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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit, bei dem in mindestens einem Membranmodul ein Feedstrom in einen Permeatstrom und einen Retentatstrom getrennt wird, sowie eine Vorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit in einem Membrantrennverfahren.
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Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um eine Lösung handeln, in der Stoffe, beispielsweise Salze, gelöst beziehungsweise fein verteilt sind.
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Zur Herstellung von zahlreichen Produkten ist eine Aufbereitung von Flüssigkeiten notwendig. Membrantrennverfahren sind insbesondere vorteilhaft, da sie ohne erhitzen auskommen und meist energetisch günstiger sind als thermische Trennverfahren. Einem Membranmodul wird dazu ein Feedstrom zugeführt, der in einen Retentatstrom und einen Permeatstrom aufgeteilt wird. Der Retentatstrom wird beim Trennprozess von der Membran zurückgehalten. Der Permeatstrom tritt durch die Membran.
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Die Separation mittels Membranverfahren hat sich unter anderem in der Lebensmitteltechnologie, der Biotechnologie und der Pharmazie etabliert. Je nach Art der verwendeten Membranen ist die selektive Trennung einzelner Stoffe oder bestimmter Stoffgemische möglich.
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Man unterscheidet die Membrantrennverfahren nach der treibenden Kraft, die der Trennung zugrunde liegt. Die vorliegende Erfindung betrifft druckgetriebene Prozesse. Eine Anordnung führt den Feedstrom zu einem Membranmodul. Dabei baut die Anordnung einen Druck vor einer semipermeablen Membran auf. Über die Auswahl der Membran lässt sich die Größe der zurückgehaltenen Stoffe einstellen. Je nach Größe der zurückgehaltenen Moleküle unterscheidet man zwischen Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose.
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Als besonders günstig erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer Umkehrosmose, insbesondere zur Meerwasserentsalzung. Wird die Flüssigkeit mit einem Druck beaufschlagt, der oberhalb des osmotischen Drucks liegt, diffundieren Wassermoleküle durch die Membran, während die gelösten Salze zurückgehalten werden. Somit wird auf der einen Seite die Salzlösung aufkonzentriert, die als Retentat bezeichnet wird, während auf der anderen Seite salzarmes Trinkwasser gewonnen wird, das als Permeat bezeichnet wird.
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In der
DE 10 2004 002 547 A1 fördert eine als Hochdruckpumpe ausgeführte Anordnung Meerwasser zu Reverse-Osmose-Modulen (RO-Modulen). Infolge seines hohen Energiegehalts in Form von Druckenergie wird das Retentat in eine als Zweikammer-Drucktauscher ausgeführte Anordnung geleitet. In deren Rohrkammern sind unter Druckeinfluss verschiebbare Trennkolben angeordnet, die eine Trennung zwischen jeweils unterschiedlich mit Druck beaufschlagten Räumen bilden. Der Druck des Retentats wirkt auf einen in der ersten Rohrkammer befindlichen Kolben. Dabei wird der Druck des Retentats auf ein in der Rohrkammer links des Kolbens befindlichen druckarmen Feedstrom übertragen. Dieser links des Kolbens befindliche Feedstrom fließt einer separaten Boosterpumpe zu. Mithilfe der Boosterpumpe wird der Druckabfall kompensiert, der beim osmotischen Reinigungsprozess in den Membranmodulen auftritt. Die Boosterpumpe muss infolge der Energierückgewinnung nur noch die Druckdifferenz erzeugen, die innerhalb der Reverse-Osmosemodule verloren geht. Bei der
DE 10 2004 002 547 A1 kommt eine spezielle Armatur zum Umschalten von Fluidwegen für den Drucktauscher zum Einsatz.
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Solche herkömmlichen Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit mittels eines Membrantrennprozesses umfassen eine Hochdruckpumpe als Anordnung zur Zuführung des Feedstroms zu dem Membranmodul und einen separaten Drucktauscher als Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom. Zudem ist eine Boosterpumpe erforderlich, die nach dem Drucktauscher geschaltet ist und den Druckverlust in dem Membranmodul ausgleicht.
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Die
DE 103 27 401 A1 beschreibt ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung, bei dem eine mehrstufige erste Kreiselpumpe als Hochdruckpumpe und eine für große Flüssigkeitsmengen ausgelegte zweite Kreiselpumpe zum Einsatz kommt. Weiterhin ist bei diesem Verfahren zur Energierückgewinnung ein separater Drucktauscher erforderlich, der über entsprechende Rohrleitungen mit einer Pumpvorrichtung beziehungsweise mit einer ebenfalls separaten Armatur zum Umschalten von Fluidwegen verbunden ist.
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Die
DE 10 2004 029 231 A1 beschreibt ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung, bei dem eine Hochdruckpumpe, eine Boosterpumpe und ein Drucktauschersystem zum Einsatz kommen, wobei mehrere Umschaltarmaturen die Flüssigkeitsströmungen steuern.
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Bei herkömmlichen Verfahren zur Meerwasserentsalzung kommt eine hohe Anzahl an Komponenten zum Einsatz, die eine aufwendige Verrohrung mit kostspieligen Anschlüssen erfordern und einen hohen Platzbedarf haben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membrantrennverfahren anzugeben, das mit möglichst wenigen Komponenten auskommt. Dadurch soll die erforderliche Verrohrung reduziert werden. Das Verfahren soll sich durch eine hohe Energieeffizienz auszeichnen. Die gewonnenen Produkte sollen eine hohe Reinheit aufweisen. Das erfindungsgemäße System soll einen möglichst geringen Platzbedarf einnehmen und dadurch auch beispielsweise auf Schiffen, in Hotels, in Industrieanlagen oder als mobile Kompaktanlage in Katastrophengebieten einsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil des Retentatstroms und zumindest ein Teil des Feedstroms eine Baueinheit durchströmen, in der der Retentatstrom Kolben in Zylindern einer ersten Trommel verschiebt und die Drehbewegung der ersten Trommel über eine Wellenanordnung unmittelbar auf eine zweite Trommel übertragen wird, wobei die zweite Trommel Kolben in Zylindern zur Förderung des Feedstroms verschiebt. Die Drehbewegung wird unmittelbar mittels einer Wellenanordnung von der ersten Trommel auf die zweite Trommel übertragen, ohne dass ein weiteres Bauteil dazwischen geschaltet ist, beispielsweise ein Elektromotor.
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Erfindungsgemäß wird eine kompakte Baueinheit eingesetzt in der eine Anordnung zur Förderung des Feedstroms und eine Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom integriert ist. Somit umfasst die Vorrichtung sowohl eine Anordnung zur Zuführung des Feedstroms zum Membranmodul als auch die Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom. Erfindungsgemäß weist jede Anordnung eine Trommel mit Zylindern auf.
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Über einen Elektromotor kann zusätzlich Energie zugeführt werden. Erfindungsgemäß ist der Elektromotor außerhalb der Baueinheit angeordnet.
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Die beiden Trommeln sind auf einer Wellenanordnung angeordnet und dadurch drehfest miteinander verbunden. In den Zylindern befinden sich axial verschiebbar angeordnete Kolben. Der Retentatstrom strömt in die Kolben der ersten Trommeln und verschiebt diese. Dadurch wird die Trommel in Rotation versetzt. Die Drehbewegung wird über die Welle auf die zweite Trommel übertragen. Durch die Drehbewegung der zweiten Trommel werden die Kolben in deren Zylindern axial verschoben und fördern den Feedstrom. Während ein Teil der Kolben den Feedstrom ansaugt, drücken andere Kolben den Feedstrom heraus. Während eines Zyklus ändert sich die Stellung der Kolben derart, dass diese eine Ansaugphase und eine Ausdrückphase durchlaufen.
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Der Retentatstrom tritt mit einem hohen Druck in die Vorrichtung ein und verlässt die Vorrichtung mit einem niedrigeren Druck. Der Feedstrom tritt mit einem niedrigen Druck in die Vorrichtung ein und verlässt die Vorrichtung mit einem höheren Druck. Die erfindungsgemäße Vorrichtung überträgt Druck vom Retentatstrom auf den Feedstrom.
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Die beiden Anordnungen in der Vorrichtung weisen jeweils eine feststehende Schrägscheibe auf. Die Kolben sind mit Gleitschuhen verbunden, die bei einer Drehbewegung der Trommeln auf den Schrägscheiben gleiten. Die Schrägscheiben sorgen dafür, dass die Kolben unterschiedliche Stellungen einnehmen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung bestehen die zu den Schrägscheiben weisenden Flächen der Gleitschuhe zumindest teilweise aus Kunststoffen auf Basis von Polyaryletherketonen. Dabei handelt es sich um hochfeste thermoplastische Kunststoffe. Vorzugsweise kommt dabei Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz. Diese Kunststoffe ermöglichen ein mediumgeschmiertes Gleiten der rotierenden Gleitschuhe auf den feststehenden Schrägscheiben.
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Erfindungsgemäß wird ein Teil des Retentatstroms beziehungsweise ein Teil des Feedstroms zum Schmieren in Spalten zwischen feststehenden und bewegten Teilen eingesetzt. Diese mediumsgeschmierte Vorrichtung zur Förderung der Flüssigkeit zu dem Membranmodul gewährleistet eine hohe Reinheit, ohne dass es zu Verschmutzungen durch Öl oder andere Schmierstoffe kommt. Dies spielt sowohl für die Erzeugung von Trinkwasser, pharmazeutischen Produkten oder Lebensmitteln eine bedeutende Rolle.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Verteilerblock auf, der einen Feedstromeingang, einen Feedstromausgang, einen Retentatstromeingang und einen Retentatstromausgang aufweist. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn der Verteilerblock einstückig ausgebildet ist. Die Öffnungen der Zylinder beider Trommeln sind zu dem Verteilerblock gerichtet.
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Der Verteilerblock ist zwischen der Anordnung zur Förderung des Feedstroms und der Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom positioniert und verbindet beide Anordnungen zu einer Baueinheit. Der Verteilerblock bildet das zentrale Bauteil, welches die Flüssigkeitsströme verteilt. Sowohl der Retentatstrom als auch der Feedstrom strömen beide in den Verteilerblock ein und aus.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Verteilerblock und jeder Trommel jeweils eine Steuerscheibe angeordnet. Jede Steuerscheibe weist eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Durch diese fließen der Feedstrom beziehungsweise der Retentatstrom in die Zylinder der rotierenden Trommel.
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Die Öffnungen sind vorzugsweise bogenförmig und/oder nierenförmig ausgebildet. Die rotierenden Zylinder bewegen sich an der Einströmöffnung vorbei und füllen sich mit der jeweiligen Flüssigkeit. Dann gelangen sie zu der Ausströmöffnung, bei der die Flüssigkeit aus den Zylindern herausgedrückt wird.
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Vorzugsweise weist der Verteilerblock vier von einander räumlich getrennte Kammern auf. Eine Kammer für den einströmenden Retentatstrom, eine Kammer für den ausströmenden Retentatstrom, eine Kammer für den einströmenden Feedstrom und eine Kammer für den ausströmenden Feedstrom. Dabei erweist es sich als günstig, wenn jede Kammer eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung für den jeweiligen Strom aufweist, wobei zwei der Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern der einen Trommel weisen und zwei Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern der anderen Trommel weisen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Verteilerblock eine mittig angeordnete Öffnung auf, durch welche die Welle verläuft. Die Kammern sind um diese mittige Öffnung angeordnet.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung Kanäle auf, die zur Zuführung eines Teils des Feedstroms beziehungsweise eines Teils des Retentatstroms in die Spalte zwischen feststehenden und bewegten Bauteilen führt. Diese Kanäle können auch als Bohrungen ausgeführt sein. Die Kanäle können einen runden oder eckigen Querschnitt haben. Diese mediumsgeschmierte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Erzeugung von reinem Trinkwasser, von Arznei- oder Lebensmitteln.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt:
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1 ein Schema eines Verfahrens zur Meerwasserentsalzung,
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2 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit bei der Meerwasserentsalzung,
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3 einen Axialschnitt der Vorrichtung gemäß 2.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Meerwasserentsalzung. Aus einem Reservoir 1 wird Meerwasser als Feedstrom 2 zu einem Membranmodul 3 gefördert. Das Membranmodul 3 weist eine semipermeable Membran 4 auf, welche den Feedstrom 2 in einen Permeatstrom 5 und einen Retentatstrom 6 trennt. Bei dem Permeatstrom 2 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Trinkwasser. Bei dem Retentatstrom 6 um aufkonzentriertes Meerwasser.
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In dem Membranmodul 3 findet eine Umkehrosmose (RO-Reverse Osmosis) statt. Der Druck in dem Membranmodul 3 vor der semipermeable Membran 4 ist höher als der osmotische Druck.
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Der Feedstrom strömt über eine Vorpumpe 7 zu einer Vorrichtung 8. Diese ist in 2 als perspektivische Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung 8 ist als kompakte Baueinheit ausgeführt. In der Baueinheit ist eine Anordnung 9 zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom und eine Anordnung 10 zur Zuführung des Feedstroms 2 integriert.
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Zentrales Bauteil der Vorrichtung 8 ist der Verteilerblock 11, der zwischen den beiden Anordnungen 9, 10 positioniert ist. Mithilfe von stabartigen Elementen 12 wird die kompakte Baueinheit bestehend aus den beiden Anordnungen 9 und 10 und dem Verteilerblock 11 zusammengehalten. Im Ausführungsbeispiel sind die stabartigen Elemente 12 als Stangen mit einem runden Querschnitt ausgeführt. Die stabartigen Elemente 12 weisen an mindestens einem Ende ein Befestigungsmittel 13 auf. Im Ausführungsbeispiel sind die Befestigungsmittel 13 als Muttern mit einem Innengewinde ausgeführt, die auf Außengewinde der stabartigen Elemente 12 aufgeschraubt werden und dadurch die Anordnungen 9, 10 und den Verteilerblock 11 zu einer Einheit verspannen.
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Die Vorrichtung 8 umfasst weiterhin einen Elektromotor 14, der erfindungsgemäß außerhalb der kompakten Baueinheit über ein Wellenende angeschlossen ist. Der Elektromotor 14 steht mit einem Frequenzumwandler in Verbindung.
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Der Verteilerblock 11 ist im Ausführungsbeispiel als einstückig ausgeführt. Der Verteilerblock 11 weist eine Eintrittsöffnung 15 für den Feedstrom und eine Eintrittsöffnung 16 für den Retentatstrom auf. Der Verteilerblock 11 ist quaderförmig ausgeführt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Eintrittsöffnung 15 für den Feedstrom 2 befindet sich die Austrittsöffnung für den Feedstrom 2, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Eintrittsöffnung 16 für den Retentatstrom 6 befindet sich die Austrittsöffnung 17, die in 3 zu erkennen ist.
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3 zeigt, dass die Anordnung 9 zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom eine Trommel 18 mit Zylindern 19 aufweist, die entlang eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sind. In den Zylindern 19 sind Kolben 20 angeordnet. Jeder Kolben 20 ist mit einem Gleitschuh 21 verbunden. Jeder Gleitschuh 21 hat Flächen 22, die zu einer Schrägscheibe 23 weisen. Die Flächen 22 sind aus Polyetheretherketon (PEEK). Der Werkstoff ermöglicht eine Mediumschmierung durch einen Teil des Retentatstroms 6 zwischen der Schrägsscheibe 23 und den Gleitschuhen 21.
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Die Schrägscheibe 23 ist feststehend an einem begrenzenden Bauteil 24 angeordnet. Das begrenzende Bauteil 24 hat ein quaderförmiges Profil und weist in seiner Mitte eine Bohrung auf, in die ein zylinderartiges Bauteil 25 eingefügt ist. Das begrenzende Bauteil 24 weist Bohrungen auf, durch welche die stabartigen Elemente 12 ragen. Durch die Eintrittsöffnung 16 fließt der Retentatstrom 6 in die Zylinder 19 der Trommel 18. Dadurch werden die Kolben 20 axial verschoben. Dies führt zu einer Drehbewegung der Trommel 18. Die Trommel 18 ist drehfest mit einer Wellenanordnung 26 verbunden. Im Ausführungsbeispiel besteht die Wellenanordnung 26 aus mehreren Elementen.
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Zwischen dem Verteilerblock 11 und der Trommel 18 ist eine Steuerscheibe 27 angeordnet. Die Steuerscheibe 27 weist eine bogenförmige Öffnung 28 auf. Die Trommel 18 samt der Zylinder 19 dreht sich. Die Zylinder 19, welche mit der bogenförmigen Öffnung 28 der Steuerscheibe 27 in Verbindung stehen, werden mit Retentatstrom 6 befüllt, der durch die Öffnung 16 einströmt.
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Aus den Zylindern 19, welche mit einer bogenförmigen Austrittsöffnung 29 der Steuerscheibe 27 in Verbindung stehen, strömt der Retentatstrom 6 aus. Der Retentatstrom 6 treibt die Trommel 18 an.
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Die Drehbewegung der Trommel 18 wird über die Wellenanordnung 26 unmittelbar auf eine Trommel 30 übertragen, ohne dass ein weiteres Bauteil, dazwischen geschaltet ist.. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Elektromotor außerhalb der kompakten Baueinheit angeschlossen.
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Die Trommel 30 ist drehfest mit der Wellenanordnung 26 verbunden. Die Trommel 30 weist Zylinder 31 auf, die entlang eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sind. In den Zylindern 31 sind Kolben 32 axial verschieblich gelagert.
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Die Öffnungen der Zylinder 19, 31 beider Trommeln 18, 30 sind zu dem Verteilerblock 11 gerichtet.
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Vorzugsweise weist der Verteilerblock 11 vier von einander räumlich getrennte Kammern auf. Eine Kammer für den einströmenden Retentatstrom 6, eine Kammer für den ausströmenden Retentatstrom 6, eine Kammer für den einströmenden Feedstrom 2 und eine Kammer für den ausströmenden Feedstrom 2. Die Kammern sind räumlich von einander getrennt, so dass es zu keiner Vermischung zwischen den Strömen kommt.
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Dabei erweist es sich als günstig, wenn jede Kammer eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung für den jeweiligen Strom aufweist, wobei zwei der Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern 19 der einen Trommel 18 weisen und zwei Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern 31 der anderen Trommel 30 weisen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Verteilerblock 11 eine mittig angeordnete Öffnung auf, durch welche die Wellenanordnung 26 verläuft. Die räumlich abgeschlossenen Kammern des Verteilerblocks 11 sind um diese mittige Öffnung angeordnet.
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Jeder Kolben 32 ist mit einem Gleitschuh 33 verbunden. Die Gleitschuhe 33 weisen Flächen 34 auf, welche zu einer Schrägscheibe 35 weisen. Die Flächen 34 sind aus Polyetheretherketon (PEEK). Der Werkstoff ermöglicht eine Mediumschmierung durch den Feedstrom zwischen den stillstehenden Teilen und den bewegten Teilen.
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Die Schrägscheibe 35 ist feststehend und mit einem begrenzenden Bauteil 36 verbunden. Das begrenzende Bauteil 36 weist in scheibenförmiges Profil und eine Öffnung in seiner Mitte auf, durch die ein zylinderartiges Bauteil 37 eingefügt ist. Innerhalb dieses zylinderartigen Bauteils 37 verläuft die Wellenanordnung 26. Das Ende der Wellenanordnung 26 weist einen Anschluss für den Elektromotor 14 auf.
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Die Trommel 18 wird von dem Retentatstrom 6 in Bewegung versetzt. Über die Welleanordnung 26 wird die Drehbewegung auf die Trommel 30 übertragen. Durch die Drehbewegung der Trommel 30 bewegen sich die Kolben 32 in den Zylindern 31 der Trommel 30 und fördern den Feedstrom 2. Durch eine Öffnung 16 tritt der Feedstrom in den Verteilerblock ein. Zwischen dem Verteilerblock 11 und der Trommel 30 ist eine Steuerscheibe 38 angeordnet. Die Steuerscheibe 38 weist eine bogenförmige Eintrittsöffnung und eine bogenförmige Austrittsöffnung auf, die in dem in 3 dargestellten Schnitt nicht zu erkennen sind. Die Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen der Steuerscheibe 38 sind um 90° gegenüber den Eintrittsöffnungen 28 und Austrittsöffnungen 29 der Steuerscheibe 27 versetzt. Durch die Eintrittsöffnung der Steuerscheibe 38 strömt der Feedstrom in die Zylinder 31 der Trommel 30. Durch eine Öffnungsbewegung der Kolben 32 wird der Feedstrom 2 dabei angesaugt. Die Trommel 30 mit den Zylindern 31 dreht sich weiter. Durch die Zylinder 31, die mit der Austrittsöffnung der Steuerscheibe 38 in Verbindung stehen, wird der Feedstrom 2 aus den Zylindern 31 mittels der Kolben 32 herausgedrückt.
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Der Retentatstrom 6 tritt mit einem hohen Druck in die Vorrichtung 8 ein und verlässt die Vorrichtung 8 mit einem niedrigeren Druck. Der Feedstrom 2 tritt mit einem niedrigen Druck in die Vorrichtung 8 ein und verlässt die Vorrichtung 8 mit einem höheren Druck. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 überträgt Druck vom Retentatstrom 6 auf den Feedstrom 2.
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Der Elektromotor 14 führt über die Wellenanordnung 26 die Energie zu, die unter anderem aufgrund des Druckverlusts in den Membranmodulen 3 verloren geht.
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Die Vorrichtung weist Kanäle auf, teilweise auch in Form von Bohrungen, durch die ein Teil des Retentatstroms 6 beziehungsweise ein Teil des Feedstroms 2 zu Spalten zwischen feststehenden und bewegten Bauteilen geführt wird, beispielsweise zwischen den feststehenden Schrägschreiben 23, 35 und den Flächen 22, 34 der Gleitschuhe 21, 33.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004002547 A1 [0007, 0007]
- DE 10327401 A1 [0009]
- DE 102004029231 A1 [0010]
