5,645,693 beschrieben sind.

Die dort beschriebene Anlage nutzt aber sehr große parabolische Sonnenkollektoren und mehrstufige Verdampfer. Solche Komponenten sind für dezentral einsetzbare, kostengünstige Anlagen nicht zu vertreten.

Das Patent US 4,135,985 beschreibt eine Wasserentsalzungsanlage, bei der das Salzwasser an einer schrägen transparenten Fläche kondensiert, die gleichzeitig als Vorheizflähe dient. Diese Anlage erfordert erhebliche Aufwendungen, um die vorgeschlagenen Betonwannen für das Wasser zu bauen.

Das Patent US 5,672,250 beschreibt eine Wasserentsalzunganlage, die mit mehreren, auf unterschiedlichen Niveaus angeordneten Tanks und einem komplizierten Rohrsystem arbeitet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, dezentral einsetzbare Wasserentsalzungsanlage anzugeben, die aus einfachen Komponenten aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein einfacher, aber wirksamer Sonnenkollektor ist aus einem ebenen, flachen äußeren Behälter gebildet, in dessen Innern sich ein weiterer dünner, flacher Behälter befindet. Der innere Behälter ist aus einem gut wärmeleitenden Metall, etwa Kupfer gefertigt und mit einem schwarzen, wärmeleitenden Überzug versehen. Dieser innere Behälter ist in dem äußeren Behälter untergebracht und die gesamte Einheit unter einem vorbestimmten Winkel zum mittleren Sonnenstand hin aufgestellt. Dabei besitzt der äußere Behälter zur Sonne hin eine transparente Oberfläche mit hoher Lichtdurchlässigkeit und einem geringen Reflektionsfaktor. Der äußere Behälter ist sehr gut nach außen isoliert, um die gewonnene Wärme nicht zu verlieren und besitzt in Innern nahezu ein Vakuum, um die Verluste durch Wärmestrahlung und Konvektion im Sonnenkollektor zu minimieren. Um das Vakuum über lange Zeit zu halten, ist der äußere Behälter sehr gut abgedichtet. Ein Sonnenkollektor mit diesen Merkmalen besitzt trotz seines sehr einfachen Aufbaus einen guten Wirkungsgrad. Anstelle eines solchen Sonnenkollektors kann aber auch ein Kollektor mit Vakuum-Glasrohren oder mit Kupferrohrschlangen eingesetzt werden.

Durch den Sonnenkollektor fließt ein Wärmetransportmittel, das dem Verdampfer zugeführt wird und damit einen geschlossenen Kreislauf bildet.

Der Verdampfer der Wasserentsalzungsanlage ist ähnlich wie der beschriebene Sonnenkollektor aufgebaut. Auch er besteht aus einem äußeren Behälter, in dem sich ein ebener, flacher Metallbehälter mit einem schwarzen, wärmeleitenden Überzug befindet. Der innere Behälter wird vom Wärmetransportmittel vom Sonnen kollektor durchflossen und fungiert selbst auch als Sonnenkollektor. Dabei kann der Kreislauf des Wärmetransportmittels über natürliche Konvektion vom warmen zum kälteren Bereich des Kreislaufs oder durch eine Umlaufpumpe aufrecht erhalten sein. Auf der Oberfläche des inneren Behälters wird das Salzwasser aufgebracht und verdampft dort. Der erzeugte Dampf wird über eine Öffnung im äußeren Behälter dem Kondensator zugeführt.

Wasser verdampft sehr viel leichter, wenn der Verdampfungsprozess bei niedrigem Druck erfolgt. So geht das Wasser bei einem Druck von 0,1 bar schon bei 50°C in die Dampfphase über. Wenn der Verdampfer nun bei einem solchen Druck betrieben wird, steigt der Wirkungsgrad erheblich gegenüber einem Betrieb bei Normaldruck. Vorteilhafterweise wird der Unterdruck im Verdampfer über eine Saugpumpe hergestellt. Der Wirkungsgrad wird weiter gesteigert, wenn die Verdampfung in einer dünnen Schicht von Wasser erfolgt.

Das Salzwasser wird dem Verdampfer vorteilhafterweise am oberen Ende über eine Schlitzdüse zugeführt, die sich über die Breite der Verdampferoberfläche erstreckt, und somit das Wasser über die gesamte Breite der Verdampferoberfläche rinnt. Dabei ist die Menge des zugeführten Wassers über die Breite des Schlitzes gesteuert.

Die Breite des Schlitzes ist vorteilhafterweise abhängig von der Temperatur des zugeführten Wärmetransportmittels gesteuert, so dass bei einer hohen Temperatur mehr Salzwasser zum Verdampfen zugeführt wird als bei einer niedrigen.

Als steuerbare Schlitzdüse ist eine Konstruktion aus zwei geschlitzten Rohren geeignet, wobei das innere Rohr am Verdampfer befestigt und das äußere Rohr drehbar gelagert ist und sich die beiden Schlitze mehr oder minder überlappen. Der Drehwinkel des äußeren Rohres wird nun von der Temperatur gesteuert und es ergibt sich eine entsprechende effektive Breite des Schlitzes. Vorteilhafterweise kann die Breite des Schlitzes auch manuell eingestellt werden. Dies wird genutzt, um die Verdampferoberfläche zu spülen, wenn die Anlage nicht in Betrieb ist.

Der Kondensator ist vorteilhafterweise ebenfalls als Wärmetauscher ausgeführt, der dem Dampf die Wärme entzieht und damit zu Süßwasser kondensiert. Das kondensierte Wasser wird aufgefangen und bis zu einer vorbestimmten Höhe gesammelt. Das darüber hinaus gewonnene Wasser wird der Nutzung zugeführt.

Der Kondensator kann als mehrstufiger Plattenwärmetauscher oder als Wellenplatte mit unabhängigen Kammern ausgebildet sein. Vorteilhaft ist es, wenn der Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip arbeitet und somit seine Wärme weitgehend an ein Kühlmittel abgibt. Dabei sind die Wärmetauscherplatten vorteilhafterweise ähnlich wie die flachen Behälter in dem Sonnenkollektor aufgebaut.

Vorteilhafterweise wird als Kühlmittel das frische Salzwasser genutzt, das verdampft werden soll. Es wird auf diese Weise vorgeheizt und die zum Verdampfen benötigte Wärmemenge verringert. Das vorgeheizte Salzwasser wird in einem Vorheiztank gesammelt, von wo aus es dem Verdampfer wie oben beschrieben gesteuert zugeführ wird.

Im Verdampfer wird dem Salzwasser sehr viel Wärme zugeführt, aber nicht restlos alles verdampft. Die Wärme des nicht verdampften heißen Restwassers wird über einen Wärmetauscher wieder dem Vorheiztank zugeführt und somit das Wasser darin weiter erwärmt. Das Restwasser wird in das Meer abgelassen.

Die Wasserentsalzungsanlage ist vorteilhafterweise in Modulen aufgebaut, wobei der Sonnenkollektor, der Verdampfer und der Kondensator jeweils in etwa gleicher Größe ausgeführ sind. Der Sonnenkollektor und der Verdampfer sind nebeneinander angeordnet und zusammen unter dem vorbestimmten Winkel aufgestellt. Der Kondensator ist direkt unter dem Verdampfer angebracht. Hinter dem Sonnenkollektor und dem Verdampfer ist der Vorheiztank aufgestellt. Dieser besitzt günstigerweise ebenfalls eine schwarze Oberfläche und somit wird das Wasser im Vorheiztank durch die Sonne weiter erwärmt.

In einer vorteilhaften Ausführung wird der im Verdampfer erzeugte Dampf auch als Energiequelle zum Betreiben eines Motors genutzt. Dabei ist es günstig, diesen Motor zum Antrieb der Saugpumpe für den Unterdruck zu benutzen.

In einer anderen Ausführung wird Energie über Photovoltaik gewonnen und damit die Pumpen betrieben.

Insgesamt ist mit dieser Wasserentsalzungsanlage ein System offenbart, dass aus einfachen, gleichartigen Komponenten aufgebaut ist und mit einem hohen Wirkungsgrad mittels der in großen Mengen verfügbaren Energie der Sonne aus Salzwasser Süßwasser gewinnt. Die Herstellkosten solcher Komponenten, die auch in Entwicklungsländern lokal hergestellt werden können, sind gering. Es sind einfache, isolierte Kästen, in denen sich flache Kupferbehälter befinden. Die Komponenten können einfach an Orten in der Nähe von Salzwasser aufgebaut werden. Die Wartungs- und Betriebskosten können auf einem Minimum gehalten werden. Auch ist das vorgeschlagene System aus ökologischer Sicht wertvoll, da es keinerlei Umweltverschmutzung vervorruft.

Mit dem beschriebenen Verfahren zur Verdampfung von Wasser in dünnen Schichten unter reduziertem Druck können verschiedene Formen des Salzwassers, wie Meerwasser, Brackwasser oder salzhaltiges Grundwasser, zu Süßwasser verarbeitet werden. Die Energie der Sonne wird optimal ausgenutzt und Wärmeverluste werden durch die kompakte Bauart weitgehend vermieden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den 1 bis 5 beispielhaft dargestellt:

1 zeigt das Schema der Wasserentsalzungsanlage

2 zeigt den Aufbau der Anlage

3 zeigt einen Sonnenkollektor

4 zeigt eine Schlitzdüse

5 zeigt einen Kondensator

In 1 ist das Schema der Wasserentsalzungsanlage dargestellt. Die Sonne heizt den Sonnenkollektor 2 auf, der an einen Kreislauf des Wärmetransportmittels angeschlossen ist. Dadurch wird das Wärmetransportmittel dem Verdampfer 4 zugeführt und bei Bedarf über die Pumpe 8 umgepumpt.

Das Salzwasser befindet sich im Vorratsbehälter 10 und wird durch den Kondensator 5 als warmes Salzwasser dem Vorheiztank 11 zugeführt. Aus diesem Behälter gelangt das Salzwasser über die Schlitzdüse 6 auf den Verdampfer 4. Dadurch wird der Dampf gebildet, hier als Pfeil dargestellt, der zum Kondensator 5 gelangt und dort zu Süßwasser kondensiert. An dem Kondensator befindet sich die Saugpumpe 9, die den Unterdruck in der Anlage herstellt. Der Unterdruckbereich ist hier mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Am Süßwasserablauf 30 befindet sich ein Absperrventil 28, das dort den Druckausgleich verhindert und das gewonnene Süßwasser entnehmen lässt.

Das Salzwasser wird über den Salzwasserzulauf 34 durch den Kondensator 5 geführt und kühlt diesen. Gleichzeitig wird dabei das Salzwasser aufgeheizt. Dieses wird dann über den Anschluss 35 dem Vorheiztank 11 zugeführt und dort gespeichert. Dieser ist auch der Sonnenenergie ausgesetzt und damit wird das Salzwasser noch weiter erwärmt. Das vorgewärmte Wasser wird über die Düse 6 auf die Verdampferfläche gebracht und somit verdampft. Die Wärme des überschüssigen nicht verdampften heißen Salzwassers wird über einen Wärmetauscher 3 auch dem Vorheiztank 11 zugeführt und erhöht damit auch dessen Wärme. Das nicht verdampfte Wasser wird über den Wasserauslauf 33 abgelassen.

2 zeigt schematisch die Aufstellung der Wasserentsalzungsanlage 1. Sonnenkollektor 2 und Verdampfer 4 sind nebeneinander gestellt und gemeinsam unter einem vorbestimmten Winkel zum Sonnenstand hin ausgerichtet. Der Kondensator 5 ist unter dem Verdampfer 4 angeordnet und somit legt der Dampf nur einen kurzen Weg zurück. Unter dem Kollektor 2 ist der Vorratstank 10 angeordnet. Hinter diesen Aggregaten ist der Vorheiztank 11 angeordnet, in dem das warme Salzwasser gespeichert ist. Sonnenkollektor 2, Verdampfer 4 und Vorheiztank 11 sind unter dem gleichen Winkel zur Sonne aufgestellt und besitzen Oberflächen, die Sonnenenergie aufnehmen. Dies ist hier durch eine Punktrasterung dargestellt.

In 3 ist eine Ausführungsform des Sonnenkollektors 2 dargestellt. Der äußere Behälter 12 ist gegen Wärmeverlust isoliert und über den Anschluss 18 wird ein Vakuum im Inneren hergestellt. Im Inneren ist der innere Behälter 13 angeordnet, auf dem sich die Kollektorfläche 14 befindet. Das Wärmetransportmittel wird über den Anschluss 16 zugeführt und an dem Anschluss 17 wieder abgenommen. Der Behälter 12 ist durch die transparente Oberfläche 14 geschlossen, die eine gute Lichtdurchlässigkeit und einen niedrigen Reflektionsfaktor besitzt.

In 4 ist ein Teil des Verdampfers 4 mit der Düse 6 dargestellt. Die Düse 6 besteht aus zwei geschlitzten Rohren 19 und 20, wovon das innere Rohr 19 fest mit dem Wärmetauscher 31 verbunden ist. Das äußere Rohr 19 ist im inneren Rohr 20 drehbar gelagert. Durch die Drehung ist die Breite des Schlitzes 22 einstellbar. Damit wird die Menge des Wassers, die durch den Anschluss 23 zuläuft und dann auf der Verdampferoberfläche 32 verdampft gesteuert. Über den Steuerhebel 21 wird die Drehung, abhängig von der Temperatur des Wärmetransportmittels, gesteuert. Über diesen ist auch eine manuelle Einstellung möglich, um beispielsweise die Oberfläche des Verdampfers zu spülen.

In 5 ist ein Kondensator 5 schematisch dargestellt. Der Dampf tritt am Anschluss 24 in den Kondensator 5 ein und durchwandert diesen in den durch die Wärmetauscherplatten 29 gebildeten Kammern. Dabei wird der Dampf abgekühlt, kondensiert und wird als Kondenswasser 27 gesammelt. Über den Anschluss 25 wird der Unterdruck im System hergestellt. Über das Absperrventil 28 kann das Wasser am Wasserablauf 30 abgenommen werden. Dabei wird darauf geachtet, dass der Pegel des Kondenswassers nicht unter die Mindesthöhe 26 fällt, damit der Unterdruck nicht beeinträchtigt wird.

Das Kalte Salzwasser wird am Salzwasserzulauf 34 den Wärmetauscherplatten 29 zugeführt und als aufgeheiztes Salzwasser am Anschluss 35 abgenommen.

1

Entsalzungsanlage

2

Kollektor

3

Wärmetauscher

4

Verdampfer

5

Kondensator

6

Düse

7

Regler

8

Umlaufpumpe

9

Unterdruckpumpe

10

Salzwasservorratsbehälter

11

Vorheizbecken

12

isolierter Behälter

13

innerer Behälter

14

Kollektorfläche

15

Transparente Oberfläche

16

Zufluss Wärmetransportmittel

17

Abfluss Wärmetransportmittel

18

Anschluss Vakuumpumpe

19

Äußeres Rohr

20

Inneres Rohr

21

Steuerhebel

22

Schlitz

23

Wasserzulauf

24

Dampf

25

Vakuum

26

Mindesthöhe

27

Kondenswasser

28

Absperrventil

29

Wärmetauscherplatte

30

Süßwasserablauf

31

Wärmetauscher

32

Verdampferoberfläche

33

Salzwasserauslauf

34

Salzwasserzulauf

35

warmes Salzwasser