DE102004029231A1

DE102004029231A1 - Drucktauschersystem

Info

Publication number: DE102004029231A1
Application number: DE102004029231A
Authority: DE
Inventors: Fred Brückmann; Uwe Bruhns; Wiltrud Knöbl; Wolfgang Kochanowski
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Drucktauschersystem mit mindestens zwei Rohrkammern, wobei mehrere Umschaltarmaturen die Strömungswege von Flüssigkeitsströmen durch die mindestens zwei Rohrkammern umsteuern und mindestens eine angetriebene Umschaltarmatur die Strömungswege zwischen einer ein energiereiches Hochdruckfluid bereitstellenden Lieferquelle und den Rohrkammern wechselweise umsteuert. Dabei weist in der Umschaltarmatur das angetriebene Umschaltorgan bei der Umsteuerung der Flüssigkeitsströme und beim Absperren von vorher geöffneten Strömungswegen eines diskontinuierlichen Bewegungsablauf auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Drucktauschersystem mit mindestens zwei Rohrkammern, wobei mehrere Umschaltarmaturen die Strömungswege von Flüssigkeitsströmen durch die mindestens zwei Rohrkammern umsteuern, und mindestens eine angetriebene Umschaltarmatur die Strömungswege zwischen einer ein energiereiches Hochdruckfluid bereitstellenden Lieferquelle und den Rohrkammern wechselweise umsteuert.

Die US 5 306 428 zeigt an einer Reverse-Osmose-Anlage ein Drucktauschersystem, mit dessen Hilfe eine Energierückgewinnung an der aus Reverse-Osmose-Modulen ausströmenden, einen hohen Restdruck aufweisenden Flüssigkeit, dem sogenannten Brine, erfolgt. Das Drucktauschersystem weist eine Umschaltarmatur mit einem rotierenden Umschaltorgan auf, mit dessen Hilfe eine Umsteuerung der zu befüllenden oder zu entleerenden Rohrkammern erfolgt. Das rotierende Umschaltorgan weist eine Bypassöffnung auf, um während eines Umschaltvorgang des Drucktauschers einen kontrollierten Druckabbau zwischen den zu befüllenden und zu entleerenden Rohrkammern zu ermöglichen. Dies bedingt jedoch zusätzliche Verluste, wodurch der Wirkungsgrad einer solchen Reverse-Osmose-Anlage verschlechtert wird.

Durch die US 5 797 429 ist bei Drucktauschern eine andere Bauart einer Umschaltarmatur bekannt. Dazu ist im Armaturengehäuse ein Umschaltorgan angeordnet, welches als Steuerkolben linear verschiebbar ausgebildet ist, um radial zum Steuerkolben angeordnete Strömungswege umschalten zu können. Diese Lösung versucht einen früheren Stand der Technik zu verbessern, bei mit einer Vielzahl von Armaturen in aufwendiger Weise eine Umsteuerung der Füll- und Entleerungsvorgänge in den Rohrkammern erfolgte.

Bei dem vorbekannten Stand der Technik bedingen die wechselweisen Druckbeaufschlagungen und die daraus resultierenden Druckstöße eine erhebliche Materialbeanspruchung aller Bauteile. Dies beeinflusst die Lebensdauer der Armaturen, der Rohrkammern oder einer einzelnen Umschaltarmatur in ungünstiger Weise und erfordert entsprechend materialintensive Dimensionierungen. Zusätzlich ergeben sich während der Umschaltbewegungen erhebliche störende Geräusche mit ihren nachteiligen Folgen. Ein solcher Lärmpegel erfordert zusätzliche und aufwendige Schalldämpfungsmaßnahmen und Schutzmaßnahmen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für Drucktauschersysteme mit mindestens zwei Rohrkammern und einer angetriebenen Umschaltarmatur, die mit einem rotierenden oder linear betriebenen Umschaltorgan versehen ist, eine langfristig betriebssichere und hoch belastbare Lösung zu entwickeln.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass in der Umschaltarmatur das angetriebene Umschaltorgan bei der Umsteuerung der Richtung der Flüssigkeitsströme und beim Absperren von vorher geöffneten Strömungswegen einen variablen und/oder diskontinuierlichen Bewegungsablauf aufweist.

Diese Lösung hat den Vorteil der erheblichen Reduzierung der Druckbelastungen aller Bauteile durch die abzubremsenden strömenden Massen der Flüssigkeitsströme. Die in den Bauteilen strömenden Flüssigkeitssäulen, deren Strömungsrichtungen wechselweise umgesteuert werden, um einen Druckaustausch innerhalb der Rohrkammern zu gewährleisten, üben auf alle Bauteile erhebliche Impulskräfte aus. Diese ergeben sich aus der jeweils abzubremsenden Masse und deren Geschwindigkeit. Durch den variablen und/oder diskontinuierlicher Bewegungsablauf des angetriebenen Umschaltorgans beim Absperren von vorher geöffneten Strömungswegen erfolgt eine Abbremsung der Geschwindigkeit eines in eine Rohrkammer einströmenden Massenstromes, wodurch dessen Impuls verringert wird.

Ausgestaltungen sehen vor, dass beim Absperren einer gefüllten Rohrkammer das angetriebene Umschaltorgan eine reduzierte Bewegungsgeschwindigkeit aufweist. Die Bewegungsgeschwindigkeit ist hierbei der Weg des Umschaltorgans über der Zeit. Und eine Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit des angetriebenen Umschaltorgans erfolgt unmittelbar vor einem Verschluß oder vor einer Absperrung einer Rohrkammer. Mit diesen Maßnahmen wird eine kontrollierte Bewegung der fließenden Massenströme erreicht, wodurch bisher übliche Druckstöße, auch als water-hammer bekannt, beim Verschluss oder Absperrung einer aufgefüllten Rohrkammer weitestgehend vermieden werden. Durch diese neue variable und/oder diskontinuierliche Ansteuerung des angetriebenen Umschaltorgans wird die Druckbelastung des gesamten Systems ganz wesentlich reduziert, da Druckstöße aufgrund von plötzlich abgebremsten Massenströmen wegfallen.

Nach weiteren Ausgestaltungen liegt die Veränderung oder Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit des Umschaltorgans im Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden, wobei diese Zeitdauer abhängig ist von der Baugröße eines Drucktauschers und der Masse einer darin bewegten Flüssigkeit. Die Reduzierung erfolgt innerhalb einer Stellzeit, die als Gesamtzeit einer Zeitdauer für die Veränderung des Zustandes einer vollständig geöffneten bis zu einer vollständig geschlossenen Umschaltarmatur angesehen wird. Dies ermöglicht die Verwendung von grundsätzlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Drucktauschers. Diese Maßnahme steht im völligen Gegensatz zur bisher verwendeten Vorgehensweise, nach der eine kontinuierliche Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeiten erfolgte, um Bauteilschäden durch water-hammer zu vermeiden.

Andere Ausgestaltungen sehen vor, dass nach der Absperrung einer mit Niederdruck aufgefüllten Rohrkammer das angetriebene Umschaltorgan einen Haltepunkt einnimmt und dass im Haltepunkt für eine Verweildauer im Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden die Bewegungsgeschwindigkeit des angetriebenen Umschaltorgans auf Null reduziert ist. Zwischen den in den Rohrkammern wechselweise befindlichen Massenströmen mit Hoch- oder Niederdruck bildet sich eine Übergangszone aus, in der eine Durchmischung der wechselweise einströmenden Flüssigkeiten vorliegt. Eine solche Übergangszone kann in jeder Rohrkammer auch durch einen an sich bekannten, stofflich ausgebildeten Trennkörper gebildet werden, wobei ein solcher stofflicher Trennkörper eine genaue Trennung zwischen den auszutauschenden Flüssigkeiten ermöglicht.

Beim Betrieb eines Drucktauschers stellen sich in einer Anlage Betriebszustände ein, aufgrund derer eine Verschiebung der Übergangszonen/Trennkörper in den Rohrkammern und relativ zueinander erfolgt. Um zu vermeiden, dass eine Übergangszone oder ein Trennkörper innerhalb einer Rohrkammer eine falsche Lage einnimmt, ist eine sogenannte Synchronisation dieser Übergangszonen/Trennkörper erforderlich. Für eine Synchronisation findet in einer der Rohrkammern ein Stillstand hinsichtlich der Bewegungsgeschwindigkeit des darin befindlichen Fluid statt, während in einer anderen Rohrkammer, beispielsweise bei einem Zweirohrsystem, noch eine Bewegungsgeschwindigkeit vorliegt.

Mit diesen Lösungen erfolgt in einfachster Weise eine Synchronisation der Geschwindigkeiten von den in den Rohrkammern bewegten Massenströme sowie der Zuordnung der Übergangszonen oder Trennkörper relativ zueinander. Für diejenigen Fälle, in denen innerhalb der Rohrkammern stofflich ausgebildete Trennkörper solche Übergangszonen zwischen den Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Druckniveaus bilden, wird deren Synchronisation innerhalb der Rohrkammern erreicht.

Nach der Verweildauer des angetriebenen Umschaltorgans im Haltepunkt erfolgt dessen Beschleunigung auf die normale Bewegungsgeschwindigkeit. Dazu findet ein übliches Antriebselement Verwendung, beispielsweise ein in der Drehzahl und/oder in der Hubbewegung veränderbarer Motor.

Dazu sehen weitere Ausgestaltungen vor, dass ein Antriebsmotor des Umschaltorgans veränderbare Drehzahlen und/oder Hubbewegungen aufweist. Damit wird der Bewegungsablauf des Umschaltorgans in einfacher Weise gesteuert und an die jeweilige Situation in einem Drucktauschersystem angepasst. Dazu ist der Antriebsmotor als ein Servomotor elektrischer, hydraulischer oder hydropneumatischer Bauart ausgebildet ist. Zusätzlich kann der Antriebsmotor mit einer die Geschwindigkeit und/oder Dynamik beeinflussenden Regeleineinrichtung verbunden sein.

Nach weiteren Ausgestaltungen sind die Rohrkammern mit mehreren, Position und Bewegung der Trennkolben erfassenden Sensoren versehen und es sind einer Boosterpumpe und der Umschaltarmatur regelbare Armaturen nachgeordnet. Auch sind die Boosterpumpe und/oder die Umschaltarmatur mit einem regelbaren Antrieb verbunden. Dabei sind die Sensoren, die regelbare Armaturen und die regelbaren Antriebe mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden. Die Steuer- und Regeleinheit überwacht mittels Sensorsignale die Bewegungsabläufe der Fluidströme in den Rohrkammern und/oder der Trennkolben und verändert bei Abweichungen von vorgegebenen Abläufen durch Übermittlung von Stellsignalen an die regelbaren Armaturen und/oder die regelbaren Antriebe deren Funktion und die Abläufe im Drucktauscher. Damit steuert und regelt die Steuer- und Regeleinheit die Synchronisation des Drucktauschers. Unter einer Synchronisation wird in diesem Zusammenhang das Nachregeln der Fluidgeschwindigkeit in einer Rohrkammer verstanden, wenn in der anderen Rohrkammer eine Geschwindigkeitsänderung stattgefunden hat. Die Bewegungsabläufe innerhalb des Drucktauschers werden auf druckstoßfreie Umschaltvorgänge optimiert.

Vorzugsweise ist die angetriebene Umschaltarmatur einer Hochdruckquelle nachgeordnet. Dies kann beispielsweise der Ausgang eines Reverse-Osmose-Moduls sein, aus dem ein brine unter hohem Restdruck austritt und dessen Druckenergie mit Hilfe des Drucktauschersystems zurückgewonnen wird.

Und nach anderen Ausgestaltungen ist die Umschaltarmatur mit einem oder mehreren, rotierend angetriebenen Umschaltorganen versehen, mit einem oder mehreren, reversierend linear angetriebenen Umschaltorganen versehen, oder das Umschaltorgan führt eine Kombinationsbewegung aus Dreh- und Hubbewegung aus.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
1 ein Diagramm und die
2 ein Schaltschema einer Anlage
Ein variabler und/oder diskontinuierlicher Bewegungsablauf eines angetriebenen Umschaltorgans ist in der Zeichnung mit Hilfe von zwei untereinander angeordneten Diagrammen dargestellt. In den Diagrammen ist auf den Abszissen jeweils die Zeit achse t dargestellt. Der Bewegungsablauf ist unabhängig von der Bauart eines Umschaltorgans, welches Drehbewegungen und/oder Linearbewegungen ausführen kann.
Die über den Zeitachsen aufgetragenen Kurvenverläufe beziehen sich auf einen Zyklus von einer Befüllung einer Rohrkammer mit Fluid. Dabei stellt der Punkt x auf der Zeitachse t den Anfangszeitpunkt eines Füllvorganges einer Rohrkammer dar, während der Punkt y einem zeitlichen Ende eines Füllvorganges entspricht.
Im unteren Diagramm ist auf der Ordinate der Durchflussquerschnitt A_DF aufgetragen. Er entspricht derjenigen Fläche, die während eines zwischen den Rohrkammern erfolgenden Umschaltvorganges in der Umschaltarmatur vom Umschaltorgan geöffnet und wieder geschlossen wird. Während eines Zeitraumes x – y läuft ein Zyklus eines Füllvorgangs einer – hier nicht dargestellten – Rohrkammer ab. Vom Beginn einer Öffnungsbewegung im Zeitpunkt x bis zum späteren Zeitpunkt x₁ öffnet sich der Durchflussquerschnitt A_DF innerhalb einer Umschaltarmatur vollständig. In Abhängigkeit von einem aufzufüllenden Volumen einer Rohrkammer bleibt der Durchflussquerschnitt A_DF bis zum Zeitpunkt y₁ vollständig geöffnet.
Bei Drucktauschersystemen nach dem Stand der Technik startet bereits zu dem Zeitpunkt y₁ der Schließvorgang einer Rohrkammer durch ein Umschaltorgan einer Umschaltarmatur. Entlang der strichpunktiert dargestellten Linie 1 läuft ein bei y₁ frühzeitig einsetzender, zeitlich kontinuierlicher und bei y endender Schließvorgang in der Umschaltarmatur ab. Der Durchflussquerschnitt A_DF der Umschaltarmatur wird entlang der strichpunktierten Linie 1 im Zeitraum y₁ – y geschlossen. Der frühzeitige Beginn zum Zeitpunkt y₁ ist notwendig, um die Anlagenbelastung durch die Impulskräfte der in einer Rohrkammer strömenden Flüssigkeitssäule zu reduzieren. Trotz einem solchen frühzeitigen Beginn einer Schließbewegung ergeben sich im Zeitpunkt y erhebliche nachteilige Druckpulsationen, die sich unter anderem auch in den bekannten und sehr lästigen Lärmbelastungen auswirken.
Erfindungsgemäß beginnt ein variabler und/oder diskontinuierlicher Schließvorgang einer Rohrkammer erst wesentlich später im Zeitpunkt y₂. Der Schließvorgang erfolgt entlang der gestrichelten Linie 2 und stellt einen gesteuerten, zeitlich diskontinuier lichen und/oder variablen Bewegungsablauf dar, der ebenfalls zum Zeitpunkt y beendet ist. Bei einem erfindungsgemäßen Schließvorgang erfolgt gegenüber dem Stand der Technik eine schnellere und zeitlich kürzere Schließbewegung des Umschaltorgans. Der Beginn einer Reduzierung des zu 100% geöffneten Durchflussquerschnitt A_DF erfolgt erst im wesentlich späteren Zeitpunkt y₂ und eine Querschnittsreduzierung ist bis zum Zeitpunkt y₄ weitgehend abgeschlossen. Im anschließenden Zeitraum y₄ – y erfolgt dann eine langsame Schließbewegung des verbleibenden, nur noch kleinen Durchflussquerschnitt A_DF4. Der langsame Verschluss des kleinen Durchflussquerschnittes A_DF4 der Umschaltarmatur auf einen Wert Null reduziert zuverlässig das Geräuschniveau und die Bildung von Druckstößen.
Durch diese zeitliche Verzögerung kurz vor dem endgültigen Ende einer Schließbewegung wird die Impulskraft der strömenden Massen in dem sich nur noch allmählich verschließenden Durchflussquerschnitt A_DF4 problemlos abgebaut und ein Schließvorgang nahezu drucklos beendet. Als Folge davon ergeben sich nahezu geräuschlose Schließvorgänge bei den Umschaltvorgängen innerhalb einer Umschaltarmatur und in einem solchen Drucktauschersystem. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich eine wesentlich geringere Materialbelastung durch verminderte Druckpulsationen.
Dem Idealfall entspricht die durchgezogene Linie 3 zwischen den Zeitpunkten y₃ und y. Hier wird der Schließvorgang zu einem noch späteren Zeitpunkt y₃ eingeleitet und der zu 100% geöffnete Durchflussquerschnitt A_DF in sehr kurzer Zeit bis zum Zeitpunkt y₄ auf den Durchflussquerschnitt A_DF4 überwiegend abgeschlossen. Danach werden in der Zeitspanne y₄ – y durch einen zeitlich längeren oder langsameren Schließvorgang die vorhandenen Impulskräfte im sich nur relativ allmählich verkleinernden Durchflussquerschnitt A_DF4 abgebaut. Dieser theoretische Idealfall ist aufgrund von Masseträgheiten der Bauteile und Totzeiten in einer Regelung nicht erreichbar. Mit einem entsprechenden Antrieb ist es möglich, sich dem Idealfall der Kurve 3 im kritischen Bereich zwischen y₃ und y₄ sehr stark anzunähern. Ein den Idealfall erfüllender Antrieb müsste in unverhältnismäßig kurzer Zeit das Umschaltorgan aus der Ruhelage nahezu in die Schließstellung bewegen. Massenträgheiten und die bekannten Bauarten von Antrieben lassen solche Beschleunigungen nur bedingt zu.
Ein jeweils Anwendung findender Antriebsmotor, dessen Auswahl von den zu bewegenden oder abzusperrenden Massen abhängig ist, ermöglicht die gewünschten zeitlich gesteuerten Bewegungsabläufe des Umschaltorgans innerhalb der Umschaltarmatur. Dies kann sowohl ein stufenlos steuerbarer Servomotor als auch ein zwei- oder mehrstufiger Antrieb mit verschiedenen Geschwindigkeitsstufen sein.
Mit Hilfe einer zusätzlichen – hier nicht dargestellten – Regeleinrichtung besteht die Möglichkeit, die Lage der verschiedenen Zeitpunkte y₂ – y auf der horizontalen Zeitachse zu verschieben. Im Diagramm ist dies durch horizontal angeordnete Doppelpfeile an den Zeitlinien y₂ und y₄ symbolisiert. Mit Hilfe von einfachen Sensoren, beispielsweise Schallsensoren, kann bei auftretenden unzulässigen Geräuschsituationen, die durch veränderte Anlagen- oder durch Bauteilbedingungen entstehen, in einfachster Weise durch eine Verschiebung der Zeitpunkte y_X eine einfache Regelung des Drucktauschersystems erfolgen. Damit wird gewährleistet, dass der geometrische Punkt, in dem in der Umschaltarmatur der Durchflussquerschnitt A_DF gerade dicht geschlossen ist, mit dem Zeitpunkt y zusammenfällt. Somit können Bauteiltoleranzen in einfachster Weise regelungstechnisch kompensiert werden.
Im oberen Diagramm der Zeichnung ist auf der Ordinate die Fluidgeschwindigkeit v_Fluid über der Zeitachse t aufgetragen. Alle auf der oberen Zeitachse t aufgetragenen Zeitpunkte x – y entsprechen den entsprechenden Zeitpunkten des unteren Diagramms. Aus dem oberen Diagramm ist die schnelle Geschwindigkeitszunahme bei der Füllung einer Rohrkammer mit Fluid vom Beginn des Öffnens im Zeitpunkt x der Umschaltarmatur durch ein Umschaltorgan ersichtlich. Im Zeitpunkt x1 hat die Fluidgeschwindigkeit v_Fluid annähernd ihr Maximum erreicht, um danach auf annähernd gleichen Niveau zu bleiben.
Bei den Drucktauschern nach dem bekannten Stand der Technik wird analog der strichpunktierten Kurve 1 bereits zum Zeitpunkt y₁ die Schließbewegung des Umschaltorgans eingeleitet, um während der großen Zeitdauer y₁ – y und im Zeitpunkt y eine Rohrkammer vollständig abzusperren. Ein solcher konstant ablaufender Schließvorgang gemäß der Kurve 1, der die Abnahme der Fluid geschwindigkeit v_Fluid innerhalb einer Rohrkammer zeigt, bis diese durch das Umschaltorgan vollständig versperrt ist, ist in diesem Diagramm als eine an sich bekannte mathematische Funktion abgebildet.
Erfindungsgemäß erfolgt aufgrund des variabel und/oder diskontinuierlich ablaufenden Schließvorganges die Einleitung der Schließbewegung des Umschaltorgans zum späteren Zeitpunkt y₂. Sie verläuft in gesteuerter Weise entlang der gestrichelt dargestellten Kurve 2 im kürzeren Zeitraum y₂ – y und ist zum Zeitpunkt y beendet. Im oberen Diagramm ist deutlich erkennbar, dass vor dem Endpunkt y der Kurve 2 auf der Zeitachse t die Geschwindigkeitsabnahme des Fluid über einen größeren Zeitraum stattfindet, wodurch die Impulsbelastung auf das Gesamtsystem wesentlich reduziert wird.
Der aufgrund von Bauteiltoleranzen nur bedingt erreichbare Idealfall zeigt die in diesem Diagramm als Gerade ausgebildete, durchgezogene Linie 1. Die Abnahme der Fluidgeschwindigkeit v_Fluid erfolgt kontinuierlich ab dem Zeitpunkt y₃ in dem kürzesten Zeitraum Δt zwischen den Zeitpunkten y₃ und y aufgrund der variablen und/oder diskontinuierlichen Schließbewegung des Umschaltorgans einer Umschaltarmatur. Der theoretische Idealzustand ist erreicht, wenn sich dvFluid/dt = const. (1)verhält. Infolge der üblichen Bauteil-Toleranzen in einer Drucktauscheranlage ergibt sich dieser Idealzustand nur in seltenen Fällen.
Insgesamt wird mit der diskontinuierlichen Schließbewegung des Umschaltorgans die Impulsbelastung eines Drucktauschersystem entscheidend verbessert und eine daraus resultierende Geräuschbelastung sehr stark eingeschränkt. Weiter werden höherer Fluidgeschwindigkeiten in den Rohrkammern realisiert und damit die Wirtschaftlichkeit eines solchen Drucktauschersystems in erheblichem Maße verbessert.
Die in den Rohrkammern wechselweise bewegten Flüssigkeitssäulen besitzen aufgrund ihrer Strömungsgeschwindigkeiten eine Impulskraft, welches der Bewegungsgröße eines Körpers entspricht, die nach der Formel I = m·vFluid 2 (2)ermittelt wird. Bei einer Absperrung einer Rohrkammer wird eine darin strömende Flüssigkeitssäule in ihrer Bewegung abgebremst, wodurch sich eine Impulsänderung in der Form von ΔI = I (3)ergibt. Da die Impulsänderung ΔI der Bedingung ΔI=F·Δt (4)entspricht, ergibt sich bei einer Gleichsetzung der Formeln (1) und (3) F·Δt = m·vFluid 2 (5)
Da die Druckbelastung des Drucktauschersystems proportional zur Kraft F ist, mit der beim Abbremsen der Impuls der bewegten Flüssigkeitssäule auf das Drucktauschersystem einwirkt, weil p=F/A (6)ist, wird durch eine Vergrößerung von Δt die Druckbelastung in einfachster Weise verringert. Durch den variablen und/oder diskontinuierlicher Bewegungsablauf der Umschaltarmatur beim Absperren von vorher geöffneten Strömungswegen ergibt sich daher eine wesentlich reduzierte Impulsbelastung für das Gesamtsystem. Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass erst auf dem letzten Teil einer Gesamtbewegung des angetriebenen Umschaltorgans eine deutliche Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit w die Druckbelastung des Drucktauschersystems in gleichem Maße reduziert. Dies hat den wesentlichen Vorteil der einfacheren Einflussnahme. Durch geringe zeitliche Änderungen des Bewegungsablaufes bei einem Schließvorgang werden die Impulskräfte überproportional beeinflusst, wodurch insgesamt im Drucktauschersystem höhere Durchsatzmengen und Durchströmgeschwindigkeiten erreichbar sind bei gleichzeitig verringerten Bauteilabmessungen.
2 zeigt als Beispiel ein Schaltschema eines Rohrleitungssystems einer Reverse-Osmose-Anlage, in der eine Hochdruckpumpe 1 ein zu behandelndes Fluid, gewöhnlich Wasser in Form von See-, Meer-, Brack- oder auch Abwasser, zu einem oder mehreren Reverse-Osmose-Modulen 2 fördert. Infolge des hohen osmotischen Druckes innerhalb dieser Module 2 tritt an den darin angeordneten Membranen ein Abscheideeffekt auf. Hinter den Membranen fließt gereinigte Flüssigkeit, das sogenannte Permeat, mit geringem Druck ab, wird gesammelt und einer weiteren Verwendung zugeführt.
Nach dem Abscheideprozess fließt aus den Reverse-Osmose-Modulen 2 ein vor den Membranen befindliches Fluid ab, das sogenannte Brine, welches eine höhere Konzentrationsdichte an Schadstoffen aufweist, gewöhnlich Salze, und zur ursprünglichen Quelle abgeleitet wird. Um den hohen Energieinhalt in Form von Druckenergie auszunutzen, wird das Brine über eine Umschaltarmatur 7 zur Energierückgewinnung in einen Drucktauscher geleitet, der hier als 2-Kammer-Drucktauscher dargestellt ist. In dessen Rohrkammern 3.1, 3.2 sind unter Druckeinfluss verschiebbare Trennkolben 4.1, 4.2 angeordnet, die eine Trennung zwischen jeweils zwei unterschiedlich mit Druck beaufschlagten Räumen einer Rohrkammer und deren Flüssigkeiten bewirken. Es sind auch Anlagen mit Rohrkammern ohne Trennkolben bekannt, jedoch kann es darin zu unerwünschten Durchmischungen zwischen den verschiedenen Flüssigkeiten kommen, wenn das System aus dem Gleichgewicht gerät oder dessen Steuerzeiten nicht mehr stimmen.
Der hohe Druck des aus einem oder mehreren Reverse-Osmose-Modulen 2 austretenden Brine drückt in der 2 einen oberen, in einer ersten Rohrkammer 3.1 befindlichen Trennkolben 4.1 zur von der Umschaltarmatur 7 entfernt liegenden Seite. Dabei wird der hohe Druck auf ein anderes, links vom Trennkolben 4.1 in der Rohrkammer 3.1 befindliches oder auf der von der Umschaltarmatur 7 entfernt liegenden Kolbenseite befindliches Fluid übertragen. Der hohe Druck wird auf ein druckärmeres Fluid, auch Speisefluid genannt, übertragen. Dieses einer Leitung 8 entnommene Speisefluid kann auf die verschiedensten Arten zugeführt werden und ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
Dieses Fluid tritt anschließend mit hohem Druck auf der linken Seite der oberen Rohrkammer 3.1 des Drucktauschers aus und strömt durch Rückschlagarmaturen 5 einer Boosterpumpe 6 zu, die innerhalb des Rohrleitungssystems angeordnet ist. Die Rückschlagarmaturen 5 verhindern eine Rückströmung des nun energiereicheren Fluid in die Leitung 8. Die Boosterpumpe 6 kompensiert nur noch denjenigen geringen Druckabfall, der beim osmotischen Prozess in den Reverse-Osmose-Modulen 2 entsteht. Infolge der Energierückgewinnung durch den Drucktauscher erbringt die Boosterpumpe 6 nur noch diejenige Druckdifferenz, die innerhalb der Reverse-Osmose-Module 2 verloren geht. Die Hochdruckpumpe 1 ist deshalb wesentlich kleiner und damit kostengünstiger gestaltet, als bei einer Anlage ohne Energierückgewinnung.
Eine zu behandelndes Fluid, auch Speisefluid genannt, strömt der Hochdruckpumpe 1 durch die Leitung 8 zu. Als von der Leitung 8 abgehend gezeichnet sind hier zwei Abzweigung 9.1, 9.2 mit Rückschlagarmaturen 5, durch die ein Teilstrom des Fluid oder Speisefluid den Rohrkammern 3.1, 3.2 des Drucktauschers zuströmt. Für die Funktion der Anlage ist diese Art der Zuführung nicht verbindlich. Es können auch andere Arten einer Fluidzuführung zu dem Drucktauscher und die Hochdruckpumpe 1 Verwendung finden. Relevant ist lediglich, dass in den zu den Rohrkammern 3.1, 3.2 führenden Leitungen 9.1 und 9.2 ein Vordruck besteht, welcher ausreicht, ein Fluid durch die Rückschlagventile 5 und einen Trennkolben 4.1 oder 4.2 vom Rohrkammerende auf der Seite der Rückschlagventile 5 zum anderen Rohrkammerende auf der Seite der Umschaltarmatur 7 zu bewegen.
Erreicht der Trennkolben 4.1 innerhalb der ersten Rohrkammer 3.1 sein in der Zeichnung linkes Rohrkammerende, welches auf Seiten der Rückschlagarmaturen 5 befindlich ist, dann wird die Umschaltarmatur 7 umgeschaltet, wodurch für die erste Rohrkammer 3.1 nunmehr eine Verbindung zu einem Bereich mit niedrigem Druck hergestellt wird. Der Vordruck eines jetzt aus der Zuführung 9.1 nachströmenden Speisefluids reicht aus, um den Trennkolben 4.1 mit frischen Fluid und das in der Rohrkammer 3.1 befindliche, nunmehr entspannte Brine nach rechts zur Umschaltarmatur 7 und aus der oberen Rohrkammer 3.1 heraus zudrücken. Der Abfluss des Brine erfolgt durch die Umschaltarmatur 7 und eine damit verbundene Leitung 10. Während des Ausstoßvorganges des Brine aus der ersten Rohrkammer 3.1 wird über die Umschaltarmatur 7 gleichzeitig die untere zweite Rohrkammer 3.2 mit dem hohen Druck des Brine beaufschlagt.
Der Ausstoßvorgang eines entspannten Brine ist in der 2 in der zweiten unteren Rohrkammer 3.2 dargestellt. Durch entsprechende zyklische Umschaltungen der Umschaltarmatur 7 erfolgt eine wechselweise Druckbeaufschlagung der beiden Rohrkammern 3.1, 3.2 und damit eine effiziente Energierückgewinnung.
Beim Umschaltvorgang eines Drucktauschers entstehen Druckstöße, welche die Membranen innerhalb der Reverse-Osmose-Module 2 gefährden. Erfindungsgemäß erfolgt eine Regelung der Anlage, wobei in der von der Umschaltarmatur 7 das Brine abführenden Leitung 10 eine regelbare Armatur 11 angeordnet ist. Zusätzlich ist im Bereich der Boosterpumpe 6 eine weitere regelbare Armatur 12 angeordnet oder die Boosterpumpe 6 ist alternativ mit einem regelbaren Antrieb 13 versehen.
Die Rohrkammern 3.1, 3.2 sind mit mehreren Sensoren 14 und 15 versehen, wobei die Sensoren 14 einerseits der Lageermittlung und anderseits zur Ermittlung der jeweiligen Geschwindigkeit der Trennkolben 4.1, 4.2 dienen. Die Sensoren 15 dienen zur Erfassung von möglichen Endlagen der Trennkolben. Alle Sensorsignale werden in eine Steuer- und Regeleinheit 16 eingespeist, welche Stellsignale an den Stellmotor 17 der Umschaltarmatur 7, die regelbare Armaturen 11, 12 beziehungsweise an eine regelbare Armatur 11 und den regelbaren Antrieb 13 der Boosterpumpe 6 liefert. Die regelbaren Armaturen 11, 12 können als eine Armatur mit Stellantrieb oder als eine Armatur mit Stellungsregler ausgebildet sein. Es sind Bauarten, mit deren Hilfe eine genaue Abfolge von Schaltungen für die gesamte Anlage durch eine Steuer- und Regeleinheit 16 möglich ist.
Um einen störungsfreien Betrieb von solchen Reverse-Osmose-Membranen zu gewährleisten, erfolgt ein kontinuierlicher Speisestrom zu den Membranen. Dies wird sichergestellt durch eine unterschiedliche Bewegungsgeschwindigkeit der Trennkolben in den Rohrkammern. Die Pfeile in der Zeichnung zeigen die Bewegungsrichtung der Trennkolben. Im Ausführungbeispiel von 2 wird die Rohrkammer 3.1 gerade mit Hochdruckfluid gefüllt, während die untere Rohrkammer 3.2 mit frischem Speisefluid beaufschlagt wird und ein druckentspanntes Brine gerade über die Leitung 10 abfließt. Hierbei bewegt sich der Trennkolben 4.2 in der mit Niederdruck beaufschlagten unteren Rohrkammer 3.2 mit höherer Geschwindigkeit, als der Trennkolben 3.1 in der mit Hochdruck beaufschlagten Hochdruckkammer 3.1. Aus diesem Grunde erreicht der Trennkolben 3.2 zuerst seinen Umkehrpunkt am Ende der Rohrkammer. Das Erreichen des Umkehrpunktes wird von dem Sensor 14 an die Steuer- und Regeleinheit 16 übermittelt, woraufhin von dieser ein Stellsignal an den Antriebsmotor 17 der Umschaltarmatur 7 geliefert wird. Die Umschaltarmatur 7 schaltet und die Drücke in den Rohrkammern 3.1 und 3.2 werden getauscht. Zu diesem Zeitpunkt kehrt der in der Endlage befindliche Trennkolben 4.2 seine Bewegungsrichtung um und wird in die entgegengesetzte Richtung zu den Rückschlagarmaturen 5 hin beschleunigt, so dass zu diesem Zeitpunkt beide Trennkolben 4.1, 4.2 ein Hochdruckfluid in die Richtung der Boosterpumpe 6 liefern. Die Zeitdauer, in der beide Kammern 3.1, 3.2 und deren Trennkolben ein Hochdruckfluid in Richtung der Boosterpumpe 6 liefern, liegt im Sekundenbereich, bevor der Trennkolben 4.1 der Rohrkammer 3.1 seinen Umkehrpunkt erreicht.
Weitere Sensoren 15 sind an den Enden jeder Rohrkammer angeordnet und gewährleisten eine Signalübermittlung an die Steuer- und Regeleinheit 16, falls auf Grund von geänderten Betriebsbedingungen ein Trennkolben eine solche End- oder auch Totlage erreichen sollte. In diesem Fall liefern die Sensoren 15 ein Alarmsignal, mit dessen Hilfe die Steuer- und Regeleinheit 16 durch Stellsignale an die regelbaren Armaturen bzw. an den Antrieb der Boosterpumpe und/oder den Antrieb der Umschaltarmatur 7 eine neue Synchronisation des Bewegungsablaufes der Trennkolben startet. In diesem Zusammenhang wird als Synchronisation das Nachregeln der Fluidgeschwindigkeit in einer Rohrkammer bezeichnet, wenn in der anderen Rohrkammer eine Geschwindigkeitsänderung stattgefunden hat. Dieser Synchronisations-Effekt tritt auch ein, wenn nur der Drucktauscher geregelt wird. In diesem Fall folgt die Boosterpumpe über ihre Drosselkurve.
Mit Hilfe der Sensoren 14 werden sowohl die jeweiligen Umkehrpunkte, als auch die Geschwindigkeiten der Trennkolben 4.1, 4.2 für jeden Drucktausch-Zyklus eines Drucktauschers gemessen, so dass jede Betriebsbedingung ermittelt wird durch die Veränderung der Kolbengeschwindigkeit. Dies gilt sowohl für einen Anfahrbetrieb und auch für einen Abfahrbetrieb einer mit einem solchen Drucktauscher ausgerüsteten Anlage.
Mit Hilfe des Antriebsmotors 17 an der Umschaltarmatur 7 ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass die Steuer- und Regeleinheit 16 von Umschaltzyklus zu Umschaltzyklus und sogar auch noch während eines Umschaltzyklus sofort reagieren kann. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass die Steuer- und Regeleinheit 16 den Betrieb und die Synchronisation mehrerer Drucktauscher in Parallel- oder in Hintereinander-Schaltung zuverlässig regeln kann. Die ständige Geschwindigkeitsmessung des Durchflusses in den Rohrkammern 3.1, 3.2 des Drucktauschers bietet den weiteren Vorteil, dass diese Daten mit Hilfe eines Interfaces direkt an die Boosterpumpe der Anlage weitergeleitet werden, wenn diese über einen drehzahlgeregelten Antrieb 13 verfügt. Sollte die Boosterpumpe jedoch nur einen Antrieb mit fester Drehzahl aufweisen, dann kann hinter der Boosterpumpe 6 eine Leistungsbeeinflussung durch eine als Drosselarmatur wirkende regelbare Armatur stattfinden.
Verwendete Formelzeichen

A: Fläche, in m²
A_DF: Durchflußfläche, in m²
F: Kraft, in N
p: Druck, in bar
I: Impuls, in kgm/s
ΔI: Impulsänderung, in kgm/s
m: Masse, in kg
w: Bewegungsgeschwindigkeit des Umschaltorgans, in °/s oder m/s
Δt: Zeitänderung, in s
v_Fluid: Fluidgeschwindigkeit in einer Rohrkammer, in m/s

Claims

Drucktauschersystem mit mindestens zwei Rohrkammern, wobei mehrere Umschaltarmaturen die Strömungswege von Flüssigkeitsströmen durch die mindestens zwei Rohrkammern umsteuern, und mindestens eine angetriebene Umschaltarmatur die Strömungswege zwischen einer ein energiereiches Hochdruckfluid bereitstellenden Lieferquelle und den Rohrkammern wechselweise umsteuert, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umschaltarmatur das angetriebene Umschaltorgan bei der Umsteuerung der Richtung der Flüssigkeitsströme und beim Absperren von vorher geöffneten Strömungswegen einen variablen und/oder diskontinuierlicher Bewegungsablauf aufweist.
Drucktauschersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Absperren einer aufgefüllten Rohrkammer das angetriebene Umschaltorgan eine reduzierte Bewegungsgeschwindigkeit (w) aufweist.
Drucktauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit (w) des angetriebenen Umschaltorgans unmittelbar vor einem Verschluß einer Rohrkammer erfolgt.
Drucktauschersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit (w) im Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden liegt.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Absperrung einer mit Niederdruck aufgefüllten Rohrkammer das angetriebene Umschaltorgan einen Haltepunkt einnimmt.
Drucktauschersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Haltepunkt für eine Verweildauer im Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden die Bewegungsgeschwindigkeit (w) des angetriebenen Umschaltorgans auf Null reduziert ist.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Verweildauer des angetriebenen Umschaltorgans im Haltepunkt eine Beschleunigung auf die normale Bewegungsgeschwindigkeit (w) erfolgt.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmotor des Umschaltorgans veränderbare Drehzahlen und/oder Hubbewegungen aufweist.
Drucktauschersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor als Servomotor elektrischer, hydraulischer oder hydropneumatischer Bauart ausgebildet ist.
Drucktauschersystem nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor mit einer die Geschwindigkeit und/oder Dynamik beeinflussenden Regeleinrichtung verbunden ist.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkammern (3.1, 3.2) mit mehreren, Position und Bewegung der Trennkolben (4.1, 4.2) erfassenden Sensoren (14, 15) versehen sind.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass einer Boosterpumpe (6) und einer Umschaltarmatur (7) regelbare Armaturen (11, 12) nachgeordnet sind.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Boosterpumpe (6) und/oder die Umschaltarmatur (7) mit einem regelbaren Antrieb (13, 17) verbunden sind.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (14, 15), die regelbare Armaturen (11, 12) und die regelbaren Antriebe (13, 17) mit einer Steuer- und Regeleinheit (16) verbunden sind.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (16) mittels Sensorsignale die Bewegungsabläufe der Fluidströme in den Rohrkammern (3.1, 3.2) und/oder der Trennkolben (4.1, 4.2) überwacht und bei Abweichungen von vorgegebenen Abläufen durch Übermittlung von Stellsignalen an die regelbaren Armaturen (11, 12) und/oder die regelbaren Antriebe (13, 17) deren Funktion und die Abläufe im Drucktauscher verändert.
Drucktauschersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (16) eine Synchronisation des Drucktauschers steuert und regelt.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohrkammern an sich bekannte, stofflich ausgebildete Trennkörper angeordnet sind.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltarmatur mit einem oder mehreren, rotierend angetriebenen Umschaltorganen versehen ist.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltarmatur mit einem oder mehreren, reversierend linear angetriebenen Umschaltorganen versehen ist.
Drucktauschersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltorgan eine Kombinationsbewegung aus Dreh- und Hubbewegung ausführt.