WO1998022193A2

WO1998022193A2 - Apparat und verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades eines verdampfungsprozesses

Info

Publication number: WO1998022193A2
Application number: PCT/EP1997/006340
Authority: WO
Inventors: Georg Litinas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 1999-05-16
Also published as: EP0948381B1; EP0948381A2; DE59708908D1; DE19647378C2; WO1998022193A3; DE19647378A1; ATE228876T1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und den dazugehörigen Apparat zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses und zeichnet sich dadurch aus, daß sie mittels einer Simulation des Siedeprozesses die Vorteile der Unterdruckverdampfung und der Dampfverdichtung in einer wärmepumpenähnlichen Betriebsweise kombiniert. Wie im Bild (1) dargestellt, wird erfindungsgemäß ein Gas oder Gasgemisch verdichtet (3, 4) und mit Hilfe eines porösen Bodens (10) in Bläschenform in den Boden der Flüssigkeitssäule gepreßt, an ihrer Oberfläche abgesaugt, durch Verdichtung und/oder Kühlung getrocknet und dem Prozeß wieder zugeführt. Die dabei geltende Energiebilanz läßt möglich erscheinen, daß die Wärmetransport- und Wärmeübergangsverluste großtenteils von der Verlustleistung des Verdichters (3) gedeckt werden, soweit die so konzipierte Anlage richtig optimiert ist. Die Anlage ist an Hand der Problematik einer Entsalzungsanlage entwickelt, kann aber für alle Ein- oder Verdampfungsprozesse eingesetzt werden. In diesem abgebildeten Musterfall ist sowohl das Süßwasser als auch die Lake zu verwerten.

Description

Apparat und Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Verbesserung des Wirkungsgrades aller Ein- oder Verdampfungsprozesse. Beide sind in Verbindung mit der Problematik der Süßwas- sergewinnung aus brackigem oder reinem Salzwasser entwickelt und daher werden sie mit Hilfe der dort stattfindenden Prozesse wörtlich und bildlich erläutert, ohne daß dadurch ihre Anwendbarkeit allein auf dieses Gebiet eingeschränkt wird.

Bei der Süßwassergewinnung nach den Destillationsprinzip wird das Salzwasser verdampft und anschließend durch Kühlung kondensiert. Die evtl. notwendige Nachbehandlung des entstandenen Kondensates ist nicht Gegenstand dieser Anmeldung.

Die mit der Verdampfung zusammenhängenden Vorgänge sollen zum besseren Verständnis kurz erläutert werden.

Jede Flüssigkeit verdampft an Ihrer Oberfläche mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in Abhängigkeit ihrer Temperatur und dem an Ihrer Oberfläche herrschenden Partialdruck. Durch Wärmezufuhr wird ein für jede Flüssigkeit spezifischer Punkt - Siedepunkt - erreicht, bei dem dann diese Verdampfung aus der ganzen Masse dieses Mediums erfolgt. Dieser Vorgang wird als Sieden oder Kochen bezeichnet.

Es kann sich jedoch als zweckmäßig erweisen, diesen Prozeß auch unterhalb des Siedepunktes dieser Flüssigkeit ablaufen zu lassen, sei es weil die Leistung der Wärmequelle nicht ausreicht, z.B. beim Betrieb einer solchen Anlage mit Sonnenkollektoren in Abhängigkeit von den Wetterverhältnissen, oder weil man dadurch einen besseren Reinheitsgrad des Destillates erwartet, z.B. in der petrochemischen Industrie, oder weil man die in der Flüssigkeit enthaltenen Substanzen, z.B. Vitamine oder Aromaöle, durch Überhitzung nicht zerstören möchte.

Ein weiterer gewichtiger Grund ist der der jeweils notwendigen Energie. Auf heiz- und Kühlleistung sind einander proportional, so daß jede Minderung der Wärmeleistung eine mindestens gleich große Einspa- rung an Kühlleistung mit sich bringt.

Wenn man also, wie im vorliegenden Fall, den eigentlichen Verdampfungsprozeß unterhalb des Siedepunktes beschleunigen möchte, gibt es zwei bekannte Möglichkeiten:

Das Reduzieren des Druckes an der Oberfläche dieser Flüssigkeit und/oder das Abtragen der sich dort bildenden Dampfschichten, welche im übertragenen Sinne eine Isolierschicht bilden. Das sehr verbreite- te Verfahren der Flash Evaporation kombiniert diese Möglichkeiten vorzüglich und ist mit mehreren Varianten Stand der Technik.

Ebenso Stand der Technik ist die Destillatgewinnung nicht durch Kühlung, wie zuvor erwähnt, sondern auch durch Komprimierung der entstehenden Dämpfe und wird als Dampfverdichtung bezeichnet.

Beide Verfahren werden je nach Konzeption der Anlage separat eingesetzt. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, nicht nur die Vorteile aller oben erwähnten Methoden zu vereinen, sondern auch einen Siedeprozeß zu simulieren, durch die Nutzung des Wärmepumpenprinzips den notwendigen Energiebedarf zu minimieren und dadurch den Wirkungsgrad dieses Prozesses zu verbessern und durch die Senkung der mittleren Betriebstemperatur der Anlage diese in den Stand zu versetzen, jegliche Wärmespende zur Steigerung ihrer Effektivität zu nutzen.

Die Senkung der mittleren Betriebstemperatur der Anlage impliziert eine weitere Reihe von Vorteilen, welche hauptsächlich in der großzügigeren Materialauswahl zu erwarten sind, da nunmehr auch die Kor- rossionsprobleme entspr. gemindert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels des in Bild 1 dargestellten Apparates gelöst. Ein Verdichter (3) preßt Luft in den Kompressionsraum (4). Dort wird diese Luft mit Hilfe des porösen Bodens (10) - dieser kann aus Glas, Keramik oder Edelstahl sein -in Bläschen verwandelt, um den Sättigungsprozeß beim Aufsteigen zu beschleunigen. Die nun gesättigte Luft wird im Expansionsraum (1) ge- sammelt und im Kompressionsraum verdichtet. Dabei wird die Strömung gedrosselt und durch das umliegende Salzwasser abgekühlt. Dadurch wirft sie einen Teil ihrer Feuchte als Destillat ab welches über das Schwimmerventil (9) im umliegenden Behälter aufgesammelt wird. Es kann dort bei Bedarf als Wärmespender oder auch als „Warmhalter" eingesetzt werden. Der an der Oberfläche des Destillates herrschende Unterdruck, kann wie schematisch angedeutet, seine Entgasung beschleunigen. Wenn durch die fortschreitende Ausscheidung des Destillates die Konzentration der Lake einen vorbestimmten Wert erreicht, wird über den Konzentrationsmesser (12) das Ventil geöffnet und der Behälter entleert. In dem hier dargestellten Betrieb kann sowohl das Produkt der Verdampfung - Süßwasser - als auch das der Eindampfung - Lake - mitverwertet werden. Das Schwimmerventil (9) läßt das Destillat durch und sperrt den Durchgang, wenn z.B. beim Start kein Destillat vorhanden ist. In Bild 2 ist eine nach den gleichen Erfindungsgrundsätzen konzipierte Modifikation dargestellt.

Sie vereint die zwei erwähnten Möglichkeiten der Dampfausscheidung durch Verdichtung und Kühlung und ist quasi zweistufig konzipiert. Sie enthält zusätzlich die Wärmetauscher (11) und (14) .Letzterer ermöglicht die Nutzung weiterer Energiespender, ohne daß er für den Betrieb der Anlage notwendig ist. In einem Inselbetrieb kann er im Sinne der Wärme-Kraft-Kopplung eingesetzt werden. Ebenso ermög- licht sein Einsatz das Zuschalten von Sonnenkollektoren oder bei Betrieb der Anlage mit Windkraft die Nutzung der evtl. überschiessenden Energie, um ihre Effektivität zu steigern. Das im Wärmetauscher (11) vorgewärmte Salzwasser wird im Wärmetauscher (8) nachgewärmt und dem Prozeß wieder zugeführt. Ansonsten treffen die Erläuterungen der ersten Modifikation zu. In beiden Modifikationen sind die dargestellten Behältnisse und Vorrichtungen als rotationssymmetrisch zu verstehen, so daß auf weitere Schnitte und Details, wegen der Übersichtlichkeit, verzichtet werden kann.

Die in beiden Modifikationen zunächst funktioneil dargestellten Prozeßabläufe sollen nun im Sinne der vorliegenden Erfindung zusammengefaßt und in ihren physikalischen Grundlagen gegliedert werden:

• Durch das Pressen von ungesättigter Luft - oder je nach Zweckmäßigkeit, einem anderen Medium, abhängig von der gegenseitigen Löslichkeit - in Bläschenform am Boden der Flüssigkeitssäule, wird eine Simulation des Siedeprozesses erreicht der Art, daß jetzt, erfindungsgemäß, nicht allein die Oberfläche dieser Flüssigkeitssäule für die Verdampfung maßgebend ist, sondern ein Vielfaches davon. Diese aufsteigende Strömung impliziert noch eine Reihe von zweckgerichteten Vorteilen, so z.B. die Zerstörung der Schichten der Partialdücke an der Oberfläche dieser Flüssigkeitssäule, welche eine hemmende Wir- kung für die Verdampfung ausüben. Es ist allgemein bekannt, daß turbulente Strömungen sich günstiger bei Austauschprozessen auswirken.

• Durch das Absaugen der nun gesättigten Luft, oder allgemein des Transportmediums, an der Oberfläche der Flüssigkeitssäule werden alle Vorteile der Unterdruckverdampfung genutzt.

• Durch das Pressen der gesättigten Luft durch den Wärmetauscher (4) werden die Vorteile der Dampfverdichtung genutzt.

• Der erfindungsgemäß so geordnete Prozeßablauf mit dem Expansionsraum, dem Kompressionsoder Verdichtungsraum, dem Verdichter und dem Wärmetauscher (4) u.a. als Drosselorgan, Expansionsventil, stellt eine Wärmepumpe dar, die es ermöglicht, den Energiebedarf der Anlage zu minimieren und die Verlustleistung des Verdichters dem Prozeß zuzuführen. Im Falle der Entsalzung z.B. können wassergekühlte Wasserringpumpen als Verdichter eingesetzt werden, welche mit dem Destillat gekühlt werden.

• Vor allem aus Bild 2 und der o.e. Erläuterung des Wärmepumpenprinzips geht eindeutig hervor, daß die Anlage eine niedrige, mittlere Betriebstemperatur haben wird, schätzungsweise zwischen 40° C und 60° C, welche es ermöglichen wird, das bisher, aufgrund seiner niedriger Enthalpie, brachliegende Po- tential der Umweltspender besser zu nutzen. In diesem Sinne denke man z.B. daran, daß in bestimmten Gegenden Spaniens keine Hotels gebaut werden dürfen, wenn sie nicht über eine eigene Entsalzungsanlage verfügen. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann aber dann die Abwärme der Klimaanlage eines solchen Hotels sinnvoll genutzt werden mit einem dann zweifachen Energieeinsparungseffekt. Einerseits wird die Klimaanlage entlastet und andererseits wird die bis dato sinnlos verpuffende Energie der Ab- wärme nutzbringend eingesetzt. Man denke in diesem Zusammenhang auch daran, daß die Effizienz der Entsalzungsanlage in Abhängigkeit der Abwärme der Klimaanlage steigt, d.h. mit Beginn der Saison, wenn es ebenfalls erhöhten Wasserbedarf gibt.

• Abhängig vom angestrebten Ergebnis, können nicht nur die dargestellten Modifikationen, sondern auch andere nach diesem Erfindungsprinzip konzipierte Anlagen in Reihe, kaskadierend, geschaltet wer- den, wie z.B. bei der Flash Evaporation, in dem man die einzelnen Elemente entweder nach der gleichen Modifikation, oder aber auch alternierend schaltet.

• Ein weiterer Vorteil dieser niedrigen, mittleren Betriebstemperatur ist auch darin zu sehen, daß der maßgebliche Wärmetauscher (4) nicht mehr aus Edelstahl - CrMg - gebaut werden muß, sondern evtl. aus Kupfer, so daß dadurch nicht allein die Gestehungskosten, sondern auch die Betriebskosten durch bessere Wärmeleitwerte erheblich gesenkt werden können, λst = 20 W/Km, λ_Cu = 360 W/Km.

Claims

Patentansprüche

1. Apparat zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses dadurch gekenn- zeichnet, daß er sich nach Bild 1 , in Anlehnung an die Arbeitsweise einer Wärmepumpe, aus einem Expansionsraum (1) und einem Verdichtungsraum (4), sowie dem dazugehörigen Verdichter (3) besteht, wobei der Verdichtungsraum (4) gleichzeitig als Wärmetauscher dient. das für die Funktion einer Wärmepumpe notwendige Expansionsventil, Trennung des Verdichtungs- vom Expansionsraum, im vorliegendem Fall mit Hilfe eines porösen Bodens (10), von der Säule des zu verdampfenden Gemisches (5) nachgebildet wird. die für den Betrieb einer Wärmepumpe übliche Phasenänderung, Flüssigkeit-Gas und umgekehrt, dadurch simuliert wird, daß ein geeignetes Gas, im vorliegenden Fall Luft, im quasi trockenen Zustand zum Boden der Säule des zu verdampfenden Gemisches (5) durch das poröse Material (10) hindurch geleitet, im quasi gesättigtem Zustand vom Verdichter (3) aufgesogen und anschließend in den Verdichtungsraum gepreßt wird, wobei es einen Teil seiner Feuchte abwirft. das durch die Dampfverdichtung aufgeheizte Destillat (6), im vorliegenden Fall Süßwasser, durch die dargestellte Anordnung zur unmittelbaren Aufwärmung des zu verdampfenden Gemisches (5) beiträgt. sowohl durch die Nutzung der latenten Wärme, Kondensationswärme, im Wärmetauscher (4), der in

Wärme anfallenden Verluste des Verdichters (3) und des zuletzt dargestellten Effektes der unmittelbaren Nutzung der Wärme des Destillates (6) der Energiebedarf des Apparates minimiert wird. durch die dargestellte Anordnung bzw. durch die Nutzung der Unterdruckverdampfung notwendige, jedoch kostenintensive Entgasungsvorrichtungen überflüssig werden.

2. Apparat zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses nach dem 1. Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der angestrebten mittleren Arbeitstemperatur der Anlage, die in Bild 1 dargestellte Anordnung mit einem in Bild 2 dargestellten Wärmetauscher (11)- Vorwärmer - ergänzt werden kann.

3. Apparat zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses nach dem 1. und 2. Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß beide in Bild 1 und 2 dargestellten Konfigurationen durch einen zusätzlichen Wärmetauscher (14), Bild 2, ergänzt werden können, um zusätzliche Wärmespenden zur Erhöhung der Ausbeute dieses Apparates zu nutzen.

4. Apparat zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses nach dem 1., 2. und 3. Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß er sich nicht nur zu Verdampfungs- sondern auch zu Ein- dampfungszwecken eignet, also nicht allein zur Destillatgewinnung sondern auch zur Aufkonzentrierung des Gemisches.

5. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verdampfungsprozesses dadurch gekennzeichnet, daß es die bekannten und erprobten Grundlagen der Rektifikation, der Unterdruckverdampfung, der Dampfverdichtung und der Wärmepumpe synergetisch sinnvoll bündelt, um den Wirkungsgrad dieses Prozesses zu verbessern, auch dadurch, daß die mittlere Temperatur des Prozesses herabgesenkt wird, sei es um reinere Destillate zu erhalten, sei es um Wärmespenden effektvoll zu nutzen, welche üblicherweise nicht ausreichen würden, um die Siedetemperatur des zu verdampfenden Gemisches zu erreichen.

Dabei wird das Prinzip der

Rektifikation verwandt, um eine Simulation des Siedeprozesses zu erreichen. Dies geschieht dadurch, daß ein quasi trockenes Gas mittels z.B. eines porösen Materials in den Boden der Säule des zu verdampfenden Gemisches (5) in Bläschenform eingeleitet und an ihrer Oberfläche quasi gesättigt aufgesogen wird. Dadurch wird erreicht, daß als Verdampfungsfläche nicht mehr die Oberfläche dieser Säule sondern ein Vielfaches davon wird. Positive Nebeneffekte dieser Methode sind u.a. der durch die Verwirbelung des Gemisches erzielbare bessere Wärme- und Stoffaustausch. Außerdem zerstört diese Strömung die Dampffilme an der Oberfläche dieser Säule, welche im übertragenen Sinne eine isolierende Funktion erfüllen - Partialdrücke nach Dalton -.

Unterdruckverdampfung verwandt, um den Vedampfungsprozeß in bekannter Weise zu beschleuni- gen. Die Kombination des Abbaus der Partialdruckschichten mit der Unterdruckverdampfung realisiert ohne apparativen Aufwand und ohne Dampferzeuger die sehr erfolgreich erprobte Methode der „Flash-Evaporation". Außerdem entfallen dadurch kostspielige und an Energieverlusten reiche Entgasungsvorrichtungen sowohl für das Verdampfungsgut als auch für das Destillat.

Dampfverdichtung verwandt, um mit Hilfe des Verdichters (3) das angereicherte Gasgemisch in den schematisch dargestellten Wärmetauscher (4) zu pressen und dieses dadurch zu zwingen, einen Teil seiner aufgenommenen Feuchte und die damit verbundene latente Wärme abzugeben.

Wärmepumpe simuliert, dadurch daß das quasi trockene Gas im Verdichtungsraum (4) bei seinem Fluß durch die Säule (5) mit Dämpfen angereichert wird, um diese wieder im Verdichtungsraum abzugeben. Nur weil es sich hierbei um unvollständige Prozesse der Verflüssigung und der Vergasung handelt, wird von einer Simulation des Wärmepumpenprinzips gesprochen. Dafür finden jedoch die Prozesse der Nutzung der latenten Wärme und der Nutuzng der als Wärme anfallenden Verdichterverluste exakt nach diesem Prinzip ihre Anwendung.