DE102006057165B4

DE102006057165B4 - Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006057165B4
Application number: DE102006057165A
Authority: DE
Inventors: Gregor Baumgartner; Chris Becke; Alexander Erz; Stephan Möhrle; Markus Steinberger; Lena Weigang
Original assignee: Brita SE
Current assignee: Brita SE
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2026-12-02
Also published as: TW200848373A; WO2008058613A1; DE102006057165A1

Abstract

Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung, umfassend
ein Gehäuse (1), das mehrere Räume (12, 13, 14) zur Aufnahme von Wasser und von Geräteteilen (2, 3, 4) aufweist;
eine mechanische Filtereinrichtung (2, 3) zur Beseitigung von Fremdteilchen aus dem aufzubereitenden Wasser;
einen Handantrieb (4);
eine vom Handantrieb antreibbare Pumpe (7); und
eine Umkehrosmoseeinheit (5), durch die das aufzubereitende Wasser unter Druck gepresst wird;
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (1) in Ständerform gebaut ist und ein rundzylindrisches Obergehäuse (10) mit scheibenförmiger Unterteilung zur Bildung der Räume (12, 13, 14) und ein kegelstumpfartiges Untergehäuse (11) zur Bildung eines Wassertanks (6) zur Aufnahme des aufbereiteten Wassers aufweist,
dass einer der scheibenförmigen Räume (14) die Pumpe (7) beherbergt und
dass die Pumpe (7) eine Zahnradpumpe (7) mit kämmenden Zahnrädern (71, 72) darstellt, die einen Saugraum (73) und einen Druckraum (74) benachbart dem Kämmungsbereich der Zahnräder (71, 72) bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine von Hand zu bedienende Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung.
Es gibt mobile Trinkwasseraufbereitungsanlagen, die auf Fahrzeugen, häufig von Hilfsorganisationen, mitgeführt werden. Solche mobilen Trinkwasseraufbereitungsanlagen sind mit einigem Aufwand verbunden. Es besteht jedoch auch Bedarf nach wenig aufwendigen Trinkwasseraufbereitungsgeräten, die insbesondere in ariden und semiariden Gebieten eingesetzt werden können, um kleinere Menschengruppen mit Trinkwasser auch aus an sich nicht trinkwassertauglichen Quellen zu versorgen.
Ein tragbares Trinkwasseraufbereitungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US 2006/0124517 A1 bekannt und umfasst eine Membrananordnung innerhalb eines Gehäuses und eine Druckkolbenpumpe innerhalb eines benachbarten Gehäuses. Die Druckkolbenpumpe ist über Handhebel antreibbar. Es gibt einen Rohwassersauganschluss und einen Trinkwasserabgabeeanschluss, jedoch keine Tankräume für Rohwasser und für Trinkwasser an dem Gerät.
Die US 5,110,468 A beschreibt einen Frischwassergenerator zur Aufbereitung von Meerwasser. Dieser Generator besitzt ein im vertikalen Querschnitt trapezförmiges Gehäuse mit einem Handhebel und mit einem Transmissionsgetriebe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trinkwasseraufbereitungsgerät zu schaffen, das kompakt aufgebaut ist, sich leicht transportieren lässt und bequem bedient werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst und durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche ausgestaltet und weiterentwickelt.
Die Ständerform des Gehäuses des Trinkwasseraufbereitungsgeräts ermöglicht es, das Gerät überall auf einigermaßen ebenem Boden aufzustellen und zu betreiben. Mit der mechanischen Filtereinrichtung können Fremdteilchen bis zu einer gewissen Größe aus dem aufzubereitenden Wasser herausgefiltert werden. Das so mechanisch gereinigte Wasser kann unter Druck gesetzt werden, um durch eine Osmosemembran gedrückt zu werden. Dieser Vorgang, Umkehrosmose genannt, ermöglicht die Verarbeitung von Brackwasser zu Trinkwasser, d. h. die Verarmung von Ionen im Trinkwasser gegenüber dem zugeführten salzigen Rohwasser.
Die mechanische Filtereinrichtung kann ein Vorfilter zur Abtrennung von Schmutz und ein Mikrofilter zur Beseitigung feinerer Teilchen bis herunter zu Keimen enthalten. Bei einer Porengröße des Mikrofilters von 0,2 μm kann das gefilterte Wasser als ”steril gefiltert”, d. h. als fast keimfrei gelten. Restliche Keime werden durch die Umkehrosmose beseitigt.
Als Einrichtung zur Wasserdruckerzeugung wird eine Zahnradpumpe bevorzugt, weil mit einer solchen Zahnradpumpe erhebliche Drücke in der Größenordnung von 10 bis 15 bar erzeugt werden können, und zwar durch Antrieb per Handkurbel. Um einer Fehlbedienung vorzubeugen, kann die Zahnradpumpe im Querzweig einer Grätzschaltung angeordnet werden, in deren Längszweigen sich Rückschlagventile befinden, die so gepolt sind, dass Wasser nur von der Eingangsseite zur Ausgangsseite gefördert werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht des Trinkwasseraufbereitungsgeräts, teilweise geschnitten,
2 einen Schnitt durch die Umkehrosmoseeinheit,
3 eine Zahnradpumpe und
4 eine Grätzschaltung.
Ausführung der Erfindung
Die hauptsächlichsten Teile des Trinkwasseraufbereitungsgeräts sind ein Gehäuse 1, ein Vorfilter 2, ein Mikrofilter 3, ein Antrieb 4, eine Umkehrosmoseeinheit 5 und ein Wassertank 6. Das Gehäuse 1 umfasst ein rundzylindrisches Obergehäuse 10 und ein kegelstumpfartiges Untergehäuse 11, die in Ständerform zusammengebaut sind. In dem Obergehäuse 10 ist ein Wassereinfüllraum 12 zur Aufnahme des Rohwassers und auch des Vorfilters 2 vorgesehen. Darunter befindet sich ein Raum 13 zur Aufnahme des Mikrofilters 3. Wiederum darunter befindet sich ein Raumbereich 14, in welchem Zahnradübersetzungen des Antriebs 4 untergebracht sind. Nach unten wird das Obergehäuse 10 von einer Platte 15 begrenzt, die mit der Umkehrosmoseeinheit 5 verbunden ist. Die Räume 12 bis 14 und die Teile 15, 5 sind scheibenförmig aufeinander geschichtet.
Das Obergehäuse 10 ist über die Teile 15, 5 fest mit dem Untergehäuse 11 verbunden, in dem der Wassertank 6 untergebracht ist. Dieser weist einen Ablasshahn 61 auf, über den aufbereitetes Wasser entnommen werden kann. Ober- und Untergehäuse sind ferner über einen Griff 16 miteinander verbunden, der einen ins Innere des Obergehäuse 10 reichenden Stützarm 17 besitzt und fest mit der Platte 15 verbunden ist.
Um gut handhabbar zu sein, weist das Gerät eine Höhe im Bereich zwischen 30 und 60 cm auf.
Das Vorfilter 2 enthält drei kerzenförmige Keramikfilter 20, die von Poren mit einer Porengröße im Bereich von 5 bis 30 μm durchsetzt sind, welche in Ablaufkanälen münden, die vorgereinigtes Wasser der Mikrofiltereinheit 3 zuführen. Um die Poren der Keramikfilterkörper 20 gegen Zusetzen zu schützen, ist es möglich, den Belag an der Oberfläche der Keramikfilterkörper 20 abzuschaben, und hierzu sind Schaber 22 vorgesehen, die über einen Griffknopf 23 hin und her bewegt werden können. Abgeschabte Fremdteile werden durch Spülen des Wassereinfüllraumes 12 beseitigt.
Die Mikrofiltereinheit 3 ist als drehbar angeordnete Zentrifugentrommel 30 ausgebildet, deren Mantelfläche und Boden vollständig mit Mikrofiltervlies 31 ausgekleidet ist. Die Porengröße des Mikrofiltervlieses 31 liegt im Bereich von 0,1 bis 3 μm, vorzugsweise um 0,2 μm. Die Zentrifugentrommel 30 kann in noch zu beschreibender Weise vom Antrieb 4 in Drehung versetzt werden, was den Durchsatz durch das Mikrofiltervlies 31 gegenüber dem Durchsatz nur infolge Schwerkraft erhöht.
Der Antrieb 4 umfasst eine Handkurbel 40, deren Antriebswelle 41 ein Kegelzahnrad 42 antreibt, um über Getriebestufen 43, 44 und 45 eine Welle 46 anzutreiben, über die einerseits die Zentrifugentrommel 30 und andererseits die Umkehrosmoseeinheit 5 angetrieben wird. Zwischen den Wellen 41 und 46 erfolgt eine Übersetzung ins Schnelle, beispielsweise im Verhältnis 1:8. Die Welle 41 ist am Griff 16 gelagert, und die Zwischenwellen der Getriebestufen 43, 44 sowie die Abtriebswelle 46 sind am Stützarm 17 und an der Platte 15 gelagert.
Die Umkehrosmoseeinheit 5 wird anhand der 2 beschrieben. Diese enthält eine Osmosemembran 50, die in einem druckfesten Kasten 51 eingeschlossen ist. Ferner ist eine Zahnradpumpe 7 vorgesehen, um das zugeführte salzige Wasser auf Druck zu bringen. Der druckfeste Kasten 51 und die Zahnradpumpe 7 werden von einer Umrandung 52 umschlossen, um das Drucksystem gegenüber den anderen Geräteteilen abzutrennen. Der druckfeste Kasten 51 weist eine untere Kammer 53 und eine obere Kammer 54 auf, die durch die Membran 50 voneinander getrennt sind. Ein Druckwasserkanal 55 führt zur Osmosemembran 50 und wird von der Zahnradpumpe 7 gespeist. Ein Ablaufkanal 56 verbindet die Umkehrosmoseeinheit 5 mit dem Wassertank 6.
3 ist eine vergrößerte Darstellung der Zahnradpumpe 7 im geöffneten Zustand. Ein inneres Gehäuse 70 umschließt ein erstes und ein zweites Zahnrad 71, 72, die miteinander kämmen und so einen Saugraum 73 von einem Druckraum 74 trennen. Durch ein Umschließungsgehäuse 75 werden zum inneren Gehäuse 70 hin Saug- und Druckkanäle 76 und 77 gebildet, zu denen eine Zulauföffnung 78 hinführt bzw. eine Ablauföffnung 79 wegführt. Zwischen dem Saugkanal 76 und den Räumen 73 bzw. 74 sind Rückschlagventile 81, 82 und zwischen dem Druckkanal 77 und den Räumen 73 bzw. 74 sind Rückschlagventile 83, 84 angeordnet. Auf diese Weise wird eine Grätzschaltung gebildet, wie in 4 skizziert, die sicherstellt, dass unabhängig von der Drehrichtung der Zahnräder 71, 72 die Saugseite immer bei 78 und die Druckseite immer bei 79 liegt. (Bei Drehrichtungsumkehr des Antriebs vertauschen sich Saug- und Druckraum, ohne dass sich dies auf die Druckförderung des Wassers auswirkt.) Die Zahnradpumpe 7 kann einen Druck in der Größenordnung von 10 bis 15 bar aufbauen, was von der Genauigkeit der Herstellung der Zahnflanken und der Abdichtung an der Ober- und Unterseite der Zahnräder abhängt.
Der Druckseite der Umkehrosmoseeinheit 5 ist noch eine Ablasseinrichtung 9 für mit Salz angereichertes Wasser zugeordnet und enthält ein Überdruckventil 91 (2) und einen Abwasserschlauch 92 (1).
Der Betrieb des Trinkwasseraufbereitungsgeräts ist wie folgt:
Rohwasser wird in den Raum 12 des Geräts eingefüllt, und das Wasser gelangt durch die Poren der Keramikfilterkörper 20 in den Raum 13 und ins Innere der Trommel 30. Verunreinigungen im Rohwasser werden im Wesentlichen an der Oberfläche der Keramikfilterkörper 20 zurückgehalten und können von Zeit zu Zeit durch Abschaben mittels des Schabers 22 beseitigt werden. Das im Raum 13 angelangte, vorgefilterte Wasser gelangt durch Schwerkraftwirkung durch die Poren des Mikrofilters 3 in den Raum 14. Der Durchsatz kann durch Antrieb der Zentrifugentrommel 30 erhöht werden. Im Raum 14 sammelt sich fein gefiltertes Wasser, das fast keimfrei ist und deshalb als ”steril gefiltert” gilt. Das fein gefilterte Wasser gelangt vom Raum 14 über die Zuflussöffnung 78 in den Saugkanal 76 und den Saugraum 73 der Zahnradpumpe 7 und wird von dieser auf einen Druck gebracht, der dem osmotischen Druck des Rohwassers entspricht. Der osmotische Druck von Brackwasser liegt in der Größenordnung von 5 bis 8 bar. Durch den von der Zahnradpumpe 7 aufgebauten Druck gelangt ausreichend salzfreies Wasser durch die Osmosemembran 50 hindurch zum Abflusskanal 56 und durch diesen hindurch in den Wassertank 6, aus dem heraus das aufbereitete Wasser über den Ablasshahn 61 entnommen werden kann.
Bei entsprechend langem Betrieb mit salzhaltigem Rohwasser nimmt die Salzkonzentration des Wassers im Druckwasserkanal 55 zu, und der zum Betrieb der Umkehrosmoseeinheit 5 benötigte Wasserdruck übersteigt die Möglichkeit der Druckerzeugung durch die Zahnradpumpe 7. Der Druckwasserkanal 55 der Umkehrosmoseeinheit 5 ist deshalb mit der Ablasseinrichtung 9 für den Abwasserstrom verbunden. Dessen Überdruckventil 91 wird so eingestellt, dass beim Überschreiten eines gewissen Wasserdruckes, der dem osmotischen Druck einer kritischen Salzkonzentration im Wasser entspricht, dieses allzu salzhaltige Wasser abgelassen wird. Dabei macht man es sich zunutze, dass Überdruckventile erhebliche Hysterese zeigen, d. h. bei einem höheren Druck öffnen und bei einem niedrigeren Druck wieder schließen. Somit gelangt eine Portion allzu salzhaltigen Wassers aus der Umkehrosmoseeinheit 5 heraus und wird abgeführt.
Die angegebenen Werte für Porengröße und osmotischen Druck sind nur beispielhaft. Es kann von diesen nach oben und unten abgewichen werden, um besonderen Verhältnissen zu genügen.

Claims

Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung, umfassend ein Gehäuse (1), das mehrere Räume (12, 13, 14) zur Aufnahme von Wasser und von Geräteteilen (2, 3, 4) aufweist; eine mechanische Filtereinrichtung (2, 3) zur Beseitigung von Fremdteilchen aus dem aufzubereitenden Wasser; einen Handantrieb (4); eine vom Handantrieb antreibbare Pumpe (7); und eine Umkehrosmoseeinheit (5), durch die das aufzubereitende Wasser unter Druck gepresst wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) in Ständerform gebaut ist und ein rundzylindrisches Obergehäuse (10) mit scheibenförmiger Unterteilung zur Bildung der Räume (12, 13, 14) und ein kegelstumpfartiges Untergehäuse (11) zur Bildung eines Wassertanks (6) zur Aufnahme des aufbereiteten Wassers aufweist, dass einer der scheibenförmigen Räume (14) die Pumpe (7) beherbergt und dass die Pumpe (7) eine Zahnradpumpe (7) mit kämmenden Zahnrädern (71, 72) darstellt, die einen Saugraum (73) und einen Druckraum (74) benachbart dem Kämmungsbereich der Zahnräder (71, 72) bilden.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Filtereinrichtung (2, 3) ein Vorfilter (2) enthält.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorfilter (2) Filterkörper (20) mit einer Porengröße im Bereich von 5 bis 30 μm enthält.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Filterkörper (20) Schaber (22) zugeordnet sind, um die Oberfläche der Filterkörper (20) zu reinigen.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Filtereinrichtung (2, 3) ein Mikrofilter (3) enthält.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des Mikrofilters (3) im Bereich von 0,1 bis 3 μm liegt.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofilter (3) als Zentrifugentrommel (30) mit einer Auskleidung aus Mikrofiltervlies (31) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Handantrieb (4) einen Handkurbelantrieb (40, 41) und eine Zahnradübersetzung (42, 43, 44, 45) ins Schnelle aufweist.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (7) einen Zulauf (76, 78) und darin angeordnete Rückschlagventile (81, 82) aufweist, die den Rückfluss von Saug- und Druckraum (73, 74) zum Zulauf (76, 78) sperren, ferner noch einen Ablauf (77, 79) und darin angeordnete Rückschlagventile (83, 84) aufweist, die den Rückfluss vom Ablauf (77, 79) zum Saug- und Druckraum (73, 74) sperren.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrosmoseeinheit (5) eine Osmosemembran (50) enthält, der einerseits das unter Druck stehende, aufzubereitende Wasser zugeführt und von der andererseits aufbereitetes Wasser abgeführt wird.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführseite der Umkehrosmoseeinheit (5) eine Abwasserableitung (9) zugeordnet ist, über die mit Salz angereichertes Wasser abgeleitet werden kann.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserableitung (9) ein Überdruckventil (91) und einen Abwasserschlauch (92) aufweist.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine Höhe im Bereich von 30 bis 60 cm aufweist.
Vorrichtung zur Trinkwasseraufbereitung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Handgriff (16) am Gehäuse (1) angebracht ist.