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Die
Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe mit einer Zylindertrommel,
die mindestens zwei Zylinder aufweist, einem Kolben in jedem Zylinder,
der mit einer Gleitfläche
an einer Schrägscheibe
anliegt, einer Ventilanordnung, die ein stationäres Anschlusselement und ein
mit der Zylindertrommel rotierendes Ventilelement aufweist, wobei
das Anschlusselement eine mit einem Einlassanschluss verbundene
Pumpeneinlassöffnung
und eine mit einem Hochdruckanschluss verbundene Pumpenauslassöffnung aufweist,
wobei die Axialkolbenpumpe durch einen Motor antreibbar ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Umkehrosmoseeinrichtung mit einer Pumpe
und einer Membraneinheit, die eine Membrane, einen Eingang und einen
Konzentratausgang auf einer Seite der Membran und einen Permeatausgang
auf der anderen Seite der Membran aufweist.
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Eine
Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art ist beispielsweise
aus
DE 102 23 844
A1 bekannt. Die Gleitschuhe werden dabei üblicherweise
durch einen Niederhalter in Anlage an der Schrägscheibe gehalten. Wenn sich
die Zylindertrommel dreht, dann werden die Gleitschuhe parallel
zur Achse der Zylindertrommel auf einer Hälfte der Schrägscheibe
aufwärts
bewegt, so dass der Kolben ein Volumen im in der Zylindertrommel
ausgebildeten Zylinder verkleinert, und in der anderen Hälfte der
Schrägscheibe
abwärts
bewegt, so dass er das Volumen wieder vergrößert. Der Kolben führt also
in der ersten Hälfte
der Schrägscheibe
einen Druckhub durch und in der anderen Hälfte der Schrägscheibe
einen Saughub. Die Pumpeneinlassöffnung
und die Pumpenauslassöffnung
sind hierbei zweckmäßigerweise nierenförmig ausgebildet,
so dass sie von einer Öffnung
in dem als Ventilplatte ausgebildeten Ventilelement überstrichen
werden können,
wenn sich die Zylindertrommel dreht.
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Wenn
man eine derartige Axialkolbenmaschine als Pumpe in Zusammenhang
mit einer Umkehrosmoseeinrichtung verwendet, dann ist der Hochdruckanschluss
mit dem Eingang der Membraneinheit verbunden. Zu reinigendes Wasser,
das der Membraneinheit zugeführt
wird, steht dann unter einem erhöhten
Druck an einer Seite der Membran an. Ein Teil dieses Wassers tritt
durch die Membran hindurch und kann auf der anderen Seite der Membran als
Permeat abgenommen werden. Auf der Seite der Membran, auf der der
Eingang angeordnet ist, erhöht sich
die Konzentration im Wasser, so dass sich hier ein Konzentrat bildet.
Dieses Konzentrat steht immer noch unter einem erhöhten Druck.
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Man
hat daher vorgeschlagen, mit dem Konzentrat einen Motor oder eine
Turbine zu betreiben, die auf der gleichen Welle angeordnet ist,
wie die Pumpe, siehe
US
6 139 740 A oder
US
6 468 431 B1 . Weiterhin zeigt
DE 25 33 151 A1 eine Membranfiltrierungsanlage
mit einer Pumpe, die durch einen Elektromotor und einen Hydraulikmotor
angetrieben wird. Der Hydraulikmotor wird durch Retentat angetrieben, d.
h. Flüssigkeit,
die die Membran der Membranfiltrierungsanlage nicht passiert hat.
DE 44 39 545 A1 zeigt
eine Vorrichtung zur teilweisen Trennung flüssiger Lösungen nach dem Prinzip der
Querfiltration mit einer Pumpe, die einen hydraulischen Motor als
Zusatzantrieb aufweist, der durch von der Membraneinheit zurückfließende Flüssigkeit
gespeist wird.
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Allerdings
ist hier eine zusätzliche
Vorrichtung erforderlich, nämlich
der mit dem Konzentrat betreibbare Antriebsmotor.
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US 7 121 190 B2 zeigt
eine Axialkolbenmaschine für
ein Gaskompressions-Kühlsystem.
Die Axialkolbenmaschine weist mehrere Arbeitskammern auf, die jeweils
durch einen Zylinder mit Kolben gebildet sind. Ein Teil der Arbeitskammern
wirkt pumpend, während
gleichzeitig ein anderer Teil der Arbeitskammer motorisch wirkt.
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WO 97/31185 A1 ,
US 6 038 958 A und
DE 102 20 543 A1 zeigen
Hydrotransformatoren, die drei Anschlüsse haben. Ein Anschluss ist
mit einem Versorgungsanschluss verbunden, über den Medium mit hohem Druck
zugeführt
wird. Ein weiterer Anschluss ist mit Tank oder Niederdruck verbunden
und ein dritter Anschluss ist mit einem Verbraucher verbunden. Der
Druck am Versorgungsan schluss dient dazu, die Zylindertrommel anzutreiben,
wobei dann ein Teil des Mediums über
den Niederdruckanschluss und ein anderer Teil des Mediums über den
Arbeitsanschluss ausgegeben wird. Vereinfacht ausgedrückt stellt
sich der Druck im Verbraucheranschluss in Abhängigkeit davon ein, wo die
Steuernieren der jeweiligen Anschlüsse relativ zum oberen und
unteren Totpunkt der Bewegung der Kolben angeordnet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umkehrosmoseeinrichtung
möglichst
wirtschaftlich betreiben zu können.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass man eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art verwendet,
bei der das Anschlusselement eine als Motoreinlass dienende Öffnung aufweist,
die mit einem Hochdruckrücklaufanschluss verbunden
ist und mit jedem Zylinder über
einen vorbestimmten ersten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel
in Verbindung steht.
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Eine
derartige Axialkolbenmaschine arbeitet dann sozusagen gleichzeitig
als Pumpe und als Motor. Allerdings reicht die Antriebsleistung
des Motors dabei nicht aus, um die Pumpenleistung zur Verfügung zu
stellen, so dass ein zusätzlicher
Antrieb für die
Zylindertrommel erforderlich ist. Allerdings kann man das von der
Membraneinheit der Umkehrosmoseeinrichtung zurückfließende Konzentrat verwenden,
um die Maschine anzutreiben. Das von der Membraneinheit zurückfließende Konzentrat
wirkt also antreibend auf einen Kolben, während ein anderer Kolben die
Pumpenleistung erbringt. Allerdings wird das Konzentrat nicht über den
gesamten ”Saughub” des Kolbens
in den Zylinder eingespeist, sondern nur über den vorbestimmten ersten
Drehwinkelbereich, so dass über
den Rest des ”Saughubs” Flüssigkeit über den
Einlassanschluss zugeführt
werden kann.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass die Motoreinlassöffnung in Drehrichtung der
Zylindertrommel zwischen der Pumpenauslassöffnung und der Pumpeneinlassöffnung angeordnet
ist. Damit wird erreicht, dass frische Flüssigkeit vom Einlassanschluss,
die zuletzt eingespeist wird, wie bei einem nachfolgenden Druckhub
des Kolbens als erstes wieder an den Hochdruckanschluss ausgegeben
wird.
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Vorteilhafterweise
ist eine Ventileinrichtung vorgesehen, die über einen vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich
der Zylindertrommel einen Auslasskanal aus dem Zylinder freigibt.
Damit lässt
sich erreichen, dass man das Konzentrat, das zuvor zum Antreiben
der Zylindertrommel verwendet worden ist, zumindest weitgehend aus
dem Zylinder entfernt und durch frische Flüssigkeit ersetzt. Der Betrieb
der Membraneinheit der Umkehrosmoseeinrichtung wird daher nicht
dadurch gestört,
dass man die Konzentration im Konzentrat über vorbestimmte Grenzen hinaus
erhöht.
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Vorzugsweise
mündet
der Auslasskanal in einer vorbestimmten axialen Entfernung zur Ventilanordnung
in den Zylinder. Wenn der Auslasskanal freigegeben wird, kann man
dann eine Durchströmung erzeugen,
d. h. die eintretende frische Flüssigkeit kann
dann das zuvor zum Antreiben der Zylindertrommel verwendete Konzentrat
aus dem Auslasskanal hinaustreiben. Ein Arbeitszyklus eines Zylinders sieht
dabei so aus: wenn der Kolben den tiefsten Punkt der Schrägscheibe
erreicht hat, wird er bei einer weiteren Drehung der Zylindertrommel
zur Ventilanordnung hin bewegt und verdrängt dabei Flüssigkeit
aus dem Zylinder in die Pumpenauslassöffnung. Von dort gelangt die
Flüssigkeit
zum Eingang der Membraneinheit. Das von der Membraneinheit zurückfließende Konzentrat,
das nach wie vor unter einem relativ hohen Druck steht, der nur
geringfügig kleiner
ist als der Druck an der Pumpenauslassöffnung, wirkt dann auf den
Kolben, wenn der Kolben den höchsten
Punkt der Schrägscheibe überschritten hat
und sich wieder von der Ventilanordnung weg bewegt. Dabei stellt
das Konzentrat einen Teil der Antriebsleistung zur Verfügung, weil
der mit einem Druck von der Ventilanordnung weg beaufschlagte Kolben über die
Schrägscheibe
ein Antriebsmoment auf die Zylindertrommel erzeugt. Wenn sich die
Zylindertrommel weiter bewegt, öffnet
die Ventileinrichtung den Auslasskanal, so dass bei einer weiteren Bewegung
des Kolbens von der Ventilanordnung weg nunmehr die Volumenzunahme
durch frische Flüssigkeit
aufgefüllt
wird, die später
in der Membraneinheit durch Umkehrosmose gereinigt werden soll.
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Vorzugsweise
weist die Ventileinrichtung eine Abflussöffnung in der Schrägscheibe
auf, die der Pumpeneinlassöffnung
gegenüber
liegt, und der Auslasskanal durchsetzt die Gleitfläche. Wenn
der Zylinder über
die Ventilanordnung in Verbindung zu der Pumpeneinlassöffnung steht,
dann ist er durch den Kolben hindurch mit der Abflussöffnung in
der Schrägscheibe
verbunden, so dass das Konzentrat durch den Kolben hindurch, also
durch den Auslasskanal, abfließen
kann. Man kann dann mehr frisches Wasser in den Zylinder einspeisen,
als es an und für sich
bei dem Hub möglich
wäre, den
der Kolben noch auf dem verbleibenden Weg über die Schrägscheibe ausführt. Wenn
der Kolben dann nach dem Durchlaufen des tiefsten Punktes der Schrägscheibe
wieder einen Druckhub ausführt,
dann wird im Wesentlichen frisches Wasser in die Pumpenauslassöffnung gepumpt,
so dass sich die Konzentration von Salzen oder anderen im Permeat
unerwünschten
Stoffen nicht über
ein vorbestimmtes Maß hinaus
erhöhen kann.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass die Abflussöffnung
deckungsgleich zur Pumpeneinlassöffnung
angeordnet ist. Je genauer die Zuordnung zwischen der Abflussöffnung und
der Pumpeneinlassöffnung
ist, desto besser kann man die Befüllung des Zylinders mit frischem
Wasser bewirken.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung
einen in die Zylindertrommel ragenden Zapfen aufweist, der den in
der Zylindertrommel ausgebildeten Auslasskanal abdeckt oder im vorbestimmten
zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigibt. Auch bei
dieser Ausgestaltung weist die Ventileinrichtung ein stationäres Element
auf, nämlich
den Zapfen, und ein rotierendes Element, nämlich die Zylindertrommel. Durch
die Rotation der Zylindertrommel wird dann automatisch der Auslasskanal
im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigegeben
und im Übrigen
gesperrt.
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In
einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung
einen mit der Zylindertrom mel verbundenen Zapfen aufweist, der in die
Schrägscheibe
hineinragt. In diesem Fall wird die Ventilfunktion beispielsweise
in der Schrägscheibe angeordnet
sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung
eine außen
an der Zylindertrommel anliegende Dichtwand aufweist, die den Auslasskanal
abdeckt oder im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigibt.
Auch hier hat die Ventileinrichtung ein stationäres Element, nämlich die
Dichtwand und ein rotierendes Element, nämlich die Zylindertrommel.
Durch die Rotation der Zylindertrommel wird der Auslasskanal lagerichtig
freigegeben oder gesperrt.
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In
den letzten drei Ausgestaltungen ist es von Vorteil, wenn der Auslasskanal
radial verläuft.
In diesem Fall kann man den Auslasskanal relativ einfach herstellen.
Der Begriff ”radial” ist hierbei
nicht im mathematisch strengen Sinn zu verstehen. Der Auslasskanal
muss nur von radial innen nach radial außen verlaufen. Er kann also
durchaus auch einen Winkel ungleich 90° zur Rotationsachse der Zylindertrommel
aufweisen und muss diese Rotationsachse nicht einmal schneiden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement
in die Zylindertrommel ragt. In diesem Fall hat man größere Freiheiten
bei der Gestaltung der Anschlussgeometrie, d. h. bei der Zu- und
Abfuhr der Flüssigkeit
in den verschiedenen Druckstufen.
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Vorzugsweise
ist dem Niederdruckanschluss eine Speisepumpe vorgeschaltet. Die
Speisepumpe muss keinen größeren Druck
erzeugen. Sie dient lediglich dazu, das Konzentrat aus dem Zylinder
so weit zu verdrängen,
wie dies erforderlich ist. Hierzu reicht ein vergleichsweise niedriger
Druck aus.
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Vorzugsweise
ist die Motoreinlassöffnung über eine
Drossel mit einem Niederdruckbereich verbunden. Es ist insbesondere
bei wechselnden Permeat-Verbrauchsmengen an der Membraneinheit schwierig,
den Rückfluss
des Konzentrats richtig einzustellen. Theoretisch sollte genau soviel
Konzentrat zur Motoreinlassöffnung
gelangen, wie sich das Volumen des Zylinders durch die Bewegung
des Kolbens vergrößert, wenn
der Zylinder die Motoreinlassöffnung überstreicht.
Durch die Drossel kann man dann dafür sorgen, dass ein Zuviel an
Konzentrat in den Niederdruckbereich abfließen kann. Gleichwohl bleibt
die Antriebsleistung des Konzentrats erhalten.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass die Schrägscheibe einen veränderbaren Winkel
aufweist. Wenn der Winkel verändert
wird, dann verändert
sich auch der Hub des Kolbens im Zylinder und somit das Volumen,
das bei jedem Hub des Kolbens im Zylinder freigegeben oder verdrängt wird.
Auch damit lässt
sich eine Anpassung an das rückfließende Konzentrat
vornehmen.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass eine Steuereinrichtung zur Veränderung
des Winkels vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung mit einem
Sensor verbunden ist. Der Sensor kann beispielsweise den Permeatverbrauch
an der Membraneinheit messen oder die Salz- oder Schmutzkonzentration
auf der Konzentratseite der Membran.
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Die
Aufgabe wird bei einer Umkehrosmoseeinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass die Pumpe wie oben beschrieben ausgebildet ist, wobei die Pumpenauslassöffnung mit
dem Eingang und die Motorauslassöffnung
mit dem Konzentratausgang verbunden ist.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
den Druck, der am Permeatausgang der Membraneinheit noch ansteht,
zum Antrieb der Axialkolbenmaschine zu verwenden, ohne dass eine
zusätzliche
Maschine erforderlich ist.
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Vorzugsweise
ist eine Längendifferenz
zwischen der Pumpenauslassöffnung
und der Motoreinlassöffnung
in Drehrichtung an die Membrane angepasst. Wenn man von einem stationären Betrieb
ausgeht, bei dem immer eine konstante Menge an Permeat am Permeatausgang
entnommen wird, dann kann man leicht errechnen, wie groß die Differenz zwischen
dem Volumen ist, das der Kolben im Zylinder bei einem Druckhub fördert, und
dem Volumen, das vom Permeatausgang der Membran überhaupt noch zurückfließen kann.
Wenn beispielsweise 25% des Frischwassers als Permeat abgenommen
werden, dann können
nur 75% durch den Konzentratausgang wieder abfließen. Dementsprechend
würde es
in diesem Fall ausreichen, die Motoreinlassöffnung so zu dimensionieren,
dass der Kolben über 75%
der Kolbenbewegung vom Konzentratausgang beaufschlagt wird. Das
dann beim Vorbeilaufen an der Motoreinlassöffnung durch die Bewegung des Kolbens
freiwerdende Volumen im Zylinder entspricht dann genau der Menge
an Flüssigkeit,
die vom Konzentratausgang zurückfließt.
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Vorzugsweise
weist die Membraneinheit einen Verbrauchssensor auf, der mit einer
Verstelleinrichtung gekoppelt ist. In diesem Fall kann man auch bei
wechselnden Verbrauchsvolumen dafür sorgen, dass bei einem antreibenden
Hub des Kolbens im Zylinder der Zylinder gefüllt wird, aber nicht überfüllt wird.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass die Verstelleinrichtung auf eine Drossel einwirkt,
die die Motoreinlassöffnung
mit einem Niederdruckbereich verbindet. Überschüssiges Konzentrat kann dann
durch die Drossel zum Niederdruckbereich abfließen, wobei man die Drossel
so einstellen kann, dass der zum Betreiben der Zylindertrommel notwendige
Druck erhalten bleibt. Als verstellbare Drossel kann auch ein Ventil
angesehen werden, das durch die Verstelleinrichtung geöffnet oder
geschlossen werden kann.
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Man
kann auch vorsehen, dass die Verstelleinrichtung auf dem Neigungswinkel
der Schrägscheibe
einwirkt. In diesem Fall wird die Hubhöhe des Kolbens im Zylinder
verändert,
so dass man auch dadurch auf das Arbeitsvolumen im Zylinder, das
vom Kolben freigegeben oder das verdrängt wird, Einfluss nehmen kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Umkehrosmoseeinrichtung,
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2 eine
Axialkolbenmaschine im Längsschnitt,
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3 eine
perspektivische Darstellung einer Anschlussplatte,
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4 eine
perspektivische Darstellung einer Ventilplatte,
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5 eine
schematische Darstellung einer Schrägscheibe mit Kolben und Gleitschuh,
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6 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Wirkungsweise einer Umkehrosmoseeinrichtung,
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7 eine
abgewandelte Ausführungsform zu 6,
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8 eine weitere Ausführungsform einer Axialkolbenmaschine
in schematischer Darstellung und
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9 eine weitere Ausführungsform einer Axialkolbenmaschine
in schematischer Darstellung.
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1 zeigt
eine Umkehrosmoseeinrichtung 1 mit einer Membraneinheit 2,
die eine Membran 3 aufweist. Die Membraneinheit weist einen
Eingang 4 und einen Konzentratausgang 5 auf einer
Seite der Membran 3 auf. Auf der anderen Seite der Membran 3 ist
ein Permeatausgang 6 angeordnet, an dem gereinigtes Wasser
entnommen werden kann.
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Aus
Gründen
der Einfachheit wird im Folgenden davon ausgegangen, dass mit Hilfe
der Membraneinheit 2 Salzwasser entsalzen werden soll,
das aus einem Vorrat 7 entnommen wird. Das entsalzene Wasser
wird am Permeatausgang 6 abgegeben. Wasser mit einer höheren Salzkonzentration
wird am Konzentratausgang 5 abgegeben. Die Umkehrosmoseeinrichtung 1 ist
jedoch nicht auf die Verwendung im Zusammenhang mit Salzwasser beschränkt. Auch andere
Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser, die mit anderen Belastungen versehen sind,
können
mit der Umkehrosmoseeinrichtung 1 entsprechend gereinigt werden.
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Für die Umkehrosmose
ist ein erhöhter Druck
des Salzwassers erforderlich. Dieser erhöhte Druck wird durch eine Axialkolbenmaschine 8 erzeugt,
die in Zusammenhang mit den 2 bis 5 näher beschrieben
werden wird. Die Axialkolbenmaschine 8 wirkt hier hauptsächlich als
Pumpe. Sie wird durch einen schematisch dargestellten Motor 9 angetrieben,
beispielsweise einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor.
Eine Speisepumpe 10 kann der Axialkolbenmaschine vorgeschaltet
sein, um eine ausreichende Befüllung
der Axialkolbenmaschine 8 herzustellen, wie nachfolgend
erläutert
werden wird.
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Das
Konzentrat, das am Konzentratausgang 5 ansteht, weist einen
erhöhten
Druck auf, der nur wenige bar unter dem Druck am Hochdruckanschluss 11 der
Axialkolbenmaschine 8 liegt. Um diesen Druck auszunutzen,
ist der Konzentratausgang 5 der Membraneinheit 2 mit
einem Hochdruckrucklaufanschluss 12 der Axialkolbenmaschine 8 über eine Leitung 13 verbunden.
Aus der Leitung 13 kann eine Zweigleitung 14 abzweigen,
in der eine Drossel 15 angeordnet ist. Die Drossel 15 kann
verstellbar sein.
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Hierzu
kann beispielsweise am Permeatausgang 6 der Membraneinheit 2 ein
Sensor 16 vorgesehen sein, der in Abhängigkeit von der Abflussmenge des
Permeats die Drossel 15 verstellt. Die Drossel 15 kann
auch durch ein Ventil gebildet sein, das beispielsweise abwechselnd
geöffnet
und geschlossen wird.
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Die
Axialkolbenmaschine 8 weist noch einen Abflussanschluss 37 auf,
der mit einem Niederdruckbereich verbunden ist, beispielsweise dem
Vorrat 7.
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Die
Axialkolbenmaschine 8 wird im Zusammenhang mit den 2 bis 5 näher erläutert. Sie
ist in weiten Teilen nach Art einer herkömmlichen Axialkolbenmaschine
aufgebaut, d. h. sie weist ein Gehäuse 17 auf, in dem
eine Zylindertrommel 18 drehbar gelagert ist. In der Zylindertrommel 18 ist mindestens
ein Zylinder 19 angeordnet, dessen Achse hier parallel
zur Achse der Zylindertrommel 18 verläuft. Im Zylinder 19 ist
ein Kolben 20 angeordnet, der in Richtung eines Doppelpfeils 21 hin
und her bewegbar ist.
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Der
Kolben 20 stützt
sich mit einem Gleitschuh 22 an einer Schrägscheibe 23 ab.
Ein Niederhalter 24 hält
den Gleitschuh 22 mit seiner Gleitfläche 25 in Anlage an
der Schrägscheibe 23.
Wenn sich die Zylindertrommel 18 dreht, dann wird der Kolben 20 von
seinem in 2 dargestellten oberen Totpunkt
in einen unteren Totpunkt und wieder zurück bewegt.
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Die
Zylindertrommel 18 ist mit einer Ventilplatte 26 verbunden.
Hierzu ist jeder Zylinder 19 mit einer Buchse 27 versehen,
die in die Ventilplatte 26 eingesteckt ist. Diese Buchsen 27 müssen nicht
unbedingt vorhanden sein. Derartige Axialkolbenmaschinen können viele
unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Die Ventilplatte 26 hat
für jeden
Zylinder 19 eine Steueröffnung 28.
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Die
Ventilplatte 26 liegt an einer Anschlussplatte 29 an,
die in 3 näher
dargestellt ist.
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Die
Anschlussplatte 29 weist drei Steueröffnungen auf, die auch als ”Steuernieren” bezeichnet werden,
weil sie einen bogenförmigen
Verlauf haben. Im Einzelnen weist die Anschlussplatte 29 eine
Pumpeneinlassöffnung 30 und
eine Pumpenauslassöffnung 31 auf,
wie dies von herkömmlichen
Axialkolbenmaschinen bekannt ist. Zusätzlich ist in Drehrichtung
der Zylindertrommel 18 zwischen der Pumpenauslassöffnung 31 und
der Pumpeneinlassöffnung 30 eine
Motoreinlassöffnung 32 vorgesehen.
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Die
Pumpenauslassöffnung 31 steht
mit dem Hochdruckanschluss 11 in Verbindung. Die Motoreinlassöffnung 32 steht
mit dem Hochdruckrücklaufanschluss 12 in
Verbindung. Die Pumpeneinlassöffnung 30 steht
mit einem Einlassanschluss 33 der Axialkolbenmaschine in
Verbindung.
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In 5 ist
die Schrägscheibe 23 mit
einem Kolben 20 und dem zugehörigen Gleitschuh 22 gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass in der Schrägscheibe 23 eine Abflussöffnung 34 vorgesehen
ist. Der Kolben 20 ist, wie dies aus 2 zu
erkennen ist, hohl. Er weist einen Auslasskanal 35 auf,
der die Gleitfläche 25 durchsetzt
und mit dem hohlen Innenraum 36 in Verbindung steht. Dementsprechend
kann, wenn der Kolben 20 die Abflussöffnung 34 überfährt, Flüssigkeit
aus dem Zylinder 19 durch die Abflussöffnung 34 abfließen. Die
Abflussöffnung 34 ist
verbunden mit dem Abflussanschluss 37 der Axialkolbenmaschine 8.
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Aus 5 ist
zu erkennen, dass die Abflussöffnung 34 so
positioniert ist, dass sie winkelmäßig mit der Pumpeneinlassöffnung 30 übereinstimmt. Wenn
also eine Steueröffnung 28 die
Pumpeneunlassöffnung 30 erreicht,
dann verdrängt
Salzwasser, das dem Eingangsanschluss 33 der Axialkolbenmaschine 8 zugeführt wird,
die bis dahin im Zylinder 19 befindliche Flüssigkeit
durch den Abflussanschluss 37 in einen Niederdruckbereich,
beispielsweise den Vorrat 7.
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Diese
Funktion soll nun anhand von 6 näher erläutert werden.
Dargestellt ist ein Kolben 20 in neun verschiedenen Positionen
a–i, wobei
diese Positionen durch die Position der dem zugehörigen Zylinder 19 zugeordneten
Steueröffnung 28 in
Bezug auf die Pumpeneinlassöffnung 30,
die Pumpenauslassöffnung 31 und
die Motoreinlassöffnung 32 dargestellt
sind. Die Zylindertrommel 18 dreht sich dabei bezogen auf 6 entgegen
dem Uhrzeigersinn.
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Wenn
der Kolben 20 mit seiner Steueröffnung 28 den Beginn
der Pumpenauslassöffnung 31 erreicht
(a), befindet er sich in seinem unteren Totpunkt, d. h. der zugehörige Zylinder 19 ist
mit der größtmöglichen
Salzwassermenge gefüllt.
Wenn sich die Zylindertrommel 18 weiter dreht (b–d), dann
wird der Kolben 20 nach oben gedreht und verdrängt die im
Zylinder 19 befindliche Menge an Salzwasser durch die Pumpenauslassöffnung 31 und
den Hochdruckanschluss 11 zum Eingang 4 der Membraneinheit 2.
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Das
Salzwasser tritt teilweise durch die Membrane 3 und kann über den
Permeatausgang 6 abgenommen werden.
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Am
Konzentratausgang 5 steht Konzentrat mit einem immer noch
relativ hohen Druck an. Dieses Konzentrat wird der Motoreinlassöffnung 32 zugeführt über den
Hochdruckrücklaufanschluss 12.
Dieses Konzentrat presst den Kolben 19 (f, g) die Schrägscheibe 23 hinunter,
wobei durch das Zusammenwirken von Gleitschuh 22 und Schrägscheibe 23 der
Kolben, der mit der Motoreinlassöffnung 32 in Überdeckung
steht, motorisch wirkt, d. h. er erzeugt ein Antriebsmoment auf
die Zylindertrommel 18. Dadurch kann man die Energie des
Konzentrats teilweise in eine Rotationsenergie umwandeln, mit anderen Worten
einen Teil der Energie wiedergewinnen. Die Länge der Motoreinlassöffnung 32 kann
dabei so gewählt
sein, dass sie an den Verbrauch von Permeat angepasst ist. Wenn
beispielsweise 25% des dem Eingang zugeführten Salzwassers als Permeat
am Permeatausgang 6 abgenommen wird, dann steht eine Menge
von 75% zugeführten
Salzwassers am Konzentratausgang 5 zur Verfügung. Dementsprechend
kann beispielsweise die Länge
der Motoreinlassöffnung 32 in
Rotationsrichtung der Zylindertrommel 18 so dimensioniert
sein, dass sie den Zylinder über
75% der Länge
der Kolbenbewegung mit Konzentrat versorgt.
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Wenn
die Steueröffnung 28 die
Pumpeneinlassöffnung 30 erreicht
(Position h), dann wird durch die Speisepumpe 10 wieder
frisches Salzwasser zugeführt.
Durch die Abflussöffnung 34 kann
das im Zylinder 19 befindliche Konzentrat heraus fließen (i),
so dass beim nachfolgen den Pumpenhub des Kolbens 20 wieder
frisches Salzwasser zum Eingang 4 der Membraneinheit 2 gepumpt
wird.
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7 zeigt
eine zu 6 abgewandelte Ausführungsform,
bei der aus der Leitung 13 zwischen dem Konzentratausgang 5 und
dem Hochdruckrücklaufanschluss 12 die
Leitung 14 mit der Drossel 15 abzweigt. Die Drossel 15 sorgt
dafür,
dass in der Motoreinlassöffnung 32 immer
Konzentrat mit einem ausreichenden Druck vorhanden ist, ein Zuviel an
Konzentrat aber über
die Zweigleitung 14 abfließen kann.
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Eine
alternative, nicht näher
dargestellte Möglichkeit
besteht darin, die Neigung der Schrägscheibe 23 zu verändern, um
den Hub des Kolbens 20 an die Menge des rückfließenden Konzentrats
anzupassen.
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8 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine 8.
Elemente, die denen der 1 bis 7 entsprechen,
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen 8a einen
schematischen Schnitt durch die Axialkolbenmaschine 8, 8b eine
Draufsicht auf die Ventilplatte 29 und 8c einen
Schnitt A-A nach 8a.
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Geändert hat
sich die Lage und die Ansteuerung des Abflusskanals 35.
Zur gesteuerten Öffnung des
Abflusskanals 35 ist auch hier eine Ventileinrichtung vorgesehen
mit einem stationären
Element und einem rotierenden Element. Das stationäre Element ist
gebildet durch einen Zapfen 38. Das bewegliche Element
ist durch die Zylindertrommel 18 gebildet. Der Zapfen 38 ist
in einer zentrischen Bohrung 39 in der Zylindertrommel 18 ange ordnet
und liegt mit seiner Umfangswand 40 dichtend an der Wand
der Bohrung 39 an.
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Der
Auslasskanal 35 verläuft
im Wesentlichen radial vom Zylinder 19 in die Bohrung 39.
Der Zapfen 38 weist eine Ausnehmung 41 in seiner
Umfangswand 40 auf. Wenn also die Mündung des Auslasskanals 35 in
den Bereich der Ausnehmung 41 kommt, dann wird der Auslasskanal 35 freigegeben. Ansonsten
ist der Auslasskanal 35 durch den Zapfen 38 gesperrt.
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Im
Zylinder 19 ist die Mündung
des Auslasskanals 35 noch von einer Erweiterung 42 axial
in beide Richtungen umgeben. Diese Erweiterung 42 erlaubt
den Abfluss von Konzentrat aus dem Zylinder 19, bevor der
Kolben 20 am Auslasskanal 35 vorbeigelaufen ist.
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Man
kann die Anordnung auch umgekehrt vorsehen. In diesem Fall ist die
Zylindertrommel 18 mit einem Zapfen ähnlich dem Zapfen 38 versehen. Dieser
Zapfen ragt dann in die Schrägscheibe,
wobei die Ventilfunktion in der Schrägscheibe angeordnet sein kann.
Der in die Schrägscheibe 23 ragende
Zapfen kann dann entweder an seiner Stirnseite oder an seiner Umfangsseite
entsprechende Öffnungen
aufweisen, die, da der Zapfen mit der Zylindertrommel 18 rotiert,
als Ventilelemente dienen können.
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In
einer nicht näher
dargestellten Ausführungsform
kann man den Zapfen 38 auch weglassen und die Steuerung
des Auslasskanals 35 durch den Kolben 20 vornehmen.
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In
beiden Fällen
wird das aus dem Zylinder 19 verdrängte Konzentrat in das nicht
näher dargestellte
Gehäuse
der Axialkolbenmaschine 8 abgelassen und muss von dort
entfernt werden.
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In
einer weiteren nicht näher
dargestellten Ausgestaltung kann man anstelle des Zapfens 38 auch
eine die Zylindertrommel 18 umgebende Dichtwand verwenden,
wobei man in diesem Fall den Auslasskanal 35 vom Zylinder 19 im
Wesentlichen radial nach außen
führt.
Die Dichtwand kann dann ebenfalls eine Ausnehmung aufweisen, die
der Ausnehmung 41 des Zapfens 38 entspricht. Wenn
der Auslasskanal 35 in den Bereich dieser Ausnehmung kommt,
dann wird er freigegeben. Ansonsten ist er durch die Dichtwand abgedeckt.
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Man
kann auch die Schrägscheibe 23 mit
einer veränderbaren
Neigung ausstatten (nicht dargestellt). Unter Umständen muss
man in diesem Fall den Auslasskanal 35 verlegen oder man
muss den Zapfen 38 von der Schrägscheibe 23 entkoppeln.
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Der
Auslasskanal 35 kann unterschiedliche Formen haben. Er
kann beispielsweise als Ringkanal oder als Ellipse ausgebildet sein.
Er kann auch eine Drosselnut aufweisen.
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Es
ist auch möglich,
die Erweiterung nicht im Zylinder 19, sondern am Kolben 20 vorzusehen.
Die Wirkung ist ansonsten die gleiche.
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9 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine 8,
bei der Elemente, die denen der 1 bis 8 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind. 9a zeigt dabei einen Längsschnitt
durch die Maschine und 9b einen Schnitt A-A aus 9a.
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Die
Anordnung der Auslasskanäle 35 entspricht
denen der 8. Geändert hat sich die Ventilanordnung.
Die Ventilanordnung weist nun einen Zapfen 43 auf, der
in die Zylindertrommel 18 ragt. Die Zylinder 19 können daher
stirnseitig durch eine Deckplatte 44 geschlossen sein.
Der Zapfen 43 weist ebenfalls eine Ausnehmung 41 an
seiner Umfangswand 40 auf, die den Auslasskanal 35 in
einem Drehwinkelbereich der Zylindertrommel 18 freigibt.
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Der
Zapfen 43 bildet hier das Anschlusselement. Die Zylindertrommel 18 bildet
hier das Ventilelement. Der Zapfen 43 weist an seinem Ende 45,
das in die Zylindertrommel 18 hineingesteckt ist, drei
Ausnehmungen auf, die eine Pumpenauslassöffnung 31, eine Motoreinlassoffnung 32 und
eine Pumpeneinlassöffnung 30 bilden.
Diese Öffnungen 30–32 sind durch
Dichtzonen 46–48 voneinander
getrennt. Im Zapfen 43 verlaufen drei Kanäle, nämlich ein
Hochdruckkanal 49, der mit der Pumpenauslassöffnung 31 verbunden
ist, ein Niederdruckkanal 50, der mit der Pumpeneinlassöffnung 30 verbunden
ist, und ein nur in 9b erkennbarer Motorkanal 51,
der mit der Motoreinlassöffnung 32 verbunden
ist.