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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wasserenthärtungsanlage mit einer Ionenaustauschervorrichtung umfassend ein Ionenaustauscherharz, einem Vorratsgefäß für die Bereitstellung einer Regeneriermittellösung zum Regenerieren des Ionenaustauscherharzes, einer Verschneidevorrichtung, sowie mindestens einem Durchflussmesser, wobei ein der Wasserenthärtungsanlage zufließender Volumenstrom V(t)roh von Rohwasser vor oder in der Wasserenthärtungsanlage auf einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, und der erste Teilstrom über das Ionenaustauscherharz geleitet wird und dieser enthärtete Teilstrom V(t)teil1weich dem zweiten, rohwasserführenden Teilstrom V(t)teil2roh zugemischt wird,
wodurch in oder hinter der Wasserenthärtungsanlage ein abfließender Volumenstrom V(t)verschnitt von Verschnittwasser gebildet wird,
wobei über die Verschneidevorrichtung das Verhältnis von erstem und zweitem Teilstrom im abfließenden Volumenstrom V(t)verschnitt von Verschnittwasser einstellbar ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Bestimmung der Leitfähigkeit des Rohwassers mittels eines Leitfähigkeitssensors und daraus Bestimmung der Gesamthärte des Rohwassers mit einer in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegten Kalibrierkennlinie,
- – direkte oder indirekte Bestimmung des ersten Teilstroms V(t)teil1weich mit dem mindestens einen Durchflussmesser,
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Wasserenthärtungsanlagen werden in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, wenn enthärtetes oder teilenthärtetes Wasser aus technischen Gründen oder aus Komfortgründen benötigt wird. Bei der Enthärtung nach dem Ionenaustauschverfahren werden die im Wasser enthaltenen Härtebildner Calcium- und Magnesium-Ionen gegen Natrium-Ionen ausgetauscht. Dies geschieht mittels eines mit Natrium-Ionen beladenen Harzes (Ionenaustauscherharz). Bei Erschöpfung muss das Harz mit Salzsole regeneriert werden, um es dem Enthärtungsprozess erneut zur Verfügung stellen zu können.
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Der Zeitpunkt, wann die Erschöpfung des Ionenaustauscherharzes erreicht wird und eine Regeneration durchgeführt werden muss, hängt von der Nennkapazität der Wasserenthärtungsanlage, von der Wasserqualität (d. h. der Rohwasserhärte) und vom Wasserverbrauch ab. Die wesentliche Problematik besteht darin, den richtigen Regenerierzeitpunkt unabhängig von der Wasserqualität automatisch und sicher zu bestimmen. Wird eine Regeneration zu früh eingeleitet, so steigt der Salzverbrauch und damit die Umweltbelastung, bei einem zu späten Regenerationsstart findet ein Härtedurchbruch statt.
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Ein Verfahren zur Bestimmung des Regenerierzeitpunktes einer Wasserenthärtungseinrichtung ist beispielsweise aus
DE 198 41 568 A1 bekannt. Hier wird der elektrische Leitwert vor und nach dem Enthärter gemessen und daraus eine Leitwertdifferenz ermittelt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass sich der Leitwert bei einem Calcium-Natrium-Austausch nur geringfügig ändert und dadurch bedingt der Regenerationszeitpunkt nur ungenau bestimmt werden kann. Eine Regeneration kann hier auch erst ausgelöst werden, wenn bereits eine unvollständige Enthärtung stattgefunden hat, also ein Härtedurchbruch bereits eingesetzt hat.
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In der Druckschrift
US 6 814 872 B2 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Streuerung der Regeneration eines Enthärters beschrieben. Hierzu werden die Wasserhärte und das Volumen des zu enthärtenden Wassers mittels eines Leitfähigkeitssensors bzw. einer ionenselektiven Elektrode und eines Wasserzählers bestimmt und die Signale einer elektronischen Steuerung zugeführt. Der Regenerationszeitpunkt wird durch Vergleich einer bisher dem Wasser entzogenen Gesamthärte mit einer Kapazität des Wasserenthärters bestimmt. Ionenselektive Elektroden sind jedoch sehr störanfällig und benötigen eine regelmäßige Wartung. Zudem sind solche Elektroden teuer.
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Aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen ist es oft notwendig oder erwünscht, lediglich teilenthärtetes Wasser einzusetzen. So kann vollständig enthärtetes Wasser zu Korrosionsproblemen führen, wenn eine Schutzschichtbildung in der nachgeschalteten Rohrleitungsinstallation nicht mehr möglich ist. Zudem wird bei einer Vollenthärtung die Kapazität des Enthärters schnell erschöpft, und es muss frühzeitig regeneriert werden. Dies ist mit einem hohen Salzverbrauch und damit hohen Kosten verbunden. Zur Durchführung einer Teilenthärtung ist eine Vorrichtung (Verschneidevorrichtung) zum Mischen von enthärtetem Wasser (auch als Reinwasser oder Weichwasser bezeichnet) und Rohwasser notwendig. In der Regel ist es erwünscht, die Wasserhärte im Verschnittwasser, das ist das Gemisch von enthärtetem Wasser und Rohwasser, einzustellen und zu steuern.
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Die
DE 103 50 884 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Wasseraufbereitungsanlage. Die Wasseraufbereitungsanlage verfügt über zwei Aufbereitungsbehälter, die wechselweise zur Aufbereitung von Rohwasser eingesetzt werden können. Dabei wird die Erschöpfung eines Aufbereitungsbehälters über die Rohwasserhärten und die Wasserentnahmen überwacht. Die Rohwasserhärte wird dabei im Rohwasserstrom mit einer Messeinrichtung überwacht.
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Die
DE 199 40 162 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bereitstellung von Weichwasser zum Geschirr spülen. Über einen Wasserhärtesensor wird die Härte des Rohwassers bestimmt und Rohwasser mit enthärtetem Weichwasser verschnitten. Die Wasserhärtebestimmung von Rohwasser kann beispielsweise durch Messung des Leitwertes erfolgen. Für verschiedene Spülprogramme werden unterschiedliche Härtegrade des Verschnittwassers eingestellt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzustellen, mit dem sowohl der Zeitpunkt der Regeneration des Ionenaustauscherharzes als auch die Einstellung der Verschnittwasserhärte mit hoher Genauigkeit und kostengünstig möglich ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Zur korrekten Steuerung von Regeneration und Verschneidung muss die Wasserhärte des zufließenden Rohwassers ermittelt werden. Der elektrische Leitwert bzw. die Leitfähigkeit sind jedoch nur bedingt proportional zur Wasserhärte, d. h. zum Calcium- und Magnesiumgehalt des Wassers. Vielmehr ist der Leitwert ein Summenparameter, der alle im Wasser gelösten Ionen erfasst. Die bei einer bestimmten Leitfähigkeit tatsächlich vorliegende Wasserhärte kann um mehrere °dH schwanken. Ist die aus dem Leitwert bestimmte Wasserhärte größer als die tatsächliche Wasserhärte, so wird die Regeneration zu früh gestartet, was mit einem erhöhten Salzverbrauch verbunden ist, während eine berechnete Wasserhärte, die kleiner ist als die tatsächliche Wasserhärte, zu einer zu spät eingeleiteten Regeneration und damit zu einem Härtedurchbruch führt. Um einen Härtedurchbruch zu vermeiden, wird im Stand der Technik zur Steuerung des Regenerationsvorganges in der Regel eine Wasserhärte zugrunde gelegt, die größer als die tatsächlich vorliegende Wasserhärte ist. Wird dieser Wert ebenfalls zur Steuerung der Verschneidung verwendet, so führt dies zu größeren Standardabweichungen bezüglich der erwünschten und tatsächlich vorliegenden Verschnittwasserhärte.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wasserhärte, die zur Steuerung des Regeneriervorgangs herangezogen wird, mittels einer ersten, aus einer Vielzahl von Wasseranalysen empirisch ermittelten Kalibrierkennlinie aus der gemessenen Leitfähigkeit bestimmt. Diese erste Kalibrierkennlinie (Kalibrierkurve) ist so definiert, dass die aus ihr bestimmte Wasserhärte zumindest in guter Näherung der maximalen, bei dieser Leitfähigkeit vorkommenden Wasserhärte entspricht. Damit wird vermieden, dass ein Regeneriervorgang zu spät gestartet wird, so dass ein Härtedurchbruch zuverlässig vermieden wird. Weiterhin wird der Verbrauch an Regeneriersalz nur geringfügig höher sein als bei Berücksichtigung der tatsächlich vorliegenden (und nur aufwändig genau bestimmbaren) Wasserhärte.
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Würde diese erste Kalibrierkennlinie auch zur Steuerung der Verschneidevorrichtung (bzw. der Anteile von Roh- und Weichwasser im Verschnittwasser) eingesetzt, so würde in den meisten Fällen die Wasserhärte im Rohwasser überschätzt, und die tatsächliche Wasserhärte im Verschnittwasser wäre in den meisten Fällen niedriger als im Rahmen der Steuerung vorgegeben. Mit anderen Worten, die Abweichung der tatsächlichen Wasserhärte im Verschnittwasser vom Zielwert wäre weit größer als aufgrund der Variation der Wasserhärten bei gleichem Leitwert in verschiedenen Trinkwasserzusammensetzungen zu erwarten ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet deshalb eine zweite Kalibrierkennline (Kalibrierkurve). Die aus der zweiten Kalibrierkurve bestimmte Wasserhärte ergibt sich aus einem Datensatz vieler Wasseranalysen als (zumindest in guter Näherung) mittlerer Wert aller bei dieser Leitfähigkeit vorkommenden Wasserhärten. Mit dieser zweiten Kurve ist es möglich, eine größere Übereinstimmung zwischen der aus der Leitfähigkeit bestimmten Härte des Rohwassers und der tatsächlichen Wasserhärte im Rohwasser zu erhalten. Damit wird auch die Einstellung bzw. Steuerung der Wasserhärte im Verschnittwasser genauer. Die Standardabweichung der tatsächlichen Wasserhärte von der als Zielwert der Verschnitt-Steuerung eingestellten Wasserhärte entspricht dann im Wesentlichen nur der Variation, die sich aus den möglichen Wasserhärten verschiedener Wassertypen bei gleichem elektrischen Leitwert ergibt.
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Durch die Verwendung der beiden Kalibrierkurven ist eine im Vergleich zum Stand der Technik viel genauere Verschneidung gewährleistet, wobei gleichzeitig Härtedurchbrüche zuverlässig vermieden werden. Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere gut möglich, vorgegebene Toleranzgrenzen der Härte im Verschnittwasser einzuhalten. Die Verwendung von teuren ionenselektiven Elektroden ist nicht erforderlich; das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur herkömmliche summarische Leitwerte.
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Insbesondere können mittels der Erfindung die in der Norm E DIN 19636-100, 2006-07 festgelegten Toleranzgrenzen problemlos und kostengünstig eingehalten werden. In der besagten Norm heißt es: „Die Summe der Erdalkali-Ionen im Verschnittwasser darf bei jedem eingestellten Wert um nicht mehr als +0,4 mol/m3 und –0,2 mol/m3 von diesem abweichen.” Bei Verwendung nur der ersten Kalibrierkurve wäre die Einhaltung der Norm meist nicht möglich (abhängig von der Schwankungsbreite der Rohwasserzusammensetzung).
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Die Bestimmung des ersten Teilstroms V(t)tei1weich kann direkt (mittels eines Durchflussmessers in diesem Teilstrom) oder indirekt (mittels Durchflussmessern in anderen Volumenströmen, aus deren Messergebnisse sich der erste Teilstrom ergibt) erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zumindest der erste Teilstrom (für die Bestimmung des Regenerationszeitpunkts), und bevorzugt auch der zweite Teilstrom (für eine genauere Kontrolle der Zusammensetzung des Verschnittwassers) bestimmt. Man beachte, dass es zur Bestimmung der beiden Teilströme V(t)teil1weich und V(t)teil2roh ausreicht, einen der beiden Teilströme direkt zu bestimmen (was beim ersten Teilstrom V(t)teil1weich sowohl vor als auch nach der Enthärtung erfolgen kann) und zusätzlich entweder den zufließenden (eingehenden) Rohwasserstrom V(t)roh oder den abfließenden (ausgehenden) Verschnittwasserstrom V(t)verschnitt zu bestimmen, wobei im Normalbetrieb der Wasserenthärtungsanlage gilt:
V(t)roh = V(t)verschnitt = V(t)teil1weich + V(t)teil2roh. Der nicht direkt bestimmte Teilstrom kann dann durch Differenzbildung errechnet werden (indirekte Bestimmung des Teilstroms). Der Buchstabe t steht für die Zeit.
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Die vorliegende Erfindung kann insbesondere dazu eingesetzt werden, Trinkwasser zu enthärten, insbesondere in Hauswasserversorgungssystemen. Eine erfindungsgemäß betriebene Wasserenthärtungsanlage kann an ein Hauswasserversorgungssystem ohne großen Installationsaufwand angeschlossen und sofort betrieben werden. Die Wasserenthärtungsanlage stellt sich über die Leitfähigkeitsmessung auf die lokale Wasserzusammensetzung automatisch ein, wobei durch die beiden Kalibrierkennlinien gute Härteabschätzungen sowohl für die automatische Steuerung der Regeneration als auch für die automatische Steuerung der Verschneidevorrichtung erreicht werden. Weitere manuelle Einstellungen (etwa zur Kalibrierung) sind nicht notwendig.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die aus der ersten Kalibrierkennlinie abgeleitete Gesamthärte I zumindest abschnittsweise größer ist als die aus der zweiten Kalibrierkennlinie abgeleitete Gesamthärte II. Mit dieser Konstellation der Kalibrierkennlinien kann eine Unterschätzung der Rohwasserhärte bezüglich der Regeneration des Ionenaustauscherharzes vermieden werden, und ebenso eine systematische Überschätzung der Härte für die Verschnittsteuerung vermieden werden. Mit anderen Worten, es wird einerseits eine rechtzeitige Regeneration gewährleistet, andererseits kann die gewünschte Härte im Verschnittwasser leichter innerhalb strenger Toleranzgrenzen für jedes beliebige Rohwasser erhalten werden. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Gesamthärten I und II berücksichtigt die unterschiedlichen vorgegebenen Toleranzen bei der Steuerung der Regeneration und der Verschneidung. Bei der Verschneidung ist eine Abweichung vom Sollwert nach oben und unten zugelassen, während bei der Bestimmung der Regenerationsauslösung lediglich ein zu früher, nicht jedoch ein zu später Start zulässig
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Bevorzugte Varianten der Erfindung
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Bevorzugt ist auch eine Verfahrensvariante, bei der die erste Kalibrierkennlinie einen Umrechnungsfaktor von 28–35 μS/cm pro °dH, insbesondere 30–33 μS/cm pro °dH, verwendet. Mit diesen Werten wird für viele örtliche Trinkwasserzusammensetzungs-Variationen eine für die Regeneration sichere, und gleichzeitig salzsparende Umrechnung des Leitwerts auf die Wasserhärte vorgenommen. Die Auswertung der Analysen von etwa 300 verschiedenen Trinkwässern hat ergeben, dass bei Verwendung eines Umrechnungsfaktors von 28–35 μS/cm pro °dH, insbesondere 30–33 μS/cm pro °dH, die berechnete Wasserhärte einen oberen Grenzwert des Spektrums an tatsächlich bei dieser Leitfähigkeit auftretenden Wasserhärten darstellt. Somit ist einerseits auf jeden Fall ein rechtzeitiger Beginn des Regenerationsvorgangs gewährleistet, andererseits wird nicht zu früh regeneriert, so dass die in der DIN EN 14743 vorgegebene (minimale) Austauschkapazität von 4 mol (400 g CaCO3) pro Kilo eingesetztem Regeneriersalz ohne Mühe überschritten wird.
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Bevorzugt ist ebenfalls eine Verfahrensvariante, bei der die zweite Kalibrierkennlinie einen Umrechnungsfaktor von 35–44 μS/cm pro °dH, insbesondere 38–41 μS/cm pro °dH, verwendet. Mit diesen Werten wird für viele örtliche Trinkwasserzusammensetzungs-Variationen eine für die Verschnittsteuerung recht exakte Umrechnung des Leitwerts auf die Wasserhärte vorgenommen. Wie die Auswertung der etwa 300 verschiedenen Trinkwasseranalysen zeigt, liegen mit diesem zweiten Umrechnungsfaktor berechnete Wasserhärten im mittleren Bereich des Spektrums an tatsächlich bei dieser Leitfähigkeit auftretenden Wasserhärten. Wird zur Steuerung der Verschneidung von Rohwasser und enthärtetem Wasser von einer derart berechneten Rohwasserhärte ausgegangen, so liegt die tatsächliche Verschnittwasserhärte ohne Mühe innerhalb der in der Norm E DIN 19636-100, 2006-07 festgelegten Toleranzgrenzen.
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Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die elektronische Steuereinheit die Auslösung des Regeneriervorgangs anhand der aus der ersten Kalibrierkennlinie abgeleiteten Gesamthärte I des Rohwassers, der durch das Ionenaustauscherharz geflossenen Rohwassermenge (also der Weichwassermenge des integralen Teilstroms V(t)teil1weich) und einer in der Steuereinheit abgespeicherten Kapazität des Ionenaustauscherharzes veranlasst. Durch Vergleich der aus der Rohwasserhärte und -menge ermittelten Anzahl an ausgetauschten Härtebildnern mit der anlagenspezifischen Kapazität wird gewährleistet, dass rechtzeitig und automatisch eine Regeneration des erschöpften Harzes eingeleitet wird.
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Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Steuerung der Verschneidevorrichtung nur anhand der aus der zweiten Kalibrierkennlinie abgeleiteten Gesamthärte II des Rohrwassers und der vorgegebenen Verschnittwasserhärte erfolgt. In dieser Variante wird auf die Anteile der beiden Teilströme am Verschnittwasser im Normalbetrieb der Wasserenthärtungsanlage nur über die Einstellung der Verschneidevorrichtung geschlossen (die sich bei verschiedenen Einstellungen der Verschneidevorrichtung ergebenden Anteile der Teilströme müssen hierzu vorab bestimmt und in der elektronischen Steuereinheit hinterlegt werden); eine Rückkopplung der Einstellung der Verschneidevorrichtung über eine Bestimmung der beiden Teilströme im Normalbetrieb erfolgt nicht. Dies vereinfacht die Steuerung der Verschneidung erheblich. Bei konstanten Druckverhältnissen an Zu- und Ableitung der Wasserenthärtungsanlage ist die Verschneidung für die meisten Anwendungen ausreichend genau. Diese Steuerungsvariante kann auch übergangsweise zu Beginn der Inbetriebnahme der Wasserenthärtungsanlage eingesetzt werden, so lange noch keine Messwerte für die beiden Teilströme für eine Rückkopplung zur Verfügung stehen.
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Eine alternative, besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Wasserenthärtungsanlage mindestens zwei Durchflussmesser aufweist, dass eine direkte oder indirekte Bestimmung des ersten Teilstroms V(t)teil1weich und des zweiten Teilstroms V(t)teil2roh mit den mindestens zwei Durchflussmessern erfolgt, und dass die Steuerung der Verschneidevorrichtung anhand der aus der zweiten Kalibrierkennlinie abgeleiteten Gesamthärte II des Rohwassers und einer vorgegebenen Verschnittwasserhärte in Rückkopplung mit den bestimmten Teilströmen V(t)teil1weich und V(t)teil2roh erfolgt. In dieser Variante werden die Teilströme im Normalbetrieb der Wasserenthärtungsanlage ständig kontrolliert (gemessen/bestimmt), und die Einstellung der Verschneidevorrichtung wird im Rahmen eines Regelkreises automatisch so nachgeführt, dass die Anteile der Teilströme im Verschnittwasser im Normalbetrieb jederzeit der Vorgabe entsprechen, die sich aus der gemessenen Rohwasserhärte (gemäß Gesamthärte II) und der vorgegebenen Verschnittwasserhärte ergibt. Dadurch können Schwankungen der Anteile der Teilströme im Verschnittwasser, die sich bei identischer Einstellung der Verschneidevorrichtung aufgrund von Schwankungen von Außenbedingungen (etwa der Druck des zulaufenden Rohwassers, oder die Größe des Entnahmeflusses von Verschnittwasser) etwaig ergeben, ausgeglichen werden, und die Verschnittwasserhärte bleibt im Normalbetrieb besonders genau am Sollwert. Bei bekannter Rohwasserhärte lässt sich durch Steuerung der Volumenströme von enthärtetem Wasser und zugemischtem Rohwasser jede beliebige Verschnittwasserhärte zwischen 0°dH und der Härte des Rohwassers einstellen. Das Rohwasser kann beispielsweise über eine Bypassleitung dem enthärteten Wasser zugemischt werden. Zur exakten Einstellung der Verschnittwasserhärte muss die Rohwasserhärte genau bekannt sein. Die tatsächliche Rohwasserhärte weicht nur sehr wenig von der aus der zweiten Kalibrierkennlinie bestimmten Gesamthärte II des Rohwassers ab, so dass die Verschnittwasserhärte vom eingestellten Wert kaum abweicht.
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Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Leitfähigkeit der Regeneriermittellösung mittels eines weiteren Leitfähigkeitssensors bestimmt. Dies kann beispielsweise in der Zuleitung für Regeneriermittellösung zum Harzbett während des Regenerationsvorgangs erfolgen. Dadurch kann überprüft werden, ob die Salzkonzentration in der Regeneriermittellösung für eine Regeneration ausreichend ist. Bei einer zu geringen Salzkonzentration, beispielsweise bei Salzmangel oder bei unvollständiger Auflösung des Salzes in der Sole, findet lediglich eine unvollständige Regeneration des Harzes statt. Durch die Überprüfung der Solekonzentration mittels Leitfähigkeitsmessung wird eine unvollständige Regeneration und damit verbunden ein nachfolgender Härtedurchbruch vermieden. Eine zu geringe Salzkonzentration wird bevorzugt mittels eines optischen oder akustischen Signalgebers angezeigt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Wasserenthärtungsanlage mit einer Ionenaustauschervorrichtung eingesetzt werden, umfassend ein Ionenaustauscherharz, einem Vorratsgefäß für die Bereitstellung einer Regeneriermittellösung zum Regenerieren des Ionenaustauscherharzes sowie einer Verschneidevorrichtung zum Mischen von Rohwasser und enthärtetem Wasser, einem Leitfähigkeitssensor zur Messung der Leitfähigkeit des Rohwassers, mindestens einem, bevorzugt zwei Durchflussmessern, sowie einer elektronischen Steuereinheit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektronische Steuereinheit einen Speicher mit mehreren abgespeicherten Kalibrierkennlinien zur Bestimmung der Gesamthärte des Rohwassers aus der Leitfähigkeit umfasst. Die Speicherung mehrerer Kalibrierkennlinien berücksichtigt, dass die Leitfähigkeit ein Summenparameter darstellt, der alle im Wasser gelösten Ionen erfasst, während die Wasserhärte lediglich von der Summe an Calcium- und Magnesium-Ionen abhängt. So schwankt die bei einer bestimmten Wasserhärte vorliegende Leitfähigkeit, je nachdem, welche Ionen außer Calcium- und Magnesium-Ionen im Wasser noch enthalten sind. Bei einem hohen Anteil an einwertigen Ionen wie Natrium oder Kalium ergibt sich beispielsweise eine entsprechend hohe Leitfähigkeit, obwohl die Gesamthärte, also der Gehalt an Calcium- und Magnesium-Ionen gering sein kann. Andererseits kann ein natriumarmes Wasser mit einem hohen Anteil Calcium- und Magnesium-Ionen eine große Wasserhärte trotz relativ geringer Leitfähigkeit aufweisen. Dies bedeutet, dass die bei einer bestimmten Leitfähigkeit vorliegende Wasserhärte innerhalb eines bestimmten Intervalls liegt. Die beiden Kalibrierkurven berücksichtigen dieses Intervall. Dadurch ist eine korrekte Steuerung von Regeneration und Verschneidung möglich. Die erfindungsgemäße Wasserenthärtungsanlage ist insbesondere geeignet für ein oben genanntes, erfindungsgemäßes Betriebsverfahren.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Wasserenthärtungsanlage sieht vor, dass der Leitfähigkeitssensor, mindestens ein Durchflussmesser und/oder die Verschneidevorrichtung in einem Anschlusszwischenstück zum Anbau der Wasserenthärtungsanlage an eine Rohrleitung eines Wassernetzes angeordnet sind. Das Anschlusszwischenstück beinhaltet Kanäle für das gesamte, zufließende Rohwasser und das abfließende (teil-)enthärtete Verschnittwasser und kann an ein beliebiges, bereits vorhandenes Anschlussstück angeschlossen werden. Ein separater Anschluss ist nicht notwendig. Dadurch ist der Einbau platzsparend, einfach und kostengünstig.
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Eine andere, bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Leitfähigkeitssensor, mindestens ein Durchflussmesser und/oder die Verschneidevorrichtung in einem Steuerkopf der Wasserenthärtungsanlage angeordnet sind. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders kompakte und kostengünstige Bauweise.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der eine Bypassleitung vorgesehen ist, in der die Verschneidevorrichtung und ein Durchflussmesser für den zweiten Teilstrom V(t)teil2roh des für die Verschneidung verwendeten Rohwassers angeordnet sind. Derartige Bypassleitungen ermöglichen eine einfache Bauweise der Enthärtungsanlage. Zudem ist es möglich, über die Bypassleitung Stoffe wie Korrosionsschutzmittel zur weiteren Wasseraufbereitung zu dosieren. Die Bypassleitung verläuft parallel zu dem Leitungsstrang, welcher die Ionenaustauschervorrichtung enthält.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, welche vorsieht, dass die Verschneidevorrichtung ein Verschneideventil, insbesondere ein Bypassventil, und einen Stellmotor umfasst, der von der elektronischen Steuereinheit angesteuert wird. Mit dem Stellmotor kann das Verschneideventil gut automatisch angesteuert werden. Mit einer ein Bypassventil enthaltenden Verschneidevorrichtung ist es auf einfache Weise möglich, durch partielles Öffnen bzw. Schließen des Bypassventils jedes Mischungsverhältnis zwischen Rohwasser und enthärtetem Wasser zu erhalten.
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Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist ein weiterer Leitfähigkeitssensor derart angeordnet, dass er mit der Regeneriermittellösung in Kontakt kommt. Dies kann beispielsweise in der Zuleitung für Regeneriermittellösung zum Harzbett oder im Solebehälter selbst sein. Dadurch kann die Konzentration der Salzsole während der Regeneration des Ionenaustauschers kontrolliert werden. Bei einer zu geringen Salzkonzentration, z. B. durch Salzmangel oder bei unzureichenden Lösezeiten, kann das Ionenaustauscherharz nicht vollständig regeneriert werden, so dass es zu einem frühzeitigen Härtedurchbruch kommt. Durch Kontrolle der Solekonzentration mittels Leitfähigkeitssensor wird dies vermieden. Bevorzugt ist weiterhin ein akustischer oder optischer Signalgeber vorgesehen, der eine zu niedrige Konzentration der Regeneriermittellösung meldet.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Diagramm-Darstellung der titrimetrisch bestimmten Gesamthärte in Abhängigkeit von der gemessenen Leitfähigkeit bei verschiedenen Trinkwässern;
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2: den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wasserenthärtungsanlage;
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3: den schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wasserenthärtungsanlage.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Problematik, für Wasser, insbesondere Trinkwasser oder Hauswasser, die Wasserhärte so zu bestimmen, dass einerseits die Regeneration eines Ionentauschers und andererseits die Einstellung der Wasserhärte in einem Verschnittwasser (gemischt aus Roh- und Weichwasser) in einer Wasserenthärtungsanlage mit guter Genauigkeit erfolgt. Eine einfache Möglichkeit, die Wasserhärte von Rohwasser abzuschätzen, ist die Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Rohwassers.
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Zur Darstellung in 1 wurden ca. 300 verschiedene Trinkwässer in der Bundesrepublik Deutschland untersucht und deren Leitfähigkeit sowie die Gesamthärte bestimmt. Die Messung der Leitfähigkeit erfolgte mittels Konduktometer, während die Gesamthärte titrimetrisch ermittelt wurde.
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Die Bestimmung der Gesamthärte anhand einer Leitfähigkeitsmessung ist im Gegensatz zur titrimetrischen Bestimmungsmethode schnell und einfach durchführbar und deshalb zur Steuerung in Wasserenthärtungsanlagen weit verbreitet. Man erkennt aber in 1, dass Wässer, deren Leitfähigkeit beispielsweise mit 625 μS/cm ermittelt wurde, eine Gesamthärte zwischen etwa 14°dH und 20°dH aufweisen. Im Allgemeinen lässt sich aus der elektrischen Leitfähigkeit eines Wassers nicht auf einen exakten Härtewert schließen, sondern nur auf einen Bereich, in dem die Wasserhärte tatsächlich liegen wird. Die Variation der Wasserhärte in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit kann dabei über Probenahmen ermittelt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird diese Variation typischerweise für eine geplante Einsatzregion einer Wasserenthärtungsanlage, wie hier die Bundesrepublik Deutschland, vorab bestimmt.
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Um bei einer Wasserenthärtungsanlage einen Härtedurchbruch zu vermeiden, muss mit dem Regenerationsvorgang des erschöpften Ionenaustauscherharzes rechtzeitig begonnen werden. Die aus der gemessenen Leitfähigkeit bestimmte Gesamthärte I, die zur Steuerung des Regenerationsvorgangs herangezogen wird, darf deshalb nicht kleiner sein als die größte, bei dieser Leitfähigkeit titrimetrisch bestimmte, d. h. in der Praxis auftretende Gesamthärte. Nur so ist garantiert, dass die Regeneration bei jeder beliebigen Wasserzusammensetzung rechtzeitig gestartet wird. Die Bestimmung der Gesamthärte I aus der gemessenen Leitfähigkeit zur Steuerung der Regeneration wird deshalb mittels einer ersten Kalibrierkennlinie F1 durchgeführt. Diese erste Kalibrierkennlinie F1 gibt (zumindest in guter Näherung) die maximal auftretende Gesamthärte in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit wieder; F1 besitzt hier (in 1) eine Steigung von etwa 31 μS/cm°dH und verläuft als Ursprungsgerade.
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Um einen Härtedurchbruch zu vermeiden, könnte zwar auch eine Kalibrierkennlinie mit einer noch geringeren Steigung als F1 eingesetzt werden; in diesem Fall würde jedoch Regeneriersalz verschwendet. Die für Enthärter gültige Norm DIN EN 14743 sieht vor, dass je Kilogramm des während einer Regeneration verwendeten Salzes mindestens eine Austauschkapazität von 4 mol (400 g CaCO3) erzielt werden muss und limitiert somit den Salzverbrauch. Es wird deshalb im Rahmen der Erfindung zur Bestimmung der Gesamthärte bevorzugt keine Kalibrierkennlinie verwendet, deren Steigung merklich geringer ist als diejenige von F1. Dadurch ist sichergestellt, dass die Anforderungen der DIN EN 14743 bezüglich der Besatzung gut zu erfüllen sind.
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Aus gesundheitlichen, technischen oder wirtschaftlichen Gründen ist es oft notwendig, lediglich teilenthärtetes Wasser einzusetzen. Hierzu ist eine Vorrichtung zum Mischen von enthärtetem Wasser und Rohwasser notwendig. In der Regel wünscht ein Anwender einen bestimmten Zielwert von Wasserhärte mit gewissen Toleranzen im Verschnittwasser einzuhalten. Zusätzlich sieht die E DIN 19636-100, 2006-07 maximale Toleranzen vor, beispielsweise dass die Summe der Erdalkali-Ionen im Verschnittwasser bei unterschiedlichen Volumenströmen und einem Zielwert von 8°dH um nicht mehr als +0,4 mol/m3 und –0,2 mol/m3 von diesem abweichen darf. Bei einem eingestellten Wert von 8°dH muss der tatsächliche Wert im Verschnittwasser dann zwischen 6,9°dH und 10,2°dH liegen.
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Um möglichst enge Toleranzgrenzen der Verschnittwasserhärte – und insbesondere die obige Norm – einhalten zu können, sieht die Erfindung vor, die Bestimmung der Gesamthärte II aus der gemessenen Leitfähigkeit des Rohwassers zur Steuerung der Verschneidevorrichtung mittels einer zweiten Kalibrierkennlinie F2 durchzuführen. Die zweite Kalibrierkennline F2 gibt (zumindest in guter Näherung) die gemittelte auftretende Gesamthärte in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit wieder. Die Kalibrierkennlinie F2 besitzt hier (in 1) eine Steigung von etwa 39 μS/cm°dH und verläuft ebenfalls als Urpsrungsgerade.
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Anhand dieser zweiten Kalibrierkennlinie F2 ermittelt man z. B. bei einer gemessenen Leitfähigkeit von 625 μS/cm eine Gesamthärte II von 16°dH. 1 zeigt, dass Wässer, deren Leitfähigkeit mit 625 μS/cm ermittelt wurde, eine Gesamthärte zwischen etwa 14°dH und 20°dH aufweisen. Die untere Grenze wird dabei durch die Gerade F3 mit einer Steigung von etwa 46 μS/cm°dH bestimmt, während die Kalibrierkennlinie F1 die maximale Gesamthärte I in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit wiedergibt. Um eine vorgegebene Verschnittwasserhärte von beispielsweise 8°dH zu erzielen, muss das Rohwasser mit enthärtetem Wasser im Verhältnis 1:1 gemischt werden. Selbige Verschneidung führt bei einer Rohwasserhärte von 14°dH zu einer Verschnittwasserhärte von 7°dH, wohingegen eine derartige Verschneidung von Rohwasser und enthärtetem Wasser bei einer Rohwasserhärte von 20°dH eine Verschnittwasserhärte von 10°dH ergibt. Bei einer eingestellten Verschnittwasserhärte von 8°dH beträgt die tatsächliche Verschnittwasserhärte somit 7°dH bis 10°dH. Die Vorgabe der Norm E DIN 19636-100, 2006-07 bezüglich der Verschneideeinrichtung ist somit in jedem Fall erfüllt, wenn zur Bestimmung der Gesamthärte II aus der Leitfähigkeit die Kalibrierkennlinie F2 herangezogen wird.
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Würde man die mit der Kalibrierkennlinie F1 bestimmte Gesamthärte I bei 625 μS/cm von 20°dH zur Steuerung der Verschneidung heranziehen, so müsste man das Rohwasser mit enthärtetem Wasser im Verhältnis 1:1,5 mischen, um eine Verschnittwasserhärte von 8°dH zu erhalten. Selbiges Mischungsverhältnis würde bei einer Rohwasserhärte von 14°dH zu einer Verschnittwasserhärte von 5,6°dH führen. Dies liegt außerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen. Die für die Steuerung der Regeneration verwendete Kalibrierkennlinie F1 ist deshalb zur Steuerung der Verscheidevorrichtung nicht geeignet.
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Die Verwendung zweier unterschiedlicher Gesamthärten I und II berücksichtigt die unterschiedlichen vorgegebenen Toleranzen bei der Steuerung der Regeneration und der Verschneidung. Bei der Verschneidung ist eine Abweichung vom Sollwert nach oben und unten zugelassen, während bei der Bestimmung der Regenerationsauslösung lediglich ein zu früher, nicht jedoch ein zu später Start zulässig ist.
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Die Gesamthärten I und II sind hypothetische Werte, fehlerbehaftet durch den unterschiedlichen Anteil an einwertigen Ionen wie Natrium und Kalium bei verschiedenen Wässern. Mit den beiden Kalibrierkennlinien F1 und F2 werden unterschiedliche Fehlertoleranzen zugelassen bzw. genutzt.
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Man beachte, dass die Kalibrierkennlinien F1 und F2 im gezeigten Beispiel als Geraden verlaufen, was die rechnerische Beschreibung der Kalibrierkennlinien erleichtert. Grundsätzlich sind aber erfindungsgemäß auch nicht-lineare Kalibrierkurven für die Bestimmung der Gesamthärten I und II denkbar, die beispielsweise als Polynome angenähert werden.
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Die 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der Wasserenthärtungsanlage 1 mit einem Zulauf 2 für zulaufendes Rohwasser und einem Ablauf 3 für ablaufendes enthärtetes bzw. teilenthärtetes Wasser, einem Anschlusszwischenstück 4 zum Anbau einer mit Ionenaustauscherharz 5 gefüllten Ionenaustauschvorrichtung 6 an eine Rohrleitung eines Wassernetzes sowie einem mit Salzsole (Regeneriermittellösung) 7 gefüllten Behälter 8 zur Regeneration von erschöpftem Ionenaustauscherharz 5. Die Bereitstellung von teilenthärtetem Wasser durch Mischen von Rohwasser und enthärtetem Wasser erfolgt mit Hilfe eines Verschneideventils 9, das über einen Stellmotor 10 angesteuert wird. Eine elektronische Steuervorrichtung 11 empfängt Signale eines im Anschlusszwischenstück 4 im Rohwasserbereich angeordneten Leitfähigkeitssensors 12 und eines ebenfalls dort angeordneten Wasserzählers (Durchflussmessers) 13 für den gesamten eingehenden Rohwasservolumenstrom V(t)roh sowie eines Wasserzählers 14, der den Volumenstrom (erster Teilstrom) an enthärtetem Wasser V(t)teil1weich erfasst. Die Wasserzähler 13, 14 erfassen den momentanen (bei Zeit t vorliegenden) Volumenstrom und addieren mit Hilfe der elektronischen Steuervorrichtung das Wasservolumen. In der elektronischen Steuervorrichtung 11 sind die zwei Kalibrierkennlinien F1 und F2 hinterlegt, mit denen jeweils ein Wert für die Gesamthärte des Rohwassers ermittelt wird.
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Die mit der ersten Kalibrierkennlinie F1 berechnete Gesamthärte I sowie die mit dem Wasserzähler 14 gemessene, durch die Ionenaustauschervorrichtung 6 geströmte Wassermenge werden zur Steuerung der Regeneration des Ionenaustauscherharzes 5 verwendet. Hierzu wird bei Erreichen des Erschöpfungszustandes des Ionenaustauscherharzes 5 ein Ventil 15 mit Hilfe eines Motors 16 derart angesteuert, dass Salzsole in die Ionenaustauschervorrichtung 6 fließen kann und das Ionenaustauscherharz 5 regeneriert wird (Während der Regeneration sollte der normale Wasserstrom durch das Ionenaustauscherharz 5 unterbunden sein; in dieser Zeit kann der Wasserstrom jedoch durch einen weiteren Behälter mit Ionentauscherharz geleitet werden, so genannter ”Pendelbetrieb”. Im Rahmen der Erfindung weist die Ionenaustauschervorrichtung 6 vorteilhafter Weise zwei mit Ionenaustauscherharz 5 gefüllte Behälter für besagten Pendelbetrieb auf).
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Für die Steuerung der Verschneidung wird die Gesamthärte II mit der zweiten in der elektronischen Steuerung hinterlegten Kalibrierkennlinie F2 berechnet. Der momentane zweite Teilstrom V(t)teil2roh an nicht enthärtetem Rohwasser, der dem Verschnittwasserstrom V(t)verschnitt zugeführt wird, wird als Differenz der momentanen Volumenströme V(t)roh und V(t)teil1weich in der Steuervorrichtung 11 errechnet. Die Mischungsanteile V(t)teil2roh und V(t)teil1weich sind durch die Rohwasserhärte und die Verschnittwasserhärte vorgegeben und in der elektronischen Steuervorrichtung 11 hinterlegt bzw. werden von dieser berechnet. Das Verschneideventil 9 wird entsprechend der gewünschten Härte im Verschnittwasser über den Stellmotor 10 angesteuert. Zur Kontrolle (insbesondere Rückkopplung) dienen der Wasserzähler 13 im Rohwasserbereich und der Wasserzähler 14, der den Teilstrom an enthärtetem Wasser erfasst. Im Leitungsabschnitt 20, welcher den ersten Teilstrom V(t)teil1weich von Weichwasser führt, kann ein Rückschlagventil (nicht eingezeichnet) vorgesehen sein, um zu verhindern, dass Rohwasser in den Ablauf der Ionenaustauschervorrichtung 6 einfließt.
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In der Ausführungsform von 1 sind einzelne Komponenten wie der Leitfähigkeitssensor 12 und der Wasserzähler 13 im Anschlusszwischenstück 4 angeordnet. Ein derartiges Anschlusszwischenstück 4 kann an ein beliebiges, bereits vorhandenes Anschlussstück angeschlossen werden. Ein separater Anschluss ist nicht notwendig. Dadurch ist der Einbau der erfindungsgemäßen Anlage 1 platzsparend, einfach und kostengünstig.
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Ebenso ist es möglich, die einzelnen Komponenten der Wasserenthärtungsanlage 1 auf eine andere Art und Weise anzuordnen.
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Eine weitere Ausführungsform einer Wasserenthärtungsanlage 1 zeigt 3. Es werden nur die wesentlichen Abänderungen gegenüber der vorhergehenden Ausführungsform erläutert.
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In der Ausführungsform von 3 befinden sich das Verschneideventil 9 sowie ein Wasserzähler (Durchflussmesser) 17 in einer Bypassleitung 18 zur Ionenaustauschervorrichtung 6. Der Wasserzähler 17 erfasst direkt die Teilmenge V(t)teil2roh an Rohwasser, die dem enthärteten Wasser V(t)teil1weich zugemischt wird. Die Signale werden an die elektronische Steuervorrichtung 11 weitergeleitet, die entsprechend der vorgegeben Verschnittwasserhärte das Verschneideventil 9 über den Stellmotor 10 ansteuert. Die elektronische Steuervorrichtung 11 kann in einem Steuerkopf 19 der Ionenaustauschervorrichtung 6 integriert sein oder extern angeordnet sein. Ebenso sind in dieser beispielhaften Ausführungsform der Leitfähigkeitssensor 12 zur Messung der Leitfähigkeit des Rohwassers und der Wasserzähler 14, der die Menge an enthärtetem Wasser (also V(t)teil1weich) misst, im Steuerkopf 19 positioniert (wobei die Leitfähigkeitsmessung vor der Enthärtung erfolgt). In der elektronischen Steuervorrichtung 11 sind wiederum zwei verschiedene Kalibrierkennlinien F1 und F2 zur Bestimmung der Gesamthärte des Rohwassers aus der mit Hilfe des Leitfähigkeitssensors 12 gemessenen Leitfähigkeit abgespeichert.
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Zusammenfassend schlägt die Erfindung vor, bei einer Wasserenthärtungsvorrichtung (1), welche einen zufließenden Rohwasserstrom V(t)roh in zwei Teilströme V(t)teil1weich, V(t)teil2roh aufspaltet, einen Teilstrom V(t)teil1weich einer Vollenthärtung unterzieht, und danach die beiden Teilströme zu einem Verschnittwasserstrom V(t)verschnitt vereint, für die Ermittlung der Wasserhärte aus der elektrischen Leitfähigkeit des Rohwassers zwei verschiedene Umrechungen von der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit auf die Rohwasserhärte vorzusehen. Die Umrechnung mit einer ersten Kalibrierkurve (F1) ist konservativ und gibt die maximal auftretenden Wasserhärten bei verschiedenen Leitfähigkeiten wieder; sie wird zur automatischen Steuerung der Regeneration eines Ionenaustauscherharzes (5) bei bekannter Kapazität des Ionenaustauscherharzes verwendet. Die Umrechnung mit einer zweiten Kalibrierkurve (F2) ist realitätsnah und gibt die mittleren (d. h. mit dem kleinsten statistischen Fehler behafteten) Wasserhärten bei verschiedenen Leitfähigkeiten wieder; sie wird zur Steuerung der Verschneidevorrichtung (d. h. der Anteile der beiden Teilströme am Verschnittwasser) eingesetzt. Mit der Erfindung können experimentell ermittelte Variationen in der Wasserzusammensetzung (und damit unterschiedliche Zusammenhänge von Leitfähigkeit und Wasserhärte) berücksichtigt werden, um den Regenerationszeitpunkt optimal zu bestimmen und Toleranzen der Verschnittwasserhärte gegenüber einem Sollwert zu minimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserenthärtungsanlage
- 2
- Zulauf für Rohwasser
- 3
- Ablauf für (teil-)enthärtetes Verschnittwasser
- 4
- Anschlusszwischenstück
- 5
- Ionenaustauscherharz
- 6
- Ionenaustauschervorrichtung
- 7
- Salzsole (Regeneriermittellösung)
- 8
- Solebehälter (Vorratsgefäß)
- 9
- Verschneideventil
- 10
- Stellmotor
- 11
- elektronische Steuervorrichtung
- 12
- Leitfähigkeitssensor
- 13
- Wasserzähler Rohwasser (gesamtes zufließendes Rohwasser)
- 14
- Wasserzähler enthärtetes Wasser (erster Teilstrom)
- 15
- Ventil
- 16
- Stellmotor
- 17
- Wasserzähler Rohwasser (zweiter Teilstrom)
- 18
- Bypassleitung
- 19
- Steuerkopf
- 20
- Leitungsabschnitt
