AT505157B1 - Verfahren und vorrichtung zur wassergewinnung aus luft der erdatmosphäre - Google Patents

Description

2 AT 505 157 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wassergewinnung aus der Feuchtigkeit der die Erdoberfläche umgebenden Luft durch Kondensation aus dieser, wobei die dazu benötigte Kälte aus der Erdoberfläche ferneren, kälteren Luftschichten entnommen wird und durch eine von einer frei schwebenden Hülle eines Ballons mittels Schleppverbindung in annähernd vertikaler Position gehaltenen Rohrleitung zu einer Kondensationsvorrichtung und erwärmte Luft von dieser abgeleitet wird, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Praktikable Verfahren zur Gewinnung von maßgeblichen Mengen an Süßwasser, in warmen Trocken-, Dürre- oder Katastrophengebieten mit nicht vorhandener bzw. nicht ausreichend intakter Infrastruktur, durch Kondensation von Wasser aus Luftfeuchtigkeit ohne erheblichen, teuren Energieaufwand für die dazu benötigte Kälteproduktion sind nicht bekannt. Wahrscheinlich aus dem Grunde, dass die Verknappung von Süßwasser guter Qualität in Mangelgebieten erst in den letzten Jahren durch Klimawandel und vermehrtem Verbrauch durch steigende Bevölkerungszahl und Folgen aus Wohlstanderhöhung drängend wird und einer Lösung bedarf. Ein JP-Patent mit Publikationsnummer 2004-316398 beschreibt Wassergewinnung durch Kondensation mittels Nutzung des Peltier-Effektes mit einem Thermoelektronikelement, dessen Kondensationsvorrichtung von einem Heliumballon in der Erdatmosphäre gehalten wird. Diese beschriebene Vorrichtung, bei der verlötete schwere Metalle, die den Effekt nach Peltier auslö-sen, sowie die restlichen Wassergewinnungsvorrichtungen vom Heliumballon getragen werden müssen, ist das Gewichtsproblem für effektive Wasserproduktion bei größeren Mengen nachteiligln der Patentschrift WO 1995/023499 A1 ist die Produktion von Wasser mittels Kondensation aus der Umgebungsluft einer Anlage beschrieben, die von einem Zweikammerballon frei schwebend in vertikaler Position gehalten wird. Umgebungsluft aus dem unteren Bereich der Anlage wird zur Kondensationsanlage in die Höhe geleitet, wo aus der Umgebungsluft Wasser kondensiert und über Rohrleitungen zur Nutzung aus dem unteren Bereich geleitet wird. Nachteilig ist diese Wasser-Produktionsart wegen des kostenintensiven Betriebes in der oberen Kammer des Zweikammer-Ballons und Ringballone am Rohrsystem durch das Edelgas Helium oder alternative Gase, weil in der zweiten unteren Kammer der Auftrieb mit warmer Luft äußerst gering ist, weil die Umgebungsluft aus dem unteren Einlass der Rohrleitung beim Durchströmen des Leitungssystems und der Kondensationsvorrichtung zur Ballonkammer verfahrensbedingt stark abkühlt und der Positionierung des Ballons und Vorrichtung in kälteren Zonen wegen Frosteinwirkung Grenzen gesetzt sind, sodass die Tragkraft der warmen Luft sehr gering ist.

Nachteilig ist auch, dass das Gewicht der Rohrleitungssäule mit doppelwandigen Elementen und spiralförmig angeordneten Leitungen sowie Flanschen und Halterungen zusätzlich mit dem kondensierten Wasser bis zum Austritt aus der Anlage gewichtsmäßig belastet wird, dadurch immenses Gewicht erreicht und vom Ballon getragen werden muss.

Die Patentschrift WO 1999/43997 beschreibt eine Kondensationsanlage, bei der aus über Rohre zugeführte Luft durch Kondensation Wasser gewonnen und in einem Behälter gesammelt wird. Diese beschriebene Art der Kondensationswassergewinnung beruht auf der Nutzung der die Vorrichtung direkt umgebenden Atmosphärenluft, die eine starke Erwärmung am Tage und eine genügend differente Abkühlung am Abend erfahren muss. Am Tage wird Wärme im Wasser gespeichert und am Abend an die Luft, aus der Wasser kondensiert werden soll, zu deren Erwärmung abgegeben, um bei genügender Temperaturdifferenz zwischen erwärmter Luft und der vorherrschenden Atmosphärenluft Wasser zu kondensieren.

Da zumindest die Temperaturdifferenz vorhanden sein muss, damit Wasser kondensiert, ist diese Art der Produktion wettermäßig nicht immer einsetzbar. Nachteilig ist auch der voluminöse technische und materielle Aufwand für die Wärmespeicherung im Wasser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wasser in Trinkwasserqualität zu günstigen Produktionskosten mit erfindungsgemäßen Anlagen an fixen oder mobilen Standorten auch autark, 3 AT 505 157 B1 umweltfreundlich und ohne teure bauliche Maßnahmen zu gewinnen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die kältere erdoberflächenfernere Luft als Kühlmittel, die durch einen Einlassfilter geleitet und durch eine Leitung zur Kühlung der Kondensationsflächen zur Wasserkondensation der auf der Erdoberfläche befindlichen Kondensationsvorrichtung geleitet wird, wobei die bei der Kühlung der Kondensationsflächen durch Kälte-/Wärmeaustausch erwärmte Luft durch Leitung dem Balloninnenraum des Ballons empor strömend zugeleitet wird und diesem als Traggas dient bzw. die Auftriebskraft ist.

Das vorgeschlagene Verfahren wird vorteilhaft auf solch eine Art und Weise durchgeführt, dass an der Oberseite des Ballons eine oder mehrere Schleusenvorrichtung(en) zur Ausschleusung dieser Luft aus dem Innenraum des Ballons an deren Umgebung angeordnet sind.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist, dass die Leitung, in welcher Luft zur Kondensationsvorrichtung nach unten fließt, zum Zwecke des Schutzes vor Sonneneinstrahlung und Wärmezufuhr von außen durch die Leitung ganz oder teilweise umhüllt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung mit Zeichnung (Fig. 1) erläutert. Diese zeigt die Wasserproduktion durch Kondensation, mit zur Verfügungstellung der Kälte aus höheren, kälteren Luftschichten als die die Kondensationsvorrichtung umgebende. Die im wesentlichen aus einer frei schwebenden Hülle als Ballon, der das Luft Ab- und Aufleitungssystem trägt und eine am Boden befindliche Kondensationsvorrichtung mit Wassertank zeigt.

Eine frei schwebende Hülle bildet einen an sich bekannten Heißluftballon und wird als Ballon 1 bezeichnet. Ein Trag-Seil 2 dient einerseits als Schleppvorrichtung zwischen Ballon 1 und dem zu tragenden Rohrleitungssystem 3, andererseits begrenzt es die Höhe des Ballons 1 durch Fixierung an der Verankerung 9 an der Erdoberfläche. Eine erste Leitung 4 leitet die Luft vom Einlassfilter 5 zu Kondensationsvorrichtung 10 an der Erdoberfläche. Eine zweite Leitung 6 leitet Luft von der Kondensationsvorrichtung 10 zur Auslassöffnung 7 und aus dieser in den Ballon 1. Beim Durchfließen der Luft durch die Kondensationsvorrichtung 10 werden die Kondensationsflächen 14 gekühlt. Leitung 4 ist am Trag-Seil 2, das zwischen Ballon 1 und Verankerung 9 gespannt ist, befestigt. Die Leitung 6 umgibt Leitung 4, damit eine Erwärmung der kühlen Luft in Leitung 4 durch Sonneneinstrahlung und Außenwärme ganz oder teilweise verhindert wird. Dieses Leitungskonstrukt von Trag-Seil 2, Leitung 4 und Leitung 6 wird als Leitungssystem 3 bezeichnet. Die Wandungen der Leitungen 4 und 6 sind aus besonders leichtgewichtigem, gedichtetem Fasergewebe, wie es in der Ballonfahrt verwendet wird, wobei dieses auf einem Gerippe aus leichten Materialien aufgestülpt ist. Ventilator 11 unterstützt bei Bedarf die Strömung der Luft in den Leitungen 4 und 6 sowie in der Kondensationsvorrichtung 10. Durch die Öffnungen 13 strömt Luft in die Kondensationsvorrichtung 10 ein und durch Öffnungen 16 aus der Kondensationsvorrichtung 10 aus. Durch die Öffnung 17 strömt die aus Öffnung 7 kommende Luft in den Innenraum 18 der frei schwebenden Hülle des Ballons 1. Luft aus der Umgebung der Kondensationsvorrichtung 10 strömt durch Einlass 12 ein und durch die Auslassöffnung 27 aus dieser wieder aus. Bei diesem Durchströmen der Luft vom Einlass 12 zum Auslass 27 wird an den Kondensationsflächen 14 Wasser aus dieser Luft kondensiert und im Wasserbehälter 15 für weiteren Gebrauch gesammelt. Schleusenvorrichtungen 20 und 25, als Schleusenballone 20 und 25 bezeichnet, befördern die im Balloninnenraum 18 Wärme- und drucktechnisch ausgebeutete Luft aus dem Ballon 1 aus und geben sie an die Umgebung des Ballons 1 ab. Mit 18a und 18b werden die Seiten im Innenraum 18 bezeichnet, die drucktechnisch nicht getrennt sind. Die Klappe 30 steuert die in den Balloninnenraum 18 einströmende Luft in einer Stellung zu Seite 18a, in einer anderen Stellung zu 18b. Die Ballonausformung 33 beeinflusst ebenfalls die Strömungsrichtung der Luft im Balloninnenraum 18. Durch das Ventil 21 und die Leitung 22 fließt Luft ein und durch das Ventil mit Gewicht 23 aus dem Schleusenballon 20. Durch das Ventil 26 und die Leitung 24 fließt Luft in und durch Ventil mit Gewicht 28 fließt sie aus dem Schleusenballon 25 aus. 31 und 32 sind Temperaturmesser im Ballon 1, ein Luftströ- 4 AT 505 157 B1 mungsmesser 19 ist in Leitung 6 angeordnet. Eine Erhitzungsvorrichtung 35 erzeugt Zusatzwärme. Das Seil 29 dient zur Absenkung und Fixierung des Ballons 1.

Angenommene Daten zur Funktionsbeschreibung: Höhe der frei schwebenden Hülle 1 in der Erdatmosphäre ist 3900m über dem Meeresniveau.

Positionierung des Luftfilters 5 mit Einlassöffnung zu Leitung 4 beträgt 3800m über Meeresniveau.

Standort der Kondensationsvorrichtung 10 auf Erdoberfläche ist in einer Höhe von 800m über Meeresniveau.

Lufttemperatur in 3800m über Meeresniveau beträgt +2°C.

Lufttemperatur in 800m über Meeresniveau beträgt +28°C bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit. Funktion:

Die frei schwebende Hüllte des Ballons 1 hält mittels Schleppverbindung, dem Trag-Seil 2, das Rohrleitungssystem 3 in ungefähr vertikaler Position, sodass die Öffnung des Luftfilters 5 in Höhe von ca. 3800m, bei einer dort vorherrschenden Umgebungsluft von ca. 2°C positioniert ist. Diese Luft fließt von der Öffnung des Luftfilters 5 durch Leitung 4, durch Öffnung 13 in und durch die Kondensationsvorrichtung 10. Beim Durchfließen dieser Luft durch die Kondensationsvorrichtung 10 von Öffnung 13 zu Öffnung 16 werden die Kondensationsflächen 14 primärseitig gekühlt, mit der Wirkung, dass sekundärseitig Wasser aus der Feuchtigkeit der 28°C warmen Umgebungsluft, die von Öffnung 12 durch die Kondensationsvorrichtung 10 zur und aus der Öffnung 27 fließt, kondensiert und im Wasserbehälter 15 gesammelt wird. Beim Durchfließen der Luft in der Kondensationsvorrichtung 10 von Öffnung 13 zu Öffnung 16 wird bei der Kühlung der Kondensationsflächen 14 durch Kälte-/Wärmeaustausch diese Luft erwärmt und dadurch ihre Dichte verändert, dies bewirkt, dass diese jetzt erwärmte Luft durch Öffnung 16 in das Rohr 6 einströmt, in diesem empor und aus der Öffnung 7 des Rohres 6 ausströmt. Weil die Luft von der Einlassöffnung des Luftfilters 5, Leitung 4, Öffnung 13, Kondensationsvorrichtung 10, Öffnung 16, Leitung 6 bis Auslassöffnung 7 in einem nach außen abgedichteten Raum fließt, entsteht ein selbsttätiges Einströmen der Luft vom Einlassfilter 5 bis zum Ausfließen durch Öffnung 7. Der Luftstrom von Luftfilter 5 bis Auslassöffnung 7 kann bei Bedarf durch Ventilator 11 unterstützt und verstärkt werden. Luftströme zur Kühlung der Kondensationsflächen sind räumlich getrennt von den Luftströmen, aus denen Wasser kondensiert wird.

Die aus Öffnung 7 ausströmende, vorher in der Kondensationsvorrichtung 10 und über die Leitungshülle der Leitung 6 erwärmte Luft fließt weiter durch die Öffnung 17 in den Innenraum 18 der fei schwebenden Hülle des Ballons 1 und wirkt hier als Trage- und Auftriebskraft, welche die Hülle des Ballons 1 in Schwebe hält.

Ein Schleusenballon 20 mit Ventilklappen 21 und 23 ist durch Leitung 22 und ein Schleusenballon 25 mit Ventilklappen 26 und 28 ist durch Leitung 24 ebenfalls mit dem Innenraum 18 der frei schwebenden Hülle des Ballons 1 verbunden. Diese Schleusenballone 20 und 25, deren Ventile 21, 23, 26 und 28 mit dem Strömungsmesser 19 und Temperaturmessung 31 + 32 und Luftströmungsklappe 30 in Wirkverbindung stehen, ermöglichen, dass im Innenraum 18 der Hülle des Ballons 1 durch das gesteuerte Ausschleusen aus diesem eine optimale Ausnutzung der Tragfähigkeit der Luft gegeben ist. Warme Luft, die von der Öffnung 7 aus der Leitung 6 und durch die Öffnung 17 in den Innenraum 18 einströmt, wird von der Strömungsvorrichtung 30 in einer Stellung in Richtung Innenseite 18 a und weiter von Ausformung 33 beeinflusst, zur Innenseite 18 b geleitet, in der anderen Stellung in Richtung 18b und weiter von Ausformung 33 zur Innenseite 18a geleitet. Luft, die von 18a zu 18b strömt, fließt hernach, nach Öffnen des

Claims (3)

1. 5 AT 505 157 B1 Ventils 21 durch Leitung 22 in den vorher zusammengefalteten Schleusenballon 20. Weil das Ventil 23 geschlossen ist, wird der Schleusenballon 20 durch die Dichteunterschiede der Luft von innerhalb und außerhalb des Schleusenballons 20 geöffnet, sodass Luft aus dem Ballonin-nenraum 18 der frei schwebenden Hülle des Ballons 1 in Schleusenballon 20 strömt. Wird Ventil 21 geschlossen und Ventil 23 geöffnet, strömt die davor in Schleusenballon 20 eingeflos-sene Luft durch das Kollabieren und Zusammenfalten der Hülle des Schleusenballons 20 aus diesem und entweicht, weil ein Gewicht bei Ventil 22 diese Hülle zusammendrückt. Luft, die durch Strömen von 18b zu 18a gelangte, fließt nach Öffnen des Ventils 26 durch die Leitung 24 in den vorher zusammengefalteten Schleusenballon 25. Weil das Ventil 28 geschlossen ist, wird der Schleusenballon 25 durch Dichteunterschiede der Luft innerhalb und außerhalb des Ballons 1 geöffnet, sodass Luft aus Balloninnenraum 18 der frei schwebenden Hülle des Ballons 1 in Schleusenballon 25 strömt. Wird Ventil 26 geschlossen und Ventil 28 geöffnet, strömt die davor in Schleusenballon 25 eingeflossene Luft durch das Kollabieren und Zusammenfalten der Hülle des Schleusenballons 25 aus diesem und entweicht, weil ein Gewicht bei Ventil 22 diese Hülle zusammendrückt. Dieser Vorgang wiederholt sich. Mit der Erhitzungsvorrichtung 35 kann eine zusätzliche Erwärmung der aufströmenden Luft in Leitung 6 durchgeführt werden. Eine zusätzliche Wärmeisolierung der Leitung 4 und 6 oder Verwendung von teilweise absorbierenden Materialien für Leitung 6 richtet sich nach Aufstellungsart und Klimabedingungen. Um die erste Leitung 4 vor Sonneneinstrahlung und Wärmezufuhr von außen zu schützen, ist sie von der zweiten Leitung 6 ganz oder teilweise umgeben. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Wassergewinnung aus der Feuchtigkeit der die Erdoberfläche umgebenden Luft durch Kondensation aus dieser, wobei die dazu benötigte Kälte aus der Erdoberfläche ferneren, kälteren Luftschichten entnommen wird und durch eine von einer frei schwebenden Hülle eines Ballons mittels Schleppverbindung in annähernd vertikaler Position gehaltenen Rohrleitung zu einer Kondensationsvorrichtung und erwärmte Luft von dieser abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kältere erdoberflächenfernere Luft als Kühlmittel durch einen Einlassfilter (5) und durch eine erste Leitung (4) nach unten zur Kühlung der Kondensationsflächen (14) und Wasserkondensation in die auf der Erdoberfläche angeordnete Kondensationsvorrichtung (10) geleitet wird, und die bei der Kühlung der Kondensationsflächen (14) durch Kälte/Wärmeaustausch erwärmte Luft durch eine zweite Leitung (6) nach oben dem Innenraum (18) des Ballons (1) zugeleitet wird und dem Ballon (1) als Traggas bzw. Auftriebskraft dient.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Ballon, einer Schleppverbindung, einer ersten und zweiten Rohrleitung und einer Kondensationsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite des Ballons (1) eine oder mehrere Schleusenvorrichtungen (20) zur Ausschleusung von Luft aus dem Innenraum (18) des Ballons (1) an dessen Umgebung angeordnet ist/sind.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Ballon, einer Schleppverbindung, einer ersten und zweiten Rohrleitung und einer Kondensationsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (4), in welcher Luft zur Kondensationsvorrichtung (10) nach unten fließt, durch die zweite Leitung (6) ganz oder teilweise umhüllt ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen