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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung einer verdampften Flüssigkeit aus einem Luftstrom.
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Aus der Praxis sind Adsorptionskältemaschinen und Absorptionskältemaschinen bekannt, die durch Verdampfen eines Kältemittels eine Kühlwirkung erzeugt, die beispielsweise zur Klimatisierung von geschlossenen Räumlichkeiten genutzt werden kann. Mit der Sorption, bzw. der Desorption des Kältemittels wird üblicherweise auch eine Änderung des Aggregatzustands des Kältemittels verbunden, bzw. bewirkt.
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Ein häufig eingesetztes Kältemittel ist beispielsweise Wasser, das bei der Sorption in einem geeigneten Sorptionsmittel wie beispielsweise Silikagel oder Zeolith gespeichert wird. Bei einer anschließenden Desorption kann das Kältemittel durch Erhitzen des Sorptionsmittels wieder verdampft werden.
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Die Adsorption, bzw. Absorption des Kältemittels wird von niedriger Temperatur und hohem Druck begünstigt. Aus diesem Grund werden Sorptionskältemaschinen entweder mit einem geringen Arbeitsdruck deutlich unterhalb des normalen Luftdrucks betrieben oder bevorzugt in denjenigen Regionen zur Klimatisierung von Räumen eingesetzt, in denen die gemittelten Temperaturwerte nicht übermäßig hoch sind, so dass die Umgebungstemperatur, bzw. Außentemperatur in den meisten Fällen geeignete Betriebsbedingungen für die Sorptionskältemaschinen ermöglicht und zudem lediglich eine geringe Kühlleistung für eine als angenehm empfundene Klimatisierung der Räumlichkeiten erforderlich ist. Die für den Betrieb der Sorptionskältemaschinen erforderliche Energie sollte beispielsweise über Umweltenergien (Solarenergie, geothermische Energie) oder durch Abwärme zur Verfügung gestellt werden.
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Die Klimatisierung geschlossener Räumlichkeiten ist allerdings in heißen Regionen mit hohen gemittelten Tagestemperaturen von besonderem Interesse, zumal aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung Solarenergie in ausreichender Menge kostengünstig zur Verfügung steht, die für einen Betrieb einer Sorptionskältemaschine eingesetzt werden kann.
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Um eine ausreichend effiziente Adsorption des Kältemittels gewährleisten zu können ist üblicherweise eine Kühlung des Sorptionsmittels erforderlich. Ab einer Umgebungstemperatur von mehr als 30°C ist es allerdings oftmals nicht mehr möglich, die für einen effizienten Betrieb der Adsorptionskältemaschine erforderliche Kühlung der einzelnen Komponenten mit einer Konvektionsströmung oder künstlich erzeugten Beströmung mit Umgebungsluft herbeizuführen. In diesen Fällen kann eine Verdunstungskühlung zum Einsatz kommen, die ohne größeren apparativen Aufwand bewerkstelligt werden kann. Beispielsweise durch ein Besprühen der zu kühlenden Oberflächen und Komponenten mit Wasser wird Verdunstungskälte erzeugt und ein Betrieb der Adsorptionskältemaschine auch bei hohen Umgebungstemperaturen ermöglicht. In gleicher Weise können Verdunstungskühlungen oder andere Kühlprozesse, bei denen Wasser oder ein anderes flüssiges Kältemittel verdampft, bzw. verdunstet, zur ausschließlichen oder unterstützenden Kühlung bei beliebigen Kältemaschinen eingesetzt werden, die beispielsweise auf der Verwendung von einem oder mehreren Wärmetauschern basieren.
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Das zur Kühlung verwendete und dabei verdunstete Wasser erhöht den Feuchtegehalt in der Umgebung der zu kühlenden Oberflächen und Komponenten und wird üblicherweise mit der Abluft abgeführt. Die Verdunstungskühlung bedingt demzufolge einen kontinuierlichen Wasserverbrauch. Gerade in heißen und deshalb oftmals wasserarmen Regionen ist ein kontinuierlicher Wasserverbrauch jedoch unwirtschaftlich und sollte möglichst vermieden werden.
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Der Feuchtegehalt der Abluft ist regelmäßig zu gering, um ohne eine erneute aufwendige und energieintensive Kühlung der Abluft eine nennenswerte Kondensation und damit eine Rückgewinnung der in der Abluft mitgeführten verdunsteten Flüssigkeit zu ermöglichen. Eine aktive Kühlung der feuchten Abluft ist jedoch ebenso wie zwischengeschaltete Prozessschritte mit erheblichem Über- oder Unterdruck unwirtschaftlich und mit einem erhöhten Aufwand in der Herstellung, Montage und in dem Betrieb derartiger Vorrichtungen verbunden.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Rückgewinnung einer verdampften Flüssigkeit aus einem Luftstrom so auszugestalten, dass zumindest ein Teil der verdampften Flüssigkeit aus einer ersten Luftmenge auch bei hohen Umgebungstemperaturen von 30°C oder mehr zurückgewonnen werden kann, ohne dass mit hohem energetischen Aufwand eine übermäßige Kühlwirkung oder Druckveränderung erzeugt werden muss, um eine Kondensation und Rückgewinnung der verdampften Flüssigkeit bewirken zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die verdampfte Flüssigkeit aus einer ersten Luftmenge in eine zweite Luftmenge übertragen wird, wobei die zweite Luftmenge kleiner als die erste Luftmenge ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die verdampfte Flüssigkeit aus einer ersten Luftmenge in einem Sorptionsmittel sorbiert und anschließend in einer zweiten Luftmenge wieder desorbiert wird, wobei die zweite Luftmenge kleiner als die erste Luftmenge ist. An Stelle einer Adsorption können auch eine Absorption der Flüssigkeit und deren anschließende Desorption erfolgen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine geeignete Erhöhung der Taupunkttemperatur eine Kondensatbildung begünstigt wird und bei geeigneten Bedingungen bereits bei einer Abkühlung auf die Umgebungstemperatur eine nennenswerte Kondensatbildung und damit einer Rückgewinnung der in der Luftmenge enthaltenen Feuchte erzwungen werden kann.
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Da die Taupunkttemperatur für einen vorgegebenen Luftdruck maßgeblich von der in der Luftmenge insgesamt enthaltenen Feuchtigkeit, bzw. der in der Luftmenge enthaltenen Wassermenge abhängig ist, kann die Taupunkttemperatur in einfacher Weise dadurch erhöht werden, dass für eine Desorption der in dem Sorptionsmittel sorbierten Flüssigkeitsmenge eine deutlich geringere Luftmenge als bei der Sorption der gleichen Flüssigkeitsmenge aus der dadurch getrockneten Luftmenge verwendet wird. Wenn der Feuchtegehalt in der zweiten Luftmenge ausreichend hoch und die davon abhängige Taupunkttemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist, kann durch eine Abkühlung der zweiten Luftmenge auf die Umgebungstemperatur ein großer Anteil des Feuchtegehalts der zweiten Luftmenge zum Kondensieren gebracht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die erste Luftmenge und die zweite Luftmenge einen gleichen Luftdruck aufweisen. Dieser Luftdruck entspricht im Wesentlichen dem Luftdruck der Umgebungsluft, bzw. dem vor Art vorherrschenden Luftdruck unter Normalbedingungen. Eine künstliche Änderung des Luftdrucks und die dafür gegebenenfalls erforderliche Vakuumerzeugung sind nicht notwendig. Der Aufwand für die Herstellung und den Betrieb einer druckfesten und bei Unterdruck oder Überdruck arbeitenden Vorrichtung zur Rückgewinnung der Flüssigkeit ist nicht erforderlich und kann eingespart werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die zweite Luftmenge bei einer Desorption einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge aus dem Sorptionsmittel kleiner als eine Grenzluftmenge ist, deren Taupunkttemperatur nach einer Aufnahme der desorbierten Flüssigkeitsmenge einer vorgebbaren Mindesttemperatur entspricht. In einem ersten Schritt kann vorgegeben werden, welche Flüssigkeitsmenge der ersten Luftmenge entzogen werden soll, die zunächst in dem Sorptionsmittel sorbiert und anschließend durch Desorption der zweiten Luftmenge zugeführt wird. Die Menge der zweiten Luftmenge wird dann zweckmäßigerweise so vorgegeben, dass die nach der Desorption zugeführte Flüssigkeitsmenge durch eine geeignete Erhöhung der Taupunkttemperatur der zweiten Luftmenge bei einer anschließenden Kühlung dieser zweiten Luftmenge auf die Umgebungstemperatur weitgehend wieder auskondensiert und rückgewonnen werden kann. Die Taupunkttemperatur ergibt sich aus der Menge der zweiten Luftmenge und der darin aufgenommenen Feuchtigkeit.
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Um einen effizienten Betrieb der Adsorptionskältemaschine und eine weitgehende Rückgewinnung des zur Kühlung verwendeten Kühlwassers zu ermöglichen ist es zweckmäßig, dass die vorgebbare Taupunkttemperatur höher als eine Außentemperatur bei üblichen Betriebsbedingungen ist. Die Taupunkttemperatur sollte höher als die Umgebungstemperatur sein, die zur Kühlung der zweiten Luftmenge verwendet wird, die für den Desorptionsvorgang auf üblicherweise 75°C und mehr erhitzt wurde.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass nach der Desorption der in dem Sorptionsmittel gespeicherten Flüssigkeit die zweite Luftmenge einem Wärmetauscher zugeführt wird, der die zweite Luftmenge abkühlt. Die während des Abkühlens der zweiten Luftmenge anfallende Kondensatmenge kann gesammelt und erneut zum Beispiel zur Verdunstungskühlung verwendet werden. Die Verdunstungskühlung kann auch gegebenenfalls das Sorptionsmittel umfassen, da sich das Sorptionsmittel bei einer Adsorption von Wasser erwärmt und eine übermäßige Erwärmung des Sorptionsmittels vermieden werden sollte.
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Um einen Wasserverlust, bzw. Verbrauch an Kühlflüssigkeit zu vermindern kann vorgesehen sein, dass die zweite Luftmenge in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird. Ein Wasserverlust kann weitgehend oder vollständig dadurch verhindert werden, dass die erste Luftmenge ebenfalls in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird und die Verdunstungskühlung innerhalb dieses Kreislaufs erfolgt. Es ist ebenso möglich und unter bestimmten Voraussetzungen zweckmäßig, dass eine oder beide Luftmengen offen und nicht in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens zur Rückgewinnung einer verdampften Flüssigkeit aus einem Luftstrom, wobei die verdampfte Flüssigkeit in einem Sorptionsmittel adsorbiert und anschließend wieder desorbiert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Behälter mit mehreren drehbar gelagerten Kammern aufweist, die mit dem Sorptionsmittel befüllt sind und von einem Luftstrom durchströmt werden können. Durch die Verwendung eines Behälters mit drehbar gelagerten, von einem Luftstrom durchströmbaren Sorptionskammern können ein Adsorptionsvorgang einer ersten Luftmenge in einer Kammer auf einer Seite des Behälters und gleichzeitig ein Desorptionsvorgang in einer zweiten Luftmenge in einer Kammer auf einer anderen, vorzugsweise entgegengesetzten Seite des Behälters durchgeführt werden. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung und damit eine kontinuierliche Rückgewinnung der aus der ersten Luftmenge adsorbierten Feuchtigkeit möglich.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Luftströmungsführung aufweist, die einen geschlossenen Kreislauf bildet und eine Luftströmung durch mindestens eine Kammer des Behälters und anschließend durch einen Wärmetauscher hindurch führt. Die Luftströmungsführung kann ein Strömungskanal sein, dessen Verlauf an die räumlichen Gegebenheiten angepasst ist.
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Um eine Sammlung, Zwischenspeicherung und Bereitstellung der zurückgewonnenen Flüssigkeit zu erleichtern ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Sammeleinrichtung für die aus der zweiten Luftmenge auskondensierende Flüssigkeit aufweist.
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Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der Behälter ringförmig angeordnete, drehbar gelagerte Kammern aufweist, die mit einem Sorptionsmittel befüllt sind und Einströmungsöffnungen sowie beabstandet angeordnete Ausströmungsöffnungen für eine Luftströmung aufweisen. Die ringförmig angeordneten Kammern können in radialer Richtung angeordnete Einströmungs- und Ausströmungsöffnungen aufweisen, die in Einströmungsbereiche, bzw. in Ausströmungsbereiche der zugeordneten Luftströmungsführung münden. Zusätzlich zu einer Luftströmungsführung für die zweite Luftmenge kann auch eine Luftströmungsführung für die erste Luftmenge einen geschlossenen Kreislauf bilden und gleichzeitig eine Duschströmung beabstandet angeordneter Kammern des Behälters ermöglichen.
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Nachfolgend werden Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrensablaufs einer Kältemaschine zur Klimatisierung von Räumlichkeiten, bei der eine Verdunstungskühlung eingesetzt wird und das versprühte Kühlwasser in einem zweiten Kreislauf wieder rückgewonnen wird,
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2 eine schematische Darstellung eines Behälters mit drehbar gelagerten Sorptionskammern und
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3 den in 2 abgebildeten Behälter in verkleinerter und auseinandergezogener Darstellung.
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Die in 1 lediglich schematisch dargestellte Kältemaschine 1 kühlt über einen ersten Wärmetauscher 2 einen aus der Umgebung angesaugten und einströmenden Zuluftstrom 3 ab. Mit einem vorgeschalteten zweiten Wärmetauscher 4 wird eine Vorkonditionierung des Zuluftstroms 3 bewirkt, wobei üblicherweise sowohl eine Abkühlung als auch eine Trocknung des Zuluftstroms 3 für die Vorkonditionierung in Betracht kommen. Durch einen in dem ersten Wärmetauscher 2 durchgeführten Abkühlungsprozess wird die Zuluft des Zuluftstroms 3 auf die gewünschte Zulufttemperatur abgekühlt. Die Zuluft wird anschließend den zu klimatisierenden Räumlichkeiten 5 zugeführt und als Abluftstrom 6 wieder abgeführt.
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Um einen effektiven Betrieb der Kältemaschine zu ermöglichen muss das in den Wärmetauscher 2 einströmende Kältemittel, ein im Wesentlichen bei Umgebungsluftdruck strömenden Kühlluftstrom 7, mittels einer Verdunstungskühlung 8 gekühlt werden. Über die Verdunstungskühlung 8 wird demineralisiertes Kühlwasser an den Kühlluftstrom 7 abgegeben, so dass es zu einer adiabaten Verdunstung des Kühlwassers in dem Kühlluftstrom 7 kommt, weshalb die Feuchte des Kühlluftstroms 7 ansteigt und dessen Temperatur abfällt.
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Der Kühlluftstrom 7 wird in einem geschlossenen Kreislauf durch einen im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher erläuterten Behälter 9 geführt, der mit einem Sorptionsmittel 10 befüllte Kammern 11 aufweist, die drehbar gelagert sind. Die Kammern 11 sind ringförmig angeordnet und miteinander verbunden, so dass die Kammern 11 einen drehbar gelagerten Kammerring 12 bilden, der im Wesentlichen vollständig mit dem Sorptionsmittel 10 befüllt ist. Sowohl innerhalb des Kammerrings 12 als auch außerhalb des Kammerrings 12 sind kreissegmentförmige Zuführungs- und Abführungskammern 13 konzentrisch angeordnet, die an den Kreislauf des Kühlluftstroms 7 angeschlossen sind. Sowohl die einzelnen Kammern 11 als auch die Zuführungs- und Abführungskammern 13 weisen Einströmungs- und Ausströmungsöffnungen 14 auf, die es dem Kühlluftstrom 7 ermöglichen, von einer Zuführungskammer 13 durch die mit Sorptionsmittel 10 befüllten Kammern 11 hindurch in die zugeordnete Abführungskammer 13 zu strömen. Die Strömungsrichtung der Kühlluftströmung 7 kann dabei beliebig vorgegeben werden, so dass der Kühlluftstrom 7 entweder von innen nach außen oder von außen nach innen durch die Kammern 11 strömt. Die den Kammerring 12 umgebenden Kammern 13 sind je nach Strömungsrichtung der durchströmenden Luftströmung entweder Zuführungskammern 13 oder Abführungskammern 13.
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Die Ringkammer 12 ist drehbar zwischen den räumlich festgelegten Zuführungs- und Abführungskammern 13 gelagert und kann motorisch angetrieben und in eine kontinuierliche oder intervallartige Rotationsbewegung versetzt werden. Um die Ringkammer 12 sind jeweils zwei Zuführungskammern 13 und zwei zugeordnete Abführungskammern 13 angeordnet, so dass ein erster Luftstrom, beispielsweise der Kühlluftstrom 7, und ein zweiter Luftstrom gleichzeitig durch verschiedene Kammern 11 strömen können. Während in einigen Kammern 11 eine Sorption von Feuchtigkeit aus dem Kühlluftstrom 7 stattfindet, kann in gegenüberliegenden Kammern 11 bereits eine Desorption der in dem Sorptionsmittel 10 gespeicherten Feuchtigkeit erfolgen.
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Die 2 und 3 zeigen eine exemplarische Schnittansicht des Behälters 9. Der Behälter 9 kann eine zylindrische Formgebung aufweisen und eine nahezu beliebige Länge aufweisen, so dass die Menge des durchströmbaren Sorptionsmittels 10 ebenfalls nahezu beliebig vorgegeben und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Durch die Anordnung und Ausgestaltung der Einströmungs- und Ausströmungsöffnungen 14 kann sichergestellt werden, dass während der Rotationsbewegung des Kammerrings 12 zwischen den Zuführungs- und Abführungskammern 13 zu jedem Zeitpunkt ein im Wesentlichen gleichbleibender freier Strömungsquerschnitt gewährleistet werden kann, so dass es während des Betriebs nicht zu merklichen Druckschwankungen kommen muss.
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Zusätzlich zu dem Kühlluftstrom 7 wird ein Desorptionsluftstrom 15 durch den Behälter 9 geführt. In 2 ist zur Verdeutlichung beispielhaft eine gleichzeitige Durchströmung des Behälters 9 mit dem Kühlluftstrom 7 und mit dem Desorptionsluftstrom 15 angedeutet.
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Der erwärmte Desorptionsluftstrom 15 nimmt bei dem Durchströmen der mit Sorptionsmittel 10 befüllten Kammern 11 die darin gespeicherte Feuchtigkeit auf. Der Volumenstrom des Desorptionsluftstroms 15 ist geringer als der Volumenstrom des Kühlluftstroms 7. Untersuchungen haben ergeben, dass beispielsweise ein Faktor 10 zwischen den beiden Volumenströmen geeignet ist, wobei davon ausgegangen wird, dass unabhängig von dem jeweiligen Volumenstrom die pro Zeiteinheit erfolgende Sorption von Feuchtigkeit bzw. die anschließende Desorption von Feuchtigkeit in, bzw. aus dem Sorptionsmittel 10 näherungsweise konstant ist. Auf Grund des geringeren Volumenstroms des Desorptionsluftstroms 15 nimmt eine entsprechend geringere zweite Luftmenge des Desoptionsluftstroms 15 die gleiche Flüssigkeitsmenge, bzw. Wasserdampfmenge auf, die vorher von einer größeren ersten Luftmenge des Kühlluftstroms 7 in das Sorptionsmittel 10 eingebracht wurde. Der absolute Feuchtegehalt der zweiten Luftmenge ist demzufolge erheblich größer, so dass deren Taupunkttemperatur höher als die Taupunkttemperatur des Kühlluftstroms 7 ist. Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Volumenströme sowie des Behälters 9 kann erreicht werden, dass die Taupunkttemperatur des Desorptionsluftstroms 15 über der Umgebungstemperatur liegt.
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt muss lediglich der mit Feuchtigkeit aus dem Sorptionsmittel 10 angereicherte Desorptionsluftstrom 15 durch einen Wärmetauscher 16 geführt und unter die Taupunkttemperatur abgekühlt werden, um eine Kondensation der in dem Desorptionsluftstrom 15 enthaltenen Feuchtigkeit und damit eine Rückgewinnung der in dem Desorptionsluftstrom 15 mitgeführten Flüssigkeit zu ermöglichen. Die ausgeschiedene Flüssigkeit kann gesammelt und wieder der Verdunstungskühlung 8 zugeführt werden.
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Die für die notwendigen Wärmezuführungen und Strömungserzeugungseinrichtungen erforderliche Energie kann über eine Solaranlage 17 erzeugt und den jeweiligen Energieverbrauchern zugeführt werden. Die Kältemaschine 1 kann demzufolge ohne Wasserverbrauch ausschließlich mit Solarenergie betrieben werden und eine kostengünstige und wirtschaftlich sinnvolle Klimatisierung von Räumlichkeiten 5 auch in heißen Regionen ermöglichen.
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Es ist ebenfalls denkbar, die vorangehend beschriebene Rückgewinnung von Feuchtigkeit aus einer Luftströmung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Salzwasser, bzw. Meerwasser zu verwenden. Der in einer Luftströmung enthaltene, durch Verdampfung, bzw. Verdunstung von Salzwasser erzeugte Wasserdampf kann in eine zweite Luftströmung übertragen werden, deren Taupunkttemperatur wesentlich höher liegt und eine wirtschaftlich sinnvolle Abscheidung des Wassers, bzw. Auskondensierung erlaubt.
