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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus einer Umgebungsluft. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einer Umgebungsluft.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung von Wasser aus einer Umgebungsluft sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind aus der Luftentfeuchtungstechnik entsprechende Absorptionsverfahren bekannt. Dabei wird Feuchtigkeit aus der Luft in sogenannten flüssigen Trockenmitteln, beispielsweise in konzentrierten, hygroskopischen Salzlösungen, absorbiert. Ein stark hygroskopisches Salz ist z.B. Lithiumchlorid. Anschließend wird durch Erwärmung, Vakuumdestillation, Umkehrosmose oder ähnliche Verfahren das Wasser zum Teil wieder aus der Salzlösung entfernt, so dass die Lösung wieder zur Entfeuchtung der Luft eingesetzt werden kann. Industriell wird dieses Verfahren beispielsweise durch die Firma Kathabar angeboten (siehe http://www.kathabar.com/liquid-desiccant/system-features-benefits). Weitere Systeme, die beispielsweise unter der Bezeichnung „Ducool“ auf dem Markt angeboten werden leiten Prozessluft mittels eines Gebläses durch eine wabenartige Struktur, die mit der Salzlösung getränkt ist, so dass dort Wasserdampf aus der Luft von der kühlen und konzentrierten Salzlösung absorbiert wird. Ein separater Regenerationsluftstrom wird durch die mit der warmen Salzlösung getränkte Wabenstruktur geschickt. Dabei verdampft ein Teil des Wassers wieder aus der Salzlösung und der Wasserdampf wird von der Regenerationsluft abgeführt. Die oben dargestellten Verfahren können für den Aufbau eines atmosphärischen Wassergenerators genutzt werden, wobei das Ziel dieser Verfahren die Luftentfeuchtung und nicht die Gewinnung von flüssigem Wasser aus der Umgebungsluft ist. Aus der
WO 2009/135618 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus der Umgebungsluft bekannt.
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Alle oben erwähnten Verfahren und Vorrichtungen weisen nachteiligerweise einen sehr hohen Energieeinsatz auf, insbesondere von elektrischer Energie. Würde man die bekannten atmosphärischen Wassergeneratoren ausschließlich mit regenerativer Energie versorgen, beispielsweise in Wüstenregionen, würde dies die Notwendigkeit einer sehr großen Fläche von photovoltaischen Modulen mit entsprechend hohen Kosten pro Liter des gewonnenen Wassers bedeuten. Bisher werden daher für den Betrieb der bekannten Anlagen mit Verdampfungsvorrichtungen Wärme aus folgenden Quellen eingesetzt: Verbrennung von fossilen Brennstoffen, mit den bekannten Nachteilen für die Umwelt; herkömmliche thermische Solarmodule, oft sogar mit Vakuumröhren, um entsprechend hohe Temperaturen erreichen zu können und mit entsprechend hohen Anlagekosten; sowie Kondensationswärme beim Verfahren der sogenannten Brüdenkompression, wofür wiederum viel elektrische Energie benötigt wird.
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Die bei der Kondensation des Wassers im Anschluss an die Verdampfung/Destillation der Salzlösung anfallende Wärme muss in die Umgebung abgeführt werden. Dazu werden in herkömmlichen Anlagen Wärmetauscher, typischerweise Gas/Gas-Wärmetauscher, beispielsweise Plattenwärmetauscher (Kreuzstrom- oder Gegenstromwärmetauscher) oder auch Kühlvorrichtungen eingesetzt, die wiederum die Anlagenkosten erhöhen.
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Auch die
DE 10 2013 013 214 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus atmosphärischer Luft mit einem fließfähigen Sorbens zur Sorption des Wassers. In einem Verdampfer wird dem so verdünnten Sorbens das aufgenommene Wasser mittels Verdampfung entzogen. Im Verdampfer wird dabei das verdünnte Sorbens mit Unterdruck beaufschlagt. Im Sorbtionsweg ist dabei mindestens ein Wärmetauscher als Vorwärmeeinheit angeordnet. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass hier als Vorwärmeeinheit für das verdünnte Sorbens immer ein teurer, da korrosionsbeständiger Wärmetauscher verwendet wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, welche einfacher und kostengünstiger zu betreiben beziehungsweise herzustellen sind und weniger Energieeinsatz als bekannte Verfahren und Vorrichtungen benötigen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben dient ein gattungsgemäßes Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus einer Umgebungsluft umfasst zumindest folgende Verfahrensschritte: Fördern eines mittels aus der Umgebungsluft absorbierten Wassers verdünnten flüssigen Absorptionsmittels zu und durch mindestens ein Solarmodul, wobei das Absorptionsmittel als Wärmeträgermittel des Solarmoduls dient und Überführen des durch das mindestens eine Solarmodul erwärmten und verdünnten Absorptionsmittels in mindestens einen Verdampfer, wobei der Verdampfer mindestens eine Verdampfungsstruktur umfasst und an und/oder in der Verdampfungsstruktur eine Verdampfung von zumindest einem Teil des in dem erwärmten, verdünnten Absorptionsmittel enthaltenen Wassers erfolgt. Vorteilhafterweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einen Wärmetauscher im Sorbtionsweg vor dem Solarmodul und dem Verdampfer verzichtet werden. Dadurch ist das Verfahren einfach und kostengünstig zu betreiben und benötigt einen geringeren Energieeinsatz als bekannte Verfahren. Das verdünnte Absorptionsmittel wird direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschers, einem entsprechenden Leitungssystem innerhalb des Solarmoduls zugeführt. Das verdünnte flüssige Absorptionsmittel dient als Wärmeträgerflüssigkeit beziehungsweise Solarflüssigkeit im Solarmodul. Die Erwärmung des verdünnten Absorptionsmittels erhöht den Wirkungsgrad der Verdampfung des absorbierten Wassers innerhalb des Verdampfers. Dadurch können die aus der Umgebungsluft gewonnenen Wassermengen signifikant erhöht werden. Die Verdampfungsstruktur ist derart ausgebildet, dass es zu einer großflächigen Verdampfung des in dem erwärmten, verdünnten Absorptionsmittel enthaltenen Wassers kommt. Beispielsweise können für die Verdampfungsstruktur Wabenstrukturen verwendet werden. Da die Verdampfungsstruktur mit einer großen Oberfläche ausgebildet ist, kann die Verdampfung des in dem verdünnten und erwärmten Absorptionsmittel enthaltenen Wassers bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen. Auf kostenintensive Anordnungen zur Verbesserung der Verdampfungsrate an der Verdampfungsstruktur kann vorteilhafterweise verzichtet werden. Unter dem Begriff „flüssiges Absorptionsmittel“ wird dabei jegliche Art von flüssigen Trockenmitteln verstanden, die zu einer Absorption von zumindest einem Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Wassers in dem Absorptionsmittel führen. Bei den flüssigen Absorptionsmitteln kann es sich insbesondere um Salzlösungen, wie zum Beispiel eine Lithiumchloridlösung oder Mischungen unterschiedlicher Salzlösungen, handeln. Unter den Begriffen „Fördern“ und „Überführen“ wird ein aktives Fördern oder Überführen beispielsweise mittels mindestens einer Pumpe aber auch ein Fördern oder Überführen mittels Schwerkraft verstanden.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Rückführung des Absorptionsmittels aus dem Verdampfer zu dem mindestens einen Solarmodul. Die Schritte des Förderns, Überführens und der Rückführung des Absorptionsmittels können dabei mehrfach durchgeführt werden. Insbesondere kann die mehrfache Durchführung der Schritte des Förderns, Überführens und der Rückführung des Absorptionsmittels in einem vorbestimmten Zeitintervall, insbesondere tagsüber, erfolgen. Dies gewährleistet eine besonders hohe Erwärmungs- wie auch Desorptionsrate des Absorptionsmittels beziehungsweise des absorbierten Wassers. Die Rückführung des Absorptionsmittels zu dem mindestens einen Solarmodul kann zudem unter Zwischenschaltung von mindestens einem Vorratsbehälter erfolgen, wobei der Vorratsbehälter flüssigkeitsleitend mit dem Verdampfer und dem Solarmodul verbunden ist. Des Weiteren besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass das Verfahren eine Förderung zu und eine Aufnahme und Speicherung des aus der Umgebungsluft gewonnenen verdünnten Absorptionsmittels in dem mindestens einen Vorratsbehälter umfasst. An der Verdampfungsstruktur des Verdampfers erfolgt eine (Auf-)Konzentration des verdünnten Absorptionsmittels unter Erhalt eines konzentrierten Absorptionsmittels, wobei das konzentrierte Absorptionsmittel einer mit der Umgebungsluft in Kontakt stehenden Absorptionsstruktur mit oder ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschers zugeführt werden kann. Dabei kann das (auf-)konzentrierte Absorptionsmittel in dem Vorratsbehälter zwischengespeichert und in einem vorbestimmten Zeitintervall, insbesondere nachts, der Absorptionsstruktur zugeführt werden. Vorteilhafterweise nutzt diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die unterschiedlichen Tag- und Nachttemperaturen zur Optimierung des Verfahrensablaufs aus, da mit steigender Tag-Nacht-Temperaturdifferenz die Temperaturdifferenz zwischen Absorption und Desorption erhöht wird und damit sich die Wasserausbeute pro Volumeneinheit der Salzlösung erhöht beziehungsweise eine geringere Salzkonzentration in dem Absorptionsmittel benötigt wird. Beide Prozesse (Absorption und Desorption) können aber auch alternierend oder gleichzeitig tagsüber ablaufen. Über den Ab- und Zufluss des verdünnten und/oder des konzentriertes Absorptionsmittels zu und aus dem Vorratsbehälter als Zwischenspeicher kann der Absorptions- und Desorptionszyklus gesteuert werden.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das verdünnte Absorptionsmittel durch ein Inkontaktbringen der Umgebungsluft mit einem flüssigen und höher konzentrierten Absorptionsmittel über ein Versprühen des Absorptionsmittels in der Umgebungsluft oder mittels eines Hindurchleitens der Umgebungsluft durch eine mit dem Absorptionsmittel getränkte Absorptionsstruktur gewonnen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Umgebungsluft großflächig mit dem flüssigen Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird. Für den Fall der Verwendung von einer mit dem Absorptionsmittel getränkten Absorptionsstruktur werden Wabenstrukturen oder auch andere großflächige Strukturen verwendet, über welche das Absorptionsmittel fließen kann und die von der Umgebungsluft durch- und/oder umströmt werden. Auch andere Strukturen sind denkbar, wobei darauf zu achten ist, dass die Umgebungsluft immer großflächig mit dem flüssigen Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird. Durch die genannten Verfahrensschritte ist eine möglichst große Absorption des in der Umgebungsluft enthaltenen Wassers gewährleistet.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mittels der Verdampfungsstruktur verdampfte Wasser mindestens einem Kondensator zugeführt. Dabei kann der Kondensator mindestens eine Kondensationsstruktur zur Kondensation des Wasserdampfes umfassen.
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Dabei kann die Kondensationsstruktur zur Kondensation des Wasserdampfs mit Wasser getränkt sein. Durch diese Maßnahmen ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass zumindest ein Großteil des verdampften Wassers an der Kondensationsstruktur kondensiert und als flüssiges Wasser aus dem Kondensator abgeführt werden kann. Die Kondensationsstruktur weist wiederum eine möglichst große Oberfläche auf, wie dies zum Beispiel durch eine Wabenstruktur erfüllt wird. Aber auch andere Strukturen sind denkbar. In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird innerhalb des Kondensators ein Unterdruck zur Unterstützung der Zuführung des verdampften Wassers zu der Kondensationsstruktur und innerhalb des Verdampfers ein Unterdruck zur Unterstützung der Verdampfung des erwärmten, verdünnten Absorptionsmittels angelegt. Vorteilhafterweise steigert sich dadurch auch die Effizienz des Verfahrens.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Teil des desorptierten Wassers in Fließrichtung nach dem Kondensator über mindestens eine geeignete Vorrichtung aus dem Systemkreislauf entnommen. Dadurch wird einerseits vermieden, dass durch die kontinuierliche Kondensation von Wasser in dem Kondensator die Wassermenge im System stetig zunimmt. Damit der Wasserkreislauf nicht überläuft, wird zumindest ein Teil dieses desorptierten Wasser kontinuierlich oder zu vorbestimmten Zeitpunkten entnommen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Teil des mittels des Kondensators gewonnenen Wassers einem in Fließrichtung nach dem Kondensator angeordneten Wärmetauscher zugeführt, wobei mittels des Wärmetauschers eine Kühlung des gewonnenen Wassers mittels zumindest eines Teils des durch die Absorptionsstruktur gewonnenen verdünnten Absorptionsmittels erfolgt und das gekühlte, gewonnene Wasser dem Kondensator zur Kühlung und/oder Tränkung der Kondensationsstruktur zugeführt wird. Dadurch kann erfindungsgemäß auf zusätzliche, teure Kühlvorrichtungen verzichtet werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus einer Umgebungsluft umfassend mindestens eine Fördervorrichtung zum Fördern eines mittels aus der Umgebungsluft absorbierten Wassers verdünnten Absorptionsmittels zu und durch mindestens ein Solarmodul, wobei das Absorptionsmittel als Wärmeträgermittel des Solarmoduls dient, und das Solarmodul flüssigkeitsleitend mit mindestens einem Verdampfer verbunden ist, wobei der Verdampfer mindestens eine Verdampfungsstruktur umfasst und an und/oder in der Verdampfungsstruktur eine Verdampfung von zumindest einem Teil des in dem durch das Solarmodul erwärmten, verdünnten Absorptionsmittel enthaltenen Wassers erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung kann auf einen Wärmetauscher im Sorbtionsweg vor dem Solarmodul und dem Verdampfer verzichtet werden. Dadurch ist die Vorrichtung einfach und kostengünstig zu betreiben und herzustellen. Sie benötigt einen geringeren Energieeinsatz als bekannte Vorrichtungen. Das verdünnte Absorptionsmittel wird direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschers, einem entsprechenden Leitungssystem innerhalb des Solarmoduls zugeführt. Das verdünnte flüssige Absorptionsmittel dient als Wärmeträgerflüssigkeit beziehungsweise Solarflüssigkeit im Solarmodul. Das Leitungssystem und/oder andere Elemente des Solarmoduls bestehen vorteilhafterweise aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere Kunststoff. Die Erwärmung des verdünnten Absorptionsmittels erhöht den Wirkungsgrad der Verdampfung des absorbierten Wassers innerhalb des Verdampfers. Dadurch können die aus der Umgebungsluft gewonnenen Wassermengen signifikant erhöht werden. Die Verdampfungsstruktur ist derart ausgebildet, dass es zu einer großflächigen Verdampfung des in dem erwärmten, verdünnten Absorptionsmittel enthaltenen Wassers kommt. Beispielsweise können für die Verdampfungsstruktur Wabenstrukturen verwendet werden. Da die Verdampfungsstruktur mit einer großen Oberfläche ausgebildet ist, kann die Verdampfung des in dem verdünnten und erwärmten Absorptionsmittel enthaltenen Wassers bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen. Auf kostenintensive Anordnungen zur Verbesserung der Verdampfungsrate an der Verdampfungsstruktur kann vorteilhafterweise verzichtet werden. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einerseits kostengünstig und einfach hergestellt werden und zudem wird ein geringerer Energieeinsatz benötigt.
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Wie bereits dargelegt, wird der Begriff „flüssiges Absorptionsmittel“ für alle Arten von flüssigen Trockenmitteln, die zur Absorption von zumindest einem Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Wassers dienen können, verwendet. Dabei kann das flüssige Absorptionsmittel beispielsweise eine hygroskopische Salzlösung oder eine Mischung derartiger Salzlösungen sein. Unter dem Begriff „Fördern“ wird ein aktives Fördern beispielsweise mittels mindestens einer Pumpe aber auch ein Fördern mittels Schwerkraft verstanden.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Verdampfer flüssigkeitsleitend mit oder ohne Zwischenschaltung von mindestens einem Vorratsbehälter zur Aufnahme eines von dem Verdampfer rückgeführten Absorptionsmittels, mit dem Solarmodul verbunden. Damit kann eine Rückführung des Absorptionsmittels aus dem Verdampfer zu dem mindestens einen Solarmodul erfolgen. Es entsteht ein Förderkreislauf des Absorptionsmittels. Das Fördern, Überführen und die Rückführung des Absorptionsmittels können dabei mehrfach durchgeführt werden. Insbesondere kann die mehrfache Durchführung der Schritte des Förderns, Überführens und der Rückführung des Absorptionsmittels in einem vorbestimmten Zeitintervall, insbesondere tagsüber, erfolgen. Dies gewährleistet eine besonders hohe Erwärmungs- wie auch Desorptionsrate des Absorptionsmittels beziehungsweise des absorbierten Wassers. Des Weiteren besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass der Vorratsbehälter das aus der Umgebungsluft gewonnene verdünnte Absorptionsmittel aufnimmt und/oder speichert. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass an der Verdampfungsstruktur des Verdampfers eine (Auf-) Konzentration des verdünnten Absorptionsmittels unter Erhalt eines konzentrierten Absorptionsmittels erfolgt, wobei das konzentrierte Absorptionsmittel einer mit der Umgebungsluft in Kontakt stehenden Absorptionsstruktur mit oder ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschers zugeführt werden kann. Dabei kann das (auf-)konzentrierte Absorptionsmittel in dem Vorratsbehälter zwischengespeichert und in einem vorbestimmten Zeitintervall, insbesondere nachts, der Absorptionsstruktur zugeführt werden. Vorteilhafterweise nutzt diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die unterschiedlichen Tag- und Nachttemperaturen zur Optimierung des Verfahrensablaufs aus, da mit steigender Tag-Nacht-Temperaturdifferenz die Temperaturdifferenz zwischen Absorption und Desorption erhöht wird und damit sich die Wasserausbeute pro Volumeneinheit der Salzlösung erhöht beziehungsweise eine geringere Salzkonzentration in dem Absorptionsmittel benötigt wird. Beide Prozesse (Absorption und Desorption) können aber auch alternierend oder gleichzeitig tagsüber ablaufen. Über den Ab- und Zufluss des verdünnten und/oder des konzentriertes Absorptionsmittels zu und aus dem Vorratsbehälter als Zwischenspeicher kann der Absorptions- und Desorptionszyklus gesteuert werden.
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Die Absorptionsstruktur ist zur Absorption von zumindest einem Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Wassers ausgebildet. Dabei wird das verdünnte Absorptionsmittel durch ein Inkontaktbringen der Umgebungsluft mit dem flüssigen und höher konzentrierten Absorptionsmittel über ein Versprühen des Absorptionsmittels in der Umgebungsluft oder mittels eines Hindurchleitens der Umgebungsluft durch die mit dem Absorptionsmittel getränkte Absorptionsstruktur gewonnen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Umgebungsluft großflächig mit dem flüssigen Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird. Für den Fall der Verwendung von einer mit dem Absorptionsmittel getränkten Absorptionsstruktur werden Wabenstrukturen oder auch andere großflächige Strukturen verwendet, über welche das Absorptionsmittel fließen kann und die von der Umgebungsluft durch- und/oder umströmt werden. Auch andere Strukturen sind denkbar, wobei darauf zu achten ist, dass die Umgebungsluft immer großflächig mit dem flüssigen Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird. Das Durchströmen der Umgebungsluft kann mittels geeigneter Vorrichtungen, zum Beispiel Gebläse, verstärkt werden.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Verdampfer mediumsleitend mit mindestens einem Kondensator verbunden, wobei der Kondensator mindestens eine Kondensationsstruktur zur Kondensation des mittels der Verdampfungsstruktur verdampften Wassers aufweist. Die Kondensationsstruktur kann dabei mit Wasser getränkt sein. Durch diese technische Ausgestaltung ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass zumindest ein Großteil des verdampften Wassers an der Kondensationsstruktur kondensiert und als flüssiges Wasser aus dem Kondensator abgeführt werden kann. Die Kondensationsstruktur weist wiederum eine möglichst große Oberfläche auf, wie dies zum Beispiel durch eine Wabenstruktur erfüllt wird. Aber auch andere Strukturen sind denkbar. Die Ausbildung von großen Oberflächen erhöht die Ausbeute an Wasserdampf beziehungsweise Wasser sowohl an der Verdampfungsstruktur wie auch der Kondensationsstruktur. Zudem ist gewährleistet, dass die genannten Vorgänge bei relativ niedrigen Temperaturen effizient durchgeführt werden können. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass in Fließrichtung nach dem Verdampfer und vor oder in dem Kondensator mindestens ein Tropfenabscheider angeordnet ist. Durch den Tropfenabscheider werden zuverlässig aus dem Verdampfer ebenfalls austretende Salzpartikel aus dem Wasserdampf ausgeschieden. Eine Verunreinigung des durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gewonnenen Wassers durch dies Partikel wird damit zuverlässig verhindert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese mindestens einen in Fließrichtung nach dem Kondensator angeordneten Wärmetauscher, wobei zumindest ein Teil des mittels des Kondensators gewonnenen Wassers im Wärmetauscher durch zumindest einen Teil des durch die Absorptionsstruktur gewonnenen verdünnten Absorptionsmittels gekühlt wird und das gekühlte Wasser dem Kondensator zur Kühlung und/oder Tränkung der Kondensationsstruktur zugeführt wird. Durch die zumindest teilweise Rückführung des desorptierten Wassers aus der Umgebungsluft kann auf zusätzliche Wasserquellen verzichtet werden. Damit ist eine kosteneffiziente Gewinnung des Wassers aus der Umgebungsluft gewährleistet.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem Verdampfer und/oder dem Kondensator umfasst. Durch die genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten. Die Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks unterstützen einerseits das Verdampfen des erwärmten, verdünnten Absorptionsmittels im Verdampfer und fördern die Zuführung des Wasserdampfs zu der Kondensationsstruktur im Kondensator.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Entnahme des gewonnenen/desorptierten Wassers aus dem Systemkreislauf. Dabei kann diese Entnahmevorrichtung in Fließrichtung nach dem Kondensator angeordnet sein. Durch die zumindest teilweise Entnahme des gewonnenen/desorptierten Wassers ist einerseits gewährleistet, dass der Wasserkreislauf in der Vorrichtung nicht überläuft, andererseits kann das entnommene Wasser für andere Zwecke verwendet werden. Die Entnahme des desorptierten Wassers kann dabei kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese Mittel zum Steuerung eines Förderns, Überführens und der Rückführung des Absorptionsmittels in einem vorbestimmten Zeitintervall zu vorbestimmten Elementen der Vorrichtung. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung optimal, d.h. mit sich insbesondere den äußeren Bedingungen anpassenden Parametern, betrieben werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Vorrichtung 10 zur Gewinnung von Wasser aus einer Umgebungsluft 68 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung (nicht dargestellt) zum Ausbringen eines flüssigen Absorptionsmittels 16 auf eine Absorptionsstruktur 12. Zum Aufbringen beziehungsweise Auftragen des flüssigen Absorptionsmittels 16 kann ein geeignetes Rohrsystem mit entsprechenden Öffnungen oder Ventilen oder vergleichbare Sprühvorrichtungen verwendet werden. Das flüssige Absorptionsmittel 16 wird dabei insbesondere über eine gesamte obere Fläche der Absorptionsstruktur 12 verteilt und tränkt so die Absorptionsstruktur 12. Das Absorptionsmittel 16 fließt anschließend langsam in die unteren Bereiche der Absorptionsstruktur 12, wo es aus dieser wieder herausfließt und durch ein Wannensystem 18 wieder aufgefangen wird. Man erkennt, dass in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Absorptionsstruktur 12 wabenförmig ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine sehr große Oberfläche an der eine Absorption von zumindest einem Teil des in der Umgebungsluft 68 enthaltenen Wassers erfolgen kann. Die Absorption des Wassers aus der Umgebungsluft 68 erfolgt dabei in dem flüssigen Absorptionsmittel 16, wobei die dadurch entstehende Kondensationswärme durch die große Oberfläche der wabenförmigen Absorptionsstruktur 12 von dem Absorptionsmittel 16 sofort wieder an die Umgebungsluft 68 abgegeben wird. Durch die Absorption von Wasser aus der Umgebungsluft 68 wird das flüssige Absorptionsmittel 16 verdünnt und tritt als verdünntes Absorptionsmittel 20 aus der Absorptionsstruktur 12 aus.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Umgebungsluft 68 großflächig mit dem flüssigen Absorptionsmittel 16 in Kontakt gebracht. Bei dem flüssigen Absorptionsmittel 16 handelt es sich um mindestens eine hygroskopische Salzlösung oder eine Mischung unterschiedlicher Salzlösungen. Beispielsweise wird eine konzentrierte Lithiumchlorid-Lösung verwendet. Die Absorptionsstruktur 12 kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie im Freien aufstellbar ist und von natürlichem Wind durchströmt werden kann. Damit lassen sich Energie- und Anlagekosten sparen, da keine zusätzlichen Gebläse benötigt werden. Sollten die natürlichen Windverhältnisse allerdings keinen genügend großen Durchfluss der Umgebungsluft 68 durch die Absorptionsstruktur 12 erlauben, können natürlich entsprechende Hilfsmittel, wie zum Beispiel Gebläse 14 zusätzlich eingesetzt werden. Die Absorptionsstruktur 12 ist mit geeigneter Durchlässigkeit, geeigneter Stärke und geeigneter Größe zu wählen. Solche Strukturen stehen beispielsweise in einer robusten und gegen Zersetzung geschützten Karton-Ausführung sehr kostengünstig zur Verfügung und werden heutzutage beispielsweise bei der Verdunstungskühlung von Hühnerställen verwendet.
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In der weiteren Beschreibung des Ausführungsbeispiels stellen die mit Pfeilen versehenen geraden Linien Flüssigkeitsleitungen, wie zum Beispiel Rohre oder Schläuche dar, worin die in der Vorrichtung verwendeten Flüssigkeiten in Pfeilrichtung fließen. Die dazu notwendigen Pumpvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt und in der Figur nur in einer Ausführungsvariante dargestellt.
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Es handelt sich dabei um die Fördervorrichtung beziehungsweise Pumpe 22 zum Fördern des durch das absorbierte Wasser verdünnten Absorptionsmittels 20 zu einem Solarmodul 28. Man erkennt, dass im Leitungsweg 24 zwischen der Pumpe 22 und dem Solarmodul 28 ein Vorratsbehälter 60 zur Zwischenspeicherung des verdünnten Absorptionsmittels 20 angeordnet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das verdünnte Absorptionsmittel 20 direkt dem Solarmodul 28 zugeführt wird. In Fließrichtung nach dem Vorratsbehälter 60 ist eine weitere Pumpe 26 angeordnet, die das aus dem Vorratsbehälter 60 ausfließende verdünnte Absorptionsmittel 20 zu dem Solarmodul 28 und durch dieses hindurch leitet. Das Solarmodul 28 weist hierfür ein Leitungssystem auf, welches aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere Kunststoff besteht. Auch weitere Elemente des Solarmoduls 28 bestehen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kunststoff und sind gegenüber dem verdünnten Absorptionsmittel 20 korrosionsresistent. Das verdünnte Absorptionsmittel 20 dient als Wärmeträgerflüssigkeit des Solarmoduls 28. Nach einer entsprechenden Erwärmung im Solarmodul 28 wird das nunmehr erwärmte verdünnte Absorptionsmittel 20 über ein Leitungssystem 30 in einem Verdampfer 34 eingebracht. Hierzu ist das Solarmodul 28 flüssigkeitsleitend mit dem Verdampfer 34 verbunden. Zudem erkennt man, dass der Verdampfer 34 eine Verdampfungsstruktur 36 umfasst, wobei an und/oder in der Verdampfungsstruktur 36 eine Verdampfung von zumindest einem Teil des in dem durch das Solarmodul 28 erwärmten, verdünnten Absorptionsmittels 20 enthaltenen Wassers erfolgt. Die Verdampfungsstruktur 36 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wabenförmig ausgebildet, um so eine möglichst große Verdampfungsoberfläche bereitzustellen.
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Der Verdampfer 34 ist wiederum über ein Leitungssystem 40 flüssigkeitsleitend mit dem Vorratsbehälter 60 verbunden. Der Vorratsbehälter 60 dient auch zur Aufnahme des nunmehr aufkonzentrierten Absorptionsmittels. Hierzu ist der Vorratsbehälter beispielsweise als Schichtspeicher ausgebildet, sodass es zu keiner Vermischung des verdünnten Absorptionsmittels 20 mit dem nunmehr aufkonzentrierten Absorptionsmittel 16 kommt. Mit den halbkreisförmigen Pfeilen ist angedeutet, dass sich durch diese Konstruktion ein Kreislauf für das verdünnte beziehungsweise später aufkonzentrierte Absorptionsmittel ergibt. Über ein mehrmaliges Durchlaufen des Kreislaufes umfassend Vorratsbehälter 60, Solarmodul 28 und Verdampfer 34 ergibt sich eine hohe Ausbeute an Wasserdampf sowie ein weiter aufkonzentriertes Absorptionsmittel 16. Pro Umlauf kann die Ausbeute an Wasserdampf aus dem Absorptionsmittel ca. 5 bis 10 % betragen. Der genannte Kreislauf wird insbesondere tagsüber durchgeführt, da hier das Solarmodul 28 besonders effizient betrieben werden kann. Nachts, das heißt bei üblicherweise niedrigeren Temperaturen kann dann das aufkonzentrierte Absorptionsmittel 16 über eine Pumpe 62 und ein flüssigkeitsleitend zwischen dem Vorratsbehälter 60 und der Absorptionsstruktur 12 angeordnetes Leitungssystem 64 wieder in die Absorptionsstruktur 12 eingebracht werden, sodass wiederum Wasser durch das Absorptionsmittel 16 aufgenommen werden kann und dadurch das verdünnte Absorptionsmittel 20 entsteht, welches wiederum in dem Sammelbehälter 18 aufgefangen wird.
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Des Weiteren erkennt man, dass der Verdampfer 34 über ein Leitungssystem 38 mediumsleitend mit einem Kondensator 44 verbunden ist. Zwischen dem Verdampfer 34 und dem Kondensator 44 ist zudem ein Tropfenabscheider 42 angeordnet. Der Tropfenabscheider 42 trennt die im Verdampfer 34 entstandenen und durch den entstandenen Wasserdampf mitgetragenen Partikel, wie zum Beispiel Salzpartikel, noch vor dem Eintritt des Wasserdampfs in den Kondensator 44, zuverlässig ab. Der Kondensator 44 weist wiederum eine Kondensationsstruktur 46 auf, die wabenförmig ausgebildet ist und somit eine sehr große Oberfläche ausbildet. Das kondensierte Wasser wird aus dem Kondensator 44 ausgeleitet und in einem nachgeordneten Auffangbehälter 48 aufgenommen. Das so gewonnene Wasser kann aus dem Auffangbehälter 48 mittels geeigneter Vorrichtungen entnommen werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zudem gezeigt, dass zumindest ein Teil des gewonnenen Wassers über ein Leitungssystem 50 und eine im Leitungssystem 50 angeordnete Pumpe 52 zu einem Wärmetauscher 54 geleitet wird. Der Wärmetauscher 54 ist zudem mit dem Sammelbehälter 18 flüssigkeitsleitend über ein Leitungssystem 56 verbunden. Im Leitungssystem 56 ist eine Pumpe 58 angeordnet, die bei Betätigung das verdünnte Absorptionsmittel 20 durch den Wärmetauscher 54 leitet und somit das aus dem Kondensator 44 beziehungsweise dem Sammelbehälter 48 stammende Wasser kühlt. Das so gekühlte Wasser kann wiederum über ein Leitungssystem 66 dem Kondensator 44 zur Tränkung der Kondensationsstruktur 46 zugeführt werden. Das verdünnte Absorptionsmittel 20 wird nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 54 wiederum über ein Leitungssystem 56 der Absorptionsstruktur 12 zugeführt. Dieser Kühlvorgang wird vorwiegend tagsüber durchgeführt, da hier die Temperaturdifferenz zwischen dem verdünnten Absorptionsmittel 20 und dem durch den Kondensator 44 gewonnenen Wasser am höchsten ist.
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Des Weiteren erkennt man, dass innerhalb des Verdampfers 34 sowie innerhalb des Kondensators 44 mittels einer Unterdruckvorrichtung 32 ein Unterdruck zur Unterstützung der Zuführung des verdampften Wassers zu der Kondensationsstruktur 46 und zur Unterstützung der Verdampfung des erwärmten, verdünnten Absorptionsmittels 20 vorgesehen ist.
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Zudem weist die Vorrichtung 10 Mittel zur Steuerung eines Förderns, Überführens und der Rückführung des Absorptionsmittels in einem vorbestimmten Zeitintervall zu vorbestimmten Elementen der Vorrichtung 10 auf. Damit kann der Wassergewinnungsprozess den Umgebungsbedingungen, insbesondere den Temperaturbedingungen optimal angepasst werden. Beispielsweise können sowohl die Absorption wie auch die Desorption des Wassers aus der Umgebungsluft 68 alternierend oder gleichzeitig tagsüber ablaufen. Alle genannten Pumpen würden dann gleichzeitig laufen. Um in diesem Fall hohe Wärmeverluste zu vermeiden, können dann im Vor- und Rücklauf des Absorptionsmittels 16, 20 im Absorptionskreislauf mindestens ein Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung angeordnet sein.
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Um aus dem desoptierten Wasser Trinkwasser herzustellen, muss gegebenfalls noch ein Filter- und Desinfektionsprozess bzw. ein Mineralisierungsprozess nachgelagert werden. Diese Prozesse entsprechen dem Stand der Technik. Es wird darauf hingewiesen, dass die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen konzentrierten Absorptionsmittel beziehungsweise Salzlösungen bereits eine starke desinfizierende Wirkung haben. Die Mineralisierung des aus der Luft gewonnenen Wassers könnte einfachheitshalber dadurch geschehen, dass das Wasser durch ein Kiesbett geführt wird.
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Es sei an dieser Stelle klargestellt, dass der Begriff „Wasserdampf“ den gasförmigen Aggregatszustand von Wasser beschreibt und nicht ein Gemisch von Luft und Wassertröpfchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/135618 A1 [0002]
- DE 102013013214 A1 [0005]