DE19734887A1 - Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus der Luft - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus der Luft mit Hilfe eines hygro­ skopischen Absorptionsmaterials, das intermittierend mit feuchter Luft beschickt wird und einer Wärmequelle ausge­ setzt ist.

In dem Aufsatz "Selective water sorbents for multiple applications", der veröffentlicht wurde in React.Kinet.Ca­ tal.Lett. Vol 59, N°2, 1996, Seiten 325 bis 333, werden Absorptionsmaterialien vorgestellt, die unter anderem auch für die Gewinnung von Frischwasser aus der Umgebungsluft eingesetzt werden können. Es handelt sich insbesondere um Kalziumchlorid CaCl₂, mit dem ein poröser Körper aus Silika­ gel imprägniert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ein solches Material verwendende Vorrichtung anzugeben, die mit geringem Energieaufwand, vorzugsweise auf solarer Basis, und praktisch wartungsfrei Wasser zu gewinnen erlaubt.

Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß einen dichten Behälter für das Absorptionsmaterial mit mindestens einem Mittel zur die Einspeisung von feuchter Luft und zum Entzug von Wasser­ dampf sowie mit einer Öffnung für die Abfuhr trockener Luft und für den Anschluß einer Vakuumpumpe sowie einen Kondensa­ tor, auf, der über ein Ventil mit dem Mittel verbunden ist, wobei prozessorgesteuerte Ventile vorhanden sind, die einen Betrieb in zwei Phasen erlauben, von denen die erste eine Einspeisung von feuchter Luft und die zweite eine Regenera­ tion des Absorptionsmaterials und Kondensation des freige­ setzten Wasserdampfes bewirkt.

Die Ventile werden zyklisch von dem Prozessor gesteu­ ert, und zwar entweder nach einem festen Zeitprogramm oder abhängig von Meßwerten wie der Luftfeuchtigkeit, der Inten­ sität der Wärmequelle und des Behälterdrucks. Dabei wechseln Phasen, in denen das Absorptionsmaterial von der Umgebungs­ luft durchströmt wird und Feuchtigkeit absorbiert, mit Phasen ab, in denen die absorbierte Feuchtigkeit mit Hilfe der Wärmequelle aus dem Absorptionsmaterial getrieben und in einem Kondensator verflüssigt wird.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Unteransprü­ che verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden einzigen Figur näher erläutert, die schematisch diese Vorrichtung zeigt.

In der bevorzugten Ausführungsform dient Sonnen­ energie als Wärmequelle, jedoch ist die Erfindung auch mit anderen Wärmequellen realisierbar, wie zum Beispiel mit Abwärme aus Industrieprozessen oder Geothermie.

Wie aus der Figur zu ersehen, enthält ein wannenför­ miger Behälter 1 einen hochporösen Träger, z. B. aus Silika­ gel, dessen Poren mit einem selektiven Wasserabsorptions­ material 2 wie Kalziumchlorid CaCl₂, Lithiumbromid LiBr oder Natriumsulfat Na₂SO₄ imprägniert sind. Der Behälter ist entweder selbst aus einem gut wärmedämmenden Material oder er ist mit einer wärmedämmenden Schicht versehen, die vor­ zugsweise zwischen zwei Wänden des dann doppelwandigen Behälters liegt. In der Figur ist dieser letztgenannte Fall dargestellt, wobei der Zwischenraum nicht nur mit einem wärmedämmenden Material gefüllt, sondern auch noch evakuiert ist. Solche Strukturen sind unter dem Begriff Vakuum-Superi­ solation VSI bekannt. Die flache Wannenform des Behälters ergibt eine große Oberseite, die mit einer Schicht 3 eines Materials dicht bedeckt ist, das bevorzugt den langwelligen Bereich des Sonnenlichts durchläßt. Solches Material ist beispielsweise Schwarzchrom oder Titanoxinitrid (TINOX).

In den Behälter ragen von der der Schicht 3 entgegen­ gesetzten Seite aus mehrere Rohre 4 hinein, die im Inneren des Behälters perforierte Enden besitzen und außerhalb in eine gemeinsame Sammelleitung 5 münden. Weiter ist, bei­ spielsweise auf einer Schmalseite des Behälters, eine Öff­ nung 6 vorgesehen, die mittels Ventilen bei Bedarf geöffnet bzw. verschlossen wird, wie nachstehend erläutert wird. An diese Öffnung ist über ein Ventil 7 eine Vakuumpumpe 8 angeschlossen, und außerdem kann das Innere des Behälters über diese Öffnung 6 und ein Ventil 9 mit der Außenatmosphä­ re in Verbindung gebracht werden.

Dieses Ventil kann wahlweise auch am oberen Ende eines Kamins 10 liegen (Ventil 9'), damit Permanentgas bei der Desorption von Wasser aus dem Material ausgestoßen wird.

Die Sammelleitung 5 ist einerseits über ein Ventil 11 mit einem Bereich, aus dem die feuchte Luft angesaugt werden kann, und andrerseits über ein Ventil 12 mit einem Kondensa­ tor 13 verbunden, in dem Wasserdampf kondensieren kann.

Die Vorrichtung arbeitet in zwei Phasen, die durch die Stellung der einzelnen erwähnten Ventile definiert sind und abwechselnd durch eine reine Zeitsteuerung oder abhängig von Betriebsgrößen wie der Temperatur im Absorptionsmateri­ al, dem Druck im Behälter oder dem Feuchtegehalt der ange­ saugten Luft aktiviert werden.

In einer ersten Phase wird feuchte Luft durch das dann offene Ventil 11 in das Absorptionsmaterial 2 einge­ speist, wobei gleichzeitig trockene Luft über das Ventil 9 (bzw. 9') entweicht. Das Ventil 12 ist währenddessen ge­ schlossen. Nun reichert sich das Absorptionsmaterial 2 mit Feuchtigkeit an. Gleichzeitig steigt mit der Wasseraufnahme die Temperatur des Absorptionsmaterials. Diese erste Phase läuft vorzugsweise während der Nachtstunden ab, wenn kühle Lust, die dann selbst in der Wüste noch eine gewisse Menge Feuchtigkeit enthält, eingespeist werden kann.

Nach Beginn der Sonneneinstrahlung werden das Ventil 9 (bzw. 9') und das Ventil 11 geschlossen und das Ventil 12 geöffnet. Die Sonne läßt die Temperatur im Absorptionsmate­ rial weiter steigen, wodurch die absorbierte Feuchtigkeit freigesetzt wird und als Wasserdampf über die Sammelleitung 5 in den Kondensator 13 gelangt und dort kondensiert. Das Kondensat kann in einen nicht dargestellten Sammeltank abfließen, der gegebenenfalls Teil einer Trinkwasser-Aufbe­ reitungsanlage ist. Der durch Lecks und Ausgasungen gegebe­ nenfalls ansteigende Luftpartialdruck im Behälter kann durch Steuerung des Ventils 9 auf einen gewünschten Wert begrenzt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Vorrichtung beschränkt. So kann auch ein Kompressor vor­ gesehen sein, der die feuchte Luft über das Ventil 11 in die Sammelleitung drückt. Weiter ist es möglich, anstelle der Vielzahl von über das Volumen des Behälters 1 verteilten Rohren 4 zur Einspeisung der feuchten Luft in der ersten Phase und zur Entnahme des Wasserdampfs in der zweiten Phase nur wenige oder ein einziges solches Rohr vorzusehen, das möglichst weit entfernt von der Öffnung 6 ist, so daß die Luft durch ganze Volumen des Behälters strömt.

Im Rahmen der Erfindung kann die Schicht 3 auch transparent sein, so daß dann die Strahlung im porösen Trä­ germaterial für das Absorptionsmaterial in Wärme umgewandelt wird. Dann ist dieses Trägermaterial dunkelfarbig, bevorzugt schwarz, und besteht vorzugsweise aus Kohlenstoff. Die transparente Schicht kann aus einer einzigen Scheibe oder besser aus einer Mehrschichtanordnung mit einer Zwischen­ schicht zwischen zwei transparenten Scheiben bestehen, wobei die Zwischenschicht ein Aerogel enthält und/oder evakuiert ist, damit der Wärmeverlust während der sonnenlosen kalten Tages- oder Nachtzeiten beschränkt bleibt.

Die Sonne als Wärmequelle kann auch durch eine Heizschlange im Behälter ersetzt werden, die von einem Wärmeträgerfluid durchflossen wird.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus der Luft mit Hilfe eines hygroskopischen Absorptionsmaterials, das intermittierend mit feuchter Luft beschickt wird und einer Wärmequelle ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen dichten Behälter (1) für das Absorptions­ material (2) mit mindestens einem Mittel (4) zur Einspeisung von feuchter Luft und den Entzug von Wasserdampf sowie mit einer Öffnung (6) für die Abfuhr trockener Luft und für den Anschluß einer Vakuumpumpe (8) sowie einen Kondensator (13) aufweist, der über ein Ventil (12) mit dem Mittel (4) ver­ bunden ist, wobei prozessorgesteuerte Ventile (7, 9, 11, 12) vorhanden sind, die einen Betrieb in zwei Phasen erlauben, von denen die erste eine Einspeisung von feuchter Luft in den Behälter (1) und die zweite eine Regeneration des Ab­ sorptionsmaterials (2) und Kondensation des freigesetzten Wasserdampfes bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß an den Behälter ein Kamin (10) angebaut ist, der an seinem oberen Ende mit einem Ventil (9') verschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumpumpe (8) über ein Ventil (7) an den Behälter (1) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (4) außerhalb des Behälters (1) über je ein Ventil (11, 12) mit dem Bereich feuchter Luft bzw. dem Kondensator (13) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (4) aus mehreren außerhalb des Behälters miteinander kommunizierenden Rohren besteht, die innerhalb des Behälters (1) perforiert sind und gleichmäßig über das Behältervolumen verteilt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer solaren Wärmequel­ le der Behälter (1) die Form einer flachen Wanne hat, deren Wände mit Ausnahme der der Sonnenstrahlung ausgesetzten Seite wärmedämmend ausgeführt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Seite mit einer wellenlängenselektiven Schicht (3) bedeckt ist, die bevor­ zugt das langwellige Licht durchläßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schicht (3) aus Schwarzchrom oder Titanoxini­ trid ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial aus der Gruppe der selektiven Wasser-Absorptionsmaterialien ausge­ wählt ist, zu der CaCl₂, LiBr und Na₂SO₄ gehören.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Seite des Behälters (1) mit einer transparenten Schicht bedeckt ist und daß das Absorptionsmaterial in ein poröses dunkelfarbi­ ges Trägermaterial verteilt eingebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Trägermaterial schwarzer Kohlenstoff ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schicht aus einem Vakuumraum zwischen zwei transparenten Scheiben be­ steht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schicht zwi­ schen zwei transparenten Scheiben ein transparentes Aerogel enthält.