DE102020130906B4

DE102020130906B4 - Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche

Info

Publication number: DE102020130906B4
Application number: DE102020130906.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Heitele
Original assignee: Aquis Wasser Luft Systeme GmbH Lindau Zweigniederlassung Rebstein
Current assignee: Aquis Wasser Luft Systeme GmbH Lindau Zweigniederlassung Rebstein
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2040-11-24
Also published as: DE102020130906A1; WO2022058234A1; EP4259581A1

Abstract

Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche (1), umfassend ein Gehäuse (2) in der Form eines Druckbehälters, einen Einlass (4) und einen Auslass (5) für Wasser (3),wobei in dem vom Wasser (3) durchströmten Gehäuse (2) ein eine konzentrierte Salzlösung (6.1) beinhaltender Vorratsbehälter (6) in der Form eines biegeschlaffen Beutels (6) zur Zudosierung von Salzlösung (6.1) in den das Gehäuse (2) durchfließenden Wasserstrom (3.1) angeordnet ist und wobei stromabwärts des Beutels (6) eine Dosiervorrichtung (7) zur Abgabe der konzentrierten Salzlösung (6.1) aus dem Beutel (6) in den Wasserstrom (3.1) angeordnet ist und wobei die Dosiervorrichtung (7) eine Widerstandsstrecke (7.1) für den Wasserstrom (3.1) umfasst, wobei in der Widerstandsstrecke (7.1) und/oder stromabwärts dieser Widerstandsstrecke (7.1) eine mit dem Beutel (6) flüssigkeitsleitend verbindbare Dosierleitung (7.2) der Dosiervorrichtung (7) als Dosierstelle (7.2.1) mündet,dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung (7)ein dosiervorrichtungsseitiges Beutelanschlusselement (7.3) zum Anschluss an ein komplementäres Dosiervorrichtungsanschlusselement (6.3) an dem Beutel (6) aufweist und/oder ein Mittel (7.4) zum Öffnen des biegeschlaffen Beutels (6) umfasst, vorzugsweise eine Stechvorrichtung (7.4), insbesondere eine Hohlnadel (7.4),und dass der Beutel (6) bis auf den Anschluss hermetisch verschlossen und so im Gehäuse (2) anordenbar ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil der Außenseite (6.4) des Beutels (6) vom Wasserdruck (3.2) des vom Einlass (4) einströmenden Wassers (3) direkt und/oder indirekt beaufschlagbar ist, sodass der auf die Außenhülle (6.4) des biegeschlaffen Beutels (6) wirkende Wasserdruck (3.2) sich stabilisierend auf die Zudosierung der Salzlösung (6.1) in den Wasserstrom (3.1) auswirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine leitungsgebundene Wasserfilterkartusche zur Mineralisierung von Leitungswasser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Am Markt befindliche, leitungsgebundene Filterkartuschen zur Mineralisierung gibt es im Wesentlichen in zwei Ausführungen. In der einen Ausführungsform werden für die Mineralisierung Granulate aus CaCO₃ oder MgCO₃ verwendet, teilweise auch mit geringen Anteilen an MgO und CaO. Solche Filter werden beispielsweise bei schwach mineralisierten Wässern mit hohem Korrosionspotential, insbesondere aufbereitetem Wasser aus Umkehrosmoseanlagen, nachgeschaltet. Dadurch wird aufgrund der freien Kohlensäure eine geringe Menge an CaCO₃ aufgelöst.
In der Folge wird der pH-Wert angehoben und die Korrosivität des Wassers reduziert. Allerdings kann man mit solchen Anordnungen lediglich einige mg Ca oder Mg in Lösung bringen. Auch ist die Kinetik der Auflösung sehr gering, so dass nach wenigen Litern schnellem Durchlauf kaum noch eine nennenswerte Mineralisierung auftritt. Solche Filter benötigen daher immer wieder längere Stillstandszeiten oder können nur sehr geringe Volumenströme aufbereiten.
Weitere am Markt befindliche Mineralisierungsfilter arbeiten mit Ionenaustauschern. Diese werden eingesetzt, um bestimmte gewünschte Mineralien gezielt an das aufzubereitende Wasser abzugeben. Obwohl diese Filter ebenfalls als Mineralisierungsfilter verkauft werden, handelt es ich bei diesen Filtern streng genommen um keine Mineralisierungsfilter, da beispielsweise im Leitungswasser befindliches Calcium gegen Magnesium durch Ionenaustausch ersetzt wird. Der Gesamtmineralgehalt in eq/l des Ausgangswassers bleibt dabei konstant.
Schwach mineralisierte Wässer sind als Durstlöscher bei sportlicher Betätigung jedoch nur bedingt geeignet, da damit Salze, welche durch das Schwitzen verloren gehen, nicht ersetzt werden.
Geschmacklich sind schwach mineralisierte Wässer leicht von gut mineralisierten Wässern zu unterscheiden, da schwach mineralisierte Wässer in der Kehle im Abgang eine bitter empfundene Note hinterlassen. Eine angenehm empfundene Mineralisierung wird etwa ab einer Leitfähigkeit des Trinkwassers von 200 pS/cm erreicht. Ab einer Mineralisierung mit Leitfähigkeiten größer 1500 pS/cm kann man allerdings den hohen Mineralgehalt schmecken und das Wasser wird als salzig empfunden, wobei der Geschmack dann auch von der spezifischen Zusammensetzung abhängt.
Um notwendige Mineralien insbesondere bei sportlicher Betätigung zu sich zu nehmen, werden bisher häufig Mineraltabletten dem Trinkwasser zugesetzt. Diese Tabletten bestehen überwiegend aus den Citraten des Magnesiums, Calciums oder Kaliums.
In der zur Prioritätsanmeldung dieses Patentbegehrens nachveröffentlichten DE 10 2020 106 940 A1 wird eine Mineralisierungskartusche sowie ein Verfahren zu deren Betrieb beschrieben. Dabei wird innerhalb eines Druckbehälters einem Hauptstrom von Wasser mittels eines davon abgezweigten und durch einen Mineralienvorratsbehälter mit konstantem Volumen geführten Dosierstroms konzentrierte Salzlösung zudosiert.
In der JP 2001 347 263 A wird eine Wasserfilterkartusche beschrieben, in der Aktivkohlegranulat in einem Wasser durchlässigen Austauschbeutel vorgehalten ist. Eine Öffnung des Austauschbeutels ist mittels eines O-Rings an einem in den Austauschbeutel hineinragenden Rohr verschlossen befestigt. Die einzelnen Teile sind zum Zwecke eines einfachen Recyclings der verwendeten Rohstoffe leicht voneinander trennbar zusammengefügt.
Die EP 2 623 468 A2 offenbart ein Wasseraufbereitungssystem, umfassend einen Leitungsanschlusskopf und eine daran anschließbare Wasseraufbereitungskartusche. In die Wasseraufbereitungskartusche kann ein flexibler, wasserdurchlässiger, mit einem Reißverschluss verschließbarer Beutel eingesetzt werden, in welchem Zitronensäure oder Polyphosphat in der Form gepresster Pellets bei maximalem Kontakt mit dem aufzubereitenden Wasser zur Abgabe an letzteres vorgehalten wird.
Aus der EP 0 153 530 A2 sind ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, um eine Flüssigkeit einem anderen Flüssigkeitsstrom zuzudosieren.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe dieser Erfindung ist es nun, eine alternative Möglichkeit zur Mineralisierung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, vorzuschlagen, mittels der auch über lange Zeit große Volumenströme an Wasser mit einem möglichst gleichmäßig stabilen Mineralisierungsgrad so mineralisiert werden können, dass das so aufbereitete Wasser einen guten Ersatz von bei sportlicher Betätigung ausgeschwitzten Mineralien ermöglicht bei gleichzeitig als angenehm empfundenem Mineralisierungsgrad und unter möglichst guter Ausnutzung der hierfür bereitgestellten Mittel.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
Dementsprechend betrifft die Erfindung eine leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche, umfassend ein Gehäuse in der Form eines Druckbehälters, einen Einlass und einen Auslass für Wasser. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass in dem vom Wasser durchströmten Gehäuse ein eine konzentrierte Salzlösung beinhaltender Vorratsbehälter in der Form eines biegeschlaffen Beutels zur Zudosierung von Salzlösung in den das Gehäuse durchfließenden Wasserstrom angeordnet ist.
Biegeschlaff bedeutet, dass sich die Hülle des Beutels verformen kann und anschließend in dieser Form bleibt, ohne sich selbständig zurückzuformen.
Zur Steuerung des Dosierverhaltens der Wasseraufbereitungskartusche ist stromabwärts des Beutels eine Dosiervorrichtung zur Abgabe der konzentrierten Salzlösung aus dem Beutel in den Wasserstrom angeordnet.
Ferner umfasst die Dosiervorrichtung eine Widerstandsstrecke für den Wasserstrom, in der und/oder stromabwärts der eine mit dem Beutel flüssigkeitsleitend verbindbare Dosierleitung der Dosiervorrichtung als Dosierstelle mündet.
Entlang dieser Widerstandsstrecke entsteht bei deren Durchfließen am betreffenden Wasserstrom ein bestimmter Druckabfall. Dieser Druckabfall bewirkt einen entsprechenden Saugeffekt an der Mündung der Dosierleitung, welcher dafür sorgt, dass die in dem Beutel bevorratete Salzlösung/Sole an der Dosierstelle austritt.
Zusätzlich zur Widerstandsstrecke kann auch ein Ventil oder dgl. stromabwärts des die Salzlösung speichernden Beutels an einer Dosierleitung angeordnet sein. Die Schaltung kann seriell und/oder parallel sein.
Insbesondere vorteilhaft kann ein solches Ventil als Rückschlagventil ausgebildet sein. Derartige Ventile arbeiten als selbsttätige Stellelemente. Es ist kein Eingriff von außen erforderlich. Mit einem solchen Ventil kann ein dauerhaft stabiles Dosierverhältnis eingestellt und auch aufrechterhalten werden.
Z. B. können damit Verdünnungseffekte, insbesondere temporäre, die aufgrund einer größeren Dichte des Konzentrats gegenüber dem umgebenden Wasser während Stillstandszeiten auftreten würden, zuverlässig unterbunden werden.
Denn andernfalls könnte aufgrund der größeren Dichte des Konzentrats gegenüber dem es umgebenden Wasser das Konzentrat beim Stillstand des Filters Wasser über das Ende das Dosierrohr ggf. bis in den Beutel ziehen. Dadurch wären bei der nächsten Entnahme nach einem Stillstand der Anlage das zuvor in das Dosierrohr geflossene Konzentrat und dadurch auch das durch dieses aufzubereitende Wasser dementsprechend verdünnt.
Bevorzugt ist zumindest ein Teil der Widerstandsstrecke für den Wasserstrom stromaufwärts der Dosierstelle angeordnet und deren Strömungswiderstand ist so eingestellt, dass sich ein derartiger Differenzdruck zwischen dem Wasserstrom und einem vom Inhalt des biegeschlaffen Beutels gespeisten Dosierstrom ergibt, der einen zum Wasserstrom im Wesentlichen proportionalen Volumenstrom des Dosierstroms der Salzlösung durch die in den Wasserstrom mündende Dosieröffnung bewirkt.
Dieser Effekt hält bis zur Erschöpfung des Beutelinhalts. Ein weiterer, ressourcenschonender Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass nahezu der gesamte Inhalt des Beutels, die zuzudosierende Salzlösung, aufgrund dessen biegeschlaffer Eigenschaft aus diesem entnommen werden kann.
Auch die Ausführung des Beutels als biegeschlaffer Beutel kann einen Beitrag leisten. Denn dadurch, dass er einerseits so gut wie keinen Widerstand gegen seine Verformung entgegenstellt und sich andererseits nicht selbständig zurückformt, übt er im Grunde keinen Einfluss auf den über die Widerstandsverhältnisse in Wasserstrom und Sole-Dosierstrom eingestellten Saug- und damit Zudosiereffekt aus.
Auch der insbesondere vor der Widerstandsstrecke auf die Außenhülle des biegeschlaffen Beutels wirkende Wasserdruck wirkt sich stabilisierend auf die Zudosierung der Salzlösung in den Wasserstrom aus.
Im Hinblick auf einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen kann im Weiteren die Dosiervorrichtung ein Beutelanschlusselement zum Anschluss an ein komplementäres Dosiervorrichtungsanschlusselement an einen Beutel aufweisen. Damit kann der biegeschlaffe Beutel an die Dosiervorrichtung angeschlossen und nach Erschöpfung der darin bevorrateten Salzlösung wieder von ihr getrennt und z.B. durch einen neuen gefüllten Beutel ersetzt werden.
Ein einfacher und betriebssicherer Wechsel des Beutels kann z.B. dadurch ermöglicht werden, dass das Beutelanschlusselement mit einer wieder lösbaren Anschlussstruktur wie z.B. einem Gewinde, einem Bajonettanschluss oder einem Schnappverschluss versehen ist. Entsprechendes gilt natürlich für das komplementäre Anschlusselement.
Weiterhin kann die Dosiervorrichtung ein Mittel zum Öffnen des biegeschlaffen Beutels umfassen, vorzugsweise eine Stechvorrichtung, insbesondere eine Hohlnadel. Diese öffnet den Beutel bei der Herstellung der Anschlussverbindung und bewirkt so, dass die Salzlösung entsprechend des Saugverhaltens an der Dosierstelle aus dem Beutel entnommen und in den Wasserstrom zudosiert wird.
Dadurch wird der biegeschlaffe Beutel nach seiner Befüllung hermetisch verschlossen. Dies bewirkt zum einen eine verlustfreie und hygienisch sichere Bereitstellung der Salzlösung und zum anderen auch einen gewissen Schutz gegen Manipulation.
Zur weiteren Erhöhung der Nachhaltigkeit der Wasseraufbereitungskartusche kann die Dosiervorrichtung mittels einem dosiervorrichtungsseitigen Druckbehälteranschlussstück an den Ausgang des Gehäuses anschließbar ausgebildet sein. Dadurch kann sie von diesem bei Bedarf auch wieder getrennt werden, z.B. zum Zwecke einer Reinigung und/oder ihres Ersatzes.
Auch der Teil des Gehäuses, an dem der Ausgang ausgebildet ist, welcher z.B. becherförmig ausgebildet sein kann, kann nach der Trennung von der Dosiereinheit ebenfalls ressourcenerhaltend gereinigt und wieder verwendet werden.
Auch die Widerstandsstrecke selbst kann in einer becherförmig ausgebildeten Struktur der Dosiervorrichtung aufgenommen sein. Dadurch kann die Wasseraufbereitungskartusche z.B. als ein Zweikammersystem aufgebaut werden.
Um den Grad an Nachhaltigkeit für die Wasseraufbereitungskartusche noch weiter zu steigern, kann das Gehäuse einen Beutelaufnahmebecher und einen damit wasserdicht verbindbar ausgebildeten Anschlusskopf aufweisen, die beispielsweise beide gereinigt und wiederverwendet werden können.
Um einen Druckausgleich zwischen innen, der Sole, und außen, dem den Beutel umgebenden Wasser, zu ermöglichen, ist der Beutel so im Gehäuse anordenbar ausgebildet, dass zumindest ein Teil der Außenseite des Beutels vom Wasserdruck des vom Einlass einströmenden Wassers direkt und/oder indirekt beaufschlagbar ist.
Insbesondere bevorzugt kann in dem Vorratsbehälter, also dem biegeschlaffen Beutel, ein Vorratsvolumen an konzentrierter Salzlösung aus Sulfatsalz, Chloridsalz und/oder Hydrogencarbonatsalz vorliegen.
Damit kann eine Mineralisierung von praktisch mineralstofffreiem Wasser (z.B. aus Umkehrosmoseanlagen) oder von normal mineralisiertem Wasser (z.B. Leitungswasser) durch die Zugabe von gewünschten Mineralien, z.B. Magnesium, in einfach zu handhabender Weise ermöglicht werden. Mit Hilfe der Mineralisierung kann ein Trinkwasser erzeugt werden, das eine Leitfähigkeit von wenigstens 200 pS/cm hat.
Zur Durchführung eines solchen Verfahrens kann z. B. eine einfach zu installierende und, bezogen auf die Verfügbarkeit jeweils eines Beutelinhaltes, praktische wartungsfreie, leitungsgebundene Filterkartusche zur Mineralisierung verwendet werden.
Die Widerstandsstrecke kann in der Form einer Schüttung aus einem Granulat ausgebildet sein.
Zusätzlich hierzu kann der Dosierstrom auch eine Dosierstrecke (Dosierleitung) und/oder eine Kapillare umfassen. Die Kapillare kann z. B. einen Innendurchmesser in einem Bereich von ca. 0,1 bis 0,5 mm aufweisen, vorzugsweise einen Innendurchmesser zwischen 0,15 mm und 0,4 mm.
Mit allen diesen Ausführungsformen von Dosierstrecken kann in Abhängigkeit der Viskosität der zuzudosiernden konzentrierten Salzlösung die gewünschte Zudosiermenge zuverlässig eingestellt werden, insbesondere im Wesentlichen unabhängig von dem an der Wasserfilterkartusche anliegenden Leitungsdruck. D.h., die Dosierung/das Dosierverhältnis bleibt auch bei Druckschwankungen recht stabil.
Weitere Details zu einer solchen Filterkartusche werden später nachfolgend noch näher beschrieben.
Der vom Einlass kommende Wasserstrom kann in betriebsgemäßer Ausrichtung der Wasserfilterkartusche mit nach oben gerichteten Auslass gemäß einer Ausführungsform bevorzugt an die Unterseite der Widerstandsstrecke geführt sein, so dass die Widerstandsstrecke von unten nach oben durchströmt wird. Dadurch kann eine rasche Entlüftung und somit ein stabiler Betrieb bei Inbetriebnahme bewirkt werden. Diese Ausführung arbeitet auf der Basis eines Saugprinzips.
Dieses System entlüftet im Vergleich zu einer von oben her gespeisten Ausführungsform wesentlich besser und schneller. Insbesondere kann bei der Inbetriebnahme dabei ggf. im Salzlösungsbehältnis, dem Beutel, befindliche Luft durch das Dosierrohr sehr schnell entweichen, da der Widerstand des Dosierrohrs für Luft klein ist gegenüber dem Widerstand für Wasser.
Die Solelösung wird direkt aus dem Widerstandsrohr der Dosierstrecke in den Wasserstrom des aufzubereitenden Wassers dosiert.
Die Soledosierung selbst bleibt durch das Saugprinzip auch bei Druckschwankungen nahezu konstant. Bei Druckschwankungen im Zulauf, wie sie bei der Entspannung des gesamten Filters auftreten, z.B. wenn der Wasserdruck vor dem Filter von 2 bar auf 1 bar beim Öffnen eines Hahns zurückgeht, dehnen sich ggf. eingeschlossene Luftblasen im Salzlösungsbehälter aus. Diese Luftblasen verdrängen nur wenig gesättigte Sole über das nur schwer zu durchströmende Dosierrohr in Richtung Auslass, wohingegen die meiste Sole zurück in das große Fallrohr strömt und dabei keine Erhöhung der Salzfracht im mineralisierten Wasser hervorruft.
D. h., das Prinzip der Mineraliendosierung beruht auf einer Dosierung von mindestens einer konzentrierten Salzlösung, welche im Innern einer Filterkartusche in mindestens einem separaten Behälter aufbewahrt wird.
Zur Bereitstellung spezieller Mineralisierungsformen können z.B. auch mehr als ein Anschluss für biegeschlaffe Beutel mit ggf. unterschiedlichen Salzlösungen und/oder auch anderen Mineralien/Inhalten in der Wasseraufbereitungskartusche vorgesehen werden.
Die Salzlösungen haben dabei eine Löslichkeit von wenigstens 2 g/l (z.B. CaSO₄), in der Regel jedoch größer als 50 g/l und kleiner als 800 g/l. Ein bevorzugter Wert für CaCl₂ oder MgCl₂ liegt bei ca. 740 g/l, gerechnet mit CaCl₂ wasserfrei. In diesem Konzentrationsbereich funktioniert die vorgesehene Soledosierung zuverlässig.
Bevorzugt kann die mindestens eine Solelösung mit einem Volumenanteil von 0,05 % bis 2 % zum Wasserstrom dosiert werden.
Zur Mineralisierung von RO-Wasser (Umkehrosmosewasser) mit einer Leitfähigkeit von kleiner 50 µS/cm benötigt man beispielsweise für 2 mmol Härte (etwa 11,2° dH) im Filtrat ca. 0,8 ml Solelösung, bestehend aus Magnesiumsulfat, je Liter RO-Wasser. Bei dem Salz Natriumhydrogencarbonat benötigt man für 4 mmol etwa 3,5 ml, was aufgrund der Wertigkeit ebenfalls ca. 11,2° dH entspricht. Die Leitfähigkeit eines solchen Wassers liegt dann bei etwa 600 µS/cm.
Die Dosierung erfolgt durch den Abgriff des Differenzdrucks, der sich bei Durchströmung des Wasserstroms durch eine Widerstandsschicht einstellt, entlang der sich dadurch die Widerstandsstrecke ausbildet. Als Widerstandsschicht können beliebige Granulate z.B. in der Form einer Schüttung benutzt werden. Für die Schüttung kann z.B. ein Granulat mit einer Körnung von 0,1 mm bis 2 mm verwendet werden, die insbesondere eine Mindesterstreckung von 1 cm in Strömungsrichtung aufweist.
Hierzu kommen beispielsweise Ionenaustauscher, Aktivkohle oder andere Partikel (Glaskugeln) mit einer effektiven hydraulischen Korngröße von ca. 0,1 mm bis 2 mm in Betracht.
Beispiel: Wird eine Widerstandsschicht mit einer Korngröße von 0,15 mm bei einer Schichthöhe von 70 mm und einem Durchströmungsdurchmesser von 80 mm mit einem Volumenstrom von 1,0 l/min durchströmt, so ergibt sich ein Differenzdruck über die Höhe der Widerstandsschicht von ca. 100 mbar (siehe auch Kozeny-Carman Gleichung). Allerdings kann die absolute Größe des Widerstands bei unterschiedlichen Granulaten nur ungenau vorhergesagt werden, da der Widerstand sowohl von der Form der Partikel als auch von deren Packungsgrad stark abhängt.
Daher wird in der vorgeschlagenen Lösung vorzugsweise dasselbe Granulat für die Widerstandsschicht des Wasserstroms und die Widerstandsschicht des Dosierstroms verwendet.
Der Leitwert des Wassers zwischen Einlass und Auslass wird vorzugsweise um mindestens 100 pS/cm bis 2000 pS/cm angehoben, vorzugsweise um 600 pS/cm.
Um dies zu erreichen, ragt eine Dosierleitung in der Form eines Dosierrohrs in die Widerstandsschicht, welches bevorzugt mit demselben Granulat wie in der Widerstandsschicht des Wasserstroms gefüllt sein kann. Das Dosierverhältnis von Dosierstrom zu Wasserstrom lässt sich damit über die Flächenverhältnisse und die effektive Höhe der Widerstandsschicht des Wasserstroms und der effektiven Höhe der Widerstandsschicht des Dosierstroms anpassen.
Folgende Formel ist zu verwenden: (Querschnittsfläche des Dosierrohrs/effektive Höhe der Widerstandsschicht des Dosierrohrs)/ (Querschnittsfläche des Wasserstroms /effektive Höhe der Widerstandsschicht des Wasserstroms) ergibt das gewünschte Dosierverhältnis von Solekonzentrat zu Wasserstrom (unbehandeltem, nicht mineralisiertem Wasser) $\frac{\frac{A_{D R}}{H_{D R}}}{\frac{A_{H S}}{H_{H S}}} = V_{D}$
Beispiel: Es soll ein Dosierverhältnis von 0,001 erreicht werden, d.h. 1 ml Konzentrat auf 1000 ml Wasser. Bei 80 mm Innendurchmesser des Filters (= Durchmesser der Widerstandsschicht des Wasserstroms) und 70 mm effektiver Höhe der Widerstandsschicht des Wasserstroms und 90 mm effektiver Höhe der Widerstandsschicht des Dosierstroms kann der Durchmesser des Dosierrohrs mit folgenden Zusammenhängen abgeschätzt werden. $A_{D R} = V_{D} \frac{A_{H S}}{H_{H S}} H_{D R}$
Mit $\begin{matrix} A_{H S} = 5026 m m^{2}, & V_{D} = 0.001, & H_{H S} = 70 m m, H_{D R} = 90 m m \end{matrix}$
ergibt sich $A_{D R} = 6.5 m m^{2}$
und damit ein Innendurchmesser des Dosierrohrs von etwa 3 mm.
Wird das Dosierrohr von konzentrierter Salzlösung durchflossen, so muss der Widerstand des Dosierrohrs auch an die dynamische Viskosität der konzentrierten Salzlösung im Vergleich zu der dynamischen Viskosität von Wasser angepasst werden.
Eine Berücksichtigung ist für hoch konzentrierte Salzlösungen mit einem Salzgehalt größer 250 g/l notwendig. So weist beispielsweise eine konzentrierte CaCl₂-Lösung mit bis zu 740 g/l Salz eine signifikant höhere dynamische Viskosität als reines Wasser auf. Die dynamische Viskosität des Salzkonzentrats kann gegenüber dem Wasser um etwa Faktor 4 höher sein. Entsprechend muss, um die erhöhte dynamische Viskosität auszugleichen, der Dosierquerschnitt um etwa Faktor 4 vergrößert werden, um das gewünschte Dosierverhältnis zu erreichen.
Dieser Effekt ist für eine gleichmäßige Dosierung über den Lebenszeitraum der Kartusche vorteilhaft, da die Salzlösung in der Salzkammer gegen Ende der Kartuschenlebensdauer immer stärker mit dem zufließenden Rohwasser verdünnt wird. Durch die Verdünnung des Salzkonzentrats sinkt auch dessen Viskosität und die Dosiermenge erhöht sich. Insgesamt bleibt die zudosierte Salzmenge aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung -Verdünnungswirkung/sinkende Viskosität/höhere Zudosierratezumindest im Groben betrachtet jedoch in etwa gleich bis zu ihrer abschließenden Erschöpfungsphase. Zur Bestimmung der Dosiermenge gilt: $\frac{\frac{A_{D R}}{H_{D R}} η s}{\frac{A_{H S}}{H_{H S}} η w} = V_{D},$
wobei
die dynamische Viskosität von Wasser ηw und die dynamische Viskosität der Salzlösung ηs sind.
Die Widerstandsstrecke kann auch durch eine Kapillare anstelle eines mit Granulat gefüllten Dosierrohrs gebildet werden. Wird für die Widerstandsstrecke des Hauptstroms Granulat mit einer Körnung von 0,1 bis etwa 1 mm verwendet, so hat sich gezeigt, dass der Innendurchmesser der Kapillare zur Bildung der Widerstandsstrecke zur Dosierung der Salzlösung im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegen soll, insbesondere zwischen 0,15 bis 0,4 mm.
Mit der oben beschriebenen Apparatur kann im Durchlauf ein weitgehend durchflussunabhängiges Dosierverhältnis zwischen unbehandeltem Wasser und Sole erreicht werden. In obigem Beispiel ist dies zwischen 0,5 l/min bis etwa 3 l/min gegeben.
Da die Wasserfilterkartusche bei einem Druck von 0,2 bar bis 8,0 bar betrieben werden kann, kann sie problemlos an alle gängigen Wasserversorgungsleitungen angeschlossen werden.
Formel zur Ermittlung des zylindrischen Vergleichsdurchmessers bei Verwendung eines konischen Rohrs mit d1 (Zulauf) und d2 (Ablauf):

d1 - großer Durchmesser
d2 - kleiner Durchmesser
dR - Vergleichsdurchmesser eines zylindrischen Rohrs

d R = \sqrt{\frac{1}{(\frac{1}{d 1 d 2 - d 2^{2}} - \frac{1}{d 1^{2} - d 1 d 2 d})}}

Die leitungsgebundenen Wasserfilterkartusche kann eine Dosierstrecke umfassen, insbesondere eine Dosierleitung, bzw. einen Dosierstrom mit einer Widerstandsstrecke in der Form einer Schüttung aus einem Granulat und/oder einer Kapillare und/oder einer anderweitig porös durchlässigen Widerstandskomponente, beispielsweise einer aus gesintertem Granulat gebildeten Widerstandskomponente, wobei die Kapillare vorzugsweise einen Innendurchmesser in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweist, insbesondere zwischen 0,17 mm und 0,35 mm.
Im Weiteren können die Widerstandsstrecke des Dosierstroms und die Widerstandsstrecke des Wasserstroms aus demselben Granulat bestehen.
Die Widerstandsstrecke kann auch ein Wasserfiltermaterial umfassen. Dadurch kann zusätzlich eine Reinigung des Wassers erfolgen, z.B. mittels Aktivkohle, um ggf. im Wasser befindliche Keime zu entfernen.
Im Übrigen wurde herausgefunden, dass ein besonders stabiler Betrieb möglich ist, wenn mindestens eine konzentrierte Salzlösung von Sulfatsalzen, Chloridsalzen oder Hydrogencarbonatsalzen im Beutel vorhanden ist, deren Löslichkeit mindestens 2 g/l bei 20°C beträgt, vorzugsweise wenigstens 50 g/l bei 20°C, insbesondere 740 g/l bei 20°C.
Eine insbesondere gute Mischung kann erzielt werden, wenn das Verhältnis der Zudosierung so eingestellt ist, dass mindestens eine Salzlösung mit einem Volumenanteil von 0,05% bis 2% zum Wasserstrom dosiert wird.
Zum Einsatz in einer leitungsgebundenen Wasseraufbereitungskartusche ist ein eine konzentrierte Salzlösung beinhaltender, biegeschlaffer Beutel zur Zudosierung von Salzlösung in aufzubereitendes Wasser mittels einer leitungsgebundenen Wasseraufbereitungskartusche vorgesehen.
Ausführungsbeispiel:
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figur Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Es zeigt:

1: Beispielhaft und schematisch eine Wasseraufbereitungskartusche in Schnittdarstellung.

Dementsprechend zeigt die 1 eine leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche 1, umfassend ein Gehäuse 2 in der Form eines Druckbehälters, einen Einlass 4 und einen Auslass 5 für Wasser 3. Die Fließrichtung des Wassers ist durch Pfeile 3.1 symbolisiert, der durch das Wasser erzeugte Wasserdruck durch Pfeile 3.2.
In dem vom Wasser 3 durchströmten Gehäuse 2 ist ein eine konzentrierte Salzlösung 6.1 beinhaltender Vorratsbehälter in der Form eines biegeschlaffen Beutels 6 zur Zudosierung von Salzlösung 6.1 in den das Gehäuse 2 durchfließenden Wasserstrom 3.1 angeordnet.
Stromabwärts des Beutels 6 ist eine Dosiervorrichtung 7 zur Abgabe der konzentrierten Salzlösung 6.1 aus dem Beutel 6 in den Wasserstrom 3.1 angeordnet.
Die Dosiervorrichtung 7 umfasst eine Widerstandsstrecke 7.1 für den Wasserstrom 3.1, in der eine mit dem Beutel 6 flüssigkeitsleitend verbindbare Dosierleitung 7.2 der Dosiervorrichtung 7 als Dosierstelle 7.2.1 mündet.
Ein Teil der Widerstandsstrecke 7.1 für den Wasserstrom 3.1 ist stromaufwärts der Dosierstelle 7.2.1 angeordnet. Deren Strömungswiderstand, also der Widerstand für den durchfließenden Wasserstrom 3.1, ist so eingestellt, dass sich ein Differenzdruck zwischen dem Wasserstrom 3.1 und einem vom Inhalt des biegeschlaffen Beutels 6 gespeisten Dosierstrom ergibt, der einen zum Wasserstrom 3.1 im Wesentlichen proportionalen Volumenstrom des Dosierstroms der Salzlösung 6.1 durch die in den Wasserstrom 3.1 mündende Dosieröffnung 7.2.1 bewirkt.
Zur Stabilisierung des Dosierverhältnisses von Salzlösung in das aufzubereitende Wasser kann ein Ventil 8, insbesondere ein Rückschlagventil 8, stromabwärts des die Salzlösung 6.1 speichernden Beutels 6 an der Dosierleitung 7.2 angeordnet sein. In der beispielhaften und schematischen Darstellung der 1 ist ein solches Rückschlagventil 8 eher im stromaufwärtigen Bereich der Dosierleitung 7.2 dargestellt. Es kann jedoch auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, insbesondere am Ende der Dosierleitung 7.2.
Denn, je näher seine Anordnung jedoch Richtung stromabwärtiges Ende der Dosierleitung 7.2 ist, desto besser kann ein Einziehen des Wassers in den Bereich, in dem sich das Konzentrat befindet, und ein damit einhergehender Auswascheffekt unterbunden werden.
Die Dosiervorrichtung 7 weist ein dosiervorrichtungsseitiges Beutelanschlusselement 7.3 zum Anschluss an ein komplementäres Dosiervorrichtungsanschlusselement 6.3 an einem Beutel 6 auf. In der dargestellten Ausführungsform weist das Beutelanschlusselement 6.3 ein Gewinde auf. Möglich wären auch Ausführungen mit einem Bajonettanschluss, einem Schnappverschluss oder einer anderen wieder lösbaren Anschlussstruktur.
Die Dosiervorrichtung 7 umfasst ein Mittel 7.4 zum Öffnen des biegeschlaffen Beutels 6. In der dargestellten Ausführung ist dies eine Stechvorrichtung in der Form einer Hohlnadel 7.4.
Die Dosiervorrichtung 7 ist mittels einem dosiervorrichtungsseitigen Druckbehälteranschlussstück 7.5 an den Ausgang 5 des Gehäuses 2 anschließbar ausgebildet.
Die Widerstandsstrecke 7.1 ist in einer becherförmig ausgebildeten Struktur 7.6 der Dosiervorrichtung 7 aufgenommen.
Das Gehäuse 2 weist einen Beutelaufnahmebecher 2.1 (unterer Becher) und einen damit wasserdicht verbindbar ausgebildeten Anschlusskopf 2.2 (oberer Becher) auf. Zum Austausch des Beutels 6 und/oder zum Zwecke der Reinigung können diese beiden Gehäuseteile 2.1 und 2.2 getrennt und nach Erledigung des gewünschten Vorgangs wieder miteinander verbunden werden.
Der Beutel 6 ist so im Gehäuse 2 anordenbar ausgebildet, dass zumindest ein Teil der Außenseite 6.4 des Beutels 6 vom Wasserdruck 3.2 des vom Einlass 4 einströmenden Wassers 3 direkt und/oder indirekt beaufschlagbar ist.
In dem Beutel 6 liegt ein Vorratsvolumen an konzentrierter Salzlösung 6.1 aus Sulfatsalz, Chloridsalz und/oder Hydrogencarbonatsalz vor.
Die Widerstandsstrecke 7.1 ist in der Form einer Schüttung aus einem Granulat ausgebildet. Die Dosierleitung 7.2 ist als Widerstandsstrecke in der Form einer Schüttung aus einem Granulat und/oder einer Kapillare ausgebildet ist, welche vorzugsweise einen Innendurchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm aufweist, insbesondere zwischen 0,17 und 0,35 mm.
Die Widerstandsstrecke des Dosierstroms 7.2 und die Widerstandsstrecke 7.1 des Wasserstroms 6 bestehen aus demselben Granulat.
Die Widerstandsstrecke 7.1, 7.2 kann zur weiteren Aufbereitung des Wassers ein Wasserfiltermaterial umfassen.
Der vom Einlass 4 kommende Wasserstrom wird in betriebsgemäßer Ausrichtung der Wasserfilterkartusche 1, mit nach oben gerichtetem Auslass 5, an die Unterseite der Widerstandsstrecke 7.1 geführt, so dass die Widerstandsstrecke 7.1 von unten nach oben durchströmt wird.
Im Beutel ist mindestens eine konzentrierte Salzlösung 6.1 von Sulfatsalzen, Chloridsalzen oder Hydrogencarbonatsalzen vorhanden, deren Löslichkeit mindestens 2 g/l bei 20°C beträgt, vorzugsweise wenigstens 50 g/l bei 20°C, insbesondere 740 g/l bei 20°C. Das Verhältnis der Zudosierung ist so eingestellt, dass mindestens eine Salzlösung 6.1 mit einem Volumenanteil von 0,05% bis 2% zum Wasserstrom 3.1 dosiert wird.
Für die Schüttung ist ein Granulat mit einer Körnung von 0,1 mm bis 2 mm vorgesehen, die insbesondere eine Mindesterstreckung (6.4, 7.4) von 1 cm in Strömungsrichtung aufweist.
Der Leitwert des Wassers 3 kann zwischen Einlass 4 und Auslass 5 um mindestens 100 µS/cm bis 2000 µS/cm angehoben werden, vorzugsweise um 600 µS/cm.
Der Betriebsdruck der Wasserfilterkartusche 1 ist vorzugsweise für einen Druck von 0,2 bar bis 8,0 bar ausgelegt.
Der eine konzentrierte Salzlösung beinhaltende, biegeschlaffe Beutel 6 ist zur Zudosierung von Salzlösung 6.1 in aufzubereitendes Wasser 3 mittels einer leitungsgebundenen Wasseraufbereitungskartusche 1 ausgebildet.
Bezugszeichenliste:

1: Filterkartusche
2: Gehäuse
2.1: Beutelaufnahmebecher
2.2: Anschlusskopf
3: Wasser
3.1: Wasserstrom
3.2: Wasserdruck
4: Einlass
5: Auslass
6: Beutel
6.1: Salzlösung
6.3: Dosiervorrichtungsanschlusselement
6.4: Außenseite
7: Dosiervorrichtung
7.1: Widerstandsstrecke
7.2: Dosierleitung
7.2.1: Dosierstelle
7.3: Beutelanschlusselement
7.4: Hohlnadel
7.5: Druckbehälteranschlussstück
7.6: becherförmige Struktur
8: Ventil (insbes. Rückschlagventil)

Claims

Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche (1), umfassend ein Gehäuse (2) in der Form eines Druckbehälters, einen Einlass (4) und einen Auslass (5) für Wasser (3), wobei in dem vom Wasser (3) durchströmten Gehäuse (2) ein eine konzentrierte Salzlösung (6.1) beinhaltender Vorratsbehälter (6) in der Form eines biegeschlaffen Beutels (6) zur Zudosierung von Salzlösung (6.1) in den das Gehäuse (2) durchfließenden Wasserstrom (3.1) angeordnet ist und wobei stromabwärts des Beutels (6) eine Dosiervorrichtung (7) zur Abgabe der konzentrierten Salzlösung (6.1) aus dem Beutel (6) in den Wasserstrom (3.1) angeordnet ist und wobei die Dosiervorrichtung (7) eine Widerstandsstrecke (7.1) für den Wasserstrom (3.1) umfasst, wobei in der Widerstandsstrecke (7.1) und/oder stromabwärts dieser Widerstandsstrecke (7.1) eine mit dem Beutel (6) flüssigkeitsleitend verbindbare Dosierleitung (7.2) der Dosiervorrichtung (7) als Dosierstelle (7.2.1) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung (7)ein dosiervorrichtungsseitiges Beutelanschlusselement (7.3) zum Anschluss an ein komplementäres Dosiervorrichtungsanschlusselement (6.3) an dem Beutel (6) aufweist und/oder ein Mittel (7.4) zum Öffnen des biegeschlaffen Beutels (6) umfasst, vorzugsweise eine Stechvorrichtung (7.4), insbesondere eine Hohlnadel (7.4), und dass der Beutel (6) bis auf den Anschluss hermetisch verschlossen und so im Gehäuse (2) anordenbar ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil der Außenseite (6.4) des Beutels (6) vom Wasserdruck (3.2) des vom Einlass (4) einströmenden Wassers (3) direkt und/oder indirekt beaufschlagbar ist, sodass der auf die Außenhülle (6.4) des biegeschlaffen Beutels (6) wirkende Wasserdruck (3.2) sich stabilisierend auf die Zudosierung der Salzlösung (6.1) in den Wasserstrom (3.1) auswirkt.
Leitungsgebundene Wasserfilterkartusche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsstrecke (7.1) in der Form einer Schüttung aus einem Granulat ausgebildet ist.
Leitungsgebundene Wasserfilterkartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierleitung (7.2) als Widerstandsstrecke in der Form einer Schüttung aus einem Granulat und/oder einer Kapillare ausgebildet ist, wobei die Kapillare vorzugsweise einen Innendurchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm aufweist, insbesondere zwischen 0,17 und 0,35 mm.
Leitungsgebundene Wasserfilterkartusche nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsstrecke des Dosierstroms (7.2) und die Widerstandsstrecke (7.1) des Wasserstroms (3.1) aus demselben Granulat bestehen.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schüttung ein Granulat mit einer Körnung von 0,1 mm bis 2 mm vorgesehen ist, die insbesondere eine Mindesterstreckung von 1 cm in Strömungsrichtung aufweist.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsstrecke (7.1) ein Wasserfiltermaterial umfasst.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsstrecke (7.1) in einer becherförmig ausgebildeten Struktur (7.6) der Dosiervorrichtung (7) aufgenommen ist.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beutelanschlusselement (7.3) eine wieder lösbare Anschlussstruktur aufweist, insbesondere ein Gewinde, einen Bajonettanschluss oder einen Schnappverschluss.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung (7) mittels eines dosiervorrichtungsseitigen Druckbehälteranschlussstücks (7.5) an den Ausgang (5) des Gehäuses (2) anschließbar ausgebildet ist.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Beutelaufnahmebecher (2.1) und einen damit wasserdicht verbindbar ausgebildeten Anschlusskopf (2.2) aufweist.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine konzentrierte Salzlösung (6.1) aus Sulfatsalzen, Chloridsalzen und/oder Hydrogencarbonatsalzen im Beutel (6) vorhanden ist, deren Löslichkeit mindestens 2 g/l bei 20°C beträgt, vorzugsweise wenigstens 50 g/l bei 20°C, insbesondere 740 g/l bei 20°C.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (8), insbesondere ein Rückschlagventil (8), stromabwärts des die Salzlösung (6.1) speichernden Beutels (6) an der Dosierleitung (7.2) angeordnet ist.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Einlass (4) kommende Wasserstrom (3.1) in betriebsgemäßer Ausrichtung der Wasserfilterkartusche (1) mit nach oben gerichtetem Auslass (5) an die Unterseite der Widerstandsstrecke (7.1) geführt wird, so dass die Widerstandsstrecke (7.1) von unten nach oben durchströmt wird.
Leitungsgebundene Wasseraufbereitungskartusche nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck der Wasserfilterkartusche (1) für einen Druck von 0,2 bar bis 8,0 bar ausgelegt ist.