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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Pumpenanordnung, die eine Druckwandlereinrichtung und eine Versorgungspumpeneinrichtung aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Umkehrosmosesystem, insbesondere zur Wasserreinigung, wobei dieses System eine Membraneinrichtung aufweist, wobei diese Membraneinrichtung einen Eingang, einen Permeatausgang und einen Konzentratausgang aufweist, wobei der Eingang mit der Versorgungspumpeneinrichtung verbunden ist, der Konzentratausgang mit einem Hochdruckeingang der Druckwandlereinrichtung verbunden ist, die Druckwandlereinrichtung einen Hochdruckausgang aufweist, der Hochdruckausgang mit der Versorgungseinrichtung verbunden ist.
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Die Erfindung wird in Verbindung mit einem Umkehrosmosesystem beschrieben. Die Pumpenanordnung kann jedoch in Verbindung mit anderen Anwendungen verwendet werden, wie diejenige, die in
DE 10 2004 059 071 B4 offenbart ist.
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Ein Umkehrosmosesystem der eingangs genannten Art ist aus
WO 2010/022726 A1 bekannt. Wenn dieses System für die Reinigung von Wasser, beispielsweise Salzwasser, verwendet wird, wird das Wasser unter hohem Druck durch die Membraneinrichtung gepumpt. Ein Teil des Wassers durchdringt die Membrane der Membraneinrichtung, so dass Permeat, d. h. gesäubertes oder gereinigtes Wasser, am Permeatausgang erhalten werden kann. Da das gereinigte Wasser von dem zugeführten Wasser entfernt wird, verbleiben jedoch die Inhalte des zugeführten Wassers auf der Eingangsseite der Membran, wobei die Konzentration in dem zugeführten Wasser auf der Eingangsseite der Membran ansteigt. Dieses Wasser mit einer höheren Konzentration wird durch den Konzentratausgang ausgegeben. Dieses Konzentrat ist jedoch immer noch unter einem relativ hohen Druck. Um den Energieinhalt dieses Konzentrats zu behalten, wird das Konzentrat durch die Druckwandlereinrichtung geführt. Die Druckwandlereinrichtung überträgt den Hochdruck des Konzentrats auf einen Teil des zugeführten Wassers. In den meisten Fällen ist eine zusätzliche Verstärkungspumpe notwendig, um das zugeführte Wasser auf den hohen Druck zu bringen, der für Umkehrosmose notwendig ist.
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Der Bedarf an großen Durchflusskapazitäten steigt an. Eine Lösung zur Befriedigung dieses Bedarfs ist es, die bekannten Komponenten zu vergrößern. In einer Hochdruckumgebung gibt es jedoch einige Begrenzungen, die die Vergrößerung von Komponenten weniger interessant machen. Insbesondere müssen, wenn das Volumen der Hochdruckkammern eine bestimmte Größe überschreitet, die Wände, die diese Kammern begrenzen, stärker gemacht werden, so dass dies ein relativ teurer Weg ist, den Bedarf zu befriedigen.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, einen größeren Volumenfluss in einer hydraulischen Pumpenanordnung in einer kostengünstigen Weise zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Druckwandlereinrichtung mindestens zwei Druckwandler aufweist, wobei die Druckwandler durch einen gemeinsamen Motor angetrieben sind.
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In diesem Fall ist es möglich, zwei oder mehr kleinere Druckwandlereinheiten zu verwenden. Wenn zwei dieser Druckwandler verwendet werden, kann das Durchflussvolumen verdoppelt werden. Wenn drei Druckwandler verwendet werden, ist es möglich, ein dreifaches Durchflussvolumen zu erhalten. Die einzige Sache, die notwendig ist, ist die Leistung des Motors, der die Vielzahl von Druckwandlern antreibt, an die Zahl der Druckwandler anzupassen. Da jedoch der Motor nicht in einer Hochdruckumgebung arbeitet, d. h. er nicht einem Hochdruckfluid ausgesetzt ist, verursacht das Vergrößern des Motors keine zusätzlichen Probleme.
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Vorzugsweise ist der Motor ein elektrischer Motor. Ein elektrischer Motor ist leicht zu steuern. Es ist möglich, die notwendige Leistung zu erhalten.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der Motor ein hydraulischer Motor. Ein hydraulischer Motor kann in Fällen verwendet werden, wo Funken vermieden werden müssen oder elektrische Leistung nicht verfügbar ist.
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Vorzugsweise ist mindestens einer der Druckwandler mit dem Motor über einen Riemen- oder Kettenantrieb verbunden. Ein Riemen- oder Kettenantrieb überträgt die Leistung des Motors auf den Druckwandler mit Hilfe eines Riemens oder einer Kette. Es ist relativ einfach, nicht nur einen Druckwandler, sondern zwei oder mehr Druckwandler mit dem Motor mit Hilfe eines Riemen- oder eines Kettenantriebs zu verbinden. Die einzige Bedingung ist, dass die Druckwandler nebeneinander so angeordnet sind, dass die Riemenräder oder Zähnräder von allen Motoren in einer Linie angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist mindestens einer der Druckwandler mit dem Motor über ein Getriebe verbunden. Ein Getriebe oder ein Getriebekasten kann einen Eingang und eine Vielzahl von Ausgängen haben. Jeder dieser Ausgänge kann mit einem Druckwandler verbunden sein.
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In einer weiteren Alternative sind mindestens zwei der Druckwandler direkt mit einer Ausgangswelle des Motors verbunden. In diesem Fall benötigen die Druckwandler keine weiteren Übertragungselemente. Es ist jedoch möglich, eine oder mehrere der oben erwähnten Möglichkeiten zu kombinieren, d. h. einen Druckwandler direkt mit der Ausgangswelle eines Motors zu verbinden, einen anderen Druckwandler mit Hilfe eines Getriebes mit dem Motor zu verbinden und einen dritten Druckwandler mit Hilfe eines Riemen- oder Kettenantriebs mit dem Motor zu verbinden.
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Vorzugsweise weist der Motor mindestens zwei Ausgangswellen auf, wobei jede Ausgangswelle direkt mit mindestens einem Druckwandler verbunden ist. In vielen Motoren ist es möglich, die Ausgangswelle so anzuordnen, dass sie auf beiden axialen Stirnseiten aus dem Motor herausragt. In diesem Fall kann man an jeder Stirnseite des Motors einen oder mehr Druckwandler anordnen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Druckwandler, die mit derselben Ausgangswelle verbunden sind, eine gemeinsame Achse auf. Dies bedeutet, dass alle Druckwandler mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit angetrieben sind. Das Verhalten von allen Druckwandlern kann deswegen gleich gemacht werden.
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In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die gemeinsame Achse eine Anzahl von Abschnitten aufweist, wobei die Abschnitte mit Hilfe einer Kupplungseinrichtung verbunden sind. Dies macht die Konstruktion und die Wartung des Umkehrosmosesystems einfach. Wenn ein defekter Druckwandler durch einen neuen ersetzt werden muss, kann die Verbindung zwischen den Abschnitten der gemeinsamen Achse gelöst werden. Es ist nicht notwendig, die komplette Anordnung von allen Druckwandlern zu ersetzen.
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Vorzugsweise weist mindestens einer der Druckwandler einen entfernbaren Hinterflansch auf und eine Verbindungseinrichtung ist vorgesehen, die eine Verbindungsgeometrie ähnlich zu der des Hinterflanschs aufweist. Dieser Druckwandler kann in einer Endposition oder in einer Zwischenposition zwischen zwei Druckwandlern angeordnet werden. In dem letzten Fall ist es lediglich notwendig, den Hinterflansch durch die Kupplungseinrichtung zu ersetzen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung treibt der Motor zusätzlich eine Pumpe an. Diese Pumpe kann eine Verstärkungspumpe sein, die den Druck des der Membraneinrichtung zuzuführenden Fluids erhöht. Das Konzentrat, das aus dem Konzentratausgang der Membraneinrichtung herauskommt, hat einen Druck, der geringfügig unter dem Druck am Eingang ist, da es in der Membraneinrichtung unvermeidbar einige Druckverluste gibt. Zusätzliche Druckverluste können in den Leitungen auftreten, die die Membraneinrichtung mit dem Druckwandler verbinden, oder in dem Druckwandler selbst. Die Pumpe ist in der Lage, solche Druckverluste zu kompensieren.
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Vorzugsweise fördert der Druckwandler Flüssigkeit zu einer Vielzahl von Eingängen der Pumpe. Insbesondere in dem Fall, dass die Pumpe in der Form einer Flügelpumpe ist, ist es in einigen Fällen schwierig, den Durchflussbetrag zu erhöhen, da es ein Problem geben kann, die Pumpe schnell genug „zu füllen”. Wenn mehrere Eingänge verwendet werden für das Füllen der Pumpe, kann dieses Problem vermieden werden.
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Vorzugsweise ist die Pumpe zwischen zwei Druckwandlern angeordnet, wobei die Druckwandler die Pumpe von gegenüberliegenden Richtungen versorgen. Die Pumpe wird von beiden Stirnseiten her versorgt, so dass die Flüssigkeit die in der Pumpe ausgebildeten Kammern in der Hälfte der Zeit füllen kann, die für das Füllen der Pumpe von nur einer Seite notwendig wäre.
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Vorzugsweise ist die Versorgungspumpeneinrichtung mit einem Eingang des Druckwandlers verbunden. In diesem Fall wird der Druck des Fluids erhöht, bevor dieser Druck auf ein anderes Fluid übertragen wird.
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In einem Umkehrosmosesystem der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Druckwandlereinrichtung mindestens zwei Druckwandler aufweist, wobei die Druckwandler durch einen gemeinsamen Motor angetrieben sind. Auf diese Weise werden dieselben Vorteile erzielt, die oben in Verbindung mit der Pumpenanordnung erläutert worden sind.
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Bevorzugte Beispiele der Erfindung werden nun mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, worin:
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1 eine schematische Darstellung eines Umkehrosmosesystems ist,
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2 eine erste Ausführungsform einer Druckwandlereinrichtung zeigt,
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3 eine zweite Ausführungsform einer Druckwandlereinrichtung zeigt,
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4 eine dritte Ausführungsform einer Druckwandlereinrichtung zeigt,
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5 eine vierte Ausführungsform einer Druckwandlereinrichtung zeigt,
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6 eine fünfte Ausführungsform einer Druckwandlereinrichtung zusammen mit einer Pumpe zeigt,
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7 eine Modifikation der in 6 gezeigten Anordnung zeigt und
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8 eine schematische Ansicht eines Schnitts der Druckwandlereinrichtung zeigt, die in 7 gezeigt ist.
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Die Erfindung wird in Verbindung mit einem Umkehrosmosesystem erläutert, das eine wichtige Anwendung für die vorliegende Erfindung ist. Die Pumpenanordnung kann jedoch auch in Verbindung mit anderen Anwendungen verwendet werden, z. B. dem Pumpen von Wasser in und aus einer Mine, wobei diese Mine eine große Tiefe hat.
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1 zeigt schematisch ein Umkehrosmosesystem 1 mit einer Membraneinrichtung 2. Die Membraneinrichtung 2 weist einen Eingang 3, einen Permeatausgang 4 und einen Konzentratausgang 5 auf. Eine Membrane 6 ist zwischen dem Eingang 3 und dem Permeatausgang angeordnet. Lediglich eine Membrane 6 ist gezeigt. Die Membraneinrichtung 2 kann jedoch mehr als nur eine Membrane 6 aufweisen.
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Die Membraneinrichtung 2 ist so verbunden, dass sie mit Frischwasser aus einem Reservoir 7, beispielsweise dem Meer, versorgt wird, das durch eine Hochdruckpumpe 8 zugeführt wird, die durch einen Motor 9 angetrieben ist. Die Hochdruckpumpe 8 kann beispielsweise eine Kolbenpumpe sein. Der Motor 9 kann als ein elektrischer Motor ausgebildet sein, der durch einen Frequenzwandler gesteuert wird.
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Das Wasser aus dem Reservoir 7 wird im Folgenden einfach als „Versorgungswasser” bezeichnet. Der Konzentratausgang 5 ist mit einem Konzentratabschnitt 10 einer Druckwandlereinrichtung 11 verbunden, genauer gesagt mit einem Hochdruckkonzentratanschluss HPC. Der Konzentratabschnitt 10 der Druckwandlereinrichtung 11 weist auch einen Niederdruckkonzentratanschluss LPC auf, der seinerseits mit dem Reservoir 7 verbunden ist.
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Die Druckwandlereinrichtung 11 weist außerdem einen Frischwasserabschnitt 12 auf, der einen Niederdruckfrischwasseranschluss LPF und einen Hochdruckfrischwasseranschluss HPF aufweist. Der Niederdruckfrischwasseranschluss LPF ist mit einer Versorgungspumpe 13 verbunden, die auch die Hochdruckpumpe 8 mit Versorgungswasser versorgt. Die Versorgungspumpe 13 wird ebenfalls durch einen Motor 14 angetrieben. Es ist möglich, unterschiedliche Pumpen für die Versorgung der Hochdruckpumpe 8 und der Druckwandlereinrichtung 11 zu verwenden.
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Die Druckwandlereinrichtung 11 ist durch einen Motor 15 angetrieben, wie weiter unten erläutert wird.
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Der Hochdruckfrischwasseranschluss HPF ist verbunden mit einer Verstärkungspumpe 16, die durch einen Motor 17 angetrieben ist. Die Verstärkungspumpe 16 ist mit dem Eingang 3 der Membraneinrichtung 2 verbunden.
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Obwohl lediglich eine Membraneinrichtung 2 gezeigt ist, ist klar, dass zwei oder mehr Membraneinrichtungen verwendet werden könnten. Weiterhin ist es möglich, mehr als die eine dargestellte Druckwandlereinrichtung 11 zu verwenden. In diesem Fall kann jede Druckwandlereinrichtung mit einer oder mehreren Membraneinrichtungen 2 verbunden sein.
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Die Motoren 9, 14, 15 und 17 können durch eine Steuereinrichtung 18 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 18 steuert die Rotationsgeschwindigkeit der Motoren 9, 14, 15 und 17, um einen geeigneten Durchfluss und Druck des Versorgungswassers durch die Membraneinrichtung 2 zu erzeugen.
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Die Druckwandlereinrichtung 11 weist mindestens zwei Druckwandler 11a, 11b ... auf, wie dies in 2 bis 7 dargestellt ist. Alle Druckwandler 11a, 11b ... oder mindestens eine Gruppe von zwei oder mehr Druckwandlern 11a, 11b ... sind durch denselben Motor 15 angetrieben. Der Motor 15 kann ein elektrischer Motor, ein hydraulischer Motor oder irgendeine geeignete Art von Motor sein.
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2 zeigt eine Ausführungsform, in der die Druckwandler 11a, 11b angetrieben sind mit Hilfe eines Riemen- oder Kettenantriebs 22. Im Fall eines Riemenantriebs weist der Motor 15 eine Ausgangswelle 21 (1) auf, auf der ein Riemenrad montiert ist. Jeder Druckwandler 11a, 11b ... weist eine Eingangswelle 23a, 23b ... auf, mit der ein entsprechendes Riemenrad verbunden ist. Der Riemenantrieb 22 ist über alle Riemenräder geführt.
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Im Fall eines Kettenantriebs ist der Riemen des Riemenantriebs 22 ersetzt durch eine Kette und die Riemenräder sind durch Zahnräder ersetzt.
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3 zeigt eine Ausführungsform, in der die Ausgangswelle 21 des Motors 15 mit einem Getriebe 24 verbunden ist. Die Eingangswellen 23a, 23b ... der Druckwandler 11a, 11b ... sind mit dem Getriebe 24 verbunden. Das Getriebe 24 kann die Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangswelle 21 des Motors 15 in eine höhere oder niedrigere Geschwindigkeit der Eingangswellen 23a, 23b ... der Druckwandler 11a, 11b ... übersetzen, wie gewünscht. Das Getriebe 24 kann jedoch als reines Verteilergetriebe ausgebildet sein.
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4 zeigt eine Ausführungsform, in der die Druckwandler 11a, 11b ... direkt auf der Ausgangswelle 21 des Motors 15 montiert sind. Dies bedeutet, dass die Rotoren der Druckwandler 11a, 11b ... direkt mit der Ausgangswelle 21 verbunden sind. Der Ausdruck „direkt” umfasst die Verwendung von Verbindungsmitteln, die die Rotationsgeschwindigkeit des Motors 15 auf die Rotoren der Druckwandler 11a, 11b ... überträgt.
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5 zeigt einen Motor 15 mit zwei Ausgangswellen 21a, 21b. Druckwandler 11a–11d sind direkt mit der Ausgangswelle 21a verbunden, wohingegen Druckwandler 11e–11h direkt mit der anderen Ausgangswelle 21b des Motors 15 verbunden sind. Obwohl jede Ausgangswelle 21a, 21b des Motors 15 so gezeigt ist, dass sie mit vier Druckwandlern verbunden ist, kann die Anzahl von Druckwandlern, die mit jeder Ausgangswelle 21a, 21b verbunden ist, unterschiedlich von dieser Zahl sein. Es ist jedoch mindestens ein Druckwandler 11a, 11e mit jeder Ausgangswelle 21a, 21b verbunden.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die Verstärkungspumpe 16 direkt mit der Ausgangswelle 21 des Motors 15 verbunden ist zusammen mit mindestens zwei Druckwandlern 11a, 11b. Es ist klar, dass die Ausgangswelle 21 des Motors 15 sowohl einen Rotor der Verstärkungspumpe 16 als auch die Rotoren der Druckwandler 11a, 11b antreibt.
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Die Verstärkungspumpe 16 hat mehr als einen Eingang. In einem besonders bevorzugten Fall weist die Verstärkungspumpe 16 eine Anzahl von Eingängen auf, die der Anzahl von Druckwandlern 11a, 11b entspricht, die mit der Welle 21 des Motors 15 verbunden sind. In diesem Fall kann die Verstärkungspumpe 16 in einer kürzeren Zeit gefüllt werden, so dass sichergestellt werden kann, dass eine komplette Füllung erreicht wird.
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7 zeigt eine Ausführungsform, in der die Verstärkungspumpe 16 zwischen zwei Druckwandlern 11a, 11b angeordnet ist. Die Rotoren der Verstärkungspumpe 16 und der Druckwandler 11a, 11b sind mit der Ausgangswelle des Motors 15 verbunden.
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Die Ausgestaltung, die in 7 gezeigt ist, hat die folgenden Vorteile: Wenn man eine Flügelzellenpumpe als Verstärkungspumpe 16 verwendet, kann es ein Problem geben, die Pumpe 16 schnell genug zu „füllen”, wenn die Durchflussmenge vergrößert wird. In der Lösung, die in 7 gezeigt ist, wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Verstärkungspumpe von beiden Seiten her gefüllt wird, was ein sehr viel schnelleres Füllen ergibt.
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8 zeigt schematisch einen Teil der in 6 gezeigten Ausführungsform (der Motor 15 und die Pumpe 16 sind jedoch weggelassen).
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Jeder Druckwandler 11a, 11b weist eine Welle 25a, 25b auf, wobei die beiden Wellen 25a, 25b durch eine Kupplungseinrichtung 26 verbunden sind. An beiden Enden hat die Welle 25a, 25b eine Geometrie 27, mit der die Kupplungseinrichtung 26 verbunden werden kann. Ein Rotor 28a, 28b ist mit der Welle 25a, 25b verbunden, wobei jeder Rotor 28a, 28b eine Anzahl von Zylindern 29a1, 29a2; 29b1, 29b2 trägt. Ein Zylinder 29a1, 29b1, der mit dem Niederdruckfrischwasseranschluss LPF verbunden ist, wird mit Wasser von der Versorgungspumpe 13 gefüllt. Dieses Versorgungswasser drückt Konzentrat heraus zu dem Niederdruckkonzentratanschluss LPC. Wenn der Rotor 28a, 28b um 180° gedreht worden ist, ist der Zylinder (nun in der Position der Zylinder 29a2, 29b2) verbunden mit dem Hochdruckkonzentratanschluss HPC und dem Hochdruckfrischwasseranschluss HPF. Der hohe Druck des Konzentrats drückt das Versorgungswasser, das in den Zylindern 29a2, 29b2 enthalten ist, heraus, so dass Versorgungswasser unter dem Druck des Konzentrats am Hochdruckfrischwasseranschluss HPF verfügbar ist.
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Da dieser Druckanstieg durchgeführt wird durch zwei Druckwandler 11a, 11b, kann der Volumenstrom verdoppelt werden, verglichen mit der Tätigkeit von nur einem Druckwandler.
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Der Druckwandler 11b ist mit einem Hinterflansch 28 versehen. Dieser Hinterflansch 28 ist entfernbar an dem Druckwandler 11b montiert. Wenn dieser Hinterflansch 28 entfernt wird, kann eine Kupplungseinrichtung 29 mit einer Verbindungsgeometrie ähnlich zu der des Hinterflanschs 28 am Druckwandler 11b montiert werden und eine „endlose” Ausdehnung kann stattfinden.
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In Verbindung mit einem Umkehrosmosesystem 1 wird der Druckwandler lediglich für einen Druckaustausch von Fluiden verwendet. Mischen zwischen dem Konzentrat und dem Frischwasser sollte vermieden werden.
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In anderen Anwendungen konnte der Druckwandler jedoch verwendet werden zum Fluidaustausch, bei dem Fluid ausgetauscht oder gemischt werden kann, wobei der Druck voll oder nur teilweise übertragen wird. Weiterhin kann der Druckwandler verwendet werden, um einen Volumenstrom von einem Fluid auf ein anderes zu übertragen. In dem Umkehrosmosesystem 1 ist die Verstärkungspumpe 16 so dargestellt, dass sie mit dem Hochdruckfrischwasseranschluss HPF verbunden ist. Es ist jedoch möglich, die Verstärkungspumpe mit dem Hochdruckkonzentratanschluss HPC zu verbinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004059071 B4 [0003]
- WO 2010/022726 A1 [0004]
