DE102014101132B4

DE102014101132B4 - Entkalkungsvorrichtung und Verfahren zur Entkalkung von Wasser

Info

Publication number: DE102014101132B4
Application number: DE102014101132.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Sautter; Dietmar Ende
Original assignee: PERMA TRADE WASSERTECHNIK GmbH; PERMA-TRADE WASSERTECHNIK GmbH
Current assignee: PERMA TRADE WASSERTECHNIK GmbH; PERMA-TRADE WASSERTECHNIK GmbH
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: DE102014101132A1

Abstract

Entkalkungsvorrichtung zur Entkalkung von in einem Rohrleitungssystem unter Druck geführtem Wasser durch Reduzierung des Kohlendioxidgehalts des Wassers und Abscheiden des ausfallenden Kalks mit einem Hydrozyklon (10) und einem Wirbelbett (60), wobei dem Hydrozyklon Wasser mit einer Zuleitung (50) zugeführt wird, wobei der Hydrozyklon (10) mit dem Wirbelbett (60) über eine Verbindungsleitung (51) verbunden ist, wobei das Wirbelbett (60) in Strömungsrichtung des Wassers nach dem Hydrozyklon (10) angeordnet ist, wobei das Wasser über einen Zulauf (11, 11.1) dem Hydrozyklon (10) zugeführt wird, wobei das Wasser darin auf einer sich spiralförmig verjüngenden Bahn (20) von einem Einlassbereich (13) mit einem großen Durchmesser zu einem Entgasungsbereich (15) mit einem kleinen Durchmesser des Hydrozyklons (10) derart geführt wird, dass sich die Fließgeschwindigkeit des Wassers hin zum Entgasungsbereich (15) kontinuierlich derart erhöht, dass der statische Druck des Wassers im Entgasungsbereich (15) unter dem Partialdruck von Kohlendioxid liegt und dieses ausgast.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entkalkungsvorrichtung zur Entkalkung von in einem Rohrleitungssystem unter Druck geführtem Wasser durch Reduzierung des Kohlendioxidgehalts des Wassers und Abscheiden des ausfallenden Kalks.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Entkalkung von strömendem Wasser durch Reduzierung des Kohlendioxidgehalts des Wassers und Abscheiden des ausfallenden Kalks.
Kalkhaltiges Wasser kann zu Kalkablagerungen, beispielsweise in Trinkwassersystemen, führen. Um dem vorzubeugen, sind verschiedene Methoden bekannt, den Kalkgehalt von Wasser zu reduzieren.
Ein weit verbreitetes Verfahren zur Verhinderung von Kalkaustrag ist die Wasserenthärtung mittels lonentauscher. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass kalkarmes Wasser einen niedrigeren pH-Wert besitzt und auf Kupfer- und verzinkte Stahlrohre korrosiv wirken kann. Dem wird durch Zugabe von Phosphat entgegengewirkt, was jedoch beispielsweise bei Trinkwasser nicht erwünscht ist. Ein weiterer Nachteil ist der Salzverbrauch zur Regeneration des lonentauschers mit den damit anfallenden Kosten für die Wasseraufbereitung.
Die DE 29 13 287 C2 beschreibt ein Verfahren zur Teilentcarbonisierung von Wasser, insbesondere Trinkwasser, durch Ausfällen von Calciumcarbonat in Anwesenheit von Kristallisationskeimen in Form von calciumcarbonathaltigem Material in einer Schüttung aus granulierten festen Stoffen und Beaufschlagen mit Unterdruck. Dabei ist es vorgesehen, dass man das Wasser bei gleichzeitiger Unterdruckbeaufschlagung durch ein Filterbett rieseln lässt und das Filterbett derart rückspült, dass etwa 10 bis 20% der während der Entcarbonisierung ausgefällten Kalziumkarbonate im Filterbett verbleiben. Das Filterbett kann eine Schüttung aus einem trigonalen Kristall, insbesondere einem kalziumkarbonathaltigen Material, sein. Um Kalziumhydrogenkarbonat in Lösung zu halten, ist eine definierte Kohlendioxidkonzentration in dem Wasser erforderlich. Durch den Unterdruck gast Kohlendioxid aus dem Wasser aus, so dass das sogenannte Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht verschoben wird. Es kommt zur Ausfällung von Kalziumkarbonat und zum Austrag des größten Teils des freien Kohlendioxids gemäß der Formel Ca(HCO₃)₂ --> CaCO₃ + H₂O + CO₂
Das ausgefällte Kalziumkarbonat wird in dem Filterbett eingelagert. Das Verfahren ermöglicht so die Entkalkung von Wasser ohne die Behandlung mit chemischen Zusätzen. Nachteilig dabei ist, dass eine Pumpe zur Erzeugung des Unterdrucks benötigt wird. Dies führt zum einen zu einem zusätzlichen Energiebedarf und zum anderen zu einem erhöhten Wartungsaufwand für die Pumpe, so dass das Verfahren für viele Anwendungen nicht wirtschaftlich einsetzbar ist.
Aus der DE 36 41 781 A1 ist ein Hydrozyklon zum Entgasen von Flüssigkeiten bekannt, bestehend aus einem zylindrischen Mantel, einem Zulaufrohr, einem Ablaufrohr und einem Anschluss für eine Apparatur zur Erzeugung von Vakuum. Dabei ist es vorgesehen, dass das Ablaufrohr tangential an dem Mantel angeordnet ist. Die Flüssigkeit wird dem Hydrozyklon unter Druck tangential zugeführt, legt sich auf Grund der Konstruktion des Hydrozyklons als ein dünner, rotierender Ring (Trombe) an dessen Außenwand an und wird über das ebenfalls tangential angeordnete Ablaufrohr wieder abgeführt. Über ein in den Hydrozyklon reichendes Rohr wird ein Vakuum in dem Hydrozyklon erzeugt, wodurch sich in der rotierenden Flüssigkeit entstehende Gasbläschen vergrößern, um anschließend über das Rohr abgesaugt zu werden. Durch das Vakuum wird die Trombe nicht zusammengezogen, so dass das sich bildende Gas abgezogen werden kann, ohne dass gleichzeitig Flüssigkeit mit abgezogen wird. Der Hydrozyklon ermöglicht so, mit einfachen Mitteln das Gasvolumen einer schaumhaltigen Flüssigkeit stark zu reduzieren. Auch hier ist nachteilig eine zusätzliche Apparatur (Pumpe) zur Erzeugung des Vakuums erforderlich.
Aus JP 2010 260 033 A ist ein Flüssigkeitszyklon zur Gas-Flüssigkeits-Trennung mit einem Flüssigkeitseinlass zur Aufnahme eines Gas-Flüssigkeits-Gemisches als zu behandelnde Flüssigkeit, einem ersten Auslass zur Gas-Flüssigkeits-Trennung des Gas-Flüssigkeits-Gemisches durch Zentrifugalkraft und einem zweiten Auslass zur Gas-Flüssigkeits-Trennung durch Zentrifugalkraft bekannt.
AT 412 288 B offenbart ein Verfahren zur Belüftung von Suspensionen. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine kostengünstige Entkalkung von Wasser ohne Zugabe von chemischen Zusätzen ermöglicht.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird mit einer Entkalkungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Wasser wird dabei dem Hydrozyklon durch eine entsprechende Ausrichtung des Zulaufs, vorzugsweise tangential oder zumindest annähernd tangential, zugeführt. Der tangentiale Zufluss des unter Druck stehenden Wassers bewirkt, dass das Wasser den Hydrozyklon wirbelförmig durchströmt. Dabei wird durch die sich spiralförmig verjüngende Bahn die Winkelgeschwindigkeit und damit die auf das Wasser wirkende Zentrifugalkraft bis zum Entgasungsbereich stetig erhöht, so dass eine Trennung zwischen dem schwereren Wasser und im Wasser enthaltenen, leichteren Gasblasen erfolgt. Gleichzeitig wird durch den sich verjüngenden Querschnitt des Hydrozyklons die Fließgeschwindigkeit des Wassers hin zum Entgasungsbereich kontinuierlich erhöht, wodurch der dynamische Druck des Wassers steigt und der statische Druck abnimmt. Liegt der statische Druck unterhalb des Partialdrucks von Kohlendioxid, gast dieses aus und wird durch die wirkende Zentrifugalkraft von dem Wasser hin zur Mittelachse des Hydrozyklons verdrängt. Das Wasser weist somit nach dem Durchfluss durch den Hydrozyklon einen reduzierten Kohlendioxidgehalt auf, wodurch das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht verschoben und Kalziumkarbonat ausgefällt wird. Die erforderliche Reduzierung des Drucks zur Ausgasung des CO₂ erfolgt dabei alleine durch die Veränderung des statischen Drucks des Wassers auf Grund der veränderten Fließgeschwindigkeit, ohne dass zusätzlich eine Pumpe zur Erzeugung des Vakuums notwendig ist.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Hydrozyklon durch einen dem Einlassbereich nachfolgenden Verjüngungsabschnitt mit einem sich kontinuierlich, insbesondere kegelförmig, verjüngenden Durchmesser, den an den Verjüngungsabschnitt mittelbar oder unmittelbar anschließenden Entgasungsbereich, einen dem Entgasungsbereich nachfolgenden Aufweitungsabschnitt mit einem sich insbesondere kontinuierlich, bevorzugt kegelförmig, aufweitenden Durchmesser und einen den Aufweitungsabschnitt mittelbar oder unmittelbar abschließenden Auslassbereich mit einem daran angeordneten Ablauf gebildet wird. Der Einlassbereich mit dem, vorzugsweise tangential oder zumindest annähernd tangential angeordneten, Zulauf bewirkt den wirbelförmigen Durchlauf des Wassers durch den Hydrozyklon. Durch den Verjüngungsabschnitt wird das Wasser auf die sich spiralförmig verjüngende Bahn gelenkt. Im Entgasungsbereich, der sich im Bereich der kleinsten Durchmesser des Hydrozyklons befindet, sind die Winkelgeschwindigkeit und die Fließgeschwindigkeit so hoch, dass CO₂ ausgast und zur Mittelachse des Hydrozyklons verdrängt wird. Durch den Aufweitungsabschnitt wird das Wasser auf sich spiralförmig aufweitenden Bahnen zum Auslassbereich geleitet. Dabei nehmen die Winkelgeschwindigkeit und die Fließgeschwindigkeit ab. Vom Auslassbereich wird das Wasser durch den, ebenfalls vorzugsweise tangential oder zumindest annähernd tangential angeordneten, Ablauf abgeführt, wobei hier die Fließgeschwindigkeit wieder so weit reduziert ist, dass der vor dem Hydrozyklon herrschende statische Druck des Wassers zumindest annähernd wiederhergestellt wird.
Um die entstehenden Gase, insbesondere das ausgasende CO₂, aus dem Hydrozyklon abführen zu können, kann es vorgesehen sein, dass in dem Verjüngungsabschnitt und/oder dem Aufweitungsabschnitt des Hydrozyklons eine Gasableitung aus dem Entgasungsbereich geführt ist. Dabei ist die Gasableitung als geöffnetes Rohr vorzugsweise axial entlang der Mittellängsachse des Hydrozyklons aus dem Entgasungsbereich geführt, da sie so durch die Mitte der sich ausbildenden spiralförmigen Bahnen geleitet ist und die Strömung des Wassers nicht oder nur wenig beeinflusst.
Die Strömung des Wassers in dem Hydrozyklon kann weiterhin dadurch optimiert werden, dass in dem Innenraum des Hydrozyklons, ausgehend von dem Einlassbereich, ein sich in Richtung des Entgasungsbereichs verjüngender erster Innenkegel angeordnet ist und/oder dass, ausgehend von dem Auslassbereich, ein sich in Richtung des Entgasungsbereichs verjüngender zweiter Innenkegel angeordnet ist. Durch den ersten Innenkegel wird eine Aufweitung des Strömungsquerschnittes und damit eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mit einer damit verbundenen Erhöhung des statischen Drucks nach dem Zulauf in den Hydrozyklon vermieden. Der erste Innenkegel zwingt das Wasser auf eine sich spiralförmig verjüngende Bahn. Der zweite Innenkegel bildet ebenfalls einen Ringraum aus. Dies führt zu einer verbesserten Auslenkung des Wassers bei gleichzeitig hoher statischer Druckausbildung.
Um bei Verwendung eines Innenkegels Gas aus dem Hydrozyklon ableiten zu können, kann es vorgesehen sein, dass der erste Innenkegel oder der zweite Innenkegel zumindest einen Abschnitt der Gasableitung umfasst.
Durch den reduzierten statischen Wasserdruck in dem Hydrozyklon wird Kohlendioxid aus dem Wasser entfernt und damit das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in Richtung Kalziumkarbonat verschoben. Um das ausfallende Kalziumkarbonat aus dem Wasser zu entfernen und damit das Wasser zu entkalken, ist es vorgesehen, dass in Strömungsrichtung des Wassers nach dem Hydrozyklon ein Wirbelbett angeordnet ist. Das entgaste Wasser wird dem Wirbelbett zugeführt und darin wird der Kalk an einem geeigneten Abscheidematerial abgeschieden.
Dabei kann eine hohe Abscheiderate für Kalk dadurch erreicht werden, dass das Wirbelbett mit einem feinkörnigen Abscheidematerial mit einem trigonalen Kristallgitter, insbesondere gebildet aus Calcit, Dolomit, Magnesit, Quarz, Korund, Ilmenit oder Hämatit, gebildet wird. Durch die hohe Abscheidegeschwindigkeit wird ein Großteil der Karbonathärte des Wassers abgegeben. Durch die Verwendung eines Wirbelbetts wird vermieden, dass die Körner des feinkörnigen Abscheidematerials durch den sich abscheidenden Kalk zusammenwachsen und die Vorrichtung dadurch verstopfen.
Um eine ausreichende Verwirbelung des Abscheidematerials zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass dem Wirbelbett ein eingangsseitiger Zulauf zur Zuführung des Wassers und ein ausgangsseitiger Ablauf zur Abführung des Wassers zugeordnet ist und dass der Querschnitt des eingangsseitigen Zulaufs kleiner ist als der Querschnitt des ausgangsseitigen Ablaufs. Das Wasser durchströmt das Wirbelbett von unten nach oben, wobei das Abscheidematerial durch ein Einlaufsieb auf der Eingangsseite und ein Auslaufsieb an der Auslaufseite zurückgehalten wird. Bei geeigneten Fließgeschwindigkeiten des Wassers durch das Abscheidematerial wird dieses durch die Strömung aufgelockert und bewegt sich flüssigkeitsähnlich (Fluidisierung), während das Wasser den Sand in Blasen durchströmt (Wirbelschicht). In diesem Betriebszustand wird die maximale Oberfläche zwischen dem Abscheidematerial und dem Wasser und damit die höchste Kalk-Abscheiderate sowie der geringste Druckverlust über das Wirbelbett erreicht. Ist die Fließgeschwindigkeit zu gering, wird das Abscheidematerial nicht aufgewirbelt. Dadurch steigt der Druckverlust und die Abscheiderate sinkt. Entsprechend verhält es sich bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten, wobei hier das Abscheidematerial an das Auslaufsieb gedrückt wird. Durch die geeignete Wahl der Querschnitte des eingangsseitigen Zulaufs und des ausgangsseitigen Ablaufs kann für einen großen Bereich eines dem Wirbelbett zugeführten Volumenstroms eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit in dem Wirbelbett erreicht werden. Dabei wird durch die Wahl des kleineren Querschnitts des eingangsseitigen Zulaufs auch bei niedrigen Volumenströmen eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit und somit eine Fluidisierung des Wirbelbetts erreicht. Bei höheren Volumenströmen weitet sich die tatsächlich genutzte Sandsäule auf, so dass auch Betriebssituationen mit hohen Volumenströmen abgedeckt werden können. Der vergleichsweise größere Querschnitt des ausgangsseitigen Auslaufs bewirkt einen geringeren dynamischen Druck im Bereich des Auslaufsiebs, so dass hier ein Andrücken des Abscheidematerials verhindert wird.
Entsprechend einer ergänzenden Ausführungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass dem Hydrozyklon ein Ultraschallwandler zur Einkopplung von Ultraschallwellen in den Entgasungsbereich des Hydrozyklons zugeordnet ist und/oder dass dem Wirbelbett ein Ultraschallgeber zur Beaufschlagung des Abscheidematerials mit Ultraschallwellen zugeordnet ist.
Ein beispielsweise an der Wandung des Hydrozyklons angebrachter Ultraschallwandler koppelt Ultraschallwellen in das in dem Hydrozyklon strömende Wasser ein. Die Ultraschallwellen stellen entlang ihrer Ausbreitungsrichtung einen periodisch wechselnden, statischen Druck dar. Überlagert mit der Druckminderung durch die erhöhte Fließgeschwindigkeit des Wassers in dem Hydrozyklon unterschreitet der statische Druck in Bereichen der Druck-Minima den Partialdruck von Kohlendioxid. In Bereichen der Druck-Minima gast CO₂ demnach verstärkt aus. Die Ultraschallwellen begünstigen somit die Ausgasung von Kohlendioxid und dadurch die Ausfällung von Kalk.
Durch einen an oder in dem Wirbelbett angebrachten Ultraschallgeber können auf Grund von Kalkablagerung entstehende größere Partikel zerkleinert und damit die gewünschte mittlere Partikelgröße des Abscheidematerials dauerhaft erhalten werden. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass bei zu großen und somit schweren Partikeln die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers nicht mehr ausreicht, das Abscheidematerial zu fluidisieren, wodurch die Abscheiderate drastisch gesenkt wird. Weiterhin verkleinert sich bei großen Partikeln deren Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen, so dass bei regelmäßiger Abführung des abgeschiedenen Kalks aus dem Wirbelbett die verfügbare Oberfläche des Abscheidematerials und somit die Abscheiderate sinken.
Der Ultraschallwandler ist so auszurichten, dass sich die Ultraschallwellen zu dem Entgasungsbereich des Hydrozyklons ausbreiten. Dazu kann es vorgesehen sein, dass der Ultraschallwandler Ultraschallwellen radial oder axial nach innen gerichtet in den Entgasungsbereich aussendet. Um dies zu erreichen kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ultraschallwandler radial nach innen gerichtet an der Wandung am Entgasungsbereich oder axial gerichtet an einem der Gasableitung gegenüberliegenden Deckel des Hydrozyklons oder axial gerichtet an der Spitze des ersten oder des zweiten Innenkegels angeordnet ist. Dabei weist insbesondere die Anbringung unmittelbar an der Wandung des Entgasungsbereichs den Vorteil einer kurzen Wegstrecke der Ultraschallwellen durch das Wasser mit einer entsprechend hohen Intensität der Ultraschallwellen im Entgasungsbereich auf. Die axiale Einkopplung bietet den Vorteil, dass die Ultraschallwellen einen größeren Abschnitt des Entgasungsbereichs des Hydrozyklons durchlaufen oder sogar über den gesamten Entgasungsbereich wirksam sind, wodurch eine sehr effiziente Nutzung der Ultraschallwellen zur Entgasung des Wassers sichergestellt ist. Dies wirkt sich positiv auf den zur Erzeugung der Ultraschallwellen erforderlichen Energiebedarf aus.
Der Hydrozyklon erfordert einen Grenzvolumenstrom V_min(h), um eine ausreichende Fließgeschwindigkeit und damit eine ausreichende Druckerniedrigung des Wassers zu erreichen, damit Kohlendioxid ausgast. Das Wirbelbett benötigt ebenfalls einen Grenzvolumenstrom V_min(w), um eine ausreichende Fluidisierung des Abscheidematerials zu erhalten. Der Grenzvolumenstrom V_min(w) des Wirbelbetts ist dabei auf die sich durch Kalkablagerung einstellende maximale Partikelgröße des Abscheidematerials abzustimmen und entspricht üblicherweise nicht dem Grenzvolumenstrom V_min(h) des Hydrozyklons. Um ein Zusammenwachsen der Partikel des Abscheidematerials durch Kalk, wie es bei zu geringer Verwirbelung des Abscheidematerials stattfindet, zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass der Hydrozyklon und das Wirbelbett derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein minimal erforderlicher Grenzvolumenstrom V_min(h) des Wassers durch den Hydrozyklon zur Ausbildung eines zur Entgasung des Wassers ausreichenden Unterdrucks, bei dem der statische Druck des Wassers unter dem Partialdruck von Kohlendioxid liegt, größer ist als ein minimal erforderlicher Grenzvolumenstrom V_min(w) des Wassers durch das Wirbelbett zur Fluidisierung des Abscheidematerials.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Entkalkung von Wasser gemäß Anspruch 11 gelöst. Demgemäß ist es vorgesehen, dass die Fließrichtung des Wassers auf sich spiralförmig verjüngende Bahnen gelenkt wird und dass der Querschnitt der Strömung zu den verjüngten Bahnen hin reduziert wird. Durch den reduzierten Querschnitt der Strömung wird die Fließgeschwindigkeit des Wassers erhöht. Gleichzeitig wird die Rotationsgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) des Wassers durch die verjüngten Bahnen und die erhöhte Fließgeschwindigkeit vergrößert. Die erhöhte Rotationsgeschwindigkeit bewirkt eine Zunahme der Zentrifugalkraft, während durch die erhöhte Fließgeschwindigkeit der statische Druck des Wassers abnimmt und gleichzeitig der dynamische Druck zunimmt. Sinkt der statische Druck des Wassers unter den Partialdruck von Kohlendioxid, gast dieses aus. Dadurch verschiebt sich das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht derart, dass Kalk ausgefällt wird.
Um nach der Entgasung des Wassers den ursprünglichen statischen Druck zumindest annähernd wiederherzustellen, kann es vorgesehen sein, dass im Anschluss an die sich spiralförmig verjüngenden Bahnen die Fließrichtung des Wassers auf sich spiralförmig aufweitende Bahnen gelenkt wird und dass der Querschnitt der Strömung zu den aufgeweiteten Bahnen hin vergrößert wird. Das entgaste Wasser kann so wieder unter Druck in ein Rohrleitungssystem eingespeist werden.
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Wasser in einem Hydrozyklon auf die sich spiralförmig verjüngenden und aufweitenden Bahnen gelenkt wird und dass sich dabei bildendes Gas aus einem Entgasungsbereich abgeführt wird. Der Hydrozyklon kann dabei entlang der Fließrichtung des Wassers aus einem Einlassbereich mit einem tangential angeordneten Zulauf, einem sich kegelförmig verjüngenden Verjüngungsabschnitt, einem Entgasungsbereich, einem sich kegelförmig erweiternden Aufweitungsabschnitt und einem Auslassbereich mit einem tangential angeordneten Ablauf aufgebaut sein. Damit kann sowohl die erforderliche Erhöhung der Fließgeschwindigkeit wie auch der Rotationsgeschwindigkeit erreicht werden, um das CO₂ auszugasen und von dem Wasser zu trennen. Damit stetig neues CO₂ aus dem zugeführten Hartwasser ausgasen kann, wird das bereits gebildete Gas abgeführt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Wasser unmittelbar oder mittelbar anschließend an den Hydrozyklon durch ein Wirbelbett mit einem Abscheidematerial, bevorzugt mit einem Abscheidematerial mit einem trigonalen Kristallgitter, besonders bevorzugt mit einem Abscheidematerial gebildet aus Calcit, Dolomit, Magnesit, Quarz, Korund, Ilmenit oder Hämatit, geleitet wird. In dem Wirbelbett findet die Enthärtung durch Kalkfällung statt. Das vorzugsweise feinkörnige Abscheidematerial ermöglicht die Fluidisierung des Wirbelbetts, indem das Abscheidematerial durch das durchströmende Wasser aufgewirbelt wird. Dabei eignen sich Abscheidematerialien mit einem trigonalen Kristallgitter entsprechend dem des abgeschiedenen Kalks besonders gut, um hohe Abscheidungsraten für Kalk zu erzielen.
In Abhängigkeit von dem Volumen und dem Härtegrad des zu entkalkenden Wassers können große Kalkmengen anfallen. Entsprechende Abschätzungen ergeben, dass sich für einen Vier-Personen-Haushalt jährliche Kalkmengen von 25 Litern ergeben können. Um die Abmessungen des Wirbelbetts, in dem der Kalk abgeschieden wird, klein zu halten, kann es vorgesehen sein, dass in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder in Abhängigkeit von dem Volumen des Abscheidematerials und dem darin abgeschiedenen Kalk ein Teil des Kalks und/oder des Abscheidematerials aus dem Wirbelbett abgeführt wird. Dabei kann der gesteuerte Kalkaustrag in regelmäßigen zeitlichen Abständen einfach umgesetzt werden. Die volumenabhängige Abführung erfordert hingegen eine entsprechend vorzusehende Volumenbestimmung.
Vorteilhaft hierbei ist, dass der Kalkaustrag in Abhängigkeit vom tatsächlichen Kalkaufkommen erfolgt.
Die Entkalkung kann dadurch unterstützt werden, dass in den sich in dem Hydrozyklon ausbildenden Entgasungsbereich und/oder in das Wirbelbett Ultraschallwellen eingekoppelt werden. Durch die Ultraschallwellen wird der statische Druck des Wassers in dem Hydrozyklon periodisch angehoben und gesenkt. Diese Druckänderungen überlagern der Drucksenkung durch die erhöhte Fließgeschwindigkeit des Wassers in dem Hydrozyklon. In Bereichen von Druck-Minima wird der Partialdruck von Kohlendioxid sicher unterschritten, so dass die gewünschte Ausgasung erfolgt.
Durch die Ultraschallwellen im Wirbelbett werden die durch den aufgewachsenen Kalk vergrößerten Körner des Abscheidematerials zerkleinert, so dass die geeignete mittlere Korngröße des Abscheidematerials langfristig beibehalten werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Hydrozyklon in einer ersten Ausführungsform in Seitenansicht,
2 einen Hydrozyklon in einer zweiten Ausführungsform in Seitenansicht,
3 einen Hydrozyklon in einer dritten Ausführungsform in Seitenansicht,
4 einen Hydrozyklon in einer vierten Ausführungsform in Seitenansicht,
5 einen Hydrozyklon in einer fünften Ausführungsform in Seitenansicht,
6 ein Druckverlaufsdiagramm,
7 eine Vorrichtung zur Entkalkung von Wasser und
8 einen Hydrozyklon in einer alternativen Ausführungsform in Seitenansicht.

1 zeigt einen Hydrozyklon 10 in einer ersten Ausführungsform in Seitenansicht. Der Hydrozyklon 10 ist über einen Zulauf 11 mit einem nicht dargestellten Rohrleitungssystem, in welchem zu entkalkendes Wasser geführt ist, verbunden. Der Zulauf 11 mündet tangential in einen zylinderförmigen Einlassbereich 13, welcher den Hydrozyklon 10 auf einer Seite mit einem kreisförmigen eingangsseitigen Deckel 13.1 abschließt. Dem Einlassbereich 13 folgt ein sich kegelförmig im Durchmesser reduzierender Verjüngungsabschnitt 14, welcher in einen Entgasungsbereich 15 übergeht. Der Entgasungsbereich 15 bildet einen konkav geformten Übergang zwischen dem Verjüngungsabschnitt 14 und einem sich kegelförmig aufweitenden Aufweitungsabschnitt 16. Den dem Einlassbereich 13 gegenüberliegenden Abschluss des Hydrozyklons 10 bildet ein ebenfalls zylinderförmiger Auslassbereich 17, an den ein Ablauf 12 tangential angeschlossen ist. Der zylinderförmige Auslassbereich 17 ist auf der dem Aufweitungsabschnitt 16 abgewandten Seite von einem kreisförmigen ausgangsseitigen Deckel 17.1 abgeschlossen. Der Hydrozyklon 10 entspricht somit in seiner Bauform einem Doppeltrichter.
Durch den eingangsseitigen Deckel 13.1 ist eine Gasableitung 18 als offenes Rohr entlang der Mittellängsachse des Hydrozyklons 10 zu dem Entgasungsbereich 15 geführt.
Im Betrieb wird dem Hydrozyklon 10 über den Zulauf 11 unter Druck stehendes Wasser zugeführt. Durch die tangentiale Anordnung des Zulaufs 11 wird das Wasser auf eine kreisförmige Bahn 20 entlang der zylinderförmigen Wandung des Einlassbereichs 13 und von dort über spiralförmige Bahnen 20 von oben nach unten durch den Verjüngungsabschnitt 14 zu dem Entgasungsbereich 15 gelenkt. Durch den kegelförmigen Verjüngungsabschnitt reduzieren sich die Durchmesser der spiralförmigen Bahnen 20 bis zum Entgasungsbereich 15 stetig. Im Anschluss an den Entgasungsbereich 15 werden die spiralförmigen Bahnen 20 entlang des Aufweitungsabschnitts wieder aufgeweitet, bis sie im Auslassbereich 17 wieder den gleichen Durchmesser wie im Einlassbereich 13 aufweisen. Von dem Auslassbereich 17 aus wird das Wasser über den tangential angeordneten Ablauf 12 in eine nachfolgende, in 7 gezeigte Verbindungsleitung 51 geleitet.
Im Entgasungsbereich 15 zeigt die Strömung auf Grund der verjüngten Bahnen 20 und dem reduzierten Durchmesser des Hydrozyklons 10 eine erhöhte Rotations- und Fließgeschwindigkeit. Wegen der hohen Fließgeschwindigkeit im Entgasungsbereich 15 als engstem Bereich des Hydrozyklons 10 sinkt dort der statische Druck des Wassers so weit ab, dass Kohlendioxid (CO₂) in Form von Gasblasen 21 ausgast. Durch die Zentrifugalkraft, verursacht durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit, wird das schwerere Wasser nach außen an die Wand des Hydrozyklons 10 gedrängt und verdrängt dadurch das ausgegaste CO₂ hin zur Mittellängsachse des Hydrozyklons 10. Dort wird es als Gas 22 über die Gasableitung 18 abgeleitet.
Nach dem Entgasungsbereich 15 werden die spiralförmigen Bahnen 20 wieder aufgeweitet, um die in der Strömung enthaltene kinetische Energie wieder als Druck zurückzugewinnen. Die Bauform des Hydrozyklons 10 als Doppeltrichter ermöglicht es so, den statischen Druck zwischenzeitlich so weit abzusenken, dass CO₂ ausgast, und diesen anschließend wieder aufzubauen. Der Hydrozyklon 10 kann somit nahezu ohne Druckverlust von dem Wasser durchströmt und das an CO₂ abgereicherte Wasser über den Ablauf 12 abgeführt werden.
Auf Grund des reduzierten CO₂-Gehalts des Wassers nach dem Hydrozyklon 10 ist das über die Formel Ca²⁺ + 2 HCO₃ ^- ←→ CaCO₃ + H₂O + CO₂ beschriebene Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht zu Gunsten des gefällten Kalks unter Bildung von CO₂ und Wasser verschoben. Der ausgefällte Kalk kann jetzt abgeschieden und damit die Wasserhärte deutlich reduziert werden.
2 zeigt einen Hydrozyklon 10 in einer zweiten Ausführungsform in Seitenansicht. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Aufbau ist der Einlassbereich 13 mit dem Zulauf 11 am unteren Ende des Hydrozyklons 10 angeordnet, so dass das Wasser den Hydrozyklon 10 von unten nach oben durchströmt. Damit das sich bildende Gas 22 dennoch abgeführt werden kann, ist die Gasableitung 18 durch den ausgangsseitigen Deckel 17.1 zu dem Entgasungsbereich 15 geführt. Die Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Hydrozyklon 10 auch bei geringen Volumenströmen nicht leerläuft.
3 zeigt einen Hydrozyklon 10 in einer dritten Ausführungsform in Seitenansicht auf Basis des bereits in 1 gezeigten, von oben nach unten durchströmten Hydrozyklons 10. In Erweiterung der dort gezeigten Bauform sind am eingangsseitigen Deckel 13.1 ein erster Innenkegel 13.2 und am ausgangsseitigen Deckel 17.1 ein zweiter Innenkegel 17.2 angebracht. Beide Innenkegel 13.2, 17.2 sind entlang der Mittellängsachse des Hydrozyklons 10 mit ihren Spitzen zum Entgasungsbereich 15 hin ausgerichtet. Dabei ist die Gasableitung 18 entlang der Mittenlängsachse durch den ersten Innenkegel 13.2 zu dem Entgasungsbereich 15 geführt.
Die Innenkegel 13.2, 17.2 verteilen die Strömung nach außen. Durch den ersten Innenkegel 13.2 wird eine Aufweitung des Strömungsquerschnittes und damit eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mit einer damit verbundenen Erhöhung des statischen Drucks nach dem Zulauf in den Hydrozyklon 10 vermieden. Der erste Innenkegel 13.2 zwingt das Wasser auf eine sich spiralförmig verjüngende Bahn 20. Der zweite Innenkegel 17.2 bildet ebenfalls einen Ringraum aus. Dies führt zu einer verbesserten Auslenkung des Wassers bei gleichzeitig hoher statischer Druckausbildung zum Ablauf 12 des Hydrozyklons 10 hin.
4 zeigt in Erweiterung der in 3 gezeigten Ausführungsform einen Hydrozyklon 10 in einer vierten Ausführungsform in Seitenansicht. An der Spitze des zweiten Innenkegels 17.2 ist dabei ein Ultraschallgeber 30 mit einer zugehörigen Signalleitung 31 angeordnet. Der Ultraschallgeber 30 wird über die Signalleitung 31 angesteuert. Er ist an der Spitze des zweiten Innenkegels 17.2 unmittelbar an die Wandung des Hydrozyklons 10 angekoppelt, so dass von ihm erzeugte Ultraschallwellen 23 in das in dem Hydrozyklon 10 geführte Wasser eingekoppelt werden. Der Ultraschallgeber 30 ist dabei so ausgerichtet, dass sich die Ultraschallwellen 23 entlang der Mittellängsachse des Hydrozyklons 10 in den Entgasungsbereich 15 ausbreiten, wie dies durch die Abfolge horizontal verlaufender Striche angedeutet ist.
Die Ultraschallwellen 23 bilden entlang ihrer Ausbreitungsrichtung periodisch wechselnde Bereiche mit hohem und niedrigem statischem Druck aus. Diese Druckänderungen überlagern sich mit dem jeweils herrschenden Druck entlang ihrer Ausbreitungsrichtung. Im Entgasungsbereich 15 mit dem dort vorliegenden niedrigen statischen Druck des schnell strömenden Wassers wird in Bereichen der Druck-Minima der Ultraschallwellen 23, wie sie in 6 gezeigt sind, der Partialdruck von CO₂ deutlich unterschritten, so dass es zur verstärkten Ausgasung von CO₂ kommt. Durch die Einkopplung der Ultraschallwellen 23 kann somit die Ausgasung von CO₂ unterstützt werden. Vorteilhaft bei der gezeigten axialen Einkopplung ist, dass die Ultraschallwellen den gesamten Entgasungsbereich 15 durchlaufen. Dabei kann auch in Bereichen, in denen der auf Grund der Fließgeschwindigkeit des Wassers reduzierte statische Druck noch nicht ausreichend niedrig ist, um CO₂ auszugasen, lokal der Partialdruck des CO₂ unterschritten werden, so dass es auch hier schon zur CO₂-Ausgasung kommt. Der Entgasungsbereich wird somit durch die Ultraschalleinkopplung hin zu dem Verjüngungsabschnitt 14 und dem Aufweitungsabschnitt 16 ausgedehnt.
5 zeigt einen Hydrozyklon 10 in einer fünften Ausführungsform in Seitenansicht. Im Gegensatz zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallgeber 30 radial nach innen ausgerichtet am Außenumfang des Entgasungsbereichs 15 des Hydrozyklons 10 angeordnet und dort fest mit dessen Wandung verbunden. Die Ultraschallwellen 23 werden somit quer zur Mittellängsachse des Hydrozyklons 10 in den Entgasungsbereich 15 eingekoppelt.
Durch die Anordnung des Ultraschallgebers 30 reduziert sich der Laufweg der Ultraschallwellen 23 in dem zu entgasenden Wasser gegenüber dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, so dass eine hohe Intensität der Ultraschallwellen 23 im Entgasungsbereich 15 mit hohen Druckunterschieden erreicht werden kann.
6 zeigt in einem Druckverlaufsdiagramm den Druckverlauf 42, bewirkt durch die in den 4 und 5 gezeigten Ultraschallwellen 23, an einem beliebigen Punkt des Entgasungsbereichs 15 in seiner zeitlichen Abfolge. Der Druckverlauf 42 ist dazu gegenüber einer Druckachse 40 und einer Zeitachse 41 dargestellt. Der periodische Wechsel des Drucks ist durch die zeitliche Abfolge der sich ausbildenden Druck-Minima 46 und Druck-Maxima 47 dargestellt. Ein mittlerer Druck 43 und ein Partialdruck 44 von CO₂ sind als gestrichelte Linien markiert. Der dargestellte wechselnde Druckverlauf 42 stellt die Überlagerung des sich auf Grund der Fließgeschwindigkeit des Wassers einstellenden statischen Drucks des Wassers mit den durch die Ultraschallwellen 23 eingebrachten Druckschwankungen dar.
Wie aus dem Druckverlaufsdiagramm ersichtlich, unterschreitet der Druck im Bereich der Druck-Minima 46 den Partialdruck 44 von CO₂ deutlich. Während so gebildeter Entgasungsphasen 45, in denen der Druck niedriger als der Partialdruck 44 von CO₂ ist, gast Kohlendioxid verstärkt aus.
7 zeigt eine Vorrichtung zur Entkalkung von Wasser. Hartwasser 24 wird über eine Zuleitung 50 einem in 1 detailliert beschriebenen Hydrozyklon 10 zugeführt, wobei ein Gas 22 aus dem Hydrozyklon 10 entweicht. Im Anschluss an den Hydrozyklon 10 wird das Wasser über eine Verbindungsleitung 51 einem Wirbelbett 60 zugeführt.
Das Wirbelbett 60 besteht aus einem Gehäuse 66, dem das von dem Hydrozyklon 10 ankommende Wasser über einen am unteren Boden des Gehäuses 66 eingeführten eingangsseitigen Zulauf 61 zugeführt wird. In dem Gehäuse 66 ist ein Abscheidematerial 63 zwischen einem Einlaufsieb 62 und einem Auslaufsieb 64 gehalten. Am oberen Ende des Gehäuses 66 führt ein ausgangsseitiger Ablauf 65 zu einer Ablaufleitung 52, über welche enthärtetes Wasser 25 das Wirbelbett 60 verlässt.
An dem Wirbelbett 60 ist weiterhin eine Abwasserleitung 53 mit einem in der Abwasserleitung 53 vorgesehenen Ventil 54 angebracht, über welche Abwasser 26 aus dem Wirbelbett 60 abgeführt werden kann.
Das Hartwasser 24 wird dem Hydrozyklon 10, wie zu 1 beschrieben, zugeführt und entgast. Dabei wird insbesondere Kohlendioxid aus dem Hartwasser entfernt. Das entstandene Gas 22 wird abgeleitet.
Das so in seinem Kohlendioxidgehalt reduzierte Wasser wird dem Wirbelbett 60 zugeleitet.
Um physikalisch die Härte bildenden Magnesium- und Kalziumionen aus Wasser zu entfernen, ist deren kontrollierte Abscheidung auf Abscheidematerialien 63 in Form ihrer Karbonate eine geeignete Methode. Magnesiumkarbonat (MgCO₃) und Kalziumkarbonat (CaCO₃) sind in Wasser kaum löslich, werden aber in Anwesenheit von Kohlensäure (H₂CO₃) in ihre wesentlich besser löslichen Hydrogenkarbonate (Mg(HCO₃)₂ bzw. Ca(HCO₃)₂) überführt. Kohlensäure entsteht, wenn CO₂ in Wasser gelöst wird. Allerdings reagiert nur ein kleiner Teil des CO₂ mit Wasser zu H₂CO₃; der größte Teil liegt als physikalisch gelöstes Gas vor.
Für gelöstes CO₂ und Kohlensäure stellt sich ein Gleichgewicht ein, dessen Verhältnis vom pH-Wert, der Temperatur und der Gesamtmenge an CO₂ abhängt. Steigt beispielsweise der pH-Wert des Wassers, gibt die vorhandene Kohlensäure leichter Protonen ab und wird durch gelöstes CO₂ neu gebildet. Gleichzeitig steigt die Konzentration von CaCO₃.
In Deutschland befindet sich das von einem Wasserwerk gelieferte Wasser laut Trinkwasserverordnung im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. Das bedeutet, dass die Menge des gelösten Kohlendioxids gerade der Menge Kohlensäure entspricht, die benötigt wird, um die Carbonate der Härtebildner in Hydrogencarbonate umzuwandeln. Tatsächlich hat das Wasser aus dem Wasserwerk ein kleines Kalkabscheidepotential, da eine kleine Kalk-Deckschicht in Metallrohren Korrosion vermeidet. Dieses erwünschte Kalkabscheidepotential reicht jedoch nicht aus, um die komplette oder den größten Teil der Karbonathärte aus dem Wasser auszufällen.
Durch das Ausgasen von CO₂ in dem Hydrozyklon 10 wird das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht des behandelten Wassers derart gestört, dass die vormals an Hydrogenkarbonat gebundenen Härtebildner als übersättigte Karbonatlösung vorliegen. Diese wird in dem Wirbelbett 60 dem in Sandform vorliegenden Abscheidematerial 63 zugeführt, an dem sich die übersättigten Karbonate abscheiden.
Dabei durchströmt das Wasser das Abscheidematerial 63 von unten nach oben, wobei das Volumen, in dem sich der Sand bewegen kann, am Ein- und Austritt von einem Einlaufsieb 62 und einem Auslaufsieb 64 begrenzt wird. Das Abscheidematerial 63 wird dabei aufgewirbelt, wodurch sich eine große Oberfläche bildet, an der sich der Kalk abscheiden kann. Gleichzeitig wird durch das Verwirbeln ab einer Grenzgeschwindigkeit der Wasserströmung sichergestellt, dass die Körner des Abscheidematerials 63 nicht zusammenwachsen.
Durchströmt das Wasser den Hydrozyklon 10 schnell genug, um entgast zu werden, aber das Wirbelbett 60 zu langsam, um das Abscheidematerial 63 aufzuwirbeln, besteht die Gefahr, dass die Körner des Abscheidematerials 63 durch den angelagerten Kalk zusammenwachsen und damit das Wirbelbett 60 verstopfen. Daher sind der Hydrozyklon 10 und das Wirbelbett 60 derart aufeinander abzustimmen, dass ein minimal erforderlicher Grenzvolumenstrom V_min(h) des Wassers durch den Hydrozyklon 10 zur Ausbildung eines zur Entgasung des Wassers ausreichenden Unterdrucks größer ist als ein minimal erforderlicher Grenzvolumenstrom V_min(w) des Wassers durch das Wirbelbett 60, um das Abscheidematerial 63 ausreichend zu verwirbeln.
Mit steigender Betriebsdauer lagert sich immer mehr Kalk an dem Abscheidematerial 63 an, wodurch die Sandmasse ansteigt. Damit wächst auch der erforderliche Grenzvolumenstrom V_min(w) des Wassers durch das Wirbelbett 60. Das Wirbelbett 60 ist daher so auszulegen, dass mit der größten im Betrieb vorkommenden Sandmasse die Bedingungen V_min(h) > V_min(w) erfüllt ist.
Dabei sind die Grenzvolumenströme durch geeignete Ausführung des Hydrozyklons 10 und des Wirbelbetts 60 vorzugsweise so zu legen, dass bei einem Volumenstrom, ab dem ein Durchlauferhitzer Wasser erhitzt, bereits geeignete Bedingungen zur Enthärtung des Hartwassers 24 vorliegen.
Ist der Volumenstrom durch das Wirbelbett 60 zu hoch, wird das Abscheidematerial 63 an das oben angeordnete Auslaufsieb 64 gedrückt und verringert somit die effektive Querschnittsfläche. Durch den dadurch ansteigenden Druckverlust wird die Durchflussgeschwindigkeit nach oben hin begrenzt. Um diesen Effekt zu verringern und die maximale Durchflussgeschwindigkeit zu vergrößern wird das Auslaufsieb 64 daher möglichst groß gewählt, so dass der Druckverlust in einem zulässigen Bereich verbleibt.
In einem mittleren Bereich des Volumenstroms wird das Abscheidematerial 63 fluidisiert. Dabei wird das sandförmige Abscheidematerial 63 durch die Strömung aufgelockert und bewegt sich flüssigkeitsähnlich, während das Wasser das Abscheidematerial 63 in Blasen durchströmt (Wirbelschicht). In diesem Betriebszustand wird die maximale Oberfläche zwischen dem Abscheidematerial 63 und dem Wasser sowie der geringste Druckverlust erreicht, was zu einer hohen Abscheiderate für den anzulagernden Kalk führt. Das Wirbelbett 63 ist daher so auszulegen, dass es sich in dem am häufigsten genutzten Durchflussbereich in diesem Betriebszustand befindet.
Je nach Härtegrad und Volumenaufkommen des zu entkalkenden Hartwassers 24 können in dem Wirbelbett 63 große Mengen an Kalk anfallen. So ergeben Abschätzungen für einen Vier-Personen-Haushalt ein realistisches Kalkvolumen von jährlich 25 Litern. Daher muss der anfallende Kalk aus dem Wirbelbett 60 regelmäßig über die dafür vorgesehene Abwasserleitung 53 abgeführt werden. Dazu wird durch Öffnen des Ventils 54 Abwasser 26, welches ausgefällten Kalk mit sich führt, aus dem Wirbelbett 60 abgelassen.
Um die Abscheideoberfläche des Abscheidematerials 63 und damit die Abscheiderate möglichst groß zu halten, müssen die Körner des Abscheidematerials 63 möglichst klein sein. Dabei ist die minimale Korngröße durch die Maschenweite des Einlaufsiebs 62 und des Auslaufsiebs 64 begrenzt. Der Forderung nach kleinen Korngrößen wirkt die Anlagerung von Kalk entgegen. Durch regelmäßiges Abführen des Kalks mit dem Abwasser 26, bei dem auch Teile des ursprünglichen Abscheidematerials 63 mit ausgeschwemmt werden, kann das Gesamtvolumen des Abscheidematerials 63 konstant gehalten werden, wobei jedoch durch die steigende Partikelgröße die Abscheideoberfläche kleiner wird. Weiterhin erfolgt die Fluidisierung des Abscheidematerials 63 bei steigender Partikelgröße und damit steigender Partikelmasse erst ab immer größeren Volumenströmen. Um dem entgegenzuwirken, müssen die durch Kalk aufgewachsenen Partikel zerkleinert werden. Dies kann durch eine regelmäßige Beaufschlagung des Abscheidematerials 63 mit Ultraschall oder durch Optimierung der Wirbelbettströmung derart, dass größere Partikel aneinander reiben, erreicht werden. Auf diese Weise kann die gewünschte mittlere Partikelgröße dauerhaft bestehen bleiben. Eine nicht dargestellte elektronische Steuerung, welche das Kalkvolumen in dem Wirbelbett 63 misst, lässt das gebildete Kalkvolumen durch entsprechende Ansteuerung des Ventils 54 über die Abwasserleitung 53 abfließen.
Um eine hohe Abscheiderate zu erreichen, ist ein geeignetes Abscheidematerial 63 vorzusehen. Vorteilhaft wird Kalk als Calcit abgeschieden. Dabei ist darauf zu achten, dass möglichst kein oder nur wenig Kalk als Aragonit abgeschieden wird, da dieses sich im nicht durchflossenen Ruhezustand des Wirbelbetts 63 in das energetisch günstigere Calcit umwandelt, wodurch die nicht bewegten Partikel des Abscheidematerials 63 zusammenwachsen können.
Eine hohe Abscheiderate wird erreicht, wenn Abscheidematerialien 63 mit einem trigonalen Kristallgitter, wie dieses auch bei dem abgeschiedenen Calcit vorliegt, verwendet werden. Besonders vorteilhaft wird dabei Calcit (CaCO₃) selbst oder Quarz (SiO₂) verwendet. Alternativ können auch Magnesit (MgCO₃), Dolomit (CaMg(CO₃)₂), Korund (Al₂O₃), Ilmenit (FeTiO₃) oder Hämatit (Fe₂O₃) eingesetzt werden. Die Verwendung von Calcit als Abscheidematerial 63 hat den Vorteil, dass beim Ableiten des abgeschiedenen Kalks kein Fremdmaterial verloren geht.
8 zeigt einen Hydrozyklon 10 in einer alternativen Ausführungsform in Seitenansicht. Abweichend zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind dem Einlassbereich 13 zwei Zuläufe 11, 11.1, über die dem Hydrozyklon Hartwasser zugeführt wird, und dem Auslaufbereich 17 zwei Abläufe 12, 12.1, über die das entgaste Wasser abgeführt wird, zugeordnet. Der Hydrozyklon 10 ist als eine in seiner Außenkontur zylinderförmige Baueinheit ausgeführt, wobei die Wasserführung durch eine innere Formgebung der aufeinanderfolgenden Abschnitte und Bereiche des Hydrozyklons erfolgt. Dem ringförmigen Einlassbereich 13 folgt in Strömungsrichtung des Wassers der sich entlang einer konvexen Kurve in seinem Durchmesser reduzierende Verjüngungsabschnitt 14, gefolgt von dem ebenfalls konvex ausgebildeten Entgasungsbereich 15, welcher den Bereich mit dem geringsten Durchmesser des Hydrozyklons 10 ausbildet, und dem nachfolgenden, sich einer ebenfalls konvexen Kurve in seinem Durchmesser erweiternden Aufweitungsabschnitt 16. Verjüngungsabschnitt 14, Entgasungsbereich 15 und Aufweitungsabschnitt 16 bilden somit eine durchgängige Oberfläche in der Form einer um die Mittelachse des Hydrozyklons 10 rotierenden, konvexen Kurve. Dem Aufweitungsabschnitt 16 folgt der entsprechend dem Einlassbereich 13 ringförmig ausgebildete Auslassbereich 17. Die Übergänge von dem Einlassbereich 13 zu dem Verjüngungsabschnitt 14 und von dem Aufweitungsabschnitt 16 zu dem Auslassbereich 17 sind abgerundet.
Dem eingangsseitigen Deckel 13.1 ist der erste Innenkegel 13.2 zugeordnet, der in seiner Kontur beabstandet der inneren Kontur des Einlassbereichs 13 und des Verjüngungsabschnitts 14 bis hin zum Entgasungsbereich 15 folgt. Entsprechend ist dem ausgangsseitigen Deckel 17.1 ein zweiter Innenkegel 17.2 zugeordnet, der in seiner Kontur beabstandet der inneren Kontur des Auslassbereichs 17 und des Aufweitungsabschnitts 16 bis hin zum Entgasungsbereich 15 folgt. Der erste und der zweite Innenkegel 13.2, 17.2 sind baugleich ausgeführt und weisen beide einen zentralen Durchlass als Gasableitung 18 auf, der jeweils in eine entsprechende Bohrung in dem eingangsseitigen beziehungsweise ausgangsseitigen Deckel 13.1, 17.1 mündet. An den Bohrungen der Deckel 13.1, 17.1 sind Innengewinde 13.3, 17.3 angebracht. In das an dem eingangsseitigen Deckel 13.1 angebrachte erste Innengewinde 13.3 ist ein Verschluss 13.4 eingeschraubt, welcher die Bohrung und damit die Gasableitung 18 auf dieser Seite des Hydrozyklons verschließt.
Das über die beiden Zuläufe 11, 11.1 zugeführte Wasser strömt in sich spiralförmig verjüngenden Bahnen 20 zu dem Entgasungsbereich 15, in dessen Zentrum sich auf Grund der beschriebenen Ausgasung eine stabile Gasblase 27 ausbildet, aus der sich Gasblasen 21 lösen und über die Gasableitung 18 entweichen. Das so abgeführte Gas 22 kann über eine nicht dargestellte Rohrverbindung, welche auf das zweite Innengewinde 17.3 geschraubt ist, entweichen. Das Wasser strömt dann auf sich spiralförmig aufweitenden Bahnen 20 zum Auslassbereich 17, von wo es über die beiden Abläufe 12, 12.1 abfließt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen der Einlassbereich 13 und der Auslassbereich 17 einen inneren Durchmesser von 120mm auf, während der kleinste Durchmesser im Entgasungsbereich 15 24,4mm beträgt. Die Innenkegel 13.2, 17.2 haben einen maximalen Durchmesser von 95mm. Die Zuläufe 11, 11.1 und die Abläufe 12, 12.1 sind als G 3/8" Anschlüsse ausgeführt, um eine einfache Verbindung zu einem Rohrleitungsnetz herstellen zu können. Bedingt durch die zwei vorgesehenen Zuläufe 11, 11.1 und Abläufe 12, 12.1 wird ein ausreichender Volumenstrom des durch den Hydrozyklon 10 geleiteten Wassers ermöglicht. Die inneren Oberflächen des Hydrozyklons 10 sind poliert, um Verwirbelungen in der Wasserströmung möglichst zu vermeiden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Zuläufe 11, 11.1 sowie zwei Abläufe 12, 12.1 vorhanden. Selbstverständlich können auch mehrere, insbesondere 3 und/oder 4 Zu- und/oder Abläufe 11, 11.1 - 12, 12.1 vorgesehen sein.
Dem Hydrozyklon 10 wird Hartwasser mit einem Leitungsdruck von 4 bar zugeführt. Bei einem Nenndurchsatz des Hydrozyklons 10 von 2,9 I/s tritt bei 4bar die gewünschte Kavitation auf. Dabei wird die Ausbildung der Kavitation durch die Drehimpulsverteilung nach innen in der Verengung des Hydrozyklons 10 begünstigt.
In einer ergänzenden Variante der in 8 gezeigten Ausführung kann in dem Verschluss 13.4 oder an Stelle des Verschlusses 13.4 ein Ultraschallgeber 30 vorgesehen sein, welcher Ultraschallwellen 23 in den Entgasungsbereich 15 aussendet.
A 21775 Bezugszeichen

10: Hydrozyklon
11: Zulauf
11.1: zweiter Zulauf
12: Ablauf
12.1: zweiter Ablauf
13: Einlassbereich
13.1: eingangsseitiger Deckel
13.2: erster Innenkegel
13.3: erstes Innengewinde
13.4: zweites Innengewinde
14: Verjüngungsabschnitt
15: Entgasungsbereich
16: Aufweitungsabschnitt
17: Auslassbereich
17.1: ausgangsseitiger Deckel
17.2: zweiter Innenkegel
18: Gasableitung
20: spiralförmige Bahnen
21: Gasblasen
22: Gas
23: Ultraschallwellen
24: Hartwasser
25: enthärtetes Wasser
26: Abwasser
27: stabile Gasblase
30: Ultraschallgeber
31: Signalleitung
40: Druckachse
41: Zeitachse
42: Druckverlauf
43: Mittlerer Druck
44: Partialdruck CO2
45: Entgasungsphase
50: Zuleitung
51: Verbindungsleitung
52: Ablaufleitung
53: Abwasserleitung
54: Ventil
60: Wirbelbett
61: eingangsseitiger Zulauf
62: Einlaufsieb
63: Abscheidematerial
64: Auslaufsieb
65: ausgangsseitiger Ablauf
66: Gehäuse

Claims

Entkalkungsvorrichtung zur Entkalkung von in einem Rohrleitungssystem unter Druck geführtem Wasser durch Reduzierung des Kohlendioxidgehalts des Wassers und Abscheiden des ausfallenden Kalks mit einem Hydrozyklon (10) und einem Wirbelbett (60), wobei dem Hydrozyklon Wasser mit einer Zuleitung (50) zugeführt wird, wobei der Hydrozyklon (10) mit dem Wirbelbett (60) über eine Verbindungsleitung (51) verbunden ist, wobei das Wirbelbett (60) in Strömungsrichtung des Wassers nach dem Hydrozyklon (10) angeordnet ist, wobei das Wasser über einen Zulauf (11, 11.1) dem Hydrozyklon (10) zugeführt wird, wobei das Wasser darin auf einer sich spiralförmig verjüngenden Bahn (20) von einem Einlassbereich (13) mit einem großen Durchmesser zu einem Entgasungsbereich (15) mit einem kleinen Durchmesser des Hydrozyklons (10) derart geführt wird, dass sich die Fließgeschwindigkeit des Wassers hin zum Entgasungsbereich (15) kontinuierlich derart erhöht, dass der statische Druck des Wassers im Entgasungsbereich (15) unter dem Partialdruck von Kohlendioxid liegt und dieses ausgast.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrozyklon (10) durch einen dem Einlassbreich (13) nachfolgenden Verjüngungsabschnitt (14) mit einem sich kontinuierlich, insbesondere kegelförmig, verjüngenden Durchmesser, den an den Verjüngungsabschnitt (14) mittelbar oder unmittelbar anschließenden Entgasungsbereich (15), einen dem Entgasungsbereich (15) nachfolgenden Aufweitungsabschnitt (16) mit einem sich, insbesondere kontinuierlich, bevorzugt kegelförmig, aufweitenden Durchmesser und einen den Aufweitungsabschnitt (16) mittelbar oder unmittelbar abschließenden Auslassbereich (17) mit einem daran angeordneten Ablauf (12, 12.1) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verjüngungsabschnitt (14) und/oder dem Aufweitungsabschnitt (16) des Hydrozyklons (10) eine Gasableitung (18) aus dem Entgasungsbereich (15) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum des Hydrozyklons (10), ausgehend von dem Einlassbereich (13), ein sich in Richtung des Entgasungsbereichs (15) verjüngender erster Innenkegel (13.2) angeordnet ist und/oder dass, ausgehend von dem Auslassbereich (17), ein sich in Richtung des Entgasungsbereichs (15) verjüngender zweiter Innenkegel (17.2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innenkegel (13.2) oder der zweite Innenkegel (17.2) zumindest einen Abschnitt der Gasableitung (18) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelbett (60) mit einem feinkörnigen Abscheidematerial (63) mit einem trigonalen Kristallgitter, insbesondere gebildet aus Calcit, Dolomit, Magnesit, Quarz, Korund, Ilmenit oder Hämatit, gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wirbelbett (60) ein eingangsseitiger Zulauf (61) zur Zuführung des Wassers und ein ausgangsseitiger Ablauf (65) zur Abführung des Wassers zugeordnet ist und dass der Querschnitt des eingangsseitigen Zulaufs (61) kleiner ist als der Querschnitt des ausgangsseitigen Ablaufs (65).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hydrozyklon (10) ein Ultraschallwandler (30) zur Einkopplung von Ultraschallwellen (23) in den Entgasungsbereich (15) des Hydrozyklons (10) zugeordnet ist und/oder dass dem Wirbelbett (60) ein Ultraschallgeber (30) zur Beaufschlagung des Abscheidematerials (63) mit Ultraschallwellen (23) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (30) Ultraschallwellen (23) radial oder axial nach innen gerichtet in den Entgasungsbereich (15) aussendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrozyklon (10) und das Wirbelbett (60) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein minimal erforderlicher Grenzvolumenstrom V_min(h) des Wassers durch den Hydrozyklon (10) zur Ausbildung eines zur Entgasung des Wassers ausreichenden Unterdrucks, bei dem der statische Druck des Wassers unter dem Partialdruck von Kohlendioxid liegt, größer ist als ein minimal erforderlicher Grenzvolumenstrom V_min(w) des Wassers durch das Wirbelbett (60) zur Fluidisierung des Abscheidematerials (63).
Verfahren zur Entkalkung von strömendem Wasser durch Reduzierung des Kohlendioxidgehalts des Wassers und Abscheiden des ausfallenden Kalks, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließrichtung des Wassers in einem Hydrozyklon (10) auf sich spiralförmig verjüngende Bahnen (20) gelenkt wird und dass der Querschnitt der Strömung zu den verjüngten Bahnen (20) hin reduziert wird, dass das Wasser über einen Zulauf (11) dem Hydrozyklon (10) zugeführt wird, dass das Wasser darin auf der sich spiralförmig verjüngenden Bahn (20) von einem Einlassbereich (13) mit einem großen Durchmesser zu einem Entgasungsbereich (15) mit einem kleinen Durchmesser des Hydrozyklons (10) derart geführt wird, dass die Fließgeschwindigkeit des Wassers hin zum Entgasungsbereich (15) kontinuierlich derart erhöht wird, dass der statische Druck des Wassers im Entgasungsbereich (15) unter dem Partialdruck von Kohlendioxid liegt und dieses ausgast, und dass das Wasser unmittelbar oder mittelbar anschließend an den Hydrozyklon (10) durch ein Wirbelbett (60) mit einem Abscheidematerial (63) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die sich spiralförmig verjüngenden Bahnen (20) die Fließrichtung des Wassers auf sich spiralförmig aufweitende Bahnen (20) gelenkt wird und dass der Querschnitt der Strömung zu den aufgeweiteten Bahnen (20) hin vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidematerial (63) aus einem Abscheidematerial mit einem trigonalen Kristallgitter, bevorzugt aus einem Abscheidematerial gebildet aus Calcit, Dolomit, Magnesit, Quarz, Korund, Ilmenit oder Hämatit, gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder in Abhängigkeit von dem Volumen des Abscheidematerials (63) und dem darin abgeschiedenen Kalk ein Teil des Kalks und/oder des Abscheidematerials (63) aus dem Wirbelbett (60) abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den sich in dem Hydrozyklon (10) ausbildenden Entgasungsbereich (15) und/oder in das Wirbelbett (60) Ultraschallwellen (23) eingekoppelt werden.