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WO2009135618A1 - Verfahren und vorrichtung zur wassergewinnung aus feuchter umgebungsluft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur wassergewinnung aus feuchter umgebungsluft Download PDF

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WO2009135618A1
WO2009135618A1 PCT/EP2009/003125 EP2009003125W WO2009135618A1 WO 2009135618 A1 WO2009135618 A1 WO 2009135618A1 EP 2009003125 W EP2009003125 W EP 2009003125W WO 2009135618 A1 WO2009135618 A1 WO 2009135618A1
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WO
WIPO (PCT)
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absorbent
desorber
water
distillate
evaporator
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2009/003125
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English (en)
French (fr)
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WO2009135618A8 (de
Inventor
Mike Blicker
Alexander Karos
Siegfried Egner
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of WO2009135618A1 publication Critical patent/WO2009135618A1/de
Publication of WO2009135618A8 publication Critical patent/WO2009135618A8/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02A20/208—Off-grid powered water treatment
    • Y02A20/212—Solar-powered wastewater sewage treatment, e.g. spray evaporation

Definitions

  • An important advantage of sorbing with a liquid absorbent is that it is relatively easy and reliable to operate.
  • Absorption takes place by absorbing moisture from the liquid absorbent.
  • the absorbent usually a strongly saline solution, diluted. Since the water absorption takes place via the interface between the absorbent and the ambient air, a large interface is sought. The larger the interface, the more effective is the absorption of moisture in the air.
  • substantially vertically aligned guide elements are provided for this purpose, which protrude upwards in the manner of a tower or are integrated in a tower-like construction.
  • a storage for liquid absorbent is arranged above these guide elements. Absorbent is discharged from the reservoir in a controlled manner, so that the absorbent flows down on these guide elements driven by gravity. The absorbent absorbs moisture from the air and thereby thins.
  • a collecting container is present, in which the diluted absorbent is collected.
  • This first sub-process "absorption" of water extraction from the humidity can be carried out with the device described in DE 10 2004 026 334 Al in a very advantageous manner and at low cost.
  • the second sub-process "desorption” is to add the water contained in the diluted absorbent from the absorbent separate and thereby recover pure water. This separation is usually by evaporation.
  • Desorber a device for obtaining water from humid air in arid and semi-arid areas
  • Desorber the apparatus design of such a desorption device, hereinafter referred to as "desorber”
  • Desorber must also be robust and still require the least possible thermal or electrical energy.
  • a supply should be made from renewable energy sources.Only then are such systems for water production to operate economically and without large consumption of resources.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for obtaining water from moist ambient air, which is preferably powered by renewable energy, in particular solar radiation and / or waste heat. Furthermore, the system should be simple in construction and operation, so it works reliably with low maintenance and low maintenance costs.
  • Figure 1 shows the basic structure of an inventive
  • Figure 3 shows another embodiment of a device according to the invention with two-stage
  • FIG 4 shows another embodiment of a device according to the invention also with two-stage evaporation and Figure 5 a plurality of superimposed inventive
  • FIG. 1 schematically shows an absorber 1 known from DE 10 2004 026 334 A1. With regard to the operation of the absorber 1, reference is therefore made to this document.
  • a component of the absorber 1 is a storage 3 for the concentrated absorbent, which is arranged above a plurality of guide elements 5.
  • the guide elements 5 consist of a plurality of balls, which are strung on a steel cable or on a string.
  • a collecting container 7 is provided below the guide elements 5, in which the now diluted absorbent drops in from the guide elements 5.
  • the absorber 1 has a large dimension in the vertical direction.
  • the length of the guide elements 5 in the vertical direction is an important parameter for influencing the performance of the absorber 1. Basically, the longer the guide elements 5 are, the larger the interface between the absorbent and the ambient air and the more moisture can be from the ambient air be recorded under otherwise identical conditions.
  • the second sub-process namely the desorption, preferably takes place above the absorber 1, so that the desorber 9 is arranged at executed plants about 6 m to 12 m above the ground.
  • the Desorber 9 works with a vacuum evaporation.
  • the desorber 9 of the diluted absorbent from the container 7 again concentrated and the distillate, namely water, can be separated the diluted absorbent is conveyed through a first line 11 from the collecting container 7 in the desorber 9. Because a negative pressure prevails in the desorber 9, the liquid absorbent is drawn in through the first line 11. Any required further feed pumps and shut-off valves are not shown.
  • the desorber 9 is shown in Figure 1 only as a "black box". The operation of the desorber 9 will be explained in more detail with reference to the other figures.
  • the Desorber 9 includes a vapor and airtight housing.
  • the first line 11 opens. Furthermore, go from this housing from a second line 13, with the aid of which the concentrated absorbent is withdrawn from the desorber 9 and discharged into a collecting container 15.
  • a third line 17 starts from the desorber 9 and flows into a second collecting tank 19 for the distillate, namely the water obtained from the atmospheric moisture.
  • the water levels in the containers 15 and 19 are approximately at the same geodetic height and by an amount ⁇ H below the desorber 9.
  • the geodetic height difference ⁇ H between the desorber 9 and the collection containers 15 and 19 may typically be 6 m to 10 m, so that due to the liquid column located in the lines 13 and 17 and the gravity acting on the liquid columns, a pressure in the housing of the desorber 9 of 0.4-0 bar absolute, corresponding to a negative pressure of 0.6 bar to almost 1 bar, sets.
  • the liquid level is in the collection containers 15 and 19 below the collecting container 7. This makes it possible that in the desorption of the influx of concentrated absorbent 'is sucked through the first conduit 11 and then can flow into the lines 13 and 17.
  • a vent valve which at the top of the desorber. 9 is provided.
  • a bleed valve is provided for each stage. "About the vent valve of the desired suppressors can be set starting regular operation before.
  • non-condensable gases can be removed from the desorber, if necessary. These gases are introduced with the liquid absorbent in the desorber. 9 Alternatively, it is also possible to Use vacuum pump.
  • an optional feed line 21 and an optional return line 23 are connected to the desorber 9, which provide cooling water for a heat exchanger or condenser located in the desorber 9.
  • a usually required circulation pump is not shown.
  • most of the components of the device according to the invention are passive components. All that is needed is a pump 25 to convey the concentrated absorbent from the first sump 15 into the reservoir 3 and to overcome the geodetic difference in height between sump 15 and reservoir 3.
  • a pump 27 is required to remove the diluted absorbent from the receiver 7 in the desorber 9 to promote. If possible, one tries to avoid the use of the pump 27.
  • the flow line 21 and the return line 23 are optional.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • the lines 21 and 23 are not shown. Otherwise, the same components are provided with the same reference numerals and only the differences from FIG. 1 will be explained. Otherwise, what has been said with regard to FIG. 1 applies correspondingly.
  • the desorber 9 consists of an evaporator section 29 in which absorbent is present in liquid form. Above a liquid level, a steam atmosphere is present in the evaporator section 29 as well as in a distillate tank 31 of the desorber 9.
  • the evaporator part 29 and the distillate container 31 are connected to one another via a connecting part 33 which lies above the liquid level in the evaporator part 29.
  • the connecting part 33 is inclined inclined relative to the horizontal in such a way that the connecting part 39 opens at a lower geodetic height in the distillate tank 31 as in the evaporator section 29th
  • a first heat exchanger 35 is arranged, which is connected via tm2] lines, for example to a solar collector, a waste heat source and / or another heat source. Via this first heat exchanger 35, the absorbent located in the evaporator section 29 is heated until it has reached or exceeded a boiling point corresponding to the negative pressure prevailing in the desorber 9, so that the water contained in the liquid absorbent diluted by water evaporates.
  • a second heat exchanger 37 or condenser is arranged, which is cooled by a cooling medium, such as water, so that condenses on its cold, in contact with the vapor located in the desorber condensed water vapor. It is also conceivable that the outer wall of the desorber 9 itself serves as a capacitor. Then, the condensate is formed on the inner surface of the distillate container 31.
  • Distillate container 31 is arranged sloping down, the distillate runs on the surface of the second heat exchanger in the direction of distillate tank 31 and drips, as soon as it has reached the lowermost end of the second heat exchanger 37, in the distillate tank 31. From the distillate tank 31, the distillate flows through the third Line 17 in the second collection container 19th
  • Solar thermal cooling units could still be mentioned, since they would have the advantage that you can use the solar panels required for the energy supply of could use vacuum evaporation.
  • Other options that can also be very advantageous depending on the location with photovoltaic operated refrigeration units or floor / air heat exchanger. At locations where there is a strong cooling of the air temperatures at night, the cold of the night can be stored for condensation on the day.
  • the guide elements 5 of the absorption section are designed like a tube, the distillate produced in the desorber in the vacuum evaporation can be guided in the interior of the guide elements and thus be used to cool the absorbent flowing outside via the guide elements 5 and thereby achieve a higher water yield .
  • a saline solution eg, LiCl
  • the temperature should be kept below 40 ° C., preferably even below 30 ° C., in order to be able to ensure effective mass transfer of the water into the salt solution.
  • the temperature of the distillate is in a temperature range of 15 ° C to 25 ° C move, so that a heat exchange is possible here.
  • the air flow through the absorption system can also be used to assist the condensation in the desorber 9 by heat is removed from the desorber 9. This brings another energetic advantage
  • the absorbent As the absorbent is recirculated, the only source of contamination is the air itself. Particles, such as sand and dust, can be deposited continuously in a simple mechanical manner (eg, filters). With the right choice of the absorbent (eg salt and distilled water as the starting solution) is also avoided that deposits on the heat exchanger surfaces, which are primarily caused by calcium or magnesium compounds.
  • the deposition problem is a general problem in evaporator systems, the avoidance greatly increases the service life and process stability. Because of the mentioned geodetic height difference .DELTA.H between the distillate container 31 and the second reservoir 19 is formed in the third line 17 from a water column, which maintains the desired negative pressure in the desorber 9.
  • the cooling of the second heat exchanger 37 can take place, for example, with the aid of the supply and return lines 21 and 23 shown in FIG.
  • the device according to the invention is very simple and can be operated virtually maintenance-free. She works as follows:
  • the now diluted absorbent passes via the first line 11 into the evaporator section 29 of the desorber.
  • the desorber 9 prevails, because of the water column present in the lines 13 and 17 and the geodetic height difference ⁇ H between the desorber 9 and the ends of the lines 13 and 17, a negative pressure, so that the Boiling point of the dissolved in the diluted absorbent water to, for example, 40 0 C to 60 0 C is lowered.
  • the evaporator section 29 of the desorber 9 is a first heat exchanger, which is supplied for example via a solar collector 36 with solar generated heat.
  • the liquid absorbent located in the evaporator part 29 heats up and the water dissolved in the liquid absorbent evaporates.
  • This water vapor is condensed by means of the cooled by a cooling medium condenser 37 and deposited on the outer surface of the second heat exchanger 37.
  • the distillate namely water, drips into the distillate tank 31 and flows via the third line 19 into the second collecting tank 19 for the distillate.
  • Heat transfer circuit with which (not shown) of the second heat exchanger 37 is supplied with a cold heat transfer medium.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a desorber according to the invention, in which the desorber is designed in two stages [m4j.
  • the second evaporator part 29.2 is, for example, thermally conductively connected to the first distillate container 31.1 or to the connecting piece 33.1 [m5]. In the first stage of the desorber there is a slightly higher pressure than in the second stage of the desorber. This means that the boiling temperature of the absorbent present in the first evaporator part 29.1 is higher than that of the absorbent present in the second evaporator part 29.2.
  • the absorbent located in the first evaporator part 29.1 is heated with the aid of the first heat exchanger 35, the water contained in the absorbent evaporates and fills the entire space located above the liquid level. Since the second evaporator section 29.2 extends into the first distillate tank 31.1 and the boiling point of the absorbent located in the second evaporator section 29.2 is lower than the temperature of the steam present in the first distillate tank 31.1, the steam present in the first distillate tank 31.1 condenses on the outer surface of the second evaporator section 29.1 and is discharged via the line 17 into the second reservoir 19.
  • the heat released during the condensation of the vapor condensed in the first distillate container 31 is used to heat the absorbent present in the second evaporator portion 29.2.
  • This also evaporates the water contained in this absorbent, is condensed by means of the second heat exchanger 37 and then passes into the second distillate tank 31.2. From there, the distillate also passes through the third conduit 17 into the second collection container 19 for the distillate. It is of course possible and in many cases also useful to carry out a more than two-stage desorption.
  • the number of stages within the desorber 9 ultimately depends on the external conditions and a profitability analysis. Thermodynamically, the highest possible number of stages is desirable, while for economic reasons, the number of stages is limited.
  • the first line 11 opens into the second evaporator part 29.2.
  • a connecting line 39 is present between the second evaporator part 29.2 and the first evaporator part 29.1.
  • the removal of the concentrated by evaporation absorbent takes place from the first evaporator part 29.1 via the second line 13. This can be done for example by the difference in height in both containers. Alternatively, a small pump, not shown, can be used.
  • the first evaporator part 29 and the second evaporator part 29. 2 are supplied directly with dilute absorbent via the first line 11. Likewise, the removal of the concentrated absorbent takes place directly and not via the second line 13. A connecting line between the first evaporator part 29.1 and the second evaporator part 29.2 is not present in this embodiment. There is also another option, namely to use a separate line for each stage to 17,11 and 13.
  • the advantage of the circuit variant according to FIG. 3 is the simpler structural design and the simpler piping.
  • An advantage of the variant according to FIG. 4 is the simpler control of the removal of the concentrated absorbent.
  • the concentration of the absorbent in the first evaporator section 29.1 and in the second evaporator section 29.2 are not coupled together.
  • FIG. 5 shows the schematic structure of a "cascade" of a plurality of superimposed apparatus according to the invention for obtaining water, this construction with several modules, each comprising the sub-processes absorption and desorption, one above the other leads to further savings of pumps and containers, for example, concentrate discharge of a module in each case In order to move the absorbent and the distillate would thus be in the entire system only one pump needed, which greatly simplifies the overall structure and also other template, storage and intermediate container would be saved ,
  • the distillate could also be used to each support the condensation of the underlying Desorptionsmoduls 9 through a heat exchanger. For this, however, either different condensation temperatures in the individual desorption modules 9 would have to be realizable, or the distillate would have to be cooled further than necessary in order to allow condensation in the next module. Overall, then there is the advantage that the structure is further simplified, because not for each module own cooling unit and a cooling circuit must be provided.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, das eine Absorption von der in der Umgebungsluft enthaltenden Feuchtigkeit an einen flüssigen Absorbens und die anschließende Desorption des verdünnten Absorbens in einem Desorber (9) mit weitgehender Schwerkraftunterstützung ermöglicht. Dadurch ist der Bedarf an Hilfs- beziehungsweise Fremdenergie sehr gering. Die Vorrichtung arbeitet weitestgehend mit passiven Elementen und ist daher einfach aufzubauen und sehr wartungsarm. Der Desorber (9) kann alternativ mit Solarenergie, beispielsweise mit Hilfe eines Solarkollektors (36), mit Abwärme oder auch mit Fremdenergie geheizt werden.

Description

Titel : Verfahren und Vorrichtung zur Wassergewinnung aus feuchter Umgebungsluft
Beschreibung
Um in ariden oder semi-ariden Gebieten Trinkwasser zu gewinnen, sind verschiedene Technologien bekannt, um Wasser aus der in der ümgebungsluft enthaltenen Luftfeuchtigkeit zu gewinnen.
Von den bekannten Technologien, nämlich Kältekondensation, Kapillarkondensation, FeststoffSorption und Sorption mit einem flüssigen Absorbens, ist die letztgenannte am Erfolg versprechendsten .
Ein wichtiger Vorteil der Sorption mit einem flüssigen Absorbens ist, dass sie relativ einfach und zuverlässig zu betreiben ist.
Aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Erfindung immer das Begriffspaar „Absorption" und „Absorbens" verwandt. Damit sind immer auch eine „Adsorption" beziehungsweise ein „Adsorbens" gemeint.
Aus der DE 10 2004 026 334, auf die hiermit inhaltlich Bezug genommen wird, ist eine sehr vorteilhafte Vorrichtung bekannt, um den in der Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampf in einem flüssigen Absorbens zu absorbieren.
Die Absorption erfolgt, indem Luftfeuchtigkeit von dem flüssigen Absorbens absorbiert wird. Dabei wird der Absorbens, in aller Regel eine stark salzhaltige Lösung, verdünnt . Da die Wasseraufnahme über die Grenzfläche zwischen dem Absorbens und der Umgebungsluft erfolgt, wird eine große Grenzfläche angestrebt. Je größer diese Grenzfläche ist, desto effektiver ist die Absorption der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit.
Aus der genannten DE 10 2004 026 334 Al sind dazu im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Führungselemente vorgesehen, die ähnlich einem Turm in die Höhe ragen oder in einer Turmartigen Konstruktion integriert sind. Oberhalb dieser Führungselemente ist ein Speicher für flüssigen Absorbens angeordnet. Aus dem Speicher wird kontrolliert Absorbens abgegeben, so dass der Absorbens an diesen Führungselementen von der Schwerkraft angetrieben herunterfließt. Dabei nimmt der Absorbens Feuchtigkeit aus der Luft auf und verdünnt sich dadurch.
Unterhalb des unteren Endes der Führungselemente ist ein Auffangbehälter vorhanden, in dem der verdünnte Absorbens aufgefangen wird.
Es versteht sich von selbst, dass diese Absorption besonders effektiv ist, wenn die Führungselemente beziehungsweise der auf den Führungselementen befindliche Absorbens von der Umgebungsluft umströmt wird und dadurch ein intensiver Kontakt zwischen der feuchten Umgebungsluft und dem Absorbens stattfindet .
Dieser erste Teilprozess „Absorption" der Wassergewinnung aus der Luftfeuchtigkeit kann mit der aus der DE 10 2004 026 334 Al beschriebenen Vorrichtung in sehr vorteilhafter Weise und mit geringen Kosten durchgeführt werden.
Der zweite Teilprozess „Desorption" besteht darin, das in dem verdünnten Absorbens enthaltene Wasser vom Absorbens zu trennen und dadurch reines Wasser zu gewinnen. Diese Trennung erfolgt üblicherweise durch Verdampfung.
Für diese Verdampfung können viele Technologien eingesetzt werden. Jedoch ist es für den erfolgreichen Einsatz einer Vorrichtung zur Wassergewinnung aus feuchter Luft in ariden und semi-ariden Gebieten erforderlich, dass der apparative Aufbau einer solchen Desorptions-Vorrichtung, nachfolgend als „Desorber" bezeichnet, gering ist. Die gesamte Vorrichtung und damit auch der Desorber, muß außerdem robust sein und noch dazu möglichst wenig thermische oder elektrische Energie benötigen. Bevorzugt sollte eine Versorgung aus regenerativen Energiequellen erfolgen. Nur dann sind solche Anlagen zur Wassergewinnung wirtschaftlich und ohne großen Ressourcenverbrauch zu betreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus feuchter Umgebungsluft bereitzustellen, das bevorzugt durch regenerative Energien, insbesondere Solarstrahlung und/oder Abwärme angetrieben wird. Des Weiteren soll das System einfach im Aufbau und im Betrieb sein, so dass es mit wenig Wartungsaufwand und geringen Unterhaltskosten zuverlässig arbeitet .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch 4 gelöst.
Die in den abhängigen Unteransprüchen offenbarten und beanspruchten Merkmale beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar . Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einstufiger Verdampfung, Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweistufiger
Verdampfung, Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls mit zweistufiger Verdampfung und Figur 5 mehrere übereinander angeordnete erfindungsgemäße
Vorrichtung ebenfalls mit zweistufiger
Verdampfung .
In Figur 1 ist ein aus der DE 10 2004 026 334 Al bekannter Absorber 1 schematisch dargestellt. Bezüglich der Funktionsweise des Absorbers 1 wird daher auf diese Druckschrift Bezug genommen.
Ein Bauteil des Absorbers 1 ist ein Speicher 3 für das konzentrierte Absorbens, der oberhalb von mehreren Führungselemente 5 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 bestehen die Führungselemente 5 aus einer Vielzahl von Kugeln, die auf einem Stahlseil oder auf einer Schnur aufgereiht sind. Wenn nun der konzentrierte Absorbens aus dem Speicher 3 auf die Führungselemente 5 strömt, sorgen die Kugeln der Führungselemente 5 dafür, dass sich die Oberfläche des Absorbens vergrößert, die Strömungsgeschwindigkeit des Absorbens verlangsamt und dadurch die Absorption der die Führungselemente 5 umstreichenden Umgebungsluft von Wasser, aus der die Führungselemente 5 umstreichenden Umgebungsluft verbessert wird.
Unterhalb der Führungselemente 5 ist ein Auffangbehälter 7 vorgesehen, in den das nunmehr verdünnte Absorbens von den Führungselementen 5 hineintropft.
Damit der Absorbens möglichst eine ausreichend lange Zeit in Kontakt mit der Umgebungsluft gelangt, ist es vorteilhaft, wenn der Absorber 1 eine große Abmessung in vertikaler Richtung hat. Insbesondere ist die Länge der Führungselemente 5 in vertikaler Richtung ein wichtiger Parameter zur Beeinflussung der Leistungsfähigkeit des Absorbers 1. Grundsätzlich gilt: je länger die Führungselemente 5 sind, desto größer ist die Grenzfläche zwischen dem Absorbens und der Umgebungsluft und desto mehr Feuchtigkeit kann aus der Umgebungsluft unter sonst gleichen Bedingungen aufgenommen werden.
Der zweite Teilprozess, nämlich die Desorption, findet bevorzugt oberhalb des Absorbers 1 statt, so dass der Desorber 9 bei ausgeführten Anlagen etwa 6 m bis 12 m über dem Boden angeordnet ist.
Der Desorber 9 arbeitet mit einer Vakuumverdampfung. Damit in den Desorber 9 der verdünnte Absorbens aus dem Behälter 7 wieder aufkonzentriert und das Destillat, nämlich Wasser, abgetrennt werden kann, wird der verdünnte Absorbens durch eine erste Leitung 11 vom Auffangbehälter 7 in den Desorber 9 gefördert. Weil im Desorber 9 ein Unterdruck herrscht, wird der flüssige Absorbens durch die erste Leitung 11 angesaugt. Ein eventuell erforderliche weitere Förderpumpen und Absperrorgane sind nicht dargestellt. Der Desorber 9 ist in der Figur 1 lediglich als "Black Box" dargestellt. Die Funktionsweise des Desorbers 9 wird nachfolgend anhand der weiteren Figuren noch detaillierter erläutert.
Wichtig ist jedoch, dass der Desorber 9 ein dampf- und luftdichtes Gehäuse umfasst. In dieses Gehäuse mündet die erste Leitung 11. Des Weiteren gehen von diesem Gehäuse eine zweite Leitung 13 ab, mit deren Hilfe der konzentrierte Absorbens aus dem Desorber 9 abgezogen und in einen Sammelbehälter 15 abgeführt wird.
Eine dritte Leitung 17 geht vom Desorber 9 ab und mündet in einen zweiten Sammelbehälter 19 für das Destillat, nämlich das aus der Luftfeuchtigkeit gewonnene Wasser.
Die Wasserstände in den Behältern 15 und 19 liegen etwa auf der gleichen geodätischen Höhe und um einen Betrag ΔH unterhalb des Desorbers 9. Der geodätische Höhenunterschied ΔH zwischen dem Desorber 9 sowie den Sammelbehältern 15 und 19 kann typischerweise 6 m bis 10 m betragen, so dass sich aufgrund der in den Leitungen 13 und 17 befindlichen Flüssigkeitssäule und der auf die Flüssigkeitssäulen wirkenden Schwerkraft ein Druck im Gehäuse des Desorbers 9 von 0,4 - 0 bar absolut, entsprechend einem Unterdruck von 0,6 bar bis nahezu 1 bar, einstellt.
Bevorzugt liegt der Flüssigkeitsspiegel in den Sammelbehältern 15 und 19 unterhalb des Auffangbehälters 7. dadurch wird es möglich, dass in der Desorption der Zustrom des konzentrierten Absorbens' durch die erste Leitung 11 angesaugt wird und anschließend in die Leitungen 13 und 17 abfliessen kann.
Nicht dargestellt ist in den Figuren 1 bis 4 ein Entlüftungsventil, welches an der Oberseite des Desorbers 9 vorgesehen ist. Bei mehrstufigen Desorbern ist für jede Stufe ein Entlϋftungsventil vorgesehen. " Über das Entlüftungsventil kann der gewünschte Unterdrück vor dem beginn des regulären Betriebs eingestellt werden. Außerdem können bei Bedarf nicht kondensierbare Gase aus dem Desorber abgezogen werden. Diese Gase werden mit dem flüssigen Absorbens in den Desorber 9 eingetragen. Alternativ ist es auch möglich, eine Vakuumpumpe einzusetzen.
Schon aus dieser Beschreibung wird deutlich, dass sowohl die erfindungsgemäße Erzeugung eines schwerkraftunterstützten Vakuums im Desorber 9 als auch der Absorber 1 eine gewisse Bauhöhe erfordern, so dass durch die erfindungsgemäße Kombination dieser beiden Teilprozesse, ein nicht dargestelltes Gestell „doppelt" genutzt werden kann, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. In anderen Worten: die Baukosten für ein hoch aufragendes Gestell von 6 - 10 m Höhe fallen nur einmal an und können sowohl vom Absorber 1 als auch vom Desorber 9 nutzbringend eingesetzt werden.
Des Weiteren sind an den Desorber 9 eine optionale Vorlaufleitung 21 und eine optionale Rücklaufleitung 23 angeschlossen, die Kühlwasser für ein im Desorber 9 befindlichen Wärmetauscher oder Kondensator bereitstellen. Eine in aller Regel erforderliche Umwälzpumpe ist nicht dargestellt.. Wie sich bereits aus der Prinzipskizze gemäß Figur 1 ergibt, sind die meisten Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung passive Bauteile. Es wird lediglich eine Pumpe 25 benötigt, um den konzentrierten Absorbens aus dem ersten Sammelbehälter 15 in den Speicher 3 zu befördern und den geodätischen Höhenunterschied zwischen Sammelbehälter 15 und Speicher 3 zu überwinden.
Des Weiteren wird in manchen Fällen tmi] eine Pumpe 27 benötigt, um den verdünnten Absorbens aus dem Auffangbehälter 7 in den Desorber 9 zu fördern. Wenn möglich, versucht man den Einsatz der Pumpe 27 zu vermeiden. Die
Antriebsleistungen dieser beiden Pumpen ist jedoch relativ gering. In der Regel wird aufgrund des im Desorber 9 herrschenden Vakuums der verdünnte Desorber ohne Zuhilfenahme der Pumpe 27 aus dem Auffangbehälter 7 in den Desorber 9 gefördert. Auf jeden Fall unterstützt das im Desorber 9 herrschende Vakuum die Pumpe 27, so dass deren Leistungsbedarf sehr gering ist.
Die Vorlaufleitung 21 und die Rücklaufleitung 23 sind optional .
In der Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 21 und 23 nicht dargestellt. Ansonsten werden gleiche Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen und es werden lediglich die Unterschiede zu der Figur 1 erläutert. Ansonsten gilt das bezüglich Figur 1 Gesagte entsprechend.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Desorbers 9 findet eine einstufige Verdampfung statt.
Der Desorber 9 besteht aus einem Verdampferteil 29, in dem Absorbens in flüssiger Form vorhanden ist. Oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels ist in dem Verdampferteil 29 ebenso wie in einem Destillatbehälter 31 des Desorbers 9 eine Wasserdampfatmosphäre vorhanden. Der Verdampferteil 29 und der Destillatbehälter 31 sind über einen Verbindungsteil 33, der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Verdampferteil 29 liegt, miteinander verbunden. Bevorzugt verläuft der Verbindungsteil 33 schräg gegenüber der Horizontalen geneigt und zwar so, dass der Verbindungsteil 39 auf einer niedrigeren geodätischen Höhe in den Destillatbehälter 31 mündet als in den Verdampferteil 29. In dem Verdampferteil 29 ist ein erster Wärmetauscher 35 angeordnet, der über tm2] Leitungen, beispielsweise mit einem Solarkollektor, einer Abwärmequelle und/oder einer anderen Wärmequelle verbunden ist. Über diesen ersten Wärmetauscher 35 wird der im Verdampferteil 29 befindliche Absorbens so weit erwärmt, bis er eine dem im Desorber 9 herrschenden Unterdruck entsprechende Siedetemperatur erreicht beziehungsweise überschritten hat, so dass das im durch Wasser verdünnten flüssigen Absorbens enthaltene Wasser verdampft .
Im Verbindungsteil 33 ist ein zweiter Wärmetauscher 37 beziehungsweise Kondensator angeordnet, der durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, gekühlt wird, so dass sich an seiner kalten, in Kontakt mit dem im desorber befindlichen Dampf stehenden Oberfläche kondensierter Wasserdampf niederschlägt. Es ist auch denkbar, dass die Außenwand des Desorbers 9 selbst als Kondensator dient. Dann entsteht das Kondensat auf der Innenfläche des Destillatbehälters 31.
Da der zweite Wärmetauscher 37 ebenfalls zum
Destillatbehälter 31 hin abfallend angeordnet ist, läuft das Destillat an der Oberfläche des zweiten Wärmetauschers in Richtung Destillatbehälter 31 und tropft, sobald es das unterste Ende des zweiten Wärmetauschers 37 erreicht hat, in den Destillatbehälter 31. Aus dem Destillatbehälter 31 fließt das Destillat über die dritte Leitung 17 in den zweiten Sammelbehälter 19.
Es ist auch möglich die Behälterwand direkt mit einer Luftkühlung zu versehen, die z.B. mit einem Ventilator permanent Wärme durch einen Luftstrom abführt.
Solarthermische Kühlaggregate könnten noch genannt werden, da sie den Vorteil hätten, dass man die dafür benötigten Solarkollektoren auch zur Energieversorgung der Vakuumverdampfung nutzen könnte. Weitere Möglichkeiten, die je nach Aufstellort auch sehr Vorteilhaft sein können mit Photovoltaik betriebene Kühlaggregate oder Boden/Luft Wärmetauscher. Bei Aufstellorten wo es Nachts zu einer starken Abkühlung der Lufttemperaturen kommt kann die Kälte der Nacht für die Kondensation am Tag gespeichert werden.
Des Weiteren ist es möglich Adsorptionsstrecke zum Wärmetausch zu nutzen. Wenn die Führungselemente 5 der Absorptionsstrecke wie ein Rohr ausgeführt sind, kann das in der Vakuumverdampfung im Desorber entstehende Destillat im inneren der Führungselemente geführt werden und somit dazu genutzt werden, das außen über die Führungselemente 5 strömende Absorbens zu kühlen und dadurch eine höhere Wasserausbeute zu erreichen. Wie der Fachmann weiß vermindert sich die Hygroskopizität vieler Absorbens wie z.B. einer Salzlösung (z.B. LiCl) mit steigender Temperatur, da der Dampfdruckunterschied zwischen der Lösung und der Umgebungsluft geringer wird. Somit ist es effektiver, wenn der Absorbens sich nicht zu stark erwärmt. Versuche mit LiCl haben gezeigt, dass die Temperatur unter 400C, am besten sogar unter 300C, gehalten werden sollte um einen effektiven Stoffübergang des Wassers in die Salzlösung gewährleisten zu können. Die Temperatur des Destillats liegt in einem Temperaturbereich von 15°C bis 25°C bewegen, so dass hier ein Wärmetausch möglich ist.
Der Luftstrom durch die Absorptionsanlage kann darüber hinaus genutzt werden, um die Kondensation im Desorber 9 zu unterstützten, indem Wärme aus dem Desorber 9 abgeführt wird. Dies bringt einen weiteren energetischen Vorteil
Da der Absorbens im Kreislauf geführt wird ist die einzige Quelle für Verschmutzungen die Luft selbst. Partikel, wie Sand und Staub können kontinuierlich auf einfache mechanische Weise (z.B. Filter) abgeschieden werden. Bei richtiger Wahl des Absorbens (z.B. Salz und Destilliertes Wasser als Ausgangslösung) wird außerdem vermieden, dass es zu Ablagerungen auf den Wärmetauscheroberflächen kommen, die vornehmlich durch Kalzium oder Magnesiumverbindungen entstehen. Die Ablagerungsproblematik: ist bei Verdampferanlagen ein generelles Problem, dessen Vermeidung die Standzeiten und die Prozessstabilität stark erhöht. Wegen des erwähnten geodätischen Höhenunterschieds ΔH zwischen dem Destillatbehälter 31 und dem zweiten Sammelbehälter 19 bildet sich auch in der dritten Leitung 17 eine Wassersäule aus, welche den gewünschten Unterdrück im Desorber 9 aufrechterhält. Die Kühlung des zweiten Wärmetauschers 37 kann beispielsweise mit Hilfe der in Figur 1 dargestellten Vor- und Rücklaufleitungen 21 und 23 erfolgen.
Wie sich aus der Figur 2 ergibt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und nahezu wartungsfrei zu betreiben. Sie arbeitet wie folgt:
Mit Hilfe der ersten Pumpe 25 wird konzentrierter Absorbens aus dem ersten Sammelbehälter 15 in den Speicher 3 des Absorbers 1 gefördert. Von dort rieselt der Absorbens über die Führungselemente 5 langsam nach unten und nimmt dabei Feuchtigkeit aus der die Führungselemente 5 umgebenden Luft auf. Dadurch verdünnt sich der Absorbens und tropft schließlich in den Auffangbehälter 7 unterhalb der Führungselemente 5.
Von dort gelangt der nunmehr verdünnte Absorbens über die erste Leitung 11 in den Verdampferteil 29 des Desorbers. Im Desorber 9 herrscht, wegen der in den Leitungen 13 und 17 vorhandenen Wassersäule und des geodätischen Höhenunterschieds ΔH zwischen dem Desorber 9 und den Enden der Leitungen 13 und 17 ein Unterdruck, so dass der Siedepunkt des im verdünnten Absorbens gelösten Wassers auf beispielsweise 400C bis 600C erniedrigt ist.
In dem Verdampferteil 29 des Desorbers 9 ist ein erster Wärmetauscher, der beispielsweise über einen Solarkollektor 36 mit solar erzeugter Wärme versorgt wird. Dadurch erwärmt sich der im Verdampferteil 29 befindliche flüssige Absorbens und das im flüssigen Absorbens gelöste Wasser verdampft. Dieser Wasserdampf wird mit Hilfe des durch ein Kühlmedium gekühlten Kondensators 37 kondensiert und an der Außenfläche des zweiten Wärmetauschers 37 niedergeschlagen. Danach tropft das Destillat, nämlich Wasser, in den Destillatbehälter 31 und fließt über die dritte Leitung 19 in den zweiten Sammelbehälter 19 für das Destillat.
Es versteht sich von selbst, dass für den kontinuierlichen Betrieb der Anlage sowie für das Anfahren derselben noch Absperrorgane, wie Ventile, oder Pumpen erforderlich sein können, die hier nicht dargestellt sind. Ebenso sind eine Steuerung sowie verschiedene Sensoren erforderlich, die hier nicht dargestellt sind. Diese Bauteile können nach Bedarf eingebaut werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, zwischen dem Solarkollektor 36 und dem ersten Wärmetauscher 35 eine elektrisch angetriebene Förderpumpe (nicht dargestellt) vorzusehen. Entsprechendes gilt auch für den
Wärmeträgerkreislauf, mit dem (nicht dargestellt) der zweite Wärmetauscher 37 mit einem kalten Wärmeträger versorgt wird.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Desorbers dargestellt, bei dem der Desorber zweistufig ausgebildet ist[m4j.
Bei diesem zweistufigen Desorber 9 gibt es einen ersten Verdampferteil 29.1 sowie einen ersten Destillatbehälter 31.1 und einen zweiten Verdampferteil 29.2 und einen zweiten Destillatbehälter 31.2.
Der zweiter Verdampferteil 29.2 ist beispielsweise mit dem ersten Destillatbehälter 31.1 oder mit dem Verbindungsstück 33.1[m5] wärmeleitend verbunden. In der ersten Stufe des Desorbers herrscht ein etwas höherer Druck als in der zweiten Stufe des Desorbers. Dies bedeutet, dass die Siedetemperatur des im ersten Verdampferteils 29.1 vorhandenen Absorbens höher ist als die des im zweiten Verdampferteil 29.2 vorhandenen Absorbens.
Wenn nun das im ersten Verdampferteil 29.1 befindliche Absorbens mit Hilfe des ersten Wärmetauschers 35 erwärmt wird, verdampft das im Absorbens enthaltene Wasser und füllt den gesamten oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindlichen Raum aus. Da der zweiten Verdampferteil 29.2 in den ersten Destillatbehälter 31.1 reicht und die Siedetemperatur des im zweiten Verdampferteil 29.2 befindlichen Absorbens niedriger ist als die Temperatur des im ersten Destillatbehälter 31.1 befindlichen Dampfs, kondensiert der im ersten Destillatbehälter 31.1 befindliche Dampf an der Außenfläche des zweiten Verdampferteils 29.1 und wird über die Leitung 17 in den zweiten Sammelbehälter 19 abgeführt.
Gleichzeitig wird die bei der Kondensation des im ersten Destillatbehälters 31 kondensierten Dampfes frei gewordene Wärme zum Beheizen des im zweiten Verdampferteil 29.2 befindlichen Absorbens genutzt. Dadurch verdunstet auch das in diesem Absorbens enthaltene Wasser, wird mit Hilfe des zweiten Wärmetauschers 37 kondensiert und gelangt anschließend in den zweiten Destillatbehälter 31.2. Von dort gelangt das Destillat ebenfalls durch die dritte Leitung 17 in den zweiten Sammelbehälter 19 für das Destillat. Es ist selbstverständlich möglich und in vielen Fällen auch sinnvoll, eine mehr als zweistufige Desorption vorzunehmen. Die Zahl der Stufen innerhalb des Desorbers 9 hängt letztendlich von den äußeren Bedingungen sowie einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ab. Thermodynamisch ist eine möglichst hohe Zahl von Stufen wünschenswert, während aus Wirtschaftlichkeitsgrϋnden die Zahl der Stufen begrenzt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 mündet die erste Leitung 11 in den zweiten Verdampferteil 29.2. Zwischen dem zweiten Verdampferteil 29.2 und dem ersten Verdampferteil 29.1 ist eine Verbindungsleitung 39 vorhanden. Die Abfuhr des durch Verdampfung aufkonzentrierten Absorbens erfolgt aus dem ersten Verdampferteil 29.1 über die zweite Leitung 13. Dies kann beispielsweise durch den Höhenunterschied in beiden Behältern erfolgen. Alternativ kann auch eine kleine Pumpe, nicht dargestellt, benutzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 werden der erste Verdampferteil 29 und der zweite Verdampferteil 29.2 direkt über die erste Leitung 11 mit verdünntem Absorbens versorgt. Ebenso erfolgt die Abfuhr des aufkonzentrierten Absorbens direkt und nicht über die zweite Leitung 13. Eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten Verdampferteil 29.1 und dem zweiten Verdampferteil 29.2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht vorhanden. Es gibt auch noch eine weitere Option, nämlich für jede Stufe jeweils eine separate Leitung zu 17,11 und 13 zu nutzen.
Der Vorteil an der Schaltungsvariante gemäß Figur 3 ist der einfacherer konstruktive Aufbau und die einfachere Verrohrung. Vorteilhaft an der Variante gemäß Figur 4 ist die einfachere Steuerung der Abfuhr des aufkonzentrierten Absorbens. Außerdem sind die Konzentration des Absorbens im ersten Verdampferteil 29.1 und im zweiten Verdampferteil 29.2 nicht miteinander gekoppelt. In Figur 5 ist der schematische Aufbau einer „Kaskade" mehrerer übereinander angeordneter erfindungsgemäßer Vorrichtung zu Wassergewinnung dargestellt. Dieser Aufbau mit mehreren Modulen, umfassend jeweils die Teilprozesse Absorption und Desorption, übereinander führt zu weiteren Einsparungen von Pumpen und Behältern, da z.B. Konzentratablauf eines Moduls jeweils in das darunter fließt und nur der des untersten wieder ganz nach oben gepumpt wird. Zur Bewegung des Absorbens und des Destillats wäre somit in der Gesamtanlage lediglich eine Pumpe nötig, was den Gesamtaufbau stark vereinfacht. Ebenso würden weitere Vorlage-, Vorrats- und Zwischenbehälter eingespart.
Das Destillat könnte außerdem genutzt werden um jeweils die Kondensation des darunterliegenden Desorptionsmoduls 9 durch einen Wärmetauscher zu unterstützten. Dazu müssten allerdings entweder unterschiedliche Kondensationstemperaturen in den einzelnen Desorptionsmodulen 9 realisierbar sein, oder das Destillat müsste weiter abgekühlt werden, als nötig, um auch im nächsten Modul Kondensation zu ermöglichen. Insgesamt liegt dann der Vorteil darin, dass der Aufbau sich weiter vereinfacht, weil nicht für jedes Modul ein eigenes Kühlaggregat und ein Kühlkreislauf vorgesehen werden muss.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus feuchter Luft, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
Absorbieren von Wasser aus feuchter Luft in einem flüssigen Absorbens indem das konzentrierte Absorbens unter dem Einfluss der Schwerkraft an einem oder mehreren Führungselementen (5) nach unten strömt,
Fördern des mit Wasser verdünnten Absorbens in einen Desorber (9) mit einem gas- und dampfdicht verschließbaren Gehäuse und mit einem Verdampferteil (29) und einem Destillatbehälter (31) für kondensiertes Wasser unterteilt ist,
Herabsetzen des Siedepunkts des in dem Absorbens gelösten Wassers durch Absenken des Drucks in dem Desorber (9)
Verdampfen des in dem Absorbens gelösten Wassers durch externe Wärmezufuhr (35)
Kondensieren des verdampften Wassers an der Oberfläche eines zweiten Wärmetauschers (37) und sammeln des vom zweiten Wärmetauscher (37) herabtropfenden Wassers.
2. Verfahren nach einem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verdünntes Absorbens in den Desorber (9) gefördert wird, und dass ein Spiegel des Absorbens' im Verdampfer annähernd konstant bleibt.
3. Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus feuchter Luft, mit einem im Kreislauf geführten flüssigen Absorbens, wobei der Absorbens im Wechsel einen Absorber (1) und einen Desorber (3) durchströmt, wobei der Absorber (1) mindestens ein sich in vertikaler Richtung erstreckendes Führungselement (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Desorber (9) ein luft- und dampfdichtes Gehäuse umfasst, dass in dem Gehäuse (9) mindestens ein Verdampferteil (29) , mindestens ein Destillatbehälter (31) und ein Kondensator (37) vorhanden sind, dass Mittel zur schwerkraftunterstützten Erzeugung eines Unterdrucks in dem Gehäuse vorgesehen sind, und dass der Desorber eine Zuleitung (11) für verdünnten Absorbens und eine Ableitung (17) für kondensiertes Wasser aufweist .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur schwerkraftunterstützten Erzeugung und/oder Aufrechterhaltung eines Unterdrucks mindestens eine teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllte Leitung
(13, 17) umfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (13, 17) mit Absorbens oder Wasser gefüllt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Desorber (9) mindestens einstufig, bevorzugt, mehrstufig, ausgebildet ist.
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