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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage,
die der mechanischen Reinigung von Flüssigkeiten, vorzugsweise
Abwässern, dient und zumindest ein Bauteil aufweist, welches
durch wenigstens einen Elektromotor in eine im Wesentlichen zyklische
Bewegung versetzt wird. Das Bauteil wird hierbei in einer ersten
Bewegungsphase von dem Elektromotor aus einer Ausgangsstellung in eine
Zwischenstellung bewegt und kehrt in einer zweiten Bewegungsphase
bedingt und/oder unterstützt durch sein Eigengewicht wieder
in die Ausgangsstellung zurück. Weiterhin wird eine Anlage
zur mechanischen Reinigung von Flüssigkeiten, vorzugsweise
Abwässern, vorgeschlagen, welche zumindest einen Elektromotor
und ein damit zusammenwirkendes Bauteil aufweist, wobei das Bauteil beweglich
gelagert ist, so dass es durch den Elektromotor in eine im Wesentlichen
zyklische Bewegung versetzbar ist. Dabei ist das Bauteil in einer
ersten Bewegungsphase von dem Elektromotor aus einer Ausgangsstellung
in eine Zwischenstellung bewegbar und kann in einer zweiten Bewegungsphase
bedingt und/oder unterstützt durch sein Eigengewicht wieder
in die Ausgangsstellung zurückkehren.
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Gattungsgemäße
Anlagen, mit denen auch das bisher erwähnte Verfahren durchführbar
ist, sind in der Abwassertechnik bekannt. So wird beispielsweise
durch die
EP 0 346
311 A2 ein Stufenrechen beschrieben, der der mechanischen
Reinigung von Abwässern dient. Die Vorrichtung verfügt über
mehrere Stufenlamellen, die durch ihre zyklische Bewegung den Austrag
der zurückgehaltenen Verunreinigungen aus einem Abwasserkanal
sicherstellen. Da die einzelnen Lamellen jedoch kontinuierlich mit
Hilfe wenigstens eines Elektromotors angetrieben werden, ist der
Energieverbrauch der Anlage relativ hoch.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Anlage sowie
ein Verfahren zu deren Betrieb vorzuschlagen, mit deren Hilfe der
Energieverbrauch deutlich gesenkt werden kann, ohne die Wirkungsweise
derartiger Anlagen einzuschränken.
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Gelöst
wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren dadurch, dass der
Elektromotor während der zweiten Bewegungsphase des Bauteils
als Generator fungiert und die dadurch erzeugte elektrische Energie über
einen Frequenzumrichter einem Stromkreis und/oder einem Energiespeicher
zugeführt wird. Selbstverständlich sind die Bezeichnungen „erste” und „zweite” Bewegungsphase
in diesem Zusammenhang nicht dahingehend zu verstehen, dass die
erste Phase zeitlich zwingend vor der zweiten Phase stattfinden
muss. Vielmehr dient die Bezeichnung nur der Unterscheidung beider
Phasen, wobei die zeitliche Reihenfolge beliebig gewählt
werden kann. Das Verfahren kann dabei bei sämtlichen Anlagen
zum Einsatz kommen, die entsprechend bewegliche Bauteile mit einem
hinreichenden Eigengewicht aufweisen. Da im Bereich der mechanischen Abwasserreinigung
verschiedenste Anlagen mit derartigen Bauteilen, wie beispielsweise
Stufenrechen, Kletterrechen oder auch entsprechend konstruierte Siebanlagen
zum Einsatz kommen, ist auf diesem Gebiet das Potential der Energieeinsparung
enorm. Erwähnt seien in diesem Zusammenhang insbesondere
(Feinst-)Rechen, bei denen Abwasser durch eine offene Seite in einen
Rechenkorb oder eine sonstige Rückhaltevorrichtung strömt.
Bei einer bestimmten Belagsbildung auf der Siebfläche des
Rechenkorbs schaltet sich schließlich ein beispielsweise
auf einer Mittelachse sitzender und entsprechend umlaufender Rechenarm
ein. Der Rechenarm kann dabei zur besseren Reinigung des Rechenkorbs
in seiner oberen Stellung auch teilweise wieder zurücklaufen,
bevor er wieder in die Anfangsrichtung bewegt wird. In jedem Fall
lässt sich die Bewegung des Rechenarms in die beiden Bewegungsphasen
unterteilen, so dass auch hier das erfindungsgemäße
Verfahren zum Einsatz kommen kann. Des Weiteren können
auch so genannte Flachsieb-Umlaufrechen erfindungsgemäß betrieben
werden. Diese bestehen im Wesentlichen aus einer tan gential zu einer
Gerinnesohle eines Abwasserkanals verlaufenden Filterfläche,
beispielsweise in Form eines konkav geformten Rechenrostes. Darüber
hinaus verfügt die Anlage über wenigstens eine
Rechenharke, die an einem Räumarm angeordnet ist. Diese
Harke streift schließlich von unten kommend an der Filterfläche
entlang und nimmt dabei Verunreinigungen mit nach oben, wo diese
mit Hilfe eines (drehbar gelagerten) Abstreifers abgereinigt werden.
Schließlich muss die Harke wieder in ihre Ausgangsstellung
zurückgeführt werden, wobei hier kein aktiver
Antrieb mehr notwendig ist. Entscheidend ist somit bei den jeweiligen
Anlagen lediglich, dass das bzw. die Bauteile durch einen Motor
in eine erste Richtung bewegt werden und während einer
zweiten Bewegungsphase durch ihr Eigengewicht wieder in ihre Ausgangsstellung
zurückkehren, so dass in dieser Phase keine Motorleistung anliegen
muss. Der Frequenzumrichter muss hierbei lediglich derart beschaffen
sein, dass er die Frequenz des durch den Motor – fungierend
als Generator – erzeugten Stroms an die Frequenz des anliegenden Stromnetzes
oder der jeweilig zum Einsatz kommenden Energiespeicher anpasst.
Insbesondere bei einer Netzrückspeisung kommen daher vorrangig
so genannte 4-Quadranten-Umrichter zum Einsatz.
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Besondere
Vorteile ergeben sich hierbei, wenn das entsprechende Bauteil in
der Zwischenstellung eine höhere potentielle Energie aufweist
als in der Ausgangsstellung. Zwar ist es auch möglich, dass
die Menge an kinetischer Energie, die das Bauteil während
der ersten Bewegungsphase aufnimmt, ausreicht, um eine Rückkehr
des Bauteils in seine Ausgangsstellung zu ermöglichen,
auch wenn diese oberhalb der Zwischenstellung liegen oder von dieser
durch einen Scheitelpunkt getrennt sein sollte. Befindet sich die
Ausgangsstellung jedoch unterhalb der Zwischenstellung, so ist eine
Rückkehr des Bauteils in diese Ausgangsstellung allein
aufgrund der Schwerkraft möglich, ohne dass es entscheidend
auf dessen kinetische Energie ankäme.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn als Energiespeicher wenigstens ein Akkumulator
und/oder ein Kondensator zum Einsatz kommt. Mit Hilfe des Kon densators
ist es möglich, die durch den Motor erzeugte Energie, insbesondere
kurzfristig, zwischenzuspeichern. Mit der so gespeicherten Energie
kann nach Ende der zweiten Bewegungsphase des Bauteils wiederum
der Motor betrieben werden, so dass das Bauteil erneut die erste
Bewegungsphase durchlaufen kann. Je nach Anlage und Dauer der einzelnen
Bewegungsphasen kann jedoch ebenso ein Akkumulator Verwendung finden,
mit dem die gewonnene Energie auch über längere
Zeiträume zwischengespeichert werden kann.
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Auch
ist es von Vorteil, wenn die erzeugte elektrische Energie wenigstens
einem weiteren elektrischen Verbraucher derselben Anlage zugeführt wird.
Auf diese Weise können Verluste, die aus einer Zwischenspeicherung
oder Netzeinspeisung resultieren könnten, minimiert werden,
wobei der Frequenzumrichter selbstverständlich an die gewählten
Verbraucher angepasst werden muss.
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Ebenso
bringt es Vorteile mit sich, wenn die erzeugte elektrische Energie
wenigstens einem Verbraucher einer weiteren Anlage zugeführt
wird. Dies kann insbesondere bei (Klein-)Kläranlagen sinnvoll sein,
die in der Regel aus mehreren Anlagen bestehen, die sich in unmittelbarer
Nähe zueinander befinden.
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Vorteilhaft
ist zudem, wenn die Anlage mit wenigstens einer weiteren Anlage
verbunden ist, die ebenfalls nach dem bisher beschriebenen Verfahren betrieben
wird, wobei sich die jeweiligen Bewegungsphasen der Bauteile der
einzelnen Anlagen zeitlich wenigstens teilweise überschneiden
sollten, so dass ein gegenseitiger Austausch der jeweils erzeugten elektrischen
Energie zwischen den Anlagen stattfinden kann. Kommen beispielsweise
zwei Stufenrechen zum Einsatz, wäre es sinnvoll, die Lamellen
des ersten Rechens mit Hilfe des Motors in eine Aufwärtsbewegung
zu versetzen, während sich die Lamellen des zweiten Rechens
in einer Abwärtsbewegung befinden. Auf diese Weise kann
der vom zweiten Rechen erzeugte Strom sofort dem Motor des ersten
Rechens zugeführt werden, ohne dass es einer verlustbehafteten
Zwischenspeicherung bedürfte.
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Weiterhin
kann es von Vorteil sein, wenn die erzeugte elektrische Energie über
mehrere Bewegungszyklen, jeweils bestehend aus einer ersten und einer
zweiten Bewegungsphase, zwischengespeichert wird und erst anschließend
an den Elektromotor, sonstige elektrische Verbraucher und/oder einen Stromkreis
abgegeben wird. Auf diese Weise lässt sich die gewonnene
elektrische Energie beispielsweise zu Tageszeiten nutzen, in denen
der Energiepreis besonders hoch ist. Wird die Anlage darüber
hinaus über Solarkollektoren versorgt, so wäre
es zweckdienlich, die gespeicherte Energie erst zu einer Tageszeit
an den entsprechenden Verbraucher abzugeben, in der die Solarstrahlung
für eine entsprechende Energieversorgung nicht mehr ausreicht.
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Des
weiteren wird eine Anlage vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet,
dass der Elektromotor, der der Bewegung des bzw. der Bauteile dient, über
wenigstens einen Frequenzumrichter, insbesondere in Form eines 4-Quadranten-Umrichters,
mit wenigstens einem Stromkreis und/oder einem Energiespeicher in
Verbindung steht. Bei der Anlage kann es sich um verschiedenste
Reinigungsanlagen aus dem Bereich der Abwassertechnik handeln, wobei das
Bauteil vorteilhafterweise zyklisch betätigt wird, um die
beiden Bewegungsphasen zu realisieren. Im Ergebnis wird eine Anlage
geschaffen, die sich gemäß der obigen Beschreibung
und damit auf eine höchst effiziente Weise betreiben lässt,
wobei es sich bei dem Stromkreis um einen anlageninternen Stromkreis
oder aber auch um das öffentliche Stromnetz handeln kann.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Energiespeicher einen Akkumulator und/oder Kondensator,
so dass die in der zweiten Bewegungsphase des Bauteils erzeugte
elektrische Energie entsprechend zwischengespeichert und erst bei
Bedarf wieder abgegeben werden kann.
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Weiterhin
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stromkreis mit wenigstens
einem weiteren Verbraucher der Anlage in Verbindung steht. Somit
muss die erzeugte Energie nicht zwischengespeichert werden, sondern
kann direkt dem entsprechenden Verbraucher zugeleitet werden. Um
eine derartige Nutzung zu ermöglichen, muss lediglich der
Frequenzumrichter auf den oder die in Frage kommenden Verbraucher
angepasst bzw. entsprechend gesteuert werden.
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Besondere
Vorteile bringt es mit sich, wenn der Stromkreis mit wenigstens
einer weiteren Anlage in Verbindung steht, da auch auf diese Weise
die in der zweiten Bewegungsphase des oder der Bauteile erzeugte
Energie vor Ort genutzt werden kann, resultierend in möglichst
geringen Energieverlusten.
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Auch
ist es äußert vorteilhaft, wenn die Anlage eine
Anlage für das Abscheiden und/oder Herausfördern
von Abscheidegut aus einer, insbesondere strömenden, Flüssigkeit
ist. Derartige Anlagen kommen häufig als Vorstufe von Kläranlagen
zum Einsatz, um besonders grobe Verunreinigungen, wie Steine, Holz
oder Faserstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Da diese Anlagen
bedingt durch ihren Einsatzzweck besonders robust ausgebildet sein
müssen, ist auch eine hohe Leistung zu deren Betrieb nötig,
resultierend in einem entsprechend hohen Potential der Energieeinsparung.
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Hierbei
ist es von besonderem Vorteil, wenn die Anlage ein Stufenrechen
ist, wobei die Bauteile durch beweglich gelagerte Stufenlamellen
gebildet werden. Derartige Rechen sind besonders zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, da
die einzelnen Lamellen in einer Auf- und Abwärtsbewegung
geführt werden. Hierfür stehen sie mit wenigstens
einem Elektromotor in Verbindung, der die Lamellen beispielsweise über
eine Exzenterscheibe in Bewegung setzt. Während der ersten
Bewegungsphase werden die beweglichen Lamellen dabei gegenüber
den jeweils dazwischen liegenden und feststehenden Lamellen nach
oben bewegt. Hat die Lagerung der beweglichen Lamellen den höchsten
Punkt überschritten, so kehren die Lamellen, bedingt durch
ihr Eigengewicht, wieder nach unten in die Ausgangsstellung zurück,
wobei in dieser zweiten Bewegungsphase durch den Motor, der hier
als Generator wirkt, Strom erzeugt werden kann. Zusammenfassend
setzt sich die Bewegung des Rechens also aus einem Aufhub unter
Last und einen lastfreien Abhub zusammen, wobei lediglich während
des Aufhubs, bei dem die Verunreinigungen um eine Lamelle nach oben
versetzt werden, Energie für den Betrieb des Elektromotors
notwendig ist. Während des Abhubs kann schließlich
elektrische Energie erzeugt werden, wodurch sich die besondere Energieeffizienz
der Anlage ergibt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1 bis 3 Seitenansichten
einer erfindungsgemäßen Anlage in verschiedenen
Bewegungsstadien.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Stufenrechens als Beispiel einer erfindungsgemäßen
Anlage in Ausgangsstellung 1. Derartige Rechen werden häufig
innerhalb verschiedenster Abwassersysteme bzw. -kanäle
installiert und dienen dem Austrag von zurückgehaltenen
Fremdstoffen 2, die von dem zu reinigenden Abwasser entfernt
werden sollen. Im oberen Bereich kann sich eine entsprechende Presse
oder auch ein Container oder Förderband anschließen,
so dass die Fremdstoffe 2 schließlich entsorgt
werden können.
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Um
nun einen Transport der Fremdstoffe 2 nach oben zu gewährleisten,
besteht der Rechen aus einer Vielzahl von beweglich gelagerten Lamellen 3. Dazwischen
sind jeweils an einem nicht gezeigten Rahmen starr befestigte Lamellen 9 angeordnet,
wobei die beweglich gelagerten Lamellen 3 mit einem oder
mehreren Elektromotoren 4 in Verbindung stehen. Die beweglich
gelagerten Lamellen 3 übernehmen somit in dem
gezeigten Beispiel die Funktion der beweglichen Bauteile im Sinne
der Oberbegriffe der unabhängi gen Ansprüche.
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Im
gezeigten Beispiel ist der Elektromotor 4 im oberen Bereich
angeordnet, während im unteren Bereich eine entsprechende
Lagerung vorhanden ist, die eine Bewegung der hierüber
beweglich gelagerten Lamellen 3 ermöglicht. Sowohl
der Elektromotor 4 als auch die Lagerung ist mit den beweglich
gelagerten Lamellen 3 mittels entsprechender Bolzen 5 über
eine Exzenterscheibe 6 verbunden, so dass die im Folgenden
beschriebene Bewegung ermöglicht wird.
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Wird
nun der Elektromotor 4 in Bewegung versetzt, so wandern
die beweglich gelagerten Lamellen 3, häufig auch
bezeichnet als Lamellenpaket, nach oben und führen dabei
die an der Lamellenoberfläche angesammelten Fremdstoffe 2 mit.
Der Elektromotor 4 wird dabei als Motor betrieben.
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In 2 ist
schließlich die Zwischenstellung 7 des beweglichen
Lamellenpakets gezeigt, in der dieses den höchsten Punkt
erreicht. In dieser Stellung, bzw. kurz nach Überschreiten
derselben, ist die erste Bewegungsphase der beweglich gelagerten Lamellen 3 abgeschlossen.
Von nun an können diese, bedingt durch ihr Eigengewicht,
in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung 1 zurückkehren,
ohne dass hierfür die Antriebskraft des Elektromotors 4 notwendig
wäre.
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Vielmehr
kann der Motor in dieser zweiten Bewegungsphase der beweglich gelagerten
Lamellen 3 (siehe 3) als Generator
genutzt werden. Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie kann
ohne großen technischen Aufwand über einen lediglich
in 3 schematisch dargestellten Frequenzumrichter 8 (z.
B. in Form eines 4-Quadranten-Umrichters) entweder in einen entsprechend
vorhandenen Stromkreis oder ins öffentliche Netz eingespeist
werden.
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Denkbar
ist ebenso die Zwischenspeicherung mit Hilfe eines Kondensators
oder Akkumulators. Ebenso könnte die erzeugte elektrische
Energie einem weiteren Verbraucher des Stufenrechens zugeleitet
werden. Denkbar wäre hier beispielsweise die Speisung in
die Versorgungsleitung einer angeschlossenen Presse oder entsprechend
vorhandener Steuereinrichtungen.
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Eine
besonders effiziente Nutzung der erzeugten Energie ließe
sich durch die Kopplung von zwei entsprechenden Anlagen erzielen.
So könnte die in der zweiten Bewegungsphase der ersten
Anlage erzeugte Energie einem zweiten Stufenrechen zugeführt
werden, dessen beide Bewegungsphasen zu den Phasen der ersten Anlage
zeitversetzt verlaufen. Auf diese Weise könnten sich beide
Anlagen wechselseitig mit Energie versorgen, ohne dass entsprechende
Zwischenspeicher vorhanden sein müssten.
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Im übrigen
ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Vielmehr sind sämtliche Kombinationen
der beschriebenen Einzelmerkmale, wie sie in den Ansprüchen,
der Beschreibung sowie den Figuren gezeigt oder beschrieben sind
und soweit eine entsprechende Kombination technisch möglich
bzw. sinnvoll erscheint, Gegenstand der Erfindung.
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So
kann anstelle oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen
Stufenrechen auch ein so genannter Kletterrechen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben werden und stellt damit ebenfalls eine Anlage gemäß zweitem
unabhängigen Anspruch dar. Dieser kann ebenfalls in einen
Abwasserkanal oder ein sonstiges Abwasserbauwerk integriert werden
und dient vergleichbar dem Stufenrechen dem Austrag von insbesondere
groben Verunreinigungen. Hierfür verfügt er über
ein im Wesentlichen schräg nach oben gerichtetes Gestell,
in dem ein entsprechender Harkenwagen geführt wird. Dieser
wird wiederum durch einen Elektroantrieb entlang einer Führung
nach oben geführt und entfernt auf diese Weise Verunreinigungen
aus dem Abwasser, die schließlich in einen Container, beispielsweise über eine
zwischengeschaltete Presse, entsorgt oder direkt einer weiteren
Reinigungsstufe zugeführt werden können. Nach Überschreiten
des oberen Scheitelpunktes und nach Abwerfen des Fördergutes
fährt der Harkenwagen wieder zu rück in die untere
Ausgangsstellung, wobei hierfür kein aktiver Antrieb notwendig
ist. Vielmehr kann der Harkenwagen ausschließlich bedingt
durch sein Eigengewicht selbstständig in die Ausgangsstellung
zurückkehren, wobei auch hier der Elektromotor als Generator
fungieren kann, so dass die erwünschte Energieeinsparung
erzielt werden kann.
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Zusammenfassend
lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren
also im Bereich der Reinigung von Flüssigkeiten überall
dort einsetzen, wo Bauteile, die in der Regel auch mit den zu entfernenden
Fremdstoffen in Berührung kommen, von Elektromotoren entgegen
der Schwerkraft bewegt werden müssen und anschließend
durch ihr Eigengewicht automatisch in ihre Ausgangsstellung zurückkehren
können.
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- 1
- Ausgangsstellung
- 2
- Fremdstoff
- 3
- beweglich
gelagerte Lamelle
- 4
- Elektromotor
- 5
- Bolzen
- 6
- Exzenterscheibe
- 7
- Zwischenstellung
- 8
- Frequenzumrichter
- 9
- starr
befestigte Lamelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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