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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum thermischen Sterilisieren
von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Eine
solche Vorrichtung ist aus der
DE 198 37 923 C1 bekannt (vgl. auch
EP 1 140 215 B1 und
WO 01/19412 A1 ).
Bei der bekannten Vorrichtung wird die zu sterilisierende Flüssigkeit,
insbesondere Wasser, durch einen Gegenstromwärmetauscher mit spiralig angeordneten
Windungen geleitet, die einen Heizabschnitt und Kühlabschnitt
bilden, die um eine Heizquelle herum angeordnet sind. Die zu sterilisierende
Flüssigkeit
wird auf dem Weg zur Heizquelle im Gegenstrombetrieb des Wärmetauschers
vorgewärmt
und durch die Heizeinrichtung auf eine Sterilisationstemperatur
gebracht, die in der Größenordnung
von 100–150°C liegt,
womit die Flüssigkeit
verdampft. Hierdurch expandiert die Flüssigkeit. Durch ein Rückschlagventil
ist sichergestellt, daß erhitzte Flüssigkeit
nur in Richtung vom Heizabschnitt zum Kühlabschnitt fließen kann.
Damit wird das Wasser von der Heizeinrichtung durch den Wärmetauscher hindurch
bewegt. Durch die Expansion kühlt
die Flüssigkeit
zusätzlich
ab, so daß frische
vorgewärmte Flüssigkeit
vom Heizabschnitt zur Heizeinrich tung nachfließen kann. Unterstützt wird
dieser Vorgang durch flexibel-elastische Wände des Gegenstromwärmetauschers,
so daß die
spiralförmigen
Kanäle des
Heizabschnittes und des Kühlabschnittes
aufgeweitet bzw. verengt werden, wodurch eine Art Peristaltikbewegung
entsteht, die zusätzlich
zum Wasserdruck am Eingang des Wärmetauschers
den Weitertransport des Wassers fördert. Man erhält so einen stoß- bzw.
impulsweisen Wasserdurchfluß durch
den Wärmetauscher
mit Phasen hoher und niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund
dieses Pumpeffektes arbeitet die Vorrichtung auch mit minimalem Wasserdruck
am Eingang des Wärmetauschers. Durch
eine phasenweise hohe Strömungsgeschwindigkeit
wird ein Verschmutzen und Verkalken des Wärmetauschers vorgebeugt.
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Die
DE 197 11 883 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Entkeimen von Trink- und Nutzwasser mit zwei parallel
betriebenen Behältern,
die zur Entkeimung auf eine Keimtötungstemperatur von mehr als 70°C gebracht
werden, wobei einer der beiden Behälter anschließend abgekühlt wird.
Beiden Behältern
nachgeschaltet ist eine Mischbatterie, mit der dann Wasser mit einstellbarer
Temperatur den beiden Behältern
entnommen werden kann. Durch das Aufheizen beider Behälter ist
sichergestellt, daß stets entkeimtes
Wasser zur Verfügung
steht und auch das der Mischbatterie zugeführte kältere Wasser aus dem abgekühlten Behälter vorher
entkeimt wurde.
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Die
DE 195 22 234 A1 zeigt
eine Vorrichtung zur Entkeimung von Trinkwasser, bei der das Wasser durch
eine Pumpe durch einen Gegenstromwärmetauscher in einen Boiler
gepumpt wird, wo es erhitzt wird, um Keime oder Bakterien abzutöten. Das
erhitzte Wasser wird von dem Boiler zurück durch einen Kühlabschnitt
des Wärmetauschers
gepumpt und dort unter Wärmeabgabe
an das angesaugte Wasser im Heizabschnitt auf Gebrauchstemperatur
abgekühlt.
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Der
Einsatz von Wärmetauschern
zur Sterilisierung von Flüssigkeiten
ist auch aus der
DE
42 00 588 A1 ,
DE
40 03 987 C2 ,
DE
39 25 795 A1 ,
DE
32 02 587 A1 ,
DE
29 21 841 A1 ,
DE
35 09 226 C2 ,
DE 31
22 947 A1 ,
DE
33 19 521 C2 ,
DE
36 27 578 A1 ,
US 4,203,205 ,
EP 0214589 A1 ,
EP 0814312 A1 ,
EP 0 061 779 A2 ,
US 6,623,603 B1 ,
US 4,411,310 ,
US 5,251,689 ,
US 5,687,678 ,
US 5,326,537 ,
US 5,638,900 ,
US 6,555,055 B1 und
US 6,402,897 B1 bekannt.
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Bei
der eingangs genannten Vorrichtung gemäß
DE 198 37 923 C1 stellt
sich das Problem, daß bei
nicht ausreichend erhitzter und damit nicht einwandfrei sterilisierter
Flüssigkeit
trotzdem am Auslaß des
Wärmetauschers
Flüssigkeit
austreten kann, da auch bei nur geringem Speisedruck des zu sterilisierenden
Wassers ein Durchfluß durch
den Wärmetauscher
möglich
ist, so daß beispielsweise
bei Ausfall oder ungenügender
Leistung der Heizeinrichtung nicht ausreichend erhitztes und damit
nicht einwandfrei sterilisiertes Wasser ausfließen kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, daß nur Flüssigkeit am Auslaß des Wärmetauschers
austreten kann, die zuvor auf eine vorbestimmte Mindesttemperatur
erwärmt
wurde.
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Weiter
soll die Vorrichtung einfach und ohne mechanischen Antrieb arbeiten,
so daß sie
auch in Gebieten mit ungenügender
Infrastruktur betrieben werden kann, wie z. B. in Katastrophengebieten.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind den
Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung liegt darin, eine Heizkammer mit einem
Einlaß und
einem absperrbaren Auslaß vorzusehen
und den absperrbaren Auslaß erst
dann zu öffnen,
wenn der Druck in der Heizkammer einen vorbestimmten Wert überschritten
hat und ihn zu schließen,
wenn der Druck in der Heizkammer diesen vorbestimmten Wert unterschritten
hat. Der Druck in der Heizkammer hängt von der Temperatur ab,
so daß im
Ergebnis der Auslaß der
Heizkammer temperaturabhängig
geöffnet und
geschlossen wird.
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In
einer ersten praktischen Ausführungsform ist
ein Steuerventil vorgesehen, das die Heizkammer und eine Speisekammer
aufweist, die durch einen beweglichen Steuerkolben voneinander getrennt
und gegeneinander abgedichtet sind. Der Steuerkolben ist durch eine
Feder in Richtung zur Heizkammer hin vorgespannt. Der Auslaß der Heizkammer
ist so angeordnet, daß er
je nach Stellung des beweglichen Steuerkolbens geöffnet oder
geschlossen ist. Der Einlaß der
Heizkammer ist mit einem Rückschlagventil
versehen, welches eine Strömung
nur in Richtung zur Heizkammer hin gestattet. Durch die Erwärmung der
Flüssigkeit
in der Heizkammer erhöht
sich der Druck in der Heizkammer in Abhängigkeit von der Temperatur
der Flüssigkeit,
so daß der
Steuerkolben gegen die Kraft der Feder verschoben wird und bei Erreichen
eines vorbestimmten Druckes in der Heizkammer den Auslaß öffnet. Dieser Öffnungsdruck
ist über
die Feder einstellbar und wird in der Praxis so eingestellt, daß die Flüssigkeit
in der Heizkammer verdampft ist und damit die Sterilisationstemperatur erreicht
hat, die in der Größenordnung
von 100–150°C liegt.
Die erhitzte Flüssigkeit,
in der Praxis überhitzter
Dampf gelangt, dann über
den geöffneten
Auslaß der
Heizkammer in einen Wärmetauscher,
wo er zu steri lisierende Flüssigkeit
vorwärmt und
sich dabei abkühlt.
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Durch
das Öffnen
des Auslasses der Heizkammer expandiert der Dampf und treibt die
Flüssigkeit
durch den Wärmetauscher.
Damit sinkt der Druck in der Heizkammer wieder ab und der Steuerkolben wird
durch die Kraft der Feder in Richtung zur Heizkammer gedrückt, womit
der Auslaß der
Heizkammer wieder abgeschlossen wird und ein neuer Zyklus beginnt.
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Die
zu sterilisierende Flüssigkeit
wird über den
Wärmetauscher,
wo sie vorgewärmt
wird, in die genannte Speisekammer des Steuerventils geleitet. Die
Speisekammer ist über
eine Bypaßleitung
mit der Heizkammer verbunden, wobei in der Bypaßleitung vorzugsweise ein Druckspeicher
angeordnet ist sowie vorzugsweise beidseitig des Druckspeichers
je ein Rückschlagventil.
Durch die von dem Druck in der Heizkammer ausgelöste Bewegung des Steuerkolbens
wird die in der Speisekammer befindliche Flüssigkeit über die Bypaßleitung
und den Druckspeicher in die Heizkammer gefördert. Der Steuerkolben hat damit
die Funktion einer Förderpumpe,
die zu sterilisierende Flüssigkeit
von der Speisekammer in die Heizkammer fördert.
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Bei
geschlossenem Auslaß der
Heizkammer steigt mit zunehmender Erwärmung der Flüssigkeit
in der Heizkammer der Druck dort an und wird zunehmend größer als
der Druck in der Speisekammer. Erst wenn der Druck in der Heizkammer
so groß ist, daß er den
Druck in der Speisekammer und zusätzlich die Kraft der Feder überwindet,
bewegt sich der Steuerkolben und fördert die in kompressible Flüssigkeit
aus der Speisekammer in den Druckspeicher, was auch erst dann erfolgt,
wenn der Druck in der Speisekammer größer ist als der Druck in dem Druckspeicher,
da erst dann das Rückschlagventil zwischen
Speisekammer und Druckspeicher öffnet. Aufgrund
der Kraft der Feder in der Speisekammer ist jedoch der Druck in
dem Druckspeicher geringer als der Öffnungsdruck in der Heizkammer,
der für
das Öffnen
des Auslasses der Heizkammer erforderlich ist. Somit kann während der
Aufheizphase keine unreine Flüssigkeit
aus dem Druckspeicher in die Heizkammer gelangen, da das Rückschlagventil
zwischen Druckspeicher und Heizkammer noch sperrt. Somit wird die
noch nicht sterilisierte Flüssigkeit,
die bei der anfänglichen
Verschiebung des Steuerkolbens aus der Speisekammer in den Druckspeicher gefördert wird,
im Druckspeicher zwischengespeichert. Erst wenn der Druck in der
Heizkammer durch Öffnen
des Auslasses der Heizkammer unter dem Druck des Druckspeichers
absinkt, öffnet
das Rückschlagventil
zwischen Druckspeicher und Heizkammer, so daß neue zu sterilisierende Flüssigkeit
in die Heizkammer gelangt.
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Der
Einlaß der
Heizkammer und der Auslaß der
Heizkammer sind räumlich
voneinander getrennt, so daß noch
zu sterilisierende Flüssigkeit
vom Einlaß während der
Phase, in der der Auslaß der
Heizkammer geöffnet
ist, nicht bis zum Auslaß gelangen
kann, da vorher schon der Steuerkolben wieder durch die Feder zurückbewegt
wurde und den Auslaß der
Heizkammer verschlossen hat.
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Die
Zufuhr der Flüssigkeit
zur Speisekammer erfolgt aus dem Wärmetauscher über ein
Rückschlagventil,
das bei der Rückbewegung
des Steuerkolbens unter Wirkung der Feder öffnet.
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Das
Steuerventil mit Steuerkolben, Heizkammer, Speisekammer und Feder
kann in einem Spiralwärmetauscher
gemäß
DE 198 37 923 C1 integriert werden,
indem die Heizkammer im Zentrum des Gegenstromwärmetauschers angeordnet wird.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Druckspeicher in das Steuerventil integriert
ist, derart, daß das
Steuerventil und der Druckspeicher in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht
sind. In diesem Fall kann der Teil der Bypaßleitung von der Speisekammer
zum Druckspeicher eingespart werden.
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In
vorteilhafter Weise ist der Einlaß zur Heizkammer bei normaler
Betriebslage der Vorrichtung im unteren Bereich der Heizkammer angeordnet
und der Auslaß der
Heizkammer am oberen Bereich. Bei normalem Betrieb kann die der
Heizkammer zugeführte
Flüssigkeit
damit nicht zum Auslaß gelangen, während der
Dampf problemlos auch von der Oberseite der Heizkammer entweicht.
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Nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung werden die Funktion von Steuerventil und Heizkammer durch
einen sog. Lamellenmotor realisiert, der einen zylindrischen Hohlraum
und einen darin exzentrisch angeordneten Rotor mit radial verschieblichen
Lamellen aufweist, die dichtend an der Innenwand des zylindrischen
Hohlraumes anliegen. Hierdurch werden zwischen dem Rotor und dem Stator
mehrere gegeneinander abgedichtete Kammern gebildet, deren radiale
Abmessung sich in Umfangsrichtung ändert. Der Stator hat einen
Einlaß und einen
Auslaß,
die durch mindestens eine der Lamellen voneinander getrennt sind.
Mindestens eine der genannten Kammern ist als Heizkammer ausgebildet,
so daß sich
das dort befindliche Medium erwärmt und
auf diese Kammer beidseitig begrenzende Lamellen einen Druck ausübt. Die
wirksame Fläche
dieser beiden genannten Lamellen ist unterschiedlich groß und damit
auch die auf diese Lamellen einwirkende Kraft, so daß der Rotor
in eine Drehbewegung versetzt wird. Am Ende der Heizkammer ist ein
Auslaß vorgesehen, über den
Dampf entweichen kann und zu dem Wärmetauscher geleitet wird.
Durch die Drehbewegung des Rotors wird am Einlaß vorgewärmte Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher
in eine Speisekammer angesaugt und durch die fortgesetzte Drehbewegung
des Rotors zur Heizkammer befördert.
Somit erhält
man neben einem Sterilisieren der Flüssigkeit auch noch mechanische
Energie, die beispielsweise einen Elektrogenerator für eine Stromerzeugung
antreiben kann.
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Eine
Drehung des Rotors tritt erst dann auf, wenn in der Heizkammer ein
ausreichend hoher Druck erzeugt wurde, um Reibungskräfte, Strömungswiderstand
etc. zu überwinden,
so daß auch bei
diesem Ausführungsbeispiel
eine einwandfreie Sterilisationstemperatur sichergestellt ist, wobei
eine Erhöhung
der Sicherheit noch durch einen Druckspeicher erreicht werden kann.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung ausführlich
erläutert.
Es zeigt:
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1 die
Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
in einem ersten Betriebszustand;
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2 die
Vorrichtung nach 1 in einem zweiten Betriebszustand
und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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4 Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Zunächst wird
auf 1 Bezug genommen. Es wird darauf hingewiesen,
daß die
Vorrichtung nach der Erfindung für
jegliche Arten von Flüssigkeiten
verwendet werden kann und daß der
Begriff „Wasser" lediglich als Beispiel
zu verstehen ist. Zu sterilisierendes Schmutzwasser aus einem Vorratsbehälter 1 wird
einem Wärmetauscher 2 zugeführt, der
in bekannter Weise einen Einlaß 3 und
einen Auslaß 4 für einen
Heizabschnitt 2h sowie einen Einlaß 5 und einen Einlaß 6 für einen
Kühlabschnitt 2k aufweist.
Im Prinzip können
alle bekannten Arten von Wärmetauschern
hierfür
verwendet werden, wobei Gegenstromwärmetauscher bevorzugt sind.
Der Auslaß 4 des
Heizabschnittes 2h des Wärmetauschers 2 ist über ein
Rückschlagventil 7 mit
einem Steuerventil 8 verbunden. Das Steuerventil 8 ist durch
einen Steuerkolben 9 in zwei Kammern unterteilt und zwar
eine Speisekammer 10 und eine Heizkammer 11. Der
Steuerkolben 9 ist hier als ein sog. fliegender Kolben
ohne Kolbenstange ausgebildet und hat beidseitig Dichtungen 12 und 13,
so daß der Steuerkolben 9 die
beiden Kammern 10 und 11 hermetisch gegeneinander
abdichtet.
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Der
Steuerkolben 9 ist durch eine in der Speisekammer 10 angeordnete
Feder 14 belastet, die ihn in Richtung zur Heizkammer 11 drückt.
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In
der Heizkammer 11 ist hier eine Heizeinrichtung 15 angeordnet.
Dabei kann es sich beispielweise um eine elektrische Heizung handeln.
Selbstverständlich
können
auch andere Heizeinrichtungen verwendet werden, wie z. B. Öl- oder
Gasbrenner, eine Solarheizung oder sonstige Heizeinrichtungen, die
in der Lage sind, eine in der Heizkammer 11 befindliche
Flüssigkeit
aufzuheizen, wobei sich dann die Heizeinrichtung außerhalb
der Heizkammer 11 befindet und so angeordnet ist, daß sie den
Inhalt der Heizkammer 11 erwärmt.
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Das
aus dem Vorratsbehälter 1 für Schmutzwasser
und dem Wärmetauscher 2 stammende
Wasser wird über
das Rückschlagventil 7 in
die Speisekammer 10 geleitet, wobei das Rückschlagventil 7 in Richtung
vom Wärmetauscher 2 zum
Steuerventil 8 durchlässig
ist und in Gegenrichtung sperrt.
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An
die Speisekammer 10 ist eine Bypaßleitung 16 angeschlossen,
die über
ein Rückschlagventil 17,
einen Druckspeicher 18 und ein weiteres Rückschlagventil 19 zur
Heizkammer 11 führt
und damit den Steuerkolben 9 überbrückt.
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Weiter
ist an einen Auslaß 11a der
Heizkammer 11 des Steuerventils 8 eine Leitung 20 angeschlossen,
die über
ein Rückschlagventil 21 mit
dem Einlaß 5 des
Kühlabschnittes 2k des
Wärmetauschers 2 verbunden
ist. Die Leitung 20 ist an solcher Stelle der Heizkammer 11 angeschlossen,
daß sie
in der in 1 dargestellten Position des
Steuerkolbens 9 zu beiden Kammern, d. h. zur Speisekammer 10 und
zur Heizkammer 11, hin abgesperrt ist, was durch die beiden
Dichtungen 12 und 13 auf beiden Seiten des Steuerkolbens 9 bewirkt
wird.
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Der
Steuerkolben 9 ist durch die Feder 14 in eine
entsprechende Position gedrückt,
die durch einen Anschlag 22 definiert ist, wobei dieser
Anschlag 22 beispielsweise durch eine Stirnseite der Heizeinrichtung 15 gebildet
ist. In dieser Position kann die Feder 14 einen vorbestimmten
Druck auf den Steuerkolben 9 ausüben.
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In
der in 1 dargestellten Position gelangt Schmutzwasser
aus dem Vorratsbehälter 1 über den Wärmetauscher 2 und
das Rückschlagventil 7 in
die Speisekammer 10 und über die Bypaßleitung 16,
das Rückschlagventil 17,
den Druckspeicher 18, das Rückschlagventil 19 und
den Einlaß 11e in
die Heizkammer 11. Der Auslaß 11a der Heizkammer
und damit auch die Leitung 20 sind dabei abgesperrt. Wird nun
das in der Heizkammer 11 befindliche Wasser durch die Heizeinrichtung 15 aufgeheizt,
so ist bei ausreichender Temperatur gewährleistet, daß alle Keime,
Bakterien, Pilze etc. abgetötet
werden. Bei Wasser liegt diese Temperatur zwischen 100 und 150°C, also normalerweise
oberhalb der Verdampfungstemperatur, weshalb die Heizkammer 11 auch als
Dampfkammer bezeichnet werden kann.
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Übersteigt
der in der Heizkammer 11 herrschende Druck, der auf den
Steuerkolben 9 wirkt, die von der Feder 14 und
dem Druck der Flüssigkeit
in der Speisekammer 10 auf die andere Seite des Steuerkolbens 9 ausgeübte Kraft,
so verschiebt sich der Steuerkolben 9 in Richtung zur Speisekammer 10, öffnet damit
den Auslaß 11a und
gibt eine Strömungsverbindung
zwischen der Heizkammer 11 und der Leitung 20 frei,
so daß die
aufgeheizte Flüssigkeit bzw.
der Dampf über
die Leitung 20 und das Rückschlagventil 21 zum
Einlaß 5 des
Kühlabschnittes 2k des
Wärmetauschers 2 gelangt.
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Im
Wärmetauscher 2 tritt
die aus der Heizkammer 11 stammende Flüssigkeit in Wärmetausch mit
dem kälteren
Schmutzwasser, wodurch das Schmutzwasser vorgeheizt und das aus
der Heizkammer 11 stammende heiße Wasser abgekühlt wird.
Das abgekühlte
sterilisierte Wasser strömt
aus dem Auslaß 6 des
Wärmetauschers
ab und kann über
eine Leitung 23 zu einem Auffangbehälter 27 geleitet werden.
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Durch
die genannte Verschiebung des Steuerkolbens 9 in Richtung
zur Speisekammer 10 wird vorgeheiztes aber noch kälteres Schmutzwasser
aus der Speisekammer 10 über die Bypaßleitung 16 und das
Rückschlagventil 17 zum
Druckspeicher 18 gefördert.
Der Druck im Druckspeicher 18 ist anfänglich allerdings noch kleiner
als der Druck des Dampfes in der Heizkammer 11.
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Dadurch,
daß bei
der Verschiebung des Steuerkolbens 9 in Richtung zur Speisekammer 10 ab
einem vorgegebenen Verschiebeweg des Steuerkolbens 9 der
Auslaß 11a öffnet und
die Leitung 20 mit der Heizkammer 11 verbunden
wird, entspannt sich der Druck in der Heizkammer 11, so
daß sich
deren Inhalt weiterhin abkühlt,
wodurch der Druck in der Heizkammer 11 weiter absinkt.
Dadurch bewegt sich der Steuerkolben 9 unter Einfluß der Fe der 14 wieder zurück in Richtung
zur Heizkammer und sperrt den Auslaß 11a und damit die
Leitung 20 wieder ab. Der Druck in der Heizkammer 11 wird
dann kleiner als der Druck in dem Druckspeicher 18, so
daß das
Rückschlagventil 19 öffnet und
vorgewärmtes
Wasser in die Heizkammer 11 gelangt. Es beginnt ein neuer
Zyklus.
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Die
Bypaßleitung 16 ist
auf einer dem Steuerkolben 9 entfernter liegenden Seite
der Heizkammer 11 angeschlossen, während die Leitung 20 nahe dem
Steuerkolben 9 angeschlossen ist. Damit ist sichergestellt,
daß über die
Leitung 20 nur sterilisiertes Wasser abfliesen kann. Über die
Bypaßleitung 16 zufließendes vorgewärmtes Schmutzwasser,
das noch nicht ausreichend erhitzt ist, kann dagegen nicht aus der
Heizkammer 11 zur Leitung 20 gelangen, da während des
Zuflusses von nicht sterilisiertem Wasser zur Heizkammer der Steuerkolben 9 die
Leitung 20 wieder abgesperrt hat.
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Von
Vorteil ist es weiter, wenn der Einlaß 11e zur Heizkammer 11 bei
normaler Betriebslage der Vorrichtung nahe der Unterseite der Heizkammer 11 liegt
und der Auslaß 11a nahe
der Oberseite. Sterilisiertes Wasser in der Heizkammer 11 liegt
in Dampfform vor, ist also gasförmig
und kann unter dem herrschenden Druck aus einer oben in der Heizkammer 11 liegenden Öffnung abströmen, während nicht
sterilisiertes Wasser in flüssiger
Form vorliegt und sich daher im unteren Bereich der Heizkammer 11 ansammelt.
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Der
Druckspeicher 18 in der Bypaßleitung 16 hat die
Funktion, das durch den Kolben 9 aus der Speisekammer 10 in
die Bypaßleitung 16 gedrückte Wasser
zwischenzuspeichern, bis in der Heizkammer 11 der Druck
so weit abgebaut ist, daß das
Rückschlagventil 19 öffnet. Dies
erfolgt dann, wenn der Druck im Druckspeicher 18 größer ist
als in der Heizkammer 11.
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Der
Druckspeicher 18 kann beispielsweise durch eine Membran 24 in
eine Wasserkammer 25 und eine Luftkammer 26 unterteilt
sein, die hermetisch gegeneinander abgedichtet sind. Wird die inkompressible
Flüssigkeit
aus der Speisekammer 10 in die Wasserkammer 25 gedrückt, so
wird die Luft in der Luftkammer 26 komprimiert und die
Membran 24 übt
einen Druck auf die Wasserkammer 25 aus. Anstelle der Membran 24 kann
auch ein federvorgespannter Kolben vorgesehen sein, der die Wasserkammer 25 von
der Luftkammer 26 trennt. Bei stationären Geräten wäre auch denkbar, auf die Membran 24,
einen Kolben oder ähnliche
Trenneinrichtungen ganz zu verzichten, wenn sichergestellt ist,
daß sich im
Druckspeicher 18 stets oberhalb der Flüssigkeit ein Druckluftvorrat
befindet.
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Die
Vorrichtung benötigt
keinerlei mechanischen Antrieb und wird ausschließlich über die
Zufuhr von Wärmenergie
betrieben. Obwohl im Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 eine elektrische Heizeinrichtung 15 dargestellt
ist, sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung auch durch andere
Heizeinrichtungen betrieben werden kann, wie z. B. eine Beheizung
mit Feuer durch brennbare Materialien, eine Beheizung durch Solarenergie,
beispielsweise mit einem Parabolspiegel. Die Zufuhr des Schmutzwassers
kann drucklos erfolgen, beispielsweise allein durch Schwer kraft.
Damit ist die Vorrichtung universell einsetzbar und auch in Katastrophengebieten
und sonstigen Bereichen, wo keine aufwendigen Wasseraufbereitungsanlagen
verfügbar
sind.
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In 2 ist
der Zustand dargestellt, bei dem der Steuerkolben 9 durch
den in der Heizkammer 11 herrschenden Druck soweit gegen
die Kraft der Feder 14 verschoben ist, daß er den
Auslaß 11a freigibt.
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Für den Beginn
des Betriebes der Vorrichtung muß noch dafür gesorgt werden, daß in der Heizkammer 11 eine
gewisse Menge von Wasser vorhanden ist. In Einzelfällen kann
es vorkommen, daß der
Druck des Schmutzwassers aus dem Vorratsbehälter 1 nicht ausreicht,
um über
den Heizabschnitt 2h des Wärmetauschers 2, das
Rückschlagventil 7,
die Speisekammer 10, das Rückschlagventil 17,
die Wasserkammer 25 des Druckspeichers 18 und
das Rückschlagventil 19 in
die Heizkammer 11 zu gelangen, zumal die Heizkammer 11 keine
Entlüftungsöffnung hat.
Daher kann eine zusätzliche
Leitung 31 mit einem Absperrventil 32 vorgesehen
sein, über
die zum Start der Vorrichtung eine geringe Menge Schmutzwasser in
die Heizkammer 11 geleitet werden kann. Beispielsweise
ist die Leitung direkt an den Vorratsbehälter 1 oder an den
Auslaß 4 des Heizabschnittes 2h angeschlossen
und führt
zur Heizkammer 11. Für
den Start muß nur
eine geringe Menge Schmutzwasser in die Heizkammer 11 verbracht
werden, um für
den ersten Zyklus einen ausreichenden Dampfdruck für die Verschiebung
des Steuerkolbens 9 zu erreichen. In einem besonders einfachen
Ausführungsbeispiel
würde es
auch genügen,
eine zusätzliche,
durch ein Absperrven til (z. B. das Absperrventil 32) verschließbare Einfüllöffnung zur
Heizkammer 11 vorzusehen.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Steuerventil 8 und der Druckspeicher 18 zu einer
Einbaueinheit integriert sind, die im Zentrum des Wärmetauschers 2 angeordnet
ist. Der Wärmetauscher 2 ist
hier ein Gegenstromwärmetauscher mit
spiralig um ein Zentrum angeordneten Wänden 28, so daß sich eine
spiralförmig
von außen
nach innen verlaufende Vorwärmkammer 29 bildet,
die im Querschnitt der 3 durch nach unten verlaufende Pfeile
gekennzeichnet ist und die den Heizabschnitt 2h des Wärmetauschers 2 bildet,
der am Einlaß 3 beginnt
und am Auslaß 4 endet,
wobei der Auslaß 4 unmittelbar über das
Rückschlagventil 7 in
die Speisekammer 10 des Steuerventiles mündet. Der
Kühlabschnitt 2k des
Wärmetauschers 2 wird
durch eine ebenfalls spiralig verlaufende Kammer 30 gebildet, die
am Einlaß 5 beginnt,
der über
das Rückschlagventil 21 an
der Heizkammer 11 liegt, und am Auslaß 6 endet, an den
die Leitung 23 angeschlossen ist. Diese zweite Kammer 30 wird
in 3 durch aufwärts
gerichtete Pfeile gekennzeichnet. Abwärts gerichtete Pfeile kennzeichnen
eine Strömungsrichtung von
außen
zum Steuerventil 8 hin und aufwärts gerichtete Pfeile eine
Strömungsrichtung
von dem Steuerventil 8 nach außen, wobei die Begriffe „innen" und „außen" sich auf eine spiralige
Bewegungsrichtung mit sich verkleinerndem beziehungsweise sich vergrößertem Radius
beziehen.
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Die
Speisekammer 10, die Heizkammer 11 und der Druckspeicher 18 haben
hier ein gemeinsames Gehäuse,
wobei der Druckspeicher 18 durch eine dichte Trennwand
von der Speisekammer 10 getrennt ist. In dieser Trennwand
kann das Rückschlagventil 17 befestigt
sein, so daß ein
Teil der Bypaßleitung
des Ausführungsbeispieles
der 1 und 2 fortgelassen werden kann.
Man benötigt
dann nur noch den in 3 dargestellten Teil der Bypaßleitung 16,
der von dem Druckspeicher 18 zur Heizkammer 11 verläuft, wobei
der Einlaß 11e der
Heizkammer 11 bei der normalen Gebrauchslage der Vorrichtung
nahe dem unteren Bereich in die Heizkammer 11 mündet, während der
Auslaß mit
dem Rückschlagventil 21 demgegenüber weiter
oben liegt. Die Heizkammer 11 ist im praktischen Betrieb
immer nur zu einem Teil mit Flüssigkeit
im flüssigen
Aggregatzustand gefüllt,
so daß im
Bereich des Auslasses 5 nur Flüssigkeit im gasförmigen Aggregatzustand,
im Regelfall überhitzter
Heißdampf,
vorhanden ist.
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Die
Wände 28 des
Wärmetauschers
der 3 sind aus elastischem Material. Sobald Dampf aus
der Heizkammer 11 über
das Rückschlagventil
in den Kühlabschnitt 2k eintritt,
erhöht
sich dort der Druck und verformt die Wände 29 derart, daß sich das
Volumen des Kühlabschnittes
vergrößert. Dadurch
wird das Volumen des Heizabschnittes, über den noch zu sterilisierendes
Wasser zugeführt
wird, verkleinert. Durch ein Rückschlagventil 33 am
Einlaß 3 des
Heizabschnittes ist sichergestellt, daß Schmutzwasser nicht in den
Vorratsbehälter 1 zurückströmen kann,
so daß aufgrund
der Volumenverkleinerung des Heizabschnittes 2h das darin
befindliche Wasser in Richtung zum Auslaß 4 des Heizabschnittes
und über
das Rückschlagventil 7 in
die Speisekammer 10 gedrückt wird. Man erhält hierdurch
einen zusätzlichen
Pumpeffekt, der die Kraft der Feder 14 unterstützt, so
daß diese
auch schwächer
dimensioniert sein kann.
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Aus 3 ist
weiter zu erkennen, daß die Heizeinrichtung 15 auch
außerhalb
der Heizkammer 11 angeordnet sein kann, wie es beispielsweise
bei einem Brenner der Fall ist, wobei die von der Heizeinrichtung 15 ausgehende
Wärmenergie
durch drei Pfeile gekennzeichnet ist, die auf einen Boden der Heizkammer 11 einwirken.
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Ansonsten
arbeitet das Steuerventil 8 des Ausführungsbeispieles der 3 in
gleicher Weise wie das der 1 und 2.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 4 und 5 zeigen eine Variante der Erfindung,
bei der die Funktion des Steuerventils durch einen Lamellenmotor 34 übernommen
wird. Der Lamellenmotor 34 hat einen Stator 35 mit
einem zylindrischen Innenraum 36, in dem ein Rotor 37 angeordnet
ist. Eine Drehachse 38 des Rotors 37 ist dabei
exzentrisch zur Mittelachse 39 des zylindrischen Innenraumes 36 angeordnet.
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Der
Rotor 37 hat mehrere in äquidistanten Abständen ringsum
den Umfang verteilt angeordnete Lamellen 40a–e, die
radial verschieblich in Ausnehmungen 41 des Rotors 37 gelagert
sind und eine solche Länge
haben, daß sie
in allen Drehstellungen des Rotors 37 an der Innenwand
des zylindrischen Innenraumes 36 des Stators 35 anliegen
und in der zugehörigen
Ausnehmung 41 sicher geführt sind.
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Zwischen
jeweils zwei benachbarten Lamellen, der Innenwand des Stators 35 sowie
dem Außenumfang
des Rotors 37 werden somit mehrere Kammern gebildet, die
durch die Lamellen dichtend gegeneinander abgetrennt sind. Aufgrund
der Exzentrizität
zwischen Stator und Rotor, d. h. einen Versatz der Drehachse 38 gegenüber der
Mittelachse 36, haben die Kammern in Umfangsrichtung eine
sich ändernde
radiale Weite, so daß auch
die in die jeweilige Kammer hineinragende Länge der Lamellen unterschiedlich
groß ist,
womit auch ihre wirksame Fläche, die
zur jeweiligen Kammer gerichtet ist, unterschiedlich groß ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
hat der Rotor 37 fünf
Lamellen 40a–e.
Der Stator 35 hat einen Einlaß 35e und einen Auslaß 35a,
die funktionsmäßig den
Einlaß 11e und
den Auslaß 11a der
Ausführungsbeispiele
der 1–3 entsprechen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind Einlaß 35e und
Auslaß 35a diametral
gegenüberliegend
angeordnet, wobei in der dargestellten normalen Betriebslage der
Einlaß 35e im
unteren und der Auslaß 35a im
oberen Bereich angeordnet sind. Durch die fünf Lamellen 40a–40e werden
fünf abgetrennte
Kammern 42–45 und 11 gebildet,
von denen eine dem Einlaß 35e am
nächsten
liegende Kammer als Speisekammer 42 bezeichnet wird. Die
in Umfangsrichtung entsprechend der durch den Pfeil gekennzeichneten
Drehrichtung folgende Kammer ist die Heizkammer 11 mit
der Heizeinrichtung 15. Die darauf in der Drehrichtung
folgende Kammer 43, in die der Auslaß 35a mündet, wird
hier als Aulaßkammer 43 bezeichnet.
Weiter in Drehrichtung folgen dann noch zwei Entlüftungskammern 44 und 45,
die je eine Entlüftungsöffnung 46 bzw. 47 haben.
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Die
genaue Abgrenzung bzw. Lage der genannten Kammern ist variabel und
hängt von
der Drehstellung des Rotors 37 ab. In der in 4 dargestellten
Drehstellung des Rotors ist eine Lamelle 40a gerade unmittelbar
vor dem Einlaß 35e.
Die in Drehrichtung unmittelbar darauf folgende Speisekammer 42 sei
zumindest teilweise mit Schmutzwasser gefüllt. Wird der Rotor 37 in
Richtung des Pfeiles gedreht, so gelangt der die Speisekammer 42 bildende Abschnitt
in den Bereich der Heizkammer 11 und damit in den Wirkungsbereich
der Heizeinrichtung 15 und wird dort erhitzt, wodurch der
Druck ansteigt. Da die zur Heizkammer 11 weisende Fläche der
in Drehrichtung vorderen Lamelle 40c der Heizkammer 11 größer ist
als die Fläche
der in Drehrichtung hinteren Lamelle 40b, wird auf die
in Drehrichtung vordere Lamelle 40c eine Kraft ausgeübt, die
größer ist
als die auf die in Drehrichtung hintere Lamelle 40b wirkende Kraft.
Dadurch wird der Rotor in eine Drehbewegung versetzt. Bei weiterer
Drehung gelangt die Lamelle 40c zum Auslaß 35a, öffnet damit
die Heizkammer 11 zum Auslaß 35a, wo der Dampf über das
Rückschlagventil 21 entweichen
kann und sich entspannt. Zu diesem Zeitpunkt bilden die Lamellen 40a und 40b die
Heizkammer und die Lamellen 40a und 40e die Speisekammer.
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Um
die weitere Drehbewegung nicht zu behindern, sind im Bereich zwischen
dem Einlaß 35a und 35e,
bezogen auf die Drehrichtung hier zwei Entlüftungsöffnungen 46 und 47 vorgesehen, über die restlicher
Inhalt der entsprechenden Kammern 44 und 45 zur
Atmosphäre
abgelas sen werden kann. Die Entlüftungsöffnung 47 ist
relativ nahe dem Einlaß 35e gelegen.
Da sie in der Darstellung der 4 bei weiterer
Drehung des Rotors 37 in den Bereich zwischen die Lamellen 40a und 40e gerät, hat sie zweckmäßigerweise
ein Rückschlagventil 48 um
sicherzustellen, daß keine
Außenluft
angesaugt wird. Im Bereich des Einlasses 35e ist der Spalt
zwischen dem Außenumfang
des Rotors 37 und der Innenfläche des zylindrischen Innenraumes 36 relativ
klein, bezogen auf den Rest der Vorrichtung, so daß auch nur
vergleichsweise geringe Mengen Wasser in die Speisekammer 42 gelangen
können.
Diese geringen Wassermengen können
in der Heizkammer rasch auf ausreichend hohe Temperatur erwärmt werden.
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Die
in 4 gezeigte Vorrichtung hat also noch den zusätzlichen
Effekt einer Wärmekraftmaschine,
die mechanische Arbeit verrichten kann und beispielsweise einen
elektrischen Generator antreiben kann, um in Katastrophengebieten
noch elektrischen Strom zu erzeugen.
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Kurz
zusammengefaßt übernimmt
im Ausführungsbeispiel
der 4 der Lamellenmotor 34 die Funktion des
Steuerventils 8 der Ausführungsbeispiele der 1–3,
wobei die Lamellen 40 des Lamellenmotors 34 die
Funktion des Steuerkolbens 9 im Ausführungsbeispiel der 1–3 übernehmen.
Die übrigen
Teile, insbesondere Vorratsbehälter,
Wärmetauscher,
Rückschlagventile 7 und 21 mit dazugehörigen Leitungen
entsprechen funktionsmäßig den
entsprechenden Komponenten der 1–3.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 4 ist kein Druckspeicher erforderlich, da bei
Drehung des Rotors 37 die Speisekammer 42 durch
ihr sich bei Drehung vergrößerndes
Volumen eine Saugwirkung ausübt,
so daß eine
Zufuhr von zu sterilisierender Flüssigkeit gewährleistet
ist, auch wenn diese keinen oder nur geringen Druck hat.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 5 ist gezeigt, daß auch bei dieser Variante
der Erfindung ein Druckspeicher zweckmäßig sein kann.
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Der
Druckspeicher 18 ist zweckmäßigerweise an die Entlüftungsöffnung 46 angeschlossen,
wobei die Luftkammer 26 über ein Rückschlagventil 48 mit
der Entlüftungsöffnung 46 verbunden
ist. Damit kann die bei der Verdichtung des Mediums in der Kammer 44 aufgewandte
mechanische Arbeit im Druckspeicher 18 gespeichert und
für die
Nachspeisung von Wasser zur Speisekammer 42 unterstützend eingesetzt
werden, so daß die
von den Lamellen für
die Nachspeisung aufgewandte Arbeit geringer ist.
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Der
Druckspeicher 18 der 5 kann auch mit
seiner Luftkammer 26 an die Leitung 20 angeschlossen
werden, wobei die Luftkammer 26 dann auch einen Auslaß zum Wärmetauscher 2 hat,
so daß sich
der Druck dort periodisch entsprechend den Arbeitszyklen auf- und
abbaut. Bei der in 5 gezeigten Variante, bei der
der Druckspeicher 18 an die Entlüftungsöffnung 46 angeschlossen
ist, hat der Druckspeicher 18 auch eine Sicherheitsfunktion
dergestalt, daß Nachspeisen
von unter Druck stehendem Medium hier nur bei Drehung des Rotors
möglich
ist und auch nur dann, wenn der Druck in der Entlüftungskammer 44 größer ist
als der Druck in der Luftkammer 26. Somit muß für eine Drehung
des Rotors die von der Heizkammer 11 auf die Lamellen aufgebrachte
Kraft in Drehrichtung auch so groß sein, daß der Druck in der Entlüftungskammer 44 den Druck
in der Luftkammer 26 übersteigt.
Dies ist wiederum nur möglich,
wenn das Medium in der Heizkammer 11 entsprechenden Druck
und damit entsprechende Temperatur hat, so daß eine Drehung des Rotors 37 nur
möglich
ist, wenn in der Heizkammer 11 die Sterilisationstemperatur
erreicht ist. Um eine Druckbeaufschlagung der Entlüftungskammer 44 durch
den Druckspeicher und damit periodische Druckschwankungen in der
Entlüftungskammer 44 zu
unterbinden, kann zwischen der Entlüftungsöffnung 46 und der
Luftkammer 26 ein Rückschlagventil 48 vorgesehen
sein. In diesem Fall wird man an die Luftkammer 26 noch
ein Druckregelventil 49 anschließen, das den maximal möglichen
Druck in der Luftkammer 26 begrenzt und einen darüber hinausgehenden
Druck zur Atmosphäre
abläßt. Durch
die Einstellung dieses Druckregelventiles 49 kann man präzise sicherstellen,
daß die
Sterilisationstemperatur in der Heizkammer 11 erreicht
wird, andernfalls keine Drehung des Rotors 37 stattfindet.