Theoretische und praktische Untersuchung einer mehrstufigen solarthermischen Kleinanlage zur Meer- und Brackwasserentsalzung

Müller, Hans Christoph; Melin, Thomas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-29655

Theoretische und praktische Untersuchung einer mehrstufigen solarthermischen Kleinanlage zur Meer- und Brackwasserentsalzung = Theoretical and practical investigation of a small scale multistage, solarthermal desalination unit for sea and brackish water

Müller, Hans Christoph (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hans Christoph Müller

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVIII, 195 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Melin, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-09-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29655
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50131/files/Mueller_Christoph.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Thermische Meerwasserentsalzung (Genormte SW) ; Stoffübergang (Genormte SW) ; Solar (Genormte SW) ; Destillation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; mehrstufige Wärmerückgewinnung (frei) ; Wärme- und Stoffübergang (frei) ; multi-stage heat recovery (frei) ; heat and mass transfer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Aufgrund der hohen Investitions- und Betriebskosten ist der Einsatz großtechnischer Entsalzungsanlagen in vielen ländlichen Küstengebieten von Entwicklungsländern nicht möglich. Für diesen Anwendungsbereich besteht ein Bedarf an kleinen, wartungsarmen und preisgünstigen Entsalzungsanlagen. Unter der Vielzahl an existierenden Verfahren zur Meerwasserentsalzung scheint das Konzept der mehrstufigen Wärmerückgewinnung ein großes Potential zur Energieeinsparung zu bieten. Jedoch wurde mit diesem Verfahren bisher keine ähnlich gute Effizienz erreicht, wie mit dem MEH-Verfahren oder der Membrandestillation. Da keine veröffentlichte, detaillierte Untersuchung bekannt ist, wurde die mehrstufige Wärmerückgewinnung theoretisch und praktisch im Rahmen dieser Arbeit untersucht mit dem Ziel den Energiebedarf soweit zu senken, dass eine solare Versorgung wirtschaftlich ist. Um den Prozess energetisch optimieren zu können, muss der Wärme- und Stofftransport in den Stufen bekannt sein. Die Einflüsse verschiedener Parameter wurden mit Hilfe einer einstufigen Experimentaldestille eingehend untersucht. Es zeigt sich, daß der Stoffdurchgang durch Verdampfungs- und Kondensatortemperatur, Salzgehalt, Oberflächenbeschaffenheit des Kondensators und die Geometrie der Stufe beeinflusst wird. Rücktropfverluste des Destillats vom Kondensator verringern die Destillatausbeute. Der Transportwiderstand des Stoffdurchgangs kann durch eine Reihenschaltung von vier Einzelwiderständen in den Phasengrenzen und im Kern der gasförmigen und flüssigen Phase beschrieben werden. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Reihenschaltungsmodell bezieht die bekannten Widerstände mit ein. Der Wärmewiderstand im Wasserbecken wird durch den konvektiven Widerstand der flüssigen Phase bestimmt und bringt hohe Produktionsverluste mit sich. Beim Betrieb mit Meerwasser reduzierte sich die Produktion um 25%. Da stetig weniger konzentriertes Wasser zufließt schwächt der geringere Dichteunterschied den Antrieb der freien Konvektion und reduziert so den Wärmefluss durch die Wasserschicht. Bis auf die Höhe der Wasser- und Gasschicht konnten keine Parameter bestimmt werden, die den Stoffübergang verbessern. Die Implementierung eines thermodynamischen Modells der Destillationsstufen in der Simulationsumgebung MATLAB/ SIMULINK berücksichtigt Wärme- und Massenströme sowie thermische Kapazitäten und Konzentrationen. Die Validierung mit Hilfe einer mehrstufigen Laboranlage zeigte, dass der Fehler im stationären Zustand unter einem Prozent bleibt und so bezüglich der konstruktiven und thermodynamischen Optimierung als ausreichend genau betrachtet werden kann. Während die thermodynamische Optimierung vor allem die Stufenzahl, den Nachfüllfaktor und die Rückgewinnung der sensiblen Wärme umfasst, dient die konstruktive Optimierung der Produktionsrate und der Verringerung der Rücktropfverluste. Ein 8-stufiges Entsalzungsmodul mit einer Grundfläche von 1m² bietet bei einer Produktionsrate von 8 kg/(m²h) einen energetischen Rückgewinnungsgrad von GOR= 3,5. Damit lässt sich der Energiebedarf gegenüber einer einfachen Destille auf 28,5% senken. Mit Wärmerückgewinnung der sensiblen Wärme kann der GOR-Wert auf 4,6 gesteigert werden, was eine Verbesserung gegenüber den Besten bekannten Ergebnissen um 100% bedeutet. Für einen Feldtest auf Gran Canaria wurde eine Pilotanlage mit 4 Entsalzungsmodulen (je 1 m²) mit solaren Flach- bzw. Vakuumröhrenkollektorn aufgebaut, die eine Tagesproduktion von 33 Litern bzw. von 40 Litern bei instationärer Wärmerückgewinnung erreichen. Dies entspricht einer Tagesproduktion von 9 kg/m² Kollektorfläche (bei 8 kWh/m²d). Die Trinkwasserqualität entspricht der Trinkwassernorm. Allerdings traten Probleme durch Lochfraß auf. Mit dem validierten Simulationsmodell der Solarkollektoren und des Thermosyphons lässt sich mit Hilfe von Wetterdaten die Destillatproduktion für jeden Standort vorhersagen und es lassen sich weitere Verbesserungspotentiale abschätzen. So kann durch verringerte Rücktropfverluste, Nutzung der untersten Stufe zur Destillatproduktion, instationäre Wärmerückgewinnung und verbesserte Isolierung bei Verwendung von weniger trägen Heatpipe-Vakuumröhren die Tagesproduktion auf 19,5 kg/m² Kollektorfläche angehoben werden. Teilweise Verbesserungen wurden bereits mit einer neuartigen Kapillardestille aus Kunststoff erreicht. Damit werden Korrosionsprobleme vermieden und Rücktropfverluste verringert. So können größere Flächen bei geringeren Kosten eine höhere Produktionsrate erreichen. Ein Wasserpreis von 10 €/m³ scheint möglich. Rücktropfverluste und die Ausbildung stabiler Konzentrationsgradienten sind systemimmanente und schwer zu umgehende Schwachpunkte. Trotzdem kann durch Optimierung ein ähnlich guter Rückgewinnungsgrad bei ähnlichen Wasserkosten wie bei dem MEH-Verfahren oder der Membrandestillation erreicht werden. Es ist hervorzuheben, dass die hier vorgestellte Anlage sehr einfach aufgebaut ist und keine Pumpe benötigt.

In many coastal regions of developing countries the employment of industrial desalination plants is not possible due to the high investment and operating costs. For these purposes there is a need of small and low-priced desalination plants. Among a multitude of existing desalination methods the multi-stage heat recovery seems to offer a large potential for energy conservation. However, this process has not yet reached efficencies as high as those of the MEH process or membrane destillation. Since there is no published, detailed investigation of this process, it is examined theoretically and experimentally in this work with the aim to lower energy consumption to such a degree that the process can be powered economically by solar supply. For optimization, the heat- and mass-transfer between the stages must be well understood. The mass transfer was first examined in detail in a single distillation chamber. It was found to be affected by different factors, such as evaporation and condensation temperature, salinity, surface properties of the condenser and the geometry of the distillation chamber. Losses by drip back from the condenser reduce the distillate yield. The mass transfer resistance can be described as a serial connection of at least four single resistances in each phase boundary and in the gas and liquid bulk. The mass transfer model described in this work includes all known resistances and permits the variation of the surface areas of evaporator and condenser. The thermal resistance of the water layers is determined by the convective resistance of the liquid phase. This resistance involves high production losses. Using seawater the production was reduced by 25%. Since constantly water of less concentration flows into the system, the resulting density gradient weakens free convection and reduces the heat flow. Except for the decrease of water and gas layer height no further factors were determined to optimize mass transfer. A thermodynamic model of destillation was implemented in the simulation environment MATLAB/SIMULINK taking into account all heat- and mass-flows in the system as well as thermal inertia and salt concentrations. The validation of the model with results of a multi-stage laboratory plant shows an error of less than 1% in stationary conditions. This is regarded as sufficiently exact for the aim of optimizing the process regarding constructional and thermodynamic aspects. While thermodynamic optimization covers the number of stages, refilling factor and recovery of sensitive heat, the constructional optimization takes concerns the back dripping losses and the production rate. An optimized design was found, allowing a simple construction of the plants. A desalination module with 8 stages, a surface area of 2 m x 0.5 m and a height of 0,5 m achieves a production rate of 8 kg/(m²h) and an energy recovery of GOR= 3,5. That means, that the power requirement is only 28,5% compared to a single stage desalination unit. With the recovery of sensitive heat a GOR value of 4,6 is achieved. Compared with the best results published up to now, this represents an efficiency increase of about 100%. For a field test in Pozo/Gran Canaria A pilot plant with 4 desalination modules (1 m² each), powered by solar flat plate and vacuum tube collectors was set up, achieving a daily output of 33 litres or 40 litres with sensitive heat recovery respectivly. This corresponds to 9 litres daily per square meter of collector area (at 8 kWh/m²d). With the validated, thermodynamic simulation models including the solar collectors and the thermosiphon circuit it is now possible to predict the distillate production at any location on the basis of meteorological data. The produced water quality exceeds drinking water standards. However pitting corrosion was problematic. According to the validated simulation model further improvements are possible. Reduced back dripping losses, the use of the lowest stage for distillate production, sensitive heat recovery and improved insulation can raise the daily output to 19,5 litres per square meter collector area when using low inertia heatpipe vacuum tubes. Partial improvements were already achieved in practice with a capillary desalination module, using mainly plastics. This way corrosion is avoided and drip-back losses are reduced. With this new technology larger surfaces can achieve higher production rates at lower costs. A water price of 10 €/m³ seems to be possible. In review it can be stated that drip-back losses and the formation of stable density gradients in seawater operation represent systems-inherent and weak points which are difficult to avoid. Nevertheless, with further optimization measures similar water costs as with MEH or membrane distillation could be achieved with the advantage of simple construction and maintenance and no auxiliary energy for pumps is needed.

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