ES2922885B2 - Cosechadora de agua - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

COSECHADORA DE AGUA

La presente invención tiene por objeto un dispositivo de captación de agua contenida en el aire que presenta ventajas sobre otros dispositivos en el rendimiento de la instalación, debido a su configuración.

Estado de la técnica

En zonas de escasos recursos hídricos la falta de agua es un problema que no solamente afecta a las personas, sino también a la agricultura o la ganadería.

El problema de la escasez de agua se ha resuelto a menudo mediante la excavación de pozos desde los cuales, bien manualmente, mediante accionamiento con animales o por medio de aparatos mecánicos. En zonas en las que el subsuelo tiene muy baja tasa de humedad se produce un agotamiento prematuro de los pozos, dando lugar a carencias que pueden llegar a dificultar la vida en dichas zonas.

Sin embargo, la atmósfera tiene una cierta tasa de vapor de agua en suspensión, que si bien hay zonas en la que esa tasa es baja, es suficiente como para obtener de ella una cantidad de agua suficiente para atender las necesidades elementales, para beber, para usos domésticos, y también para riegos agrícolas.

El factor más importante a tener en cuenta por las cosechadoras de agua es la humedad relativa. A mayor humedad relativa en el aire mayor será el rendimiento de una cosechadora de agua. También son factores importantes la presión atmosférica y la temperatura del aire.

La obtención de agua de la atmósfera no es algo nuevo. En http://www.wahainc.com se divulga la obtención de agua utilizando flujo de aire con niveles de humedad en el orden del 15% utilizando para ello materiales organometálicos; sin embargo, con bajos niveles de humedad el rendimiento es extraordinariamente bajo.

US 2011/8506675 describe un polímero desecante concebido para desecar flujos de aire, de modo que permite capturar parte del agua contenida en el aire. Se describe una instalación que Incluye la condensación con una fuente de frío del aire que entra al dispositivo, sin que la fuente de frío forme parte de la instalación.

En http://www.a2wh.com se describe también la utilización de materiales organometálicos para la obtención de agua de la humedad del aire.

En www.zeromasswater.com se describe un hidro panel solar, que permite recolectar una cierta cantidad de agua del aire, disponiendo de medios de almacenamiento del agua recolectada. Funciona bien con humedad relativa superior al 20%.

Uno de los problemas no resueltos por los antecedentes citados es la obtención de agua de forma eficiente con niveles de humedad muy bajos, en sistemas autónomos y con un coste razonable.

Explicación de la invención

La presente invención se refiere a una cosechadora de agua autónoma, que no requiere alimentación eléctrica, y que, debido a su configuración, tiene un rendimiento mayor que los dispositivos preexistentes.

La cosechadora está basada en los siguientes elementos:

• Un dispositivo de alimentación eléctrica. El dispositivo de alimentación eléctrica está configurado con un panel solar fotovoltaico y un acumulador eléctrico. Este dispositivo de alimentación eléctrica comprende elementos de regulación y control típicos de las instalaciones fotovoltaicas, que no son objeto de esta invención; dicho dispositivo de alimentación eléctrica suministra la energía necesaria a los distintos elementos de la instalación.

• Una unidad de extracción de agua o unidad colectora;

• Una primera unidad de alimentación de aire frío hacia la unidad de extracción de agua;

• Una unidad climatizadora interpuesta entre la absorción de aire y la unidad de alimentación, de modo que produzca un enfriamiento del aire que se suministra a la unidad de extracción de agua;

• Un depósito de almacenamiento del agua extraída.

La invención comprende también una unidad de alimentación de aire caliente para la regeneración de la unidad de extracción de agua, comprendiendo para ello un cuerpo calefactor, que puede estar integrado en la primera unidad de alimentación de aire o en una segunda unidad de alimentación de aire independiente, comprendiendo en este último caso al menos una válvula selectora del origen del aire.

La unidad colectora está formada esencialmente por un intercambiador de calor, en el que el aire frío pasa por un conjunto de conductos de intercambio. En particular, se ha elegido que los conductos de intercambio estén formados por una membrana de PTFE (politetrafluoroetileno) revestidos de MOF (iniciales de Metal Organic Frame, o estructura organometálica) Las estructuras organometálicas son una clase de compuestos que consisten en iones o grupos metálicos coordinados con ligandos orgánicos para formar estructuras unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales. Este MOF es un material orgánico metálico poroso que ha mostrado óptimas condiciones de adsorción de la humedad contenida en el aire. Dichos conductos de intercambio pueden estar también formados por tubos nanomemembranas/nanomallas, estando formadas las nanomembranas o nanomallas por polvo de MOF y polvo de poliamida (nylon), normalmente PA 11 o PA 12. Estas nanomembranas o nanomallas pueden estar conformadas en una impresora 3D por sinterizado selectivo por láser (SLS), de modo que se pueden utilizar en sustitución de la membrana PTFE, con características similares al MOF.

Los conductos tienen forma cónica truncada, en los que la entrada de aire se realiza por la parte más estrecha y la salida por la parte más ancha.

El aire que se introduce en los conductos cónicos truncados es frío, en una primera fase del ciclo, y caliente, en una segunda fase. La primera fase es una fase de impregnación, en la que la humedad del aire queda adsorbida en las partículas de MOF. La segunda fase es una fase de drenaje, en la que el MOF libera las gotas del agua condensada.

En la primera fase el aire frío entra desde la parte inferior y más estrecha de los conos truncados, con una velocidad decreciente conforme aumenta la altura en el tubo, produciéndose un flujo laminar y un proceso de fluidización óptimo, en el que las partículas de MOF adsorben la humedad del aire; en la segunda fase, con la introducción de aire caliente, las partículas de MOF quedan suspendidas en el lecho fijo, colisionando entre sí, y cediendo por desorción el vapor de agua que alojan en su interior a las paredes de las membranas de PTFE o de las nanomembranas o nanomallas. El drenaje se produce por gravedad en el intercambiador. Así, el agua obtenida, ya condensada, se recoge en la parte inferior del intercambiador, en la que se extrae mediante una minibomba para culminar el proceso, y comenzar un nuevo ciclo de adsorción-desorción.

La unidad colectora comprende, además, los siguientes elementos:

• Sensores, incluyendo

o Al menos un sensor de humedad

o Al menos un sensor de temperatura

o Al menos un sensor de presión

• Al menos un conducto de evacuación de aire

• Al menos una zona de recolección del condensado (el agua)

• Al menos una válvula de evacuación del condensado

• Al menos una bomba por la que el condensado se lleva al depósito de almacenamiento;

La unidad climatizadora está formada por un condensador, un evaporador y un compresor alimentado por la unidad de alimentación eléctrica.

El evaporador, como se ha comentado antes, enfría el aire que pasa a través de él en la unidad de alimentación. Cuando la unidad de alimentación esté parada, lo estará también la unidad climatizadora.

Puesto que el intercambiador de la unidad colectora requiere que sea secado frecuentemente, es necesario, o al menos conveniente, que se disponga una unidad calefactora que introduzca aire caliente en la unidad de extracción.

Así, según una opción, la unidad de climatización puede trabajar como una bomba de calor, de modo que el condensador pase a ser evaporador y el evaporador condensador, y por tanto calentando el aire en lugar de enfriarlo. En tal caso, el calentamiento de aire se produciría en el condensador, reduciendo así el consumo de la instalación, toda vez que la energía consumida por la unidad de climatización será siempre menor que la de un bloque de resistencias eléctricas calefactoras. Naturalmente, para ello el compresor y la configuración general de la unidad de climatización debe permitir que la instalación funcione con flujos inversos.

En cualquier caso, serán las condiciones de la instalación, coste de cada uno de los elementos y especificaciones de la instalación las que determinen cual es la configuración idónea.

Conforme a lo descrito anteriormente, la cosechadora de agua de la invención presenta dos modos de funcionamiento, un primer modo en el que se suministra aire frío para la recolección de agua, y un segundo modo en el que se suministra aire caliente para el secado y regeneración de la unidad colectora.

Si bien, por obvio, no forma parte del objeto de la invención, la válvula del colector de agua estará cerrada cuando la bomba esté parada y viceversa. También la válvula selectora de la entrada de aire en la unidad de extracción de agua estará condicionada a que esté activa la unidad climatizadora o la unidad calefactora, según el caso.

De igual modo, la instalación completa se parará cuando el depósito de recolección este lleno, para lo que tiene el correspondiente sensor de nivel, o cuando la energía que se haya de consumir sea superior a la obtenida por el colector solar y el acumulador eléctrico esté por debajo de un umbral predeterminado.

Así, conforme a la invención se presentan las siguientes ventajas con respecto a los antecedentes:

• Mejora del rendimiento y eficiencia de la instalación, especialmente debido al enfriado mediante la utilización de una unidad de climatización, y al diseño del intercambiador mediante conos truncados con membranas de PTFE o utilizando nanomallas o nanomembranas

• Mejor extracción del condensado debido a unos deflectores segmentados en forma de cuña que permiten el movimiento de las gotas de condensado al fondo del intercambiador para su recolección, donde se sitúa una mini bomba de vacío para extraer el condensado, realizando ciclos de adsorción-desorción-fluidización mediante arranques y paradas de dicha bomba

• Permite ser construida con el uso de materiales reciclados.

• No necesita elementos de filtrado para el tratamiento del agua.

• Puede incorporar medios de conectividad de modo que puedan monitorizarse, desde un lugar remoto mediante, por ejemplo, un smartphone, las distintas variables, tales como temperatura, humedad relativa, flujo de aire, presión, o los distintos parámetros de funcionamiento.

Breve descripción de los dibujos

Con objeto de ilustrar la explicación que va a seguir, adjuntamos a la presente memoria descriptiva, cuatro hojas de dibujos, en las que en cuatro figuras se representa, a título de ejemplo y sin carácter limitativo, la esencia de la presente invención, y en las cuales puede observarse lo siguiente:

Figura 1 Muestra una vista de un esquema de la instalación de la cosechadora de agua de la invención;

Figura 2 Muestra una vista esquemática de uno de los conductos que forman el intercambiador de la unidad colectora;

Figura 3 Muestra una vista esquemática lateral del intercambiador;

Figura 4 Muestra una vista esquemática superior del intercambiador, y

En dichas figuras podemos ver los siguientes signos de referencia: 1 unidad de alimentación eléctrica

3 unidad climatizadora

4 unidad colectora

5 depósito de almacenamiento del agua extraída 11 colector solar

12 acumulador eléctrico

13 controlador de carga

14 dispositivo de monitorización

21 impulsor de aire frío

22 impulsor de aire caliente

23 válvula selectora

31 condensador

32 evaporador

33 compresor

41 intercambiador de calor

42 conducto de entrada de aire

43 conducto de evacuación de aire

44 zona de recolección del condensado

45 sensor de humedad

46 sensor de temperatura

47 sensor de presión

48 válvula de drenaje

49 bomba

51 sensor de nivel

61 tubo del intercambiador

62 sección mayor del tubo

63 sección menor del tubo

64 bridas de anclaje de los tubos del intercambiador

Descripción de los modos de realización preferente de la invención

Como se ha indicado anteriormente, la invención consiste en una cosechadora de agua, es decir, en una instalación para la captación, obtención y acumulación de agua contenida en el aire atmosférico para su uso posterior.

La cosechadora comprende los siguientes elementos principales:

• Una unidad de alimentación eléctrica (1), que está formada a su vez por los siguientes elementos:

o Un colector solar (11); el colector solar es un colector solar fotovoltaico que obtiene energía de la radiación solar y la transforma en energía eléctrica;

o Un acumulador eléctrico (12);

o Un controlador de carga (13); el controlador de carga (12) tiene la función de proporcionar la carga al acumulador eléctrico (12), en el caso de que esté en condiciones de admitir carga (no está lleno), y la instalación no está parada;

o Un dispositivo de monitorización (14); el dispositivo de monitorización permite ver el estado de carga del acumulador eléctrico (12) o del nivel de captación de energía del colector solar (11); Esto permite comprobar si el colector solar requiere una limpieza, si está deteriorado y requiere ser sustituido si la captación es inferior a un determinado valor, o si el acumulador eléctrico (12) no está funcionando correctamente; El dispositivo de monitorización (14) puede estar también asociado a otros elementos, tales como bombas o sensores, de los que puede mostrar su estado en todo momento.

Una unidad de alimentación de aire ; la unidad de alimentación de aire comprende:

o Al menos un impulsor de aire frío o caliente; opcionalmente se disponen dos impulsores de aire distintos, uno de aire frío (21) y uno de aire caliente (22); en el caso de que los impulsores de aire sean distintos, está prevista una válvula selectora (23), mediante la cual se bloquee el paso del aire procedente del impulsor de aire caliente, cuando esté funcionando el de aire frío, y se bloquee el paso del aire procedente del impulsor de aire frío cuando esté funcionando el de caliente; obviamente, cuando funciona uno está inactivo el otro, y viceversa;

Una unidad climatizadora (3); la unidad climatizadora (3) comprende:

o un evaporador (31);

o un condensador (32); y

o un compresor (33);

Una unidad colectora (4), que comprende:

o Un intercambiador de calor (41);

o Un conducto de entrada de aire (42);

o Un conducto de evacuación de aire (43); el conducto de evacuación de aire (43) evacúa el aire tras haber pasado por el intercambiador, y tras la condensación en el intercambiador de calor (41) de parte de la humedad contenida en dicho aire;

o Una zona de recolección del condensado (44); la zona de recolección del condensado (44) se sitúa en la parte inferior del intercambiador, donde el agua cae por gravedad; puede también utilizarse una bomba (49) de vacío, a su vez impulsora del agua recolectada hacia la zona de almacenamiento; en dicha zona de recolección puede situarse un sensor de nivel (51);

• Un depósito (5) de almacenamiento del agua recolectada.

La unidad colectora puede también comprender alguno de los siguientes elementos:

• Al menos un sensor de humedad (45);

• Al menos un sensor de temperatura (46);

• Al menos un sensor de presión (47);

• Una bomba (49), de vacío, y suministro del agua recolectada al depósito (5) de almacenamiento del agua recolectada;

• Una válvula de drenaje (48); dicha válvula permite regular el flujo hasta la bomba (49) que a su vez bombea el agua hasta el depósito de almacenamiento (5) del agua extraída.

Conforme a la invención, pueden disponerse los sensores de humedad (45), temperatura (46) y presión (47) tanto aguas arriba como aguas abajo del intercambiador (41).

El evaporador (31) está situado en la entrada de aire de la unidad de alimentación de aire , de modo que el aire conducido pueda ser enfriado para su suministro a una unidad colectora (4).

De acuerdo con una opción, la unidad climatizadora (3) tiene un funcionamiento reversible, es decir, que el evaporador (31) realiza la función de condensador, y el condensador (32) realiza la función de evaporador. Para ello, el compresor (33) debe también tener funcionamiento reversible, como una bomba de calor.

La evacuación del condensado desde la unidad colectora (4) puede tener lugar por gravedad, es decir, situando en este caso el depósito (5) de almacenamiento por debajo de la unidad colectora; no obstante, está prevista la utilización de una bomba de vacío para crear una depresión y facilitar el drenaje de la humedad.

Conforme a la realización preferente, el intercambiador de la unidad colectora (4) está formado por un conjunto de tubos (61) dispuestos en paralelo, soportados por bridas (64). Cada uno de estos tubos (61) tiene forma de tronco de cono, con una sección menor (63) dispuesta en la parte inferior, aguas arriba del flujo de aire, y una sección mayor (62) dispuesta en la parte superior, aguas abajo del flujo de aire. Los tubos están sujetos en el intercambiador de calor por dos pantallas o bafles circulares de 138 mm de diámetro y 10­ 40 mm de espesor fijadas con tres varillas roscadas de 4 mm de diámetro y 700-750 mm de largo permitiendo mantener el cono truncado de malla PTFE tenso sin perder su configuración y logrando un montaje y desmontaje de forma más práctica y expedita. Mediante esta configuración se produce un efecto compresor sobre la masa de aire dispuesta en los tubos, de manera que, al disminuir el volumen, se logra una mayor tasa de humedad relativa, facilitando la condensación.

Los tubos son preferentemente de membrana PTFE (politetrafluoroetileno) o de nanomallas o nanomembranas realizadas con polvo de poliamida combinado con MOF, y sinterizado con láser. y su función es almacenar el polvo de MOF (polímero organometálico) y permitir una óptima salida de condensado e intercambio de calor. Los polímeros organometálicos, debido a su porosidad son capaces de recolectar una cierta cantidad de agua, a modo de esponja. Además, la geometría de la porosidad es idónea para que se produzca la adsorción de la humedad del aire.

Conforme a una realización, el intercambiador incorpora un conjunto de deflectores segmentados en forma de cuña que facilita que las gotas del condensado se desplacen al fondo del intercambiadora mejorando su recolección.

La cosechadora incorpora medios de conectividad con la red (internet) para permitir la monitorización de la instalación (o de un conjunto de instalaciones debidamente identificadas), de las variables atmosféricas (temperatura, humedad, presión y velocidad del aire) y parámetros de estado de la instalación.

La cosechadora de agua de la invención funciona del siguiente modo (los parámetros indicados son a título de ejemplo):

En primer lugar, se proporciona energía a la unidad de control, que revisa el estado de carga de la batería y luminosidad ambiente, decidiendo la unidad si puede o debe iniciarse el proceso de carga de la batería.

A continuación, se monitorizan las variables externas, y particularmente temperatura y humedad relativa, y posiblemente presión atmosférica.

A continuación, se activan los parámetros predeterminados para los ciclos de trabajo:

Temperatura de 12°C a 70°C

Humedad relativa entre 12% y 80%

Velocidad del aire entre 0,2 m/s y

Tiempos de ciclos de adsorción-desorción, entre 25 y 55 minutos

Caudal de aire, situando

Se inician los ciclos de adsorción con MOF, comprendiendo las siguientes operaciones:

En configuración con fuente de calor separada, apertura de válvula permitiendo la toma de aire desde el lado frío

Apertura del conducto de salida de aire del intercambiador

Conexión de ventiladores de succión del aire frío

Conexión de unidad de climatización

Activación de sensores internos de la instalación

Monitorización de los valores fijados para el ciclo de adsorción de agua, y particularmente temperatura, humedad relativa, velocidad del aire, tiempo del ciclo.

Cuando termina el ciclo de adsorción, se para la unidad de climatización, se desconectan los ventiladores de suministro de aire y se cierra la válvula del lado frío.

A continuación, comienza el ciclo de desorción, incluyendo las operaciones siguientes:

Apertura de válvula desde el lado caliente; en caso de que se utilice un sistema de climatización reversible, se tomará el calor temperatura desde el condensador de modo similar a como se toma del evaporador cuando funciona en modo frío, o se activarán las correspondientes resistencias calefactoras en la misma unidad de frío, pero estando la unidad climatizadora desactivada.

Conexión de ventiladores de suministro de aire caliente

Activación de sensores del intercambiador

Monitorización de los valores fijados para el ciclo de desorción, y particularmente temperatura, humedad relativa, velocidad del aire, tiempo del ciclo

Arranque de la bomba de vacío del intercambiador y cierre del conducto de salida, realizando la succión y el vaciado y extracción del condensado, y envío al depósito de almacenamiento del agua obtenida, terminando así el ciclo para la realización de uno nuevo.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. - Cosechadora de agua, que comprende:

• una entrada de absorción del aire atmosférico;

• medios de impulsión del aire atmosférico hacia una unidad colectora;

• una salida de expulsión del aire impulsado desde la unidad colectora al exterior;

• al menos un colector solar fotovoltaico y/o un aerogenerador;

• al menos un acumulador eléctrico de almacenamiento de la energía proporcionada por el colector solar y/o por el aerogenerador;

• Al menos un depósito de almacenamiento del agua extraída;

donde la unidad colectora está formada por un conjunto de tubos por los cuales circula el aire impulsado, teniendo dichos tubos forma de tronco de cono,

caracterizada por que

la cosechadora comprende además un cuerpo de calentamiento del aire absorbido;

y porque los tubos en forma de cono tienen una sección menor (63) dispuesta en la parte inferior, aguas arriba del flujo de aire, y una sección mayor (62) dispuesta en la parte superior, aguas abajo del flujo de aire

2. - Cosechadora de agua, según la reivindicación 1, caracterizada por que los tubos troncocónicos están formados por una membrana de PTFE (politetrafluoroetileno) o tubos nanomallas en el que se aloja un material organometálico (MOF).

3.- Cosechadora de agua, según la reivindicación 1, caracterizada por que los tubos troncocónicos están formados por tubos nanomallas o nanombembranas en formados por una combinación de poliamida y (MOF).

4.- Cosechadora de agua, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que comprende además un cuerpo de enfriamiento del aire absorbido, siendo dicho cuerpo de enfriamiento el evaporador de una unidad climatizadora.

5. - Cosechadora de agua, según la reivindicación 4, caracterizado por que el cuerpo de calentamiento del aire absorbido es independiente del cuerpo de enfriamiento del aire absorbido, y está formado por un elemento calefactor, teniendo el conducto de entrada del condensador una válvula selectora entre posiciones de cerrado, de admisión de aire caliente o de admisión de aire frío.

6. - Cosechadora de agua, según la reivindicación 4, caracterizado por que el cuerpo de calentamiento y el cuerpo de enfriamiento constituye un único elemento combinado con modos de funcionamiento distintos, y dicho cuerpo combinado está provisto de medios de selección del modo de operación en frío o en caliente.

7.- Cosechadora de agua, según la reivindicación 6, caracterizado por que el modo de funcionamiento está determinado por el uso de la unidad climatizadora con un elemento que realiza tanto la función de evaporador para el enfriamiento del aire, como de condensador para su calentamiento.

8. - Cosechadora de agua, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por comprender además en la unidad colectora una bomba de vacío, de extracción del agua de dicha unidad colectora, y de suministro al depósito de almacenamiento.

9. - Cosechadora de agua, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que incorpora medios de conectividad con la red (internet) y monitorización de la instalación, de las variables atmosféricas y/o de parámetros de estado de la instalación.

10. - Proceso de utilización de la cosechadora de agua de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por comprender dos modos de operación, un primer modo de extracción de agua en la unidad colectora, y un segundo modo de regeneración de la unidad colectora, en el que dichos modos tienen lugar de modo automático en ciclos alternativos

11. - Proceso de utilización, según la reivindicación 10, caracterizado por que en modo de extracción de agua del aire comprende las etapas de:

Absorción de aire atmosférico

Enfriamiento del aire por medio de una unidad climatizadora

Suministro del aire a una unidad colectora

Paso del aire frío a través de unos conductos troncocónicos captadores del agua del aire, de PTFE (politetrafluoroetileno) que almacenan polvo de un material organometálico (MOF-Metal Organic Framework) o de tubos nanomallas formados por una combinación de poliamida y MOF

Evacuación del aire absorbido

12.- Proceso de utilización, según la reivindicación 10, caracterizado por que en modo de regeneración de la unidad colectora comprende las etapas de:

Absorción de aire atmosférico

Calentamiento del aire por medio de una unidad climatizadora o por medio de un medio calefactor;

Suministro del aire a una unidad colectora

Paso del aire caliente a través de unos conductos troncocónicos de PTFE (politetrafluoroetileno) o de tubos nanomallas, que contienen el polvo de MOF.

Decantación del agua existente en la unidad colectora

Succión mediante una bomba de vacío

Suministro del agua succionada a un depósito de almacenamiento.