CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuentra relacionada con un sistema para captar el agua presente en el vapor de agua que se encuentra en el aire, en particular, el sistema para captar agua presente en el aire hace acoplo de una máquina térmica tal como un motor Stirling para captar dicha agua por medio de enfriamiento y calentamiento selectivo de intercambladores de calor que contienen materiales higroscópicos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Como es bien sabido, el agua es esencial para cualquier forma de vida, por lo tanto, desarrollar formas alternativas de obtener agua resulta trascendental, en especial en aquellas zonas en las que este recurso es difícilmente accesible por las condiciones geográficas y/o ambientales. Por ejemplo, en zonas desérticas, en las que las fuentes de agua potable escasean o son inexistentes, la obtención de agua apta para, por ejemplo, el consumo humano resulta un reto bastante complejo.

Una manera para obtener el agua en estas reglones o zonas consiste en captar el agua que se encuentra como vapor de agua en el aire. La principal ventaja de extraer el vapor de agua del aire es que puede obtenerse localmente. Por lo tanto, en cualquier parte del mundo se puede aprovechar la humedad del aire para captar el agua del mismo. Incluso en ambientes áridos, es posible captar suficiente agua del aire para satisfacer completamente la demanda de agua potable de las personas.

Un ejemplo de obtención de agua a partir del vapor de agua del aire se divulga en el modelo de utilidad chino CN207362921 U el cual revela un dispositivo de captación de agua en el desierto basado en un refrigerador Stirling, el cual comprende un refrigerador Stirling, un cabezal frío del refrigerador, un intercambiador de calor de condensación y un ventilador, donde el cabezal frío del refrigerador Stirling condensa y separa la humedad del aire seco.

Otro ejemplo de este tipo de dispositivos para la obtención de agua a partir del aire que, además, utiliza fuentes de energía renovables, se divulga en la patente rusa RU2694308C1 donde el dispositivo comprende un alojamiento con un circuito térmico con refrigerante circulante, un condensador y un evaporador en el que se condensa la humedad, un colector de agua ubicado en el interior de la carcasa. El dispositivo está equipado adlcionalmente con un módulo solar compuesto por un concentrador parabólico y un motor Stirling, que crea una región focal en la superficie de un fotodetector cilindrico. Un dispositivo de refrigeración está ubicado en la parte inferior del motor Stirling y comprende una bomba hidráulica, dos motores hidráulicos, un ventilador, un compresor que bombea el refrigerante a través del circuito térmico que están instalados en un alojamiento cubierto con tierra formando un montículo. El motor Stirling está acoplado a través de un mecanismo de manivela a una bomba hidráulica, que está conectada por líneas de presión a motores hidráulicos, un ventilador está instalado en el eje de uno de los cuales y el otro motor hidráulico está conectado a un compresor. La parte inferior del circuito térmico con el condensador y el compresor está enterrada en el suelo, y la parte superior del circuito térmico con el evaporador está dentro del alojamiento. Debajo del evaporador hay un colector de agua, en cuya parte inferior se instala una tubería de agua que entrega el agua extraída al consumidor.

En las soluciones presentadas en los documentos de patente referidos, como se ha visto, se hace empleo de un refrigerador o motor Stirling para extraer el agua a partir del vapor de agua contenido en el aire. Sin embargo, soluciones alternativas que hagan un empleo más efectivo del motor Stirling son requeridas para captar agua del aire de forma más eficiente.

DESCRIPCIÓN

Para dar solución a la necesidad detectada en el estado de la técnica, la presente invención proporciona el sistema para la captación de agua presente en el aire de la reivindicación 1 .

Dentro del contexto de la invención, en la expresión “captación de agua presente en el aire”, “aire” se entiende como el aire que se encuentra disponible a la presión atmosférica local. Sin embargo, el experto en la materia entenderá que el aire también puede estar a presiones diferentes a la atmosférica, estando el sistema capacitado para insuflar el aire en estas condiciones.

La invención reivindicada presenta, por tanto, un sistema para la captación de agua presente en el aire, que comprende un primer intercambiador de calor configurado para ser enfriado o calentado y para captar y/o almacenar agua, una máquina térmica configurada para calentar o enfriar el primer intercambiador de calor; y un soplador configurado para dirigir e interrumpir un flujo de aire desde una entrada hacia el primer intercambiador de calor. Así las cosas, en una condición operativa del sistema, la máquina térmica enfría el primer ¡ntercambiador de calor y el soplador dirige el aire hacia dicho primer intercambiador, cuando dicho intercambiador está siendo enfriado y se mantiene frío por la máquina térmica, de manera que al menos una parte del agua presente en el aire insuflado desde el exterior y dirigido hacia dicho primer ¡ntercambiador de calor por el soplador es captada en dicho primer ¡ntercambiador, donde el flujo de aire se puede mantener hasta alcanzar un nivel preestablecido, por ejemplo, en peso de agua en el primer ¡ntercambiador, o un nivel de saturación.

A continuación, para extraer el agua captada en el primer ¡ntercambiador y regenerar el mismo, el soplador interrumpe el flujo de aire hacia el primer ¡ntercambiador, y la máquina térmica calienta dicho primer ¡ntercambiador de calor, donde el agua que haya sido captada en el primer ¡ntercambiador es extraída.

En una realización alternativa, el sistema comprende un segundo ¡ntercambiador de calor, estando la máquina térmica Igualmente configurada para enfriar y calentar el segundo ¡ntercambiador de calor y estando, a la vez, el soplador configurado para dirigir e inyectar aire tanto al primer ¡ntercambiador de calor, como al segundo ¡ntercambiador de calor. De tal manera, en una condición operativa del sistema, la máquina térmica enfría el primer ¡ntercambiador de calor y el soplador dirige el aire hacia dicho primer intercambiador de manera que al menos una parte del agua presente en el flujo de aire es captada en dicho primer intercambiador y, a la vez, la máquina térmica callenta el segundo intercambiador de calor, tal que el agua que haya sido captada en dicho segundo ¡ntercambiador, si la hubiera, es extraída y, en donde, a continuación, la máquina térmica enfría el segundo ¡ntercambiador de calor y el soplador dirige el aire hacia dicho segundo intercambiador, de manera que al menos una parte del agua presente en el flujo de aire dirigido hacia dicho segundo ¡ntercambiador es captada, mientras dicho segundo ¡ntercambiador está siendo enfriado y se mantiene frío por la máquina térmica y, a la vez, la máquina térmica callenta el primer intercambiador de calor para regenerarlo, tal que el agua captada en el primer ¡ntercambiador es extraída.

Alternativamente, la máquina térmica está configurada para enfriar simultáneamente el primer ¡ntercambiador de calor y el segundo ¡ntercambiador, o para calentar simultáneamente dichos ¡ntercambiadores de calor, de manera que el soplador de aire inyecta el aire en el primer ¡ntercambiador de calor y/o en el segundo ¡ntercambiador de calor. De esta manera, los intercambiadores de calor pueden captar agua del aire al tiempo, o ser regenerados simultáneamente, o también funcionar alternadamente, tal como se había descrito previamente.

En el contexto de la invención, el término “soplador” se refiere a dispositivos capaces de insuflar aire al sistema, por ejemplo, sin limitarse a, ventiladores, compresores, inyectores.

En el contexto de la invención el término “intercamblador de calor” se refiere a un dispositivo diseñado para habilitar la transmisión de calor entre al menos dos fluidos o entre un fluido y un sólido que está en contacto con los fluidos.

En el contexto de la invención, el término “máquina térmica” se refieren al conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante el cambio en la energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina.

Por otro lado, de acuerdo a una realización preferida de la invención, la máquina térmica es un motor Stirling accionado por un motor o una transmisión operativamente conectada a dicho motor Stirling, de manera que el(los) elemento(s) reciprocante(s) de dicho motor Stirling es movido por dicho motor o transmisión, de esta manera el motor Stirling está configurado para funcionar en modo inverso, por lo que no se genera energía mecánica en el eje a partir de la diferencia de temperatura, sino que la energía mecánica aplicada en el eje, o en el volante de inercia de dicho motor Stirling, es la que causa la diferencia de temperaturas, que es aprovechada para calentar o enfriar selectivamente el primer o el segundo intercamblador de calor.

Alternativamente, la máquina térmica está comprendida por dos motores Stirling independientes entre sí, donde cada uno de dichos motores Stirling está respectivamente conectado al primer intercamblador de calor y al segundo intercamblador de calor, donde los dos motores Stirling están cada uno configurados para calentar o enfriar el intercambiador de calor al que está conectado, tal que, en una condición operativa del sistema, un motor Stirling enfría o calienta el primer intercambiador de calor y/o el otro motor Stirling enfría o calienta el segundo intercamblador de calor, donde el soplador dirige el aire al primer intercamblador de calor y/o al segundo intercamblador de calor, según los requerimientos de operación del sistema. En el contexto de la invención, el término “motor Stirling” hace referencia a un motor térmico que opera por compresión y expansión cíclica de aire u otro gas (fluido de trabajo) a diferentes niveles de temperatura que producen una conversión de energía calórica a energía mecánica. Más específicamente, es un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo con un fluido gaseoso permanente. En esta definición, ciclo cerrado describe un sistema termodlnámlco en el que el fluido está permanentemente contenido en el sistema, y regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambio de calor y almacenamiento térmico, conocido como el regenerador.

En el contexto de la invención, el término “motor” hace referencia a medios para mover algo, o un dispositivo destinado a producir movimiento a expensas de otra fuente de energía.

En realizaciones alternativas, cada uno del primer y segundo intercambiador de calor comprende un material higroscópico, de manera que cuando el intercambiador se enfría por la acción de la máquina térmica, el agua contenida en el aire insuflado al intercambiador es adsorbida por el material higroscópico, mientras que cuando el intercambiador se callenta el agua adsorbida por el material higroscópico es liberada (desorción) pudlendo extraerse de cualquiera de los ¡ntercambladores y hacer uso de la misma, cumpliendo el propósito de la invención.

En el contexto de la invención, el término “material higroscópico” hace referencia a materiales higroscópicos capaces de absorber o adsorber moléculas de agua del aire circundante, y luego tener la capacidad de desecarse, por medio de, por ejemplo, un aumento de temperatura, liberando total o parcialmente el agua adsorbida (desorción).

En otras realizaciones alternativas, el sistema comprende una válvula vinculada al soplador configurada para dirigir el aire del soplador hacia el primer intercambiador o al segundo intercambiador.

En realizaciones alternativas, el sistema comprende unos medios de control configurados para controlar el funcionamiento general. Por lo tanto, los medios de control son alimentados con datos/información proveniente en sensores dispuestos en los ¡ntercambladores de calor (por ejemplo, sensores de humedad, temperatura, peso, entre otros), sensor de sentido de ciclo de la máquina térmica, sensores de presión del soplador y/o o de dirección de flujo del soplador, de manera que, a partir de los datos obtenidos de los sensores, los medios de control genera instrucciones que cambien, por ejemplo, inviertan el ciclo de funcionamiento de la máquina térmica (motor Stirling), actuar sobre la válvula para dirigir el aire de un ¡ntercambiador al otro, regular el caudal del aire insuflado por el soplador, y en general, todo el funclonamlento/operaclón del sistema.

La invención también divulga un procedimiento de captación de agua presente en el aire que hace empleo del sistema para captación de agua del aire tal como hasta ahora se ha descrito.

La principal ventaja del sistema de la invención es conseguir captar y aprovechar el agua presente en el aire a presión atmosférica, es decir, captar el agua contenida en el aire en forma de vapor haciendo un aprovechamiento óptimo de la energía y las características del motor Stirling, pudlendo captar una mayor cantidad de agua que en sistemas análogos que también captan agua del aire, ya que mientras se está realizando la adsorción del vapor de agua en uno de los intercambiadores de calor (el que está siendo enfriado), en el otro intercambiador se extrae el agua adsorbida por el calentamiento del mismo, de manera que, cuando se cambia la forma de trabajo de la máquina térmica porque, por ejemplo, el ¡ntercambiador que está frío no puede adsorber más agua, se comienza a calentar éste para extraer el agua adsorbida, mientras que el otro ¡ntercambiador se enfría para captar el agua, y así se puede cambiar nuevamente el funcionamiento de la máquina térmica para que la captación de agua se realice en continuo.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben considerarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

La Fig. 1 es una vista esquemática general del sistema de captación de agua en el aire de la invención.

La Fig. 2 es una vista esquemática general del sistema de captación de agua en el aire de la invención en donde la máquina térmica está enfriando el primer ¡ntercambiador de calor, a la vez que callenta el segundo ¡ntercambiador de calor.

La Fig. 3 es una vista esquemática general del sistema de captación de agua en el aire de la invención en donde la máquina térmica está calentando el primer ¡ntercambiador de calor, a la vez que enfría el segundo ¡ntercambiador de calor. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN

En la siguiente descripción detallada se exponen numerosos detalles específicos en forma de ejemplos para proporcionar un entendimiento minucioso de las enseñanzas relevantes. Sin embargo, resultará evidente para los expertos en la materia que las presentes enseñanzas pueden llevarse a la práctica sin tales detalles.

Como se observa en la figura 1 , en la realización preferida la invención, la invención divulga un sistema para la captación de agua presente en el aire, sistema 10 en adelante, que comprende una máquina térmica 50 la cual, preferentemente, es un motor Stirling 50 y así será referida en esta descripción detallada, el cual es accionadle mediante energía mecánica aplicada directamente a dicho motor Stirling 50, de manera que, este funciona como ciclo Stirling inverso. Por lo tanto, con esta forma de accionar el motor Stirling 50, en lugar de obtener energía mecánica mediante la aplicación de calor, se obtiene calor y frío tras la aplicación de dicha energía mecánica.

Esta forma de funcionar o de aplicar energía al motor Stirling 50 genera diferentes focos de temperatura a la salida del motor Stirling 50, uno frío y otro caliente. SI la energía aplicada al motor Stirling 50 se ejerce en el sentido contrario, invlrtlendo el ciclo, los focos de temperatura a la salida del motor 50 se invierten, el foco frío pasa a ser callente y viceversa.

Asociado a cada foco existe un primer intercambiador de calor 20 y un segundo intercambiador de calor 40, donde cada uno de dichos intercambiadores 20, 40 alberga en su interior material higroscópico.

Asimismo, el sistema 10 comprende un soplador 30 configurado para generar una corriente de aire que se dirige de forma adecuada hacia el primer 20 o segundo 40 intercambiador de calor según se requiere.

Cuando el motor Stirling 50 enfría cualquiera de los intercambiadores de calor 20, 40, la temperatura fría favorecerá la adsorción del vapor de agua presente en el aire. Por lo tanto, el soplador 30 hará pasar aire a través del intercambiador de calor que está frío o enfriándose hasta que se haya llegado a la saturación del material higroscópico del intercambiador, alcanzando un valor de referencia prestablecido en contenido de agua (por ejemplo, en función del incremento de peso adquirido por el intercambiador de calor durante el paso de aire y adsorción de agua). Esta situación se Ilustra en la figura 2, donde el primer intercambiador de calor 20 es enfriado por el motor Stirling 50, en el que el vapor de agua del aire es adsorbido por el material higroscópico de dicho primer intercambiador de calor 20.

Adicionalmente, y dada la capacidad de condensación del agua, en este intercambiador frío o en enfriamiento también puede obtenerse agua de forma directa por la condensación de parte del vapor de agua al enfriarse la corriente de aire en su paso por el intercambiador de calor frío.

Para obtener el agua captada en el primer intercambiador de calor 20 se debe realizar la desorción del material higroscópico de dicho primer intercambiador de calor 20. Por lo tanto, se cambia el sentido de la energía mecánica aplicada al motor Stirling 50 para invertir el ciclo, de tal manera que, a la salida de dicho motor Stirling 50, el foco frío pasa a ser el caliente y viceversa.

Como se observa en la figura 3, con la sincronización adecuada, una válvula 60 operativamente conectada al soplador 30, en la realización particular una válvula de tres vías, está dispuesta para dirigir el caudal de aire del soplador 30 hacia un foco u otro, es decir, hacia el primer intercambiador de calor 20 o al segundo intercambiador de calor 40, cambiando y redirigiendo la corriente de aire para que pase por el intercambiador de calor, el segundo 40 en este ejemplo, que antes era caliente y ahora pasa a ser frío al haber invertido el ciclo del motor Stirling 50.

Una vez el material higroscópico del primer intercambiador de calor 20, es regenerado a través del calor aplicado a dicho primer intercambiador de calor 20, extrayendo el agua que contenía, es decir recuperando el agua que se pretende captar y que se dirige a otras etapas posteriores para su tratamiento, dispensación o almacenamiento, el sentido de la energía mecánica aplicada al motor Stirling 50 vuelve a invertirse, volviendo a suministrarse frío al primer intercambiador de calor 20 y calor al segundo intercambiador de calor 40. Asimismo, la válvula 60 es actuada para redirlgir el caudal de aire del soplador 30 hacia el primer intercambiador de calor 20 que se está enfriando, mientras que se regenera el segundo intercambiador de calor 40 aplicando calor al mismo, recuperando el agua al desecar el material higroscópico de dicho segundo intercambiador 40. Esta situación es ilustrada en la figura 2. Así comienza de nuevo todo el proceso, el cual se irá repitiendo cíclicamente.

En todo momento, y siempre que el sistema esté en funcionamiento, es decir, en una condición operativa del sistema, y en dependencia del sentido de la aplicación de la energía mecánica al motor Stirling 50, a la salida del motor Stirling 50 habrá un foco frío para enfriar el primer intercambiador de calor 20 o el segundo intercambiador de calor 40 para favorecer la adsorción del agua contenida en el aire, y habrá un foco callente para calentar el primer intercambiador de calor 20 o el segundo intercambiador de calor 40, regenerando el material higroscópico contenido en el intercambiador de calor 20, 40 extrayendo el agua para su aprovechamiento.

Además, en el intercambiador de calor asociado al foco frío, es decir, el que está siendo enfriado por el motor Stirling 50, es posible captar u obtener una cierta cantidad de agua directamente, sin tener que esperar a la regeneración de dicho intercambiador de calor que está captando la misma a través del material higroscópico. Esto es posible por la condensación del vapor de agua al enfriarse la corriente de aire que fluye por el intercambiador de calor que está siendo enfriado. Por lo tanto, como se observa en la figura 2, en el primer intercambiador de calor 20 que se está enfriando, una parte del agua que está en el flujo de aire que está siendo enfriado se condensa y se capta o recupera del primer intercambiador de calor 20. Esto se ¡lustra como una pequeña gota de agua saliendo del intercambiador de calor 20. En contraste, cuando el intercambiador de calor se regenera, por ejemplo, el primer intercambiador de calor 20 en la figura 3, mucha más agua es extraída, como se Ilustra en forma de una gota de agua grande saliendo del primer intercambiador de calor 20, a la vez que menos agua (gota de agua pequeña) es extraída del segundo intercambiador de calor 40 que está siendo enfriado. Así las cosas, y de acuerdo a los requerimientos, esta agua obtenida directamente puede ser suministrada por el sistema.

Alternativamente, todos los componentes del sistema pueden disponerse en una carcasa (no ¡lustrada), de manera que al menos, la máquina térmica 50, los intercambladores de calor 20,40 y el soplador, se hayan incorporados de forma compacta en dicha carcasa.

En otra realización alternativa (no ¡lustrada), la máquina térmica 50 comprende dos motores Stirling independientes, estando conectado cada uno de dichos motores Stirling al primer intercambiador de calor 20, estando configurado uno de los motores Stirling para enfriar el primer intercambiador de calor 20, mientras que el otro motor Stirling está configurado para calentar el primer intercambiador de calor 40. En este sentido, el soplador 30 está configurado para impulsar o interrumpir el flujo de aire hacia el primer intercambiador de calor 20, según las condiciones de operación. En otra realización alternativa (no ¡lustrada), la máquina térmica 50 está conformada por dos motores Stirling independientes entre sí, donde cada uno de dichos motores Stirling está conectado al primer ¡ntercambiador de calor 20 y al segundo intercamblador de calor 40. Debido a las características de funcionamiento de los motores Stirling y su conexionado con los ¡ntercambladores de calor, cada motor Stirling está configurado para calentar o enfriar cualquier intercamblador de calor al que está conectado, y el soplador 30 está configurado para dirigir el flujo de aire a los dos ¡ntercambladores de calor 20, 40 simultáneamente, alternativamente o a ninguno. Por lo tanto, en una condición operativa del sistema 10, un motor Stirling enfría o calienta el primer intercamblador de calor 20 y/o el otro motor Stirling enfría o callenta el segundo intercamblador de calor 40, donde el soplador 30 dirige el flujo de aire al primer intercamblador de calor 20 y/o al segundo intercamblador de calor 40, según los requerimientos de operación del sistema 10.