DE3830647A1

DE3830647A1 - Water recovery from natural air humidity for cultivating plants, breeding animals and for human needs

Info

Publication number: DE3830647A1
Application number: DE3830647A
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof Dr Rer Nat Weber; Peter Dipl Ing Thoel; Werner Dr Ing Ohm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1990-03-22

Abstract

In areas of high air humidity and high insolation with a simultaneous lack of a natural occurrence of water, the intention is to recover water, by means of suitable devices, from the air with small or large, mainly self-sufficient systems. These are distinguished in that the required temperature differences are achieved in most cases by direct or indirect utilisation of the insolation and/or of the radiation towards the night sky. The outlay for assisting the natural air movement and for other drives and controls such as may be required is comparatively low. Provision of additional cover by photovoltaics is possible in all cases.

Description

Basic idea

In Gebieten hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Sonneneinstrahlung bei gleichzeitigem Mangel natürlicher Wasservorkommen soll durch geeignete Einrichtungen Wasser aus der Luft gewonnen werden.In areas of high humidity and high solar radiation simultaneous lack of natural water resources is said to be due to suitable Facilities water can be extracted from the air.

Applications

Gebiete, auf die die o. g. Bedingungen zutreffen, sind z. B. die Küstenstreifen rund um den Persischen Golf. Hier wird Wasser vielfach in großen Meerwasser-Entsalzungsanlagen gewonnen, das zur Pflanzenzucht zu teuer ist. Ein Ausfall dieser Anlagen, z. B. durch Unterbrechung der Energieversorgung, Betriebsstörungen, Ölverseuchung des Meerwassers oder sonstige Umstände führt unmittelbar zum Wassermangel.Areas to which the above Conditions apply, e.g. B. the Coastline around the Persian Gulf. Here water is common won in large seawater desalination plants, which for Plant breeding is too expensive. A failure of these systems, e.g. B. by Power supply interruption, malfunctions, oil contamination of sea water or other circumstances leads directly to Lack of water.

Als Alternative zu den genannten Anlagen soll Wasser in autarken, fallweise auch mobilden Einrichtungen - unabhängig vom Meerwasser und dessen unmittelbarer Nähe - in kleinen und größeren Mengen für die Pflanzenzucht und den menschlichen Bedarf gewonnen werden.As an alternative to the systems mentioned, water in self-sufficient, occasionally also mobile facilities - independent of sea water and its immediate vicinity - in small and large quantities for the Plant breeding and human needs can be obtained.

conditions

- Supply of plant and animal breeding facilities
- Care of individual households in emergencies and normal cases
- High reliability
- Ease of use
- Low maintenance
- Cost / benefit equivalence

Examples of some possible design variants

Diese Varianten basieren insbesondere auf der Ausnutzung des Tag-/Nacht-Temperaturgefälles und dem damit verbundenen Anstieg der relativen Feuchte nach Sonnenuntergang. Generell gilt, daß die Entnahme der Feuchtigkeit aus der Luft überwiegend in den Abend- und Nachtstunden geschieht. Es kann sowohl eine unmittelbare Wasserabscheidung stattfinden, als auch eine Speicherung in absorbierenden Medien mit um viele Stunden verzögerter Austreibung. Als notwendige Zusatzenergie wird die elektrische Energie benötigt, die aus allen denkbaren geeigneten Energiequellen - auch mit Zwischenspeicherung - gewonnen werden kann. In den Blockdiagrammen ist als Energiequelle beispielsweise eine Solarenergieanlage dargestellt. These variants are based in particular on the utilization of the Day / night temperature gradient and the associated increase in relative humidity after sunset. In general, the Removal of moisture from the air mainly in the evening and Night hours happens. It can be both immediate Water separation take place as well as storage in absorbent media with expulsion delayed by many hours. Electrical energy is required as additional energy, from all conceivable suitable energy sources - also with Caching - can be obtained. In the For example, block diagrams is one as an energy source Solar energy system shown.

Water extraction through condensation using Peltier elements

Diese Variante ist im Blockdiagramm 1 und in der Prinzipskizze 1 schematisch dargestellt.This variant is in block diagram 1 and in schematic diagram 1 shown schematically.

Die feuchte Luft wird mit Hilfe von Ventilatoren an der kalten Seite von Peltierelementen vorbeigeführt und kühlt dabei unter den Taupunkt ab. Die dabei kondensierende Feuchtigkeit wird aufgefangen. Im Blockdiagramm 1 werden Ventilatoren und Peltierelemente beispielsweise von Akkumulatoren versorgt, die tagsüber durch Solargeneratoren aufgeladen werden.The humid air is ventilated on the cold side with the help of fans led by Peltier elements and cools below the dew point from. The moisture that condenses is collected. in the Block diagram 1 shows fans and Peltier elements for example powered by accumulators that are powered by solar generators during the day to be charged.

Das in Prinzipskizze 1 dargestellte Aggragat besteht aus dem mit Peltierelementen betriebenen Wärmetauscher und den Ventilatoren zum Durchtreiben der feuchten Luft. Es hat wenig bewegte Teile und ist dadurch verschleißarm.The aggregate shown in sketch 1 consists of the Peltier elements operated heat exchanger and the fans for Drifting through the humid air. It has few moving parts and is thereby low wear.

Nachteilig an diesem System ist, daß die gesamte Kondensationswärme von den Peltierelementen abgeführt werden muß, die nur einen Wirkungsgrad von ca. 50% haben. Hieraus resultiert ein relativ hoher Leistungsbedarf. Weiterhin erfordern die Peltierelemente aufgrund ihres Aufbaues eine relativ teuere Bauweise des Wärmetauschers.The disadvantage of this system is that the entire heat of condensation must be dissipated from the Peltier elements, which only one Have an efficiency of approx. 50%. This results in a relatively high one Power requirement. Furthermore, the Peltier elements require due to their Build a relatively expensive design of the heat exchanger.

Water extraction through condensation using compressors

Prinzip und Aufbau entsprechen dem System mit Peltierelementen. Jedoch ist an Stelle der Peltierelemente der Verdampfer eines Kompressor- Kühlaggregates eingebaut. Die Kondensationswärme wird dabei von dem Kompressor abgeführt. Der Vorteil dieser Variante ist, daß der Kompressor mit einer Leistungsziffer von zwei bis drei arbeitet, also daß mit der aufgewendeten Antriebsenergie die zwei- bis dreifache Wärmemenge abgeführt werden kann. Auch hier muß, wenn auch mit wesentlich besserem Wirkungsgrad als bei der vorgenannten Ausführung, die gesamte Kondensationswärme als Energie bereitgestellt werden. Die Anzahl der Verschleißteile ist, bedingt durch den Kompressor, natürlich höher.Principle and structure correspond to the system with Peltier elements. However is the evaporator of a compressor instead of the Peltier elements Cooling unit installed. The heat of condensation is thereby Compressor discharged. The advantage of this variant is that the Compressor with a performance figure of two to three works, so that with the drive energy expended two to three times Amount of heat can be dissipated. Here too, if with much better efficiency than in the aforementioned version, the entire heat of condensation is provided as energy. The Number of wearing parts is due to the compressor naturally higher.

Condensation due to heat radiation against the night sky

Jede Fläche auf der Erde, die gegen den tiefkalten Weltraum gerichtet ist, hat eine höhere Temperatur als dieser und erfährt dadurch einen Wärmeverlust durch Strahlung. Tagsüber wird dieser Wärmeverlust durch die wesentlich höhere Einstrahlung der Sonne überdeckt. Nachts ist er jedoch deutlich bemerkbar. Tau z. B. schlägt sich zuerst auf Autodächern nieder. Any surface on Earth that faces cryogenic space is at a higher temperature than this and therefore experiences one Heat loss due to radiation. During the day this heat loss covered by the much higher solar radiation. At night however, it is clearly noticeable. Dew z. B. opens first Car roofs.

Bei diesem, in der Prinzipskizze 2 dargestellten System, wird die beschriebene Wärmeabstrahlung gegen den Nachthimmel genutzt.In this system, shown in schematic diagram 2, the described heat radiation used against the night sky.

Beispielhaft ist hier ein Trigon mit Oberflächen hoher Emissionskonstante ausgeführt, das waagerecht um eine Mittelachse drehbar angeordnet ist. Die jeweils oben befindliche Oberfläche wird gegen den Himmel gerichtet. Zur Vergrößerung der Strahlungsoberfläche sind an den Seiten Klappen mit gleichfalls hochemittierenden Oberflächen angeordnet, die in einem solchen Winkel angestellt werden, daß sie optimal auf das Trigon reflektieren. Tagsüber und bei Wind werden die Klappen über das Trigon geklappt und schützen so die Emissionsflächen vor Verschmutzung, die zur Reduzierung der Emissionsrate führen würde. Außerdem kann dieses Einklappen beim Transport geschehen.An example is a trine with higher surfaces Emission constant executed, horizontally around a central axis is rotatably arranged. The surface at the top is directed towards the sky. To enlarge the Radiation surface are also flaps on the sides with highly emissive surfaces arranged at such an angle be made to reflect optimally on the trine. During the day and in wind, the flaps are folded over the trine and protect the emission surfaces from pollution, which Would result in reduction of the emission rate. In addition, this can Fold in during transport.

Durch Abstrahlung sinkt nachts die Temperatur der Strahlungsflächen unter den Kondensationspunkt. Auf den Klappen und der nach oben gewendeten Fläche des Trigons schlägt sich Tau nieder. Da dieser Tau in gewissem Maße die Abstrahlung reduziert, wird durch eine Dritteldrehung des Trigons nach geraumer Zeit eine frische Strahlungsfläche zur Verfügung gestellt. Von der dann weggedrehten Fläche kann der Tau, in gleicher Weise wie von den schräg aufgestellten Klappen, in eine Auffangzone abtropfen. Dieses Abtropfen kann eventuell durch Vibration unterstützt werden. Eine entsprechende Vorrichtung ist jedoch in der Skizze nicht dargestellt. Ebenso ist eine Unterstützung des Zutritts der feuchten Luft durch Ventilatoren und eine Nutzung der kalten Innenfläche der jeweils nach oben gerichteten Trigonfläche denkbar.Due to radiation, the temperature of the radiation surfaces drops at night below the condensation point. On the flaps and up surface of the Trigon is reflected in the dew. Because this dew to a certain extent the radiation is reduced by a A third turn of the Trigon after a long time a fresh one Radiation area provided. From the then turned away The surface of the rope, in the same way as from the oblique installed flaps, drain into a collecting zone. This draining can possibly be supported by vibration. A corresponding However, the device is not shown in the sketch. Likewise is one Ventilation and humid air access support a use of the cold inner surface of the upward facing Trigon area conceivable.

Der Vorteil dieses Systems ist, daß lediglich die Energie für das Drehen des Trigons und den Betrieb der zugehörigen Zeitautomatik, sowie eventuell für die Vibrationsanlage und die Ventilatoren zugeführt werden muß. Diese ist gegenüber der Kondensationsenergie vergleichsweise sehr gering. Jedoch sind die Strahlungsflächen empfindlich gegen Verschmutzung und Verletzung.The advantage of this system is that only the energy for the Turning the Trigon and operating the associated automatic timer, and possibly for the vibration system and the fans must be supplied. This is compared to the condensation energy comparatively very low. However, the radiation areas sensitive to pollution and injury.

Variant for condensation through heat radiation

Prinzipskizze 3 zeigt eine Variante zum vorgenannten Beispiel. Der geometrische drehbare Körper ist hier durch ein Strahlungsband ersetzt, das über zwei Walzen gespannt ist. Das Band wird mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die der Kondensationsrate entspricht. Das Kondensat wird am ablaufenden Ende des Bandes durch eine Vorrichtung abgestreift und aufgefangen. Die Strahlungsfläche wird ebenfalls durch Klappen vergrößert, die bei Außerbetriebnahme das Band gegen Kontamination schützen. In beiden Varianten kann eine Automatik angebaut werden, die bei Wind die Klappen schließt.Principle sketch 3 shows a variant of the aforementioned example. The geometric rotatable body is here by a radiation band replaced, which is stretched over two rollers. The tape comes with a Speed driven, which corresponds to the condensation rate. The Condensate is removed from the end of the belt by a device stripped and caught. The radiation area is also through Flaps enlarged against the tape when decommissioned Protect contamination. An automatic system can be used in both variants be cultivated, which closes the flaps in wind.

Der Energiebedarf dieser Anlage ist ähnlich dem der vorgenannten Variante. Auch hier ist der Erhalt der Emissionsfähigkeit der Strahlungskörper wichtig. The energy requirement of this system is similar to that of the aforementioned Variant. Here too the preservation of the emissivity of the Radiation body important.

Water extraction through adsorption

Feuchtigkeitsadsorbierende Stoffe werden in der Technik relativ häufig benutzt. Als Anwendungsgebiete seien genannt, z. B. Trocknung von Prozeßgasen (Druckluft, Erdgas usw.), Trockenhalten von verpackten Gütern und Entfeuchten von organischen Fluiden.Moisture-adsorbing substances are relatively common in technology used. Areas of application are mentioned, for. B. drying of Process gases (compressed air, natural gas, etc.), keeping packaged dry Goods and dehumidification of organic fluids.

Als Adsorber eignen sich Bentonite (natürliche Aktivtone), Aktiv-Aluminiumoxyd, Kieselgel und Molekularsiebe (natürliche und künstliche Zeolithe). Die Feuchtigkeitsadsorption erfolgt durch physikalische Bindungskräfte in den engen Hohlräumen, von denen die Adsorbentien durchzogen sind. Die Feuchtigkeitsaufnahme kann bis zu 40 Gewichtsprozente betragen. Die Adsorbentien selber erfahren durch die Wasseraufnahme keine Veränderung und sind chemisch träge. Das aufgenommene Wasser kann durch Wärmeeinwirkung wieder ausgetrieben werden.Bentonites (natural active clays) are suitable as adsorbers, Active aluminum oxide, silica gel and molecular sieves (natural and artificial zeolites). Moisture adsorption takes place through physical binding forces in the narrow cavities, of which the Adsorbents are crossed. Moisture absorption can be up to 40 Percentages by weight. The adsorbents themselves experience through the Water absorption no change and are chemically inert. The absorbed water can be expelled again through the action of heat will.

Dieser Prozeß ist reversibel und soll für die Wassergewinnung aus der Luft genutzt werden.This process is reversible and is intended for water extraction from the Air can be used.

Prinzipskizze 4 zeigt eine denkbare Einrichtung für die gestellte Aufgabe. Der perlenförmige Adsorber befindet sich in einem Behälter mit flacher Quaderform. An der Unterseite des Behälters ist ein zweiter Raum etwa gleicher Größe angeordnet. Beide Räume sind an einer Schmalseite miteinander verbunden, an der Berührungsfläche jedoch thermisch voneinander isoliert. Der rückwärtige Behälter ist innen und außen als Wärmetauscher ausgebildet. Die Oberseite des Adsorberbehälters ist gut strahlungsadsorbierend beschichtet, um tagsüber möglichst hohe Temperaturen im Trockenmittel zu erreichen. Diese Anordnung wird in einem optimalen Winkel zur Sonne ausgerichtet, mit der verbundenen Schmalseite nach oben. Nachts wird nach Abtrennung der Verbindung zur Rückseite durch eine Verschlußklappe die feuchte Luft mit Hilfe von Ventilatoren durch den Adsorber gedrückt. Dabei gibt sie ihre Feuchtigkeit an den Adsorber ab und tritt unten durch die geöffnete untere Verschlußklappe wieder aus. Im Tageszyklus werden der obere Lufteintritt und die untere Schmalseite verschlossen. Der Adsorberbehälter wird nun durch Sonneneinstrahlung auf mehr als 100 Grad Celsius erwärmt, so daß das adsorbierte Wasser ausgetrieben wird. Diese Bedingungen erfordern einen Adsorber, der einerseits eine möglichst hohe Wasseraufnahme hat, um das Bauvolumen klein zu halten, und andererseits niedrige Bindungskräfte aufweist, um das Wasser schon bei nicht zu hohen Temperaturen wieder freizugeben. Von den o. g. Adsorbienten eignet sich am besten Kieselgel, das auch preisgünstig ist. Das austretende Wasser kondensiert in dem rückwärtigen, kühleren Wärmetauscher und wird in einem Tank gesammelt.Principle sketch 4 shows a conceivable device for the posed Task. The pearl-shaped adsorber is located in a container with a flat cuboid shape. At the bottom of the container is a second room arranged about the same size. Both rooms are on connected to each other on a narrow side, on the contact surface however thermally insulated from each other. The rear container is trained inside and outside as a heat exchanger. The top of the Adsorber container is coated to absorb radiation well to achieve the highest possible temperatures in the desiccant during the day. This arrangement is oriented at an optimal angle to the sun, with the narrow side connected. At night after separation the connection to the back through a flap the damp Air is pushed through the adsorber with the help of fans. Here it releases its moisture to the adsorber and passes through the bottom open the lower flap again. In the daily cycle the upper air inlet and the lower narrow side are closed. The The adsorber container is now exposed to more than 100 by solar radiation Degrees Celsius warmed so that the adsorbed water is expelled becomes. These conditions require an adsorber, which is a has the highest possible water absorption in order to keep the construction volume small, and on the other hand has low binding forces to the water already to be released at temperatures that are not too high. Of the above Adsorbents are best suited to silica gel, which is also inexpensive is. The escaping water condenses in the back, cooler heat exchanger and is collected in a tank.

Da die Energie für das Austreiben des Wassers von der Sonne geliefert wird, muß nur die Leistung für die Ventilatoren bereitgestellt werden. Der Aufbau kann als preisgünstige Blechkonstruktion erfolgen. Das System hat wenig bewegte Teile. Nachteilig sind eventuell das hohe Gewicht und das Bauvolumen.Because the energy for expelling the water is supplied by the sun only the power has to be provided for the fans. The construction can be done as an inexpensive sheet metal construction. The System has few moving parts. The high may be disadvantageous Weight and volume.

Claims

1. Device for water extraction in areas without sufficient natural fresh water but high humidity, characterized in that the water is obtained from the natural humidity.

2. Device according to claim 1, characterized in that the Humidity is extracted in a condensation device, the Cold surfaces through Peltier elements, gas, adsorber or Compressor units are cooled.

3. Device according to claim 1, characterized in that the withdrawal the air humidity occurs at a condensing device, the Cold surfaces by radiation against colder rooms, e.g. B. against Night sky, be cooled, and that they condensed to drain Moisture is brought into a suitable position.

4. Device according to claim 1, characterized in that the withdrawal the air humidity occurs at a condensing device, the Cold surfaces by radiation against colder rooms, e.g. B. against Night sky, are cooled, and that they, after wetting through Condensation, to drain the moisture into a suitable, the colder rooms facing away.

5. Device according to claim 1, characterized in that the Withdrawal of air humidity in hygroscopic media / adsorbents happens, from which they are expelled again in a further step becomes.

6. Device according to claim 1 and 5, characterized in that it is combined with a device according to claim 2, 3 or 4.

7. Device according to claims 1-6, characterized in that the air flow through suitable facilities to support natural convection is supported.

8. Device according to claims 1-6, characterized in that the air flow through the device by fans, Blower or the like, is increased.

9. Device according to claim 1 u. 5, characterized in that the Expelling the stored moisture with solar heat happens.

10. Device according to claims 1-9, characterized in that the drainage of the condensate from the cold surfaces by stripping or mechanical impulses or vibrations or relaxation agents, also in combination of several measures.

11. Device according to claims 1-10, characterized in that the water obtained is sterilized by downstream facilities and if necessary taste is improved.

12. Device according to claims 1-11, characterized in that this is supplied directly or by stored solar energy be, e.g. B. by solar generators, with the aim of the above To be able to operate facilities independently.