Leif Andersson Henriksbergsvägen 104 136 67 Vendelsö 2009-03-02
VATTEN UR LUFT
Bakgrund
========
Vatten är en nödvändig förutsättning för allt liv. På Jorden finns salt vatten i haven. Drickbart vatten
finns i sjöar och och vattendrag. Inom många områden finns också drickbart grundvatten i marken.
Men det vatten som alltid finns tillgängligt överallt på Jorden är det vatten som finns i luften. Ibland
faller detta ut spontant som regn men det finns områden där detta sällan inträffar. Det betyder
emellertid inte att det inte finns något vatten i luften över dessa områden. Det betyder bara att
lufttemperaturen är högre än daggpunkten.
Mer än 10 % av Jordens landyta (mer än ett helt Europa) har ansetts praktiskt taget obeboelig på
grund av att där endast finns vatten i form av luftfuktighet. Och i många områden är de använda
vattentillgångarna instabila vilket ger svåra problem vid torka. Ytterligare ett problem är att man
på många håll använder vatten som inte är tillräckligt rent för att fungera som godtagbart
dricksvatten. Och ännu ett problem är att på många håll använder arbetskrävande metoder
för att hämta vatten. Det förekommer att man bär vatten långa sträckor från källa till hem.
Om man kyler luft så att temperaturen understiger daggpunkten faller vatten ut i form av dimma,
regn eller dagg. Detta är välkänt sedan tusentals år. I Domareboken i Bibeln berättas om hur
Gideon gör ett försök med daggutfällning. I den gamla kinesiska läran om de fem elementen
anses metall orsaka vatten vilket antagligen bygger på observationen att ett kallt metallstycke
överdras med dagg. Mayaindianerna använde stenkummel som fick bli kalla under natten för att
kondensera ut vatten ur den fuktiga morgonvinden. Och i Skottland finns daggropar som under
den romerska tiden användes för att försörja fåren med vatten.
Vi övergår nu i stor omfattning till att varmhålla våra hus med luft-luft-värmepumpar. Det ger oss
en praktisk erfarenhet av vattenutfällning ur luft. Ju kallare det är ju mindre vatten kan luften
innehålla. Den absoluta fukthalten i luft vid 0 oC är alltså liten, lika liten som i extremt torr
luft över en varm öken. Trots det fäller våra värmepumpar ut betydande mängder vatten som vi måste
få bort för att slippa isavlagringar under värmepumpens utomhusdel.
En vinterdag när temperaturen ligger kring nollstrecket tömmer många villaägare en hink med
dagens skörd av kondensvatten från värmepumpen. Ofta omkring 10 liter. Eftersom vi i Sverige
har ordnat vattenförsörjningen på annat sätt är detta kondensvatten bara ett problem. De
värmepumpar vi använder körs för att ge så lite kondensvatten som möjligt. Och det finns
naturligtvis sätt att bli av med vattnet. Man kan leda ner det i marken, man kan leda ner det i
avloppssystemet, man kan leda ner det i dräneringen kring huset, man kan koka bort det eller
spreja ut det som dimma i luften från utomhusdelens fläkt. Men även om vi inte använder vattnet
är det användbart vatten vi gör oss av med.
En vanlig värmepump kan köras omvänt för att en het sommardag ge kyla, det vill säga fungera
som luftkonditioneringsanläggning. Om man gör det hamnar den kalla delen inomhus vilket
medför att man får vattenkondensationen inomhus. De vanliga värmepumparna på dagens
marknad har därför en kondensuppsamling inomhus och ett rör för kondensvatten som ofta
dras ut så att detta vatten leds ut ur huset.
I vissa utrymmen, till exempel tvättstugor, har man problem med att luftfuktigheten lätt blir för hög.
Man kan då använda en avfuktare som kyler luften så att vatten kondenserar och ger torrare
luft som kan återföras till rummet. Sådana avfuktare har utvecklats till hanterliga apparater till
priser som ligger inom räckvidden för en normal hushållsekonomi. De kan ge några liter per
dygn men med Sveriges goda vattentillgångar anses detta vatten vara värdelöst. Det är den
torra luften man vill ha, inte vattnet.
Globalt sett pågår nu en omställning där allt fler människor ställer krav på att få leva ett liv på
normal västerländsk medelklassnivå. Det betyder bland annat att man kräver dräglig inomhus-
temperatur och tillgång till bra vatten. Och här finns en möjlighet att tillgodose dessa krav med
samma tekniska lösning. Det är nästan oundvikligt att en luftkonditioneringsanläggning kommer
att ge kondensvatten i en omfattning som ungefär motsvarar ett hushålls behov av dricksvatten.
Vår teknik för kylning och värmepumpning bygger nästan helt på användning av ett kondenserande
arbetsmedium. I början av 1900-talet utvecklades absorptionskylskåpet och det fick under
några årtionden en viss användning (Electrolux-kylskåpet) och i små kyllådor för mobilt
bruk använder man Peltier-element men i övrigt har tekniken med kondenserande arbetmedium
blivit helt dominerande.
Om man komprimerar en lämplig gas till högt tryck blir den varm. Man kan då låta den avge
värme till omgivningen så att man får sval gas vid högt tryck. Har man valt en lämplig gas
kommer den då att kondensera och avge ännu mer värme till omgivningen. Det kärl där detta
sker kallas för kondensor. Kondensorn blir alltså varm. Flyttar man den bildade vätskan till ett
annat kärl där man sänker trycket tillräckligt mycket börjar vätskan koka, alltså förångas. När
vätskan förångas tar den upp värme från omgivningen. Det kärl där detta sker kallas för
förångare. Förångaren blir alltså kall.
En gaskompressor suger in gas på inloppssidan och trycker ut den på utloppssidan. Den kan
alltså både sänka trycket i förångaren och höja det i kondensorn när den pumpar gas från
förångaren till kondensorn. Och om man sätter en ledning med en strypning där vätska kan
rinna från kondensorn tillbaka till förångaren får man arbetsmediet att gå runt i systemet. När
vätskan rinner tillbaka till förångare förlorar man visserligen en energimängd som är vätske-
volymen gånger tryckskillnanden med eftersom vätskans volym är mycket mindre än
gasvolymen blir denna energimängd försumbar.
När den nuvarande kyltekniken utvecklades utgick man från kompressorer och elmotorer som
utvecklats för andra ändamål. Enligt den på 1800-talet fastslagna principen att en drivande
maskin avslutas med roterande axel och en driven maskin drivs av en roterande axel använde
man roterande maskiner. En kolvmaskin som skall använda rotation blir stor tung och dyr
eftersom den måste ha ett vevparti. Men denna teknik var väl utvecklad och beprövad. Det
finns kylskåp med frisvängande kompressor men dessa har bara lanserats som special-
produkter för båtar och dylikt.
Eftersom man använde dyra och komplicerade maskiner såg man vid denna tid en stor fördel
med ett kondenserande arbetsmedium eftersom man klarade sig med enbart en kompressor
och en elmotor för att driva denna.
Ett problem med att använda ett kondenserande arbetsmedium är att man måste kapsla in
systemet så att ingenting läcker ut. När det gäller kylskåp, frysskåp och stationära värmepumpar
har vi lyckats ganska bra med detta. Däremot är läckage ett vanligt problem för luftkonditionering
i bilar. Ett slutet system innebär att man inte kommer åt systemets delar och därmed inte kan
reparera fel utan att bryta inneslutningen.
Kravet på slutet system innebar att man måste utveckla maskiner som kunde gå i årtionden
utan något underhåll. I början av 1900-talet var det bara växelströmsmotorer som klarade dessa
krav på livslängd. Och en roterande växelströmsmotor kan göras något enklare än en fram- och
återgående. I den fram- och återgående måste ju magnetdelen ("rotorn") delvis skjuta ut
utanför lindningarna (eller tvärtom).
Kylskåp, frysboxar, luftkonditionering och värmepumpar introducerades under en tid när man
inte såg några problem med utsläpp av arbetsmedium. Man använde ogiftiga, luktfria freoner
som man hanterade i öppna hinkar.
Men mycket förändras under hundra år.
En teknik som skall kunna introduceras i områden som saknar en inrastruktur för hantering av
teknisk apparatur måste vara enkel att handha och reparera. Det duger inte med slutna system
som inte får öppnas.
Vi har lärt oss att hantera elektrisk ström via halvledarteknik och vi har fått fram nya magnet-
material som gör det möjligt att bygga elektriska maskiner på nya sätt.
Vi har lärt oss hur man åstadkommer billiga och långlivade gastäta glidytor.
Det finns idag förutsättningar för att använda en annan teknik för vattenutvinning ur luft än den
gamla kyltekniken. En teknik som kan bli betydligt enklare och billigare.
Luft som arbetsmedium
====================
Om man komprimerar luft stiger dess tryck och temperatur. Låter man den trycksatta luften
avge värme till omgivningen får man mindre het trycksatt luft.
När man komprimerar luft komprimerar man även den vattenånga som ingår i luften. I den
trycksatta luften har alltså även vattenångan fått högre tryck. När temperaturn sjunker kan
den då redan innan den nått ner till omgivningstemperatur passera daggpunkten så att
vatten faller ut i trycktanken där den trycksatta luften finns.
Om man bortser från alla förluster och använder helt torr luft gäller att om man kyler den
trycksatta luften till omgivningstemperatur avger den lika mycket värme som det arbete
som åtgick för att driva kompressorn. Man skulle alltså kunna använda trycktanken som
ett värmeelement och liksom för ett vanligt elelement få ut lika mycket värmeenergi som
den elenergi man tillför.
Men den trycksatta luften finns ju kvar i tryckbehållaren. Visserligen har den minskat i volym
genom avkylningen men det är fortfarande tryckluft som kan användas för att driva ett
tryckluftverktyg. Tar vi in den i en tryckluftmotor kan vi låta denna hjälpa till att driva
kompressorn. Resultatet blir att vi behöver tillföra mindre el till den elmotor som driver
kompressorn. Vi får alltså ut mer värmeenergi än den elenergi vi tillför. Och skillnaden tas
från luften när den går igenom tryckluftmotorn. Det innebär att den luft som blåser ut från
tryckluftmotorn blir kall.
Att det fungerar på detta sätt är väl känt från tryckluftanläggningar som används i verkstäder,
gruvor och liknande. Där låter man kompressorn hålla uppe trycket i en lufttank och eftersom
luften inte alltid förbrukas omedelbart kommer den att stanna så länge i tanken att den hinner
svalna. Det medför att man får vattenutfällning och för att slippa få in vattnet i verktygen brukar
man sätta in någon typ av vattenavskiljare. Och när sedan tryckluften används i arbetande
verktyg blir den kall och blåser ut som kalluft.
Om man använder ett kondenserande arbetsmedium behöver man en elmaskin, en kompressor
och två värmeväxlare (kondensor och förångare). Om man använder luften som arbetmedium
behöver man en elmaskin, en kompressor, en tryckluftsmotor och en värmeväxlare (trycktanken).
Med dagens teknik blir kostnaden för en luftmotor ungefär jämförbar med kostnaden för en
värmeväxlare.
Man kan naturligtvis ta en kompressor med roterande axel, en tryckluftmotor med roterande axel
och en elmotor med roterande axel. Allt detta är färdigutvecklade komponenter som kan köpas
direkt på marknaden eventuellt med obetydliga ändringar. Genom att koppla samman axlarna
får man då ett komplett aggregat. Man kan ta en tvåcylindrig kompressor och byta ut ventilerna
på den ena cylindern så att den kan arbeta som tryckluftmotor. Det innebär att kompressorn
och tryckluftsmotorn kopplas samman via ett gemensamt vevparti. Men i vissa lägen kan
värmeöverföring mellan cylindrarna innebära ett problem.
När man funderar på hur man skulle kunna arrangera kompressor och tryckluftmotor kommer man
snart till den självklara frågan:"Varför skall man ha någon rotation?".
Fig
Lika lite som man behöver någon rotation i en motorgenerator behöver man i detta fall någon
rotation. Man kan använda en maskin enligt fig . Denna blir nästan likadan som en
motorgenerator. Skillnaden är bara att inlopp och utlopp placerats på andra sätt. Även
när det gäller storlek blir en motorgenerator för en hybridbil och en maskin för
vattenutvinning/luftkonditionering ungefär lika. Man kan alltså tillverka en universalmaskin där
man bestämmer användningen först när man sätter dit inlopp och utlopp.