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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Technik von Umkehrosmoseanlagen
auf einen Druckaustauscher sowie eine Umkehrosmoseanlage unter Ausnutzung
der Energierückgewinnung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Druckausgleich
sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckaustauschersystems.
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Energierückgewinnungssysteme
bei kleinen Hochdruck-Umkehrosmoseanlagen
sind momentan aufgrund mangelnder Verfügbarkeit und mangelnder Qualität nicht üblich. Angesichts
steigender Energiepreise bietet es sich zukünftig jedoch auch im Bereich der
kleinen Umkehrosmoseanlagen an, die energetische Effizienz der Anlage
durch Energierückgewinnungssysteme
zu verbessern.
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Derzeit
sind beispielsweise ventilgesteuerte Druckaustauscherkonzepte zur
Energierückgewinnung
bekannt. Dabei ist jedoch die Konstruktion und Ansteuerung der Ventile
problematisch, da bei ungünstigen
Umsetzungen heftige Druckstöße auftreten
können.
Die Wahl der Ventile und die Gestaltung der Umschaltung stellen
große
Herausforderungen bei der Realisierung von ventilgesteuerten Druckaustauschern
dar. Neben der speziellen Gestaltung der Ventilblöcke sowie
der komplizierten Ansteuerung sind mehrere Spezialpumpen (Befüllpumpe,
Hochdruckpumpe und Rezirkulationspumpe) erforderlich, die teilweise
für kleine
Volumenströme
nicht im Markt erhältlich
sind.
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Außerdem ist
aus dem Stand der Technik eine Meerwcsserentsalzungsanlage mit Energierückgewinnung
der Firma Danfoss bekannt. Diese Anlage weist eine Axialkolbenpumpe,
welche das Meerwasser komprimiert, und einen Axialkolbenmotor auf, welcher
den Druck des Konzentrats ausnutzt. Solche Energierückgewinnungssysteme
sind aufgrund ihres Grundkonzeptes in Ihrem Wirkungsgrad nur mit
sehr viel Aufwand zu verbessern, was sich vor allem im häufigen Teillastbetrieb
nachteilig auswirkt. Beispielsweise sind bei einer Umkehrosmoseanlage,
die direkt mit einer photovoltaischen Energieversorgung gekoppelt
ist, besonders häufig
Teillastzustände
zu erwarten. Da bei den am Markt verfügbaren Axialkolbenpumpen üblicherweise
mit ca. 80% Wirkungsgrad gerechnet werden kann, stellt dieses System
eine sehr gute Option dar. Die Verfügbarkeit insbesondere von Systemen
für Kleinstanlagen
ist mit diesem System nicht gegeben. Ein weiterer Nachteil dieser
Systeme ist die unflexible, feste Ausbeuterate, was v. a. beim Einsatz
von Brackwasser oder der Abtrennung von Stoffen in geringer Konzentration
nachteilig ist, da jede Ausbeuterate eine spezielle Kombination
einer bestimmten Baugröße der Axialkolbenpumpe, mit
einer bestimmten Baugröße des Axialkolbenmotors
bedeutet.
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Außerdem ist
im Bereich der Umkehrosmoseanlagen die Clark Pump als Druckintensivierungssystem
mit zwei gekoppelt arbeitenden Differenzialzylindern bekannt. Das
System besitzt wiederum viele Kolbendichtungen und Ventile, welche
bei Dauereinsatz hohe Ersatz- und Wartungskosten mit sich ziehen.
Weiterhin stellt sich wieder die feste Ausbeuterate als nachteilig
dar. Im Umschaltpunkt fließt
weder Feed noch Konzentrat, so dass das gesamte System zum Stillstand
kommt und der Druck absinkt. Für
die Mitteldruckpumpe entsteht am Umschaltpunkt eine Lastspitze.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energierückgewinnungssystem zur Verfügung zu stellen,
welches einfach und kostengünstig
herzustellen ist, einfach ansteuerbar ist und geringen Wartungsaufwand
nach sich zieht. Außerdem
sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme beseitigt
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch den Druckaustauscher nach Anspruch 1 sowie die
Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Druckaustauschers sowie
der erfindungsgemäßen Umkehrosmoseanlage
werden in den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen gegeben.
Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe
durch das Verfahren zum Druckaustausch nach Anspruch 14 sowie die
Verwendung des Druckaustauschers nach Anspruch 15 gelöst.
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Erfindungsgemäß enthält das Druckaustauschersystem
mindestens ein erstes und mindestens ein zweites Druckrohr. Das
mindestens eine erste Druckrohr sowie das mindestens eine zweite
Druckrohr sind jeweils in eine erste und eine zweite Kammer aufgeteilt,
wobei die erste und die zweite Kammer des mindestens einen ersten
sowie des mindestens einen zweiten Druckrohrs mit einer Zufluss-
und einer Abflussleitung versehen sind. Über die Zufluss- und Abflussleitungen
der ersten Kammer lässt
sich ein erstes Fluid in die ersten Kammern einleiten sowie abführen. Über die
Zufluss- und Abflussleitungen der
zweiten Kammer des mindestens einen ersten sowie des mindestens
einen zweiten Druckrohrs sind die zweiten Kammern mit einem zweiten
Fluid befüllbar
bzw. entleerbar. Die erste und die zweite Kammer jedes der mindestens
zwei Druckrohre sind durch einen technischen Molch, der in das Innere
jedes der mindestens zwei Druckrohre eingebracht ist, unterteilt.
Der technische Molch in jedem der mindestens zwei Druckrohre ist
dabei in Längsrichtung
der Druckrohre bewegbar. Durch die Bewegung des technischen Molches
innerhalb jedes der mindestens zwei Druckrohre lässt sich das Volumen der ersten und
der zweiten Kammern und/oder der Druck, welcher auf das erste und/oder
zweite Fluid in den jeweiligen Kammern der mindestens zwei Druckrohre wirkt,
kontrolliert variieren. Die Bewegung des Molches innerhalb jedes
der mindestens zwei Druckrohre erfolgt dabei erfindungsgemäß mit Hilfe
eines Linearantriebs, an welchen die Molche der mindestens zwei
Druckrohre gekoppelt sind.
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Die
Molche in den mindestens zwei Druckrohren durchlaufen eine Hin-
und Herbewegung entlang der Längsrichtung
der Druckrohre. Die Molche bewegen sich dabei zwischen zwei Umkehrpunkten, durch
welche vorzugsweise ein minimales Volumen der ersten bzw. zweiten
Kammer definiert wird. Alternativ kann auch das Druckrohrende als
Umkehrpunkt definiert sein.
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Vorzugsweise
weist das erste Fluid, welches aus mindestens einem beliebigen Stoff
bestehen kann, einen geringen Druck auf als das zweite Fluid. Werden
das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Druckrohr
so verschaltet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt A die erste Kammer
des ersten Druckrohrs mit dem ersten Fluid befüllt ist und ein zweites Fluid,
welches ein Konzentrat sein kann, in die zweite Kammer des ersten
Druckrohrs einzuströmen
beginnt, so wird aufgrund des Energieaustausches zwischen dem ersten
und dem zweiten Fluid der Molch im ersten Druckrohr in Richtung
der ersten Kammer bewegt und somit der Druck des ersten Fluids erhöht. Die
Druckerhöhung
wird zusätzlich durch
den Linearantrieb unterstützt
und/oder gesteuert. Gleichzeitig, beginnend zum Zeitpunkt A, wird
der Molch im zweiten Druckrohr in Richtung der zweiten Druckkammer
bewegt, wobei das zweite Fluid aus der zweiten Kammer des zweiten
Druckrohres ausgelassen wird und das erste Fluid in die erste Kammer
einströmt.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Großteil des ersten Fluids aus
der ersten Kammer des ersten Druckrohrs bzw. ein Großteil des
zweiten Fluids aus der zweiten Kammer des zweiten Druckrohrs ausgeströmt ist,
bremst der Linearantrieb vorzugsweise die Bewegung der Molche ab
und bringt diese an eifern der Umkehrpunkte zum Stillstand. Anschließend wird die
Verschaltung der zumindest zwei Druckrohre so verändert, dass
das zweite Fluid in die zweite Kammer des zweiten Druckrohrs einströmt und die
Molche in eine Rückwärtsbewegung
versetzt werden. Es ergibt sich somit eine Hin- und Herbewegung
der Molche innerhalb des zugehörigen
Druckrohrs, bedingt durch den erhöhten Druck des zweiten Fluids und
die Wirkung des Linearantriebs.
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Die
Molche können über unterschiedliche Mechanismen
an den Linearantrieb gekoppelt sein. Bevorzugt können die Molche in den mindestens zwei
Druckrohren mit Hilfe einer magnetischen Kopplung an den Linearantrieb
gekoppelt sein. Im Falle einer magnetischen Kopplung enthalten die
technischen Molche vorzugsweise ein permanentmagnetisches oder ein
ferromagnetisches Material oder bestehen daraus. Der Linearantrieb
kann beispielsweise Mitnehmer aufweisen, welche außerhalb
der mindestens zwei Druckrohre angeordnet sind und über eine
magnetische Kopplung die technischen Molche innerhalb der mindestens
zwei Druckrohre in eine kontrollierte Bewegung versetzen. Die Mitnehmer selbst
können
dabei bevorzugt permanentmagnetisch ausgebildet sein oder ein ferromagnetisches Material
enthalten oder daraus bestehen. Alternativ kann die Kopplung zwischen
den Mitnehmern und den Molchen auch eine elektromagnetische und
damit schaltbare Kopplung sein.
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Alternativ
kann der Linearantrieb auch als Antrieb für einen Seilzugtrieb dienen.
Dabei wird die Kopplung an den Linearantrieb vorzugsweise so verwirklicht,
dass die Molche direkt an den Seilen befestigt sind, wobei die mindestens
zwei Druckrohre mit Gleitdichtungen versehen sind, durch welche
die Seile durch die Druckrohre geführt werden können. In diesem
Fall sind die Molche bevorzugt nicht magnetisch. Vorzugsweise sind
die Molche dann jedoch so ausgebildet, dass sie kraft- und/oder
formschlüssig mit
den Seilen im Eingriff sind.
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Alternativ
zur kraft- und/oder formschlüssigen
Kopplung zwischen den Molchen und den Seilen ist es auch möglich, die
Seile außerhalb
der Druckrohre zu rotieren und an diesen Mitnehmer zu befestigen,
welche wiederum die Molche durch magnetische Kopplung antreiben.
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Der
Linearantrieb kann außerdem
als Antrieb für
ein Ketten- oder Riementrieb oder einen Zahnstangenantrieb dienen.
Dabei werden die Ketten, Riemen oder Zahnstangen vorzugsweise außerhalb
des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Druckrohres
geführt,
wobei an den Ketten, Riemen oder Zahnstangen bevorzugt Mitnehmer
für eine
magnetische Kopplung angebracht sind. Alternativ ist wiederum die
druckdichte Durchführung
von Stangen oder Draht durch die Druckrohre möglich, wobei die Molche direkt
an den Stangen oder dem Draht befestigt sind. Der Linearantrieb
ist vorzugsweise als elektrisch angetriebener Spindeltrieb (z. B.
Kugelgewindetrieb) ausgeführt.
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Je
nach Kopplungsart der Molche weisen diese ein permanentmagnetisches
Material, ein ferromagnetisches Material oder ein nicht-magnetisches
Material auf. Enthalten die Molche einen Permanentmagneten oder
bestehen daraus, so wird als magnetisches Material vorzugsweise
Neodym eingesetzt, da dieses eine besonders starke magnetische Wirkung
besitzt.
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Je
nach Einsatzgebiet des Druckaustauschersystems ist es von Vorteil,
wenn die Molche eine korrosionsfeste Beschichtung aufweisen. Dabei bietet
sich insbesondere eine korrosionsfeste Ummantelung aus Teflon (PTFE,
Polytetrafluorethylen) an. Insbesondere bei der Anwendung für Reverse-Osmoseprozesse,
insbesondere bei der Meer- und Brackwasserentsalzung, bzw. bei der
Abwasserbehandlung, ist die korrosionsfeste Beschichtung der Molche
vorteilhaft.
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Die
einfachste Ausbildungsform für
die Molche ist eine zylindrische Form, gegebenenfalls mit abgerundeten
Kanten. Alternativ können
auch ovale Formen gewählt
werden. Bei der Wahl der Molchform ist insbesondere darauf zu achten,
dass ein Verkanten vermieden wird und gegebenenfalls ein Stoß bei Erreichen
des Rohrendes mechanisch abgepuffert wird. Beispielsweise können die
Molche auch hantelförmig
ausgebildet sein.
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Die
Molche in dem ersten und dem zweiten Druckrohr sind vorzugsweise
miteinander gekoppelt. Je nach Antriebsart können die Molche in die gleiche Richtung
oder in entgegen gesetzter Richtung bewegt werden. Sind die Molche
so miteinander gekoppelt, dass sie in die gleiche Richtung bewegt
werden, sind das mindestens eine erste Druckrohr und das mindestens
eine zweite Druckrohr so parallel zueinander angeordnet und gegebenenfalls
ausgerichtet, dass beispielsweise die erste Kammer des ersten Druckrohrs
und die zweite Kammer des zweiten Druckrohrs beispielsweise auf
der linken Seite der Molche liegt, während die zweite Kammer des
ersten Druckrohrs und die erste Kammer des zweiten Druckrohrs auf
der rechten Seite der Molche liegt.
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Erfolgt
der Antrieb der Molche über
einen Seilzug, so sind das mindestens eine erste Druckrohr und das
mindestens eine zweite Druckrohr wiederum parallel zueinander angeordnet
und beispielsweise horizontal ausgerichtet. Jedoch bewegen sich
im Falle der Seilzuglösung
die Molche in entgegen gesetzter Richtung. In diesem Fall sind die
Druckrohre so zueinander angeordnet, dass die ersten Kammern der
mindestens zwei Druckrohre links der Molche liegen, während die
zweiten Kammern der mindestens zwei Druckrohre rechts der Molche
liegen.
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Die
Materialwahl für
die mindestens zwei Druckrohre richtet sich nach der Art der Kopplung zwischen
den Molchen und dem Linearantrieb. In jedem Fall ist ein druckfestes
und/oder korrosionsbeständiges
Material von Vorteil. Im Falle einer Kopplung über eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung
kann vorzugsweise druckfester und/oder korrosionsbeständiger Edelstahl
verwendet werden. Im Fall einer magnetischen Kopplung dagegen enthalten
die mindestens zwei Druckrohre vorzugsweise keine ferromagnetischen
Materialien bzw. keine magnetisierbaren Materialien. Die Druckrohre
enthalten in diesem Fall vorzugsweise glasfaserverstärkten Kunststoff
oder bestehen daraus. Glasfaserverstärkte Kunststoffrohre eigenen
sich jedoch bevorzugt für Anwendungen
bei geringeren Drücken,
wie beispielsweise bei der Entsalzung von Brackwasser.
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Die
Länge und
der Durchmesser des mindestens einen ersten Druckrohres und des
mindestens einen zweiten Druckrohres können flexibel ausgelegt werden
und richten sich vorzugsweise nach der Größe des Gesamtsystems. Dabei
ist die Länge vom
gewünschten
Volumen und dem möglichen Hubweg
des Antriebs abhängig.
Im Falle einer magnetischen Kopplung ist die Auslegung des Durchmessers
der Druckrohre abhängig
von der maximal zu übertragenden
Kraft der Magnetkupplung.
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Insbesondere
im Falle einer magnetischen Kopplung bietet es sich an, mehrere
erste und mehrere zweite Druckrohre mit bevorzugt jeweils geringerem
Durchmesser einzusetzen, da somit die benötigte Haltekraft der Magnetkupplung
reduziert wird. Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Druckaustauscher
die gleiche Anzahl an ersten Druckrohren wie an zweiten Druckrohren auf.
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Für die Verschaltung
des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Druckrohrs ist
es vorteilhaft, wenn die Zu- und Ableitungen zumindest einer der
ersten und/oder einer der zweiten Kammern der mindestens zwei Druckrohre
mit mindestens einem Absperrorgan versehen sind. Als Absperrorgan
können
dabei ein Kugelhahn und/oder ein Ventil, bevorzugt ein Rückschlagventil,
verwendet werden. Vorzugsweise sind die Zu- und Ableitungen der
ersten Kammern, durch welche bevorzugt ein erstes Fluid mit niedrigerem
Druck in die erste Kammer eingeleitet und bei höherem Druck aus der ersten
Kammer ausgeleitet werden kann, mit Rückschlagklappen ausgestattet,
während
die Zu- und Ableitungen
der zweiten Kammern, durch welche vorzugsweise ein zweites Fluid
mit höherem
Druck in die zweite Kammer eingeleitet und bei geringerem Druck
aus der zweiten Kammer ausgeleitet wird, mit Kugelhähnen ausgestattet.
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Der
Linearantrieb kann zusätzlich
zur Bewegung der Molche innerhalb der mindestens zwei Druckrohre
als Stellantrieb für
die entsprechenden Absperrorgane der Zu- und Ableitungen verwendet werden
und diese in Analogie zu einer Nockenwelle umschalten. Für einen
solchen Antrieb ist es von Vorteil, die Kugelhähne durch Spulenventile zu
ersetzen.
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Insbesondere
die Zuleitungen zumindest der ersten und/oder zweiten Kammern können mit
mindestens einem Filter ausgestattet sein, dass eventuelle Verunreinigungen
(Fouling und Scaling) des ersten und/oder zweiten Fluids nicht in
das Druckaustauschersystem eintreten.
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Der
erfindungsgemäße Druckaustauscher kann
durch den Linearantrieb so gesteuert werden, dass jeder Molch in
den mindestens zwei Druckrohren im Bereich eines Umkehrpunktes abgebremst wird
und/oder am Umkehrpunkt zum Stillstand kommt. Als Umkehrpunkt ist
ein Zustand der mindestens zwei Druckrohre zu verstehen, bei welchem
das Volumen der Kammer, in deren Richtung die Molche bewegt werden,
minimal wird. In Einzelfällen
kann der Umkehrpunkt auch eines der Enden des jeweiligen Druckrohres
sein. Durch das kontrollierte Abbremsen im Bereich des Umkehrpunktes
können Druckstöße vermieden
werden. Damit werden Schutzeinrichtungen gegen Druckstöße, wie Überstromventile,
Druckpuffer und Sicherheitsventile, unnötig. Umschaltvorgänge können somit
ohne Druckstöße erfolgen.
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Der
erfindungsgemäße Druckaustauscher findet
vorzugsweise in Reverse-Osmoseprozessen sowie im Bereich der hydraulischen
Hochdrucksysteme, beispielsweise im Bergbau, Anwendung.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Umkehrosmoseanlage mit mindestens
einem Umkehrosmosemodul, welches mindestens eine Membran aufweist,
und mit mindestens einem Druckaustauschersystem, welches wie oben
bereits beschrieben ausgebildet ist. Das Druckaustauschersystem
enthält
erfindungsgemäß mindestens
ein erstes Druckrohr und mindestens ein zweites Druckrohr, wobei
im Inneren jedes der Druckrohre ein Molch eingebracht ist. Der technische
Molch teilt das Volumen der mindestens zwei Druckrohre jeweils in
eine erste Kammer und eine zweite Kammer auf. Jede der ersten und
der zweiten Kammern weist Zu- und Ableitungen auf, über welche
ein erstes Fluid durch die ersten Kammern und ein zweites Fluid
durch die zweiten Kammern leitbar ist. Das Volumen und/oder der Druck
in den ersten bzw. den zweiten Kammern ist durch die Bewegung der
Molche mittels des Linearantriebs steuerbar.
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Durch
die Steuerung der Molche mit Hilfe des Linearantriebs wird erreicht,
dass die Molche bzw. der Flüssigkeitsstrom
in den Kammern im Bereich des Umkehrpunktes abgebremst werden und die
Molche bzw. der Flüssigkeitsstrom
am Umkehrpunkt zum Stillstand kommen. Somit werden sanfte Umschaltvorgänge ermöglicht.
Dadurch kann das Zu- und Abschalten von zusätzlichen Membranflächen bzw.
zusätzlichen
Umkehrosmosemodulen im Moment des Stillstandes mit Hilfe einfacher
Absperrorgane, wie beispielsweise Kugelhähnen, realisiert werden.
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Vorteilhafterweise
ist das mindestens eine Umkehrosmosemodul und der Druckaustauscher derart über ein
Leitungssystem miteinander verbunden, dass das erste Fluid, beispielsweise
Meerwasser oder ein Lösungsmittel
mit darin gelösten
Stoffen, durch die erste Kammer des mindestens einen ersten Druckrohrs
und/oder durch die erste Kammer des mindestens einen zweiten Druckrohrs
in das Umkehrosmosemodul einlassbar bzw. aus dem Umkehrosmosemodul
ablassbar ist, während
das zweite Fluid, bevorzugt ein Konzentrat, durch die zweite Kammer
des mindestens einen ersten Druckrohrs und/oder durch die zweite
Kammer des mindestens einen zweiten Druckrohrs aus dem Umkehrosmosemodul
ablassbar bzw. in das Umkehrosmosemodul einlassbar ist.
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Durch
ein solches Leitungssystem wird bevorzugt mit Hilfe von zusätzlichen
Absperrorganen ermöglicht,
dass beispielsweise das erste Fluid, welches in einer ersten Kammer
ist, mit Hilfe des zweiten Fluids, welches unter erhöhtem Druck
steht, zusammengepresst wird und unter erhöhtem Druck in das Osmosemodul
eingeleitet werden kann.
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Gegebenenfalls
kann die Verschaltung von Umkehrosmosemodul und Druckaustauscher
derart gestaltet sein, dass bei jedem Hub, d. h. bei jedem Erreichen
eines Umkehrpunktes, die Strömungsrichtung
umgekehrt wird. Diese Betriebsweise führt zu einer Vergleichmäßigung der
Konzentration im Umkehrosmosemodul. Eine solche Betriebsart wirkt
sich vorteilhaft auf die Vermeidung von Folding und Scaling aus
und verlangsamt die Alterungsprozesse der Membran durch eine gleichmäßige Nutzung.
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Vorteilhafterweise
sind die Zu- und Ableitungen der Kammern so mit Absperrorganen versehen und
das Osmosemodul mit dem Druckaustauscher so verbunden, dass die
Molche in mindestens einem ersten und in mindestens einem zweiten
Druckrohr so bewegbar sind, dass das erste Fluid in die erste Kammer
des ersten Druckrohres und das zweite Fluid unter erhöhtem Druck
in die zweite Kammer des zweiten Druckrohres einlassbar ist, während das
erste Fluid unter Erhöhung
des Drucks aus der ersten Kammer des zweiten Druckrohres in das
Umkehrosmosemodul verdrängbar
ist und das zweite Fluid aus der zweiten Kammer des ersten Druckrohres
ableitbar ist und dass anschließend
das erste Fluid in die erste Kammer des zweiten Druckrohres und
das zweite Fliud unter erhöhtem
Druck in die zweite Kammer des ersten Druckrohres einlassbar ist,
während das
erste Fluid unter Erhöhung
des Drucks aus der ersten Kammer des ersten Druckrohres in das Umkehrosmosemodul
verdrängbar
ist und das zweite Fluid aus der zweiten Kammer des ersten Druckrohres
ableitbar ist. Damit wird der erhöhte Druck des zweiten Fluids
ausgenutzt, um den Druck des ersten Fluids zu erhö hen. Die
Molche werden durch den Linearantrieb so angetrieben, dass sie kontrolliert
von einem Umkehrpunkt zum nächsten
und zurück
wandern. Als Umkehrpunkt wird der Zustand bezeichnet, in welchem
die erste bzw. die zweite Kammer des ersten bzw. des zweiten Druckrohrs
ihr minimales Volumen erreicht.
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Die
Bewegung der Molche ist vorzugsweise beliebig oft wiederholbar.
Somit wird jeweils der Druck in der zweiten Kammer zumindest eines
der mindestens zwei Druckrohre ausgenutzt. Das mindestens eine erste
Druckrohr und das mindestens eine zweite Druckrohr sind vorzugsweise
parallel zueinander angeordnet und die ersten bzw. zweiten Kammern
sind so zueinander angeordnet, dass die Molche entweder in die gleiche
Richtung oder in unterschiedliche Richtung bewegbar sind. Die Anordnung
der Kammern zueinander richtet sich dabei nach der Art des Antriebs,
wie oben beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Umkehrosmoseanlage
sowie der erfindungsgemäße Druckaustauscher finden
bevorzugt bei der Meer- und Brackwasserentsalzung, im Bereich der
Abwasserbehandlung, z. B. der Deponiesickerwasser-Behandlung, und in
der Lebensmittelindustrie und anderen Industriezweigen Anwendung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Druckaustausch erfolgt mit Hilfe eines Druckaustauschsystems,
wie es oben beschrieben ist. Das erste Fluid wird unter einem Anfangsdruck
in die erste Kammer des ersten Druckrohres eingeleitet und das zweite
Fluid strömt
unter einem im Gegensatz zum Anfangsdruck erhöhten Druck in die zweite Kammer
des zweiten Druckrohrs ein, wobei die Molche so in Richtung der
zweiten Kammer des ersten Druckrohrs bewegt werden, dass der Druck
des ersten Fluids in der ersten Kammer des zweiten Druckrohrs erhöht wird.
Das erste Fluid strömt
unter Prozessdruck aus der ersten Kammer des zweiten Druckrohrs
aus und gleichzeitig strömt
das zweite Fluid aus der zweiten Kammer des ersten Druckrohrs aus.
Anschließend
wird das erste Fluid unter einem Anfangsdruck in die erste Kammer
des zweiten Druckrohres eingeleitet und das zweite Fluid strömt unter
einem erhöhten
Druck in die zweite Kammer des ersten Druckrohrs ein, wobei die
Molche so in Richtung der zweiten Kammer des zweiten Druckrohrs
bewegt werden, dass der Druck des ersten Fluids in der ersten Kammer
des ersten Druckrohrs erhöht
wird. Das erste Fluid strömt
unter Prozessdruck aus der ersten Kammer des ersten Druckrohrs aus und
gleichzeitig strömt
das zweite Fluid aus der zweiten Kammer des zweiten Druckrohrs aus.
Dabei wird die Molchbewegung in dem mindestens einen ersten und
dem mindestens einen zweiten Druckrohr mit dem Linearantrieb gesteuert.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ein kontrolliertes Abbremsen der
Molche bzw. der Fluidströmung
ermöglicht,
wodurch Schutzeinrichtungen gegen Druckstöße unnötig werden und der Einsatz einfacher
Armaturen in Form von Kugelhähnen,
beispielsweise mit elektrischem Schwenkantrieb, ermöglicht werden.
Durch das kontrollierte Abbremsen werden weiterhin sanfte Umschaltvorgänge ermöglicht.
Außerdem
können
Rezirkulations- und Füllpumpen
eingespart werden. Über
die Regulierung der Drehzahl des Motors für den Linearantrieb ist eine gute
Regelbarkeit der Bewegung der Molche sowie der Fluidströmung gegeben.
Außerdem
kann durch die Steuerung mit Hilfe des Linearantriebs eine volle Flexibilität für die Anpassung
des Betriebs an verschiedene Ausbeuten und Strömungsgeschwindigkeiten erfolgen
und der Systemwirkungsgrad in weiten Teillastbereichen flexibel
geregelt werden. Zuletzt sei noch der Vorteil gegenüber dem
Stand der Technik genannt, dass zusätzliche Umkehrosmosemodule
problemlos eingekoppelt werden können.
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Im
Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Umkehrosmosemodule gegeben.
Es zeigt
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1 die
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Umkehrosmosemoduls mit
Magnetkupplung;
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2a und 2b die
Darstellung einer Magnetkupplung;
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3 ein
Diagramm des Konzentrationsstromes pro Zeit;
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4a und 4b eine
erfindungsgemäße Umkehrosmoseanlage
mit Strömungsrichtungsumkehr;
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5 eine
erfindungsgemäße Umkehrosmoseanlage
mit Seilzuglösung
und
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6 einen
Ausschnitt einer Umkehrosmoseanlage mit drei Umkehrosmosemodulen.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Umkehrosmoseanlage
mit einem Umkehrosmosemodul 1 und einem Druckaustauschersystem.
Das Druckaustauschersystem weist ein erstes Druckrohr 21 und ein
zweites Druckrohr 22 auf. Das erste Druckrohr ist durch
einen ersten Molch 210 in eine erste Kammer 211 und
eine zweite Kammer 212 aufgeteilt. Die erste Kammer 211 weist
auf ihrer dem Molch 210 abgewandten Seite eine Zuflussleitung 3a und
eine Abflussleitung 30a auf, wobei die Leitungen jeweils
mit einem Rückschlagventil 5 versehen
sind. Die zweite Kammer 212 weist auf ihrer dem Molch 210 abgewandten
Seite eine Zuleitung 4a sowie eine Ableitung 40a auf,
welche jeweils mit einem Kugelhahn 6 versehen sind. Das
zweite Druckrohr 22 wird durch einen Molch 220 in
eine erste Kammer 221 und eine zweite Kammer 222 aufgeteilt.
Auch die erste Kammer 221 des zweiten Druckrohrs 22 ist
mit einer Zuflussleitung 3b und einer Abflussleitung 30b versehen,
an welchen wiederum Rückschlagventile 5 angeordnet
sind. Die zweite Kammer 222 des zweiten Druckrohrs 22 weist
eine Zuflussleitung 4b und eine Abflussleitung 40b auf,
welche mit Kugelhähnen 6 versehen
sind. Die beiden Molche 210 und 220 sind in diesem
Fall über
eine Magnetkupplung mit Mitnehmern 71 an den Linearantrieb 7 gekoppelt.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Umkehrosmoseanlage zur Meerwasserentsalzung beschrieben.
Meerwasser fließt über die
Leitung 8a in eine Hochdruckpumpe 90, durch welche
der Druck des Meerwassers erhöht
wird. Das Meerwasser wird über
die Leitung 8 weiter in das Umkehrosmosemodul 1 eingeleitet.
Der salzlose Teil des Meerwassers durchdringt die Membran 10 und
wird als Permeat über
die Leitung 8b abgeleitet. Das Salzkonzentrat kann die
Membran 10 nicht durchdringen und fließt unter erhöhtem Druck über die
Leitung 4 ab. Das Konzentrat fließt durch den geöffneten
Kugelhahn 6 der Leitung 4a in die Kammer 212 des
ersten Druckrohres 21 ein, wobei der Kugelhahn 6 der
Leitung 40a geschlossen ist, und bewegt den Molch 210 in
Richtung der ersten Kammer 211. Die Kammer 211 ist
mit Meerwasser, welches über
die Leitung 3a in diese eingeleitet wurde, gefüllt. Durch
die Bewegung des Molches 210 wird die im Salzwasserkonzentrat
in der zweiten Kammer 212 gespeicherte Energie als mechanische
Energie auf das Meerwasser in der Kammer 211 übertragen
und der Druck des Meerwassers wird dadurch erhöht, so dass das Meerwasser über die
Leitung 30a das Rückschlagventil
durchdringen kann und über
die Leitung 30 in den Meerwasserstrom in der Leitung 8 in
das Umkehrosmosemodul eingeleitet wird. Gleichzeitig wird durch
die Bewegung des Molches 220 im zweiten Druckrohr 22 die erste
Kammer 221 über
die Leitung 3b befüllt,
während
die zweite Kammer, welche mit Salzkonzentrat gefüllt ist, bei geschlossenem
Kugelhahn 6 in der Leitung 4b und bei geöffnetem
Kugelhahn 6 der Leitung 40b entleert wird.
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Die
Bewegung der Molche 210, 220 wird durch den Linearantrieb 7 gesteuert.
Zusätzlich
kann mit Hilfe des Linearantriebs der Druck in der ersten Kammer 211 des
ersten Druckrohrs 21 durch Bewegung nach links in Richtung
der ersten Kammer 211 erhöht werden, um den Druckverlust
der Leitungen, des Membranmoduls und des Druckaustauschers auszugleichen.
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Sind
die Molche 210 und 220 am linken Rand der ersten
Kammer 210 des ersten Druckrohrs 21 bzw. am linken
Rand der zweiten Kammer des zweiten Druckrohrs 22 angelangt,
so kommen sie dort kurzzeitig zum Stillstand. Zu diesem Zeitpunkt
werden der Kugelhahn 6 in der Leitung 4a in einen
geschlossenen Zustand und der Kugelhahn 6 in der Leitung 40a in
den geöffneten
Zustand umgestellt, während
der Kugelhahn 6 in der Leitung 4b in den geöffneten
Zustand und der Kugelhahn 6 in der Leitung 40b in
den geschlossenen Zustand umgestellt werden. Durch die Umstellung
der Kugelhähne 6 und durch
Antrieb über
den Linearantrieb 7 werden die Molche nach rechts bewegt,
wobei das Meerwasser in der ersten Kammer 221 des zweiten
Druckrohrs 22 unter Druck durch das Ventil 5 in
der Leitung 30b in die Leitung 8 eingeleitet wird
und unter Druck in das Umkehrosmosemodul 1 gelangt. Dieser
Prozess kann beliebig oft wiederholt werden.
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An
dieser Stelle soll nun ein Zahlenbeispiel für die Meerwasserentsalzungsanlage
in 1 gegeben werden. Die Antriebskraft liegt für eine Umkehrosmoseanlage
bei 12 kN. Dabei wird ein zu überwindender
Druckverlust von < 2
bar für
den Hochdruckkreislauf und < 1
bar für
das Befüllen
angesetzt. Die Druckrohre werden auf 3 m Länge begrenzt und die Zeit für einen
Hub auf 2 min festgelegt. Die Reibung innerhalb des Reversosmose-Systems
wird für die
Abschätzung
nicht berücksichtigt.
Der Innendurchmesser des Zylinders ergibt sich dabei zu 225 mm.
Für kürzere Druckrohre,
höhere
Druckverluste oder längere
Hubzeiten steigen der Zylinderdurchmesser und damit der Kraftbedarf.
Die benötigten
Linearantriebe liegen im Bereich von 8 bis 24 kN.
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Die 2a zeigt
nun einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckaustauschersystems.
Die beiden Molche 210 und 220 teilen wieder die
Druckrohre 21 und 22 in eine erste Kammer 211 bzw. 221 und
eine zweite Kammer 212 bzw. 222 auf. Die Molche 210 und 220 sind über Mitnehmer 71 mit
Hilfe einer Magnetkupplung an den Linearantrieb 7 gekoppelt.
Der Linearantrieb 7 bewegt sich dabei in Längsrichtung
der Druckrohre 21 bzw. 22.
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Um
die Kräfte
für die
einzelne Magnetkupplung zu verkleinern und gleichzeitig eine einfache Skalierbarkeit
des Systems zu erreichen, werden mehrere Druckrohre mit kleineren
Durchmessern verwendet. Aufgrund der kleineren Durchmesser ergeben
sich wesentlich kleinere Kräfte,
die die einzelne Magnetkupplung aufbringen muss. Eine solche Ausführungsform
zeigt 2b. Der Druckaustauscher weist
jeweils 6 erste Druckrohre 21 und 6 zweite Druckrohre 22 auf.
Innerhalb der Rohre 21, 22 befindet sich jeweils
ein Molch 210 bzw. 220 (nicht dargestellt). Diese
sind wieder über
eine Magnetkupplung mit Mitnehmern 71 gekoppelt, welche
durch den Linearantrieb 7 bewegbar sind. Die Mitnehmer 71 sind
derart gestaltet, dass eine Platte entsprechend der Anzahl der Druckrohre 21, 22 mit
Bohrungen versehen ist, so dass die Platte entlang der Rohre führbar ist.
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3 zeigt
die Entwicklung des Konzentrationsstromes mit der Zeit. Zum Zeitpunkt
t = 0 s sowie t = 120 s sind die Molche 210 bzw. 220 an
einem Umkehrpunkt angekommen, so dass der Konzentrationsstrom kurzfristig
zum Stillstand kommt. Anschließend
werden die Molche beschleunigt, bis sie zum Zeitpunkt t = 20 s bzw.
t = 140 s eine konstante Geschwindigkeit erreichen und damit der
Konzentratstrom konstant ist. Zu einem Zeitpunkt von t = 100 s werden
die Molche abgebremst, so dass sie zum Zeitpunkt t = 120 s am Umkehrpunkt
zum Stillstand kommen.
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Die
Ausbeuterate im Entsalzungsmodul steigt auf den Wert eins. Aufgrund
der langsamen Konzentrationsausgleichsvorgänge wird dadurch kein nachteiliger
Effekt auf die Membran bezüglich Scaling
erwartet.
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Der
Umkehrpunkt mit stehendem Konzentratstrom wird für ein sanftes Umschalten zwischen den
Arbeitzylindern genutzt. Hierfür
können
gewöhnliche
Kugelhähne
und Rückschlagventile
genutzt werden. Der Moment des periodisch zum Stillstand kommenden
Konzentratstroms wird für
weitere sanfte Umschaltvorgänge
ausgenutzt.
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So
wird das Zu- und Abschalten von zusätzlicher Membranfläche in diesem
Umkehrpunkt mit einfachen Kugelhähnen
realisiert, was in 6 im Detail dargestellt ist.
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Die 4a und 4b zeigen
die Verschaltung von Umkehrosmosemodul und Druckaustauschersystem
für eine
Anwendung mit Strömungsrichtungsumkehr. Über die
Hochdruckpumpe 90 wird Meerwasser in Leitung 8a in
die erste Kammer 221 des zweiten Druckrohrs 22 unter
Druck eingeleitet. Zusätzlich
befindet sich in der Kammer 221 Meerwasser, welches über die
Leitung 3b in die Kammer gelangt ist. Durch die Bewegung
der Molche 210 und 222 wird das Meerwasser über eine
Leitung 81 in das Umkehrosmosemodul 1 eingeleitet.
Gleichzeitig wird über
eine Leitung 82 Salzwasserkonzentrat aus dem Umkehrosmosemodul 1 in
die zweite Kammer 222 eingeleitet. Gleichzeitig wird aus
der zweiten Kammer 212 des ersten Druckrohrs 21 Salzwasserkonzentrat
in die Abwasserleitung 40b geleitet und über die
Leitung 3a Meerwasser in die erste Kammer 211 des
ersten Druckrohrs. Sind die Molche am rechten Umkehrpunkt angelangt,
so wird, wie in 4b dargestellt, Meerwasser über die
Hochdruckpumpe 90 in die Leitung 8b eingeleitet
und gelangt unter erhöhtem Druck
in die erste Kammer 211 des ersten Druckrohrs, welche über die
Leitung 3a bereits mit Meerwasser gefüllt ist. Über die Leitung 81 fließt nun das Salzwasserkonzentrat
in die zweite Kammer des ersten Druckrohrs 21 ein und drückt die
Molche in Richtung der ersten Kammer 211. Gleichzeitig
fließt
frisches Meerwasser über
die Leitung 3b in die erste Kammer des zweiten Druckrohrs
ein und das Salzwasserkonzentrat aus der zweiten Kammer 222 wird über die
Leitung 4b abgeleitet. Je nach Bewegungsrichtung der Strömung wird
das entsalzene Wasser über
die Leitung 8b aus einem der durch die Membran 10 geteilten
Bereich des Osmosemoduls abgeleitet.
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Durch
eine solche Verschaltung zwischen Umkehrosmosemodul und Druckaustauscher
erfolgt eine Vergleichmäßigung der
Salzaufkonzentrierung im Umkehrosmosemodul 1.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Umkehrosmosevorrichtung
mit einem Druckaustauscher mit Seilzugantrieb. Im Gegensatz zu der
Lösung,
welche in 1 dargestellt ist, bewegen sich
in 5 die Molche 210 und 220 in
entgegen gesetzte Richtungen. Daher sind die ersten Kammern 211 und 221 jeweils
links der Molche 210 bzw. 220 angeordnet, während die
zweiten Kammern 212 und 222 rechts der Molche 210 und 220 liegen.
Die beiden Druckrohre 21 und 22 weisen jeweils
an ihrer linken und rechten Stirnseite Bohrungen mit Gleitdichtungen
für den Seilzug 72 auf.
Der Seilzug 72 wird über
Umlenkrollen 73 mit Hilfe des Antriebs 7 bewegt.
Die Molche 210 und 220 sind fest mit dem Seilzug 72 verbunden.
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Über die
Hochdruckpumpe 90 gelangt Meerwasser unter erhöhtem Druck
durch die Leitung 8 in das Umkehrosmosemodul 1 und
das entsalzene Nasser tritt durch die Membran 10 durch
und wird über
Leitung 8b abgeleitet, während das Konzentrat über die
Leitung 4 in die zweite Kammer des ersten Druckrohrs einfließt und dabei
den Molch 210 nach links in Richtung der ersten Kammer 211 bewegt,
wodurch frisches Meerwasser, welches zuvor über Leitung 3a in
die Kammer gelangt war, in das Umkehrosmosemodul 1 gepresst
wird. Gleichzeitig bewegt sich der Molch 220 in Richtung
der zweiten Kammer, wodurch diese vom Konzentrat entleert wird und Meerwasser über die
Leitung 3b in die erste Kam mer 221 des ersten
Moduls eintritt. Nach Erreichen des Umkehrpunktes, d. h. bei maximalem
Volumen der zweiten Kammer des ersten Druckrohrs und der ersten
Kammer des zweiten Druckrohrs wird die Bewegung der Molche in entgegen
gesetzter Richtung fortgeführt.
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Auch
hier wird kurz vor Erreichen des Umkehrpunktes die Fluidströmung abgebremst
und am Umkehrpunkt zum kurzfristigen Stillstand gebracht.
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6 zeigt
eine Umkehrosmoseanlage mit drei Umkehrosmosemodulen 1 mit
jeweils einer Membran 10. Über die Leitung 3 gelangt
frisches Meerwasser unter erhöhtem
Druck durch Öffnen
zumindest eines der Kugelhähne 6a bis 6c in
das jeweilige Umkehrosmosemodul 1a bis 1c. Von
dort fließt über die
Leitung 4 bei geöffneten
Hähnen 61 bzw. 62 das
Konzentrat sowie das Spülwasser
ab, während das
Permeat die Membran 10 durchdringt und über Leitung 8 in einen
Permeattank 91 gelangt. Über die Leitung 81 gelangt
Permeat durch Rückschlagklappen 63 in
den Meerwasserstrom in Leitung 3. Zum Zu- bzw. Abschalten
von einem oder mehreren Umkehrosmosemodulen 1 wird der
Konzentratstrom kontrolliert durch den Linearantrieb des Druckaustauschers
(nicht dargestellt) abgebremst und kommt im Umkehrpunkt zum Stillstand.
An diesem Punkt können
die Hähne 61 und 62 konzentratseitig
problemlos geschaltet werden. Die Hähne sind dabei als Kugelhähne mit
Schwenkantrieb ausgebildet. Meerwasserseitig arbeitet kontinuierlich
und damit auch im Umkehrpunkt eine Hochdruckpumpe (nicht dargestellt). Daher
sind die Hähne 6a bis 6c vorsichtiger
zu bedienen, wobei Kugelhähne
mit Stellantrieb, welcher über eine
zusätzliche
Stellung mit geringem Durchfluss verfügt, verwendet werden.
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Das
Zuschalten der einzelnen Stränge
erfolgt derart, dass ein Schwellwert für den Meerwasser- oder Feeddruck
erreicht wird, bei dem das Zuschalten eines weiteren Moduls 1a, 1b oder 1c interessant
wird.
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Zum
Beaufschlagen eines zusätzlichen
Moduls 1a, 1b oder 1c mit Salzwasser
bei geringem Druck öffnet
der Kugelhahnablass 62 vollständig und der meerwasserseitige
Hahn 6a, 6b und/oder 6c ganz gering (Schrittmotor-Zwischenstellung).
Nach Abschluss der Flutung mit Salzwasser und dem Erreichen des
nächsten
Umschaltpunktes schließt
der Ablasshahn 62, der konzentratseitige 61 und
meerwasserseitige Hahn 6a, 6b und/oder 6c öffnen vollständig.
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Das
Abschalten kann einfach und vollständig in einem Umkehrpunkt vorgenommen
werden. Dazu schließen
konzentratseitiger 61 und meerwasserseitiger Hahn 6a, 6b und/oder 6c,
während
sich der Ablasshahn 62 öffnet.
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Zur
Kontrolle der Flutung muss lediglich der Ablasshahn 62 richtig
dimensioniert werden (deutlich kleinerer Durchmesser als konzentratseitige 61 und meerwasserseitige
Hähne 6a, 6b und/oder 6c).
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Anstelle
des Meerwassers kann in jedem der Beispiele ein beliebiger Stoffstrom
(feed) verwendet werden, wobei darauf zu achten ist, dass das Umkehrosmosemodul
zur Aufkonzentrierung von in dem Stoffstrom gelösten Stoffen geeignet ist.