DE102004051597A1

DE102004051597A1 - Anlage zur ökologischen Wassergewinnung aus Luft

Info

Publication number: DE102004051597A1
Application number: DE102004051597A
Authority: DE
Inventors: Heiner Pollert
Original assignee: PATENTPOOL INNOVATIONS MAN GmbH; PATENTPOOL INNOVATIONS MANAGEMENT GmbH
Current assignee: PATENTPOOL INNOVATIONS MAN GmbH; PATENTPOOL INNOVATIONS MANAGEMENT GmbH
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-04

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus atmosphärischer Luft, wobei der Luft über einen Carnot-Prozess Kondenswasser auf ökologische, energiesparende Weise entzogen wird und die entstehende Nutzwärme zum Antrieb eines Stirling-Motors zur Unterstützung der Energieversorgung verwendet wird. Maßgebend für die gute Energiebilanz ist hierbei der Einsatz eines Kompressors, der über eine Taumelscheibe eine Vielzahl neuartiger Ventilanordnungen mit Hubkolben und netzartig am Umfang verteilten, kugelförmigen, Schließkörpern antreibt.

Description

In den Ländern der Erde mit einem heißen Klima, aber auch in den Tropen oder Subtropen herrscht häufig eine beträchtliche Trinkwasserknappheit.

Dies hat dazu geführt, dass zahlreiche Verfahren entwickelt wurden, um Trinkwasser aus anderen als den natürlichen Süßwasserquellen zu gewinnen, zum Beispiel aus dem Meerwasser oder dem Abwasser. Die zur Anwendung dieser Verfahren benötigten Vorrichtungen bestehen aus stationären Großanlagen, die nur an Orten mit Meerwasser – oder Abwasserzuflüssen gebaut und von Kommunen betrieben werden können. In Gegenden ohne ein Wasserleitungsnetz muss das Trinkwasser zudem mühsam an den Ort des Verbrauchs transportiert werden. Infolgedessen ist Trinkwasser in den genannten Ländern nicht nur knapp sondern auch vergleichsweise teuer.

Sehr früh wurde jedoch schon erkannt, dass auch die Umgebungsluft Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf enthält die sich durch bestimmte Kondensationsvorgänge der Luft entnehmen lässt.

So herrscht in Gegenden mit Trinkwassernot trotz des heißen Klimas häufig eine hohe Luftfeuchtigkeit, die zu Trinkwassergewinnung genutzt werden kann.

Bei einer Temperatur von beispielsweise 40°C und einer Luftfeuchtigkeit von 90% enthält jeder Kubikmeter Luft etwa 0,046 Liter Wasser. Durch Abkühlung derartiger Luft auf eine Temperatur von beispielsweise 20°C, bei der die Luft maximal 0,023 Liter Wasser pro Kubikmeter aufnehmen kann, müssen daher etwa 0,023 Liter Wasser pro Kubikmeter Luft durch Kondensation ausfallen. Daraus folgt, dass zur Gewinnung von einem Liter Wasser unter den genannten Bedingungen nur etwa 43 Liter Luft benötigt werden. Zur Gewinnung von etwa 5 Liter Wasser, entsprechend dem Tagesbedarf eines Menschen, werden somit etwa 215 Kubikmeter Luft benötigt. Zur Lösung des Problems des Wassermangels durch eine Wasserrückgewinnung aus der Atmosphäre ist aus der Patentliteratur die DE 101 24 649 A1 bekannt geworden.

In der Beschreibungseinleitung dieser Druckschrift wird auf die bekannten Möglichkeiten hingewiesen, mit einfachen Mitteln die Feuchtigkeit der Umgebungsluft zur Wassergewinnung heranzuziehen. Beispielhaft zu erwähnen ist hierbei die konkavförmig aufgespannten Plastik – oder Aluminiumfolie, an der sich während der Nachtstunden Kondenswasser niederschlägt und abtropft.

Dieser Patentanmeldung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welches bzw. welche die in trockenen Gebieten zur Verfügung stehenden alternativen Energiequellen bei Tag und Nacht für die Gewinnung von Wasser einsetzen.

Es werden hier jedoch lediglich Konzepte entworfen die sich in allgemeinen Hinweisen erschöpfen. Die Hinweise auf die gerätetechnische Ausstattung verweist zumeist auf handelsübliche Anlagenteile.

Die dort beschriebenen Baugruppen und Funktionselemente sind lediglich hinsichtlich ihrer Funktion und ihren wünschenswerten Eigenschaften skizziert. Verbesserungen in konzeptioneller oder gerätetechnischer Hinsicht, die den Stand der Technik bereichern, sind dieser Anmeldung nicht zu entnehmen.

Um aus der Umgebungsluft in nennenswerten Mengen Wasser zu gewinnen ist es prinzipiell erforderlich die Luft durch ein spezielles Anlagenteil abzukühlen und diesen Vorgang durch das erzwungene Vorbeiführen von großen Luftmengen, beispielsweise durch einen Ventilator, zu fördern. Die zu diesem Zweck gekühlte Fläche sollte dabei so groß wie möglich sein.

Eine solche Vorrichtung, mit der Wärme oder Kälte von einem Medium auf ein anderes übertragen wird, nennt man einen Wärmetauscher.

An einem solchen Wärmetauscher kühlt dann die vorbei geführte Luft stark ab und verliert den in ihr gelösten Wasserdampf, der sich in Form von Wassertropfen auffangen lässt.

Ein spezieller, für die Gewinnung von Wasser aus Luft konstruierter, Wärmetauscher ist dagegen aus der DE 101 35 654 A1 bekannt.

Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um einen Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse mit einer Mehrzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten und von einem Kühlmittel durchströmten Wärmetauscherrohren. Hierbei sind die Wärmetauscherrohre als schraubenwendelförmige Rohrstränge ausgebildet und die Rohrstränge sind kühlmitteleintrittsseitig und kühlmittelaustrittsseitig an Kühlmittelverteilerrohre mit Kühlmitteleintritt und Kühlmittelaustritt angeschlossen.

Als besonderes Merkmal wird bei einem solchen Wärmetauscher hervorgehoben, dass die in Gehäuselängsrichtung verlaufenden Rohrstränge in Gehäusestirnansicht unter Bildung von Rohrbündelungen angeordnet sind, und dass zwei oder mehrere Rohrbündelringe in konzentrischer Anordnung vorgesehen sind. Ferner wird hervorgehoben, dass die benachbarten Rohrstränge der Rohrbündelringe mit ihren Schraubenwendeln um ein vorgegebenes Maß in die Gangabstände zwischen den Schraubenwendeln eingreifen (vgl. hierzu DE 101 35 653 A1 , Patentanspruch 1)

Die Richtung des Luftstroms und des Kühlmittelstroms sind bei diesem bekannten Wärmetauscher identisch. Hinweise auf besondere Maßnahmen der Behandlung von Oberflächen sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen. Auch der Gesichtspunkt der Reinigung des Wärmetauschers ist hier nicht berücksichtigt.

Die Menge des gewinnbaren Wassers aus der Umgebungsluft ist bei einer Anlage, die mit einem der beschriebenen, aus der DE 101 35 653 A1 bekannten, Wärmetauscher ausgestattet ist, naturgemäß beschränkt.

Besondere Maßnahmen hinsichtlich der Optimierung der aufzuwenden Energie für die Gewinnung von Wasser sind hier nicht getroffen.

Der erfindungsgemäßen Anlage liegt die Aufgabe zugrunde, Wasser aus der Umgebungsluft zu gewinnen unter besonderer Berücksichtigung der dabei aufzuwenden Energie.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2, sowie dem Verfahren nach Patentanspruch 18 bzw. 19.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Gewinnung von Wasser aus Luft enthält im Prinzip einen Kältemittelkreislauf nach Art einer Wärmepumpe oder Kältemaschine. Das Kältemittel wird hierbei in einem als Kühlelement wirkenden Wärmetauscher verdampft, anschließend in einem Kompressor bzw. Verdichter, verdichtet, danach in einem Kondensator, bzw. Flüssigkeitswärmetauscher, wieder verflüssigt und schließlich über ein Entspannungsventil erneut dem Wärmetauscher zugeführt.

Als wesentliche Maßnahme ist hierbei jedoch erfindungsgemäß der Kondensator als Flüssigkeitswärmetauscher ausgeführt, der auf seiner Wärmeabgabeseite den Stirling-Motor mit Energie versorgt. Der Stirling-Motor treibt wiederum einen elektrischen Generator zur Versorgung der Anlage mit elektrischer Energie an.

Im Bedarfsfall kann zur Energieversorgung des Stirling-Motors ein weiteres Energiezuführungsmodul zur Unterstützung des Flüssigkeitswärmetauschers zugeschaltet werden. Zu diesem Zweck können zum Beispiel eine Wärmekraft erzeugende Solaranlage oder ökologisch unbedenkliche weitere Energiequellen verwendet werden.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Anlage sind im Wesentlichen zwei Wärmetauscher hintereinander geschaltet.

Ist mit einer drohenden Vereisung eines Wärmetauschers zu rechnen, kann jeweils ein weiterer Wärmetauscher parallel geschaltet werden. Hierbei wird dann, falls ein Wärmetauscher zu vereisen droht, der parallel geschaltete Wärmetauscher in Betrieb genommen, während bei dem anderen Wärmetauscher die Vereisung abgetaut wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der jeweils das meiste Wasser liefernde Wärmetauscher mit seinem besten Wirkungsgrad betrieben wird.

Der Vorgang der zur vorübergehenden Vereisung führt ist dabei gekennzeichnet durch einen hohen Verdichterdruck und einen geringen Kühlmitteldurchfluss. Während des Abtauvorgangs wird der Kühlmitteldurchfluss selbstverständlich angehalten. Der Luftdurchsatz bleibt in beiden Fällen etwa konstant.

Der Wechsel von Vereisen und Abtauen richtet sich nach der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft aus der das Wasser gewonnen wird.

Der Funktionswechsel der in einer Einheit arbeitenden Wärmetauscher gewährleistet einen konstanten Wasserfluss, da steuerungstechnisch die Übergänge von einem Verdampfer zum andern fließend gehalten werden.

Bevorzug wird für sämtliche Steuerungsvorgänge die bewährte SPS – Steuerung verwendet.

Zur Feststellung des Grades der Vereisung werden Sensoren verwendet, die zum Beispiel von ihrer Funktion her aus dem Flugzeugbau bekannt sind.

Außer den bekannten Taupunktspiegeln mit dem traditionellen optischen Strahl sind neuerdings Sensoren bekannt die mit SAW-Technologie arbeiten (SAW = surface acoustic wave, Oberflächenwelle). Ein SAW-Signal reagiert empfindlich auf Kondensatbildung durch Tau oder Frost, nicht jedoch auf Verunreinigungen. Diese Eigenschaft macht solche Sensoren für den vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet.

Am Eingang der angesaugten Luftströmung befinden sich erfindungsgemäß Sensoren zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit und der Lufttemperatur. Deren Messwerte werden, ebenso wie die Messwerte der Vereisungssensoren, über geeignete Programmstrukturen zur optimalen Steuerung der Wassergewinnung verwendet.

Diese, die Vereisung in den Prozess der Wassergewinnung einbeziehende Maßnahme, ist jedoch mit einem unerwünschten Energieaufwand verbunden und stellt lediglich eine optionale Maßnahme dar.

Ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, dass jeder Wärmetauscher nicht nur einen Wärmetauscherstrang aufweist, sondern mindestens zwei. Standardmäßig vorgesehen sind hierbei drei schraubwendelförmige Rohrstränge, die vom Kühlmittel durch strömt werden, wobei die Rohrstränge in zur Längsachse des Gehäuses konzentrischer Lage befestigt sind, und in die Gangabstände benachbarter Rohrstränge ragen.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage ist weiter vorgesehen, dass die Richtung des Luftstroms, aus dem das Wasser gewonnen wird, entgegengesetzt zur Flussrichtung des durchströmenden Kühlmittels verläuft.

Es ist jedoch auch eine Wassergewinnung möglich wenn die Richtung des Luftstroms und die Flussrichtung des durchströmenden Kühlmittels gleichgerichtet sind. Es sinkt dann lediglich der Wirkungsgrad der Anlage.

Ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung von Wasser aus Luft besteht in der Verwendung spezieller, für den hier beschriebenen Zweck besonders geeigneter, Verdichter, bzw. Kompressoren. Diese Kompressoren zeichnen sich vor allem durch eine besondere Ausgestaltung der Ventile aus.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Wassergewinnung wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen hierbei im Einzelnen;
1: eine schematische Darstellung des Kreislaufs.
2: eine Darstellung eines Ventils in einem Totpunkt.
3: eine Darstellung eines Ventils im anderen Totpunkt.
4: einen Querschnitt einer Anordnung aus vier Ventilen.
In der 1 sind zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher (1) gezeichnet, bei denen jeweils das Kältemittel entgegen der Richtung der von dem Ventilator (2) beschleunigten Zuluft einströmt.
Nach dem Verlassen des Wärmetauschers (1) wird das Kältemittel jeweils von einem Verdichter (3) in einen Strang des Wärmetauschers (5) befördert, verflüssigt sich dort und wird schließlich über ein Entspannungsventil erneut dem Wärmetauscher (1) zugeführt.
Die beiden „ Primärstränge„ des Wärmetauschers (5) geben dabei ihre überschüssige Wärmeenergie über den „Sekundärstrang„ im Wesentlichen an den Stirling-Motor (7) ab.
Stirling-Motoren können unmittelbar durch jede Wärmequelle betrieben werden, wie etwa Solarenergiequellen, Verbrennungsgase, flüssige Kraftstoffe, feste Kraftstoffe und natürlich auch durch die Übertragung von Wärme über den Flüssigkeitswärmetauscher (5).
Der Stirling-Motor ist für Wärme-Kraft-Anwendungen gut geeignet. Dies ist zum Teil bedingt durch seine Eigenschaften wie ruhiger Lauf, primäre Wärmeabfuhr durch das Kühlwasser, lange Lebensdauer, geringe Emissionen und geringe Wartung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Generator zur Erzeugung elektrischer Energie in den Druckkörper des Motors integriert. Das verringert die Komplexität der Antriebswellen-Kupplung und der benötigten Dichtungen.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Kühlprozess zur Erzeugung von Wasser aus Luft in dieses Wärme-Kraft-System mit einbezogen, wobei die erzeugte elektrische Energie genutzt wird, um jeweils die Verdichter (3) anzutreiben.
Für den Fall einer notwendigen weiteren Energieversorgung durch das Energiezuführungsmodul (6) ist es, außer über die Einspeisung von Solarenenergie in jeder denkbaren Form, möglich einen Stirling-Motor zu verwenden der mehrere Gasbrenner mit geringer CO2-Emission, aufweist, die im Aufbau des Motors integriert sind.
Gegebenenfalls ist für das Anlassen des Stirling – Motors ein Bedienungsgenerator vorgesehen, der das durch die Gasverdichtung verursachte Anlaßdrehmoment reduziert.
Jeder der in 1 gezeigten Wärmetauscher (1) besteht hierbei mindestens aus zwei parallel geschalteten Kühlmittelsträngen.
Die Steuerung des Kühlmitteldurchflusses durch die einzelnen Kühlmittelstränge wird hierbei in der Weise bewerkstelligt, dass jeweils ein oder mehrere Stränge an der Grenze zur Vereisung betrieben werden. Dieser Zustand ist gekennzeichnet von einem hohen Verdichterdruck und einem geringen Kühlmittelfluss.
Optional können hierbei einem oder den beiden Wärmetauschern (1) jeweils ein weiterer Wärmetauscher parallel geschaltet sein, die bei der Vereisung des jeweiligen Tandempartners den Betrieb übernehmen, bis der ursprüngliche Wärmetauscher abgetaut ist.
Die Phase des Abtauens wird dadurch eingeleitet, dass der Kühlmittelfluss angehalten wird. Die Phasen des Vereisens und Abtauens erfolgen somit im Wechsel in Abhängigkeit von der Luftfeuchte.
Es ergibt sich hierbei eine Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gegenüber dem Stand der Technik von 25% bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40%.
Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 75% ergibt sich noch eine Erhöhung des Wirkungsrades von 7% bis 10%.
Den beiden Wärmetauschern (1) nachgeschaltet ist jeweils ein Lamellenwasserabscheider. Die Lamellenwasserabscheider dienen dem Zweck, Wassertropfen, die vom Luftstrom mitgerissen werden, aufzufangen. Sie bestehen im Wesentlichen aus schräg angeordneten Lamellen aus den gleichen Materialien, wie sie bei den Wärmetauscherwendeln verwendet werden.
Die Schrägstellung dieser Lamellen kann, entsprechend der Geschwindigkeit des Luftstroms, oder auch unabhängig davon, veränderbar gestaltet sein.
Den Lamellenwasserabscheidern stromabwärts nachgeschaltet kann der Luftstrom jeweils einen Peltierkondensator durchlaufen.
Diese dienen dazu, den Luftstrom weiter abzukühlen. Diese weitere Abkühlung liefert weitere kondensierte Feuchtigkeitsanteile.
Um auch noch die restlichen Wassertropfen, die vom Luftstrom mitgerissen werden, aufzufangen, können den Peltierkondensatoren weitere Lamellenwasserabscheider nachgeschaltet sein, die dieselbe Ausstattung aufweisen wie die Lamellenwasserabscheider die am Ausgang der beiden Wärmetauscher (1) anzutreffen sind.
Ein Peltierelement dient der Erzeugung von Temperaturunterschieden durch einen elektrischen Strom.
Der Peltiereffekt ist die Umkehrung des Seebeck-Effektes, also die Umkehrung der Erzeugung einer Thermospannung. Eine so genannte Thermospannung entsteht wenn sich zwei Metalle die miteinander verbunden sind auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden. Wird diese Thermospannung in einem geschlossenen Stromkreis eingesetzt, fließt ein bestimmter elektrischer Strom. Umgekehrt wird bei einer solchen prinzipiellen Anordnung ein elektrischer Strom eine Temperaturdifferenz an der Berührungsstelle der beiden Metalle hervorrufen. Hierdurch erwärmt sich das eine Metall, das andere wird abgekühlt.
Die an der Kontaktstelle erzeugte Wärmeleistung bzw. Kühlleistung ist proportional dem fließenden Strom und dem, von den beiden Metallen an der Kontaktstelle abhängigen, so genannten Peltier-Koeffizienten.
In dem Flüssigkeitswärmetauscher (5) wird der überhitzte Kühlmitteldampf auf die Verflüssigungstemperatur abgekühlt, und nach der Verflüssigung als Kondensat mehr oder minder unterkühlt.
In den thermostatischen Expansionsventilen (4) wird das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel auf den niedrigen Verdampferdruck in den Wärmetauschern (1) entspannt, um anschließend in den jeweiligen Wärmetauscher eingespritzt zu werden. Dabei wird dem Wärmetauscher immer die Kältemittelmenge zugeführt, die unter den jeweiligen Betriebsbedingungen verdampft.
Es soll hierbei bei jedem Betriebszustand das Gleichgewicht zwischen Zufluss und Absaugung aufrechterhalten werden, damit der jeweilige Verdichter (3) keine Flüssigkeit ansaugt und weiter gewährleistet ist, dass die Wärme übertragenden Wärmetauscherflächen immer voll ausgenutzt werden.
Das Kältemittel soll die Wärmetauscher (1) gasförmig mit einer Temperatur verlassen, die um einige Grade über der, am Verdampfungsdruckmanometer gemessenen, Temperatur liegt.
Das Kältemittel tritt also überhitzt, das heißt über die Sättigungstemperatur hinaus erwärmt, aus dem jeweiligen Wärmetauscher aus. Durch diese Überhitzung ist gewährleistet, dass das Kältemittel vollständig verdampft und frei von Flüssigkeitsanteilen ist.
Thermostatische Expansionsventile sind also, ihrer Funktion und Aufgabe nach, Überhitzungsregler.
Das den Kondensationsvorgang verursachende Kühlmittel wird nach dem Durchströmen des betreffenden Wärmetauschers (1) durch den Verdichter (3) von etwa 4 bar auf einen Druck von etwa 17 bis 18 bar verdichtet.
Diese Verdichter (3) können als Kolbenverdichter, Schraubenverdichter oder Turboverdichter ausgeführt sein.
Bei Kolbenverdichtern werden zum Beispiel Verdichtung und Förderung durch hin – und hergehende Kolben bewirkt. Sie arbeiten in abgeschlossenen Zylindern, die durch Ventile abwechselnd mit der Saug- und Druckleitung des Verdichters verbunden werden. Die Anordnung der Zylinder erfolgt meist in V-Form. Die Verdichter sind geeignet zur Verdichtung aller gebräuchlichen Kühlmittel. Da seit dem 1.1.2000 Füllungen von R22 und R22-Gemischen nicht mehr gestattet sind, sind als Ersatz z.B. R 410 A oder R 407 C einsetzbar.
Die Verdichter müssen innerhalb der Anwendungsgrenzen arbeiten, die sich aus den zulässigen Drücken ergeben. Es können nur dampfförmige Medien verarbeitet werden. Bei Betrieb ohne ausreichende saugseitige Überhitzung kann es zu einem vorzeitigen Verschleiß in den Zylindern und Ventilen kommen. Die automatische Leistungsregelung verändert die Verdichterleistung entsprechend dem vorhandenen Saugdruck. Mit abnehmendem Saugdruck werden die kontrollierten Zylinder einzeln durch einen Mechanismus entlastet, indem die Saugventile angehoben werden. Dadurch verringert sich der Kältemitteldurchsatz und somit auch die Kälte- und Antriebsleistung. Die Regelorgane befinden sich vollständig innerhalb des Verdichtergehäuses und weisen weder äußerliche Draht- noch Rohranschlüsse auf. Die Sollwertverstellung kann von außen am Steuerknopf vorgenommen werden.
Wasser und Luft im Kältekreis einer Maschine sind die verbreitetsten Ursachen für schwerwiegende Störungen im System. So kann dies zu Einfrierungen der Regelorgane, Verstopfung der Filter, Korrosion und Kupferplattierung im Verdichter führen. Es wird deshalb in der erfindungsgemäßen Anlage ein Kältemittelfilter bzw. ein Kältemitteltrockner vorgesehen, die gewährleisten, dass die Feuchtigkeitskonzentration im umlaufenden Kältemittel bei allen Betriebsbedingungen unterhalb der kritischen Werte, bei denen Korrosion und Vereisung drohen, erhalten bleibt.
Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Anlage ein Kompressor bzw. Verdichter verwendet, mit den folgenden Merkmalen:
Taumelscheibenkompressor zum Komprimieren von flüssigen
und/oder gasförmigen Medien, mit den folgenden Merkmalen:

a) eine, von einer in der Längsachse eines zylinderförmigen Gehäuses verlaufenden Antriebswelle angetriebene, Taumelscheibe betätigt die Kolbenstangen (10) einer Mehrzahl von am Umfang des Gehäuses verteilten zylinderförmigen, energiesparenden Ventilanordnungen (9).
b) die entsprechenden Hubkolben bewegen sich oszillierend in den jeweiligen Ventilanordnungen,
c) der Zylinderboden, der Zylinderdeckel und der Zylinderring der Ventilanordnungen umfassen eine Vielzahl von Ventilsitzen, die jeweils über Schließkörper verschließbar sind,
d) der Zustrom der Medien erfolgt wechselweise über den Zylinderboden oder den Zylinderdeckel, wobei die komprimierten Medien über den Zylinderring ausgestoßen werden.

Ein solches Energiesparventil (9) ist in der 2, sowie in der 3 gezeigt.
Es stellt eine Ventilanordnung dar, die als eigenständiges mechanisches Bauteil in Verbindung mit einem einen Hubkolben oszillierend antreibenden Mechanismus als Kompressor eines Arbeitsmediums dient, mit den folgenden Merkmalen:

a) Der Hubkolben bewegt sich in einem zylinderförmigen Gehäuse,
b) Der Zylinderboden, der Zylinderdeckel und der Zylindermantel des zylinderförmigen Gehäuses umfassen eine Vielzahl von Ventilsitzen die jeweils über Schließkörper verschließbar sind,
c) Der Zustrom des Arbeitsmediums erfolgt wechselweise über den Zylinderboden oder den Zylinderdeckel, wobei das komprimierte Arbeitsmedium aus der Mantelfläche ausgestoßen wird.

In jeder der beiden Figuren ist der Hubkolben eines solchen Energiesparventils (9) jeweils in einem anderen Totpunkt gezeigt.
In der 3 ist diese Ventilanordnung in einer Betriebsstellung gezeigt, bei der der Kolben, verbunden mit der Kolbenstange (10) am Zylinderdeckel anliegt. Hierbei besteht die gesamte Ventilanordnung aus einem zylinderförmigen Bauteil das aus einem Zylinderring, aus einem so genannten Zylinderboden und einem Zylinderdeckel besteht. Die Bezeichnungen Zylinderboden, Zylinderdeckel, bzw. Zylinderring, dienen lediglich der Unterscheidung der beiden Deckflächen des zylinderförmigen Bauteils, sowie des flächenmäßig gekrümmten Zylindermantels. Der Zylinderboden, der Zylinderdeckel, als auch der Zylinderring sind im Wesentlichen so aufgebaut, dass sie aus in einer Fläche angeordneten Ventilöffnungen in Verbindung mit den zugehörigen Schließkörpern bestehen. Im Fall des Zylinderbodens und des Zylinderdeckels sind die Flächen eben, im Fall des Zylinderrings ist die betreffende Fläche entsprechend dem Zylindermantel, bzw. dem Zylinderring, gekrümmt.
Im Fall des Zylinderdeckels ist in der, die Ventilöffnungen aufnehmende, Fläche in der Mitte eine weitere Fläche zur Aufnahme der Lagerung der Kolbenstange (10) ausgespart. Diese Lagerung weist eine handelsübliche Dichtung auf. Vorzugsweise wird hierzu eine Dichtung verwendet, die eine Lagerung und eine Abdichtung in einer Bauform vereint.
Der Zylinderring weist in der Mitte einen ringförmigen Bereich auf, der keine Ventilöffnungen enthält. Die Breite dieses Bereichs entspricht der Bauhöhe des Kolbens, der von der Kolbenstange (10) in der gezeigten Ventilanordnung hin und her bewegt wird.
Die Abdichtung des Kolbens gegenüber der Innenwand der zylinderförmigen Ventilanordnung erfolgt über einen, in einer entsprechenden Nut eingefügten, Graphitring.
Beide Betriebsstellungen der 2, bzw. 3 zeigen die extremen Positionen des Ventilkolbens. Der in der Mitte verlaufende, von Ventilöffnungen freie, Streifen im Zylinderring ist in beiden 2, bzw. 3 zu erkennen.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist derart, dass, ausgehend von jeder der beiden beschriebenen Positionen bzw. Arbeitsstellungen des Kolbens (4), das Betriebsmedium, im einfachsten Fall Luft, komprimiert und im Bereich des Zylinderrings ausgestoßen wird. Die jeweils der Bewegungsrichtung des Kolbens gegenüberliegende Zylinderfläche wird hierbei durch die betreffenden Schließkörper dicht verschlossen.
Auf diese Weise wird erreicht, dass bei jeder Hubbewegung des Kolbens die eingesetzte Energie zur Komprimierung des Arbeitsmediums verwendet wird. So wird im Fall der 2 durch die Bewegung des Kolbens der Zylinderboden verschlossen und die Ventile im Zylinderdeckel werden geöffnet. Im Fall der 3 werden durch die folgende Bewegung des Kolbens in die entgegen gesetzte Richtung die Ventile des Zylinderdeckels geschlossen und die Ventile des Zylinderbodens öffnen sich und gewähren der angesaugten Luft Zutritt.
Durch die Anordnung der Ventile in den entsprechenden Teilen des Zylinderrings ist gewährleistet, dass die jeweiligen Bereiche des Zylinderrings den gewünschten Komprimierungsvorgang, bzw. Ansaugvorgang, unterstützen. So ist im Fall der 2 durch die Anordnung der Ventile im Zylinderring, die sich im Bereich des Zylinderdeckels bis zur Mitte des Zylinderrings befinden, gewährleistet, dass die aus dem Bereich des Zylinderdeckels angesaugte Luft auch aus dem beschriebenen Bereich des Zylinderrings ausströmen kann.
Im Fall der 3 ist ebenso gewährleistet, dass durch die Ventile im Zylinderring, die sich im Bereich des Zylinderbodens bis zur Mitte des Zylinderrings befinden, auch aus dem anderen Bereich des Zylinderrings ausströmen kann.
In 4 ist eine Kompressoranordnung gezeigt, bei der im Querschnitt vier der am Umfang verteilten Energiesparventile (9) dargestellt sind.
In der Mitte dieser Anordnung ist eine Welle mit einem Getriebe gezeigt, dessen beide Teilwellen auf jeweils einen Kompressor arbeiten, von dem jedoch lediglich jeweils die Taumelscheibe (11) bezeichnet ist, um die Funktion zu verdeutlichen.
Der gezeigte Kompressor, bzw. Verdichter zeichnet sich nicht nur dadurch aus, dass er eine neuartige Ventilanordnung aufweist, sondern auch dadurch, dass eine derartige Ventilanordnung auf eine besondere Art und Weise mit einem besonders ausgebildeten Taumelscheibenverdichter kombiniert wird.
Hierzu ist zu bemerken, dass die erwähnte Ventilanordnung natürlich nicht nur bei dem betreffenden Kompressor einsetzbar ist, sondern dass sich diese Ventilanordnung besonders dadurch auszeichnet, dass sie sehr vielseitig in allen Geräten einsetzbar ist bei denen eine entsprechende Ventilfunktion erforderlich ist.
Bei dem verwendeten Energiesparventil (9) wird nicht nur eine besondere Form der Anordnung der jeweils in einer Fläche angeordneten Ventilöffnungen im Verbund mit den zugehörigen Schließkörpern gewählt, es wird zudem durch eine besondere Art der Anordnung der Ventilöffnungen erreicht, dass sich strömungstechnisch gesehen ein geringer Strömungswiderstand einstellt.
Zudem wird durch die besondere Anordnung gleichzeitig mehrerer als Ventil wirkender mit Ventilöffnungen versehener Flächen erreicht, dass ein, das Arbeitsmedium befördernder, hin und hergehender Kolben in beiden Richtungen wirken kann.
In Verbindung mit einem entsprechenden Getriebe ist es möglich in einer Tandem-Anordnung zwei erfindungsgemäße Kompressoren von einer gemeinsamen Antriebswelle antreiben zu lassen, wie auch in 4 gezeigt.

1: Wärmetauscher
2: Ventilator
3: Verdichter
4: Expansionsventil
5: Flüssigkeitswärmetauscher
6: Energiezuführmodul
7: Stirling Motor
8: Generator (elektrisch)
9: Energiesparventil
10: Kolbenstange
11: Taumelscheibe

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus atmosphärischer Luft, bei der in mindestens einen, als Kühlelement wirkenden, Wärmetauscher (1) eingeströmte Luft kondensiert und das Kondensat verarbeitet wird, wobei Kühlmittel anschließend über mindestens einen Verdichter (3) in einem Flüssigkeitswärmetauscher (5) verflüssigt und über mindestens ein Entspannungsventil (4) wieder zum Wärmetauscher (1) rückgeführt wird, wobei über den Wärmetauscher (5) Wärmeenergie zum Antrieb eines Stirling-Motors (7) ausgekoppelt wird, und wobei der Stirling-Motor (7) einen elektrischen Generator (8) antreibt.
Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus atmosphärischer Luft, bei der in mindestens einen, als Kühlelement wirkenden, Wärmetauscher (1) eingeströmte Luft kondensiert und das Kondensat verarbeitet wird, wobei Kühlmittel anschließend über mindestens einen Verdichter (3) in einem Flüssigkeitswärmetauscher (5) verflüssigt und über mindestens ein Entspannungsventil (4) wieder zum Wärmetauscher (1) rückgeführt wird, wobei über den Wärmetauscher (5) Wärmeenergie zum Antrieb eines Stirling-Motors (7) ausgekoppelt wird, und wobei der Stirling-Motor (7) einen elektrischen Generator (8) antreibt, und wobei der Verdichter (3) aus einer Mehrzahl von, am Umfang eines zylinderförmigen Gehäuses verteilten, durch eine Taumelscheibe (11) oszillierend angetriebenen, Ventilanordnungen (9) mit einem zylinderförmigen Gehäuse besteht, bei denen jeweils ein doppelseitig wirkender Hubkolben das Arbeitsmedium über Teile des Gehäuses ansaugt und ausstößt, und wobei die Wände eines solchen Ventils (9) aus netzartigen Strukturen einer Vielzahl von kugelförmigen Schließkörpern gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Energiezufuhrmodul (6) dem Sterling-Motor (7) weitere Energie zugeführt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ergänzt wird durch einen weiteren, in Serie geschalteten Wärmetauscher (1) mit einem weiteren Verdichter (3) und einem weiteren Strang im Wärmetauscher (5).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom über einen Ventilator (2) oder ein äquivalentes Mittel in den Wärmetauscher (1) befördert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (1) jeweils aus einem Gehäuse mit einer innen liegenden Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen, besteht, und wobei die Rohrstränge in zur Längsachse des Gehäuses konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Rohrstränge ragen, und wobei in dem Wärmetauscher (1) der Kühlmittelstrom dem Luftstrom entgegengesetzt geführt wird, und wobei jeweils ein Wärmetauscher (1) an der Grenze zur Vereisung betrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass ein oder mehrere Wärmetauscher (1) ergänzt werden durch einen funktionsmäßig parallel geschalteten weiteren Wärmetauscher, wobei jeweils ein Wärmetauscher an der Grenze zur Vereisung betrieben wird, und wobei der jeweils andere Wärmetauscher von seiner Vereisung durch Aufheizung befreit wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom nach dem Wärmetauscher nach Bedarf jeweils in einem Kondensator aus Peltier-Elementen abgekühlt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wärmetauscher (1) und/oder parallel geschalteten weiteren Wärmetauschern (1) ein Wasserabscheider in der Form schräg stehender Lamellen nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3) aus einem Taumelscheibenkompressor zum Komprimieren von flüssigen und/oder gasförmigen Medien besteht, mit den folgenden Merkmalen: a) eine, von einer in der Längsachse eines zylinderförmigen Gehäuses verlaufenden Antriebswelle angetriebene, Taumelscheibe betätigt die Kolbenstangen (10) einer Mehrzahl von am Umfang des Gehäuses verteilten zylinderförmigen, energiesparenden Ventilanordnungen (9). b) die entsprechenden Hubkolben bewegen sich oszillierend in den jeweiligen Ventilanordnungen, c) der Zylinderboden, der Zylinderdeckel und der Zylinderring der Ventilanordnungen umfassen eine Vielzahl von Ventilsitzen, die jeweils über Schließkörper verschließbar sind, d) der Zustrom der Medien erfolgt wechselweise über den Zylinderboden oder den Zylinderdeckel, wobei die komprimierten Medien über den Zylinderring ausgestoßen werden
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiesparventil (9) als eigenständiges mechanisches Bauteil in Verbindung mit einem, einen Hubkolben oszillierend Antreibenden Mechanismus als Verdichter eines Arbeitsmediums dient, mit den folgenden Merkmalen: a. Der Hubkolben bewegt sich in einem zylinderförmigen Gehäuse, b. Der Zylinderboden, der Zylinderdeckel und der Zylindermantel des zylinderförmigen Gehäuses umfassen eine Vielzahl von Ventilsitzen die jeweils über Schließkörper (9) verschließbar sind, c. Der Zustrom des Arbeitsmediums erfolgt wechselweise über den Zylinderboden oder den Zylinderdeckel, wobei das komprimierte Arbeitsmedium aus der Mantelfläche ausgestoßen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der mit der Prozess-Luft in Berührung kommenden Anlagenteile nach dem sog. Lotus-Effekt beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsvorrichtung vorgesehen ist, die eine über den Querschnitt eines Wärmetauschers (1) gleichmäßige Versprühung eines Reinigungsmittels gewährleistet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für Gehäuse und umhüllende Bauteile bevorzugt Aluminium, Carbon, Magnesium oder Titan verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14; dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für Anlageteile, die mit einem Kondensat in Berührung kommen bevorzugt Kupfer, Aluminium, nicht rostender Stahl, Kunststoff oder Carbon verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Kältemittelfilter und Kältemitteltrockner vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das gewonnene Wasser in einer Anlage einer Reinigung und/oder Entkeimung und/oder in einer weiteren Anlage einer Belebung unterzogen wird.
Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus atmosphärischer Luft, bei dem in mindestens einen, als Kühlelement wirkenden, Wärmetauscher (1) eingeströmte Luft kondensiert und das Kondensat verarbeitet wird, wobei Kühlmittel anschließend über mindestens einen Verdichter (3) in einem Flüssigkeitswärmetauscher (5) verflüssigt und über mindestens ein Entspannungsventil (4) wieder zum Wärmetauscher (1) rückgeführt wird, wobei über den Wärmetauscher (5) Wärmeenergie zum Antrieb eines Stirling-Motors (7) ausgekoppelt wird, und wobei der Stirling-Motor (7) einen elektrischen Generator (8) antreibt.
Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus atmosphärischer Luft, bei dem in mindestens einen, als Kühlelement wirkenden, Wärmetauscher (1) eingeströmte Luft kondensiert und das Kondensat verarbeitet wird, wobei Kühlmittel anschließend über mindestens einen Verdichter (3) in einem Flüssigkeitswärmetauscher (5) verflüssigt und über mindestens ein Entspannungsventil (4) wieder zum Wärmetauscher (1) rückgeführt wird, wobei über den Wärmetauscher (5) Wärmeenergie zum Antrieb eines Stirling-Motors (7) ausgekoppelt wird, und wobei der Stirling-Motor (7) einen elektrischen Generator (8) antreibt, und wobei der Verdichter (3) aus einer Mehrzahl von, am Umfang eines zylinderförmigen Gehäuses verteilten, durch eine Taumelscheibe (11) oszillierend angetriebenen, Ventilanordnungen (9) mit einem zylinderförmigen Gehäuse besteht, bei denen jeweils ein doppelseitig wirkender Hubkolben das Arbeitsmedium über Teile des Gehäuses ansaugt und ausstößt, und wobei die Wände eines solchen Ventils (9) aus netzartigen Strukturen einer Vielzahl von kugelförmigen Schließkörpern gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Energiezufuhrmodul (6) dem Sterling-Motor (7) weitere Energie zugeführt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ergänzt wird durch einen weiteren, in Serie geschalteten Wärmetauscher (1) mit einem weiteren Verdichter (3) und einem weiteren Strang im Wärmetauscher (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom über einen Ventilator (2) oder ein äquivalentes Mittel in den Wärmetauscher (1) befördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (1) jeweils aus einem Gehäuse mit einer innen liegenden Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen, besteht, und wobei die Rohrstränge in zur Längsachse des Gehäuses konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Rohrstränge ragen, und wobei in dem Wärmetauscher (1) der Kühlmittelstrom dem Luftstrom entgegengesetzt geführt wird, und wobei jeweils ein Wärmetauscher (1) an der Grenze zur Vereisung betrieben wird,
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet dass ein oder mehrere Wärmetauscher (1) ergänzt werden durch einen funktionsmäßig parallel geschalteten weiteren Wärmetauscher, wobei jeweils ein Wärmetauscher an der Grenze zur Vereisung betrieben wird, und wobei der jeweils andere Wärmetauscher von seiner Vereisung durch Aufheizung befreit wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom nach dem Wärmetauscher nach Bedarf jeweils in einem Kondensator aus Peltier-Elementen abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wärmetauscher (1) und/oder parallel geschalteten weiteren Wärmetauschern (1) ein Wasserabscheider in der Form schräg stehender Lamellen nachgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25: dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3) aus einem Taumelscheibenkompressor zum Komprimieren von flüssigen und/oder gasförmigen Medien besteht, mit den folgenden Merkmalen: a) eine, von einer in der Längsachse eines zylinderförmigen Gehäuses verlaufenden Antriebswelle angetriebene, Taumelscheibe betätigt die Kolbenstangen (10) einer Mehrzahl von am Umfang des Gehäuses verteilten zylinderförmigen, energiesparenden Ventilanordnungen (9). b) die entsprechenden Hubkolben bewegen sich oszillierend in den jeweiligen Ventilanordnungen, c) der Zylinderboden, der Zylinderdeckel und der Zylinderring der Ventilanordnungen umfassen eine Vielzahl von Ventilsitzen, die jeweils über Schließkörper verschließbar sind, d) der Zustrom der Medien erfolgt wechselweise über den Zylinderboden oder den Zylinderdeckel, wobei die komprimierten Medien über den Zylinderring ausgestoßen werden
Verfahren nach Anspruch 26. dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiesparventil (9) als eigenständiges mechanisches Bauteil in Verbindung mit einem, einen Hubkolben oszillierend Antreibenden Mechanismus als Verdichter eines Arbeitsmediums dient, mit den folgenden Merkmalen: d. Der Hubkolben bewegt sich in einem zylinderförmigen Gehäuse, e. Der Zylinderboden, der Zylinderdeckel und der Zylindermantel des zylinderförmigen Gehäuses umfassen eine Vielzahl von Ventilsitzen die jeweils über Schließkörper (9) verschließbar sind, f. Der Zustrom des Arbeitsmediums erfolgt wechselweise über den Zylinderboden oder den Zylinderdeckel, wobei das komprimierte Arbeitsmedium aus der Mantelfläche ausgestoßen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der mit der Prozess-Luft in Berührung kommenden Anlagenteile nach dem sog. Lotus-Effekt beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungsvorrichtung vorgesehen ist, die eine über den Querschnitt eines Wärmetauschers (1) gleichmäßige Versprühung eines Reinigungsmittels gewährleistet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für Gehäuse und umhüllende Bauteile bevorzugt Aluminium, Carbon, Magnesium oder Titan verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für Anlageteile, die mit einem Kondensat in Berührung kommen bevorzugt Kupfer, Aluminium, nicht rostender Stahl, Kunststoff oder Carbon verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass Kältemittelfilter und Kältemitteltrockner vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das gewonnene Wasser in einer Anlage einer Reinigung und/oder Entkeimung und/oder in einer weiteren Anlage einer Belebung unterzogen wird.