NO20093003A1 - Vannutvinning - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en enhet for utvinning av vann fra luft, omfattende et luftinntak omfattende en første del som leder luften i en i det minste delvis nedadgående retning til en andre del inneholdende et valgt luftvolum og en tredje del som fører luften ut av den andre delen i en i det minste delvis oppadgående retning til et luftutløp, der den første delen inkluderer en kjøleanordning tilpasset for å kondensere fuktighet i luften og den tredje delen inkluderer en varmeanordning, og luften blir på denne måte beveget gjennom enheten av den resulterende differensielle lufttemperaturen og tettheten gjennom systemet, der vannet blir utvunnet ved kondensering i den første delen, og hvori kjøleanordningen blir drevet av en solvarmefanger.

Description

Vannutvinning

Foreliggende oppfinnelse vedrører en enhet for utvinning av vann fra den omgivende luften, uten at det er nødvendig med ekstern kraftinfrastruktur, ettersom enheten drives på energi fra solen (hovedsakelig solvarme).

Fremskaffelse av rent vann er et problem i store deler av verden, spesielt i områder med et varmt og tørt klima. I disse områdene er det rikelig med solvarme, og normalt bærer den varme luften en ganske stor vannmengde - derfor er det mulig å trekke ut dette vannet. Områdene hvor det er behov for en slik anordning mangler imidlertid ofte infrastrukturen for å forsyne den nødvendige energien som er nødvendig for å drive vannutvinningsprosessen- som er krevet av US7000410, US6336957 og US7373787 hvor den sistnevnte beskriver en løsning som anvender en bærbar generator eller solladede batterier. Det er derfor behov for en enhet som er i stand til å utvinne vannet fra fuktig luft uten behov for kraftforsyninger eller stort og tungt eksternt utstyr. Dette har blitt forsøkt flere ganger, slik som en løsning vist i US58462396, men uten å fremskaffe en løsning som fungerer i praksis.

En løsning beskrevet i US7293420 anvender tyngdekraft for fremskaffelse av en kontinuerlig luftstrøm gjennom anordningen ved å anvende et TEC- eller Peltier-element som har en kjøleside og en varmeside hvor vektforskjellen mellom kjølig og varm luft gir opphav til luftbevegelsen ned i og ut av enheten. TEC/Peltier-elementene er, imidlertid, energikrevende og derfor ekstern kraftforsyning.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe et system som muliggjør produksjon av drikkevann fra den omgivende luften ved å benytte solvarme som hoveddrivkraft. Dette blir oppnådd somkarakteriserti de ledsagende kravene.

Med foreliggende oppfinnelse blir en bærbar vannutvinnende enhet oppnådd med lavt eller fortrinnsvis inget kraftforbruk som derfor er i stand til å produsere vann i hvilket som helst miljø, også langt fra eksterne kraftforsyninger. Dette blir oppnådd ved å anvende en solvarmedrevet kjøleanordning, f.eks. en termisk kjøleanordning eller varmepumpe slik som beskrevet i f.eks. W02005/066555 og WO2008/046120, og også ved å muliggjøre tetthets (vekt) forskjellen mellom den varme og kalde luften for å drive luftsirkulasjonen gjennom systemet for slik å unngå anvendelse av vifter osv.

En hovedsakelig passiv løsning er derfor fremskaffet for luftstrøm basert på differensiell tetthet gjennom systemet.

Foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet mer detaljert under med referanse til den ledsagende tegningen, hvor figur 1 illustrerer den foretrukne utførelsesformen til foreliggende oppfinnelse.

Som illustrert i figur 1, er foreliggende oppfinnelse utgjort av en første del 1, som inkluderer en kjøleanordning 4. Kjøleanordningen 4 øker lufttettheten og gir kondensering, og begge beveger seg ned i den andre delen 2, som inkluderer et vannoppsamlingskammer. Den kjølige luften erstatter luften som allerede er tilstedeværende i kammeret, som ikke er like kald, og blir drevet opp til den tredje delen 3 og ut i omgivelsene. For å kunne forbedre enhetens effektivitet kan den tredje delen bli fremskaffet med en varmeanordning 5 for å varme luften inni ("in side") den tredje delen 3, og derfor luftsirkulasjonen gjennom enheten.

Kjøleanordningen er fortrinnsvis en soldrevet kjølemaskin 6 av en av typene nevnt vedrørende WO2005/066555 og WO2008/046120 eller liknende koblet til kjøleanordningen 4, så vel som en solvarmefanger 7,8, som inkluderer en solvarmefanger 7 og et varmelager 8,. Solvarmefangeren er fortrinnsvis væske/vann-basert, men elektriske enheter kan også bli tatt i betraktning.

Mer detaljert er utstyrets hovedstykker ifølge den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse som følger;

1. Solvarmefangere (flatt panel eller vakuumrør) 7

2. Varmelager (varmtvannsbuffertank) 8

3. Ammoniakkabsorpsjonskjølesystem (designet for "lave" temperaturer < 100 °C) 6 4. Luftstrømenhet 1,2,3 med vannoppsamlingssystem - kjøling/ kondensering 4 og oppvarming 5. 5. Vannrensesystem for å sikre og trygge drikkevann (ikke vist)

Luftsirkulasjonsenheten skulle sirkulere luft uten motordrevne vifter osv. - dvs. nyttiggjøre temperaturforskjeller og derfor luftens tetthetforskjeller, som drivkraften, og muligens ytterligere vindassistert luftstrøm. For å bevise prinsippet for luftsirkulasjon og kondensering av vann uten motordrevne vifter, har det blitt designet en testrigg. Testriggdesignet muliggjør også utvidelse av riggen med både kjøleutstyr og solvarmeoppsamlere for å utvikle systemet til en fullstendig operasjonell testrigg for å demonstrere alle systemets aspekter.

Testriggen blir anvendt for å demonstrere luftstrøms- og

fuktighetkondenseringsprinsippet i virkeligheten, og utvikle designkriterier for det endelige designet. Senere vil testriggen bli videre utviklet til en fullstendig operasjonell rigg for å generere designkriterier for alle systemer som arbeider sammen.

Testriggen ble designet for å undersøke de virkelige dimensjoneringskriteriene for en vannmaskin hvor hoveddrivkraften for luftstrøm er temperaturforskjeller/ tetthetsforskjeller. Den endelige maskinen vil kjøre på en solvarmedrevet kjølemaskin fortrinnsvis av "ammoniakkabsorpsjons"-type - men testriggen har blitt kjørt med kaldt springvann som kjølemedier, og varmt vann fra en elektrisk oppvarmet tank som varmemediet.

Testriggen består av de følgende stykkene/ delene.

Luftinntak 1 med enkelt posefilter for innledende rensing av den sirkulerende luften; for å unngå kontaminering av vannreservoaret med pollen, insekter, osv. For den innledende testingen ble posefilterdelen til inntaket utelatt, og kjørt uten noen renseanordning før kondensering. Videre testing er nødvendig for å optimere inntaksbetingelsene.

Kjøler 4 vann/ luftvarmeveksler for kjøling av inntaksluften; finnecoiltype kobberrør med epoksybelagte aluminiumfinner. Kaldt vann fra en hvilken som helst kilde kan bli sirkulert for å fremskaffe kjøleeffekten eller muligens en integrert termisk kjøler kan bli fremskaffet i sluttdesignet. Under testen ble denne kjøleren kjørt på kaldt springvann for å forenkle oppsett. Vanntemperaturer var rundt 7 °C - som er litt høyere enn det det endelige kjøleutstyret vil bli designet for -; dette fører til noe lavere vannproduksjonskapasitet, spesielt ved lavere temperaturer og fuktighetsgrader. Vannoppsamlingskammer 2 når kaldt vann sirkulerer i kjøleren, luften i kontakt med finnene vil bli avkjølt - og når temperatur blir lavere enn gjeldende duggpunkt for luften, vil kondensering inntreffe. På samme tid vil lufttetthet øke under kjøling - dvs. luft blir tyngre - og synker gjennom varmeveksleren 4 inn i kondenseringskammeret hvor vannet vil bli samlet opp. Luft som avkjøles vil bli drevet nedover (av tyngdekraft) mens den som varmes opp vil bli drevet oppover. Oppvarmingen av luften vil minke tettheten for å få luften til å strømme oppover gjennom varmeren 5. Disse tre effektene (kjøling, kondensering, oppvarming) vil i samarbeid generere den nødvendige luftsirkulasjonen - med tillegg av potensiell vindhjelp dersom omgivende forhold tillater..

Varmer 5 vann/ luftvarmeveksler for å varme luften. Oppvarmet luft blir mindre tett og vil derfor stige opp gjennom varmeveksleren. I en fullstendig operasjonell maskin vil denne varmen bli trukket fra "bakkjøle ("back cooling")"-siden til kjølemaskinen 6, i testriggen ble imidlertid denne varmen (varmt vann) generert i en elektrisk oppvarmet tank, og levert til varmeveksleren av en 12 Volt mag-drive sirkulasjonspumpe som potensielt kunne bli drevet av et solpanelsystem (PV-elementer).

Luftutløpet 3 er konstruert som et kvadrat-til-sirkulært overgangsstykke og et isolert stykke av rør for å forsterke luftens stigkraft gjennom vannoppsamleren. For den innledende testingen ble imidlertid rørdelen til utløpet utelatt av praktiske årsaker. Videre testing vil være nødvendig for å optimere utløpsdesign.

Den innledende testingen av riggen var et en-ukes oppsett i et drivhus for å optimere luftstrømbetingelser, og oppnå noen data for senere designkriterier. Vannoppsamling ble utført en gang om dagen - og volum ble målt. Luftstrøm ble målt gjennom sekundære målinger ettersom måling av veldig lave hastigheter (under 0,25 m/s) er vanskelig. Det ble ikke anvendt noe instrument for å måle denne faktoren direkte.

Måling av temperatur før og etter varmeveksleren og varmeeffekten levert til luften i varmeveksleren vil fremskaffe en indikasjon på den omtrentlige luftstrømmen gjennom varmeveksleren. I tillegg vil vannoppsamlingen fra maskinen også fremskaffe informasjon til reverse beregninger av luftstrøm og varmeutveksling - og derfor luftstrøm. Tilbakeberegning av varme levert til varmeveksleren ble utført ved å tidsberegne av/ på-funksjonen (termostat) til den elektriske varmeren (stoppeklokke og en lyspære i parallell med varmeren).

Temperatur og fuktighet i den omgivende luften ble utført med et termometer og et hårhygrometer, så vel som varmekoblere (" heat-couples") for de forskjellige temperaturene.

Målingene fra den innledende testingen indikerer en luftsirkulasjon/ fronthastighet på varmevekslerinntaket på omtrentlig 0,2 m/s, som under normale omstendigheter vil være tilstrekkelig for å generere nok drikkevann for en familie fra en maskin med POP 1-størrelsen. Disse resultatene ble utledet fra både vannoppsamlingskapasitet og varmekapasitetsmålinger i kombinasjon med reverse kapasitetsberegninger.

Kapasitetsberegninger

Testresultater fra testriggen indikerer frontlufthastighet ved varmevekslerinntaket til omtrentlig 0,2 m/s (basert på varmevekslertverrsnitt) under de gjeldende betingelsene. Videre optimalisering av lufthastigheter - og muligens vindassistert luftstrøm - har potensialet til å øke luftstrøm, og derfor vannproduksjon. For det innledende designet og kapasitetsestimatene har imidlertid 0,2 m/s frontlufthastigheten gjennom varmevekslerene blitt anvendt i beregningene under. To kapasitetsestimater har blitt utviklet; ett med testbetingelsene på den kalde siden (dvs. 7,6 grdC kondensatortemperatur), og ett med litt lavere kondensatortemperaturer (4-5 grdC) for å etterligne virkelige temperaturer en fullstendig operasjonell rigg. De litt lavere kondensatortemperaturene vil generere mer vann, spesielt ved de lavere temperaturene og fuktighetsgradene.

Kapasitet vil variere med kjøletemperatur på den kalde siden - kondensator i vannmaskinen - spesielt ved lavere omgivende temperaturer. Testriggen ble kjørt med sirkulerende vanntemperaturer på 7,5- 8 grdC, som ga en lufttemperatur etter kjølebatteriet på omtrentlig 9,5-10 grdC. Dette valget av temperatur ble betraktet som nøkternt ettersom de kjente solvarmedrevne kjølerene er i stand til å produsere kaldere vann.

Med den ovennevnte solvarmedrevne kjøleren installert kan lavere temperaturer for vannmaskinen - i området 3-4 grdC bli forventet. Dette vil fremskaffe høyere kapasiteter spesielt i de lavere omgivende temperaturene. Maksimal kapasitet vil imidlertid ikke bli påvirket av minimumskjøletemperaturene - ettersom dette vil bli gitt av maksimal kjølekapasitet; i vårt tilfelle i området 2,5 kW.

For å sammenfatte, vedrører foreliggende oppfinnelse derfor en enhet for utvinning av vann fra luft, omfattende et luftinntak omfattende en første del 1 som leder luften i en i det minste delvis nedadgående retning til en andre del 2 som inneholder et valgt luftvolum, og en tredje del 3 som fører luften ut av den andre delen i en i det minste delvis oppadgående retning til et luftutløp. Den første delen inkluderte en kjøleanordning 4 tilpasset for å kjøle luften tilstrekkelig til å oppnå kondensering, og den tredje delen som inkluderer en varmeanordning 5 . Luften blir derfor flyttet gjennom enheten av den resulterende differensielle lufttemperaturen og tettheten gjennom systemet ettersom den kalde luften og kondenseringen vil bevege seg nedover og den oppvarmede luften vil flytte seg oppover og gi sirkulasjon gjennom systemet og tilføre ny fuktig luft inn i systemet. Kjøleanordningen blir drevet av en solvarmefanger 6,7,8 som fremskaffer en kjølende effekt.

Varmeanordningen blir fortrinnsvis også drevet av en varme fanger. Dette kan bli oppnådd på mange måter slik som å ha en mørk farge som blir anbragt i solen, men ifølge den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse blir både kjøleanordningen og varmeanordningen drevet av en kjølemaskin som diskutert vedrørende de ovennevnte patentsøknadene WO2005/066555 og WO2008/046120, som på denne måte blir drevet av solvarmefangeren. Varmeanordningen er koblet til bakkjølingen av den samme kjølemaskinen, slik at begge effektene ("outputs") til kjøleren blir benyttet. For å kunne sikre drift også etter solnedgang, kan solvarmefangeren også inkludere varmelagringshjelpemiddel slik som en varmtvannstank. For avtapning av det produserte vannet kan det inkluderes en kran.

Claims (5)

1. Enhet for utvinning av vann fra luft, omfattende et luftinntak omfattende en første del som leder luften i en minst delvis nedadgående retning til en andre del inneholdende et valgt luftvolum og en tredje del som fører luften ut av den andre delen i en minst delvis oppadgående retning til et luftutløp, der den første delen omfatter en kjøleanordning tilpasset for å kondensere fuktighet i luften karakterisert vedat den tredje delen omfatter en varmeanordning, og luften blir så beveget gjennom enheten av den resulterende differensielle lufttemperaturen og tettheten gjennom systemet, og der vannet blir utvunnet ved kondensering i den første delen, og hvori kjøleanordningen blir drevet av en solvarmefanger.

2. Enhet ifølge krav 1, der varmeanordningen også blir drevet av en solvarmefanger.

3. Enhet ifølge krav 2, der kjøleanordning er koblet til en kjølemaskin drevet av solvarmefangeren og varmeanordningen er koblet til bakkjølingen av den samme kjølemaskinen, som derfor benytter både kjøleeffekten og varmeeffekten fra maskinen.

4. Enhet ifølge krav 1, der den andre delen omfatter et rør og/eller kran for å slippe vannet ut.

5. Enhet ifølge krav 1, også omfattende hjelpemiddel for lagring av varme som er fanget fra omgivelsene.