DE3344033A1

DE3344033A1 - Verfahren zur wassergewinnung aus der luftfeuchte durch einen kompressor mit angeschlossener kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE3344033A1
Application number: DE19833344033
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 4235 Schermbeck Remstedt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-06
Filing date: 1983-12-06
Publication date: 1985-06-13

Description

Verfahren zur Wassergewinnung aus der Luftfeuchte durch
einen Kompressor mit angeschlossener Kühlvorrichtung die bei der Kompression von Luft sowie Kühlung derselben erfolgende Wasserabscheidung ist im Kompressionsbetrieb bekannt und mehr als störender Effekt angesehen, zur Wassergewinnung dagegen nicht genutzt wegen des hohen Aufwandes und der hohen ompressionsenergie für größere Luftmengen.
Die erfindungsmäßige Anordnung gestattet jedoch mit minimaler Restenergie eine Wassergewinnung in den Gebieten, wo die zu erwartenden Kosten getragen werden können im Hinblick auf den dortigen Wert des Wassers, das in anderer Form als Luftfeuchte dort nicht oder selten oder nicht ausreichend vorkommt.
Das Wasser wird in solchen Gebieten per Brunnen gebohrt, aus seltenem Regen gespeichert oder herantransportiert, alles Vorgänge, die relativ teuer sind, und oft wenig oder nicht ausreichend Wasser erzeugen oder überdies Raum lassen für höheren Bedarf, da weitere Gebiete dennoch nicht bewässerungsfähig sind, zumal mit süßem salzfreiem Wasser.
Die Erfindung muß sich daher einstellen auf eine Vorrichtung, die große Mengen Luft durchsetzt und dabei aber geringen Energieaufwand erfordert.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß Luft zur Herabsetzung des Taupunktes komprimiert und gekühlt wird, wobei man das kondensierte Wasser abführt, und daß die von flüssigem Wasser befreite Luft unter Abgabe von nutzbarer Arbeit zur Komprimierung der Frischluft expandiert wird.
Damit wird der Energiebedarf zur Komprimierung weitgehend aus der Expansionsarbeit gedeckt.
Die Kühlung der Luft wird, alternativ, in einem Wärmepumpensystem durchgeführt, dessen Arbeitsmittel die Wärme, die aus diversen Vorgängen noch abzuführen ist, der expandierenden Luft zur weiteren Umsetzung in Arbeit zuführt, so daß die Expansionsarbeit sich einer isothermen und damit optimalen Führung annähert.
Die komprimierte Luft gibt ihre Kompressionswärme an die expandierende, abkühlende Luft ab und ermöglicht auch dadurch eine weitgehend isotherme und damit optimale Expansionsarbeit.
Die anfallende Lagerreibungs- und Wasserkondensationswärme heizt die expandierende Luft zur Arbeitsgewinnung auf, wie bereits genannt durch Übertragung mittels eines Wärmepumpensystems oder wie gleich beschrieben mittels eines Wärmerohres.
Hierbei führt eine Kühlflüssigkeit die Wärme durch Verdampfen ab und kühlt dabei die Luft bis zur Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit herab ab, wobei die verdampfte Kühlflüssigkeit an die untere bzw mittlere Expansionszone gelangt und dort wegen der Expansionskälte kondensiert, während im oberen oder letzten Expansionsteil die Hauptkompressionswärme die expandierte Luft über Umgebungstemperatur zur hohen Turbinenarbeitsleistung aufheizt.
Damit ist einerseits die notwendige Luftkühlung ermöglicht am Punkt hohen Druckes und andererseits die dort aus mehreren Vorgängen anfallende Wärme dort hin zu transportieren, wo Wärme zur isothermen Expansionsarbeit gebraucht wird, ohne dort die wertvolle Wärme hohen Temperaturniveaus zu benutzen, so daß diese zur Expansionsarbeit im letzten Stadium des Lufttransportes mit hoher Temperatur thermodynamisch günstig umgesetzt wird.
Die für die Kompression erforderliche Restarbeit wird durch Sonnen-oder Windenergie erbracht, wodurch die in den für die Erfindung in Frage kommenden Gebieten in hohem Maße vorkommende Sonnen- und Windenergie ausnutzbar wird und teurere und oft fehlende konventionelle Energie nicht benötigt wird.
Für diese Erfindung kann vorzugsweise verwendet werden ein dreischaliger, stehender Expansionskompressor (Figur 1, die einen Schnitt durch eine Kompressions-Expansionsmaschine zeigt), in dem zwischen einem äußeren Kegelstumpfmantel (1), der nach unten koIli,ch zuläuft, und einem inneren Kegelstumpfmantel (2), der konisch nach unten zusammenläuft, ein in zwei Lager drehbarer Hohlzylinder (3) angebracht ist. An diesem drehbaren Hohlzylinder sind außen (4) und innen (5) Schaufeln angebracht, deren äußere zusammen mit am Außenmantel angebrachten Leitschaufeln (6) im bewegten Zustand die Kompression der angesaugten Luft bewirken und deren innere Schaufeln (Laufschaufeln) zusammen mit am konischen Innenrohr (7) fest angebrachten Leitschaufeln durch die Expansion der vorher komprimierten Luft die Expansionsarbeit aufnehmen und dem Rohr Antrieb verleihen.
Die Kompressionswärme im Außenteil wird teils nach außen abgeeben, was durch Isolierung gesteuert werden kann, teils nach innen zum Wärmeausgleich der durch Expansion abgekühlten Luft.
Die im unteren Teil (Figur 2, Wärmeübertragung durch Wärmepumpe oder WSrmerohr) voll komprimierte Luft muß zur besseren Wasserabscheidung noch tiefer gekühlt werden, wobei die Wärme der Lagerreibung und der Wasserkondensation abgeführt werden kann.
Diese Wärmemenge wird durch alternative Vorrichtungen abgeführt, z. B. durch die Flüssigkeit im Verdampfungsteil (8) einer Wärmepumpe (Fig. 2), die durch einen Kompressor (9) einem Kondensationsteil (10) am oberen Teil des Expansionsteiles zugeführt wird. Die Flüssigkeit wird durch ein Expansionsteil (11) abgekühlt und dem Vcrdampfungsteil (8) wieder zugeführt. Dadurch wird dem unteren Teil, wie gewünscht, Wärme abgezogen zur Kälteerzeugung und dem oberen Expansionsteil der expandierenden Luft oder expandierten Trockenluft Wärme zugeführt zur Aufnahme von Energie, die diese Luft wiederum als weitere Arbeit, d.h. adiabatische Expansionsarbeit auf die Laufschaufeln geben kann.
Eine andere Art der Wärmeabfuhr erfolgt durch ein sog. Wärmerohr (Fig. 2), bei der im unteren Verdampfer (13) eine Flüssigkeit bei der Temperatur oberhalb des Siedepunktes der Flüssigkeit abdestilliert und im mittleren Teil des Expansionsteiles durch die dort durch adiabatische Expansion erzeugte Kälte kondensiert (14).
Die so auf die Siedetemperatur der Flüssigkeit gebrachte teilexpandierte Trockenluft kann im weiteren Verlauf Kompressionswärme aus den ersten Kompressionsstufen der komprimierten feuchten Luft aufnehmen und bei geeigneter Isolierung nach außen und geeigneter Anordnung der Kompressionsstufen über das Temperaturniveau der Außenluft aufgeheizt werden.
Die folgende Aufstellung gibt den theoretischen Arbeitsaufwand und die theoretische Arbeitsabgabe bei isothermer Führung von 100.000 m3/h Luft wieder.
Druck- Kompressions- Expansionsstufe arbeit arbeit (bar) (kWh) (kWh)

2 2 189 2 008

; 1 280 t 175zu1 175

5 5 081 4 662

908 833

705 646

5 b J

Reibungsarbeit (pro Lager ca. 1 %) 100 Arbeitsaufwand 5 181 Arbeitsgewinn 4 662 Differenz 519 Bei Ausnutzung der dem Kühlaggregat entzogenen Wärme (kWh): 1. Reibungswärme: 100 2. Abkühlung der Luft von 30 auf 50C: 870 3. Wasserkondensation 0,7 t: 439 1 409 x 0,35 (Wirkungsgrad) = 493 Arbeitsaufwand 5 181 Arbeitsgewinn 5 155 Differenz 26 kWh Die Gesamtenergiebetrachtung ergibt also eine isotherme Führung mit idealer Arbeitssumme 0 und einer adiabatischen Expansionsarbeit mit einem Wirkungsgrad >0 gemäß Carnotschem Kreisprozeß (siehe die folgenden Erläuterungen zu Figur 3).
Figur 3 zeigt einen Kreisprozeß mit dem Wirkungsgrad >0, da # =1 zuT3 >0 wegen T3 > T1, denn T3 stellt in der isothermen T1 Kompression eine niedrigere Temperatur dar als T1 in der Expansion.
Denn die Temperatur, durch die oben beschriebenen alternativen Vorrichtungen erhöht, hat ein höheres Niveau als die Außentemperatur.
Mit Hilfe einer Kreisprozeßbetrachtung werden die polytropen Zustandsänderungen auf die Grenzfälle zurückgeführt: isotherme und adiabatische Zustandsänderungen im PV- und TS-Diagramm.
Schritt 1: Isotherme Expansion: abgegebene Arbeit = zuzuführende Wärme V2 W = Q = m RT1 ln -V1 2: Adiabatische Expansion: Temperaturerniedrigung 3: Isotherme Kompression: aufgenommene Arbeit = abzuführende Wärme W = Q' = m RT3 ln 4: Adiabatische Kompression: Temperaturerhöhung: Thermischer Wirkungsgrad: # = w = 1- T3 Thermischer Wirkungsgrad: Q = wo N Die Arbeitsleistung, der Größe der Fläche im pV-Diagramm entsprechend, geht auf 0, wenn die adiabatischen Vorgänge = 0 werden und nur isotherm verfahren wird, d.h. bei vollständigem Wärmeübergang und ohne Wärmeverluste, wobei T1 = T3 ist.
Falls T3 weiterhin kleiner als T1, wird noch Arbeit gewonnen.
Da Wärme auf ein kälteres System übertragen wird, kann sie in Arbeitsleistung umgesetzt werden.
Die konische Anordnung des innersten Kegels, zunächst durch die notwendige Form des Kegelstumpfmantels (2) (Fig. 1) auf Grund der Luftvolumenausdehnung gegeben, erweist sich als ideal für die statische Stabilität und für die inneren Wärmetransportvorgänqe. Die Aufwärmunq der Trockenluft ist weiterhin notwendig zur schnellen Abfuhr aus dem Bereich der Frischluftzufuhr.
Der Gesamtaufbau ergibt letztlich eine optimale Form für den Durchgang der Frischluft. Bei Windradantrieb trägt sie zum Antrieb bei und ermöglicht so einen Teil der Energie des Turbokompressors - und soqar des Wärmepumpen-Kompressors - aufzubringen.
Da bei dieser stehenden Anordnung ein vertikales Windrad möglich ist, kann Wind jeder Richtung und jeder auch höheren Geschwindigkeit ausgenutzt werden.
Der Wind geht zumindest zum Teil hinter den Windschaufeln in den Kompressionsteil über und vermeidet daher den bekannten Rückstau eines Windrades, welcher den Wirkungsgrad beeinträchtigt.
Die komprimierte Luft qibt in der äußeren Schale ihre Wärme an die expandierende Luft in der inneren Schale ab, bei Bedarf aber auch - durch Isolierung gesteuert - an die Umgebunqsluft ab; dieses dann, wenn Expansionskälte anderweitig zur Kühlung benötigt wird.
Bei der stehenden Anordnung kann bei Windradantrieb eine Art Selbststeuerung stattfinden: bei höherer Windgeschwindigkeit wird höherer Luftdurchsatz bei höheren Umdrehungen erfolgen, die dann höhere Kompressionswärme kann (durch entsprechende Isolierung gesteuert) auch besser nach außen abgeführt werden.
Eine weitere Art Steuerung der Wärmeübergänge erfolgt konstruktiv.
Im Kompressionsteil, d.h. zwischen äußerem Kegelstumpfmantel (1) (Fig. 1) und Hohlzylinder (3), kann die Kompressionswärme abgeführt werden an die vorbeistreichende Außenluft, an die im inneren Expansionsteil expandierende Luft bzw. bei entsprechender - tieferer -Anordnung des inneren Kegels im oberen Teil an die bereits voll expandierte Luft.
Im Fall der Anwendung der Wärmepumpe zur Übertragung der Wärme gilt die Anordnung als günstig, bei der die Wärme des Kondensationsteiles von z. B. 100°C den oberen expandierenden Teil aufheizt. Daher schließt hier der innere und äußere Kegelstumpfmantel gleich hoch ab und der Hohlzylinder führt über dieses Niveau hinaus zur Aufnahme der Antriebselemente.
Im Fall des Wärmerohres ist die Kondensation der verdampften Kühlflüssigkeit im unteren bis mittleren Teil durch Expansionskälte der Expansionsturbine ermöglicht, wozu der Hohlzylinder ggfs. hier isoliert sein muß, um diese Expansionskälte nicht durch die Kompressionswärme des äußeren Kompressorteiles auszugleichen.
Dafür kühlt hier die vorbeiweichende Außenluft, ggfs. unterstützt von Kühlrippen, die komprimierte Luft. Außerdem kann auf der Höhe des Teiles, in dem Expansionskälte erzeugt wird, auf der äußeren Seite auf weitere Kompression verzichtet werden. Die nach Kondensation der Flüssigkeit noch relativ kühle expandierende Luft im inneren Teil soll nun die volle Kompressionswärme übertragen erhaltern. Dazu ist die Anordnung eines höheren Niveaus des Kompressorteiles vorzusehen, so daß die hohe Wärmemenge der ersten Kompressionsstufen voll der bereits expandierten Trockenluft zugute kommt und dort eine zusätzliche adiabatische Arbeitsleistung ermljglicht.
Eine Steuervorrichtung kann das Schaufelgitter am übergang zwischen Kompression und Expansion sein, dergestalt, daß dieses Gitter in der Schaufelanordnung und im Luftdurchgang verstellbar angeordnet ist, so daß die Kompression immer auf einem gewünschten Enddruck gehalten werden kann. Darüberhinaus ist die Schaufelanordnung immer dergestalt, daß sie als Laufschaufeln wirken und zum Antrieb beitragen.
Die stehende Anordnung hat den Vorteil, daß das kondensierte Wasser bequem abgezogen werden kann, und es den tragenden Lagerelementen eine Flüssigkeitskühlunq ermöglicht, die wiederum den Einsatz von wärmeempfindlichen Kunststoffen in den Lagern gestattet.
Auf die geschilderte Weise ist sowohl für ein System mit konventionellem Antrieb - Elektrizitäts- oder mit fossilen Energieträgern direkt betriebenen Motoren - eine dauernde Wassergewinnung möglich etwa ab rel. Luftfeuchte von 20 % bis ca. 350C oder aber bei Verzicht auf diese Energie durch Windenergie unter obigen Bedingungen bei Windgeschwindigkeiten bis herab zu 5 bis 6 m/sec eine unvollständige, bei 8 m/sec eine weitgehende Wasserentnahme möglich, und das ohne Anwendung einer Regelvorrichtung, da die Windstärke die Kompression, Lufteintritt und äußere Kühlung selbst regelt, ggfs. noch die Lagerreibung vermindert durch entsprechend konstruierte Windräder, die einen leichten Auftrieb erhalten.
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Claims

Patentansprüche 1Verfahren zum Gewinnen von Wasser aus der Luftfeuchte dadurch gekennzeichnet, daß Luft zur Herabsetzung ihres Taupunktes komprimiert und gekühlt wird, wobei man das kondensierte Wasser abführt, und daß die von flüssigem Wasser befreite Luft unter Abgabe von nutzbarer Arbeit zur Komprimierung der Frischluft cxpandiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Luft in einem Wärmepumpensystem durchgeführt wird, dessen Arbeitsmittel die Wärme der expandierenden Luft zur weiteren Umsetzung in Arbeit zuführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Luft ihre Kompressionswärme an die expandierende, bei der Expansion zur Abkühlung neigende Luft abgibt und damit weitgehend eine isotherme und dadurch optimale Expansionsarbeit ermöglicht.
4. Verfahren nach Anspruch 1., 2. oder 3., dadurch gekennzeichnet, daß die anfallende Lagerreibungs- und Wasserkondensationswärme die expandierende Luft zur Arbeitsgewinnung aufheizt.
5. Verfahren nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlflüssigkeit die Wärme durch Verdampfen abführt und damit die Luft bis zur Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit herab abkühlt, wobei die verdampfte Kühlflüssigkeit an die untere bzw. mittlere Expansionszone gelangt und dort wegen der Expansionskälte kondensiert, während im oberen Expansionsteil die Hauptkompressionswärme die expandierte Luft über Umgebungstemperatur zur hohen Turbinenarbeitsleistung aufheizt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kompression erforderliche Restarbeit durch Sonnen- bzw. Windenergie erbracht wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1. bis 6., dadurch gekennzeichnet, daß (s. Bild 1) ein stehender, drehbarer Hohlzylinder (1) vorgesehen ist, der zunächst außen mit Laufschaufeln (3) versehen ist, die in Wechselwirkung mit einem äußeren, nach unten konisch verjüngten stationären Kegelstumpfmantel (4) und daran innen befestigten Leitschaufeln (5) stehen, wodurch dieses System einen axialen Turbokompressor darstellt; daß dieser Kompressor zur Hauptsache angetrieben wird durch an dem Hohlzylinder (1) innen entsprechend angebrachte Laufschaufeln (6), die in Zusammenarbeit mit Leitschaufeln (7), die an dem einen inneren konisch nach oben verjüngten stationären Kegelstumpfmantel (8) angebracht sind, eine Turbine bilden, in der die komprimierte Luft wegen der Anordnung des inneren Kegelstumpfmantels als Düse expandieren muß, wobei am unteren Teil der Vorrichtung ein Wasserabzug und eine Kühleinrichtung angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung als Wärmepumpe (Bild 2) ausgebildet ist, deren Verdampfer (1) den unteren Teil der Vorrichtung umgibt und deren Kondensator (2) in optimaler Höhe oberhalb des Verdampfers an den inneren Kegelstumpfmantel angeschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (Bild 2) als Wärmerohr (3) ausgebildet ist, dessen unterer Teil (3 a) die Verdampfungs-und damit Kühlzone darstellt und dessen oberer Teil (3 b) die durch adiabatische Expansion mögliche Kondensationszone darstellt.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7. bis 9., dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (1) im unteren Teil der Vorrichtung gelagert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung ein Kühlbad ist.
12 Vorrichtungen nach den Ansprüchen 7. bis i1., dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (1) nach oben über den Rand des äußeren Kegelstumpfmantels (4) hinausgeführt ist und/oder der innere Kegelstumpfmantel (8) tiefer als der äußere (4) liegt.
13 Vorrichtungen nach den Ansprüchen 7. bis 12., dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (1) mit einem vertikalen Windrad verbunden ist, das gegenüber herkömmlichen Windrädern bessere Windenergieausnutzung erbringt, indem es einen Teil des zu seinem Antrieb benötigten Windes ohne einen Rückstau zu bewirken, in den Kompressionsteil umlenkt.
14 Vorrichtungen nach den Ansprüchen 7. bis 13., dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des Hohlzylinders (1) eine vorzugsweise verstellbare Drossel für den Übertritt der Luft aus dem Kompressor in die Turbine bildet.
15 Vorrichtung nach Anspruch 14., dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des Hohlzylinders (1) als vorzugsweise verstellbares, zum Antrieb beitragendes Schaufelgitter ausgebildet ist.