DE102014003583A1

DE102014003583A1 - Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation.

Info

Publication number: DE102014003583A1
Application number: DE102014003583.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation. Um Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft zu gewinnen ist Kältekondensation eine bekannte Methode. Dabei wird eine große Menge Energie benötigt für die Abkühlung der Umgebungsluft und für die Abfuhr der freigesetzten Kondensationswarme. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wobei keine Energie mehr benötigt wird für die Abkühlung der Umgebungsluft und für die Abfuhr der freigesetzten Kondensationswärme. Im Verfahren wird die Umgebungsluft erwärmt und die erwärmte Umgebungsluft in einer Gaszentrifuge aufgetrennt und die mit Wasserdampf angereicherte Umgebungsluft aus der Gaszentrifuge entnommen und verflüssigt, wobei die bei der Kondensation freigesetzte Kondensationswärme verwendet wird für die Erwärmung der Umgebungsluft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation.
Es ist bekannt, Trinkwasser aus der Umgebungsluft zu gewinnen durch Abkühlung der Umgebungsluft bis unter dem Taupunkt, damit der in der Luft enthaltene Wasserdampf kondensiert. Die dafür erforderliche Kühlleistung wird dabei von einer Kältemaschine erbracht (zum Beispiel DE 103 61 930 A1 ). Nachteil dieser Methode ist, dass nicht nur Kühlleistung erforderlich ist für die Abkühlung der Umgebungsluft, sondern auch für die Abfuhr der freiwerdenden Kondensationswärme. Die Kondensationswärme kann nicht über die Umgebungsluft abgeführt werden, da diese in der Regel eine Temperatur oberhalb vom Taupunkt hat. Die Kondensationswärme ist immens: für z. B. 10 kg Wasser beträgt diese 22,57 MJ. Wird diese Menge innerhalb einer Stunde kondensiert, bedeutet dies eine Leistung von 6,27 kW. Diese Energie muss von der Kältemaschine abtransportiert werden. Die Kältemaschine muss dementsprechend dimensioniert werden en verbraucht dementsprechend viel Energie.
Dieses Problem wird durch das im Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren gelöst. In diesem Verfahren ist keine Kühlleistung benötigt für die Kühlung der Umgebungsluft bis unter dem Taupunkt und keine Kühlleistung für die Abfuhr der Kondensationswärme. Für die Kühlung der Umgebungsluft bis unter dem Taupunkt und die Abfuhr der Kondensationswärme reichen in diesem Verfahren die Umgebungsbedingungen.
Am Anfang des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Umgebungsluft erwärmt. Die Wärmequelle ist die Kondensationswärme des in diesem Verfahren entstehenden Kondensats und die Wärme der im System vorhanden Luft. Die Herkunft dieser Energie wird später in dieser Beschreibung weiter erläutert.
Nach der Erwärmung wird die Umgebungsluft in einer Gaszentrifuge in Rotation gebracht. Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (circa 78 Vol % der trockenen Luft), Sauerstoff (circa 21 Vol % der trockenen Luft), Argon (circa 1 Vol % der trockenen Luft) und Wasserdampf (circa 0,1 bis 3 Vol % der feuchten Luft). Da das Gewicht des in der Umgebungsluft erhaltenen Wasserdampfs circa 62,5% des Gewichtes der trockenen Luft beträgt, wird sich der Sauerstoff und der Stickstoff im radialen Außenbereich der Gaszentrifuge aufkonzentrieren und der Wasserdampf sich im radialen Innenbereich der Gaszentrifuge aufkonzentrieren. Die Zufuhr zum radialen Innenbereich findet statt durch die Zentrifugenwirkung und durch die Zufuhr der Umgebungsluft. Aus dem radialen Innenbereich wird dann die mit Wasserdampf angereicherte Luft durch Absaugung entnommen. Idealerweise hat diese entnommnene angereicherte Luft eine relatieve Luftfeuchtigkeit von nahezu 100%. Dies wird mit einer Volumendurchflussregelung erreicht. Dazu wird von der abgesaugten Luft die relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Der Sollwert der Regelung ist nahezu 100% (z. B. 99%) relatieve Luftfeuchtigkeit. Keine exakt 100%, da sonst Kondensation in der Gaszentrifuge auftreten kann. Die Stellgröße der Regelung ist die Menge der abgesaugten Luft. Steigt die gemessene Luftfeuchtigkeit, wird die Regelung die Menge abgesaugte Luft vergrößern, nimmt die gemessene Luftfeuchtigkeit ab, wird sie die Menge abgesaugte Luft verringern, bis ein Gleichgewicht entsteht zwischen zugeführter feuchter Luft – über die Zentrifugewirkung und über die Zufuhr der Umgebungsluft – und abgesaugter Luft bei z. B. 99% relatiever Luftfeuchtigkeit. Für die Trennleistung der Luft in der Gaszentrifuge gibt es zwei Parameter: Die Drehzahl und die Verweildauer. Die Verweildauer wird bestimmt durch den Durchsatz der Umgebungsluft durch die Gaszentrifuge. Über die hier geschilderte Regelung steuert man den Parameter Verweildauer, da über die Volumendurchflussregelung der Durchsatz durch die Gaszentrifuge bestimmt wird.
Auch die angesammelte mit Wasserdampf abgereicherte Luft im radialen Außenbereich wird der Gaszentrifuge durch Absaugung entnommen. Durch die Absaugung von sowohl abgereicherter Luft aus dem radialen Außenbereich der Gaszentrifuge als auch von angereicherter Luft aus dem radialen Innenbereich der Gaszentrifuge entsteht ein eingehender Strom von Umgebungsluft in die Gaszentrifuge hinein.
Damit einzelne Bestandteile der der Gaszentrifuge eingehenden Luft sich nicht in der Gaszentrifuge anhäufen, müssen die ausgehenden Ströme, bestehende aus angereicherter Luft und abgereicherter Luft, wenn man sie wieder zusammenfügen würde, die gleiche Zusammensetzung haben wie der eingehende Strom. Oder anders ausgedrückt: Die Massenbilanz der Stoffströme über die Gaszentrifuge betrachtet, muss stimmen. Dies wird wie folgt erreicht: Auch die Menge der abgesaugten abgereicherten Luft wird durch eine Volumendurchflussregelung bestimmt. Dabei wird auch die relative Feuchtigkeit der abgesaugten abgereicherten Luft gemessen. Es wird dann berechnet, wie viel abgereicherte Luft benötigt wäre, um zusammen mit der entnommenen angereicherten Luft wieder die gleiche relative Luftfeuchtigkeit der eingehenden Umgebungsluft zu erreichen, wenn beide Ströme zusammengefügt werden würde. Diese berechnete Menge ist dann die Stellgröße für die Volumendurchflussregelung. Für die Berechnung ist es ebenfalls erforderlich, dass die relative Luftfeuchtigkeit der eingehenden Umgebungsluft gemessen wird. Diese Berechnung gestaltet sich wie folgt:
Es gilt: F_IN = F_AN + F_AB und F_IN·Q_IN = F_AN·Q_AN + F_AB·Q_AB und Temperatur und Druck im betrachteten System sind konstant, wobei:

F_IN: Menge der eingehenden Umgebungsluft in m³/h
Q_IN: Wasserdampfgehalt in Vol % der eingehenden Umgebungsluft
F_AN: Menge der entnommenen an Wasserdampf angereicherten Luft in m³/h
Q_AN: Wasserdampfgehalt in Vol % der entnommenen an Wasserdampf angereicherten Luft
F_AB: Menge der entnommenen an Wasserdampf abgereicherten Luft in m³/h
Q_AB: Wasserdampfgehalt in Vol % der entnommenen an Wasserdampf abgereicherten Luft

Wir haben nun 2 Gleichungen mit 2 Unbekannten (F_IN und F_AB). Die anderen Variablen Q_IN, F_AN, Q_AN und Q_AB sind durch Messung bekannt.
Beispiel der Lösung der zwei Gleichungen:
Es wird gemessen: Q_IN = 1 Vol % Q_AN = 3 Vol % F_AN = 200 m³/h (entstanden durch die Volumendurchflussregelung) Q_AB = 0,5 Vol % F_IN = F_AN + F_AB ⇒ F_IN = 200 + F_AB F_IN·Q_IN = F_AN·Q_AN + F_AB·Q_AB ⇒ F_IN·0,01 = 200·0,03 + F_AB·0,005 ⇒ (200 + F_AB)·0,01 = 6 + F_AB·0,005 ⇒ 2 + F_AB·0,01 = 6 + F_AB·0,005 = F_AB·0,005 = 4 ⇒ F_AB = 800 m³/h F_IN = 200 + 800 ⇒ F_IN = 1000 m³/h
Die angereicherte Luft wird einem Kondensor zugeführt. Das Kühlmedium des Kondensors ist die Umgebungsluft. Der Wasserdampf der angereicherten Luft wird dann bei Umgebungstemperatur kondensiert. Da die angereicherte Luft gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt ist und schon eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100% hat und im Kondensor wieder zu Umgebungstemperaur abgekühlt wird, wird der Wasserdampf fast vollständig kondensieren. Hierin liegt ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik, worin die Umgebungsluft genommen wird und dann bis weit unter der Umgebungstemperatur, nämlich zur Taupunkttemperatur, abgekühlt wird unter Inanspruchnahme von Kühlleistung. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird aber die Umgebungsluft erst erwärmt über die in diesem Verfahren freiwerdende Kondensationswärme und die im System vorhandene Wärme und dann wieder zur Umgebungstemperatur abgekühlt, ohne dass für die Kühlung Energie benötigt wird. Es ist also gar keine Energie für die Kühlung notwendig, da keine Kühlung bis unter der Umgebungstemperatur erforderlich ist. Vor der Abkühlung wurde die Luft in der Gaszentrifuge mechanisch zu einer relativen Feuchtigkeit von nahezu 100% angereichert. Durch die Abkühlung zu Umgebungstemperatur gelangt die angereicherte Luft also weit unter dem Taupunkt.
Eventuell können auch mehrere Gaszentrifugen in Reihe geschaltet werden, um eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100% in der angereicherten Luft zu erreichen. Dabei wird die aus dem radialen Innenbereich entnommene angereicherte Luft der nächsten Gaszentrifuge in der Reihe zugeführt.
Als Kühlmedium für den Kondensor dient die Umgebungsluft, die durch die Wärme der angereichterten Luft und durch die Kondensationswärme erwärmt wird. Diese erwärmte Umgebungsluft wird dann in die Gaszentrifuge eingeführt. Parallel zu dieser Erwärmung kann die der Gaszentrifuge eingehenden Umgebungsluft auch durch die Wärme der abgereichten Luft erwärmt werden. Hiermit ist die am Anfang der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwähnte Erwärmung der der Gaszentrifuge eingehenden Umgebungsluft gemeint. Durch die Rückführung der im System vorhandene Wärme sind keine externen Wärmequellen erforderlich um ein bestimmtes Temperaturnivo im System zu erhalten.
Durch die Rückführung der im System vorhandenen Wärme kann auch ein beleibiges Temperaturnivo im System erhalten bleiben. Es wird dann ein wesentlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur angestrebt um eine maximale Effizienz bei der Kondensation zu erreichen.
Wie schon erwähnt kann die der Gaszentrifuge eingehende Umgebungsluft sowohl durch die Kondensationswarme als auch durch die abgereicherte Luft erwärmt werden. Eine Temperaturregelung wird vorgesehen, mit als Führungsgröße eine bestimmte Temperatur der Umgebungsluft in der Gaszentrifuge und als Stellgröße das Verhältniss des Durchsatzes der Umgebungsluft durch den Kondensor und durch den Wärmetäuscher der abgereicherten Luft. Dabei wird der Durchsatz der Umgebungsluft durch den Kondensor immer derart sein, dass die Kondensationswarme immer unter allen Umständen vollständig abgeführt wird, um eine maximale effizienz bei der Kondensation zu erreichen.
Die Rückführung in das System von der Wärme der abgereicherten Luft und von der angereicherten Luft alleine reicht aus, um ein bestimmtes Temperaturnivo im System zu erhalten ohne externe Energiezufuhr. Es kommt aber noch die Kondensationswärme dazu. Deshalb ist unter Beibehaltung des Temperaturnivos eine Abfuhr von Wärme aus dem System möglich. Diese Wärme kann dann gespeichert werden um bei einem eventuellen Hochfahren des Systems wieder verwendet zu werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nämlich erforderlich, dass für den Anlauf dieses Verfahrens die Umgebungsluft vor dem Eintritt in die Gaszentrifuge mit externen Wärmequellen erwärmt wird. Statt externer Energiequellen, wie z. B. fossile Brennstoffe oder Solarenergie, kann hierfür auch die gespeicherte Wärme verwendet werden. Wenn die gewünschte Temperatur im System erreicht ist, ist diese externe Wärmequelle nicht mehr erforderlich. Das vorhandene Temperaturnivo im System bleibt erhalten durch die Übertragung der Kondensationswärme und der Wärme der angereicherten und der abgereicherten Luft auf die der Gaszentrifuge eingehende Umgebungsluft.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik sind die erweiterten Einsatzbedingungen dieses Verfahrens. Dies wird begründet durch den rein mechanischen Vorgang zum Erreichen einer relativen Feuchtigkeit von nahezu 100% in der Gaszentrifuge. Temperatur und relative Feuchtigkeit der Umgebungsluft spielen dann keine Rolle mehr. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann auch in heißen trockenen Wüsten angewendet werden. Dies im Gegensatz zum Stand der Technik entsprechenden Verfahren wo die Umgebungsluft zum Taupunkt abgekühlt wird. Unter einer bestimmten relativen Feuchtigkeit der Umgebungsluft (circa 40%) funktioniert dieses Verfahren nicht mehr (Wikipedia-Artikel: Kondensationstrocknung).
Noch ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der relativ geringe Energieverbrauch. Es wird nur Energie verbraucht für die Rotation der Gaszentrifuge. Es ist keine Kühlleistung erforderlich um die Umgebungsluft abzukühlen und um die Kondensationswärme abzuführen. Dadurch entsteht eine wesentliche Energieeinsparung, was den Einsatz von regenerativen Energiequellen, wie z. B. Solarenergie, leichter ermöglicht.
Die 1 zeicht eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Gaszentrifuge 1 wird die erwärmte Umgebungsluft in Rotation gebracht. Über Ventilator 2 wird die mit Wasserdampf angereicherte Luft abgesaugt. An der Stelle 3 wird die relative Feuchtigkeit der angereicherten Luft gemessen. Die Menge der von Ventilator 2 abgesaugten angereicherten Luft ist derart, dass an der Stelle 3 nahezu 100% relative Feuchtigkeit gemessen wird. Im Kondensor 4 wird die mit die mit Wasserdampf angereicherte Luft kondensiert. Als Kühlmedium dient die Umgebungsluft 5. An der Stelle 6 ist das Kondensat vorhanden, das in der Einheit 7 desinfektioniert und mineralisiert wird, damit an der Stelle 8 Trinkwasser vorhanden ist. Über Ventilator 9 wird die abgereicherte Luft abgesaugt. An der Stelle 10 wird die relative Feuchtigkeit gemessen. Die Menge der von Ventilator 9 abgesaugten angeriecherten Luft ist derart, dass wenn man abgereicherte und angereicherte Luft wieder zusammenfügen wurde, man Luft mit der gleichen Luftfeuchtigkeit bekommen würde wie die Umgebungsluft. In Wärmetauscher 5 wird die eingehende Umgebungsluft mit der Wärme der abgereicherten Luft erwärmt. In Einheit 12 wird die der Gaszentrifuge eingehende Luft erwärmt beim Anlauf des Systems. Einheit 12 wird nur für den Anlauf des Systems benötigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10361930 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation, gekennzeichnet durch folgende Vefahrensschritte: (1) Erwärmung der Umgebungsluft, (2) Einführung der erwärmten Umgebungsluft in mindestens einer Gaszentrifuge, (3) in der Gaszentrifuge anreichern der Umgebungsluft mit Wasserdampf bis zu einer relativen Feuchtigkeit von nahezu 100%, (4) Entname aus der Gaszentrifuge der nahezu 100% mit Wasserdampf angereichten Umgebungsluft und (5) Verflüssigung des Wasserdampfes aus dieser mit Wasserdampf angereichten Umgebungsluft mittels Kondensation bei Umgebungtemperatur, wobei die bei der Kondensation freigesetzte Kondensationswärme verwendet wird für die im ersten Verfahrensschritt stattfindende Erwärmung der Umgebungsluft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Wasserdampf angereicherte Luft aus dem radialen Innenbereich der Gaszentrifuge durch Absaugung entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der abgesaugten mit Wasserdampf angereicherten Luft durch eine Volumendurchflussmengenregelung bestimmt wird, deren Führungsgröße eine relative Luftfeuchtigkeit von bis zu 100% der abgesaugten mit Wasserdampf angereicherten Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Wasserdampf abgereicherte Luft aus dem radialen Außenbereich der Gaszentrifuge abgesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der abgesaugten mit Wasserdampf abgereicherten Luft durch eine Volumendurchflussmengenregelung bestimmt wird, deren Führungsgröße die gleiche relative Luftfeuchtigkeit wie die Umgebungsluft in einer hypothetischen Wiederzusammenführung von abgesaugter angereicherter und abgesaugter abgereicherter Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Absaugung von angereichter und abgereichter Luft eine eingehende Strömung von der Umgebungsluft in die Gaszentrifuge entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf der abgesaugten mit Wasserdampf angereicherten Luft in einem Kondensor bei Umgebungstemperatur kondensiert wird und die bei der Kondensation freigesetzte Kondensationswärme und die Wärme der mit Wasserdampf angereicherten Luft verwendet wird für die Erwärmung der der Gaszentrifuge eingehenden Umgebungsluft.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme der mit Wasserdampf abgereichrte Luft ebenfalls verwendet wird für die Erwärmung der der Gaszentrifuge eingehenden Umgebungsluft.
Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rückführung der Wärme in das System eine relativ zur Umgebungstemperatur hohe Temperatur der Umgebungsluft im System erhalten bleiben kann, was eine hohe Effizienz beim Kondensationsvorgang ermöglicht.
Verfahren nach alle vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der verflüssigte Wasserdampf anschliessend desinfiziert und mineralisiert wird.