WO2015135749A1 - Verfahren zur gewinnung von trinkwasser und vorrichtung zur trennung von gasgemischen mittels einer gaszentrifuge - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von trinkwasser und vorrichtung zur trennung von gasgemischen mittels einer gaszentrifuge Download PDF

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WO2015135749A1
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air
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gas mixture
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Lambertus MONNÉE
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Monnée Lambertus
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    • B01D53/24—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B11/00—Feeding, charging, or discharging bowls
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/265—Drying gases or vapours by refrigeration (condensation)

Definitions

  • the present invention relates to a method for obtaining drinking water from the humidity of the ambient air by means of condensation and a device for separating gas mixtures.
  • Gas centrifuges for the separation of gas mixtures have been known for a long time. For example, in uranium enrichment, gas centrifuges are used to separate uranium isotopes. But also for the separation of other gas mixtures gas centrifuges are known.
  • DE 10 2009 032 241 A1 shows a gas centrifuge for separating the air components and for separating methane from biogas. Further examples of these purposes and of the separation of other gas mixtures can be found in DE 100 15 546 A1 and in EP 1 044 324 B1.
  • the gas mixture to be separated is introduced into a rapidly rotating drum and brought there for rotation.
  • the drum is divided into sectors or compartments to guide the gas mixture into rotation.
  • the heavier gas components accumulate in the radial outer region of the drum and are discharged there.
  • the lighter gas components accumulate in the radial inner region of the drum and are discharged there.
  • the separation space the space in which the separation takes place and which is referred to below as the separation space, the single sector or the individual compartment of the drum.
  • the optimum separation is not achieved, so that a further object of the present invention is to improve the separation efficiency of gas centrifuges, in particular for use in processes for the production of drinking water.
  • the object of the present invention is to provide a method for obtaining drinking water, which consumes less energy and to provide a device for the separation of gas mixtures, with which a more effective separation can be achieved and which can also be used as a gas centrifuge for the production of drinking water.
  • the ambient air is heated.
  • the heat source is the heat of condensation of the condensate produced in this process and the heat of the air present in the system. The origin of this energy will be further explained later in this description.
  • Air consists mainly of nitrogen (about 78% by volume of the dry air), oxygen (about 21% by volume of the dry air), argon (about 1% by volume of the dry air) and water vapor (about 0.1% to 3% by volume of the moist air ). Since the weight of the water vapor obtained in the ambient air is about 62.5% of the weight of the dry air, the oxygen and nitrogen in the radially outer area of the gas centrifuge and the water vapor in the radially inner area of the gas centrifuge will concentrate. The supply to the radially inner region takes place by the action of the centrifuge and by the supply of ambient air.
  • the air enriched with water vapor is then removed by suction from the radial inner area.
  • this extracted enriched air has a relative humidity of nearly 100%.
  • the setpoint of the control is nearly 100% (for example 99%) relative humidity and not exactly 100%, otherwise condensation may occur in the gas centrifuge.
  • the control variable of the control is the amount of extracted air. When the measured humidity increases, the control will increase the amount of extracted air, decreasing the measured humidity, reducing the amount of extracted air until a balance is achieved between supplied humid air - through the centrifuge and ambient air supply - and extracted air at eg 99% relative humidity.
  • the residence time is determined by the flow rate of the ambient air through the gas centrifuge.
  • the parameter "residence time” is controlled, since the flow rate through the gas centrifuge is determined via the volume flow control.
  • the accumulated water vapor-depleted air in the radial outer region is removed from the gas centrifuge by suction.
  • the outgoing streams consisting of enriched air and depleted air, when reassembled, must have the same composition as the incoming stream, or in other words: Mass balance of material flows through the gas centrifuge must be considered, ie be balanced. This is achieved as follows: Also, the amount of extracted depleted air is determined by a volume flow control. The relative humidity of the extracted depleted air is also measured. It is then calculated how much depleted air would be needed to return to the same relative humidity of the incoming ambient air along with the extracted enriched air if both flows were merged. This calculated quantity is then the manipulated variable for the volume flow control. The calculation also requires that the relative humidity of the incoming ambient air be measured. This calculation is as follows:
  • F IN Amount of incoming ambient air in m 3 / h Q IN Water vapor content in% by volume of the incoming ambient air
  • F AN Amount of extracted water vapor enriched air in m 3 / h Q AN water vapor content in% by volume of water vapor taken off enriched air
  • F AB Amount of extracted water vapor depleted air in m 3 / h Q AB water vapor content in% by volume of water vapor taken off depleted air.
  • the enriched air is fed to a condenser.
  • the cooling medium of the condenser is the ambient air.
  • the water vapor of the enriched air is then condensed at ambient temperature. Since the enriched air is heated to ambient temperature and already has a relative humidity of nearly 100% and is cooled down again to ambient temperature in the condenser, the steam will condense almost completely. This is an essential difference from the prior art, wherein the ambient air is taken and then cooled to well below the ambient temperature, namely the dew point, using cooling power.
  • the ambient air is heated only by means of the heat of condensation released in this process and the heat present in the system and the heated ambient air is then cooled again to ambient temperature, without energy being required for cooling. So there is no energy for the cooling necessary, since no cooling to below the ambient temperature is required.
  • the air in a gas centrifuge section was mechanically enriched to near 100% relative humidity. By cooling to ambient temperature, the enriched air reaches well below the dew point.
  • the ambient air As a cooling medium for the condenser, the ambient air is used.
  • the ambient air is heated by the heat of the enriched air and by the heat of condensation and then introduced into the gas centrifuge.
  • the ambient air introduced into the gas centrifuge can also be heated by the heat of the depleted air.
  • any temperature level in the system can be maintained. It is then sought a much higher temperature than the ambient temperature in order to achieve maximum efficiency in the condensation.
  • the ambient air entering the gas centrifuge can be heated by both the heat of condensation and the depleted air.
  • a temperature control is provided, as a reference variable, a certain temperature of the ambient air in the gas centrifuge and as a manipulated variable, the ratio of the flow rate of the ambient air through the condenser and through the heat exchanger of the depleted air is used.
  • the throughput of the ambient air through the condenser will always be such that the heat of condensation is always completely dissipated under all circumstances in order to achieve maximum efficiency in the condensation.
  • the return of the heat of the depleted air and the enriched air into the system alone is sufficient to maintain a certain temperature level in the system without external energy input. But it still comes the condensation heat. Therefore, while maintaining the temperature level, removal of heat from the system is possible. This heat can then be stored to be used again in the event of a system startup.
  • the ambient air is heated with external heat sources before it enters the gas centrifuge. Instead of external energy sources, such. As fossil fuels or solar energy, the stored heat can be used for this purpose. When the desired temperature in the system is reached, this external heat source is no longer required.
  • the existing temperature level in the system is maintained by the transfer of the heat of condensation and the heat of the enriched and depleted air to the ambient air introduced into the gas centrifuge.
  • a further advantage of the method according to the invention is that by returning the heat to the system, a relatively high ambient air temperature can be maintained in the system, which enables high efficiency in the condensation process.
  • Another significant advantage of the method according to the invention is the relatively low energy consumption. Only energy for the rotation of the gas centrifuge is consumed. There is no cooling power required to cool the ambient air and to dissipate the heat of condensation. This results in a significant energy savings, which the use of renewable energy sources, such. As solar energy, easier.
  • a conventional gas centrifuge can be used to carry out the process according to the invention.
  • an improved separation of the heated ambient air can be achieved if the gas mixture to be separated according to the invention is at rest relative to the separation space and thereby act exclusively on the centrifugal and centripetal forces on the mixture.
  • the turbulence in the separation space that occurs in the hitherto known gas centrifuges by converting the linear movement of the gas mixture to be separated from the supply line into a rotary movement of the gas mixture to be separated in the separation space and the conversion of the rotary movement of the gas mixture into the discharge line when the gas mixture exits Gas mixture in a linear motion, which in turn leads to turbulence, which act back into the separation space can be avoided.
  • the turbulences affect the separation efficiency and the efficiency of the separation process.
  • a chamber which is preferably cylindrical or cuboidal and which is fixedly connected at one of its two ends to the axis and extends radially outwardly therefrom at a right angle.
  • the other, off-axis end of the chamber has a higher velocity of revolution than the chamber end connected to the axis.
  • the heavier gas components will accumulate towards the off-axis end of the chamber and the lighter gas components toward the near-axis end of the chamber.
  • the transport of the lighter or heavier gas components to the near-axis or off-axis region of the chamber takes place in a substantially laminar flow.
  • the gas mixture to be separated is introduced between the two ends, for example in the middle of the chamber.
  • the heavier gas components are taken from the chamber at the off-axis portion of the cylinder.
  • the lighter gas components are taken from the chamber at the near-axis region of the chamber.
  • the supply of the gas mixture to be separated into the chamber, the removal of the heavier gas components from the off-axis end of the chamber and the removal of the lighter gas components from the near-axis end of the chamber take place via lines which extend parallel to the longitudinal axis of the chamber (in the radial direction) , These lines are connected to concentrically arranged cavities in the interior of the axis, which serve as continuations of the supply and discharge lines.
  • the supply line for the gas mixture to be separated runs parallel to the chamber (to the separation chamber), it is now possible to introduce the gas mixture to be separated at any point in the chamber or in the separation space when the introduction of the supply line in the Chamber is made displaceable in the radial direction.
  • the gas mixture to be separated should be introduced at the point in the chamber at which the gas mixture to be separated has the same composition as the already at least partially separated gas in the chamber. This has the advantage that as a result of the composition of the gas to be separated being substantially equal to the gas in the chamber in the separation process, no concentration jumps and associated diffusion processes or turbulences occur. This also contributes to an increase in the efficiency of the separation process.
  • a second chamber can be mounted directly opposite the chamber on the other side of the axis, a second chamber with the same principle of action and with the same length and the same diameter.
  • the two chambers then form a straight line with the axis, which lies exactly in the middle between the two chambers. This for the purpose of preventing imbalance and to ensure a stable turning operation of the construction.
  • any number of chambers in particular cylinders or cuboids, can be mounted on the axis of rotation, provided they all have the same length, the same diameter and are mounted equidistantly at the same angle to each other.
  • the number of chambers can be both even and odd.
  • Another advantage of the invention is the ease of scaling. If a higher separation efficiency in the sense of higher concentrations of the separated gas components is desired, a longer residence time in the separation space is required. A longer residence time in the chamber or in the separation chamber is achieved by a longer chamber or by longer chambers. If a higher throughput of the gas mixture to be separated is required, this is achieved with chambers with a larger diameter.
  • the gas centrifuge according to the invention is also suitable for separating other gaseous mixtures.
  • Figure 1 is a schematic representation of the method according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of a portion of one of the gas centrifuge according to the invention.
  • the heated ambient air is brought into rotation. Via fan 2, the water vapor-enriched air is sucked out. At position 3, the relative humidity of the enriched air is measured. The amount of enriched air extracted by fan 2 is such that at location 3, nearly 100% relative humidity is measured.
  • the condenser 4 the water vapor-enriched air is condensed. At the point 6, the condensate is present, which is disinfected in the unit 7 and mineralized, so that at point 8 drinking water is present. About fan 9, the depleted air is sucked. At position 10, the relative humidity is measured.
  • the amount of depleted air extracted from fan 9 is such that if one were to rejoin depleted and enriched air, one would get air with the same humidity as the ambient air.
  • heat exchanger 11 the incoming ambient air 5 is heated with the heat of the depleted air.
  • unit 12 the air entering the gas centrifuge is heated when the system starts up. Unit 12 is needed only for the startup of the system.
  • the chamber 21, which is preferably a cylinder or a cuboid, identifies the space in which the gas mixture is separated into the gas fractions.
  • the chamber 21 is fixedly mounted with its one end 31 to the axis 212 and extends at right angles to the axis of rotation 212.
  • the gas mixture to be separated is supplied via a supply line 22 and introduced at the point 23 in the chamber 21.
  • the location 23, ie the location at which the gas mixture to be separated enters the chamber 21, is displaceable in the radial direction with respect to the rotation axis 212 or along the longitudinal axis of the chamber 21 in FIG.
  • the gas mixture to be separated is fed to the feed line 22 via the axially extending cavity 24 situated in the axis 212.
  • the heavier gas components of the chamber 21 are removed and discharged via the discharge line 26.
  • the discharge line 26 is continued over the concentric axis 212 extending cavity 27.
  • the lighter gas components of the chamber 21 are removed and discharged via the discharge line 29.
  • the discharge line 29 is continued over the axis located in the axial cavity 210.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation, bei der die Umgebungsluft erwärmt und die erwärmte Umgebungsluft in einer Gaszentrifuge aufgetrennt und die mit Wasserdampf angereicherte Umgebungsluft aus der Gaszentrifuge entnommen und verflüssigt wird, wobei die bei der Kondensation freigesetzte Kondensationswärme verwendet wird für die Erwärmung der Umgebungsluft. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches.

Description

[Bezeichnung der Erfindung erstellt durch ISA gemäß Regel 37.2]
VERFAHREN ZUR GEWINNUNG VON TRINKWASSER UND VORRICHTUNG ZUR TRENNUNG VON GASGEMISCHEN MITTELS EINER GASZENTRIFUGE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation und eine Vorrichtung zur Trennung von Gasgemischen.
Es ist bekannt, Trinkwasser aus der Umgebungsluft zu gewinnen durch Abkühlung der Umgebungsluft bis unter den Taupunkt, damit der in der Luft enthaltene Wasserdampf kondensiert. Die dafür erforderliche Kühlleistung wird dabei von einer Kältemaschine erbracht, wie zum Beispiel in der DE 103 61 930 A1 beschrieben. Nachteil dieser Methode ist, dass nicht nur Kühlleistung erforderlich ist für die Abkühlung der Umgebungsluft, sondern auch für die Abfuhr der frei werdenden Kondensationswärme. Die Kondensationswärme kann nicht über die Umgebungsluft abgeführt werden, da diese in der Regel eine Temperatur oberhalb des Taupunkts hat. Die Kondensationswärme ist immens: für z.B. 10 kg Wasser beträgt diese 22,57 MJ. Wird diese Menge innerhalb einer Stunde kondensiert, bedeutet dies eine Leistung von 6,27 kW. Diese Energie muss von der Kältemaschine abtransportiert werden. Die Kältemaschine muss dementsprechend dimensioniert werden und verbraucht dementsprechend viel Energie.
Gaszentrifugen zur Trennung von Gasgemischen sind schon seit langem bekannt. So werden zum Beispiel bei der Urananreicherung Gaszentrifugen für die Trennung von Uranisotopen verwendet. Aber auch zur Trennung von anderen Gasgemischen sind Gaszentrifugen bekannt. So zeigt zum Beispiel die DE 10 2009 032 241 A1 eine Gaszentrifuge zur Trennung der Luftbestandteile und zur Trennung von Methan aus Biogas. Weitere Beispiele für diese Zwecke und für die Trennung von anderen Gasgemischen findet man in der DE 100 15 546 A1 und in der EP 1 044 324 B1.
In all diesen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird das zu trennende Gasgemisch in eine schnell rotierende Trommel eingeführt und dort zur Rotation gebracht. Die Trommel ist dabei in Sektoren bzw. Kompartimente eingeteilt, um das Gasgemisch in die Rotation zu führen. Die schwereren Gaskomponenten sammeln sich im radialen äußeren Bereich der Trommel an und werden dort abgeführt. Die leichteren Gaskomponenten sammeln sich im radialen inneren Bereich der Trommel an und werden dort abgeführt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gaszentrifugen ist der Raum, in dem die Trennung stattfindet und der im Folgenden als Trennungsraum bezeichnet wird, der einzelne Sektor bzw. das einzelne Kompartiment der Trommel. Allerdings wird in den bislang bekannten Gaszentrifugen nicht die optimale Trennung erzielt, so dass eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, die Trennwirkung von Gaszentrifugen, insbesondere für den Einsatz in Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser, zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser anzugeben, das weniger Energie verbraucht und eine Vorrichtung zur Trennung von Gasgemischen anzugeben, mit der eine effektivere Trennung erreicht werden kann und die auch als Gaszentrifuge zur Gewinnung von Trinkwasser einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in Bezug auf die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird keine Kühlleistung für die Kühlung der Umgebungsluft bis unter den Taupunkt benötigt und keine Kühlleistung für die Abfuhr der Kondensationswärme. Für die Kühlung der Umgebungsluft bis unter den Taupunkt und die Abfuhr der Kondensationswärme reichen in diesem Verfahren die Umgebungsbedingungen.
Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Umgebungsluft erwärmt. Die Wärmequelle ist die Kondensationswärme des in diesem Verfahren entstehenden Kondensats und die Wärme der im System vorhanden Luft. Die Herkunft dieser Energie wird später in dieser Beschreibung weiter erläutert.
Nach der Erwärmung wird die Umgebungsluft in einer Gaszentrifuge in Rotation gebracht. Luft besteht hauptsächlich aus Stickstoff (circa 78 Vol % der trockenen Luft), Sauerstoff (circa 21 Vol % der trockenen Luft), Argon (circa 1 Vol % der trockenen Luft) und Wasserdampf (circa 0,1 bis 3 Vol % der feuchten Luft). Da das Gewicht des in der Umgebungsluft erhaltenen Wasserdampfs circa 62,5 % des Gewichtes der trockenen Luft beträgt, werden sich der Sauerstoff und der Stickstoff im radialen Außenbereich der Gaszentrifuge und der Wasserdampf im radialen Innenbereich der Gaszentrifuge aufkonzentrieren. Die Zufuhr zum radialen Innenbereich findet statt durch die Wirkung der Zentrifuge und durch die Zufuhr der Umgebungsluft. Aus dem radialen Innenbereich wird dann die mit Wasserdampf angereicherte Luft durch Absaugung entnommen. Idealerweise hat diese entnommene angereicherte Luft eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 %. Dies wird mit einer Volumendurchflussregelung erreicht. Dazu wird die relative Luftfeuchtigkeit der abgesaugten Luft gemessen. Der Sollwert der Regelung ist nahezu 100 % (z.B. 99 %) relative Luftfeuchtigkeit und nicht exakt 100 %, da sonst Kondensation in der Gaszentrifuge auftreten kann. Die Stellgröße der Regelung ist die Menge der abgesaugten Luft. Steigt die gemessene Luftfeuchtigkeit, wird die Regelung die Menge abgesaugter Luft vergrößern, nimmt die gemessene Luftfeuchtigkeit ab, wird sie die Menge abgesaugter Luft verringern, bis ein Gleichgewicht entsteht zwischen zugeführter feuchter Luft - über die Wirkung der Zentrifuge und über die Zufuhr der Umgebungsluft - und abgesaugter Luft bei z.B. 99 % relativer Luftfeuchtigkeit. Für die Trennleistung der Luft in der Gaszentrifuge gibt es zwei Parameter: die Drehzahl und die Verweildauer. Die Verweildauer wird bestimmt durch den Durchsatz der Umgebungsluft durch die Gaszentrifuge. Über die hier geschilderte Regelung steuert man den Parameter Verweildauer, da über die Volumendurchflussregelung der Durchsatz durch die Gaszentrifuge bestimmt wird.
Auch die angesammelte mit Wasserdampf abgereicherte Luft im radialen Außenbereich wird der Gaszentrifuge durch Absaugung entnommen. Durch die Absaugung von sowohl abgereicherter Luft aus dem radialen Außenbereich der Gaszentrifuge als auch von angereicherter Luft aus dem radialen Innenbereich der Gaszentrifuge entsteht ein eingehender Strom von Umgebungsluft in die Gaszentrifuge hinein.
Damit einzelne Bestandteile der in die Gaszentrifuge einführten Luft sich nicht in der Gaszentrifuge anhäufen, müssen die ausgehenden Ströme, bestehend aus angereicherter Luft und abgereicherter Luft, wenn man sie wieder zusammenfügen würde, die gleiche Zusammensetzung haben wie der eingehende Strom, oder anders ausgedrückt: Die Massenbilanz der Stoffströme über die Gaszentrifuge betrachtet muss stimmen, d.h. ausgeglichen sein. Dies wird wie folgt erreicht: Auch die Menge der abgesaugten abgereicherten Luft wird durch eine Volumendurchflussregelung bestimmt. Dabei wird auch die relative Feuchtigkeit der abgesaugten abgereicherten Luft gemessen. Es wird dann berechnet, wie viel abgereicherte Luft benötigt würde, um zusammen mit der entnommenen angereicherten Luft wieder die gleiche relative Luftfeuchtigkeit der eingehenden Umgebungsluft zu erreichen, wenn beide Ströme zusammengefügt werden würden. Diese berechnete Menge ist dann die Stellgröße für die Volumendurchflussregelung. Für die Berechnung ist es ebenfalls erforderlich, dass die relative Luftfeuchtigkeit der eingehenden Umgebungsluft gemessen wird. Diese Berechnung gestaltet sich wie folgt:
Es gilt:
FIN = FAN + FAB und
FIN*QIN = FAN*QAN + FAB*QAB und
Temperatur und Druck im betrachteten System sind konstant,
wobei:
FIN Menge der eingehenden Umgebungsluft in m3/h
QIN Wasserdampfgehalt in Vol % der eingehenden Umgebungsluft
FAN Menge der entnommenen an Wasserdampf angereicherten Luft in
m3/h
QAN Wasserdampfgehalt in Vol % der entnommenen an Wasserdampf
angereicherten Luft
FAB Menge der entnommenen an Wasserdampf abgereicherten Luft in
m3/h
QAB Wasserdampfgehalt in Vol % der entnommenen an Wasserdampf
abgereicherten Luft.
Es gibt nun zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten (FIN und FAB). Die anderen Variablen QIN, FAN, QAN und QAB sind durch Messung bekannt.
Beispiel der Lösung der zwei Gleichungen:
Es wird gemessen:
QIN = 1 Vol %
QAN = 3 Vol %
FAN = 200 m3/h (entstanden durch die Volumendurchflussregelung)
QAB = 0,5 Vol %
FIN = FAN + FAB Þ FIN = 200 + FAB
FIN*QIN = FAN*QAN + FAB*QAB Þ FIN*0,01 = 200*0,03 + FAB*0,005 Þ
(200 + FAB)*0,01 = 6 + FAB*0,005 Þ 2 + FAB*0,01 = 6 + FAB*0,005 Þ FAB*0,005 = 4 Þ
FAB = 800 m3/h
FIN = 200 + 800 Þ FIN = 1000 m3/h
Die angereicherte Luft wird einem Kondensor zugeführt. Das Kühlmedium des Kondensors ist die Umgebungsluft. Der Wasserdampf der angereicherten Luft wird dann bei Umgebungstemperatur kondensiert. Da die angereicherte Luft gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt ist und schon eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 % hat und im Kondensor wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, wird der Wasserdampf fast vollständig kondensieren. Hierin liegt ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik, worin die Umgebungsluft genommen wird und dann bis weit unter der Umgebungstemperatur, nämlich zur Taupunkttemperatur, abgekühlt wird unter Inanspruchnahme von Kühlleistung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aber die Umgebungsluft erst mittels der in diesem Verfahren freiwerdenden Kondensationswärme und der im System vorhandenen Wärme erwärmt und die erwärmte Umgebungsluft dann wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt, ohne dass für die Kühlung Energie benötigt wird. Es ist also gar keine Energie für die Kühlung notwendig, da keine Kühlung bis unter die Umgebungstemperatur erforderlich ist. Vor der Abkühlung wurde die Luft in einem Bereich der Gaszentrifuge mechanisch zu einer relativen Feuchtigkeit von nahezu 100 % angereichert. Durch die Abkühlung auf Umgebungstemperatur gelangt die angereicherte Luft also weit unter den Taupunkt.
Es ist auch möglich, mehrere Gaszentrifugen in Reihe zu schalten, um eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 % in der angereicherten Luft zu erreichen. Dabei wird die aus dem radialen Innenbereich entnommene angereicherte Luft der nächsten Gaszentrifuge in der Reihe zugeführt.
Als Kühlmedium für den Kondensor dient die Umgebungsluft. Die Umgebungsluft wird durch die Wärme der angereicherten Luft und durch die Kondensationswärme erwärmt und dann in die Gaszentrifuge eingeführt. Parallel zu dieser Erwärmung kann die in die Gaszentrifuge eingeführte Umgebungsluft auch durch die Wärme der abgereicherten Luft erwärmt werden. Durch die Rückführung der im System vorhandenen Wärme sind keine externen Wärmequellen erforderlich, um ein bestimmtes Temperaturniveau im System zu erhalten.
Durch die Rückführung der im System vorhandenen Wärme kann auch ein beliebiges Temperaturniveau im System erhalten bleiben. Es wird dann eine wesentlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur angestrebt, um eine maximale Effizienz bei der Kondensation zu erreichen.
Wie schon erwähnt, kann die in die Gaszentrifuge eingehende Umgebungsluft sowohl durch die Kondensationswärme als auch durch die abgereicherte Luft erwärmt werden. Eine Temperaturregelung wird vorgesehen, wobei als Führungsgröße eine bestimmte Temperatur der Umgebungsluft in der Gaszentrifuge und als Stellgröße das Verhältnis des Durchsatzes der Umgebungsluft durch den Kondensor und durch den Wärmetäuscher der abgereicherten Luft verwendet wird. Dabei wird der Durchsatz der Umgebungsluft durch den Kondensor immer derart sein, dass die Kondensationswärme immer unter allen Umständen vollständig abgeführt wird, um eine maximale Effizienz bei der Kondensation zu erreichen.
Die Rückführung der Wärme der abgereicherten Luft und der angereicherten Luft in das System alleine reicht aus, um ein bestimmtes Temperaturniveau im System ohne externe Energiezufuhr zu erhalten. Es kommt aber noch die Kondensationswärme dazu. Deshalb ist unter Beibehaltung des Temperaturniveaus eine Abfuhr von Wärme aus dem System möglich. Diese Wärme kann dann gespeichert werden, um bei einem eventuellen Hochfahren des Systems wieder verwendet zu werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nämlich erforderlich, dass für den Anlauf dieses Verfahrens die Umgebungsluft vor dem Eintritt in die Gaszentrifuge mit externen Wärmequellen erwärmt wird. Statt externer Energiequellen, wie z. B. fossilen Brennstoffen oder Solarenergie, kann hierfür auch die gespeicherte Wärme verwendet werden. Wenn die gewünschte Temperatur im System erreicht ist, ist diese externe Wärmequelle nicht mehr erforderlich. Das vorhandene Temperaturniveau im System bleibt durch die Übertragung der Kondensationswärme und der Wärme der angereicherten und der abgereicherten Luft auf die in die Gaszentrifuge eingeführte Umgebungsluft erhalten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die Rückführung der Wärme in das System eine relativ zur Umgebungstemperatur hohe Temperatur der Umgebungsluft im System erhalten bleiben kann, was eine hohe Effizienz beim Kondensationsvorgang ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik sind die erweiterten Einsatzbedingungen dieses Verfahrens. Dies wird begründet durch den rein mechanischen Vorgang zum Erreichen einer relativen Feuchtigkeit von nahezu 100 % in der Gaszentrifuge. Temperatur und relative Feuchtigkeit der Umgebungsluft spielen dann keine Rolle mehr. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann auch in heißen trockenen Wüsten angewendet werden. Dies im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, in denen die Umgebungsluft zum Taupunkt abgekühlt wird. Unterhalb einer bestimmten relativen Feuchtigkeit der Umgebungsluft (circa 40 %) funktioniert dieses Verfahren nicht mehr (Wikipedia-Artikel: Kondensationstrocknung).
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der relativ geringe Energieverbrauch. Es wird nur Energie für die Rotation der Gaszentrifuge verbraucht. Es ist keine Kühlleistung erforderlich, um die Umgebungsluft abzukühlen und um die Kondensationswärme abzuführen. Dadurch entsteht eine wesentliche Energieeinsparung, was den Einsatz von regenerativen Energiequellen, wie z. B. Solarenergie, leichter ermöglicht.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine herkömmliche Gaszentrifuge eingesetzt werden.
Eine verbesserte Trennung der erwärmten Umgebungsluft kann jedoch erzielt werden, wenn sich das zu trennende Gasgemisch erfindungsgemäß relativ zum Trennungsraum in Ruhe befindet und dadurch ausschließlich die zentrifugalen und zentripetalen Kräfte auf das Gemisch einwirken. Hierdurch können die bei den bislang bekannten Gaszentrifugen durch Umwandlung der linearen Bewegung des zu trennenden Gasgemisches aus der Zufuhrleitung in eine rotative Bewegung des zu trennenden Gasgemisches in der Trommel auftretenden Turbulenzen im Trennungsraum und die beim Austritt des Gasgemisches in die Abfuhrleitung erfolgende Umwandlung der rotativen Bewegung des Gasgemisches in eine lineare Bewegung, die wiederum zu Turbulenzen führt, die in den Trennungsraum zurückwirken, vermieden werden. Die Turbulenzen beeinträchtigen die Trennleistung bzw. den Wirkungsgrad des Trennprozesses.
Erfindungsgemäß wird nicht eine um ihre Achse drehende Trommel verwendet sondern eine Kammer, die vorzugsweise zylindrisch oder quaderförmig ist und die mit einem ihrer beiden Enden fest mit der Achse verbunden ist und sich in radiale Richtung von dieser unter einem rechten Winkel nach außen erstreckt. Durch diese Konstruktion hat bei Drehung der Achse das andere, achsferne Ende der Kammer eine höhere Umlaufgeschwindigkeit als das Kammerende, das mit der Achse verbunden ist. Wenn die Achse sich dreht, werden sich daher die schwereren Gaskomponenten Richtung achsfernem Ende der Kammer ansammeln und die leichteren Gaskomponenten Richtung achsnahem Ende der Kammer. Der Transport der leichteren bzw. schwereren Gaskomponenten zum achsnahen bzw. achsfernen Bereich der Kammer findet in einer im Wesentlichen laminaren Strömung statt. Das zu trennende Gasgemisch wird zwischen den beiden Enden, zum Beispiel in der Mitte der Kammer, eingeführt. Die schwereren Gaskomponenten werden der Kammer am achsfernen Bereich des Zylinders entnommen. Die leichteren Gaskomponenten werden der Kammer am achsnahen Bereich der Kammer entnommen. Die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches in die Kammer, die Abfuhr der schwereren Gaskomponenten aus dem achsfernen Ende der Kammer und die Abfuhr der leichteren Gaskomponenten aus dem achsnahen Ende der Kammer finden über Leitungen statt, die parallel der Längsachse der Kammer (in radiale Richtung) verlaufen. Diese Leitungen sind verbunden mit konzentrisch angeordneten Hohlräumen im Inneren der Achse, die als Weiterführungen der Zu- und Abfuhrleitungen dienen.
Der Grund dafür, dass im Trennungsraum durchgängig weitaus weniger Turbulenzen sondern nur eine im Wesentlichen laminare Strömung vorhanden ist, ist, dass die Bewegungsumsetzungen linear in rotativ bzw. rotativ in linear des zugeführten Gasgemisches bzw. der abgeführten Gaskomponenten in den parallel zum Zylinder verlaufenden Zu- und Abfuhrleitungen stattfinden und nicht mehr in oder am Rande des Trennungsraums selbst. Es wirken im Trennungsraum dann nur noch die für die Trennung benötigten zentripetalen und zentrifugalen Kräfte auf das Gasgemisch ein und nicht mehr die Kräfte, die die Gase in und aus Rotation bringen. Es entsteht dadurch eine im Wesentlichen laminare Strömung im Trennungsraum. Dadurch erhöht sich die Trennleistung bzw. der Wirkungsgrad des Trennprozesses.
Dadurch, dass die Zufuhrleitung für das zu trennende Gasgemisch parallel zu der Kammer (zum Trennungsraum) verläuft, besteht nun die Möglichkeit, das zu trennende Gasgemisch an einer beliebigen Stelle in die Kammer bzw. in den Trennungsraum einzuführen, wenn die Einführung der Zufuhrleitung in die Kammer in radialer Richtung verschiebbar gemacht wird. Vorzugsweise sollte das zu trennende Gasgemisch an der Stelle in der Kammer eingeführt werden, an der das zu trennende Gasgemisch die gleiche Zusammenstellung wie das bereits wenigstens teilweise getrennte Gas in der Kammer hat. Dies hat den Vorteil, dass dadurch, dass die Zusammensetzung des zu trennenden Gases mit dem im Trennungsverfahren befindlichen Gas in der Kammer im Wesentlichen gleich ist, keine Konzentrationssprünge und damit verbundene Diffusionsprozesse oder Turbulenzen eintreten. Auch dies trägt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Trennprozesses bei.
Als weitere Ausgestaltung der Erfindung kann direkt gegenüber der Kammer auf der anderen Seite der Achse eine zweite Kammer mit dem gleichen Wirkungsprinzip und mit der gleichen Länge und dem gleichen Durchmesser angebracht werden. Die beiden Kammern bilden dann eine gerade Linie mit der Achse, die genau in der Mitte zwischen den beiden Kammern liegt. Dies mit dem Zweck, einer Unwucht vorzubeugen und einen stabilen Drehbetrieb der Konstruktion zu gewährleisten. Es ist ebenfalls möglich, mehr als zwei Kammern mit gleicher Länge, gleichem Durchmesser und Geometrie an der Achse anzubringen, so dass zum Beispiel eine Konstruktion mit vier Kammern in der Form einer Windmühle entsteht, wobei die Drehachse den Mittelpunkt bildet. Im Prinzip können so beliebig viele Kammern, insbesondere Zylinder oder Quader, an der Drehachse angebracht werden, vorausgesetzt, sie haben alle die gleiche Länge, den gleichen Durchmesser und sind abstandsgleich jeweils in demselben Winkel zueinander montiert. Die Anzahl der Kammern kann dabei sowohl geradzahlig, als auch ungeradzahlig sein.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die einfache Skaliermöglichkeit. Ist eine höhere Trennleistung im Sinne von höheren Konzentrationen der getrennten Gaskomponenten gewünscht, ist eine größere Verweildauer im Trennungsraum erforderlich. Eine größere Verweildauer in der Kammer bzw. im Trennungsraum wird durch eine längere Kammer bzw. durch längere Kammern erreicht. Ist ein höherer Durchsatz des zu trennenden Gasgemisches erforderlich, wird dies mit Kammern mit höherem Durchmesser erreicht.
Die erfindungsgemäße Gaszentrifuge ist auch zum Trennen anderer gasförmiger Gemische geeignet.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer der erfindungsgemäßen Gaszentrifuge.
In der in Figur 1 dargestellten Gaszentrifuge 1 wird die erwärmte Umgebungsluft in Rotation gebracht. Über Ventilator 2 wird die mit Wasserdampf angereicherte Luft abgesaugt. An der Stelle 3 wird die relative Feuchtigkeit der angereicherten Luft gemessen. Die Menge der von Ventilator 2 abgesaugten angereicherten Luft ist derart, dass an der Stelle 3 nahezu 100 % relative Feuchtigkeit gemessen wird. Im Kondensor 4 wird die mit Wasserdampf angereicherte Luft kondensiert. Als Kühlmedium dient die Umgebungsluft 5. An der Stelle 6 ist das Kondensat vorhanden, das in der Einheit 7 desinfiziert und mineralisiert wird, damit an der Stelle 8 Trinkwasser vorhanden ist. Über Ventilator 9 wird die abgereicherte Luft abgesaugt. An der Stelle 10 wird die relative Feuchtigkeit gemessen. Die Menge der von Ventilator 9 abgesaugten abgereicherten Luft ist derart, dass wenn man abgereicherte und angereicherte Luft wieder zusammenfügen würde, man Luft mit der gleichen Luftfeuchtigkeit bekommen würde wie die Umgebungsluft. In Wärmetauscher 11 wird die eingehende Umgebungsluft 5 mit der Wärme der abgereicherten Luft erwärmt. In Einheit 12 wird die in die Gaszentrifuge eingehende Luft beim Anlauf des Systems erwärmt. Einheit 12 wird nur für den Anlauf des Systems benötigt.
In der in Figur 2 schematisch dargestellten Gaszentrifuge kennzeichnet die Kammer 21, die vorzugsweise ein Zylinder oder ein Quader ist, den Raum, in dem die Trennung des Gasgemisches in die Gasfraktionen erfolgt. Die Kammer 21 ist mit ihrem einen Ende 31 an der Achse 212 fest montiert und erstreckt sich rechtwinklig zu der Drehachse 212. Das zu trennende Gasgemisch wird über eine Zufuhrleitung 22 zugeführt und an der Stelle 23 in die Kammer 21 eingeführt. Die Stelle 23, d.h. der Ort, an dem das zu trennende Gasgemisch in die Kammer 21 eintritt, ist in radiale Richtung in Bezug auf die Drehachse 212 bzw. entlang der Längsachse der Kammer 21 in Figur 2 entsprechend Pfeil P verschiebbar. Über den in der Achse 212 befindlichen axial verlaufenden Hohlraum 24 wird das zu trennende Gasgemisch der Zuführleitung 22 zugeführt. An der Stelle 25 nahe dem anderen Ende 32 der Kammer 21 werden die schwereren Gaskomponenten der Kammer 21 entnommen und über die Abfuhrleitung 26 abgeführt. Die Abfuhrleitung 26 wird über den konzentrisch der Achse 212 verlaufenden Hohlraum 27 weitergeführt. An der Stelle 28 nahe dem Ende 31 der Kammer 21, an dem sich die leichteren Gasbestandteile anreichern, werden die leichteren Gaskomponenten der Kammer 21 entnommen und über die Abfuhrleitung 29 abgeführt. Die Abfuhrleitung 29 wird über den in der Achse befindlichen axial verlaufenden Hohlraum 210 weitergeführt. Um Unwuchten zu vermeiden, sind vorzugweise an der Drehachse 212 wenigstens zwei oder mehr Kammern 21’ vorgesehen, wie in Figur 2 schematisch dargestellt.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft mittels Kondensation, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    (1) Erwärmung der Umgebungsluft,
    (2) Einführung der erwärmten Umgebungsluft in mindestens einer Gaszentrifuge,
    (3) Auftrennen der Umgebungsluft in der Gaszentrifuge in eine mit Wasserdampf bis zu einer relativen Feuchtigkeit von nahezu 100 % angereicherte Fraktion und eine mit Wasserdampf abgereicherte Fraktion,
    (4) Entnahme der nahezu 100 % mit Wasserdampf angereichten Umgebungsluft aus der Gaszentrifuge und
    (5) Verflüssigung des Wasserdampfes aus dieser mit Wasserdampf angereichten Umgebungsluft mittels Kondensation bei Umgebungstemperatur, wobei die bei der Kondensation freigesetzte Kondensationswärme verwendet wird für die im Verfahrensschritt (1) stattfindende Erwärmung der Umgebungsluft.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Wasserdampf angereicherte Luft aus dem radialen Innenbereich der Gaszentrifuge durch Absaugung entnommen wird und dass die mit Wasserdampf abgereicherte Luft aus dem radialen Außenbereich der Gaszentrifuge abgesaugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der abgesaugten mit Wasserdampf angereicherten Luft durch eine Volumendurchflussmengenregelung bestimmt wird, deren Führungsgröße eine relative Luftfeuchtigkeit von bis zu 100 % der abgesaugten mit Wasserdampf angereicherten Luft ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der abgesaugten, mit Wasserdampf abgereicherten Luft durch eine Volumendurchflussmengenregelung bestimmt wird, deren Führungsgröße die gleiche relative Luftfeuchtigkeit wie die Umgebungsluft in einer hypothetischen Wiederzusammenführung von abgesaugter angereicherter und abgesaugter abgereicherter Luft ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Absaugung von angereichter und abgereichter Luft eine eingehende Strömung von der Umgebungsluft in die Gaszentrifuge entsteht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf der abgesaugten, mit Wasserdampf angereicherten Luft in einem Kondensor bei Umgebungstemperatur kondensiert wird und die bei der Kondensation freigesetzte Kondensationswärme und die Wärme der mit Wasserdampf angereicherten Luft verwendet wird für die Erwärmung der in die Gaszentrifuge eingeführten Umgebungsluft und/oder die Wärme der mit Wasserdampf abgereicherten Luft zur Erwärmung der in die Gaszentrifuge eingeführten Umgebungsluft verwendet wird.
  7. Vorrichtung zur Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches, insbesondere Gaszentrifuge, insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszentrifuge (1) zumindest eine Kammer (21) umfasst, in der die Trennung des Gasgemisches erfolgt und eine Drehachse (212), wobei die Kammer (21) mit einem ihrer beiden Enden (31, 32) rechtwinklig an einer sich drehenden Achse (212) fest montiert ist, und wobei sich bei Drehung der Kammer (21) um die Drehachse (212) in Folge der durch die Drehung entstehenden zentrifugalen Kräfte in der Kammer (21) die leichteren Bestandteile des Gasgemisches in Richtung dem achsnahen Ende (31) der Kammer (21) und sich die schwereren Bestandteile des Gasgemisches in Richtung des achsfernen Endes (32) der Kammer (21) ansammeln und die leichteren Bestandteile am achsnahen Ende (31) und die schweren Bestandteile am achsfernen Ende (32) der Kammer (21) entnommen werden können.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (21) ein Zylinder oder ein Quader ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu trennende Gasgemisch zwischen den beiden Ende (31, 32) der Kammer (21) in die Kammer (21) eingeführt wird.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kammer (21) zwei Abfuhrleitungen (26, 29) vorgesehen sind, die der Abfuhr der leichten bzw. schwereren Bestandteile des Gasgemisches dienen und die Abfuhrleitungen (26, 29) von der Kammer (21) für die getrennten Bestandteile des Gasgemisches und die Zufuhrleitung (22) zu der Kammer (21) für das zu trennende Gasgemisch parallel zu der Kammer (21) verlaufen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zu der Kammer (21) angebrachten Zu- und Abfuhrleitungen (22, 26, 29) in Hohlräume (24, 27, 210) münden, die konzentrisch und axial um die Drehachse (212) verlaufen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeführten Gasbestandteile aus den Hohlräumen (27, 210) am Ende der Achse (212) entnommen und das zugeführte Gasgemisch am Ende der Achse (212) in den Hohlraum (24) eingeführt wird.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zu trennende Gasgemisch an einer Stelle (23) in die Kammer (21) eingeführt wird , an der das Gasgemisch in der Kammer (21) in etwa die gleiche Zusammensetzung wie das in der Kammer befindliche bereits wenigstens teilweise aufgetrennte Gasgemisch aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle der Einführung (23) des zu trennenden Gasgemisches in die Kammer (21) in radialer Richtung verschiebbar ist.
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