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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen von Trinkwasser aus einer Umgebungsatmosphäre, insbesondere aus Luft, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
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In vielen Gebieten der Erde ist die Versorgung der Bevölkerung und der Landwirtschaft mit Trink- und Frischwasser problematisch. Aufgrund der klimatischen Bedingungen in diesen Gegenden ist die Menge an oberflächlich vorkommendem Süßwasser stark begrenzt. In vielen Gebieten ist die Verwüstung bereits so weit vorangeschritten, dass Flüsse und Seen vollständig ausgetrocknet sind. Oftmals fallen in diesen Gebieten auch kaum Niederschläge.
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In diesen Gebieten werden Brunnen gebaut, um Grundwasser an die Oberfläche zu fördern und so die Bevölkerung mit Trinkwasser zu versorgen. Dies hat eine Absenkung des Grundwasserspiegels zur Folge, so dass immer tiefere Brunnen gebaut werden müssen, um die Versorgung sicherstellen zu können.
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Aufgrund der akuten Wasserknappheit ist es in einigen Gebieten trotz guter und fruchtbarer Böden nicht mehr möglich, Landwirtschaft zu betreiben, weil die dafür benötigte Wassermenge nicht zur Verfügung gestellt werden kann.
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Befinden sich diese frischwasserarmen Regionen in Küstennähe, kann über Meerwasserentsalzungsanlagen ein großer Teil des Trink- und Frischwasserbedarfs der Region gedeckt werden. Dazu muss jedoch Meerwasser entsalzt werden, was nur unter erheblichem Energieaufwand möglich ist. Dadurch handelt es sich bei der Entsalzung von Meerwasser um eine relativ kostenintensive Technologie, was insbesondere aus dem Grunde problematisch ist, dass sich ein Großteil der Wüstenregionen in Entwicklungsländern befindet. Dies und die Tatsache, dass die verwendete Technologie anspruchsvoll und wartungsintensiv ist, hat zur Folge, dass insbesondere in den strukturschwachen und wirtschaftlich schwachen Regionen der Welt, die von der akuten Frischwasserknappheit betroffen sind, die dortige Bevölkerung diese Anlagen zumeist nicht selbst betreiben kann.
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Zudem ist, wie bereits dargelegt, die Möglichkeit der Meerwasserentsalzung nur in Küstenregionen gegeben. Für trockene Regionen und Wüsten im Landesinneren besteht diese Möglichkeit nicht.
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Aus der
DE 197 02 263 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus Luftfeuchte durch eine Kühlvorrichtung bekannt. Der warmen Luft, die in die Vorrichtung einströmt, wird Wärme entzogen, indem ein Kühlmittel verdampft. Aufgrund dieses Abkühleffektes der Luft kondensiert darin enthaltenes Wasser und kann aufgefangen werden. Anschließend wird die Luft weiter abgekühlt und dient später zur Kühlung einer Kondensationsplatte, an der das verdampfte Kühlmittel wieder kondensiert und dem Kreislauf wieder zugeführt wird.
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Die
DE 33 13 711 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser, die nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert. Hier wird jedoch sowohl das Kühlmittel als auch die abzukühlende Luft über elektrisch betriebene Ventilatoren und Pumpen bewegt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, wodurch es ermöglicht wird, auch in trockenen Regionen fernab von Küsten kostengünstig, einfach und wartungsarm Frischwasser zu gewinnen.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum Gewinnen von Trinkwasser aus einer Umgebungsatmosphäre, insbesondere aus Luft bei dem
- a) ein Arbeitsmedium an einer Verdampfungsfläche verdampft wird, die über eine Außenfläche mit der Umgebungsatmosphäre in thermischen Kontakt steht, und eine Temperatur aufweist, die größer ist als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums, wobei die Außenfläche derart abgekühlt wird, dass an ihr Wasserdampf aus der Umgebungsatmoshäre kondensiert,
- b) der kondensierte Wasserdampf aufgefangen wird,
- c) das verdampfte Arbeitsmedium zu einer Kondensationsfläche fließt, die eine Temperatur aufweist, die geringer als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums ist,
- d) das Arbeitsmedium an der Kondensationsfläche kondensiert und
- e) das kondensierte Arbeitsmedium zu einer Verdampfungsfläche fließt,
wobei das Fließen des verdampften Arbeitsmediums zu der Kondensationsfläche und das Fließen des kondensierten Arbeitsmediums zu der Verdampfungsfläche antriebslos erfolgen, und wobei die Verdampfungsfläche und die Kondensationsfläche Teil einer Innenseite einer äußeren Begrenzungswand sind, die das Arbeitsvolumen begrenzt, wobei sich außerhalb der Begrenzungswand die Umgebungsatmosphäre befindet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um einen Kreisprozess, bei dem das Arbeitsmedium vier Schritte durchläuft. Zunächst gelangt es an die Verdampfungsfläche, die eine Temperatur aufweist, die größer ist als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums. Daher verdampft das Arbeitsmedium an dieser Verdampfungsfläche. Dabei entzieht es der Verdampfungsfläche Wärme, so dass diese abgekühlt wird. Da die Verdampfungsfläche in thermischen Kontakt mit einer Außenfläche besteht, wird auch diese Außenfläche abgekühlt. Da die Außenfläche mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt steht, kann in der Umgebungsatmosphäre enthaltener Wasserdampf an der Außenfläche kondensieren, da diese nun kälter ist als die Umgebungsatmosphäre. Das so kondensierte Wasser wird aufgefangen und der jeweils benötigten Verwendung zugeführt.
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Das verdampfte Arbeitsmedium fließt dabei ohne externen Antrieb zu einer Kondensationsfläche. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kondensationsfläche oberhalb der Verdampfungsfläche angeordnet wird, also weiter vom Erdboden entfernt. Beim Verdampfen des Arbeitsmediums nimmt dessen Dichte ab, so dass es nach oben steigt, und so zur Kondensationsfläche gelangt. Die Kondensationsfläche weist eine Temperatur auf, die geringer ist als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums, so dass das Arbeitsmedium an dieser Kondensationsfläche kondensiert. Dabei gibt das Arbeitsmedium Energie an die Kondensationsfläche ab. Zudem steigt die Dichte des Arbeitsmediums wieder an. Im flüssigen Zustand fließt es nun wieder zur Verdampfungsfläche zurück. In der Ausgestaltung, in der die Kondensationsfläche oberhalb der Verdampfungsfläche angeordnet ist, fließt das kondensierte Arbeitsmedium im flüssigen Zustand einfach der Schwerkraft folgend nach unten und gelangt so zur Verdampfungsfläche.
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Der beschriebene Kreisprozess erfolgt dabei antriebslos. Dies bedeutet, dass keine externen Motoren, Kompressoren oder Pumpen vorgesehen sein müssen, damit der Kreisprozess ausgeführt wird. Es handelt sich lediglich um einen Wärmetransport von der wärmeren Verdampfungsfläche zur kälteren Kondensationsfläche. Der Kreisprozess selbst wird in Gang gesetzt und aufrecht erhalten, sobald zwischen den beiden Flächen eine Temperaturdifferenz auftritt. Außer der Energiezufuhr beim Wärmetransport durch das Arbeitsmedium ist es nicht nötig, Energie zuzuführen, so dass das Verfahren insbesondere ohne Anschluss an eine Infrastruktur, wie beispielsweise eine Stromversorgung, und ohne fossile Brennstoffe oder sonstige Energieträger betrieben werden kann.
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Dabei nimmt das Arbeitsmedium beim Verdampfen Energie von der Verdampfungsfläche auf und gibt sie beim Kondensieren an die Kondensationsfläche wieder ab. Dazu ist es nötig, dass die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums zwischen der Temperatur der Verdampfungsfläche und der Temperatur der Kondensationsfläche liegt.
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Um den Prozess des Verdampfens und des Kondensierens zu beschleunigen, ist es von Vorteil, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Kondensationsfläche und der Temperatur der Verdampfungsfläche und insbesondere die Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur der Kondensationsfläche und der Verdampfungstemperatur und zwischen der Temperatur der Verdampfungsfläche und der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums möglichst groß sind. Auf diese Weise wird das Verdampfen und Kondensieren des Arbeitsmediums beschleunigt, so dass in einem festen Zeitintervall mehr Wärme transportiert und somit die Außenfläche effizienter gekühlt werden kann.
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Wie bereits dargelegt, ist die Kondensationsfläche vorteilhafterweise höher angeordnet als die Verdampfungsfläche, so dass die Umgehungsatmosphäre im Bereich der Verdampfungsfläche eine größere Temperatur aufweist als im Bereich der Kondensationsfläche. Wird in dieser Ausgestaltung ein thermischer Kontakt zwischen der Kondensationsfläche und der Umgebungsatmosphäre hergestellt, wird die benötigte Temperaturdifferenz allein durch die in der Umgebungsatmosphäre vorhandene Temperaturdifferenz hergestellt. Auf diese Weise muss auch die Kondensationsfläche nicht unter externer Energiezufuhr gekühlt werden. In dieser Ausgestaltung muss weder zum Inbetriebnehmen des Verfahrens noch zum Aufrechterhalten des Kreisprozesses zusätzlich Energie zugeführt werden, so dass das Verfahren insbesondere für wirtschaftlich und strukturell schwache Gegenden, in denen beispielsweise eine konstante Stromversorgung nicht gewährleistet werden kann, anwendbar ist.
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Vorteilhafterweise wird die Umgebungsatmosphäre im Bereich der Kondensationsfläche gekühlt. Auf diese Weise kann die Temperaturdifferenz zwischen der Kondensationsfläche und der Verdampfungsfläche erhöht werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Verfahren in einer Region angewandt werden soll, die über eine hohe Sonneneinstrahlung verfügt. Dies ist bei den meisten Wüsten und wüstenartigen Gegenden der Erde der Fall. In diesem Fall kann die Sonnenenergie genutzt werden, um beispielsweise über Photovoltaikanlagen die Umgebungsatmosphäre im Bereich der Kondensationsfläche zu kühlen. Das Verfahren kann weiterhin autark und ohne Anschluss an ein Infrastrukturnetz betrieben werden. Bevorzugt kann zusätzlich oder alternativ zur Solarenergie auch Windenergie verwendet werden, die beispielsweise einen Generator antreibt, über den die Temperatur der Umgebungsatmosphäre im Bereich der Kondensationsfläche abgesenkt werden kann. Auch dadurch werden die am Durchführungsort des Verfahrens vorhandenen Ressourcen besonders gut genutzt und ein Anschluss an eine Infrastruktur weiterhin unnötig.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens umfasst ein Arbeitsvolumen, in dem sich ein Arbeitsmedium befindet, eine Verdampfungsfläche und eine Kondensationsfläche. Sie umfasst jedoch erfindungsgemäß keine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Arbeitsmediums in dem Arbeitsvolumen. Diese ist, wie bereits dargelegt, unnötig, da das Arbeitsmedium allein aufgrund der sich beim Verdampfen und Kondensieren ändernden physikalischen Eigenschaften und Größen zwischen der Verdampfungsfläche und der Kondensationsfläche hin und her fließt.
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Erfindungsgemäß sind die Verdampfungsfläche und/oder die Kondensationsfläche Teil einer Innenseite einer äußeren Begrenzungswand, die das Arbeitsvolumen begrenzt. Durch diese äußere Begrenzungswand, die insbesondere aus einem Material mit einer guten Wärmeleitung, beispielsweise einem Metall, hergestellt sein kann, wird eine besonders gute thermische Ankopplung der Verdampfungsfläche und/oder der Kondensationsfläche an die sich außerhalb der äußeren Begrenzungswand befindliche Umgebungsatmosphäre erreicht. Dadurch wird der Wärmetransport durch die äußere Begrenzungswand in den Bereichen der Verdampfungsfläche und/oder der Kondensationsfläche vereinfacht und beschleunigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die Verdampfungsfläche in einem Verdampfungsvolumen und die Kondensationsfläche in einem Kondensationsvolumen, wobei das Verdampfungsvolumen und das Kondensationsvolumen durch wenigstens eine Leitung miteinander verbunden sind und gemeinsam mit der wenigstens einen Leitung das Arbeitsvolumen bilden. Wie bereits dargelegt, ist es für die effiziente Nutzung des Verfahrens von Vorteil, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Verdampfungsfläche und der Temperatur der Kondensationsfläche möglichst groß ist. Zudem ist es von Vorteil, wenn das verdampfte Arbeitsmedium mit möglichst hoher Temperatur an der Kondensationsfläche ankommt und beim Erreichen der Verdampfungsfläche eine möglichst geringe Temperatur hat. Durch diese jeweils große Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium und der Verdampfungsfläche beziehungsweise der Kondensationsfläche wird ein besonders schneller Temperaturaustausch und damit ein besonders effizienter Wärmetransport gewährleistet. Um dies zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche, über die das Arbeitmedium mit der Vorrichtung in Kontakt kommt, auf dem Weg von der Verdampfungsfläche zur Kondensationsfläche und umgekehrt möglichst gering gehalten wird. Dies wird besonders vorteilhafterweise durch Rohrleitungen erreicht, in denen das Arbeitsmedium fließt.
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Besonders vorteilhafterweise ist das Verdampfungsvolumen mit dem Kondensationsvolumen durch zwei Leitungen verbunden, von denen eine vorgesehen ist, das verdampfte Arbeitsmedium zu der Kondensationsfläche zu leiten und die andere vorgesehen ist, das kondensierte Arbeitsmedium zu der Verdampfungsfläche zu leiten. Auf diese Weise wird ein Kontakt zwischen dem verdampften Arbeitsmedium und dem kondensierten Arbeitsmedium vermieden, so dass es zwischen den beiden Aggregatzuständen nicht zu einem Wärmeaustausch und damit zu einer Verminderung der Effizienz des Verfahrens und der Vorrichtung kommen kann.
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Um diesen Effekt noch zu verstärken, sind die beiden Leitungen vorteilhafterweise gegeneinander und/oder gegen die Umgebungsatmosphäre thermisch isoliert. Auch auf diese Weise wird verhindert, dass das kondensierte Arbeitsmedium übermäßig viel Wärme durch Kontakt mit der Leitung oder der äußeren Begrenzungswand des Arbeitsvolumens aufnimmt, oder dass das verdampfte Arbeitsmedium übermäßig viel Wärme an die äußere Begrenzungswand des Arbeitsvolumens abgibt.
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Um einen möglichst raschen Wärmetransfer zwischen dem Arbeitsmedium und der Verdampfungsfläche oder zwischen dem Arbeitsmedium und der Kondensationsfläche zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn die Verdampfungsfläche und/oder die Kondensationsfläche möglichst groß ausgebildet sind, so dass möglichst viel Arbeitsmedium gleichzeitig mit der jeweiligen Fläche in Kontakt kommen kann. Dazu wird vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kondensationsfläche und/oder die Verdampfungsfläche zumindest auch durch ein Oberflächenelement, das insbesondere in Form von Rippen ausgebildet sein kann oder beispielsweise aus einem Metallschaum besteht, gebildet ist. Natürlich ist auch jedes andere Oberflächenelement, durch das die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Kontaktfläche vergrößert wird, geeignet.
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Ein derartiges Oberflächenelement ist vorteilhafterweise jedoch nicht nur im inneren des Arbeitsvolumens angeordnet, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und der Verdampfungsfläche beziehungsweise der Kondensationsfläche zu beschleunigen, sondern kann vorteilhafterweise auch auf der Außenseite der äußeren Begrenzungswand im Bereich der Kondensationsfläche und/oder im Bereich der Verdampfungsfläche angeordnet sein. Auch hier sind Oberflächenelemente denkbar, die in Form von Rippen vorliegen oder beispielsweise aus einem Metallschaum bestehen. Auch die Ausbildung der Oberflächenelemente auf der Außenseite der äußeren Begrenzungswand sorgt für einen besseren und schnelleren Wärmetransfer. Hier geht es allerdings um den Wärmetransfer zwischen der Umgebungsatmosphäre und der jeweiligen äußeren Begrenzungswand. Insbesondere im Bereich der Verdampfungsfläche ist ein derartiges Oberflächenelement von Vorteil, da in dieser Ausgestaltung auch die Fläche vergrößert wird, an der in der Umgebungsatmosphäre enthaltener Wasserdampf kondensieren kann. Durch einen effizienten Wärmeaustausch zwischen der Umgebungsatmosphäre und diesem Bereich der äußeren Begrenzungswand kann die Menge des abgeschiedenen Wassers deutlich erhöht werden.
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Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Nutzbarmachung von vorhandenen Energien, beispielsweise Photovoltaikelemente zur Nutzbarmachung von Sonnenenergie. Auch die Anordnung von Windkraftanlagen ist denkbar. Die durch diese Einrichtungen nutzbar gemachten Energien werden vorteilhafterweise verwendet, um die Umgebungsatmosphäre im Bereich der Verdampfungsfläche zu erwärmen und/oder im Bereich der Kondensationsfläche abzukühlen. Auch dies dient dazu, die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungsfläche und der Kondensationsfläche zu vergrößern und somit die Effizienz der Anlage zu steigern.
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Als Arbeitsmaterial kommt beispielsweise ein Alkohol oder Benzin in Frage. Auch Glykol kann ein geeignetes Arbeitsmedium sein. Letztendlich kommt es bei der Wahl des Arbeitsmediums lediglich darauf an, dass beispielsweise der Druck innerhalb des Arbeitsvolumens so eingestellt werden kann, dass die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums zwischen der Temperatur der Verdampfungsfläche und der Temperatur der Kondensationsfläche liegt. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Arbeitsmedium eine große Verdampfungswärme aufweist, da in diesem Fall besonders effiziente Wärme von der wärmeren Verdampfungsfläche zur kälteren Kondensationsfläche transportiert werden kann. Um die jeweilige Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums einzustellen, kann der Druck innerhalb des Arbeitsvolumens so weit reduziert werden, dass die Verdampfungstemperatur im gewünschten Bereich liegt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung wird das von der Kondensationsfläche zur Verdampfungsfläche fließende kondensierte Arbeitsmedium an der Außenfläche vorbeigeführt, die dadurch nochmals gekühlt wird. Auf diese Weise nimmt die Temperatur der Außenfläche weiter ab, so dass die Temperaturdifferenz zwischen der Außenfläche und der Umgebungsatmosphäre in diesem Bereich weiter ansteigt, so dass die Menge des an der Außenfläche kondensierten Wasserdampfes aus der Umgebungsatmosphäre nochmals ansteigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der Verdampfungsfläche, die im unteren Teil der Vorrichtung angeordnet ist, und der Kondensationsfläche, die im oberen Teil der Vorrichtung angeordnet ist, größer als 10 Meter, vorzugsweise größer als 50 Meter, besonders vorteilhafterweise größer 100 Meter. Es ist jedoch auch denkbar, Vorrichtungen noch größerer Ausmaße herzustellen, so dass der Abstand zwischen der Kondensationsfläche und der Verdampfungsfläche beispielsweise 200 Meter oder 250 Meter beträgt. In einer derartigen Ausgestaltung befindet sich die Verdampfungsfläche im unteren Teil der Vorrichtung, der gleichzeitig das Fundament der Vorrichtung bildet. Das verdampfte Arbeitsmedium wird über eine Steigleitung zu einem am oberen Ende beispielsweise eines Mastes angeordneten Kondensationsvolumen geführt. Die Herstellung derartiger Masten ist heute beispielsweise aus der Telekommunikationsbranche bekannt, wo entsprechende Vorrichtungen als Sendemasten aufgestellt werden. Die Masten können leicht und einfach konstruiert werden und beispielsweise über Spannseile am Erdboden befestigt werden. Der Höhe der Vorrichtung sind dabei nur durch die konstruktiven Grenzen einer derartigen Ausgestaltung Grenzen gesetzt. Dabei ist eine große Höhe vorzuziehen, da dann die Kondensationsfläche und die Verdampfungsfläche so weit voneinander entfernt angeordnet werden können, dass die Umgebungsatmosphäre in den beiden Bereiche deutlich verschiedene Temperaturen aufweist.
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Die Nutzbarmachung gegebenenfalls vorhandener weiterer Energiequellen, wie Sonnen- oder Windenergie, kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen. Insbesondere bei Windenergieanlagen ist es vorteilhaft, wenn eine Windkraftanlage einen Generator antreibt, durch den Strom produziert wird, der beispielsweise für das Betreiben einer Wärmepumpe verwendet werden kann, durch die die Kondensationsfläche gekühlt wird. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Generator auch eine Heizanlage für die Umgebungstemperatur im Bereich der Verdampfungsfläche angewendet werden. Auch das Betreiben einer Ultraschallanlage ist denkbar, wodurch die Kondensation an der Kondensationsfläche weiter beschleunigt wird. Der für die genannten Anwendungen benötigte Strom kann natürlich auch noch durch Photovoltaikelemente erzeugt werden.
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Da sich im Gegensatz zur Kondensationsfläche die Verdampfungsfläche zumeist in der Nähe des Erdbodens befindet, ist es konstruktiv einfacher, in diesem Bereich die Atmosphäre zu erwärmen, als die Umgebungsatmosphäre im Bereich der Kondensationsfläche oder die Kondensationsfläche selbst abzukühlen. Dennoch ist es vorteilhafter, die Kondensationsfläche zu kühlen. Wird die Temperatur der Umgebungsatmosphäre im Bereich der Verdampfungsfläche erhöht, sinkt dadurch naturgemäß die relative Luftfeuchtigkeit, so dass die Außenfläche stärker abgekühlt werden muss, um überhaupt eine Kondensation von Wasserdampf zu erreichen. Daher ist es trotz des erhöhten Aufwandes vorteilhafter, die Kondensationsfläche zu kühlen.
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Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen
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1 – die schematische Querschnittsdarstellung durch eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
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2 – einen Ausschnitt aus einer schematischen Querschnittsdarstellung durch eine Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie umfasst ein Arbeitsvolumen 2, das sich aus einem Verdampfungsvolumen 4, einem Kondensationsvolumen 6 sowie zwei Leitungen 8 zusammensetzt. In dem Arbeitsvolumen 2 befindet sich ein nicht dargestelltes Arbeitsmedium. Im unteren Teil des Verdampfungsvolumens 4 befindet sich eine Verdampfungsfläche 10, die im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel den Boden sowie den unteren Teil der Seitenwände des Verdampfungsvolumens 4 bildet. Die Verdampfungsfläche 10 ist dabei die Innenseite einer äußeren Begrenzungswand 12, die das Arbeitsvolumen 2 begrenzt und im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von einer Umgebungsatmosphäre trennt. Die Außenseite der Verdampfungsfläche 10 bildet gleichzeitig die Außenfläche, mit der die Verdampfungsfläche 10 in thermischen Kontakt mit einer Umgebungsatmosphäre tritt.
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Das Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsvolumen 2 befindet, kommt im ersten Schritt des Verfahrens mit der Verdampfungsfläche 10 in Kontakt. Diese weist eine Temperatur auf, die im Wesentlichen der Temperatur der Umgebungsatmosphäre in diesem Bereich entspricht und größer ist als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium verdampft folglich und entzieht der Verdampfungsfläche 10 und damit auch der äußeren Begrenzungswand 12 in diesem Bereich Wärme. Die äußere Begrenzungswand 12 im Bereich der Verdampfungsfläche 10 wird somit abgekühlt. An ihr kann nun in der Umgebungsatmosphäre enthaltener Wasserdampf kondensieren, der durch eine Auffangvorrichtung 14 aufgefangen und als Frischwasser einer gewünschten Verwendung zugeführt wird.
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Das Arbeitsmedium, das im Verdampfungsvolumen 4 verdampft ist, steigt durch die in 1 rechte Leitung 8 nach oben. Man erkennt, dass die Leitungen 8 durch eine Isolierung 16 sowohl gegeneinander als auch gegen die Umgebungsatmosphäre thermisch isoliert sind. Damit wird verhindert, dass das Arbeitsmedium, das sich durch die Leitungen 8 bewegt, Wärme von der äußeren Begrenzungswand 12 in diesem Bereich aufnimmt oder an sie abgibt. Die Bewegung des verdampften Arbeitsmediums ist durch den Pfeil 18 dargestellt.
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Das verdampfte Arbeitsmedium erreicht das Kondensationsvolumen 6 und kommt in Kontakt mit einer Kondensationsfläche 20. Die Kondensationsfläche 20 ist die Innenwandung der äußeren Begrenzungswand 12 in diesem Bereich. Sowohl an der Kondensationsfläche 20 als auch an der Verdampfungsfläche 10 können Oberflächenelemente vorgesehen sein, die nicht dargestellt sind, durch die die Verdampfungsfläche 10 und/oder die Kondensationsfläche 20 vergrößert wird.
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Die Kondensationsfläche 20 ist im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel höher angeordnet als die Verdampfungsfläche 10. Eine Umgebungsatmosphäre in diesem Bereich weist folglich eine geringere Temperatur auf, als die Umgebungsatmosphäre im Bereich der Verdampfungsfläche 10. Dabei ist die Ausdehnung der Vorrichtung in vertikaler Richtung, in 1 also von unten nach oben, derart ausgebildet, dass die Temperaturdifferenz so groß ist, dass die Kondensationsfläche 20 eine Temperatur aufweist, die kleiner ist als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsvolumen 2. Das Arbeitsmedium kondensiert folglich an der Kondensationsfläche 20 und gibt somit Wärmeenergie an die Kondensationsfläche 20 ab. Im flüssigen Zustand fließt das Arbeitsmedium in der durch einen Pfeil 22 dargestellten Richtung durch die in 1 links dargestellte zweite Leitung 8 und gelangt wieder in das Verdampfungsvolumen 4, wo das Arbeitsvolumen wieder mit der Verdampfungsfläche 10 in Kontakt kommt.
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Auf diese Weise entsteht ein Kreisprozess, der lediglich durch die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an der Kondensationsfläche 20 und der Temperatur an der Verdampfungsfläche 10 in Gang gesetzt und betrieben wird. Dadurch, dass die Außenseite der äußeren Begrenzungswand 12 im Bereich der Verdampfungsfläche 10 permanent abgekühlt wird, kann hier ständig Wasserdampf kondensieren, der durch die Auffangvorrichtung 14 aufgefangen wird.
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2 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Man erkennt ein Verdampfungsvolumen 4 mit einer Verdampfungsfläche 10, unter der eine Auffangvorrichtung 14 für an der Außenseite der äußeren Begrenzungswand 12 im Bereich der Verdampfungsfläche 10 kondensiertes Wasser angeordnet ist. In der in 2 dargestellten schematischen Schnittzeichnung sind Oberflächenelemente 24 dargestellt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von Durchgängen vorliegen, die durch das Verdampfungsvolumen 4 hindurch verlaufen. Eine Wandung der Oberflächenelemente 24 kommt dabei auf der einen Seite mit dem Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsvolumen 2 befindet, in Kontakt und bildet somit einen Teil der Verdampfungsfläche 10. Auf der anderen Seite ist die Wand der Oberflächenelemente 24 mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt, so dass auch durch diese Wände ein Wärmetransport stattfinden kann. Durch die gezeigte Anordnung der Oberflächenelemente 24 wird die Verdampfungsfläche 10 deutlich vergrößert, so dass der Energieübertrag und der Wärmetransport deutlich effizienter und schneller vor sich geht. Dadurch wird die Effizienz der Anlage deutlich erhöht.
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Das Arbeitsmedium nimmt beim Verdampfen an der Verdampfungsfläche 10 Energie auf, die der Umgebungsatmosphäre in diesem Bereich entzogen wird. Das Arbeitsmedium bewegt sich dann mit der aufgenommenen Wärmeenergie entlang des Pfeils 18 in Richtung auf die Kondensationsfläche 20. An dieser wird die Wärmeenergie auf die Kondensationsfläche 20 und von dort an die Umgebungsatmosphäre abgegeben. Das kondensierte Arbeitsmedium bewegt sich entlang des Pfeils 22 wieder zurück zur Verdampfungsfläche 10. Es entsteht somit ein Kreislauf, der einen Wärmetransport von der Verdampfungsfläche zur Kondensationsfläche bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Arbeitsvolumen
- 4
- Verdampfungsvolumen
- 6
- Kondensationsvolumen
- 8
- Leitung
- 10
- Verdampfungsfläche
- 12
- Äußere Begrenzungswand
- 14
- Auffangvorrichtung
- 16
- Isolierung
- 18
- Pfeil
- 20
- Kondensationsfläche
- 22
- Pfeil
- 24
- Oberflächenelement
