M¼ller-Holst, Hendrik. Multiple Effect Humidification Dehumidification at ambient pressure:...

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Müller-Holst, Hendrik. Multiple Effect Humidification Dehumidification at ambient pressure: Optimisation and applicationshttp://mediatum2.ub.tum.de/node?id=601861

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  • 1. Technische Universitt MnchenLehrstuhl fr Thermische KraftanlagenMehrfacheffekt-Feuchtluftdestillation bei Umgebungsdruck Verfahrensoptimierung und Anwendungen Hendrik Mller-Holst Vollstndiger Abdruck der von der Fakultt fr Maschinenwesen der Technischen Universitt Mnchen zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktor-Ingenieurs genehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karl Theodor Renius Prfer der Dissertation:1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dietmar Hein,2. Univ.-Prof. Dr.-Ing Felix Ziegler, Technische Universitt BerlinDie Dissertation wurde am 6.6.2002 bei der Technischen Universitt Mnchen eingereicht und durch die Fakultt fr Maschinenwesen am 30.9.2002 angenommen.

2. 2 3. InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis 3Einleitung 71 Verfahren zur Meerwasserentsalzung 91.1 Thermische Verfahren91.1.1 Multi Stage Flash (MSF)-Verfahren91.1.2 Multi Effect Distillation (MED)-Verfahren 101.1.3 Mechanisches Dampfkompressions-Verfahren (Vapour Compression (VC)- Verfahren) 111.2 Membranverfahren121.2.1 Elektrodialyse-Verfahren131.2.2 Umkehrosmose (RO)-Verfahren 141.3 Andere Verfahren161.3.1 Hybrid MED / RO 161.3.2 Ausfrierverfahren 171.3.3 Membran-Destillation171.4 Solarthermische Entsalzungsverfahren172 Das Feuchtluftdestillationsverfahren242.1 Verfahrensbeschreibung242.2 Koordinatensystem 252.3 Energie- und Massenbilanzen 262.3.1 Energiebilanz des Destillationsmoduls 262.3.2 Bilanzen der Stoff- und Wrmebertragung vom Verdunster zum Kondensator 283 Theoretische Grundlagen 293.1 Wrme- und Stoffbertragung 293.2 Kennzahlen und Stoffgren323.2.1 Dampfdruck ber Wasser und Sole 323.2.2 Dichte feuchter Luft333.2.3 Wrmeleitfhigkeit feuchter Luft343.2.4 Binrer Diffusionskoeffizient von Wasserdampf in Inertgas (Luft)35 3 4. 3.2.5 Wrmebergangskoeffizient und Nueltzahl fr laminare Spaltstrmung363.2.6 Stoffbergangskoeffizient und Sherwoodzahl, Analogiebeziehungen von Wrme-und Stoffbergang, Lewiszahl 394 Phnomenologie des MEH-Verfahrens 414.1 Verdunstung und Kondensation414.2 Wrmedurchgang durch die Kondensatorplatte454.2.1 Wrmeleitung durch die Wand der Kondensatorplatten454.2.2 bergang von der durchstrmten Platte auf die Sole454.3 Qualitative Strmungsanalyse der Konvektionswalze 474.4 Strmungsgeschwindigkeit der Luft, Reibungsverluste 484.5 Reversible Entsalzungsarbeit als theoretische Untergrenze des spezifischenEnergiebedarfes515 berlagerung der bergnge, Modellbildung 525.1 Schichtenmodell der Anlage525.1.1 Randbedingung: Massenstromverhltnis feuchte Luft und Sole555.1.2 Randbedingung: Massenerhaltung und Energieerhaltung 565.2 Gesamtwrmebergang 576 Detaillierte Verfahrensbeschreibung 586.1 Be- und Entfeuchtungsprozess bei Umgebungsdruck 596.1.1 Beschreibung stationrer Betriebszustnde 596.1.2 Die Gleichgewichtslinie (Linie der Sttigungsenthalpie) feuchter Luft 596.1.3 Einstufige Konfiguration606.1.4 Mehrstufige Konfiguration 676.1.5 Kontinuierliche Konfiguration 726.2 Beschreibung der Anlagenkomponenten 736.2.1 Verdunster mit Flssigkeitsverteiler736.2.2 Kondensator 776.2.3 Anordnung von Verdunster und Kondensator796.3 Freie Konvektionsstrmung 807 Experimentelle Untersuchungen 817.1 berblick 817.1.1 Anlagenvarianten817.1.2 Zusammenstellung der gemessenen Gren814 5. 7.2 Vermessung stationrer Betriebszustnde82 7.3 Wrme- und Stoffbergang 84 7.4 Verifizierung und Verfeinerung des theoretischen Modells anhand experimenteller Ergebnisse 84 7.4.1 Gesamt-Wrmebertragungskoeffizient kges(T)85 7.4.2 Proportionalittsfaktor (T) fr Latentwrmeanteil87 7.4.3 Destillatproduktion88 7.5 Temperaturprofile und Selbstregelung der freien Konvektion 90 7.6 Anwendungen des Verfahrens 93 7.6.1 Reinigung von Eluat aus der Galvanikindustrie93 7.6.2 Reinigung Arsenbelasteten Grundwassers 948Optimierungspotenzial968.1Wrmeleitfhigkeit des Kondensatorplattenmaterials 97 8.2 Verringerung des Spaltabstandes in Kondensator und Verdunster 98 8.3 Druckabsenkung in der Verdunstungs- und Kondensationskammer 103 8.4 Zusammenstellung der Optimierungsmglichkeiten1039Simulationsmodell fr Entsalzungssysteme1059.1Kennlinien und dynamische Parameter 106 9.2 Verifikation anhand von Messdaten stationrer Zustnde109 9.3 Simulationsergebnisse im Vergleich mit Feldversuchen11010 Einbindung in Systeme 11310.1 Thermische Energieversorgung113 10.2Elektrische Energieversorgung fr Pumpen und Regelung 115 10.3Nachbereitung des Destillates 11611 Pilotanlagen11811.1 Fuerteventura autark solar versorgte Anlage ohne Wrmespeicherung 118 11.2Namibia-Projekt Brackwasserentsalzung solar und mit Abwrme 123 11.3Tunesien solare Wrmeversorgung mit 24h-Speicher124 11.4Gran Canaria (Projekt SODESA) - Meerwasserfeste Kollektoren und druckloser Speicher 129 5 6. 11.5 Pilotanlage Oman solare Versorgung mit EFC, Druckspeicher fr 24- Stunden Betrieb 13111.6 Vergleich zwischen den Pilotanlagen 135Zusammenfassung und Resmee137Ausblick 139Nomenklatur140Literaturverzeichnis 142Anhang A: Eigenschaften von Meerwasser 148Einteilung von Wssern nach verschiedenen Salzkonzentrations-Bereichen 148Salinitt und Leitfhigkeit148Zusammensetzung von Standardmeerwasser 149Dichte vom Meerwasser der Salinitt S150Viskositt 152Spezifische Wrmekapazitt 153Anhang B: TRNSYS-Komponenten des Simulationsprogramms1556 7. EinleitungWasser ist das Mittel zum Leben berhaupt und fr die Existenz von biologischenSystemen wie wir sie kennen unverzichtbar. Die Balance zwischen Populationsdichteund dadurch bedingten Wasserverbrauch auf der einen Seite und dem Vorkommenqualitativ und quantitativ ausreichender Swasserquellen andererseits geriet bereits inden letzten Jahren erheblich ins Ungleichgewicht. Bedingt durch ausbleibendeNiederschlge und nicht auf Nachhaltigkeit der Wasserentnahme ausgelegtes berm-iges Abpumpen der natrlichen Grundwasservorrte versalzen an vielen kstennahenStandorten wie beispielsweise auf der arabischen Halbinsel, in Nordafrika und auf vielenMittelmeerinseln die Aquifere durch nachstrmendes Meerwasser. Durch unangepassthohen Wasserverbrauch, der sich oft durch stark expandierenden Tourismus verschrft,ist bereits heute die Entsalzung von Meer- und Brackwasser an vielen Orten zu einerunverzichtbaren Ergnzung der ursprnglichen Wassergewinnungsmethoden geworden(z.B. Golfregion, Kalifornien, Kanarische Inseln).Zahlreiche Verfahren zur Meerwasserentsalzung wurden im Laufe des letztenJahrhunderts entwickelt und zur Marktreife gebracht, die wichtigsten davon sind inKapitel 1 behandelt. Dabei kommen bis heute meist Groanlagen zum Einsatz, derenimmenser Energieverbrauch fr die Entsalzung den Bau eigener Kraftwerke neben denEntsalzungsanlagen notwendig macht. Die zentrale, groindustrielle Entsalzung stelltdabei aufgrund der meist heute noch niedrigen Energiekosten sehr kostengnstigesWasser (0.50 3.0 US$/Kubikmeter) zur Verfgung. Die ntige Verteilung des Wassersbeschrnkt den Einsatz der Anlagen jedoch auf Ballungsrume. Selbst hier tretenLeitungsverluste im Verteilsystem im Bereich von bis zu 50% des produzierten Wassersauf (Abu Dhabi, [18]). Die weitrumige Auslieferung aus solchen Groanlagen hin zumittleren und kleinen Ansiedlungen ist trotz der gnstigen Gestehungskosten fr dasWasser durch die aufwndige und verlustreiche Verteilung sehr teuer (10 50US$/Kubikmeter). Oft wird das Wasser mit Tanklastwagen oder Schiffen verteilt, wobeidie Qualitt erheblich leidet. Solches Wasser ist meist nicht zum Trinken geeignet undwird lediglich als Brauchwasser verwendet.Die Trinkwasserversorgung in den betreffenden Regionen wird hufig ausschlielichdurch Flaschenwasser realisiert, wobei dessen Preis zwischen 150 und 500 US$/Kubik-meter liegt.In abgelegenen Gebieten verhindert jedoch das bei Kleinanlagen inhrent hhereWartungs- zu Investitionskostenverhltnis ebenso wie der Mangel an ausreichend qualifi-ziertem Personal die Inbetriebnahme technologisch komplexer Entsalzungssysteme.Durch den Einsatz dezentraler und wo ntig auch energieautarker Anlagen kann hiergegenber der Versorgung mit Flaschenwasser eine wesentliche Kostenreduktion beigleichzeitiger Qualittsverbesserung geleistet werden.7 8. Da oftmals Wassermangel und reichliche Sonneneinstrahlung regional zusammentreffen, wurden bereits Ende des 19. Jahrhunderts [43] einfache Anlagen zur solarenMeerwasserentsalzung entwickelt, die sogenannten Solardestillen. Auf Ihre genaueFunktionsweise wird in Abschnitt 1.4 eingegangen. Das Prinzip der technischenEinfachheit bei Nutzung einer regenerativen Energiequelle wurde hier bereits realisiert.Die flchenspezifische Produktionsrate ist dabei jedoch auch bei optimierten Variantenmit 3 bis 5 Litern Tagesproduktion pro m uerst gering. Dies hat seinen Grund zumeinen darin, dass bei diesen einfachen solaren Destillationsgerten die aufgewendeteVerdampfungsenthalpie (2500 kJ/kg) bei der anschlieenden Kondensation gegenUmgebungstemperatur nicht zurckgewonnen wird. Zum anderen bewirkt bei denSolardestillen ein unausgewogenes Verhltnis von Verdunstungsoberflche zu solarerAperturflche (die Flchen sind hier nmlich identisch) eine Verdunstungsrate weit unterden energetischen Mglichkeiten.Eine mgliche Lsung der angesprochenen Defizite der einfachen Solardestillen liegt inder rumlichen Trennung von thermischer Energieversorgung z.B. durch Sonnen-kollektoren und der eigentlichen Verdunstungs- und Kondensationskammer. Zum einenwird dadurch eine definierte Kondensation an mit dem zustrmenden kalten Meerwassergekhlten Kondensationsflchen ermglicht. Bis zu 90% der im Verdunster aufgewen-deten Prozesswrme kann so zurckgewonnen werden. Zum anderen besteht dieMglichkeit, die Verdunstungs- und Kondensationsflchen sehr gro zu gestalten, sodassder bei Umgebungsdruck und in Anwesenheit von Inertgas relativ geringe Stoffbergangkompensiert werden kann.Ein optimiertes Verfahren fr die dezentrale Entsalzung von Brack- oder Meerwassersollte daher die folgenden Eigenschaften aufweisen, um die bestehende Lcke imAngebot an bisherigen zentralen oder dezentralen Entsalzungstechnologien zu fllen: Darstellung eines technisch einfa