Mehrfacheffekt-Feuchtluftdestillation bei Umgebungsdruck

Doctoral thesis German OPEN
Müller-Holst, Hendrik (2007)
  • Publisher: Technische Universität München
  • Subject: Feuchtluft;Destillation;Verfahren;solar;Meerwasserentsalzung;dezentral;energieeffizient;effizient;thermisch;Abwärme;hybrid;Freie Konvektion;Demonstrationsanlage;Oman;Gran Canaria;Tunesien;Namibia;Modell;Simulation;Solarkollektor | Humidification dehumidification method;solar;seawater desalination;decentralised;energy efficient;solar thermal;waste heat;hybrid;natural convection;pilot plant;Oman;Canaries;Tunisia;Namibia;model;simulation;solar collector | Ingenieurswissenschaften | Technische Chemie
    • ddc: ddc:620 | ddc:660

Ein neuartiges Verfahren zur Feuchtluftdestillation mittels Verdunstung und Kondensation in einer einzigen Kammer wurde im Rahmen der Arbeit umfassend analysiert. Das Verfahren arbeitet bei Umgebungsdruck; der dadurch bei Temperaturen unter dem Siedepunkt verringerte Stoffübergang wird durch große Austauschflächen mit hoher Packungsdichte kompensiert. Der Transport der im Verdunster beladenen Feuchtluft zum Kondensator erfolgt innerhalb einer optimierten geometrischen Anordnung der Baueinheiten mittels freier Konvektion. Dabei wird im Kondensator ein Großteil der im Verdunster aufgewandten Verdunstungswärme zurückgewonnen. Ziel war es, das auf dem Verfahren beruhende Destillationsgerät bei technischer Einfachheit gleichzeitig effizient, wartungsarm und langlebig zu machen. Wesentlicher Inhalt der Untersuchungen ist somit die Analyse und Optimierung der freien Konvektionsströmung, des Wärme- und Stoffübergangs und deren Einfluss auf die Energieeffizienz des Destillationsmoduls. Dazu wurde, aufbauend auf umfangreichen Messreihen stationärer und variabler Betriebszustände, ein Simulationsmodell entwickelt, das anhand weiterer Messdaten verifiziert werden konnte. Der Einfluss von Variationen in der Anordnung der Austauschflächen wird ebenso dargestellt wie der Einfluss unterschiedlicher Materialien der Kondensationseinheit auf die Gesamtperformance. Für Kondensatoren aus Kupfer und Polypropylen werden optimale Flächenabstände angegeben. Das Verfahren und das darauf beruhende Destillationsmodul finden seine Hauptanwendung in der solarthermischen Meerwasserentsalzung an dezentralen Standorten. Dabei ist neben der Verwendung von Solarenergie auch die Nutzung von Generatormotorabwärme als Antriebsenergie günstig. Es wurden an mehreren Standorten im Oman, auf den Kanaren, in Namibia und Tunesien Pilot- und Demonstrationsanlagen errichtet, die in mehrjährigen Messkampagnen detailliert analysiert wurden. Zur Auslegung der Komponenten dieser Anlagen diente eine eigens programmierte Unit des Entsalzungsmoduls innerhalb der Simulationsumgebung TRNSYS. Es wurden umfangreiche, zeitlich hochaufgelöste Messdaten erfasst, deren Auswertung eine sehr detaillierte Bilanzierung der Vorgänge ermöglicht. Insbesondere konnte während dieser Untersuchungen die Langzeitstabilität des Verfahrens unter Beweis gestellt werden. Als Ergebnis steht ein bezüglich Materialwahl und geometrischer Anordnung der vom Konvektionswirbel durchströmten Komponenten optimiertes Gerät zur Verfügung. The highly efficient evaporation and condensation of water within a thermally insulated box using natural convection as transport mechanism are basis of the innovative method described and analysed herein. Working at ambient pressure, the reduced heat and mass transport coefficients at temperature below boiling point are compensated applying enlarged surface areas and compressed alignment of the exchange surfaces. The orientation of the surfaces is optimised in respect of the requirements of natural convection. The main share of heat of evaporation spended in the evaporator is regained in the condenser. Based on the method several devices have been built. The task of the performed work was to make them more and more efficient, maintenance free and durable using a simple but clever configuration. Thus, analysis and optimisation of heat and mass transfer, natural convection and the interdependency with energy balance of the complete system are main topics of the investigations. The proposed model describes the system as a multiple stage counter flow heat exchanger and allows predictions on the complex behaviour of the system. The results are precisely validated using the numerous measuring data of steady and dynamic states of operation. Surface distances and orientation for preferable condenser materials are proposed. Solar thermal seawater desalination as main application of the proposed system and method was investigated in several demonstration plants in Oman, Canaries, Tunisia and Namibia. Apart from solar thermal energy also the use of waste heat from diesel or gas motor driven generators is preferable. The developed simulation unit used within the TRNSYS simulation environment helped to perform the component design of those systems. The long-term reliability of the proposed desalination systems has been proven within those campaigns. As a result an optimised device in respect of materials and alignment of all components within the natural convection loop is proposed.
Share - Bookmark

  • Download from
    MediaTUM via MediaTUM (Doctoral thesis, 2007)
  • Cite this publication