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WO2005043060A1 - Verbesserter wärmetauscher zur wassergewinnung aus luft - Google Patents

Verbesserter wärmetauscher zur wassergewinnung aus luft Download PDF

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WO2005043060A1
WO2005043060A1 PCT/DE2004/002407 DE2004002407W WO2005043060A1 WO 2005043060 A1 WO2005043060 A1 WO 2005043060A1 DE 2004002407 W DE2004002407 W DE 2004002407W WO 2005043060 A1 WO2005043060 A1 WO 2005043060A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
water
heat exchanger
coolant
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2004/002407
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pollert Heiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Patentpool Innovations Management GmbH
Original Assignee
Patentpool Innovations Management GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patentpool Innovations Management GmbH filed Critical Patentpool Innovations Management GmbH
Priority to DE112004002625T priority Critical patent/DE112004002625D2/de
Publication of WO2005043060A1 publication Critical patent/WO2005043060A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0083—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
    • E03B3/00—Methods or installations for obtaining or collecting drinking water or tap water
    • E03B3/28—Methods or installations for obtaining or collecting drinking water or tap water from humid air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F17/00—Removing ice or water from heat-exchange apparatus
    • F28F17/005—Means for draining condensates from heat exchangers, e.g. from evaporators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use

Definitions

  • the total volume of water on earth is estimated at approximately 1383 million cubic kilometers. It is mainly salt water. Only the vanishingly small remainder of 2.6% is in fresh water. Fresh water is water with less than 1 gram of evaporation residue. Subtracting from this quantity the polar ice, glacial ice and the very deep-lying groundwater, which are difficult for humans to reach, shows that only around 8% of the available fresh water can be used directly by humans, animals and plants. Life in the form known to us is inconceivable without water on our planet.
  • Water is a building material in the photosynthesis of plants and a component of organisms
  • 2 water is a solvent, e.g. B. for soil nutrients
  • 3 water is food
  • 4 water is solvent, transport and swelling agent for all organisms. It enables the numerous chemical and colloid chemical cell reactions.
  • Water is not just a hydrophilic reaction space, plastic - elastic filler, heat storage and cold storage. It is also a compound with memory properties and has interesting interactions with electromagnetic waves and sound waves.
  • the water cycle of nature is a decisive regulation for the conservation of fresh water. This is made up of the processes of water evaporation, precipitation, runoff and the subsequent re-evaporation.
  • the balance of the global water cycle of the earth shows that a larger amount of water evaporates on the oceans in the same period of time than is deposited by precipitation. On the other hand, the situation on land is reversed.
  • a beech forest with an area of one hectare releases an average of over 10,000 liters of water every day during its growing season, i.e. a mass of 10 tons.
  • the water vapor cools down again and condenses into small droplets, which in turn form clouds. If these droplets reach a certain size, they are caught by gravity and fall back to earth as rain, snow or hail. Around 80 percent of this amount reaches the sea, the rest, about a trillion liters a year, goes to the mainland.
  • the uneven distribution of rainfall on earth is one of the largest
  • one method is to allow the water contained in the air to condense on a horizontally stretched film, which is lowered at one point, and to drop it into a container placed underneath.
  • a horizontally stretched film which is lowered at one point, and to drop it into a container placed underneath.
  • the basic principle used here is to let the available air sweep past a cool surface, to cool it down in this way and to force it to release part of the water bound in the air. Because air of a certain temperature can only store a certain amount of water as air humidity. When this amount is reached, the air is saturated with water vapor. If the air is subsequently cooled, it can only store a smaller amount of water vapor. The excess water in this way can no longer be held by the air and falls out, it condenses. This happens because the excess water vapor condenses on cooler surfaces, condenses into drops that follow gravity.
  • this principle of action is used by, on the one hand, ensuring that as much air as possible flows past a surface that is cooler than the current air temperature and that the corresponding surface is made as large as possible.
  • Such a device with which heat or cold is transferred from one medium to another, is called a heat exchanger.
  • This is essentially a heat exchanger with a housing through which a gaseous medium flows in the longitudinal direction and with a plurality of heat exchanger tubes arranged in the longitudinal direction of the housing and through which a coolant flows.
  • the heat exchanger tubes are designed as helical tube strands and the tube strands are connected on the coolant inlet side and coolant outlet side to coolant distributor pipes with coolant inlet and coolant outlet.
  • the pipe strands running in the longitudinal direction of the housing are arranged in the front view of the housing with the formation of tube bundles, and that two or more tube bundle rings are provided in a concentric arrangement. It is also emphasized that the adjacent tube strands of the tube bundle rings engage with their helixes by a predetermined amount in the pitch between the helixes (cf. DE 101 35 653 A1, claim 1).
  • the problem of impending icing of the heat exchanger is not addressed. As is known, this represents a real danger in practical operation.
  • the efficiency of the known heat exchanger can be improved by suitable measures. The aspect of cleaning the heat exchanger is also not taken into account in the described prior art.
  • the object of the heat exchanger according to the invention is therefore to specify a device or a method with which the risk of icing during operation is largely avoided and the overall efficiency is increased.
  • the heat exchanger tubes designed as helical tube strands are not supplied with coolant from a common system, but rather are divided into several coolant circuits which are supplied with coolant in different ways.
  • Another important aspect of the heat exchanger according to the invention is that the direction of flow of the coolant is opposite to the direction of flow of the air flow, and that the water obtained can be easily discharged via a device for water separation.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the heat exchanger according to the invention.
  • 2 shows a plan view and a cross section of this heat exchanger.
  • FIG. 3 shows a basic illustration of a defrosting device for cooling coils
  • This device has a function similar to the current electrically operated
  • Connections (3) and (4) lying lines act as an electrical
  • the direction of the arrow shows the direction of flow of the coolant. This means that coolant flows into the heat exchanger at this point.
  • the number of the coolant circuits is not limited to the number three. According to the invention, two or more than three coolant circuits can also be provided.
  • On the right side of the heat exchanger shown in Figure 1 is schematically one
  • the heat exchanger according to the invention also fulfills its function if the
  • This inclination of the slats is adjustable by motor and can
  • Airflow speed can be adjusted. This can be done manually and / or automatically.
  • a sensor for detecting the icing is shown as an example under (17).
  • Such sensors are known, for example, from aircraft construction.
  • the SAW signal is sensitive to condensation due to dew or frost, but not
  • sensors are located at the entrance of the air flow
  • Measurement of air humidity and air temperature are determined by suitable means.
  • FIG. 2 shows a top view of the heat exchanger according to the invention and an associated view of the cross section.
  • three concentrically arranged, ring-shaped supply lines A, B and C are drawn in the circular structured top view, each of which feeds a coolant flow to the individual coolant circuits A, B and C.
  • the small circles labeled A, B or C symbolize the top view of the helical pipe strings of the individual coolant circuits.
  • the corresponding connecting pipes from the supply lines A, B and C to the individual coolant circuits A, B and C are not shown for reasons of clarity.
  • the control of the coolant flow through the individual coolant circuits is controlled in such a way that in each case one or more circuits are operated at the boundary for icing.
  • This condition is characterized by a high compressor pressure and a low coolant flow.
  • the defrost phase essentially occurs by stopping the coolant flow.
  • the phases of icing and defrosting take place alternately depending on the air humidity.
  • (12) denotes the mergers between the individual cooling coils (2) and the corresponding cooling circuit inlets.
  • the insulation elements marked with (13) ensure that the
  • Cooling circuit mergers (12) on the one hand ensure the inflow of coolant, but on the other hand it is ensured that no impermissible electrical
  • Cooling coil (2) and the housing (1) Cooling coil (2) and the housing (1).
  • Heat exchanger housing ,. evaporator housing
  • Isolation element (cooling coil)
  • Heating coil air heating
  • Claim 1 Heat exchanger with a housing (1) through which a gaseous medium flows in the longitudinal direction, in which a plurality of helical tube strands arranged in the longitudinal direction of the housing and through which a cooling medium flows are arranged in the form of closely spaced evaporator coils (2), and wherein the evaporator coils (2) are fixed in a position concentric to the longitudinal axis of the housing (1) into which the pitch of adjacent evaporator coils (2) protrude, and wherein the evaporator coils are assigned to several cooling circuits (A, BC) which are different from one another,
  • Claim 2 Heat exchanger with a housing (1) through which a gaseous medium flows in the longitudinal direction, in which a plurality of helical pipe strings arranged in the longitudinal direction of the housing and through which a cooling medium flows are arranged in the form of closely spaced evaporator coils (2), and wherein the evaporator coils (2) are fixed in a position concentric to the longitudinal axis of the housing (1), into which the pitch of adjacent evaporator coils (2) protrude, and wherein the evaporator coils are assigned to several different cooling circuits (A, BC), and the flow direction of the gaseous medium is opposite to the direction of flow of the coolant.
  • A, BC cooling circuits
  • Claim 3 Heat exchanger with a housing (1) through which a gaseous medium flows in the longitudinal direction, in which a plurality of helical tube strings arranged in the longitudinal direction of the housing and through which a cooling medium flows are arranged in the form of closely spaced evaporator coils (2), and wherein the evaporator coils (2) are fixed in a position concentric to the longitudinal axis of the housing (1), into which the pitch of adjacent evaporator coils (2) protrude, and wherein the evaporator coils are assigned to several different cooling circuits (A, BC), and the flow direction of the gaseous medium is opposite to the flow direction of the coolant, and a device (7) for water separation of water drops is provided on the air outlet side of the housing (1).
  • A, BC cooling circuits
  • Claim 4 Heat exchanger with a housing (1) through which a gaseous medium flows in the longitudinal direction, in which a multiplicity of helical tube strings arranged in the longitudinal direction of the housing and through which a cooling medium flows are arranged in the form of evaporator coils (2) lying close together, and wherein the evaporator coils (2) are fixed in a position concentric to the longitudinal axis of the housing in (1), in which the pitch of adjacent evaporator coils (2) protrude, and wherein the evaporator coils are assigned to several different cooling circuits (A, BC), and the direction of flow of the gaseous medium is opposite to the flow direction of the coolant, and a device for water separation of water drops is provided on the air outlet side of the housing (1). and wherein there is a cleaning device which ensures uniform spraying of the cleaning agent over the cross section of the housing (1).
  • A, BC cooling circuits
  • Claim 5 Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that a fan or a compressor (piston compressor, screw compressor) or a turbine is used to generate a movement of the gaseous medium.
  • Claim 6 Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that aluminum, carbon, magnesium or titanium is used as the production material for the outer housing (1).
  • Claim 7 Heat exchanger according to one of Claims 1 to 6, characterized in that copper, aluminum, stainless steel, plastic or carbon are used as the production material for the evaporator coils (2).
  • Claim 8 Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that the coolant flow is directed in the opposite direction to the air flow instead.
  • Claim 9 heat exchanger according to one of claims 3 to 8, characterized in that the fins of the water separator (7) manually and / or are automatically adjustable.
  • Claim 10 Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling coils can be heated by an electric heater.
  • Claim 11 Heat exchanger according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the cooling coils (2) are electrically separated from the cooling circuit mergers.
  • Claim 12 Heat exchanger according to one of claims 1 to 1, characterized in that the air supplied can be heated via an additional heater (8).
  • Claim 13 Heat exchanger according to one of Claims 1 to 12, characterized in that one or more icing sensors monitor the icing of the individual cooling circuits.
  • Claim 14 Heat exchanger according to one of Claims 1 to 13, characterized in that sensors for measuring the air humidity and / or the temperature are used as further monitoring elements.

Landscapes

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus dem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft mittels eines Wärmetauschers mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse (5), bei dem in diesem Gehäuse eine Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von eiem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen in der Form von nahe beieinanderliegenden Verdampferwendeln (2) in zur Längsachse des Gehäuses in (1) konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Verdampferwendeln (2) ragen, und wobei die Verdampferwendeln mehreren voneinander verschiedenen Kühlreisläufen (A, B C) zugeordnet sind, und wobei die Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entgegensetzt zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist, und wobei an der Luftaustrittsseite des Gehäuses (1) eine Vorrichtung zur Wasserabscheidung von Wassertropfen vorgesehen ist. Und wobei eine Reinigungsvorrichtung ist, die eine über den Querschnitt des Gehäuse (1) gleichmässige Versprühung eines Reiningungsmittels gewährleistet.

Description

Verbesserter Wärmetauscher zur Wasserαewinnunq aus Luft
Lange bevor Prometheus den Menschen der Sage nach das Feuer brachte, kannte der Mensch das Wasser. Seit jeher ist er von Wasser umgeben und er weiß, dass er es für sein Leben braucht. Aber genauso lange weiß er, dass Wasserfluten sein Leben bedrohen können. Andererseits ist der Boden von Flusslandschaften deshalb sehr fruchtbar, weil er bei Überschwemmungen regelmäßig mit Mineralien angereichert wird.
Bis heute erfährt der Mensch Wasser als Wohltat, als Heilmittel ( Bäder, Trinkkuren ), aber auch als Katastrophe ( Überschwemmungen, Vereisungen, Schneestürme ) In der Kunst und Literatur aller Jahrhunderte ist Wasser in allen Formen dargestellt und behandelt, zum Beispiel als vernichtende Macht, als Lebensspender, als trennender Grenzfluss, oder als Transportmedium für Handelsschiffe und Kriegsschiffe. Wasser dient einerseits dem Broterwerb der Fischer, es ist andererseits eine Metapher der Romantik, wobei mit dem feinen Nebel des Regenbogens das Zeichen des Friedens geformt wird. So bedeutet es Untergang und strahlenden Neubeginn zugleich.
Die Gesamtheit aller Wasservorräte auf der Erde ist seit Jahrmillionen konstant. Wasser bedeckt ca. 71 % der Erdoberfläche und ist damit die häufigste chemische Verbindung. Zusätzlich enthält noch die Atmosphäre 4% Wasser in Form von Wasserdampf.
Das gesamte Wasservolumen der Erde wird auf ca. 1383 Millionen Kubikkilometer geschätzt. Dabei handelt es sich vorwiegend um Salzwasser. Nur der verschwindend kleine Rest von 2,6% entfällt auf das Süßwasser. Als Süßwasser wird dabei Wasser mit weniger als 1 Gramm Abdampfrückstand bezeichnet. Zieht man von dieser Menge das für den Menschen schwer erreichbare Polareis, Gletschereis und das sehr tief liegende Grundwasser ab, so ergibt sich, dass für Menschen, Tiere und Pflanzen nur ca. 8% des verfügbaren Süßwassers direkt nutzbar sind. Leben in der uns bekannten Form ist ohne Wasser auf unserem Planeten nicht denkbar.
Wasser begleitet als wichtigste chemische Verbindung die biologische Entwicklung von Anfang an. Es ist essentiell für die Reaktionen in hydrophilen Kompartimenten
(Flüssigkeitsräumen ) aller lebenden Systeme, des Menschen, der Tiere und der
Pflanzen.
Wasser kommen hierbei folgende Bedeutungsfelder zu:
1. Wasser ist Baustoff bei der Photosynthese der Pflanzen und Bestandteil der Organismen, 2 Wasser ist Lösungsmittel, z. B. für die Bodennährstoffe, 3 Wasser ist Nahrungsmittel, 4 Wasser ist für alle Organismen Lösungsmittel, Transportmittel und Quellungsmittel. Es ermöglicht die zahlreichen chemischen und kolloidchemischen Zellreaktionen.
Wasser ist nicht nur hydrophiler Reaktionsraum, plastisch - elastisches Füllmittel, Wärmespeicher und Kältespeicher. Es ist auch eine Verbindung mit Memory - Eigenschaften und besitzt interessante Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Wellen und Schallwellen.
Entscheidendes Regulativ zur Erhaltung des Süßwasserbestandes ist der Wasserkreislauf der Natur. Dieser setzt sich zusammen aus den Vorgängen der Wasserverdunstung, dem Niederschlag, dem Abfluss und der folgenden Wiederverdunstung. Aus der Bilanz des globalen Wasserkreislaufes der Erde geht dabei hervor, dass auf den Meeren in gleichen Zeiträumen eine größere Menge Wasser verdunstet als durch Niederschläge abgesetzt wird.. Auf den Landflächen liegen dagegen umgekehrte Verhältnisse vor.
Der unermüdliche Motor dieses Wasserkreislaufs ist unser Zentralgestirn, die Sonne. Unter dem energieeintragenden Einfluss der Sonnenstrahlen wechselt Wasser seinen Aggregatzustand ( physikalische Erscheinungsform ) und seinen Standort. Wo immer es sich befindet, in Gewässern oder Meeren, aber auch im Boden und in Pflanzen, verdunstet es und steigt als Wasserdampf in die Atmosphäre auf. Dies geschieht in unvorstellbar großen Mengen. Allein über den Ozeanen wird durch die Sonneneinstrahlung in jeder Minute eine „Luftfracht" von etwa einer Milliarde Tonnen Wasser in die Atmosphäre transportiert. Das ergibt eine jährliche Wassermasse von 450 Billiarden Tonnen. Weitere 70 bis 75 Billiarden Tonnen Wasser gehen jährlich vom Festland aus in die Lufthülle über.
So gibt zum Beispiel ein Buchenwald von einem Hektar Fläche während seiner Vegetationsperiode im Durchschnitt an jedem Tag über 10000 Liter Wasser an die Atmosphäre ab, also eine Masse von 10 Tonnen. In den oberen kalten Luftschichten der Atmosphäre kühlt der Wasserdampf wieder ab und verdichtet sich zu kleinen Tröpfchen, die sich ihrerseits zu Wolken zusammenballen. Erreichen diese Tröpfchen eine gewisse Größe, werden sie von der Schwerkraft erfasst und fallen als Regen, Schnee oder Hagel auf die Erde zurück. Rund 80 Prozent dieser Menge erreichen das Meer, der Rest, etwa eine Trillion Liter im Jahr, geht auf das Festland nieder.
Dieser Niederschlag erfolgt jedoch nicht gleichmäßig.
Millionen von Menschen würden viel dafür geben, wenn es in ihrer Region auch nur einmal im Jahr vom Himmel tröpfeln würde.
Denn ohne Wasser gibt es keine Ernten und keine Nahrung.
Die ungleichmäßige Verteilung der Niederschläge auf der Erde ist eines der größten
Probleme für die Ernährung der Menschheit.
Deshalb gab es schon seit langem Verfahren mit einfachen Mitteln Wasser aus der
Luft zu gewinnen.
Eine Methode besteht prinzipiell darin, das in der Luft enthaltene Wasser an einer horizontal aufgespannten, und an einer Stelle abgesenkten, Folie kondensieren zu lassen und in ein darunter gestelltes Gefäß tropfen zu lassen. Auf diese Weise lassen sich jedoch nur sehr geringe Mengen Wasser gewinnen.
Das hierbei verwendete Grundprinzip besteht darin, die zur Verfügung stehende Luft an einer kühlen Fläche vorbeistreichen zu lassen, sie auf diese Art abzukühlen und dadurch zu zwingen, Teile des in der Luft gebundenen Wassers abzugeben. Denn Luft einer bestimmten Temperatur kann nur eine bestimmte Menge Wasser als Luftfeuchtigkeit speichern. Ist diese Menge erreicht, ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt. Wird die Luft dann in der Folge abgekühlt, kann sie nur noch eine geringere Menge Wasserdampf speichern. Das auf diese Weise überschüssige Wasser kann von der Luft nicht mehr gehalten werden und fällt aus, es kondensiert. Das geschieht dadurch, dass sich der überschüssige Wasserdampf an kühleren Flächen niederschlägt, sich zu Tropfen verdichtet, die der Schwerkraft folgen.
Technisch nutzt man dieses Wirkprinzip dadurch, dass einerseits dafür gesorgt wird, dass möglichst viel Luft an einer Fläche, die kühler ist als die augenblickliche Lufttemperatur, vorbeistreicht und, dass die entsprechende Fläche so groß wie möglich gemacht wird.
Eine solche Vorrichtung, mit der Wärme oder Kälte von einem Medium auf ein anderes übertragen wird, nennt man einen Wärmetauscher.
Ein spezieller, für die Gewinnung von Wasser aus Luft konstruierter, Wärmetauscher ist aus der DE 101 35 654 A1 vorbekannt.
Hierbei handelt es sich im wesentlichen um einen Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse mit einer Mehrzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten und von einem Kühlmittel durchströmten Wärmetauscherrohren. Hierbei sind die Wärmetauscherrohre als schraubenwendelförmige Rohrstränge ausgebildet und die Rohrstränge sind kühlmitteleintrittsseitig und kühlmittelaustrittsseitig an Kühlmittelverteilerrohre mit Kühlmitteleintritt und Kühlmittelaustritt angeschlossen.
Als besonderes Merkmal wird bei einem solchen Wärmetauscher hervorgehoben, dass die in Gehäuselängsrichtung verlaufenden Rohrstränge in Gehäusestirnansicht unter Bildung von Rohrbündelungen angeordnet sind ,und dass zwei oder mehrere Rohrbündelringe in konzentrischer Anordnung vorgesehen sind. Ferner wird hervorgehoben, dass die benachbarten Rohrstränge der Rohrbündelringe mit ihren Schraubenwendeln um ein vorgegebenes Maß in die Gangabstände zwischen den Schraubenwendeln eingreifen ( vgl. hierzu DE 101 35 653 A1 , Patentanspruch 1 ) Bei diesem bekannten Gerät ist das Problem der drohenden Vereisung des Wärmetauschers nicht angesprochen. Dies stellt im praktischen Betrieb bekanntermaßen eine reale Gefahr dar. Zudem ist der Wirkungsgrad des bekannten Wärmetauschers durch geeignete Maßnahmen zu verbessern. Der Gesichtspunkt der Reinigung des Wärmetauschers ist bei dem beschriebenen Stand der Technik ebenfalls nicht berücksichtigt.
Dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, mit der bzw. dem die Gefahr der Vereisung im Betrieb weitgehend vermieden und der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß den nebengeordneten Ansprüche 1 bis 4, sowie dem Verfahren nach Anspruch 15.
Bei dem aus der DE 101 35 654 A1 bekannten Wärmetauscher kann es im praktischen Betrieb vorkommen, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen eine Vereisung der Kühlschlangen eintritt. Ein solcher Vorgang macht den Wärmetauscher nahezu wirkungslos.
Um dies zu verhindern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die als schraubwendelförmige Rohrstränge ausgebildeten Wärmetauscherrohre nicht von einer gemeinsamen Anlage mit Kühlmittel beliefert werden, sondern in mehrere Kühlmittelkreise aufgeteilt sind, die in unterschiedlicher weise mit Kühlmittel versorgt werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist der, dass die Flussrichtung des Kühlmittels entgegengesetzt zu der Flussrichtung des Luftstroms gerichtet ist, und dass über eine Vorrichtung zur Wasserabscheidung das gewonnene Wasser leicht ausgeleitet werden kann.
Zudem ist durch die Installation einer Reinigungseinrichtung, deren Betrieb in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgt, sichergestellt, dass die Anlage im Dauerbetrieb funktionssicher bleibt. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird im Folgenden näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Fig.2 eine Draufsicht und einen Querschnitt dieses Wärmetauschers Fig.3 eine prinzipielle Darstellung einer Abtauvorrichtung für Kühlwendeln
In Figur 1 sind in einer seitlichen Draufsicht schematisch die einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt.
Hier ist mit ( 1 ) das zylinderförmige Verdampfergehäuse bzw.
Wärmetauschergehäuse bezeichnet.
Unter ( 2 ) sind prinzipiell Teile von Kühlwendeln verschiedener Kühlmittelkreise skizziert.
Mit ( 3 ) und ( 4 ) sind der Pluspol und der Minuspol einer elektrischen
Kühlwendelauftauvorrichtung gekennzeichnet.
Diese Vorrichtung hat eine ähnliche Funktion wie die gängigen elektrisch betriebenen
Auftauvorrichtungen für eingefrorene Wasserrohre. Die elektrisch zwischen den
Anschlüssen ( 3 ) und ( 4 ) liegenden Leitungen wirken als ein elektrischer
Widerstand und erwärmen sich demzufolge durch die Verlustleistung des elektrischen Stroms rasch, was das Auftauen bewirkt.
Unter ( 5 ) sind die Anschlüsse A , B und C für drei unterschiedliche Kühlmittelkreise zu erkennen. Die Anordnung der Kühlmittelkreise ist in Fig.2 näher erläutert Die
Richtung des gezeigten Pfeils zeigt die Fließrichtung des Kühlmittels an. Das bedeutet, dass an dieser Stelle Kühlmittel in den Wärmetauscher hineinfließt.
Mit dem Pfeil ( 6 ) ist die prinzipielle Stelle des Ausflusses von Kühlmittel gekennzeichnet.
Die Anzahl der Kühlmittelkreise ist nicht auf die Zahl drei beschränkt. Es können auch erfindungsgemäß zwei oder mehr als drei Kühlmittelkreise vorgesehen sein. Auf der rechten Seite des in Figur 1 gezeigten Wärmetauschers ist schematisch eine
Turbine ( 11 ) gezeichnet, die den Luftstrom erfindungsgemäß entgegen der
Richtung des Kühlmittelflusses treibt.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher erfüllt jedoch auch seine Funktion, wenn die
Strömungsrichtung des Luftstroms mit der Flussrichtung des Kühlmittelstroms gleichgerichtet ist. Lediglich der Wirkungsgrad ist in diesem Fall niedriger. Eine
Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich jedoch auch in diesem Fall.
Mit ( 9 ) und ( 10 ) sind die elektrischen Anschlüsse einer gegebenenfalls erforderlichen Luftheizung ( 8 ) mit einer schematisch dargestellten Heizwendel ( 15 ) bezeichnet.
Auf der linken Seite des Wärmetauschers ist der Wasserabscheider ( 7 ) zu sehen, an dessen schräg gegen die Luftströmung gestellten Lamellen die kondensierten
Wassertropfen hängen bleiben und zu dem Wasserablauf ( 16 ) gelangen.
Diese Schrägstellung der Lamellen ist motorisch verstellbar und kann der
Geschwindigkeit der Luftströmung angepasst werden. Dies kann manuell und / oder automatisch erfolgen.
Unter ( 17 ) ist beispielhaft ein Sensor zur Feststellung der Vereisung gezeichnet.
Solche Sensoren sind zum Beispiel aus dem Flugzeugbau bekannt.
Außer den bekannten Taupunktspiegeln mit dem traditionellen optischen Strahl sind neuerdings Sensoren bekannt die mit SAW ( Surface Acoustic Wave =
Oberflächenwellen ) -Technologie arbeiten. Das SAW - Signal reagiert dabei empfindlich auf Kondensatbildung durch Tau oder Frost , nicht jedoch auf
Verunreinigungen.
Diese Eigenschaft macht solche Sensoren für den vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet.
Am Eingang der Luftströmung befinden sich erfindungsgemäß Sensoren zur
Messung der Luftfeuchtigkeit und der Lufttemperatur. Deren Messwerte werden, ebenso wie die Messwerte der Vereisungssensoren, über geeignete
Programmstrukturen zur optimalen Steuerung der Wassergewinnung verwendet.
In Figur 2 ist eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sowie eine zugehörige Ansicht des Querschnitts gezeichnet. In der kreisförmig strukturierten Draufsicht sind neben dem Verdampfergehäuse ( 1 ) drei konzentrisch angeordnete, ringförmige Zuführungsleitungen A , B und C gezeichnet, die jeweils einen Kühlmittelstrom zu den einzelnen Kühlmittelkreisen A , B, sowie C leiten.
Die mit A , B oder C bezeichneten kleinen Kreise versinnbildlichen hierbei in der Draufsicht die schraubwendelförmigen Rohrstränge der einzelnen Kühlmittelkreise. Die entsprechenden Verbindungsrohre von den Zuführungsleitungen A, B bzw. C zu den einzelnen Kühlmittelkreisen A, B bzw. C sind aus Gründen der besseren Übersicht nicht dargestellt.
Die Steuerung des Kühlmitteldurchflusses durch die einzelnen Kühlmittelkreise wird hierbei in der Weise gesteuert, dass jeweils ein oder mehrere Kreise an der Grenze zur Vereisung betrieben werden. Dieser Zustand ist gekennzeichnet von einem hohen Verdichterdruck und einem geringen Kühlmittelfluss. Die Phase des Abtauens erfolgt im wesentlichen dadurch, dass der Kühlmittelfluss angehalten wird. Die Phasen des Vereisens und Abtauens erfolgen somit im Wechsel in Abhängigkeit von der Luftfeuchte.
Es ergibt sich hierbei eine Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gegenüber dem Stand der Technik von 25 % bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40%.
Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 75 % ergibt sich noch eine Erhöhung des Wirkungsrades von 7% bis 10%.
In der in Figur 3 gezeigten Abtauvorrichtung für die jeweiligen Kühlwendeln sind mit
( 12 ) die Zusammenführungen zwischen den einzelnen Kühlwendeln ( 2 ) und den entsprechenden Kühlkreiszuläufen bezeichnet.
Die mit ( 13 ) gekennzeichneten Isolationselemente stellen sicher, dass die
Kühlkreiszusammenführungen ( 12 ) einerseits den Zufluss von Kühlmittel gewährleisten, aber andererseits gesichert ist, dass keine unzulässige elektrische
Verbindung zwischen dem spannungsführenden beheizten Leitungsstück einer
Kühlwendel ( 2 ) und dem Gehäuse ( 1 ) besteht.
Die direkte elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen ( 3 ) bzw.
( 4 ) und den zu beheizenden Kühlwendeln ( 2 ) wird über die Anschlussbefestigung
(14 ) hergestellt. Bezuqszeichenliste
Wärmetauschergehäuse,. Verdampfergehäuse
Kühlwendel
Anschluss für Kühlwendelauftauvornchtung
Anschluss für Kühlwendelauftauvornchtung
Zulauf Kältemittel
Ablauf Kältemittel
Wasserabscheider
Luftheizung
Anschluss Luftheizung
Anschluss Luftheizung
Turbine ( Axiallüfter )
Kühlkreiszusammenführung
Isolationselement ( Kühlwendel )
Anschlussbefestigung ( elektrisch )
Heizwendel ( Luftheizung )
Wasserablauf
Vereisungssensor
Luftfeuchtigkeitssensor im Verbund mit
Temperatursensor
Ansprüche
Anspruch 1 : Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse ( 1 ), bei dem in diesem Gehäuse eine Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen in der Form von nahe beieinanderliegenden Verdampferwendeln (2 ) angeordnet sind, und wobei die Verdampferwendeln ( 2 ) in zur Längsachse des Gehäuses ( 1 ) konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Verdampferwendeln( 2 ) ragen, und wobei die Verdampferwendeln mehreren voneinander verschiedenen Kühlkreisläufen ( A,B C ) zugeordnet sind,
Anspruch 2: Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse ( 1 ), bei dem in diesem Gehäuse eine Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen in der Form von nahe beieinanderliegenden Verdampferwendeln (2 ) angeordnet sind, und wobei die Verdampferwendeln ( 2 ) in zur Längsachse des Gehäuses ( 1 ) konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Verdampferwendeln( 2 ) ragen, und wobei die Verdampferwendeln mehreren voneinander verschiedenen Kühlkreisläufen ( A,B C ) zugeordnet sind, und wobei die Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist. Anspruch 3: Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse ( 1 ), bei dem in diesem Gehäuse eine Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen in der Form von nahe beieinanderliegenden Verdampferwendeln (2 ) angeordnet sind, und wobei die Verdampferwendeln ( 2 ) in zur Längsachse des Gehäuses ( 1 ) konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Verdampferwendeln( 2 ) ragen, und wobei die Verdampferwendeln mehreren voneinander verschiedenen Kühlkreisläufen ( A,B C ) zugeordnet sind, und wobei die Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist, und wobei an der Luftaustrittsseite des Gehäuses ( 1 ) eine Vorrichtung ( 7 ) zur Wasserabscheidung von Wassertropfen vorgesehen ist.
Anspruch 4: Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse ( 1 ), bei dem in diesem Gehäuse eine Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen in der Form von nahe beieinanderliegenden Verdampferwendeln (2 ) angeordnet sind, und wobei die Verdampferwendeln ( 2 ) in zur Längsachse des Gehäuses in ( 1 ) konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Verdampferwendeln( 2 ) ragen, und wobei die Verdampferwendeln mehreren voneinander verschiedenen Kühlkreisläufen ( A,B C ) zugeordnet sind, und wobei die Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist, und wobei an der Luftaustrittsseite des Gehäuses ( 1 ) eine Vorrichtung zur Wasserabscheidung von Wassertropfen vorgesehen ist. und wobei eine Reinigungsvorrichtung ist, die eine über den Querschnitt des Gehäuses ( 1 ) gleichmäßige Versprühung des Reinigungsmittels gewährleistet.
Anspruch 5: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Bewegung des gasförmigen Mediums ein Ventilator oder ein Verdichter ( Kolbenverdichter, Schraubenverdichter ) oder eine Turbine verwendet wird.
Anspruch 6: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Herstellungsmaterial für das Außengehäuse ( 1 ), Aluminium, Carbon , Magnesium oder Titan verwendet wird.
Anspruch 7: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Herstellungsmaterial für die Verdampferwendeln (2 ) Kupfer, Aluminium , Nichtrostender Stahl, Kunststoff oder Carbon verwendet werden.
Anspruch 8: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelstrom dem Luftstrom, anstelle entgegengesetzt, gleichgerichtet ist.
Anspruch 9: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen des Wasserabscheiders ( 7 ) manuell und / oder automatisch verstellbar sind.
Anspruch 10: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwendeln über eine elektrische Heizung beheizbar sind.
Anspruch 11 : Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwendeln ( 2 ) elektrisch von den Kühlkreiszusammenführungen getrennt sind.
Anspruch 12: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bisl 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Luft über eine zusätzliche Heizung ( 8 ) erwärmt werden kann. Anspruch 13: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis12, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Vereisungssensoren die Vereisung der einzelnen Kühlkreisläufe überwachen.
Anspruch 14: Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis13, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Messung der Luftfeuchtigkeit und / oder der Temperatur als weitere Überwachungselemente benutzt werden.

Claims

Anspruch15: Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus dem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft mittels eines Wärmetauschers mit einem in Längsrichtung von einem gasförmigen Medium durchströmten Gehäuse (1 ), bei dem in diesem Gehäuse eine Vielzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten, von einem Kühlmedium durchströmten, schraubwendelförmigen Rohrsträngen in der Form von nahe beieinanderliegenden Verdampferwendeln (2 ) angeordnet sind, und wobei die Verdampferwendeln ( 2 ) in zur Längsachse des Gehäuses ( 1 ) konzentrischer Lage befestigt, in die Gangabstände benachbarter Verdampferwendeln ( 2 ) ragen, und wobei die Verdampferwendeln mehreren voneinander verschiedenen Kühlkreisläufen ( A,B C ) zugeordnet sind, und wobei die Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist, und wobei an der Luftaustrittsseite des Gehäuses ( 1 ) eine Vorrichtung zur Wasserabscheidung von Wassertropfen vorgesehen ist. und wobei eine Reinigungsvorrichtung ist, die eine über den Querschnitt des Gehäuses ( 1 ) gleichmäßige Versprühung des Reinigungsmittels gewährleistet.
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