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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung von Süßwasser
mit Hilfe von salzhaltigem Wasser, insbesondere mit Meerwasser.
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Im
Stand der Technik finden sich zahlreiche Techniken zur Gewinnung
von Trinkwasser. Den meisten Techniken haftet der Mangel an, dass
sie relativ energieaufwändig und oft sehr teuer von der
Anlagentechnik her sind. Beispielhaft sei auf die Umkehrosmose-basierten
Verfahren hingewiesen, die relativ teure Anlagen und einen hohen
Energieaufwand an elektrischer Energie benötigen.
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Weiter
enthält der Stand der Technik auch thermische Verfahren,
bei denen das Wasser auf höhere Temperaturen aufgeheizt
wird und sich der dann bildende Wasserdampf als Kondensat an Rohrleitungen
niederschlägt, die ihrerseits mit Kühlflüssigkeit gefüllt
sind. Da der Wasserdampf kein Salz enthält, ist das durch
das Kondensat gebildete Wasser salzfrei. Aber auch hier gibt es
einen recht großen Bedarf an Energie, um das Wasser auf
hohe Temperaturen aufzuheizen, damit genügend Dampf erzeugt
wird.
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Ein
weiterer Nachteil der genannten Systeme besteht darin, dass sie
oft, insbesondere wenn sie eine Großtechnologie voraussetzen,
nur an Standorten eingesetzt werden, wo bereits eine größere
Infrastruktur herrscht, beispielsweise um die Abwärme eines
bereits bestehenden Kraftwerkes für die Erwärmung
des Wassers zu nutzen. Auch bei der Verwendung von Umkehrosmoseanlagen
oder bei anderen Anlagen zur Trinkwassergewinnung ist man auf elektrische
Energie in relativ großem Umfang angewiesen.
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Weiter
gibt es einige Veröffentlichungen, in denen Meerwasser
dadurch entsalzt wird, dass es erwärmt, zerstäubt,
und mit Außenluft vermischt wird. Diese Luft wird dadurch
feuchter und wird in einem Tröpfchenabscheider von verbleibenden
Salztröpfchen befreit, wonach dann die Luft durch einen
Luftkondensator kondensiert, und das kondensierte Wasser dann als
Trinkwasser aufbereitet wird.
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In
nachteilhafter Weise benötigt man hier auch relativ viel
elektrische Energie zur Kühlung der Kondensatorkühlkörper,
die außerdem meist nur an Orten mit viel Infrastruktur
vorhanden ist. Eine solar erzeugte Kühlung der Kondensatorkühlkörper
ist bis heute unter anderem wegen der tagesgangbedingten starken
Variation der Lufttemperaturen, damit unmittelbar verbunden der
relativen Luftfeuchte und der solaren Einstrahlung nicht effizient
möglich und erfordert darüber hinaus im Stand
der Technik einen sehr hohen Regelungsaufwand.
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Aufgabe:
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Demgegenüber
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren
zur Gewinnung von Süßwasser zu schaffen. Mit den
Maßnahmen der unabhängigen Ansprüche
wird diese Aufgabe gelöst.
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Vorteile der Erfindung:
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen Weiterbildungen
und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.
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Kurz
zusammengefasst wird das Meerwasser erfindungsgemäß über
viele Düsen in eine zirkulierende Strömung von
zunächst trockener Luft – wie sie typischerweise
in Ländern mit Süßwassermangel vorherrschend
ist – eingesprüht, wodurch die Luft in jedem Zyklus
mehr befeuchtet wird. Die nahezu vollständig mit Wasserdampf
gesättigte Luft bekommt dadurch eine Taupunkttemperatur,
die um bis ca. 20°C nach oben verschoben ist, vgl. 1.
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Bedingt
durch diese große Taupunktverschiebung lässt sich
eine nachgeschaltete Luftkondensationsanlage zur Süßwassergewinnung
sehr wirtschaftlich rein solar betreiben, indem sowohl Solarkollektoren
als auch die mit deren Wärmeleistung arbeitenden Kältemaschinen
zwischen relativ geringen Temperaturniveaus arbeiten, was eine beträchtliche
Steigerung der Leistungszahlen von Kollektor und Kältemaschine
im Betrieb ermöglicht und darüber hinaus die Wasserausbeute
enorm steigert, da die Luft einen signifikant höheren Wassergehalt
hat als im Stand der Technik.
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Das
Verfahren kommt praktisch ohne elektrischen Strom aus und lässt
sich mit einem Wärmespeicher kombinieren, der einen Betrieb
der Anlage sogar während der Nacht ermöglicht.
Speziell auf den Bedarf in heißen, trockenen Ländern
zugeschnittene, sehr preisgünstig herstellbare und betreibbare Systemkomponenten
für den Luftbefeuchter und den Solarkollektor werden weiter
unten beschrieben.
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Gemäß einem
grundlegenden Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Gewinnung von Süßwasser offenbart, das folgende Schritte
enthält:
- a) Versprühen von
salzhaltigem Wasser durch einen Tröpfchenerzeuger, wie
beispielsweise ein Düsensystem, in Tröpfchen mit
zumindest zum großen Teil vorbestimmter Größe
aus einem vordefinierten Größenbereich, wobei
die Tröpfchen in einen zumindest weitgehend umschlossenen Befeuchtungsraum
hineingesprüht werden und zumindest zum Teil darin verdunsten.
- b) Hindurchleiten von nicht-wasserdampfgesättigter
Luft, bevorzugt von Luft des Außenraums der Anlage durch
den tröpfchenbeladenen Befeuchtungsraum, wodurch die Luft
befeuchtet wird.
- c) Ableiten der befeuchteten Luft durch eine Auslassöffnung
des Befeuchtungsraumes.
- d) Verwenden der befeuchteten Luft als Eingangsstrom für
den Betrieb einer Luftkondensationsanlage, wie sie im Stand der
Technik bekannt ist, und in der die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit
im wesentlichen zu Süßwasser kondensiert, indem man
sie beispielsweise an gekühlten Rohrleitungen niederschlagen
lässt und einsammelt.
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Das
Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte:
- e)
Betreiben einer solar betriebenen Anlage (32) zur direkten
stromlosen Kälteerzeugung für die Luftkondensationsanlage
(30),
- f) wobei die Anlage zur Kälteerzeugung einen oder mehrere
Sonnenkollektoren zur Erzeugung einer Wärmeleistung und
eine oder mehrere Kältemaschinen enthält, die
an den Ausgang der Kollektoren gekoppelt sind und die Wärmeleistung
in Kälteleistung für die Luftkondensationsanlage umsetzen,
und
- g) wobei der Befeuchtungsschritt a) so intensiv betrieben wird,
dass die zu kondensierende Luft derart befeuchtet wird, dass deren
Taupunkt soweit erhöht wird, dass der/die Kollektor(en) und/oder
die Kältemaschinen) mit möglichst hoher Carnot'scher
Leistungszahl betrieben werden.
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Dabei
ist die Carnot'sche Leistungszahl in einem Vergleich zu den Betriebsweisen
von Solarkollektoren und Kältemaschinen zu sehen, wie sie
standardmäßig aus dem europäischen Raum
bekannt sind, also etwa wie folgt:
Eine Kältemaschine
arbeitet nach europäischen Maßstäben
beispielsweise zwischen 90°C und 5°C, was eine
Leistungszahl von etwa 278/(363 – 278) also etwa εc = 3,3 bedeutet. Ein Solarkollektor arbeitet
beispielsweise zwischen 90°C (niedrig angesetzt) und höher,
und 30°C Umgebungstemperatur (hoch angesetzt) und tiefer,
was mit diesen vor sichtig angegebenen Bereichsgrenzen eine Leistungszahl
von 303/(383 – 303), also etwa εc 3,8
bedeutet.
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Die
sogenannte Carnot-Leistungzahl gibt bei vorgegebener Temperatur
des oberen und unteren Wärmeniveaus das Verhältnis
der theoretisch erreichbaren Wärmemenge zur aufgewendeten
technischen Arbeit an. Die Leistungszahl εc basiert
auf der Anwendung der Carnot-Prozesses. Sie wird hier verwendet
als Anhaltspunkt und als universell anwendbarer Stellvertreter für
den Wirkungsgrad, der bei den verschiedenen Typen von Kältemaschinen
unterschiedlich definiert ist.
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Ein
einfaches Zahlenbeispiel illustriert die erfindungsgemäße
Leistungszahlerhöhung aufgrund erhöhten Wirkungsgrades
bei 300K entsprechend etwa 27°C Umgebungstemperatur:
Die
Leistungszahl εc des Carnotprozesses
ist definiert als εc = T1/(T2 – T1),
wobei
T2 immer die höhere Temperatur der Temperaturniveaus ist,
zwischen denen die wärme- oder kälteerzeugende
Einheit arbeitet.
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Stand der Technik:
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Eine
Kältemaschine arbeitet gemäß Stand der
Technik beispielsweise zwischen 90°C und 5°C, was
eine Leistungszahl von etwa 278/(363 – 278) also etwa εc = 3,3 bedeutet. Ein Solarkollektor arbeitet
beispielsweise zwischen 90°C und 30°C Umgebungstemperatur,
was eine Leistungszahl von 303/(383 – 303), also etwa εc 3,8 bedeutet.
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Erfindung:
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Erfindungsgemäß braucht
die Kältemaschine wegen der Taupunktverschiebung beispielsweise nur
zwischen 60°C und 20°C arbeiten, was eine Leistungszahl
von etwa εc = (293)/(333 – 293)
= 7,3 und damit mehr als eine Verdopplung ergibt. Die Erhöhung
des Wirkungsgrades ist abhängig vom Typ der Kältemaschine.
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Erfindungsgemäß braucht
der Solarkollektor nur zwischen 60°C und 30°C
arbeiten, was eine Leistungszahl von 303/(333 – 303), also
etwa εc = 10,1 und damit fast eine
Verdreifachung der Leistungszahl und einer Erhöhung des
Wirkungsgrades von ca. 37% auf 62% ergibt, vgl. 6.
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Weitere Vorteile:
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Dabei
ist bevorzugt eine Steuerung implementiert – sonst eine
manuelle Steuerung – die die Kühlleistung und/oder
die Kühltemperatur der Kälteerzeugungsanlage durch
Steuerung der Luftfeuchtigkeit des Eingangsluftstroms für
den Betrieb der Luftkondensationsanlage einstellt, um den Wirkungsgrad
der Gesamtanlage oder einzelner Anlagenteile gezielt zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung entwickelt also den zuletzt genannten Stand
der Technik, der mit Luftkondensatoren arbeitet, weiter, wobei als
Feuchtigkeitsträger die Außenluft und bevorzugt
Meerwasser weiter verwendet werden, wobei aber die Kühlenergie
zumindest von der Grundlast durch solare Kühlelemente ohne
den Umweg über die Erzeugung von Strom bereitgestellt wird.
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Die
mit der Anwendung dieser speziellen Technologie verbundenen Nachteile
der aus dem Stand der Technik an sich bekannten solaren Kühlelemente – nämlich
das naturgemäß bedingte, nicht-konstante Solarstrahlungsangebot
und daher eine nicht-konstante Kühlleistung und ein daraus
folgender hoher Regelungsaufwand – werden erfindungsgemäß jedoch
durch die besonders flexible Bereitstellung von Luft mit entsprechend
individuell vorgebbarem Kondensationspotential, also individuellem
Grad an relativer Luftfeuchtigkeit und mit in gewissen Grenzen variabler
Temperatur kompensiert, indem die Luft vor Eintritt in den Luftkondensator
in ausreichender Weise befeuchtet wird, und indem Luft entweder
aus einem beschatteten oder einem besonnten Außenraum angesaugt
wird. Die Luft wird in bevorzugter Weise dadurch befeuchtet, dass
sie durch einen Befeuchtungsraum strömt, der mit Sprühtröpfchen
aus Salzwasser angefüllt ist. Diese Tröpfchen
verdunsten ganz oder zum Teil und geben dabei einen entsprechenden
Anteil an Wasser an die durchströmende Luft ab. Diesen
Befeuchtungsvorgang kann man so intensiv ablaufen lassen, dass am Ausgang
des Befeuchtungsraums eine Luftfeuchtigkeit nahe 100% herrscht,
ausgehend von beliebig trockener Luft. In vorteilhafter Weise kostet
diese Befeuchtung fast keine Energie, im Gegensatz zur Erzeugung
von Wärme oder Kälte.
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Hintergrund:
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Der
technische Hintergrund für diese Befeuchtungsvorstufe gemäß der
Erfindung ist der folgende:
Um Luft mit einem bestimmten absoluten
Wert an Luftfeuchtigkeit oder Luft mit bestimmter Temperatur und
bestimmter relativer Feuchte zu kondensieren und damit Wasser zu
erzeugen, wird eine bestimmte Kühlmitteltemperatur benötigt.
Für eine vorgegebene Erzeugungsrate an Süßwasser
wird eine entsprechende Kühlleistung am Kondensator benötigt.
Jede Kältemaschine arbeitet aber nicht auf jedem Temperaturniveau
(Kühltemperatur) der zu erzeugenden Ausgangstemperatur
für den Kondensator mit demselben Wirkungsgrad, sondern
der Wirkungsgrad wird umso geringer, je höher die Temperaturdifferenz der
Temperaturniveaus ist, zwischen denen sie arbeitet. Dies gilt ebenso
für den Wirkungsgrad eines Solarkollektors. Grundlage ist
der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, siehe z. B.
unter www.wikipedia.de „Wärmekraftmaschine".
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Erfindungsgemäß können
nun aufgrund der intensiven Befeuchtung der Luft geringere Anforderungen
an die zu erzeugende Kühltemperatur gestellt werden, und
damit erhöht sich der Wirkungsgrad des kälte-erzeugenden
Elements, also der Kältemaschhine.
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Erfindungsgemäß können
nun ebenso geringere Anforderungen an die zu erzeugende Vorlauftemperatur
der Kältemaschine gestellt werden, die ja die Ausgangstemperatur
des wärmeerzeugenden Elements ist, und damit erhöht
sich auch der Wirkungsgrad des wärme-erzeugenden Elements.
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Sind
die beiden Anlagen wie hier hintereinander geschaltet, so ergibt
sich der Gesamtwirkungsgrad von Wärmeerzeuger und Kälteerzeuger
als Produkt der beiden Wirkungsgrade, das heißt, die jeweiligen
Gewinne im Wirkungsgrad wirken sich deutlich aus.
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Insbesondere
eine weniger große Differenz der Temperaturen des Kühlmittels
am Ausgang des kälte-erzeugenden Elements zur Außenluft
führt zur weniger hohen Wärme- bzw. Kälteverlusten,
siehe beispielsweise www.iwu.de/fileadmin/user upload/dateien/energie/espi/espil
4.pdf.
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Die
Kälteleistung in den Kühlrippen des Luftkondensators
kann also durch den Einsatz von Solaranlagen gewonnen werden, die
Kälte direkt ohne die Umwandlung in elektrische Energie
aus der Solarenergie erzeugen, und zwar erfindungsgemäß auf
einem Temperaturniveau, das sehr gute Wirkungsgrade der Anlage ermöglicht.
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Anlagenteile aus dem Stand der Technik:
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Solche
Anlagen sind beispielsweise offenbart auf der Website: http://idw-online.de/pages/de/news264028,
wo eine gemeinsam von der Fraunhofer Gesellschaft und der Firma
Sortech AG, 06120 Halle, Deutschland (siehe auch www.sortech.de)
entwickelte Anlage gezeigt ist.
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Weiter
beispielhaft sei die ein-stufig arbeitende Anlage zur solaren Kühlung
genannt, wie sie von der Solitem GmbH, 52072 Aachen, Deutschland,
angeboten und auf deren Webseite www.solitem.de unter „Produkte” beschrieben
ist.
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In
einer veröffentlichten Dissertation, siehe im Internet
unter diglib.unimagdeburg.de/Dissertationen/2003/matsafarik.pdf,
auf die zum Zwecke der Offenbarung Bezug genommen wird, sind zahlreiche Anregungen
gegeben, wie man eine Anlage zur solaren Kälteerzeugung
dimensionieren kann, so dass sie mit möglichst hohem Wirkungsgrad
arbeitet.
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Sorptionsgestützte
oder andere Kältemaschinen, die nicht auf dem Umweg über
die Erzeugung von elektrischem Strom Kälte produzieren,
besitzen einen schlechteren Wirkungsgrad als beispielsweise verdichtungsbasierte
Kälteerzeuger, die aber meist Strom oder andere Primärenergie,
etwa einen Dieselgenerator benötigen.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird dieser technische Nachteil nun deutlich
abgemildert, zumindest für den Bereich der Anwendung der
Süßwassererzeugung, wie oben bereits erwähnt
wurde.
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Da
die Kühlmitteltemperatur in den Kühlrippen der
Kondensatoranlage prinzipiell deutlich unter dem Taupunkt der befeuchteten
Luft liegen muss, müssen die Betriebsparameter der erfindungsgemäßen
Wasserentsalzungsanlage so eingestellt werden, dass dieser Taupunkt
deutlich unterschritten wird. Dies geschieht bevorzugt mit Unterstützung
der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorstufe und
einer damit einher gehenden Taupunktverschiebung von niederen zu
höheren Temperaturen.
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Damit
sich durch Kondensation möglichst viel flüssiges
Wasser an den Kühlrippen bildet, sollte das Kühlmittel
kalt genug sein oder eben- erfindungsgemäß angewendet – die
relative Luftfeuchtigkeit der befeuchteten Luft entsprechend hoch
sein. 1 gibt insoweit einen Überblick, eine
Tau- Punktverschiebung um 20°C und mehr (siehe geschweifte Klammer)
kann exemplarisch erreicht werden.
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Ein
wesentlicher Beitrag der vorliegenden Erfindung ist also, ein Verfahren
zur Süßwassergewinnung zu schaffen, das mit sehr
hohen Wirkungsgraden arbeiten kann, und wobei die variablen meteorologischen
Randbedingungen, die durch die Umwelt bedingt sind, also momentane
Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, momentane solare Einstrahlung,
möglichst gut in das technische Profil und die technischen
Randbedingungen der Gesamtanlage für die Süßwassererzeugung
integriert werden können, und wobei gezielt der Wirkungsgrad
der Gesamtanlage oder deren teuerster Komponenten, verbessert, oder
andere Regelzielvorgaben erfüllt werden können.
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Mit
speziellem Bezug zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen
Taupunktverschiebung im Zusammenhang von solarbetriebenen Kälteerzeugungsmaschinen
sei hinzugefügt, dass es typisch für die Sonnenkollektoren
ist, dass die Wärmeerzeugung mit einem umso schlechteren
Wirkungsgrad betrieben wird, je höher die Temperatur am
Kollektorausgang ist. Je höher die Ausgangstemperatur am
Kollektor, desto besser sind die Möglichkeiten für
die nachgeschaltete Sorptionskälteanlage. Je niedriger
allerdings die zu erzeugende Temperatur bei der abzugebenden Kälteleistung
ist, desto geringer sind die Wirkungsgrade der Kältemaschine,
siehe auch diglib.unimagdeburg.de/Dissertationen/2003/matsafarik.pdf,
S. 36/37.
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Im
Stand der Technik der Gewinnung von Süßwasser
aus der Luft sind hier aber zur Kondensation von warmer, mehr oder
weniger feuchter Luft – diese beiden Größen
sind hier die Zwangsbedingungen – an kalten oder kühlen
Oberflächen bestimmte Fixpunkte gesetzt, nämlich
die Taupunkte für Luft mit bestimmter Temperatur und relativer
Feuchte. Diese Randbedingung des fixen Taupunkts verhindert im Stand
der Technik, dass man die Anlage beliebig regeln kann, um sie in
einem möglichst effizienten Bereich zu betreiben. Denn
man benötigt beispielsweise für die Kondensation
von Luft mit T = 26°C und einer rel. Feuchte von 30% eine
Kühlmitteltemperatur von deutlich weniger als 7,1°C
(der Taupunkttemperatur dieser Bedingungen), um Wasser aus der Luft durch
Kondensation herauszubekommen. Ist das Kühlmittel nur geringfügig
wärmer, so ist der Erfolg der Süßwassergewinnung
nicht etwa nur geringfügig schlechter, sondern der Erfolg
ist gleich Null, denn es wird überhaupt kein Wasser oberhalb
des Taupunkts kondensieren. Diese Einengung des Arbeitsbereichs der
Anlage wird durch die vorliegende Erfindung deutlich reduziert,
wie hier folgend beschrieben wird:
Um die solarbetriebene Luft-Kondensationsanlage auch
bei trockener Luft mit hohem Wirkungsgrad arbeiten lassen zu können,
wird erfindungsgemäß die Luftfeuchtigkeit der
zu verarbeitenden und zu kondensierenden Außenluft gegebenenfalls
sehr stark erhöht und optionaler Weise auch deren Temperatur erniedrigt,
also das Kondensationspotential der Luft erhöht, wodurch
sich ein entsprechend höher liegender, für die
im Vorlauf des Luftkondensators liegenden Anlagenteile – Solarkollektor
und Sorptionskältemaschine – leichter und mit
einem Arbeitspunkt höheren Wirkungsgrades erreichbarer
Taupunkt ergibt, vergleiche etwa den Taupunkt von 25,1°C
bei Luft von 26°C und einer relativen Feuchte von 95% in 1.
Hierdurch ergibt sich ein robuster, fast regelungsunabhängiger
Betriebszustand, der zumindest einen deutlich geringeren Regelungsbedarf
besitzt, weil Wasser aus der nahezu wasserdampfgesättigten
Luft auch dann noch kondensiert, wenn die Kühlleistung
durch nichtoptimale Regelung einmal nicht perfekt eingestellt ist.
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Wenn
eine erfindungsgemäß implementierte Steuerung
die relative Luftfeuchtigkeit der befeuchteten Luft automatisch
so steuert, dass sich deren Taupunkt derart einstellt, dass die
Luftkondensatoranlage mit einer Kühltemperatur betrie ben
werden kann, die einem verbesserten Wirkungsgrad der solaren Kühlelemente
gegenüber einer anderen – deutlich niedriger liegenden – Kühltemperatur
entspricht, dann ist ein vorteilhafter Beitrag geleistet hinsichtlich eines
wirkungsgradoptimierten Betriebs der solaren Kühlelemente,
die oft die teuersten Elemente im Gesamtsystem der Anlage darstellen.
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Vereinfacht
ausgedrückt wird Luft mit umso größerem
Kondensationspotential kondensiert, je ungünstiger die
Bedingungen sind, unter denen die Systemelemente Solarkollektor
und Sorptionskältemaschine arbeiten müssen. Ein
großes Kondensationspotential bedeutet, dass sich die Luft
nur ein wenig abkühlen muss, damit deren Feuchtigkeit anfängt zu
kondensieren. Eine Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit
wird erfindungsgemäß durch intensivere Befeuchtung
und/oder durch Ansaugen von natürlich vorgekühlter
Luft aus einem verschatteten Außenbereich bewirkt.
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Darüber
hinaus wird erfindungsgemäß – genügend
solare Einstrahlung vorausgesetzt – in vorteilhafter Weise
praktisch kein elektrischer Strom benötigt, um das für
die Kondensation benötigte Kühlniveau zu erreichen,
weil man ja erfindungsgemäß den Taupunkt sehr
weit – in der Praxis um ca. 20°C durch Befeuchtung
der Luft „verschieben” kann. Das Verfahren lässt
sich daher auch in Insellagen ohne Anbindung an Stromnetze gut einsetzen.
Es wird lediglich ein z. B. dieselbetriebener Kompressor zur Erzeugung
eines geringen Überdrucks zum Versprühen des Salzwassers
und zum Ansaugen der Außenluft benötigt, und bei
entsprechender Implementierung minimale elektrische Energie zum
Betreiben des elektronischen Regelkreises, der die Feuchtigkeit
der Luft im Vorlauf steuert.
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Das
erfindungsgemäße Süßwassergewinnungsverfahren
lässt sich damit auch wirtschaftlich lohnenswert auf einen
sehr günstigen Arbeitspunkt einer Arbeitskennlinie aus
dem Kennlinienfeld der solaren Kühlelemente als energie-intensivste
oder kostenintensivste Systemelemente einstellen.
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Gemäß einem
sehr kostengünstigen Ausführungsbeispiel wird
ein Solarkollektor in einer sehr einfachen Bauweise ohne massive
Isolierung thermische und optional sogar ohne Röhren verwendet
und betrieben, wobei vorteilhaft ausgenutzt wird, dass die Umgebungstemperaturen
in süßwasserarmen Gegenden meist sehr hoch sind
und der Kollektor mit relativ niedriger Ausgangstemperatur betrieben
werden kann.
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Der
Fachmann erkennt, dass sich insgesamt, insbesondere an Orten, die
in der Nähe des Meeres liegen, wo also die Beschaffung
von Meerwasser relativ einfach ist, ein Einsatz des erfindungsgemäßen
Verfahrens lohnt, weil bei guter solarer Einstrahlung keine nennenswerte
elektrische Energie benötigt wird, um Süßwasser
zu erzeugen.
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Tröpfchenerzeugende
Sprühsysteme sind im Stand der Technik weitreichend bekannt,
siehe beispielsweise das Angebot der Firma Draabe, Hamburg, Deutschland,
oder anderer Anbieter, die sich mit dem Thema Luftbefeuchtung und
feines Versprühen von Flüssigkeiten auseinandersetzen.
Ein Sprühsystem besteht danach aus einem Vorratsbassin,
das die zu versprühende Flüssigkeit enthält,
aus einem Kompressor mit mehr oder weniger großer Leistung,
je nach Nenndurchsatz und Nenndruck, mit dem die Flüssigkeit
versprüht werden soll, aus Zuleitungen vom Kompressor zu
den Düsen selbst, durch die hindurch dann die Flüssigkeit
versprüht wird. Es gibt verschiedenste Düsen im
Stand der Technik, die jeweils mit unterschiedlichen Arbeitsdrücken,
Tröpfchengrößen und Sprühstrahlgeometrien
angeboten werden. Im vorliegenden Fall soll in erster Linie das Volumen
des Befeuchtungsraumes möglichst durchgängig und
volumenfüllend mit Tröpfchen passender Größe
beaufschlagt werden, so dass sich sogenann te Vollkegeldüsen
zur Verwendung in bevorzugter Weise anbieten, die ihren Sprühkegel
eben auch in ihrem Inneren füllen.
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Das
zu versprühende salzhaltige Wasser wird vor dem Befüllen
des Sprühsystems mit geeigneten Filtern soweit gereinigt,
dass es im wesentlichen frei ist von Feststoffen, die die Düsen
verstopfen können. Langzeittests beim Versprühen
von Salzlösungen sogar mit sehr hohem Sättigungsgrad haben
bereits gezeigt, dass sich Düsen auch im Dauerbetrieb oder
im Intervallbetrieb nicht zusetzen, wenn sie mit Salzwasser beschickt
werden, auch wenn sie Tröpfchen mit einem Nenndurchmesser
von 50 bis 100 μm oder weniger erzeugen.
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Der
Befeuchtungsraum kann beispielsweise eine zeltartige Konstruktion
sein, insbesondere dann, wenn die Anlage schnell aufgebaut werden
soll. Wenn die Anlage eine längere Bauzeit verträgt
und für den stationären Einsatz für längere
Zeit geplant ist, kann auch eine klassische Hallenform gewählt werden,
beispielsweise auf einer Grundrissfläche von 50 m Länge,
20 m Breite und etwa 10 m Höhe. Die Sprühsysteme
sind mit ihren Düsen vorzugsweise im Dachbereich der Halle
montiert, und zwar so, dass die Montagedichte an das oben genannte Sprühziel
angepasst ist. Beispielsweise können Düsen in
einem Raster von 1,5 bis 2 m direkt unter der Decke der Halle angeordnet
sein. Die Düsen sprühen dann beispielsweise senkrecht
nach unten und befeuchten so die Luft.
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Der
Befeuchtungsraum hat eine oder mehrere Einlassöffnungen
sowie eine oder mehrere Auslassöffnungen. Die Einlassöffnung
ist vorzugsweise mit dem Außenraum, also mit der Außenluft
verbunden. Die Auslassöffnung ist gegebenenfalls über
einen optional zwischenschaltbarem Tröpfchenabscheider
mit der Luftkondensationsanlage verbunden. Diese Verbindung wird
zweckmäßig über eine Rohrleitung oder über
mehrere Rohrleitungen gewährleistet. Eine Saugvorrichtung,
die beispielsweise über einen Dieselmotor oder einen Elektromotor
betrieben werden kann, saugt nun die Luft von der Auslassöffnung
an, wodurch im Inneren des Befeuchtungsraumes eine Strömung
entsteht und die Außenluft angesaugt wird.
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Wenn
die Auslassöffnung beispielsweise bei rechteckiger Grundfläche
der Halle 50 m entfernt ist von der Einlassöffnung, dann
zieht die Luft langsam von der Einlassöffnung in Richtung
Auslassöffnung und hat während dieser Zeitspanne
genügend Zeit, um durch den intensiven Kontakt mit der
Vielzahl von gebildeten Tröpfchen Wasserdampf aufzunehmen.
In bevorzugter Weise wird die Sprühflüssigkeit,
also das salzhaltige Wasser, insbesondere Meerwasser, aufgewärmt,
bevor es in das Düsensystem eingespeist wird. Diese Vorerwärmung
kann sehr energiesparend beispielsweise dadurch erzeugt werden,
dass das Meerwasser über eine schwarze, der Sonnenstrahlung
ausgesetzte Fläche (beispielsweise schwarze Teichfolie)
geleitet wird, oder indem es entlang der Brennlinie einer Zuleitungsrinne
läuft, die einen hyperbolischen Querschnitt besitzt und
die einfallenden Sonnenstrahlen dort auf die Brennlinie gebündelt
werden. Die Verdunstungsrate für die Salztröpfchen
steigt mit zunehmender Temperatur der Tröpfchen überproportional
an.
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In
besonders bevorzugter Weise sind die Tröpfchendurchmesser
durch die Verwendung der geeigneten Düsen so dimensioniert,
dass sie nicht komplett verdunsten auf dem Weg von der Düse
bis zu ihrem Auftreffen auf dem Hallenboden. Dies hat den Vorteil,
dass das auf dem Hallenboden landende Tröpfchen im wesentlichen
sämtliches Salz in sich trägt und dass es relativ
wenige oder gar keine Salzaerosole in der befeuchteten Luft gibt.
Sind die Tröpfchen sehr klein, so kann es sein, dass je
nach Temperatur der Salztröpfchen, relativer Luftfeuchtigkeit und
Temperatur der angesaugten Außenluft das Tröpfchen
bereits komplett verdunstet ist, bevor es landet. Dann besteht die
Gefahr, dass das in dem Tröpfchen enthaltene Salz als Aerosol
in der feuchten Luft mitfliegt und dann gegebenenfalls durch einen
geeigneten Abscheider aus der feuchten Luft entfernt werden muss,
bevor diese Luft in der Luftkondensationsanlage kondensiert.
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Die
Auslassöffnungen einer Verdunstungshalle, wie sie oben
skizziert wurde, befinden sich in geeigneter Höhe an der
Wand, beispielsweise im unteren Drittel oder im oberen Drittel über
die gesamte Breite hinweg.
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Wenn
die Tröpfchen groß genug dimensioniert sind und
die Strömung und die Düsenanordnung so eingerichtet
ist, dass in den Bereich der Auslassöffnungen keinerlei
Tröpfchen mehr verweht werden, so kann man sicher sein,
dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren
befeuchtete Luft keinen Salzanteil mehr enthält. In diesem
speziellen Fall kann die Luft mit dem Eingang der oben genannten Luftkondensationsanlage
aus dem Stand der Technik direkt ohne die Tröpfchenabscheider
verbunden werden.
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Soll
die Technologie im Befeuchtungsraum jedoch flexibler gehalten sein
und auch mit unterschiedlichen Befeuchtungsleistungen gefahren werden
können, so empfiehlt es sich, einen Tröpfchenabscheider
wie oben erwähnt zwischenzuschalten und die Strömung
so einzustellen, dass nur noch Tröpfchen mit einem gewissen
Mindestdurchmesser in der Auslassöffnung landen, die in
dem dann vorhandenen Tröpfchenabscheider zu nahezu 100%
abgeschieden werden können. Für diesen Zweck sollten
sie einen Durchmesser besitzen, der größer ist als
15 μm.
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Eine
beispielhafte Konstellation wäre wie folgt: Absprühhöhe
10 m, mittlerer Tröpfchendurchmesser des Sprühspektrums
0,3 bis 0,5 mm, Strömungsgeschwindigkeit im linearen, ungestörten
Bereich etwa 0,5 bis 1 m/sec.
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Auch
für den oben erwähnten Tröpfchenabscheider,
den genauen Einsatzzweck für salzhaltige Tröpfchen
und eventuell salzige Aerosole kann auf den Stand der Technik verwiesen
werden, siehe beispielsweise die Treffer in der DEPATIS-Datenbank vom
Deutschen Patent- und Markenamt unter dem Stichwort „Tröpfchenabscheider”, „Nassabscheider” oder
unter Eingabe derselben Stichwörter in der Suchmaschine „Google”.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die Anlage enthaltend
den Befeuchtungsraum mit dem Sprühsystem kann in besonders
geeigneter Weise mit dem unter dem Label „aqua_society” angebotenen
Wassergewinnungssystem für eine innovative Trinkwassergewinnung
eingesetzt werden, weil dieses System eine besonders gute Energieausbeute anbietet,
und wie jedes andere System, das auf dem Prinzip der Luftkondensation
funktioniert, in seinem Wirkungsgrad und in der produzierten Wassermenge deutlich
gesteigert werden kann, wenn die erfindungsgemäße
Anlage zur Luftbefeuchtung mit Meerwasser oder Salzwasser einem
solchen System vorgeschaltet ist. Damit lässt sich beispielsweise
leicht eine relative Feuchte von 90% erzeugen, bevor die Luft in
den Kondensatorbereich gelangt. Das heißt, insbesondere
in trockenen, wüstennahen Gebieten, wo die relative Luftfeuchtigkeit
im Außenraum oft deutlich unter 30% liegt, kann die Produktionsleistung
je nach Lufttemperatur verfünffacht (bei etwa 20°C
Lufttemperatur), etwa verdreifacht bei etwa 25°C Lufttemperatur
und etwa verdoppelt werden bei einer Lufttemperatur von 40°C,
wenn ein Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit von 40% jeweils
auf 90% durch das erfindungsgemäße Verfahren und
die erfindungsgemäße Anlage vollzogen wird.
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Die
Stellgröße zur Anpassung der zu kondensierenden
Luft an einen effizienten Arbeitspunkt einer Betriebskennlinie der
solaren Kühlelemente kann neben der relativen Luftfeuchtigkeit
auch in gewissen Grenzen die Temperatur der Luft sein, da kühlere
Luft schneller als wärmere ihre Sättigungsgrenze erreicht
(relative Feuchte von 100%) also weniger Wasserdampf absolut enthält.
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Um
die Temperatur zu steuern, kann beispielsweise Außenluft
aus einem überschatteten Bereich für kühlere
Luft und aus einem intensiv sonnenbestrahlten Bereich für
heißere Luft angesaugt werden.
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Um
die Luftfeuchtigkeit der Luft am Ausgang der Luftbefeuchteranlage
zu erhöhen, kann bei sonst konstant gehaltenen Parametern
- a) der Durchsatz verringert werden, weil dann
die Luft beim Strömen durch den Befeuchtungsraum länger
Zeit hat, durch Kontakt mit den Wassertröpfchen Feuchtigkeit
aufzunehmen, oder
- b) die Tröpfchengröße kleiner gemacht
werden, zum Beispiel durch Beaufschlagung eines Sets von anderen
Düsen, oder durch Ändern des Pumpdrucks,
- c) die Erzeugungsrate an Tröpfchen vergrößert werden,
beispielsweise durch Zuschalten weiterer Düsen, oder je
nach Düsentyp, ebenfalls durch Erhöhen des Pumpdrucks,
- d) durch einen schnelleren Tröpfchenstrahl, bei manchem
Düsentyp durch erhöhten Pumpdruck.
-
Sensoren
sind am Ausgang und bei Bedarf an anderer Stelle stromauf des und
im Befeuchtungsraum vorgesehen. Sie messen die Temperatur und die
Luftfeuchtigkeit der befeuchteten Luft, sowie die eventuell verbleibende
Tröpfchendichte.
-
Meteosensoren
sind vorgesehen, die alle relevanten meteorologischen Größen
wie Lufttemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit im Ansaugbereich und
an den solaren Kühlelementen, die Temperatur der solaren
Kühlkörper, die Intensität der Solarstrahlung,
etc., messen und laufend überwachen.
-
Alle
Sensoren liefern ihre Signale beim Betrieb der Anlage bevorzugt
laufend an eine Steuereinheit, die auf bestimmte Regelziele programmiert
ist, beispielsweise auf effizienten Betrieb der teuersten Anlagenteile,
oder auf maximale Ausbeute an kondensiertem Wasser, oder auf möglichst
niedrige Kondensattemperatur, damit die beim Kondensieren abgekühlte
Umgebungsluft noch gezielt weiter zum Kühlen von anderen
Gütern, beispielsweise Lebensmitteln oder dgl. verwendet
werden kann.
-
Die
Steuereinheit kann beispielsweise ein programmierter Logikchip sein,
oder auch ein PC, auf dem ein entsprechend programmiertes Steuerprogramm
abläuft. Die den Betrieb eines jeweiligen Anlagenteils
kennzeichnenden Parameter und mathematische Formeln zur Modellbildung
und Berechnung des Wirkungsgrades dieser Anlagenteile sind in dem
Steuerungsprogramm abgespeichert und können dynamisch zur
Laufzeit des Betriebs abgerufen werden. Zwischenergebnisse wie Einzelwirkungsgrades
eines Anlagenteils oder der der gesamten Anlage fließen
bevorzugt in die Steuerung der Anlage ein.
-
Somit
kann, wenn beispielsweise die Bereitstellung einer Kühlleistung
auf sehr tiefem Temperaturniveau relativ unwirtschaftlich berechnet
wird, oder gar nicht nötig ist, die Eingangsluft umso intensiver befeuchtet
werden, so dass der Taupunkt der befeuchteten Luft umso höher
liegt, und der Luftkondensator mit einer entsprechend höheren
Temperatur zur Kondensation des Wassers betrieben werden kann. Eine Übersicht über
den Taupunkt von Luft und dessen isothermer Veränderung
bei unterschiedlicher relativer Feuchte bietet 1.
-
Zeichnungen
-
Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
erläutert.
-
1 ist
eine tabellenartige Übersicht über die verschiedenen
Taupunkttemperaturen (in Grad Celsius) von Luft bei einer bestimmten
Lufttemperatur und einer bestimmten relativen Luftfeuchtigkeit (%);
-
2 ist
eine blockdiagrammartige Übersichtskizze über
die gesamten Anlagenteile;
-
3 ist
eine schematische Darstellung des Aufbaus stromaufseitig des Luftkondensators
einer Anlage zur Meerwasserentsalzung gemäß der
Erfindung, enthaltend die Systemkomponente mit dem Befeuchtungsraum,
als Röhre ausgebildet und eine Vielzahl von Tröpfchenabscheidern
als weitere Systemkomponente stromab des Auslasses aus dem Befeuchtungsraum;
-
4 ist
eine schematische Abbildung, die die Tröpfchenverdunstung
in einem hallenartigen Befeuchtungsraum illustriert, wobei die Tröpfchen
und die Strömungsgeschwindigkeit so dimensioniert sind, dass
am Auslass des Befeuchtungsraums keine Tröpfchen mehr anzutreffen
sind, so dass auf einen Tröpfchenabscheider verzichtet
werden kann;
-
5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß 4,
wobei ein Tröpfchenabscheider am Ausgang des Befeuchtungsraumes
vorgesehen ist und die Tröpfchenverdunstung mit weniger
Einschränkungen ablaufen kann;
-
6 ist
eine Darstellung des Kollektorwirkungsgrades in Abhängigkeit
von der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft
für verschiedene Werte der solaren Einstrahlung;
-
7 ist
eine schematische Darstellung der Grundkomponenten einer Steuerung
der Anlage aus 2; und
-
8 zeigt
in einer Draufsicht einen Befeuchtungsraum als Anlagenkomponente,
der nach Art eines Torus gebildet ist, jedoch eine Viereckform besitzt.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
-
2 illustriert
in einer Gesamtdarstellung die Systemelemente eines erfindungsgemäßen
Systems einer Anlage zur Gewinnung von Süßwasser aus
Luft und Meerwasser gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
-
Ein
Befeuchtungsraum 20, der weiter unten noch näher
beschrieben wird, enthält zwei Ansaugöffnungen,
eine für kühlere Luft aus beschattetem Außenraum,
sowie eine andere für wärmere Luft aus besonntem
Außenraum. Er besitzt eine Auslassöffnung, aus
der die feuchte Luft herausströmen kann. Die angesaugte
Luft wird durch eine Vielzahl von Düsen, die die Luft im
Innenraum des Befeuchtungsraums 20 mit Tröpfchen
beladen, befeuchtet. Die Befeuchtung der Luft geschieht dadurch,
dass die Wassertröpfchen aufgrund ihres Kontaktes mit der
sie umströmenden Luft zum Teil verdunsten und so den Wassergehalt
der Luft erhöhen.
-
Die
feuchte Luft gelangt in einen Luftkondensator 30, der gekühlte
Flächen zur Verfügung stellt, an denen die feuchte
Luft kondensieren kann. Das kondensierte Wasser wird aufgefangen
und ist als Süßwasser ein wertvoller Rohstoff,
besonders zur Herstellung von Trinkwasser. Die bei der Kondensation
zusätzlich eventuell entstehende kühle Luft wird abgeführt
und kann gegebenenfalls zur Kühlung von Räumen
oder von Kühlräumen verwendet werden.
-
Erfindungsgemäß wird
die Kühlleistung für den Luftkondensator 30 im
wesentlichen durch eine solarbetriebene Kühlungsanlage 32 erzeugt.
Hierbei handelt es sich um eine Adsorbtionskältemaschine oder
eine Absorbtionskältemaschine, die jeweils mit Solarkollektoren
eingangseitig verbunden sind, so wie das bereits weiter oben geschildert
wurde. Es können prinzipiell einfache Flachkollektoren
oder Vakuumröhren verwendet werden, die jeweils die hochwirksamen,
selektiven Absorberschichten aufweisen, die das Sonnenlicht in Wärme
umwandeln. Die Kältemaschine verarbeitet die von den Kollektoren
kommende Wärmeleistung und erzeugt eine Kälteleistung
oder Kühlleistung, die dann im Luftkondensator 30 verwendet
wird, um die feuchte Luft kondensieren zu lassen.
-
Erfindungsgemäß ist
nun eine Steuerung 34 vorgesehen, die den Betrieb der Anlage
zu optimieren hilft.
-
Die
Steuerung wird im einzelnen weiter unten besonders im Zusammenhang
mit 7 näher beschrieben. Sie besitzt diverse
Eingangsdaten, unter anderem von Meteosensoren 36, die
die Temperatur und die relative Feuchtigkeit im Außenraum messen,
der für die angesaugte Luft relevant ist. Außerdem
wird die Strahlungsintensität der Solarstrahlung gemessen.
Neben weiteren Eingangsdaten, wie den aktuellen Betriebsgrößen
für die eingesetzten Systemelemente, zu denen die Steuerung 34 entweder
eine drahtlose oder eine Leitungsverbindung besitzt, erzeugt die
Steuerung 34 noch Stellsignale zum Einstellen von Stellgrößen,
die für den Befeuchtungsgrad (relative Feuchte der Luft)
verwendbar sind. Darüber hinaus können noch weitere
Größen gestellt werden, beispielsweise der Volumenstrom
durch einzelne Kollektoren, um Einfluss auf seinen Wirkungsgrad
zu haben, und um die Ausgangstemperatur und den Volumenstrom, und
damit die Wärmeleistung zu steuern, die am Eingang der
Kältemaschine anliegen.
-
Je
nach Typ der eingesetzten Kältemaschine können
auch die Steuergrößen, die für die Kältemaschine
relevant sind, direkt von dem Steuergerät 34 bedient
werden. Dafür ist neben dem Steller 38 für die
Einstellung der Luftfeuchtigkeit im Befeuchtungsraum noch zwei weitere
Steller 40 für den Kollektor bzw. die Kältemaschine
vorgesehen.
-
3 zeigt
in einer schematischen Darstellung des Aufbaus stromaufseitig des
Luftkondensators einen Teil der Anlage zur Meerwasserentsalzung gemäß Ausführungsbeispiel
der Erfindung, enthaltend die Systemkomponente „Befeuchtungsraum 20”,
die hier als Röhre ausgebildet ist, sowie eine Vielzahl
von der Röhre stromabseitig nachgeschalteten Tröpfchenabscheidern 26 als
weitere Systemkomponenten stromab der Auslassöffnung aus
dem Befeuchtungsraum 20.
-
Die
Röhre 20 ist beispielsweise etwa 20 m lang, hat
einen Durchmesser von 1 m, besteht aus einem schwarzen (gute Absorption
der Sonnenstrahlung) Kunststoff geeigneter Stabilität und
ist mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen versehen,
durch die jeweils ein Düsenkopf gesteckt ist, der seinerseits
mit einer Zuleitung zu einem Salzwasserreservoir verbunden ist.
Durch diese vielen Düsenköpfe werden eine Vielzahl
von Tröpfchenkegeln -bevorzugt Vollkegel – gesprüht,
und zwar direkt in das Innere der Röhre hinein. Am ausgangsseitigen
Ende der Röhre 20 befindet sich eine Auslassöffnung 25,
die zu einer Vielzahl von Tröpfchenabscheidern 26 verbindet,
die ihrerseits parallel geschaltet sind. Je nach Wirkungsgrad der
Tröpfchenabscheider können auch einzelne Tröpfchenabscheider
hintereinander geschaltet sein, um möglichst sämtliche
Tröpfchen aus der feuchten Luft zu entfernen. Eine Saugpumpe 28 sorgt
für die Strömung, die notwendig ist, um einen
bestimmten, vorgegebenen Durchsatz in der Anlage zu erzeugen. Die
Saugpumpe 28 ist steuerbar über einen Ausgang der
Steuerung 34.
-
Je
nach eingestellter Strömungsgeschwindigkeit, eingestellter
Sprührate der Vielzahl von Sprühdüsen 22 und
Volumen der Röhre 20, und je nach Temperatur und
relativer Luftfeuchtigkeit der einströmenden Luft ergibt
sich am stromabseitigen Ende der Röhre 20 eine
Luft in der Strömung, die im allgemeinen feuchter sein
wird als die Luft am stromaufseitigen Ende der Röhre. Ist
die Sprührate der Tröpfchen 24 im Verhältnis
zur Durchflussrate der Luft relativ klein eingestellt, so ergeben
sich, je nach Länge der Röhre, am stromabseitigen
Ende nur noch kleinere Tröpfchen oder gar keine Tröpfchen 24 mehr.
Letzteres insbesondere dann, wenn vor der Auslassöffnung
noch eine gewisse Reststrecke im Rohr verbleibt, in der keine neuen
Tröpfchen erzeugt werden.
-
Die
Röhre 20 ist in 3 wegen
ihrer Länge nicht maßstabsgetreu und unterbrochen
dargestellt und vorzugsweise leicht stromabwärts geneigt
angeordnet, damit sich das möglicherweise an den Rohrwänden
niedergeschlagene Wasser in der Fußlinie des Rohres sammelt
und stromab ablaufen kann. Dieses Salzwasser kann dann sofort wieder
dem Salzwasserreservoir zugeleitet werden. Nicht eingezeichnet ist
ein Kompressor, der mit dem Salzwasserreservoir verbunden ist und
das Salzwasser unter einem bestimmten Druck, beispielsweise 2 bis
8 Bar, an die verschiedenen Düsen 22 verteilt.
Die Anzahl der Düsen und deren jeweilige Sprührate
sollte so bemessen sein, dass die in der Röhre befindliche
Luft in ausreichender Weise mit Sprühtröpfchen
durchsetzt werden kann, um die Luft insbesondere dann, wenn sie
sehr trocken und sehr heiß ist, mit möglichst viel
Luftfeuchtigkeit anzureichern.
-
Am
stromaufseitigen Einlass des Rohres wird die Außenluft
angesaugt, im Innern des Rohres werden aus einer Vielzahl von Düsen
Salzwassertröpfchen erzeugt, am Ende des Rohres befindet
sich der Auslass und die Verbindung zu einer oder mehreren parallel
oder/und in Reihe geschalteten Tröpfchenabscheidern. Die
Düsen erzeugen eine sehr hohe Anzahl von Tröpfchen,
insbesondere eine hohe Dichte von Tröpfchen pro Volumeneinheit,
wobei die Tröpfchendurchmesser bevorzugt so gewählt
sind, dass möglichst viel Wasser in die zu befeuchtende Luft
in Form von Wasserdampf eingebracht werden kann. Da in einer solchen
Röhre die Düsen leicht so eingestellt werden können,
dass zuviel Wasser im Befeuchtungsraum befindlich ist, wird sich
das überschüssige Wasser an den Rohrwänden
niederschlagen und am Grund des Rohres zusammenlaufen. Indem das
Rohr nun etwas in Richtung Auslass geneigt gelagert ist, kann dieses
Wasser sofort wieder an den Eingang zurückgeführt
oder anderweitig verwendet werden.
-
Die
dem Auslass der Röhre zugeordneten Tröpfchenabscheider
sind aus dem Stand der Technik bekannt und müssen in ausreichender
Anzahl parallel und gegebenenfalls seriell hintereinander angeordnet
werden, um die dann in der befeuchteten Luft vorhandenen Salztröpfchen
in angemessener Weise abzuscheiden.
-
Der
Vorteil einer solchen Anlage ist ihre Robustheit wegen ihrer kompakten
Bauform. Der Auslass der jeweilig am weitesten stromab stehenden Tröpfchenabscheider
wird dann dem Eingang der Kondensationsanlage zugeordnet und mit
diesem verbunden.
-
4 zeigt
eine abgewandelte Form des Befeuchtungsraums, wobei die Tröpfchenverdunstung in
einem hallenartigen Befeuchtungsraum stattfindet und die Tröpfchengröße
sowie die Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung
so dimensioniert sind, dass am Auslass des Befeuchtungsraums keine
Tröpfchen mehr anzutreffen sind, so dass auf einen oder
mehrere Tröpfchenabscheider verzichtet werden kann. Beispielhafte
Abmessungen eines solchen Befeuchtungsraums sind wie folgt: Länge
30 m, Breite 8 m, aber prinzipiell beliebig einstellbar, rechteckiger
Querschnitt, Höhe 4 m.
-
Die
Salzwasserdüsen sind hier bevorzugt sofort stromauf beginnend
am Anfang des Raumes in der Decke untergebracht, vorzugsweise in
Reihen, deren Abstand in Strömungsrichtung gesehen angepasst
ist an die Tröpfchengröße. Wenn beispielsweise
eine Tröpfchengröße von etwa 0,3 bis
0,6 mm Durchmesser gewählt wird, die Sprühdüsen
mit einem Sprühdruck von 2 bis 8 Bar als Vollkegeldüsen betrieben
werden und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem
so gebildeten Kanal geringer ist als etwa 1 m pro sek., und wenn
zwischen dem stromabseitigen Auslass und der letzten stromabseitigen
Sprühreihe ein Abstand von etwa 10 m bleibt, so kann man
bei trockener Luft, Temperaturen der Luft von etwa 20 bis 25°C
und einer Sprührate pro Düse von etwa 12 Liter
pro Stunde davon ausgehen, dass am stromabseitigen Auslass kaum
noch Tröpfchen in der Luftströmung vorhanden sind.
Um ganz sicher zu sein, kann man die Tröpfchengröße
etwas erhöhen.
-
Die
Auslassöffnung ist in geeigneter Höhe über
dem Boden angeordnet. Sie ist dann direkt über die in 4 nicht
eingezeichnete Saugpumpe mit der Luftkondensatoranlage 30 verbunden.
-
5 zeigt
ein ähnlich 4 gebildetes Ausführungsbeispiel,
wobei jedoch ein Tröpfchenabscheider am Ausgang des Befeuchtungsraumes
vorhanden ist, wodurch die Tröpfchenverdunstung mit weniger
Einschränkungen ablaufen kann.
-
Die
hallenartigen Verdunstungsräume müssen nicht notwendigerweise
als Gebäude errichtet werden. Auch stabil gebaute zeltartige
Konstruktionen eignen sich hierfür, wobei das Gerüst
auch gleichzeitig zum Tragen der Düsenköpfe und
deren Zuleitungen verwendet werden kann.
-
6 zeigt
die Abhängigkeit des Wirkungsgrades eines beispielhaft
herangezogenen Flachkollektors mit einer einfachen Abdeckung in
Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und
Außenluft für verschiedene solare Einstrahlungen.
Man erkennt sofort, dass, wenn die Temperaturdifferenz geringer
wird, der Wirkungsgrad ansteigt. Verlangt man nun von einem solaren
Kollektor, dass er nur eine relativ bescheidene Temperaturdifferenz von
beispielsweise 30°C zwischen dem Ausgang des Kollektors
und der Umgebungsluft liefern soll, dann ist der Wirkungsgrad deutlich
höher im Vergleich zu einer eventuell geforderten Temperaturdifferenz
von beispielsweise 70°C. Dieses Prinzip macht sich die vorliegende
Erfindung zunutze, auch im Zusammenhang mit den sorptionsbasierten
Kältemaschinen.
-
Bei
den Kältemaschinen sollte darauf geachtet werden, dass
sie wegen der oben genannten Abhängigkeit des Kollektorwirkungsgrades
mit einer möglichst geringen Temperatur für den
Austreiberprozess betrieben werden und sie dennoch ein vernünftiges
Wärmeverhältnis oder Leistungszahl erreichen.
Da erfindungsgemäß die von der Kältemaschine
geforderte Kühlmitteltemperatur an ihrem Ausgang für
die Kondensatoranlage 30 relativ hoch sein kann – deutlich
höher als beispielsweise für Klimatisierungszwecke
benötigt – kann auch die Kältemaschine
mit deutlich weniger Einschränkungen betrieben werden,
als dies sonst der Fall wäre. Je nach Typ (Absorption oder
Adsorption) und Aufbau der Kältemaschine sind individuelle
Kennlinien für den Wirkungsgrad in Abhängigkeit
der geforderten Ausgangstemperatur und Kühlleistung sowie
abhängig von der zugeführten Temperatur und zugeführten
Wärmeleistung möglich. Erfindungsgemäß kann
jedoch die Kältemaschine in bevorzugter Weise und mit erhöhtem
Wirkungsgrad und hoher Leistungszahl betrieben werden, indem die
Luft in dem weiter oben beschriebenen Befeuchtungsraum 20 so
intensiv befeuchtet wird, dass sie einen signifikanten Anteil an Feuchtigkeit
durch Kondensation bereits dann verliert, wenn sie nur um wenige
Grad – beispielsweise um 10°C abgekühlt
wird. Dies setzt eine hohe relative Luftfeuchtigkeit am Ausgang
des Befeuchtungsraums oder Befeuchtungsraums 20 von 70%
und mehr, bevorzugt mehr als 90% voraus. Da diese Voraussetzung
jedoch mit wenig Energieeinsatz und im wesentlichen nur aufgrund
von der richtigen Steuerung der Stellgrößen erfüllt
werden kann, kann die Gesamtanlage sehr effizient, energieeffizient
und mit geringen laufenden Kosten betrieben werden.
-
Mit
Bezug zu 7 werden im folgenden Einzelheiten
der erfindungsgemäßen Steuerung 34 näher
beschrieben:
Die Steuerung 34 kann je nach verlangtem
Umfang und Steuerqualität als dauernd laufendes Betriebsprogramm
implementiert sein, das auf einem PC läuft und über
die entsprechenden Verknüpfungen zu den Eingangsdaten und
den Ausgangsdaten bzw. Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen verfügt, oder
kann als „embedded system” mit wenig Schnittstellen
zur Bedienung implementiert sein, oder sie kann manuell erfolgen.
Die Steuerung kann bei Bedarf auch in einem programmierbaren Speicherchip implementiert
sein. In bevorzugter Weise verarbeitet die erfindungsgemäße
Steuerung 34 gemäß gezeigtem Ausführungsbeispiel
die Meteodaten 36 der Anlage bzw. deren Außenraum.
Diese sind in bevorzugter Weise wie folgt:
Die Lufttemperatur
in der Nähe der beiden Ansaugöffnungen des Befeuchtungsraums 20,
also im Schatten bzw. über einer besonnten Fläche, über
die die Luft in den Befeuchtungsraum jeweils einströmt. Des
Weiteren die relative Feuchtigkeit für beide Messstellen
der Temperatur sowie die solare Ein strahlung (solare Strahlungsintensität,
beispielsweise in Watt pro qm).
-
Weiter
werden sämtliche Betriebsdaten im aktuellen Betrieb des
Befeuchtungsraums 20 gemessen und an die Steuerung geleitet.
Dies sind in bevorzugter Weise Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit
der befeuchteten Luft, in bevorzugter Weise an mehreren Stellen
in der Nähe der Auslassöffnung, sowie, ebenfalls
bevorzugt, auch weiter stromauf, um gegebenenfalls die Sprührate
verändern zu können, den Durchfluss über
die Pumpe kleiner oder größer stellen zu können,
um individuelle Regelziele erreichen zu können.
-
Weitere
Eingangsdaten sind die aktuellen technischen Betriebsdaten des Luftkondensators 30. Hier
wird der aktuelle Volumenstrom der einströmenden Luft am
Eingang sowie dessen Temperatur und relative Luftfeuchte bestimmt.
In bevorzugter Weise ist auch ein Tröpfchendetektor vorhanden,
der beispielsweise als optischer Sensor oder als Widerstandssensor
implementiert sein kann, und der seinen elektrischen Widerstand ändert,
wenn er mittels eines Salztröpfchens in der strömenden
Luft befeuchtet wird. Wenn das Salztröpfchen den elektrischen
Widerstand reduziert, ist dies ein Indiz dafür, dass die
Luft noch Tröpfchen beinhaltet. Je nach dem, wie hoch die
Anforderungen an den Restsalzgehalt in dem zu produzierenden Süßwasser
sind, können dann Maßnahmen getroffen werden,
um den Tröpfchengehalt zu reduzieren.
-
Beispielsweise
kann der Durchsatz im Befeuchtungsraum reduziert werden, oder anstelle
von aus dem Schattenbereich angesaugter Luft kann Luft mit einer
höheren Temperatur aus dem besonnten Eingangsbereich des
Befeuchtungsraums angesaugt werden.
-
Alternativ
oder in Kombination kann auch die Sprührate durch Zuschalten
weiterer Düsen gesteigert werden oder es können
die Tröpfchengrößen durch Zuschalten
weiterer Düsen oder Düsengruppen mit jeweils entsprechend
anderen Düsen mund vergrößert oder verkleinert
werden. Werden die Tröpfchen im Durchschnitt größer,
so sinkt die Wahrscheinlichkeit Tröpfchen noch im Ausgang
anzutreffen.
-
Jeweils
gegensätzliche Maßnahmen können erfolgen,
um die relative Luftfeuchtigkeit höher bzw. niedriger zu
steuern. Sollten Tröpfchen auftreten, obwohl die relative
Luftfeuchtigkeit noch relativ weit entfernt ist von 100%, so sollten
beispielsweise größere Tröpfchen und
ein geringerer Durchsatz eingestellt werden.
-
Eine
weitere Eingangsgröße am Luftkondensator ist auch
die pro Zeiteinheit produzierte Menge an Kondensat, also Süßwasser.
Liegt sie deutlich zu niedrig oder ist sie gleich Null, so muss
die Kühlmitteltemperatur abgesenkt werden, damit der Taupunkt deutlich
unterschritten wird.
-
Ein
weiteres Eingangsdatum am Luftkondensator ist die Lufttemperatur
der am Luftauslass der Kondensatoranlage befindlichen Luft und deren Feuchtigkeit.
Je nach dem, ob diese Abluft kühl genug ist kann sie noch
für eine weitere Klimatisierung von Räumen verwendet
werden. Eine solche Maßnahme kann sich empfehlen, oder
aber der Auslass kann wieder der Eingangsöffnung des Befeuchtungsraumes
zugeführt werden.
-
Des
weiteren werden sämtliche aktuellen Betriebsdaten der Solarkollektoren 31 durch
die erfindungsgemäße Steuerung 34 erfasst
und verarbeitet. Dazu gehören insbesondere die Temperaturen am
Eingang und am Ausgang des Kollektors oder eines Kollektorelements,
die Kontrolle der solaren Einstrahlung, gegebenenfalls die Rahmentemperatur des
Kollektormoduls und gegebenenfalls weitere Daten, wie sie aus der
Literatur bekannt sind.
-
Ebenso
werden sämtliche relevanten, aktuellen Betriebsdaten der
Kältemaschine 33 laufend erfasst und verarbeitet.
Dazu gehört in besonderer Weise die Überwachung
der Temperatur und des Volumenstroms am Ausgang der Kältemaschine
und die Temperatur für den Austreiberprozess, wenn beispielsweise
eine Absorptionskältemaschine verwendet wird. Auch andere
Größen, die jeweils typabhängig eine
spezifische Wichtigkeit haben und im Stand der Technik bekannt sind,
werden permanent erfasst.
-
Insbesondere
die von den Solarkollektoren erzeugte Ausgangstemperatur und die
Größe des Volumenstroms, der als Eingang für
die Kältemaschine verwendet wird, wird laufend oder periodisch,
zeitlich punktuell mit den Betriebsdaten der Kältemaschine
abgeglichen.
-
Ebenso
werden Daten eingelesen, die als Vorgaben zur Erzielung einer bestimmten
Systemleistung dienen sollen.
-
Sämtliche
dieser vorgenannten Daten werden nun in besonders bevorzugter Weise
erfasst, temporär zwischengespeichert und in jeweils für
ein bestimmtes Systemelement vorhandenen Rechenmodellen weiterverarbeitet,
so dass vorab gespeicherte Kennlinien für jedes Systemelement
laufend auf Plausibilität geprüft werden können
und bei Bedarf korrigiert werden können. Außerdem
werden in bevorzugter Weise anhand der Rechenmodelle oder anhand
der überprüften Kennlinien die Wirkungsgrade der
einzelnen Systemelemente in einem jeweiligen Systemzustand berechnet.
Je nach Regelvorgabe kann das System nun auf einen besonders optimierten
Gesamtwirkungsgrad hin gesteuert werden, oder aber auf maximale
Trinkwassererzeugung, oder auf materialschonenden Betrieb einzelner
Systemelemente, vorzugsweise von teuren und empfindlichen Systemelementen,
etc.. Sämtliche Regelziele sind vorab programmiert und
können anhand der Eingangsdaten und der vorab gespeicherten
Kennlinien überprüft und berechnet und so gut
es die Physik und die Meteodaten erlauben, realisiert werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführung der Steuerung 34 enthält
diese mit Bezug zu 7 eine Logikkomponente 72,
die als Monitor und als Datenerfassungs- bzw. Datenspeichermodul
funktioniert. Eine weitere Modell-Komponente 74 enthält
und überprüft sämtliche Kennlinien und
Rechenmodelle, die den Betrieb eines jeweiligen Systemelements, 20, 30, 31, 33 modellieren
und vergleicht mit den entsprechenden technischen Zustandsgrößen,
wie zum Beispiel aktuelle Wärme- oder Kälteleistungen,
Wärmeverhältnisse oder Leistungszahlen, oder Wirkungsgrade,
die aus den Messwerten gebildet werden. Der Steueralgorithmus 76 schließlich
ist die dritte Komponente, die die Regelvorgaben einliest, sämtliche
Wirkungsgrade der Systemelemente einließt, die in der zweiten
Stufe berechnet wurden und einen Abgleich mit den Regelvorgaben
macht. Die entscheidende Funktion des Steueralgorithmus ist die
Erzeugung von Stellsignalen, um auf die Anlage Einfluss zu nehmen.
Beispielhaft sind in 7 die Stellsignale zum Stellen
des Auslassquerschnitts für die Auslassöffnung 25 des
Befeuchtungsraumes 20, die Sprühleistung und die
Wahl der Eingangsöffnung, schattig oder besonnter Eingang,
gezeigt. Es versteht sich von selbst, dass auch andere stellbare
Größen hier angesteuert werden können,
beispielsweise der Durchsatz am Kollektor, oder in der Kältemaschine, oder
bei einem Geräte-Array die Durchsätze der einzelnen
Geräte.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Weise modifizierbar.
-
Das
vorgenannte System kann in sinnvoller weise noch mit einem hochwertig
isolierten Wärmespeicher zusätzlich betrieben
werden, aus dem heraus die Kältemaschine Wärmeleistung
ziehen kann, wenn ein Kollektor keinen Energie-Input erzeugen kann.
Dies bietet sich insbesondere für den nächtlichen
Betrieb der Anlage an, wenn keine Sonne scheint. Der Speicher kann
bei Bedarf auch mit einem Brenner und fossiler Energie zusätzlich
auf Solltemperatur gebracht oder gehalten werden.
-
Gemäß einem
sehr kostengünstigen Ausführungsbeispiel wird
ein Solarkollektor in einer sehr einfachen Bauweise verwendet und
betrieben, wobei ein Modul des so gebildeten Einfachkollektors im
wesentlichen nur aus einer gegen Kontaktwärmeverlust zur
Unterlage (bspw. der Erdboden) isolierten Trägerplatte,
einer darauf aufgelegten Absorptionsschicht für Sonnenlicht
und einer für Sonnenlicht möglichst durchlässigen
und für IR-Strahlung möglichst wenig durchlässigen
Abdeckplatte samt Randeinfassung zur Trägerplatte besteht,
und wobei bevorzugt Abstandhalter über die Fläche
des Moduls verteilt angeordnet sind, die einen vorgegebenen Abstand
zwischen Absorptionsschicht und Abdeckplatte einstellen, und wobei
der diesen Abstand füllende Zwischenraum mit einem flüssigen
Wärmeträgermedium – vorzugsweise destilliertes
Wasser – gefüllt ist, und wobei eine Zulauföffnung
zum Zuführen von relativ kaltem Wärmeträgermedium
und eine Ablauföffnung zur Entnahme relativ heißen
Wärmeträgermediums vorgesehen ist.
-
In
einer Variante dessen ist die Absorberschicht aus wärmeleitendem
Material, etwa Aluminium oder Kupfer und direkt unter der Abdeckplatte
angeordnet, und das Wärmeträgermedium befindet sich
unter der Absorberplatte und über einer wasserundurchlässigen
Grundplatte.
-
In
einer kostengünstigen Variante ist die Trägerplatte
eine Kunststoff- oder eine Sperrholz- oder Pressspanplatte oder
eine Platte aus pappenartigem Material, die mit einer dunkel eingefärbten
Kunststofffolie bespannt ist, beispielsweise schwarze Teichfolie.
Die Abstandhalter können – beispielsweise dünne,
langgestreckte Schaumstoffelemente sein, beispielsweise runden Querschnitts
mit 1 bis 3 cm Durchmesser, je nah verlangtem Abstand. Diese können
auch – beispielsweise bei rechteckiger Grundfläche
des Einfachmoduls von einer Kante bis zu der gegenüberliegenden
Kante durchgehend verlegt sein.
-
In
einer weiteren kostengünstigen Alternativausführung
ist die Trägerplatte identisch mit dem Absorberblech und
liegt auf einzelnen Styroporauflageelementen kurz über
dem Erdboden.
-
Bevorzugte
Maße des Einfachkollektors sind so dimensioniert, dass
dessen Einzelteile leicht transportabel sind, beispielsweise eine
Länge bis vier Meter und eine Breite bis 2 Meter. Der Zwischenraum sollte
so schmal sein, dass das Gewicht des darin enthaltenen Wärmeträgers – bevorzugt
destilliertes Wasser- die Tragkonstruktion nicht übermäßig
belastet und dass sich das darin enthaltene Volumen des Wärmeträgers
unter Sonnenbestrahlung in so kurzer Zeit erwärmt, dass
die Zeitkonstante zum Betrieb des Kollektors passt. Je nach Auflage
auf der Unterlage (im Normalfall der Erdboden) beträgt
die Höhe des Zwischenraums etwa 1 cm bis 4 cm, bevorzugt
zwischen 1,5 cm und 3 cm.
-
Die
Einfachkollektoren können beispielsweise mit einem geringen
Neigungswinkel von 1° bis 3° aufgestellt werden,
der Auslass ist unten und der Einlass oben befindlich, wodurch sich
eine natürliche Strömung von oben nach unten von
selbst einstellt, wenn genügend kaltes Fluid nachgeführt
wird. Der Auslass kann auch oben liegen, und der Einlass unten,
was die natürlich Konvektionsströmung unterstützt,
da das wärmste Wasser normal immer oben zu finden ist.
Gegebenenfalls unterstützt eine Pumpe den Kreislauf des
Wärmeträgers.
-
Der
Vorteil in der Verwendung solcher Einfachkollektoren mit relativ
niedrigen Stillstandstemperaturen ohne nennens werte Isolierung gegen
thermische Verluste liegt primär in der Wirtschaftlichkeit beim
Einsatz in Ländern mit heißem trockenem Klima,
eben gerade dort wo Süßwassermangel und hohe Tagestemperaturen
im Tagesgang vorherrschen. Hier ergibt sich eine vorteilhafte Synergie,
gerade im Hinblick auf die relativ niedrigen Kollektorausgangstemperaturen
und die relativ hoch erlaubten Kühlmitteltemperaturen für
den Luftkondensator. Wo die Lufttemperatur über weite Strecken
des Tagesgangs bereits im Schatten deutlich über 30°C
und in der Sonne zwischen 40 und 60°C liegt, dort wird kaum
eine Kollektorisolierung gegen Wärmeverlust benötigt.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel wird der Aspekt, in dem Befeuchtungsraum
möglichst keinerlei Tröpfchen oder Salzerosole
zu haben, hintangestellt und auf relativ kleinem Raum – beispielsweise
in Form einer linear lang gestreckten Röhre eine besonders
hohe Dichte an Wassertröpfchen erzeugt, durch die dann
die (relativ) trockene Luft hindurch geströmt wird, damit
sie Feuchtigkeit aus den Tröpfchen aufnehmen kann. Eine
besonders bevorzugte Geometrie für einen solchen Typ von
Befeuchtungsraum wäre ein Rohr mit vorgegebenem Durchmesser,
beispielsweise 1,50 m, und einer Länge, die groß genug
ist, damit die mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch das Rohr
strömende Luft durch eine ausreichende Anzahl von Tröpfchen
ausreichend befeuchtet werden kann.
-
Auch
eine in sich geschlossene Form der Röhre in Torusform oder
ein „Vierecktorus” mit rechtwinkligen Rohrkrümmern
oder ähnlichen Geometrien und mit jeweils wenigstens einer
Einlassöffnung und einer Auslassöffnung kann anstelle
eines geraden Rohres gewählt werden.
-
8 zeigt
in einer Draufsicht einen solchen Befeuchtungsraum als Anlagenkomponente,
der nach Art eines Torus 80 gebildet ist, jedoch eine Viereckform
besitzt. Der Quer schnitt des umlaufenden Rohres hat zweckmäßiger
Weise eine runde Form. Über eine Einlassöffnung 23 gelangt
trockene Luft in das Innere des Befeuchtungsraumes. Dort versprühen
die Düsensystem 22 salzhaltige Tröpfchen
in großer Vielzahl. Durch eine Auslassöffnung 25 kann die
befeuchtete Luft wieder heraustreten. Der Vorteil ist, dass die
Luft zirkuliert und sich von Umdrehung zu Umdrehung weiter befeuchtet,
ohne dass eine lange Befeuchtungsstrecke vorhanden sein muss. Ein über
die Größe der Ein- und der Auslassöffnung
einstellbarer Anteil der Luft der sich einstellenden Zirkelströmung
verlässt den „Befeuchtungsring” als feuchte
Luft mit einem mehr oder minder großen Feuchtegehalt, je
nachdem, wie lange die Luft Zeit hatte, durch Kontakt mit den Salzwassertröpfchen
Wasserdampf aufzunehmen. Dieser Anteil und damit der Grad an relativer
Feuchte wird durch Stellung der Drosselklappen 82 eingestellt.
Die Strömung wird durch eine nicht gezeigte Saugpumpe oder
eine Druckpumpe in Gang gesetzt und gehalten. Eine Ablauföffnung 84 ist
am tiefsten Punkt des leicht schräg gelagerten Vierecktorus 80 vorgesehen.
Hier fließt überflüssiges Salzwasser
ab, was durch „Übersprühen” gebildet
wird, das heißt was dann auftritt, wenn mehr Flüssigkeit
(Salzwasser) eingesprüht wird als gasförmiger
Wasserdampfanteil im Ausgang für die feuchte Luft das System
verlässt. Der Vierecktorus kann im Prinzip beliebig dimensioniert
werden. Seine Hülle sollte aus korrosionsfestem Material
hergestellt sein, bevorzugt aus Kunststoff oder Edelstahl.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel können die verschiedenen,
oben erwähnten Steuerungsziele bzw. Regelungsziele erreicht
werden.
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Des
weiteren kann die erfindungsgemäße Anlage prinzipiell
mit Kältemaschinen verschiedensten Typs betrieben werden.
Um eine besondere Versorgungssicherheit für die Trinkwassererzeugung
bereitzustellen, kann auch eine beispielsweise im Dieselbetrieb
betreibbare, verdichterbasierende Kühleinheit dazugeschaltet
werden, um besondere Regelziele zu erreichen.
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Bei
Bedarf kann die erfindungsgemäße Anlage in einem
Automatikmodus betrieben werden, der in besonderer Weise dafür
geeignet ist, die meteorologischen Bedingungen, wie sie durch den
natürlichen Tagesgang von Lufttemperatur und relativer Luftfeuchte
vorgegeben sind, besonders gut und ohne menschlichen Eingriff auszunutzen.
Dies ist besonders gut mit dem vorerwähnten Hilfsspeicher möglich.
Während der Nacht ist die Außentemperatur der
Luft insbesondere in den südlichen Ländern, wo Knappheit
an Süßwasser herrscht, relativ niedrig und die
Luft infolgedessen mittelfeucht, etwa 50–70% relative Luftfeuchtigkeit
enthaltend. Während solcher Zeiten muss die Luft nur noch
mit einem relativ geringen Anteil von Wasser befeuchtet werden,
um Werte von 90% und mehr relativer Luftfeuchtigkeit zu erreichen.
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Dies
kann durch eine relativ sparsame Einstellung der Sprühleistung
erwirkt werden. Dann wird der Sonnenkollektor in Abwesendheit von
Solarstrahlung ausgeschaltet oder in einen bypass genommen und stattdessen
der vorerwähnte Heißwasserspeicher verwendet,
um die Kältemaschine zu betreiben. Da die während
der Nacht relativ kühle Luft von beispielsweise 8°C
einen Taupunkt von beispielsweise 7,3°C bei einer relativen
Luftfeuchtigkeit von 95% besitzt und die Kältemaschine
in einer relativ kalten Umgebung arbeitet, kostet es nicht viel
Energie, um das Kühlmittel deutlich unter den Taupunkt
abzukühlen.
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Da
naturgemäß kältere Luft absolut gesehen weniger
Feuchtigkeit transportieren kann, als wärmere Luft, ist
die Ausbeute der Anlage beim Betrieb mit relativ kalter Luft relativ
gesehen geringer, aber in Anbetracht der zeitlich langen Nachtstunden
entsteht doch eine signifikante Ausbeute.
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Schließlich
können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen
frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen
vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie
unabhängig voneinander sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.wikipedia.de „Wärmekraftmaschine” [0023]
- - www.iwu.de/fileadmin/user upload/dateien/energie/espi/espil
4.pdf. [0027]
- - http://idw-online.de/pages/de/news264028 [0029]
- - www.sortech.de [0029]
- - www.solitem.de [0030]
- - diglib.unimagdeburg.de/Dissertationen/2003/matsafarik.pdf [0031]
- - diglib.unimagdeburg.de/Dissertationen/2003/matsafarik.pdf,
S. 36/37 [0037]