DE102017109658A1

DE102017109658A1 - Vorrichtung zum Gewinnen von Wasser aus einer Umgebungsatmosphäre

Info

Publication number: DE102017109658A1
Application number: DE102017109658.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Jordan
Original assignee: MAYSER HOLDING & CO KG GmbH
Current assignee: JORDAN, MANFRED, DE
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08
Also published as: WO2018202247A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, bei der mittels eines kalten Kondensators Luft entfeuchtet und somit Wasser gesammelt wird. Der Kondensator umfasst wenigstens einen angetriebenen Rotor (1), dessen Rotorblätter (2) aus offenporigem Metallschaum bestehen. Zur aktiven Kühlung umfasst der Kondensator ein oder mehrere Kühlelemente. Der Kondensator ist von einem beidseitig offenen, rohrförmigem Gehäuse (4) umhaust, dessen Längsachse (5) weitestgehend parallel zu der Rotationsachse (3) der Rotoren (1) ausgerichtet ist. Das Gehäuse (4) kann ein oder mehrere Wasserablauföffnungen aufweisen. Ein Wasserauffangbehälter (10) steht in fluidischer Verbindung mit diesen Wasserablauföffnungen bzw. ist im Endbereich des Gehäuses derart angeordnet, dass das durch Luftentfeuchtung gewonnene Kondenswasser (7) in den Wasserauffangbehälter (10) läuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, bei der mittels eines kalten Kondensators Luft entfeuchtet und somit Wasser gesammelt wird.
Die stetige Zunahme der Weltbevölkerung bringt einen fortwährend wachsenden Bedarf an Wasser, sowohl zur Versorgung der Menschen mit Trinkwasser als auch zur Bewässerung von Feldern sowie zur Viehzucht, mit sich. Aufgrund des Klimawandels verschärft sich diese Situation, insbesondere in ariden Gebieten.
Wassergewinnung mittels Meerwasserentsalzung ist nur in Küstengebieten wirtschaftlich möglich. Außerdem erfordert diese Methode einen nicht unerheblichen Energieeinsatz. Das Graben von Brunnen kann - abhängig von der Lage des Grundwasserspiegels - ebenfalls sehr kostspielig sein.
Weiterhin ist bekannt, Wasser mittels Entfeuchtung von Luft zu gewinnen. Derartige Geräte sind in der Fachwelt unter der Abkürzung AWG (Atmospheric Water Generator, englisch für atmosphärischer Wassergenerator) bekannt. Das von einem derartigen AWG implementierte Wassergewinnungsverfahren besteht darin, die Luftfeuchte an einem kalten bzw. zu kühlenden Kondensator auszukondensieren. Dieses Verfahren bietet sich insbesondere in Regionen weit ab vom Meer und ohne Zugang zum Grundwasser an.
WO 2016/033544 A1 beschreibt ein Verfahren und eine AWG-Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, wobei mit einem in einem Erdloch angeordneten Kondensator Luft entfeuchtet und somit Wasser gesammelt wird. Zusätzlich wird die entfeuchtete Luft mittels Sonnenenergie erwärmt, um Konvektion zu erzeugen, die den Luftstrom durch das Erdloch und den Kondensator antreibt. Hierbei kann zwar energieeffizient Wasser gewonnen werden, doch ist die Ausbeute sowohl stark tageszeitabhängig als auch auf eine ausreichende Konvektion angewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Gewinnen von Wasser aus einer Umgebungsatmosphäre anzugeben, bei welcher mit geringem Energieeinsatz eine effektive und weitestgehend kontinuierliche Wassergewinnung möglich sein soll. Außerdem soll die Vorrichtung dezentral einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 11.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, bei der mittels eines kalten Kondensators Luft entfeuchtet und somit Wasser gesammelt wird, bereitgestellt. Der Kondensator umfasst wenigstens einen aktiv angetriebenen Rotor, dessen Rotorblätter aus offenporigem Metallschaum bestehen. Umfasst der Kondensator mehrere Rotoren, so sind diese um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar angeordnet. Zur aktiven Kühlung umfasst der Kondensator ein oder mehrere Kühlelemente. Bevorzugt sind die Kühlelemente als Peltierelement zur aktiven Kühlung der Rotorblätter ausgeführt; es kann aber auch eine hinlänglich bekannte Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf zur Kühlung eingesetzt sein.
Der Kondensator ist von einem beidseitig offenen, rohrförmigem Gehäuse umhaust, dessen Längsachse weitestgehend parallel zu der Rotationsachse der Rotoren ausgerichtet ist. Vorzugsweise fallen die Längsachse und die Rotationsachse aufeinander.
Das Gehäuse kann ein oder mehrere Wasserablauföffnungen aufweisen. Ein Wasserauffangbehälter steht in fluidischer Verbindung mit diesen Wasserablauföffnungen bzw. ist im Endbereich des Gehäuses derart angeordnet, dass Wasser, welches sich im unteren Bereich des Gehäuses sammelt und aus dem beidseitig offenen Gehäuse herausfließt, direkt in den Wasserauffangbehälter läuft.
Die Wassergewinnung mittels der oben beschriebenen Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser, im Folgenden als Wassersammelvorrichtung bezeichnet, erfolgt wie folgt:
Der oder die Rotoren werden, z. B. mittels eines elektrisch angetriebenen Motors, in eine Rotationsbewegung versetzt. Mittels des oder der Kühlelemente, z. B. der Peltierelemente, werden die Rotorblätter aus offenporigem Metallschaum auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlt. Vorzugsweise wird eine Temperatur von 3°C bis 5°C unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt.
Feuchte Luft aus der Umgebung strömt durch das rohrförmige Gehäuse, in welchem sich die Rotoren drehen. Bei Kontakt der Luft mit dem aktiv gekühlten Metallschaum wird diese unterhalb ihres Taupunktes abgekühlt, sodass Wasser an den gekühlten Rotorblättern kondensiert. Hierbei ist durch die Verwendung von Metallschaum eine große Kontaktfläche zwischen kaltem Metall und feuchter Luft ermöglicht. Das auskondensierte Wasser wird aufgrund der Zentrifugalkräfte radial von den Rotorblättern an die innere Wandung des rohrförmigen Gehäuses getrieben. Sodann fließt das Wasser von der Schwerkraft getrieben entlang der (inneren) Rohrwandung und kann an einem oder mehreren Wasserauslässen des Gehäuses gesammelt werden. Hierbei kann auch einer der beiden Endbereiche des beidseitig offenen Gehäuses als Wasserauslass geformt sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, die Wassersammelvorrichtung derart aufzustellen, dass das rohrförmige Gehäuse mit seiner Längsachse in einem Winkel zu der Horizontalen ausgerichtet ist. Somit fließt das von den Rotorblättern gesammelte Wasser nach unten zu den Wasserablauföffnungen des Gehäuses und/oder zum Rand des beidseitig offenen Gehäuses, von wo es in den Wasserauffangbehälter gelangt.
Die elektrische Energie zum Betreiben der Kühlelemente, insbesondere der Peltierelemente, kann durch Anschluss der Vorrichtung an ein öffentliches Stromnetz bereitgestellt werden. Vorzugsweise jedoch besitzt die Wassersammelvorrichtung eine eigene, autarke Stromerzeugungseinheit, die Strom beispielsweise aus der Sonnenenergie z. B. mittels Fotovoltaikzellen, oder aus der Windenergie, z. B. mittels eines Rotors mit aerodynamisch wirkenden Rotorflügeln, gewinnt.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Wassersammelvorrichtung eine Speichereinrichtung zur Speicherung von elektrischem Strom, d. h. einen wiederaufladbaren Speicher für elektrische Energie, z. B. zu Zellpaketen verpackte Lithium-Ionen-Akkus, umfasst. Somit ist ein unterbrechungsfreier Betrieb gewährleistet, selbst wenn die Stromerzeugungseinheit kurzzeitig, z. B. in der Nacht, keinen Strom erzeugen kann.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Stromversorgung der Wassersammelvorrichtung, beispielweise zur Kühlung der Rotorblätter aus offenporigem Metallschaum, vollständig über die Speichereinrichtung zur Speicherung von elektrischem Strom erfolgt, die somit auch als Puffer für schwankende Stromerzeugungs- bzw. Strombereitstellungsbedingungen fungiert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Wassersammelvorrichtung ist die hohe Luftentfeuchtungseffizienz aufgrund der Verwendung von Rotorblättern aus offenporigem Metallschaum. Zusätzlich kann die Wassersammelvorrichtung uneingeschränkt dezentral eingesetzt werden, da sie über eine autarke Stromversorgung verfügt.
Gemäß einer Ausführungsform der Wassersammelvorrichtung wird der Rotor von einem Motor, z. B. einem Elektromotor, angetrieben.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Antrieb mittels eines zusätzlichen, aerodynamisch wirkenden Antriebsrotors, dessen Flügel aus einem Vollmaterial bestehen, zu bewerkstelligen. Dieser Antriebsrotor kann auf derselben Welle angeordnet sein, auf der auch die Rotoren des Kondensators sitzen, d. h., der Antriebsrotor rotiert um dieselbe Rotationsachse. Der Antriebsrotor kann hierbei ebenfalls von dem rohrförmigen Gehäuse eingehaust sein.
Das rohrförmige Gehäuse kann außerdem nach Art einer Düse gestaltet sein, sodass der in das Gehäuse eintretende Wind bzw. die in das Gehäuse gesaugte Luft innerhalb des Gehäuses beschleunigt wird. Somit kann die Effizienz des Antriebsrotors erhöht werden.
Es kann auch vorgesehen sein, einen oder mehrere der Rotoren des Kondensators neben ihrer Funktion zur Entfeuchtung der Luft auch für die Erzeugung der Rotationsbewegung zu verwenden. Dies wird erreicht, indem wenigstens ein Rotor neben den Rotorblättern aus Metallschaum auch aerodynamisch wirkende Flügel aus einem Vollmaterial aufweist. Beispielsweise können abwechselnd Rotorblätter aus Metallschaum und Flügel aus Vollmaterial auf der Rotornabe montiert sein.
Durch eine düsenförmige Ausgestaltung des rohrförmigen Gehäuses kann so bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten ein ausreichender Antrieb der Rotoren des Kondensators erzielt werden.
Zusätzlich kann die Wassersammelvorrichtung eine Windleiteinrichtung aufweisen, die den Wind gezielt in das Gehäuse bzw. auf die Flügel der aerodynamisch wirkenden Rotoren bzw. einer Windenergieanlage lenkt.
Gemäß einer Ausführungsform der Wassersammelvorrichtung ist an jedem Rotorblatt aus Metallschaum jeweils ein Kühlelement angebracht, beispielsweise an der Position, an der das Rotorblatt in die Rotornabe übergeht. Bei Verwendung von elektrisch arbeitenden Kühlelementen, z. B. Peltierelementen, kann die Stromversorgung der auf der Rotorwelle mitdrehenden Kühlelemente mittels Kohlebürsten oder induktiv mittels Spulen in den rotierenden Teilen und statisch fixierten Permanentmagneten erfolgen.
Zur effektiveren Sammlung von Wasser kann vorgesehen sein, dass der offenporige Metallschaum der Rotorblätter eine vorgegebene Porenstruktur aufweist, die ein radiales Abfließen des kondensierten Wassers erleichtert. Hierfür ist es vorteilhaft, dass der Porendurchmesser des offenporigen Metallschaums in Richtung weg von der Rotationsachse des Rotors zunimmt.
Alternativ oder zusätzlich können die Rotorblätter aus offenporigem Metallschaum zweigeteilt, d. h. aus zwei radial nebeneinander liegenden Teilbereichen, aufgebaut sein, wobei z. B. der an der Rotornabe angeordnete Teilbereich einen offenporigen Metallschaum mit einer ersten Porengröße und der Metallschaum des in radialer Richtung äußeren Teilbereiches des Rotorblattes eine zweite Porengröße aufweist, wobei die erste Porengrößer kleiner als die zweite Porengröße ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:

1 eine Wassersammelvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine Wassersammelvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3 den Rotor des Kondensators gemäß einer Ausführungsform.

Eine in 1 veranschaulichte erste Ausführungsform der Wassersammelvorrichtung umfasst die Rotoren 1, deren Rotorblätter 2 aus einem offenporigen Metallschaum sind. Die Rotoren 1 sind auf der Welle 16 angebracht, die um die Rotationsachse 3 drehbar ist. Das rohrförmige Gehäuse 4 umschließt die Rotoren 1, wobei die Längsachse 5 des Gehäuses mit der Rotationsachse 3 zusammenfällt.
Die Rotoren 1 umfassen noch Kühlelemente, die hier in Form von Peltierelementen 6 jeweils an den Rotorblättern 2 im Bereich der Rotornabe angebracht sind. Der an der Welle 16 angeordnete Elektromotor 11 versetzt die Welle 16 und somit die Rotoren 1 in eine Rotationsbewegung.
Der elektrische Strom zum Betrieb des Motors 11 wird von der Stromspeichereinrichtung 13 bereitgestellt, die von der Fotovoltaikanlage 12 bei ausreichender Insolation aufgeladen wird.
Im Betrieb der Wassersammelvorrichtung strömt die feuchte Luft 8 (hier durch die Pfeile symbolisiert) in das Gehäuse 4 ein und an den gekühlten Rotorblättern 2 vorbei bzw. durch den offenporigen Metallschaum hindurch. An dem kalten Metallschaum wird die Luft 8 unter ihren Taupunkt abgekühlt, d. h. es bildet sich Kondenswasser innerhalb der Poren des Metallschaums. Die entfeuchtete Luft 9 (durch die Pfeile symbolisiert) strömt aus dem Gehäuse 4.
Aufgrund der rotierenden Bewegung der Rotoren 1 um die Rotationsachse 3 wird das Kondenswasser 7 von der Fliehkraft getrieben aus den Poren des offenporigen Metallschaums an die innere Wandung des Gehäuses 4 geschleudert, von wo es nach unten abfließt. Somit sammelt sich das Kondenswasser 7 im unteren Bereich des Gehäuses 4. Der Wasserauffangbehälter 10 fängt das aus dem Gehäuse 4 herausfließende Kondenswasser 7 auf.
2 veranschaulicht eine Wassersammelvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Vorrichtung vertikal ausgerichtet ist, d. h., die Rotationsachse 3 steht lotrecht. Die feuchte Luft 8 gelangt von oben in das Gehäuse 4, wobei ein ggf. wehender Wind von der Windleiteinrichtung 17 eingefangen und auf die Rotorblätter 2 gelenkt wird. Bei Kontakt mit den gekühlten Rotorblättern 2 wird die feuchte Luft 8 abgekühlt und entfeuchtet, wodurch ihre Dichte ansteigt. Aufgrund dieser zunehmenden Luftdichte sowie des ggf. einwirkenden Winddruckes strömt die Luft nach unten. Zusätzlich weist die Wassersammelvorrichtung den Antriebsrotor 15 auf, der von der nach unten aus dem Gehäuse 4 strömenden trockenen Luft 9 in Rotation versetzt wird. Durch die Kopplung des Generators 14 mit der Welle 16 wird zumindest ein Teil des zum Betrieb der Peltierelemente 6 benötigten Stroms erzeugt. Auch diese Ausführungsform der Wassersammelvorrichtung weist die Stromspeichereinrichtung 13 zur Versorgung der Peltierelemente 6 mit Strom auf.
Das auskondensierte und an die innere Wandung des Gehäuses 4 geschleuderte Kondenswasser 7 läuft entlang der Wandung nach unten in die Wasserauffangbehälter 10.
3 zeigt eine Ausgestaltung des Rotors 1 mit den Rotorblättern 2 aus Metallschaum und aerodynamisch wirkenden Flügeln 18 zum Antrieb des Rotors 1.
Liste der verwendeten Bezugszeichen

1: Rotor
2: Rotorblatt
3: Rotationsachse
4: rohrförmiges Gehäuse
5: Längsachse
6: Peltierelement
7: Kondenswasser
8: feuchte Luft
9: trockene Luft
10: Wasserauffangbehälter
11: Motor
12: Solarenergie-Stromerzeugungseinheit / Fotovoltaikanlage
13: Stromspeichereinrichtung
14: Generator
15: Antriebsrotor
16: Welle
17: Windleiteinrichtung
18: Flügel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/033544 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Gewinnen von Wasser aus einer Umgebungsatmosphäre, aufweisend: - mindestens einen um eine Rotationsachse (3) drehbar gelagerten Rotor (1), der Rotorblätter (2) aus offenporigem Metallschaum umfasst, - ein den mindestens einen Rotor (1) umhausendes, beidseitig offen rohrförmiges Gehäuse (4), dessen Längsachse (5) parallel zur Rotationsachse (3) angeordnet ist, - wenigstens ein Kühlelement, das in thermischem Kontakt zu den Rotorblättern (2) steht, und - einen Wasserauffangbehälter (10), der in fluidischer Verbindung mit wenigstens einer Wasserablauföffnung des Gehäuses (4) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement ein Peltierelement (6) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen mit dem wenigstens einen Rotor (1) gekoppelten Motor (11) zum Antreiben desselben umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren, um die Rotationsachse (3) drehbaren Antriebsrotor (15) umfasst, dessen Rotorblätter (2) aus einem Vollmaterial sind, wobei der Antriebsrotor (15) mittels einer Welle (16) drehfest mit dem wenigstens einen Rotor (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Hälfte der Rotorblätter (2) des wenigstens einen Rotors (1) aus Metallschaum und eine zweite Hälfte der Rotorblätter (2) Flügel (18) aus einem Vollmaterial sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Solarenergie-Stromerzeugungseinheit (12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Windenergie-Stromerzeugungseinheit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Windleiteinrichtung (17) umfasst, mittels derer Luft in das Gehäuse (4) einleitbar und auf Rotorblätter eines Rotors der Windenergie-Stromerzeugungseinheit lenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speichereinrichtung (13) zur Speicherung von elektrischem Strom umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Rotorblatt (2) ein Kühlelement befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Porendurchmesser des offenporigen Metallschaums in Richtung weg von der Rotationsachse (3) des Rotors (1) zunimmt.