DE102007011462A1

DE102007011462A1 - Anordnung zur Erzeugung von flüssigem Wasser aus Luftfeuchtigkeit

Info

Publication number: DE102007011462A1
Application number: DE102007011462A
Authority: DE
Inventors: Joerg Collisi; Michael Hoetger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Eine Anordnung zur Erzeugung von flüssigem Wasser aus Luftfeuchtigkeit in einem von einem Kältemittel durchströmten Kältekreislauf, enthält einen Kompressor zum Komprimieren des gasförmigen Kältemittels auf einen erhöhten Druck und eine erhöhte Temperatur, einen dem Kompressor nachgeschalteten Wärmetauscher zum Kühlen des Kältemittels und Mittel zum Entspannten des komprimierten und in dem Wärmetauscher gekühlten Kältemittels auf einen niedrigeren Druck und eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur, wobei den Mitteln zum Entspannen des Kältemittels ein von dem Kältemittel durchflossener Wasserverflüssiger nachgeschaltet ist, welcher mit Umgebungsluft zur Bildung von Kondensat in Verbindung steht, wobei der Wasserverflüssiger Mittel zur Aufnahme des aus der Umgebungluft gebildeten Kondensats aufweist, und ein mit Windkraft angetriebener Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom vorgesehen ist, und zum Antrieb des Kompressors eine mechanische oder elektrische Verbindung mit dem Generator vorgesehen ist oder der Kompressor ebenfalls von Windkraft angetrieben ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von flüssigem Wasser aus Luftfeuchtigkeit. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Wasser.
Derartige Anordnungen und Verfahren werden in Regionen verwendet, wo keine ausreichenden natürlichen Resourcen an Wasser zur Verfügung stehen.
Stand der Technik
Kältekreisläufe sind allgemein bekannt. Komprimiertes Kältemittel wird gekühlt und anschließend wieder entspannt. Die der Umgebung bei dem Entspannungsprozess entzogene Wärme entspricht der Kälteleistung der Anordnung. Das Kältemittel kann dann zum Kühlen eingesetzt werden, wobei es sich auf Umgebungstemperatur erwärmt. Anschließend wird das Kältemittel dem Kältekreislauf wieder zugeführt.
Bei der Verwendung des sehr kalten Kältemittels zum Kühlen, zum Beispiel in Klimaanlagen, tritt der unerwünschte Effekt ein, dass die in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert. Es bildet sich Tropfwasser. Weiterhin benötigen Kältekreisläufe sehr viel Energie.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, mit welcher kostengünstig und ohne hohen Energieverbrauch Wasser aus der Umgebungsluft kondensiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art mit einem von einem Kältemittel durchströmten Kältekreislauf gelöst, enthaltend

(a) einen Kompressor zum Komprimieren des gasförmigen Kältemittels auf einen erhöhten Druck und eine erhöhte Temperatur,
(b) einen dem Kompressor nachgeschalteten Wärmetauscher zum Kühlen des Kältemittels und
(c) Mittel zum Entspannen des komprimierten und in dem Wärmetauscher gekühlten Kältemittels auf einen niedrigeren Druck und eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur, wobei
(d) den Mitteln zum Entspannen des Kältemittels ein von dem Kältemittel durchflossener Wasserverflüssiger nachgeschaltet ist, welcher mit Umgebungsluft zur Bildung von Kondensat in Verbindung steht, wobei der Wasserverflüssiger Mittel zur Aufnahme des aus der Umgebungsluft gebildeten Kondensats aufweist,
(e) ein mit Windkraft angetriebener Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom vorgesehen ist, und
(f) zum Antrieb des Kompressors eine mechanische oder elektrische Verbindung mit dem Generator vorgesehen ist.

Eine solche Anordnung sieht also einen Kältekreislauf vor, bei dem das aus der Umgebungsluft gewonnene Kondensat auffängt und somit die weitere Nutzung zum Beispiel zur Bewässerung von Pflanzen oder als Trinkwasser ermöglicht. Durch die Nutzung von Windkraft als Antriebsmittel ist die Anordnung autonom und unabhängig von weiterer Energieversorgung. Die Anordnung kann daher insbesondere in solchen wasserarmen Regionen eingesetzt werden, die nicht an ein Stromnetzwerk angeschlossen sind. Die Nutzung der Windkraft kann einerseits direkt durch mechanische Kopplung erfolgen. Dann sind die Antriebswelle des Generator und des Kompressors mechanisch aneinander gekoppelt. Alternativ kann auch ein elektrisch angetriebener Kompressor verwendet werden. Der Kompressor erhält dann die elektrische Energie aus dem Generator.
Wenn die Windkraft mittels eines Windrads auf eine Antriebswelle übertragen wird, welche einerseits den Generator und andererseits den Kompressor antreibt, hat dies den Vorteil, dass keine Energieverluste bei der Stromerzeugung auftreten. Die mechanische Verbindung des Kompressors mit dem Generator kann über ein Planetenradgetriebe an der Antriebswelle erfolgen. Es sind aber auch andere Kopplungsarten denkbar.
Bei der alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Verbindung des Kompressors mit dem Generator die Energieversorgung des Kompressors mit der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie. Diese Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn Kompressoren verwendet werden, die auch für andere Verwendungen, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen oder Klimaanlagen geeignet sind. Durch die Produktion solcher marktüblichen Kompressoren in hohen Stückzahlen sind die Herstellungskosten gering.
Vorzugsweise sind Steuerungs- und/oder Regelmittel zur Steuerung und/oder Regelung des Generators und/oder der Komponenten des Kältekreislaufs vorgesehen sind, die mit der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie versorgt werden. Die Steuerung und/oder Regelung kann strom- oder wassergeführt erfolgen. Hierzu können die Steuerungs- und Regelmittel Mittel zur Einstellung des Verhältnisses der auf den Generator und den Kältekreislauf übertragenen Energie umfassen. So kann eingestellt werden, ob die Anordnung vollständig stromgeführt arbeiten soll. Dann wird lediglich Strom in der tatsächlich abgegriffenen Menge erzeugt und die verbleibende Windkraft wird zur Wasserkondensierung verwendet. In der entgegengesetzten wassergeführten Regelung wird lediglich soviel Wasser erzeugt, wie abgefragt wird. Die verbleibende Windkraft wird zur Stromerzeugung verwendet. Der nicht abgefragte Strom kann zum Beispiel in eine Stromnetz eingespeist werden oder zum Aufladen von Accumulatoren dienen. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einstellmöglichkeit vorgesehen, mit der die Betriebsart einstellbar ist.
Vorzugsweise ist ein Gebläse vorgesehen, welches den Wasserverflüssiger mit einem Umgebungsluftstrom beaufschlagt und welches Windkraft betrieben ist oder mit der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie versorgt wird. Durch das Gebläse wird die Menge der Umgebungsluft, der Wasser entzogen wird, erhöht. Die Drehzahl des Gebläses und damit die Kühl- und Kondensierleistung des Wasserverflüssigers kann einstellbar sein. Bei geringer Luftfeuchtigkeit und/oder hoher Kompressorleistung ist eine hohe Gebläsedrehzahl sinnvoll. Umgekehrt ist eine geringe Gebläsedrehzahl ausreichend, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist oder die Kompressorleistung gering ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher von der in dem Wasserverflüssiger gekühlten Umgebungsluft und/oder von dem in dem Wasserverflüssiger erzeugten Kondensat beaufschlagt ist. Diese Ausgestaltung basiert auf der Erkenntnis, dass der Kältekreislauf nicht zur Erzeugung von Kälte verwendet wird, sondern zum Kondensieren von Wasser. Das Kondensat darf dabei auch eine höhere Temperatur als Umgebungstemperatur haben und ist somit zum Kühlen gut geeignet. Ähnliches gilt für die gekühlte Umgebungsluft, die nicht oder nur teilweise zur Kälteerzeugung als Klimaanlage verwendet werden muß.
Vorzugsweise ist in der Anordnung ein Temperatur- und/oder Feuchtesensor vorgesehen. Mit Hilfe der Sensoren kann die Kompressorleistung und die Gebläseleistung derart eingestellt werden, dass ein Gefrieren des Kältemittels vermieden wird. Wenn nämlich die Kompressorleistung hoch ist und nicht ausreichend Luftfeuchtigkeit herrscht, wird nicht genügend Luftfeuchtigkeit kondensiert. Das bedeutet, dass das Kältemittel nach der Entspannung nicht in ausreichendem Maße erwärmt wird. Wenn das der Fall ist, kann die Windkraftanlage abgeschaltet werden, die Kompressorleistung gesenkt oder die Gebläsedrehzahl erhöht werden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung mit Windrad, Kältekreislauf und Generator bei welcher der Kompressor des Kältekreislaufs mechanisch an die Antriebswelle des Generators gekoppelt ist.
2 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung mit Windrad, Kältekreislauf und Generator bei welcher der Kompressor des Kältekreislaufs elektrisch betrieben wird.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine allgemein als 10 bezeichnete Anordnung zur Wassergewinnung aus der Umgebungsluft dargestellt. Die Anordnung umfasst eine Windkraftanlage 12, zum Beispiel ein Windrad. Weiterhin ist ein Generator 14 und ein Kältekreislauf 16 vorgesehen. In dem Kältekreislauf 16 wird ein Kältemittel umgepumpt.
Der Generator 14 wird über eine Antriebswelle 18 von der Windkraftanlage 12 angetrieben. Die von dem Generator 14 erzeugte elektrische Energie steht an Anschlüssen 20 zur Verfügung und kann mit einem Verbraucher 22 abgegriffen werden. Für den Fall, dass nicht die gesamte erzeugte elektrische Energie vor Ort abgefragt wird, wird überschüssige Energie in ein Netzwerk eingespeist.
An der Welle 18 ist ein Planetengetriebe 24 vorgesehen. Mit dem Planetengetriebe 24 wird eine weitere Antriebswelle 26 an die Antriebswelle 18 angekoppelt. Die Antriebswelle 26 treibt eine Kolbenmaschine 28 in einer Kompressoranordnung 30 an.
Die Kompressoranordnung 30 umfasst weiterhin eine Pumpe 32 und ein Ausgleichsgefäß 34 für das Kältemittel des Kältekreislaufs 16. Jede geeignet dimensionierte, herkömmliche Kompressoranordnung 30 ist hier geeignet.
Als Kältemittel sind insbesondere CO₂, Propan, Butan oder R134A geeignet. Jede andere Kältemittelzusammensetzung mit vergleichbaren Eigenschaften ist aber selbstverständlich ebenfalls möglich.
In dem Kompressor 28 wird das gasförmige Kältemittel komprimiert. Dabei erreicht das Kältemittel ein hohes Druckniveau und eine hohe Temperatur von etwa 200°C. Das Kältemittel wird dann durch einen Wärmetauscher 36 geleitet. In dem Wärmetauscher 36 wird dem unter Druck stehenden Kältemittel Wärme Q entzogen. Zu diesem Zweck wird das mit der Anlage erzeugte Wasser durch den Wärmetauscher gleitet, so dass dass Kältemittel Wärme an das Wasser überträgt. Der Wasserkreislauf ist mit 38 bezeichnet.
An einer Drossel 40 wird das Kältemittel auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt. Dabei kühlt sich das Kältemittel auf eine Temperatur ab, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Das kalte Kältemittel wird anschließend durch einen Wasserverflüssiger 42 geleitet. Umgebungsluft 44 wird mittels eines Gebläses 46 in den Wasserverflüssiger geblasen. Die Umgebungsluft wird mit dem Kältemittel gekühlt. An den von dem Kältemittel durchflossenen Rohrleitungen und Wärmetauscherelementen kondensiert aufgrund des Temperaturunterschieds das in der Luft enthaltene, gasförmige Wasser. Das Wasser fließt in eine Aufnahmevorrichtung 48. Die Aufnahmevorrichtung 48 ist mit einem Reservoir 50 verbunden. Aus dem Reservoir 50 wird mit einer Pumpe 52 der Wasserkreislauf 38 zur Kühlung des Wärmetauschers 36 gespeist. Ansonsten steht das Wasser nun zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Es versteht sich, dass hier geeignete Einrichtungen und Armaturen, wie Filter, Desinfektionseinrichtungen, Pumpen etc. angeordnet sein können, mit denen das Wasser an die Qualitätsanforderungen der weiteren Verwendungszwecke angepasst werden.
Das entspannte Kältemittel kann nun dem Ausgleichsbehälter 34 des Kompressors zugeführt werden. Die aus dem Wasserverflüssiger austretende kalte Umgebungsluft kann zusätzlich dem Wärmetauscher 36 zugeführt werden oder zur Raumklimatisierung verwendet werden.
Die Anordnung 10 ist vollständig unabhängig von weiteren Energiequellen. Entsprechend erfolgt die Stromversorgung des Gebläses 46 über einen Anschluss 54 an den Generator. Gleichermaßen werden die Pumpen 32 und 52 vom Generator versorgt (nicht dargestellt).
Die Anordnung weist eine Steuerungs- und Regelungseinheit 56 auf. Die Steuerungs- und Regelungseinheit erhält Signale aus einem Feuchtesensor 58. Der Feuchtesensor 58 ermittelt die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft. Weiterhin werden Signale eines Temperaturfühlers 60 erhalten, der die Temperatur im Kältekreislauf 16 erfasst. Aus den Messwerten für Temperatur und Feuchte ermittelt die Steuerungs- und Regelungseinheit 56 zusammen mit der Drehzahl der Antriebswelle die erforderliche Kompressorleistung, Gebläsedrehzahl und die Pumpendrehzahlen der Pumpen 32 und 52. Die zugehörigen Steuerungssignale werden über Steuerleitungen 62 und 64 an die jeweiligen Komponenten geleitet.
Die Steuerungs- und Regelungseinheit 56 weist einen Stellknopf 66 auf. An dem Stellknopf kann die Betriebsart eingestellt werden. In der einen Endstellung, wird der Generator 14 und das Getriebe 24 über eine Steuerleitung 68 derart betrieben, dass nur dann zusätzlicher Strom erzeugt wird, wenn tatsächlich ein Verbraucher anliegt. Es wird lediglich Strom zum Betrieb der Anlage erzeugt. Ansonsten wird die maximale Wasserverflüssigung betrieben.
In der anderen Endstellung wird der Kältekreislauf nur dann aktiviert, wenn Wasser benötigt wird. Ein Signal kann zum Beispiel von einem Füllstandsmesser in dem Reservoir 50 erzeugt werden. Ansonsten wird die Anordnung lediglich zur Stromerzeugung genutzt. Mittels der Zwischenstellungen kann eine entsprechend an die Erfordernisse angepasster Betriebsart eingestellt werden.
In 2 ist die Anordnung 110 gegenüber der Anordnung 10 aus 1 etwas modifiziert. Hier wird die Antriebswelle 118 lediglich zum Antrieb des Generators 114 eingesetzt. Die Kompressoranordnung 130 wird über eine Verbindung 126 mit dem Generator 114 elektrisch betrieben. Die erforderliche elektrische Energie wird ausschließlich vom Generator 114 geliefert. Es besteht aber die Möglichkeit einen Schalter einzusetzen, der bei Windstille die Wasserproduktion aufrechterhält. Dann erfolgt die Energieversorgung zeitweilig aus einem Stromnetz (nicht dargestellt).
Eine weitere Modifikation gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die gekühlte Umgebungsluft, die aus dem Wasserverflüssiger 142 austritt, zur Kühlung des Wärmetauschers 136 eingesetzt wird. Zu diesem Zweck ist eine Luftleitung 138 vorgesehen.

Claims

Anordnung zur Erzeugung von flüssigem Wasser aus Luftfeuchtigkeit in einem von einem Kältemittel durchströmten Kältekreislauf, enthaltend (a) einen Kompressor zum Komprimieren des gasförmigen Kältemittels auf einen erhöhten Druck und eine erhöhte Temperatur, (b) einen dem Kompressor nachgeschalteten Wärmetauscher zum Kühlen des Kältemittels und (c) Mittel zum Entspannen des komprimierten und in dem Wärmetauscher gekühlten Kältemittels auf einen niedrigeren Druck und eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur, wobei (d) den Mitteln zum Entspannen des Kältemittels ein von dem Kältemittel durchflossener Wasserverflüssiger nachgeschaltet ist, welcher mit Umgebungsluft zur Bildung von Kondensat in Verbindung steht, wobei der Wasserverflüssiger Mittel zur Aufnahme des aus der Umgebungsluft gebildeten Kondensats aufweist, und (e) ein mit Windkraft angetriebener Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom vorgesehen ist, und (f) zum Antrieb des Kompressors eine mechanische oder elektrische Verbindung mit dem Generator vorgesehen ist oder der Kompressor ebenfalls von Windkraft angetrieben ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraft mittels eines Windrads auf eine Antriebswelle übertragen wird, welche einerseits den Generator und andererseits den Kompressor antreibt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenzeichnet, dass die mechanische Verbindung des Kompressors mit dem Generator über ein Planetenradgetriebe an der Antriebswelle erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung des Kompressors mit dem Generator die Energieversorgung des Kompressors mit der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie umfasst.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungs- und/oder Regelmittel zur Steuerung und/oder Regelung des Generators und/oder der Komponenten des Kältekreislaufs vorgesehen sind, die mit der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie versorgt werden.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Regelmittel Mittel zur Einstellung des Verhältnisses der auf den Generator und den Kältekreislauf übertragenen Energie umfassen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse vorgesehen ist, welches den Wasserverflüssiger mit einem Umgebungsluftstrom beaufschlagt und welches Windkraft betrieben ist oder mit der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie versorgt wird.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher von der in dem Wasserverflüssiger gekühlten Umgebungsluft und/oder von dem in dem Wasserverflüssiger erzeugten Kondensat beaufschlagt ist.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur- und/oder Feuchtesensor vorgesehen sind.
Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Wasser aus Luftfeuchtigkeit in einem Kältekreislauf mit den Schritten: (a) Komprimieren eines gasförmigen Kältemittels auf einen erhöhten Druck und eine erhöhte Temperatur, (b) Kühlen des Kältemittels und (c) Entspannen des komprimierten gekühlten Kältemittels auf einen niedrigeren Druck und eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass (d) das die Umgebungsluft derart mit dem entspannten Kältemittel gekühlt wird, dass sich ein Kondensat bildet, welches für die weitere Verwendung aufgenommen wird, (e) elektrischer Strom mit einem mit Windkraft angetriebenen Generator erzeugt wird, und (f) die Windkraft oder der so erzeugte elektrische Strom zum Betrieb des Kältekreislaufs verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch dass die Temperatur im Kältekreislauf und/oder die Luftfeuchte gemessen wird und der Kältekreislauf derart geregelt wird, dass ein Unterschreiten einer minimalen Grenztemperatur vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung durch Regelung der Menge der gekühlten Umgebungsluft, die Regelung der Menge an komprimierten Kältemittel und/oder den Betriebsmodus der Windkraftanlage erfolgt.