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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser, insbesondere zum Trennen oder Abscheiden von in entspanntem und kondensiertem Wasserdampf eines Dampfmotors gebundenem Öl, ein Verfahren zum Trennen von Öl und Wasser sowie eine die genannte Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser aufweisende Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.
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Hintergrund
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Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) haben sich bereits seit längerer Zeit als vorteilhafte Alternative zur herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Stromkraftwerk etabliert. KWK-Anlagen werden zur Gewinnung von elektrischer Energie und der Gewinnung von Nutzwärme genutzt, insbesondere werden KWK-Anlagen vorzugweise am Ort oder in der Nähe der Nutzwärmesenke betrieben. Als Antrieb für den Stromerzeuger können zum Beispiel Verbrennungsmotoren, wie Diesel- oder Ottomotoren, Stirlingmotoren, Dampfmotoren, Brennkraftturbinen oder Dampfmaschinen verwendet werden.
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Hinsichtlich KWK-Anlagen hat in jüngster Zeit insbesondere die Verwendung von Dampfmotoren an Interesse gewonnen. Dies liegt vorrangig an dem erzielbaren hohen Gesamtwirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Schadstoffausstoß und der fast freien Wahl des flüssigen oder festen Brennstoffs, wie beispielsweise Holz, Pellets, Biogas oder Biomasse. Der hohe Wirkungsgrad kann durch Dampfdrücke von 40 bar bis 150 bar und Dampftemperaturen von ca. 300 bis 600 °C erzielt werden. Dampfmotoren finden aufgrund der genannten Vorteile auch Anwendung in kleineren Anlagen zur Biomasseverstromung, Abwärmeverstromungsanlagen, Abfallverbrennungsanlagen und thermischen Nachverbrennungsanlagen.
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Bekannte Dampfmotoren, wie beispielsweise der in
WO 2016/146159 A1 beschriebene, welche insbesondere für die Stromerzeugung verwendet werden weisen jedoch den Nachteil auf, dass zum Beispiel beim Kaltstart eine relativ hohe Undichtigkeit auftritt. Dies liegt insbesondere daran, dass der in den Dampfmotor eingespritzte Wasserdampf (Heißdampf bzw. Frischdampf) mit einem Druck von 40 bar bis 150 bar in relativ kurzer Zeit in den Kolbenraum eingespritzt wird und dort lange wirkt, was eine hohe Anforderung an die Kolbenringdichtung, welche den Wasserdampf vom Schmieröl im Kurbelwellenraum bzw. in der Ölwanne trennt, stellt.
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Um dem entgegenzuwirken wird beispielsweise einem Dampfmotor mit vier Zylindern ca. 1 Liter Öl pro Minute zur Feinabdichtung des Motors und zur Unterdrückung eines „Blow-By-Effekts“, der ansonsten aufgrund des hohen Wasserdampfdrucks entstehen würde, zugeführt. Dabei wird das Öl zwischen Kolben und Zylinderwand eingebracht. Aufgrund der Reduktion des Drucks im Kolbenraum auf ca. 0,15 bar, entsteht eine starke Sogleistung, so dass sich das i zur Feinabdichtung eingespritzte Öl mit dem entspannten Wasserdampf vermischt und mit diesem ausgestoßen wird.
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Dem Dampfmotor ist im Allgemeinen ein Kondensator nachgeschaltet, welcher den Wasserdampf kondensiert und einer Zirkulationspumpe, insbesondere einer Kolbenpumpe, zuführt, welche das kondensierte Wasser, in dem wie vorher beschreiben ein großer Anteil an Öl enthalten sein kann, einem Speisewassertank zuführt, um das kondensierte Wasser für einen Dampferzeuger für die Erzeugung des benötigten Heißdampfs bzw. Frischdampfs für den Betrieb des Dampfmotors bereitzustellen. Da das in dem kondensierten Wasser enthaltene Öl jedoch zu einer Degeneration des Wassers und aufgrund der hohen Temperatur im Dampferzeuger, insbesondere des erzeugten Heißdampfs, zu unerwünschten Ablagerungen führen kann, ist es notwendig, das Öl mittels eines Ölabscheiders vom kondensierten Wasser zu trennen. Deswegen wird in der Regel zischen Kondensator und Speisewassertank ein Ölabscheider bzw. eine Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser vorgesehen. Dies ist auch notwendig, um die großen Mengen an Öl, welche in dem kondensierten Wasserdampf enthalten sind, wieder zurückzugewinnen und diese wieder dem Dampfmotor zuführen zu können.
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Herkömmlich werden hierzu Zentrifugalabscheider verwendet, welche jedoch aufgrund des großen Temperaturbereichs der KWK-Anlage, insbesondere des Öls, und der damit verbundenen schwankenden Viskosität des Öls sowie dem schwankenden Anteil an Öl in dem Wasser keine zufriedenstellende Trenn- bzw. Abscheidungsleistung über den gesamten Betriebsbereich der KWK-Anlage bereitstellen. Dies kann beispielsweise zu Lagerschäden führen, wenn aufgrund des hohen Wasseranteils im Öl ein notwendiger Öldruck nicht erreicht werden kann.
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Gegenstand der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser, ein Verfahren zum Trennen von Öl und Wasser sowie eine die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser aufweisende Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zu schaffen, die es ermöglichen, unabhängig von einer Temperatur eines ÖL-Wasser-Gemischs und der damit verbundene Viskosität des Öls und unabhängig von einem Anteil des in dem Wasser enthaltenen Öls eine effektive Trennung bzw. Abscheidung des Öls vom Wasser zu erzielen. Ferner soll die Trennung von Öl und Wasser äußerst energiesparend erfolgen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Trennen von Öl und Wasser nach Anspruch 12. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben, wobei der Gegenstand der die Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser betreffenden Ansprüche im Rahmen des Verfahrens zum Trennen von Öl und Wasser zum Einsatz kommen kann und umgekehrt.
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Hierbei ist einer der Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung, dass ein Öl-Wasser-Gemisch gegen die Schwerkraft in ein Gehäuse bzw. einen Behälter eingeleitet wird, und während einer Aufwärtsströmung des in das Gehäuse bzw. in den Behälter eingeleitenden Öl-Wasser-Gemischs die indizierte Strömung mittels einer Strömungsbremse zumindest teilweise abgebremst wird, um eine Verweildauer des Öl-Wasser-Gemischs in dem Gehäuse bzw. in dem Behälter zu verlängern, womit mehr Zeit zur Trennung oder Abscheidung des Öls geschaffen wird.
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Auf diese Weise wird es ermöglicht, unabhängig von einer Temperatur eines ÖL-Wasser-Gemischs und der damit verbundenen Viskosität des Öls und unabhängig von einem Anteil des in dem Wasser enthaltenen Öls eine effektive Trennung bzw. Abscheidung des Öls vom Wasser zu erzielen. Ferner, da auf eine Zentrifuge wie bei den herkömmlichen Zentrifugalabscheidern verzichtet werden kann und die Trennung bzw. die Abscheidung lediglich durch die Schwerkraft erzielt wird, kann eine äußerst energiesparende Trennvorrichtung bereitgestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt weist eine Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser, insbesondere zum Trennen oder Abscheiden von in entspanntem und kondensiertem Wasserdampf eines Dampfmotors enthaltenem Öl, auf: ein Gehäuse, aufweisend: einen Einlass, um ein Öl-Wasser-Gemisch in das Gehäuse einleiten zu können, einen Öl-Auslass, um getrenntes oder abgeschiedenes Öl aus dem Gehäuse ausleiten zu können, und einen Wasser-Auslass, um Wasser (bzw. gereinigtes oder weitgehend ölfreies Wasser) aus dem Gehäuse ausleiten zu können, wobei das Öl-Wasser-Gemisch in einem unteren Bereich des Gehäuses mit einer Strömungsrichtung, die in etwa entgegengesetzt der Schwerkraft ist, in das Gehäuse einleitbar ist, und das Gehäuse eine Strömungsbremse aufweist, welche das einströmende Öl-Wasser-Gemisch während einer Aufwärtsströmung innerhalb eines Strömungswegs im Gehäuse passieren muss und dadurch zumindest teilweise abbremst.
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Auf diese Weise ist es wie oben bereits geschildert möglich, über einen großen Temperaturbereich des zu trennenden Öl-Wasser-Gemischs eine effektive und zuverlässige Trennung bzw. Abscheidung des Öls vom Wasser mit einer ausreichenden Trennwirkung bzw. Reinheit zu schaffen, wobei auf einen hohen Energieeinsatz verzichtet werden kann.
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Hierbei ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung unter „Trennen oder Abscheiden“ zu verstehen, dass die beiden in dem Öl-Wasser-Gemisch gebundenen Bestandteile Öl und Wasser, unabhängig von ihren Anteilen, voneinander getrennt werden. In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Trennung mittels Schwerkraft, welche die unterschiedlichen Dichten der beiden Anteile Öl und Wasser ausnutzt. D.h., aufgrund der geringeren Dichte des Öls schwimmt dieses auf dem schweren Wasser (höhere Dichte). Es stellt sich eine Grenzfläche ein wobei oberhalb der Grenzfläche nur Öl und unterhalb der Grenzfläche primär ölfreies Wasser vorliegen.
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Des Weiteren ist im Sinne der vorliegenden Erfindung unter „abbremsen“ bzw. bremsen zu verstehen, dass zumindest ein Teil des in das Gehäuse eingeleiteten Öl-Wasser-Gemischs, bevorzugt das gesamte Öl-Wasser-Gemisch, an der Strömungsbremse vorbei oder durch diese hindurch strömen muss, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des in dem Gehäuse aufwärtsströmenden Öl-Wasser-Gemischs gebremst bzw. reduziert wird.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn die Strömungsbremse aus mindestens einer Platte (z.B. Strömungsbremsblech) mit einer Vielzahl an Durchgangslöchern (bzw. Durchbrüchen), insbesondere einer Vielzahl an Bohrungen, ausgebildet ist, durch die das Öl-Wasser-Gemisch strömbar ist.
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Anhand der Platten, insbesondere Lochbleche, ist es auf einfache Weise möglich, einen einstellbaren Strömungswiderstand zu schaffen. Hierbei kann durch die Anzahl der Strömungsbremsbleche, welche in dem Strömungsweg des Öl-Wasser-Gemischs vorgesehen werden, sowie die Anzahl und Größe bzw. Fläche der Durchgangslöcher (bzw. Durchbrüche) im Strömungsbremsblech, der erzeugbare Strömungswiderstand eingestellt werden.
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Im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist unter dem „erzeugbaren Strömungswiderstand“ zu verstehen, dass das Öl-Wasser-Gemisch durch die Durchgangsöffnungen in der Platte bzw. den Platten strömen muss und aufgrund des relativ kleinen Querschnitts der Durchgangsöffnungen oder der geringen Anzahl an Durchgangsöffnungen die Strömung verlangsamt wird, also ein Strömungswiderstand erzeugt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Platte so in dem Strömungsweg des einleitbaren Öl-Wasser-Gemischs angeordnet, dass Strömungsquerschnitte der Vielzahl an Durchgangslöchern in etwa senkrecht zur Schwerkraft ausgerichtet sind. Somit verlaufen die Mittelachsen der Durchgangslöcher im Wesentlichen parallel zur Schwerkraft.
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Auf diese Weise wird eine maximale Strömungsdurchlässigkeit, d.h. geringer Strömungswiderstand, für die Durchgangslöcher (bzw. Durchbrüche) in den Platten erzielt. Andererseits wird für die Bereiche an den Strömungsbremsblechen, an denen keine Durchgangslöcher (bzw. Durchbrüche) vorgesehen sind, der Strömungswiderstand maximiert, da die Strömung des Öl-Wasser-Gemischs senkrecht auf die Strömungsbremsbleche trifft. Im Vergleich zur gesamten Fläche der Platten oder des Abschnitts des Strömungswegs den die Platten versperren, wird also die Querschnittsfläche des Strömungswegs verkleinert und die Strömung dadurch gebremst.
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Hierbei besteht ferner die Möglichkeit Durchgangslöcher an verschiedenen Platten so vorzusehen, dass diese in Strömungsrichtung gesehen nicht deckungsgleich angeordnet sind. D.h., dass die Durchgangslöcher hintereinander angeordneter Platten quer zur Strömungsrichtung zueinander versetzt sind. Somit kann der Strömungswiderstand weiter gesteigert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, das eine Anzahl der Platten und/oder eine Fläche (bzw. Größe) (Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung) der Durchgangslöcher, insbesondere ein Durchmesser der Bohrungen, unter Berücksichtigung eines Temperaturbereichs des Öl-Wasser-Gemischs, insbesondere eines Viskositätsbereichs des in dem zuführbaren Öl-Wasser-Gemisch gebundenen Öls, bestimmt ist.
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Auf diese Weise kann der Strömungswiderstand an das vorliegende Öl-Wasser-Gemisch und dessen vorliegenden Temperaturbereich angepasst werden. Dies ist insbesondere in Hinblick auf einen Kaltstart des Systems wichtig, da bei einem Kaltstart die Temperatur des Öl-Wasser-Gemischs relativ niedrig und somit die Viskosität des Öls relativ hoch ist. Ferner ist während der Aufheizphase der Öl-Anteil im Öl-Wasser-Gemisch relativ hoch, womit die Viskosität des Öl-Wasser-Gemischs zusätzlich erhöht wird.
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Diesbezüglich hat sich in Versuchen gezeigt, dass das vorsehen von mehreren Platten mit größeren Durchgangslöchern im Vergleich zu einer geringeren Anzahl von Platten mit kleineren Durchgangslöchern, hinsichtlich der erzielbaren Ergebnisse, insbesondere der erzielbaren Trennungsleistung, vorteilhaft ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zumindest drei Platten im Strömungsweg angeordnet, wobei die Platten bevorzugt eine Vielzahl an Bohrungen mit einem Durchmesser von 1 mm bis 25 mm, bevorzugt von 3 mm bis 15 mm und weiter bevorzugt von 5 bis 10 mm, aufweist.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, die Platten lediglich in einem unteren Bereich, insbesondere in einem unteren Drittel, des Gehäuses, insbesondere in der Nähe des Einlasses für das Öl-Wasser-Gemisch, vorzusehen. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des Öl-Wasser-Gemisches über einen kurzen Strömungsweg schnell abgebremst werden, und es verbleibt genügend Weg und damit Zeit für die eigentliche Trennung bzw. Abscheidung des Öls vom Wasser.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der Öl-Auslass einen mit einem Rohr verbundenen und in dem Gehäuse angeordneten Trichter aufweist, wobei das Rohr bevorzugt eine Außenseite des Gehäuses mit einer Innenseite des Gehäuses verbindet, so dass das getrennte oder abgeschiedene Öl nach außen ausgelassen werden kann. Das Rohr kann hierzu bevorzugt gekrümmt geformt sein.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Trichter so angeordnet ist, dass eine Einlassseite des Trichters (Oberkante oder Einlaufkante des Trichters) in etwa entgegengesetzt der Schwerkraft ausgerichtet ist.
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Anhand des Trichters ist es möglich, insbesondere in einem oberen Bereich des Gehäuses bzw. Behälters, in dem sich das leichtere Öl angesammelt hat, abzusaugen. Damit kann verhindert werden, dass Öl, welches noch geringe Anteile an Wasser enthält, bereits mit abgesaugt wird.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Einlass aus einem Rohr, insbesondere einem gekrümmten Rohr, ausgebildet ist, welches in einem unteren Bereich des Gehäuses, insbesondere einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Rohr bevorzugt eine Außenseite des Gehäuses mit einer Innenseite des Gehäuses verbindet, um das Öl-Wasser-Gemisch in das Gehäuse einleiten zu können. Hierbei ist es ferner bevorzugt, dass eine Mittelachse einer Auslassöffnung des Einlasses in etwa parallel zur Schwerkraft verläuft.
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Auf diese Weise wird der Abstand zwischen dem Einlass für das Öl-Wasser-Gemisch und dem Trichter, wo das getrennte Öl abgeschöpft wird, maximiert, wodurch die Verweildauer des Öl-Wasser-Gemischs in dem Gehäuse und die damit verbundene Trennungsleistung erhöht bzw. verbessert werden können.
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Ferner kann auch Wasser (bzw. reines Wasser) über den Einlass in das Gehäuse zugeführt werden. Auf diese Weise kann über Zuführen oder Ablassen von Wasser sichergestellt werden, dass im Bereich des Trichtereinlasses bzw. an einer Oberkante des Trichters immer nur Öl vorhanden ist.
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Des Weiteren kann ein Sensor vorgesehen sein, der eine Grenzfläche zwischen Wasser und Öl, beziehungsweise zwischen Öl-Wasser-Gemisch und nur Öl, detektiert, wobei auf Grundlage des Sensorergebnisses eine Steuerung des Zuführens oder Ablassens von Wasser erfolgt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wasser-Auslass im unteren Bereich des Gehäuses angeordnet, insbesondere an einer Seitenwand des Gehäuses, welche einer Seitenwand des Gehäuses, an welcher der Einlass vorgesehen ist, gegenüberliegt. Hiermit wird das Wasser an einer tiefsten Stelle aus dem Gehäuse ausgelassen, womit davon ausgegangen werden kann, dass das Wasser eine maximale Reinheit aufweist.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn in dem Gehäuse, insbesondere im unteren Bereich des Gehäuses, ein Begrenzungsblech vorgesehen ist, welches bevorzugt mit einer Längserstreckung des Begrenzungsblechs vertikal in dem Gehäuse ausgerichtet ist und einen Innenraum des Gehäuses zumindest im unteren Bereich des Gehäuses in zwei Bereiche aufteilt. Bei dem unteren Bereich des Gehäuses handelt es sich zumindest um einen Teil des Strömungswegs. Insbesondere kann der Öl-Wasser-Gemisch Einlass in einen ersten Bereich der zwei Bereiche münden, sodass der erste Bereich einen Teil des Strömungswegs bildet.
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Anhand des beschriebenen Begrenzungsblechs ist es möglich, zwei Bereiche zu schaffen. In einem ersten Bereich, in dem die Platten angeordnet sind, strömt das in das Gehäuse eingeleitete Öl-Wasser-Gemisch langsam nach oben und wird in seine Anteile Wasser und Öl getrennt. Während der erfolgten Trennung des Öl-Wasser-Gemischs steigt das getrennte Öl aufgrund seiner geringeren Dichte nach oben, wohingegen das Wasser aufgrund seiner höheren Dichte nach unten sinkt, womit die Trennung erfolgt. Hierbei sinkt das getrennte Wasser neben dem nach oben strömenden Öl-Wasser-Gemisch nach unten. Um eine erneute Vermischung mit dem Öl-Wasser-Gemisch zu unterbinden, ist das Begrenzungsblech vorgesehen, wobei das schwerere Wasser in dem durch das Begrenzungsblech gebildeten zweiten Bereich in Richtung Wasser-Auslass sinkt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Heizvorrichtung, insbesondere eine Dampfheizung, zum Aufwärmen des in das Gehäuse eingeleiteten Öl-Wasser-Gemischs aufweist, wobei insbesondere Prozesswärme zur Erwärmung des Öl-Wasser-Gemischs genutzt werden kann.
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Auf diese Weise ist es möglich, insbesondere während eines Kaltstarts des Systems, das zugeführte Öl-Wasser-Gemisch zu erwärmen, womit die Viskosität des Gemischs reduziert werden kann und somit die Trennleistung der Vorrichtung gesteigert bzw. schneller ihren Normalwert erreichen kann.
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Ferner ist es bevorzugt, dass das Gehäuse aus rostfreiem Stahl, insbesondere Edelstahl, gefertigt ist und zumindest im unteren Bereich, welcher dazu eingerichtet ist, das Öl-Wasser-Gemisch aufzunehmen bzw. aufnehmen zu können, fluiddicht ausgebildet ist.
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Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, eine Verstelleinrichtung für die Größe der Durchbrüche bzw. der Löcher vorzusehen. Eine derartige Verstelleinrichtung kann durch jeweilige Strömungsbremsblechpaare realisiert werden, wobei die einzelnen Bleche mit deckungsgleichen Durchgangslöchern bzw. Bohrungen versehen sind, und durch relatives Verschieben der Bleche zueinander, die deckungsgleichen Durchbrüche zueinander verschoben werden, womit ein resultierender Strömungsquerschnitt verändert werden kann.
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Auf diese Weise kann während eines Kaltstarts des Systems, wenn die Viskosität des Öl-Wasser-Gemischs relativ hoch ist, der durchströmbare Strömungsquerschnitt maximiert werden, wodurch der erzeugbare Strömungswiderstand reduziert wird. Andererseits kann im Normalbetrieb, wenn die Viskosität geringer ist, der durchströmbare Strömungsquerschnitt reduziert werden, wodurch der erzeugbare Strömungswiderstand erhöht wird. Somit ist es möglich, den erzeugbaren Strömungswiderstand an die vorherrschenden Rahmenbedingungen optimal anzupassen.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, die Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser kaskadiert aufzubauen. Also mehrere wie oben beschriebene Vorrichtungen zum Trennen von Öl und Wasser hintereinander in Reihe zu schalten, womit die einzelnen Vorrichtungen eine geringere Trennungsleistung aufweisen müssen und/oder eine größere Menge an Öl-Wasser-Gemisch aufbereiten können.
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Hierbei besteht die Möglichkeit, die einzelnen Vorrichtungen den vorliegenden Eigenschaften des jeweils zugeführten Öl-Wasser-Gemischs besser anzupassen und somit die Trennungsleistung der einzelnen Vorrichtungen zum Trennen von Öl und Wasser zu steigern. Ferner kann durch die Kaskadierung eine höhere Reinheit des Öls erzielt werden.
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Hierbei ist es ferner denkbar, die einzelnen Vorrichtungen mit einem Sensor zu versehen, der die Reinheit des Öls erfasst bzw. misst, also die Anzahl von im Öl vorhandenen Wasserteilchen erfasst. Basierend auf dem Erfassungsergebnis kann bestimmt werden, ob eine weitere Trennung durch eine nachgeschaltete Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser notwendig ist oder nicht.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, eine Vakuum-Entwässerungsvorrichtung vorzusehen, welcher insbesondere das durch den Öl-Auslass ausgelassene und bereits von dem Öl-Wasser-Gemisch getrennte Öl zugeführt wird. Im Falle einer Kaskadierung der Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser ist die Vakuum-Entwässerungsvorrichtung in einer Aufbereitungsrichtung des Öl-Wasser-Gemischs hinter der letzten Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser angeordnet, da anhand der Vakuum-Entwässerungsvorrichtung der höchste Reinheitsgrad des Öls erzielt werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist die Vakuum-Entwässerungsvorrichtung auf: ein bevorzugt längsförmiges, insbesondere zylinderförmiges, Vakuumgehäuse, das sich in Richtung der Schwerkraft, d.h. vertikal, erstreckt, einen Vakuumanschluss, der an einem oberen Ende des Vakuumgehäuses vorgesehen ist, wobei der Vakuumanschluss bevorzugt so eingerichtet ist, dass er eine tangentiale Absaugströmung in dem Vakuumgehäuse bewirkt, einen Einlass zum Einleiten eines Öl-Wasser-Gemischs, insbesondere des aus dem Gehäuse der Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser ausgelassenen Öls, welcher an einem unteren Ende des Vakuumgehäuses vorgesehen ist, und einen Öl-Auslass, der ebenfalls an dem unteren Ende des Vakuumgehäuses vorgesehen ist, insbesondere in einem Boden des Vakuumgehäuses vorgesehen ist.
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Ferner ist der Einlass als Rohr ausgebildet, welches bevorzugt zentrisch in das Vakuumgehäuse hineinragt, insbesondere zu etwa 2/3 einer Gesamtlänge des Vakuumgehäuses in dieses hineinragt, weiter bevorzugt zu etwa 2/3 einer Gesamtlänge des längsförmigen, insbesondere zylinderförmigen, Vakuumgehäuses in dieses hineinragt.
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Des Weiteren ist das in das Vakuumgehäuse hineinragende Ende des Rohrs offen, womit das Öl-Wasser-Gemisch in das Vakuumgehäuse eingeleitet werden kann. Ferner sind oberhalb des Rohrs und innerhalb des Vakuumgehäuses Abschirmbleche vorgesehen, welche eine direkte Fluidströmung von dem offenen Ende des Rohrs zu dem Vakuumanschluss unterbinden. Auf diese Weise wird verhindert, dass Öl durch den Vakuumanschluss angesaugt wird.
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Ferner sind um das Rohr herum in bestimmten Abständen zueinander konzentrisch Abtropfbleche angeordnet, die zum Ansammeln des in das Vakuumgehäuse eingelassenen Öls, welches beim Eintritt ins Vakuum aufschäumt, dienen. Das an den Abtropfblechen angesammelte Öl fließt langsam nach unten und wird durch den Öl-Auslass abgeführt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, Aktivkohlefilter vorzusehen, welche zur Reinigung des vom Öl befreiten Wassers verwendet werden können. Hierbei ist es ferner bevorzugt, mehrere Aktivkohlefilter in Reihe zu schalten, womit es ermöglicht wird, beim Zusetzen eines Aktivkohlefilters, einen in Strömungsrichtung des Wassers weiterhinten oder weitervorne angeordneten weiteren Aktivkohlefilter einzusetzen und den zugesetzten Aktivkohlefilter ohne Unterbrechung des Reinigungsprozesses auszutauschen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Trennen von Öl und Wasser, insbesondere zum Trennen oder Abscheiden von in entspanntem und kondensiertem Wasserdampf eines Dampfmotors enthaltenem Öl, wobei bevorzugt die oben beschriebene Vorrichtung verwendet wird, aufweisend die Schritte:
- - Einleiten eines Öl-Wasser-Gemischs in einen unteren Bereich eines Gehäuses, so dass das Öl-Wasser-Gemisch entlang eines Strömungswegs in dem Gehäuse aufwärts strömt, wobei eine Strömungsrichtung in etwa entgegengesetzt zu der Schwerkraft ist,
- - zumindest teilweises Abbremsen der Aufwärtsströmung des eingeleiteten Öl-Wasser-Gemischs innerhalb des Gehäuses, und
- - Trennen oder Abscheiden von in dem Öl-Wasser-Gemisch gebundenem Öl.
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Anhand des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, unabhängig von einer Temperatur eines ÖL-Wasser-Gemischs und der damit verbundenen Viskosität des Öls und unabhängig von einem Anteil des in dem Wasser enthaltenen Öls eine effektive Trennung bzw. Abscheidung des Öls vom Wasser zu erzielen. Ferner, da auf eine Zentrifuge wie bei den herkömmlichen Zentrifugalabscheidern verzichtet werden kann und die Trennung bzw. die Abscheidung lediglich durch die Schwerkraft erzielt wird, kann eine äußerst energiesparende Trennvorrichtung bereitgestellt werden. Hierbei ist unter einer effektiven Trennung bzw. Abscheidung zu verstehen, dass eine ausreichende Trennleistung bzw. Reinheit der beiden getrennten Bestandteile Öl und Wasser erreicht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum Bremsen der Aufwärtsströmung des eingeleiteten Öl-Wasser-Gemischs die Strömung durch Durchgangslöcher (bzw. Durchbrüche), die in wenigstens einer Platte vorgesehen sind, geleitet.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die Trennung oder Abscheidung des Öls von/aus dem Öl-Wasser-Gemisch durch die vorherrschende Gewichtskraft erzielt wird, entsprechend wird das Öl, das eine geringere Dichte als das Wasser aufweist, in einem oberen Bereich des Gehäuses gesammelt und das Wasser, welches eine höhere Dichte als das Wasser aufweist, in einem unteren Bereich des Gehäuses gesammelt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Viskosität des Öl-Wasser-Gemischs erfasst wird, insbesondere mittels Sensoren erfasst wird, und basierend auf der erfassten Viskosität des Öl-Wasser-Gemischs eine Verweildauer des Öl-Wasser-Gemischs, insbesondere des Öl-Wasser-Gemischs in dem Gehäuse der Vorrichtung, gesteuert wird.
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Hierbei kann die Viskosität des Öl-Wasser-Gemischs anhand eines Viskosimeters im Einlass des Gehäuses erfasst werden. Die Verweildauer des Öl-Wasser-Gemischs im Gehäuse (bzw. im Strömungsweg) kann anhand der oben beschriebenen Verstelleinrichtung gesteuert werden. So kann beispielsweise anhand der Verstelleinrichtung die Gesamtfläche der Durchgangslöcher einzelner oder aller Platten verändert, d.h. vergrößert oder verkleinert werden, oder komplette Platten in den Strömungsweg geschwenkt oder herausgeschwenkt werden. In anderen Worten kann beispielsweise eine Platte in dem Strömungsweg so geschwenkt werden, dass die Querschnittsfläche der Durchgangslöcher nicht mehr senkrecht zur Schwerkraft ist, sondern parallel zu dieser. Auf diese Weise kann der erzeugbare Strömungswiderstand drastisch reduziert werden.
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Folglich ist es möglich, die Verweildauer des Öl-Wasser-Gemischs in dem Gehäuse, und die damit verbundene Qualität der Trennung des Gemischs, zu steuern bzw. an gegebene Rahmenbedingungen anzupassen und somit zu optimieren.
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Das beschriebene Verfahren weist die in Bezug auf die Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser bereits geschilderten Vorteile auf. Einzelmerkmale der Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser können im Rahmen des Verfahrens zum Einsatz kommen.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraft-Wärmekopplungs-Anlage, die einen Dampferzeuger, einen Dampfmotor, einen Kondensator sowie die oben beschriebene Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser aufweist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage,
- 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser gemäß einer Ausführungsform,
- 3 zeigt eine Detailansicht der in 2 gezeigten Vorrichtung, und
- 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vakuum-Entwässerungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform von vorne.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend werden anhand der beigefügten Figuren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Weitere in diesem Zusammenhang genannte Modifikationen bestimmter Merkmale können jeweils einzeln miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen auszubilden.
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Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche oder entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlagen). Die gezeigte KWK-Anlage 100 besteht aus einem Dampferzeuger 110, welcher über ein Ventil 180 mit einem Einlass eines Dampfmotors 120 verbunden ist, welcher einen Generator 130 zur Erzeugung von Strom antreibt. Wie oben bereits erläutert, ist es zur Feinabdichtung des Dampfmotors 120 notwendig, diesen mit einer relativ großen Menge an Öl zu versorgen, welches sich während des Betriebs des Dampfmotors 120 jedoch mit dem entspannten Wasserdampf vermischt und mit diesem ausgestoßen wird. Aus diesem Grund weist der vom Dampfmotor 120 ausgestoßene entspannte Wasserdampf Öl auf.
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Dem Dampfmotor 120 ist ein Kondensator 150 zur Kondensation des entspannten Wasserdampfs, welcher einen Druck von ca. 0,15 bar und eine Temperatur von ca. 55°C aufweist, wenn dieser den Dampfmotor 120 verlässt, nachgeschalten. Der kondensierte Wasserdampf, welcher weiterhin einen großen Anteil an Öl enthält, wird über eine Wassersäule 190, welche den Druck des kondensierten Wasserdampfs auf ca. 0,25 bar erhöht, einer Zirkulationspumpe 170, insbesondere Kolbenpumpe, zugeführt bzw. von dieser angesaugt. Die Zirkulationspumpe erhöht den Druck des kondensierten Wasserdampfs bzw. des nun vorliegenden Öl-Wassers-Gemischs auf ca. 1,50 bar und fördert das Öl-Wasser-Gemisch zu einer Vorrichtung 140 zum Trennen von Öl und Wasser, welcher der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung 1 zum Trennen von Öl und Wasser entspricht.
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Wie der 1 ferner entnommen werden kann, wird das getrennte bzw. abgeschiedene Öl zurück zu einem Kurbelwellenraum des Dampfmotors oder zu einem Catch-Tank geleitet oder zur Feinabdichtung in den Dampfmotor eingespritzt und das gereinigte Wasser an einen Speisewassertank 160 geleitet, welcher das aufbereitete bzw. gereinigte Wasser dem Dampferzeuger 110 erneut zur Dampferzeugung zur Verfügung stellt, womit der Kreislauf geschlossen ist.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Trennen von Öl und Wasser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie der 2 entnommen werden kann, weist die gezeigte Vorrichtung ein Gehäuse 10 auf, aufweisend: einen Einlass 11, um ein Öl-Wasser-Gemisch in das Gehäuse 10 einleiten zu können, einen Öl-Auslass 12, um getrenntes oder abgeschiedenes Öl aus dem Gehäuse 10 ausleiten zu können, und einen Wasser-Auslass 13, um gereinigtes Wasser aus dem Gehäuse 10 ausleiten zu können.
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Wie der 2 ferner entnommen werden kann, wird das Öl-Wasser-Gemisch von einem unteren Bereich des Gehäuses 10, in 2 von links unten, mit einer Strömungsrichtung S, die in etwa entgegengesetzt zur Schwerkraft ist, in das Gehäuse 10 eingeleitet, wodurch das eingeleitete Öl-Wasser-Gemisch von unten in Richtung des Öl-Auslasses 12, insbesondere eines Trichters 12b, strömt.
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Wie gezeigt ist das Gehäuse 10 durch ein Begrenzungsblech 40 in einem unteren Bereich des Gehäuses 10 in zwei Bereiche aufgeteilt. Zwischen einer Seitenwand 10a und dem Begrenzungsblech 40 sind horizontal drei Platten 21 vorgesehen, welche eine Strömungsbremse 20 ausbilden.
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3 zeigt eine Detailansicht der in 2 dargestellten Vorrichtung 1. Die 3 dient lediglich der besseren Darstellung der Strömungsbremse 20. Wie der 3 entnommen werden kann, besteht die Strömungsbremse 20 aus drei Platten 21, insbesondere drei Lochblechen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind die Durchgangslöcher 22 der Platten 21 als Bohrungen bzw. kreisrunde Löcher ausgebildet, was die Herstellung der Platten 21 äußerst günstig macht.
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Wie ferner aus 3 ersichtlich ist, ist der Einlass 11 anhand eines gekrümmten Rohrs ausgebildet, welches horizontal an einer Seitenwand 10a des Gehäuses 10 in das Gehäuse eintritt und nach oben gekrümmt ist, wodurch eine Mittelachse einer Auslassöffnung des Einlasses 11 parallel zur Schwerkraft ist und die Auslassöffnung nach oben gerichtet ist, wodurch das eingeleitete Öl-Wasser-Gemisch in 3 nach oben strömt. Der Öl-Auslass 12 (in 2 dargestellt) ist in Form eines Schnorchels ausgebildet und kann aus einem gekrümmten Rohr 12a und einem Trichter 12b ausgebildet sein, wobei der Trichter 12b so in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, dass eine Trichteroberkante bzw. ein Trichtereinlass horizontal verläuft und in 2 nach oben gerichtet ist, womit das Öl von oben den Trichter 12b hineingesaugt bzw. „abgeschnorchelt“ wird.
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Wird nun ein Öl-Wasser-Gemisch über den Einlass 11 in die Vorrichtung 1 zum Trennen von Öl und Wasser eingeleitet, entsteht unterstützt durch die Rohrführung des gekrümmten Rohrs des Einlasses 11 eine Aufwärtsströmung, welche sich entlang der Strömungsrichtung S vom Einlass 11 in Richtung des Öl-Auslasses 12 bewegt. Anhand der Strömungsbremse 20 wird das durch den Einlass 11 einströmende Öl-Wasser-Gemisch abgebremst, wodurch eine Verweildauer des Öl-Wasser-Gemischs in dem Gehäuse 10, also bevor die Strömung den oben angeordneten Trichter 12b des Öl-Auslasses 12 erreicht, erhöht. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Strömungsbremse 20 zu eingerichtet ist, dass im oberen Bereich des Gehäuses 10, insbesondere in einem oberen Drittel des Gehäuses 10, in welchem das Gehäuse größtenteils durch Öl gefüllt ist, die Strömungsgeschwindigkeit des Öl-Wasser-Gemischs gegen Null tendiert. Mit anderen Worten, dass im oberen Bereich des Gehäuses die Strömungsgeschwindigkeit äußerst gering ist, und die Trennung des Öl-Wasser-Gemischs erfolgen kann. Entsprechend sinkt von unten nach oben in dem Gehäuse der Anteil an Wasser in dem Öl-Wasser-Gemisch und der Anteil an Öl steigt.
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Aufgrund der Schwerkraft trennt sich wie oben bereits beschrieben das schwerere Wasser vom leichteren Öl.
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Entsprechend beginnt das schwerere Wasser auf dem Weg zu dem Öl-Auslass 12 sich von dem nach oben strömenden Öl-Wasser-Gemisch zu trennen und nach unten zu sinken. Auf diese Weise erfolgt kontinuierlich die Trennung des Öl-Wasser-Gemischs in seine Anteile und am Ende erreicht lediglich Öl die Trichteroberkante des Trichters 12b. Andererseits erreicht lediglich das absinkende schwerere Wasser den Wasser-Auslass 13.
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Um nun sicherzustellen, dass eine Öloberfläche des in dem Gehäuse 10 aufgenommenen Öl-Wasser-Gemischs immer oberhalb der Trichteroberkante des Trichters 12 liegt, und hierbei ferner sicherzustellen, dass eine Grenzschicht zwischen Öl und Öl-Wasser-Gemisch unterhalb der Trichteroberkante liegt, womit sichergestellt wird, dass lediglich reines Öl den Trichter 12 erreicht, ist es notwendig, anhand einer Steuerung die Menge an in das Gehäuse 10 einströmendem Fluid (Öl-Wasser-Gemisch) und aus dem Gehäuse 10 ausströmendem Fluid (Öl + Wasser) zu steuern.
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Hierzu ist in dem Gehäuse 10 ein Sensor vorgesehen, welcher die Grenzschicht zwischen Öl und Öl-Wasser-Gemisch detektiert, und basierend auf dem Sensorergebnisses eine Steuerung des Zuführens oder Ablassens von Wasser erfolgt. D.h., wird seitens des Sensors erkannt, dass eine Tendenz besteht, dass die Öloberfläche des Öl-Wasser-Gemischs sich in Richtung unterhalb der Trichteroberkante bewegt, wird in einem ersten Schritt die Menge an durch den Wasser-Auslass 13 ausgelassenem Wasser reduziert. Kann jedoch die Menge an ausgelassenem Wasser nicht weiter reduziert werden, da seitens nachgeschalteter Baugruppen, wie beispielsweise dem Dampferzeuger 110, mehr Wasser benötigt wird, wird dem Öl-Wasser-Gemisch vor Eintritt in den Einlass 11 zusätzliches Wasser zugeführt, wodurch die Menge an einströmenden Fluid erhöht werden kann und somit kann der sinkenden Öloberfläche entgegengewirkt werden.
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Andererseits wenn seitens des Sensors erkannt wird, dass sich die Grenzschicht zwischen Öl und Öl-Wasser-Gemisch nach oben in Richtung Trichteroberkante bewegt, womit die Gefahr besteht, dass unerwünscht Wasser mit in den Öl-Auslass gesaugt wird, kann die Menge an durch den Wasser-Auslass 13 ausgelassenem Wasser erhöht werden oder die Menge an in das Gehäuse 10 eingeleitetem Öl-Wasser-Gemisch, insbesondere Wasser, reduziert werden. Des Weiteren zeigt 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Vakuum-Entwässerungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform vorliegender Offenbarung von vorne. Wie der 4 entnommen werden kann, weist die Vakuum-Entwässerungsvorrichtung 50 auf: ein zylinderförmiges Vakuumgehäuse 51, das sich in Richtung der Schwerkraft erstreckt, einen Vakuumanschluss 52, der an einem oberen Ende des zylinderförmigen Vakuumgehäuses 51 vorgesehen ist, wobei der Vakuumanschluss 52 so eingerichtet ist, dass er eine tangentiale Absaugströmung in dem Vakuumgehäuse 51 bewirkt, einen Einlass 53 zum Einleiten eines Öl-Wasser-Gemischs, insbesondere des aus dem Gehäuse 10 der Vorrichtung 1 zum Trennen von Öl und Wasser, ausgelassenen Öls, welcher an einem unteren Ende des zylinderförmigen Vakuumgehäuses 51 vorgesehen ist, und einen Öl-Auslass 54, der an dem unteren Ende des Vakuumgehäuses 51 vorgesehen ist und aus dem das entwässerte Öl ausgelassen wird.
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Des Weiteren kann der 4 entnommen werden, dass der Einlass als ein Rohr 53 ausgebildet, das zentrisch in das zylinderförmige Vakuumgehäuse 51 parallel zur Richtung der Schwerkraft hineinragt, insbesondere zu etwa 2/3 einer Gesamtlänge des Vakuumgehäuses 51 in dieses hineinragt.
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Des Weiteren ist das in das Vakuumgehäuse 51 hineinragende Ende des Rohrs 53 offen, womit das Öl-Wasser-Gemisch in das Vakuumgehäuse eingeleitet werden kann. Ferner sind oberhalb des Rohrs 53 und innerhalb des Vakuumgehäuses 51 Abschirmbleche 56 vorgesehen, welche eine direkte Fluidströmung von dem offenen Ende des Rohrs 53 zu dem Vakuumanschluss 52 unterbinden. Auf diese Weise wird verhindert, dass Öl Ö durch den Vakuumanschluss 52 angesaugt wird und das abgesaugte Wasser verunreinigt.
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Ferner sind um das Rohr 53 herum in bestimmten Abständen zueinander konzentrisch Abtropfbleche 55 angeordnet, die zum Ansammeln des in das Vakuumgehäuse 51 eingelassenen Öls Ö, welches beim Eintritt ins Vakuum aufschäumt, dienen. Das an den Abtropfblechen 55 angesammelte Öl Ö fließt langsam nach unten und wird durch den Öl-Auslass 54 abgeführt.
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Wird nun durch das Rohr 53 bzw. das Einlassrohr Öl Ö mit einem bestimmten Anteil an Wasser, insbesondere einem geringen Anteil an Wasser, eingeleitet, schäumt das Öl Ö am offenen Ende des Rohrs aufgrund des in dem Vakuumgehäuse 51 vorherrschenden niedrigen Drucks bzw. Unterdrucks (Vakuum) auf, wobei das in dem Öl Ö enthaltene Wasser W getrennt wird und durch den Vakuumanschluss 52 abgesaugt werden kann. Um hierbei zu vermeiden, dass auch ein Teil des aufgeschäumten Öls Ö durch den Vakuumanschluss 52 eingesaugt wird, sind Abschirmbleche 56 zwischen dem Vakuumanschluss, welcher tangential an dem Vakuumgehäuse 51 vorgesehen ist, und dem offenen Ende des Rohrs 53 vorgesehen. Auf diese Weise wird eine direkte Fluidverbindung zwischen Vakuumanschluss 52 und offenem Ende des Rohrs 53 unterbunden und verhindert, dass Öl mit dem abgesaugten Wasser W mit abgesaugt wird.
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Aufgrund der Schwerkraft und den in dem zylinderförmigen Vakuumgehäuse 51 vorgesehenen Abtropfblechen 55 verdichtet sich der nach unten sinkende Ölschaum langsam wieder zu Öl Ö und kann durch den Öl-Auslass 54 als von Wasser gereinigtes Öl abgeführt werden.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens der Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Ferner wurde die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die jedoch nur zum besseren Verständnis der Erfindung dienen sollen, und diese nicht einschränken sollen. Der Fachmann erkennt auch sofort, dass viele verschiedene Kombinationen der Elemente zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb wird der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gekennzeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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