Analyse der Befeuchtung von Luft in einer Blasensäule

Eine sichere, bezahlbare und ressourcenschonende Wasserversorgung wird zukünftig eine ähnlich entscheidende Rolle in der Gesellschaft einnehmen wie die Energieversorgung, weswegen effiziente thermische Wasseraufbereitungsanlagen benötigtwerden.Ein vielversprechender Prozess ist dabei der Be- und Entfeuchtungsprozess, der ähnlich wie der natürliche Wasserkreislauf der Erde funktioniert. Die Befeuchtung von Luft an einer warmen Wasseroberfläche wie dem Meer, das anschließende Aufsteigen der warmen und feuchten Luft, die Abkühlung in höheren und kalten Regionen wie den Bergen und die damit verbundene Nebel- bzw. Regenbildung werden bei diesem Prozess technisch nachgebildet. Da die Befeuchtung von Luft insbesondere in einer Blasensäule bisher wissenschaftlich jedoch ungenügend untersucht wurde, fehlen mathematische Formulierungen für den Zusammenhang zwischen dem Befeuchtungsgrad der Luft, den thermodynamischen und geometrischen Randbedingungen sowie den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit.Erstdurch diese Zusammenhängewäre esmöglich, solche Wasseraufbereitungsanlagen vollständig zu verstehen und mit den Erkenntnissen die erreichbaren Wirkungsgrade deutlich zu steigern. In diesem Projekt soll daher ein grundlegendes Verständnis der Befeuchtung von Luft in einer Blasensäule für den Einsatz in thermischen Wasseraufbereitungsanlagen geschaffen werden. Hierzu werden die genannten mathematischen Zusammenhänge aus einem umfangreichen experimentellen Datensatz abgeleitet. Zum Erreichen der Ziele werden im Projekt zwei Versuchsaufbauten mit zwei unterschiedlichen Fluidsystemen und zwei Betriebsweisen aufgebaut, betrieben und ausgewertet. Das erste Fluidsystem behandelt die solare Meerwasserentsalzung, weswegen Salzwasser die Flüssigphase in der Blasensäule darstellt. Die Versuchsreihen konzentrieren sich hierbei insbesondere auf den Einfluss der thermodynamischen und geometrischen Randbedingungen. Das zweite System repräsentiert Prozesse für die industrielle Abwasseraufbereitung. Dazu wird eine Öl/Wasser-Emulsion als Ausgangsstoff verwendet und in einem Batch-Prozess aufkonzentiert. Somit ergeben sich insbesondere Aussagen über den Einfluss sich verändernder physikalisch-chemischer Eigenschaften. Die in diesem Vorhaben erstmalig aufgestellten mathematischen Zusammenhänge für die Befeuchtung von Luft in einer Blasensäule ermöglichen es, bisher üblicherweise verwendete Annahmen durch experimentell nachgewiesene Gleichungen zu ersetzen. Dies ist erforderlich, um vorhandene Unsicherheiten bei der Simulation und Auslegung von Prozessenzuminimierenunddamit zukünftig die Effizienzvon Be- und Entfeuchtungsanlagen zur thermischen Wasseraufbereitung zu steigern.

In diesem Forschungsprojekt wurden grundlegende Arbeiten zur Verbesserung des Verständnisses der Befeuchtung in einer Blasensäule durchgeführt. Die wichtigste Anwendung von Blasensäulenbefeuchtern stellt die Entsalzung von Meerwasser dar, die aufgrund der zunehmenden globalen Wasserproblematik immer stärker in den Fokus rückt. Etablierte Meerwasserentsalzungsprozesse basieren entweder auf thermischen oder auf membranbasierten Systemen. Für beide Arten existieren jedoch noch keine Prozesse mit moderaten Produktionsmengen, die mit einem geringem technischen Aufwand und mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden können. Ein neuerer Prozess, der diese Kriterien potenziell erfüllt, ist der Befeuchtungs-Entfeuchtungs-Prozess (HDH-Prozess). Dieser basiert auf dem natürlichen Wasserkreislauf, dabei wird ein Luftstrom im Direktkontakt mit dem Meerwasser befeuchtet und in einer separaten Entfeuchtereinheit wieder abgekühlt, wobei der enthaltene Wasserdampf aus dem Luftstrom wieder auskondensiert. Zur Effizienzsteigerung dieses Prozesses werden seit einiger Zeit Blasensäulen als Befeuchtertyp vorgeschlagen. Ein mangelndes Verständnis des Befeuchtungsvorgangs in einer Blasensäule verhindert jedoch bis heute die korrekte Auslegung und den effizienten Betrieb solcher Anlagen. An einem eigens entwickelten und für diesen Zweck optimierten Versuchsaufbau wurden in diesem Projekt empirische Messungen zur Luftbefeuchtung durchgeführt. Variiert wurden dabei einerseits die maßgeblichen Betriebsparameter und andererseits die Betriebsweise des Systems. Für die Entsalzung von Meerwasser konnte der Einfluss der Parameter Flüssigkeitstemperatur, Gasleerrohrgeschwindigkeit, Füllstand und Blasengröße sowohl auf die Befeuchtereffizienz, als auch auf die Systemproduktivität eines HDH-Prozesses quantifiziert werden. Es zeigt sich, dass die Befeuchtung der Luft bereits bei Füllständen von kleiner als 5cm zu einem maßgeblichen Anteil stattfindet. Die Vielzahl der durchgeführten parametrischen Messungen wurden in Form eines Konturplots veröffentlicht, der die Befeuchtereffizienz für unterschiedliche Füllstände und Gasgeschwindigkeiten prognostiziert. Basierend auf diesem Konturplot konnte aufgezeigt werden, dass sich die wissenschaftliche Forschung verstärkt auf geringere Füllstände und Gasgeschwindigkeiten fokussieren sollte. Neben der Entsalzung von Meerwasser stellt auch die Aufbereitung von ölhaltigem industriellem Abwasser einen Anwendungsfall dar, der laufend stärker in den Fokus rückt. Insbesondere in der petrochemischen Industrie sowie in der Schifffahrt fallen enorme Mengen an Flüssiggemischen an, die unterschiedliche Öle beinhalten und zum aktuellen Stand nur unzureichend aufgereinigt werden können. Zur Untersuchung dieser Anwendung wurde in diesem Forschungsprojekt auch die Aufkonzentrierung einer vordefinierten Öl-Wasser-Emulsion messtechnisch untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass der HDH-Prozess unempfindlich gegenüber diversen Flüssigkeitsgemischen ist und die Befeuchtung auch in Emulsionen sehr stark ausgeprägt ist. In einem Batch-Verfahren war es möglich, den Ölanteil der Öl-Wasser-Emulsion von etwa 55% auf über 96% zu erhöhen. Messtechnisch konnte auch nachgewiesen werden, dass das produzierte Kondensat einen Ölanteil von unter 15ppm besitzt und sich somit zur weiteren Entsorgung in den Wasserkreislauf eignet. Somit konnte in diesem Prozess nicht nur ein grundlegendes Verständnis über den Befeuchtungsvorgang in einer Blasensäule geschaffen werden. Darüber hinaus wurde das große Potenzial der Meerwasserentsalzung sowie der Aufkonzentrierung von ölhaltigen Emulsionen empirisch belegt. Ausgehend von diesem Forschungsprojekt können Blasensäulenbefeuchter somit effizienter dimensioniert und betrieben werden.