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Die Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere eine Wasseraufbereitungsanlage für eine Einzelentnahmestelle.
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Stand der Technik
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Es sind Wasseraufbereitungsanlagen bekannt, bei denen im großen Maßstab Trinkwasser bereitgestellt werden kann. Diese können mittels mechanischer Dampfkomprimierungsdestillation (englisch: mechanical vapor compression destillation - MVCD) arbeiten und beispielsweise in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt werden. Ferner sind auch Wasseraufbereitungsanlagen für Einzelentnahmestellen bekannt, wobei hier eine Reinigung, Entsalzung und/oder Entkalkung des über einen Hausanschluss bereitgestellten Wassers vor der Verwendung im Vordergrund steht, insbesondere in Ländern mit verunreinigtem Wasser, aber auch um Wasser beispielsweise zu entkalken. Hier kann beispielsweise vorgesehen sein, eine Wasseraufbereitungsanlage in der Küche zu betreiben, um dort aufbereitetes Trinkwasser verwenden zu können. Diese Wasseraufbereitungsanlagen für Einzelentnahmestellen bereiten das Wasser mittels Umkehrosmose (englisch: reverse osmosis - RO) auf. Verunreinigungen werden dabei mittels Filtermembranen entfernt. Das MVCD-Verfahren würde gegenüber dem RO-Verfahren auch bei Wasseraufbereitungsanlagen für Einzelentnahmestellen vorteilhaft angewendet werden können, mit den bisher bekannten Ansätzen ist aber aufgrund von thermodynamischen Fluktuationen ein stabiler Betrieb nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasseraufbereitungsanlage bereitzustellten, bei der auch bei kleinen Massenflussraten, wie sie bei Wasseraufbereitungsanlagen für Einzelentnahmestellen vorkommen, einen stabilen Betrieb mittels mechanischer Dampfkomprimierungsdestillation (MVCD) ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere eine Wasseraufbereitungsanlage für eine Einzelentnahmestelle, weist einen Einlass für Wasser, einen ersten Auslass für aufbereitetes Wasser und einen zweiten Auslass für Abwasser, ein Wassergefäß, eine Verdampfer-Kondensator-Einheit, einen Tropfenabscheider und einen Kompressor auf. Der Einlass ist mit dem Wassergefäß verbunden. Das Wassergefäß ist mit einem Verdampfereinlass eines Verdampfers der Verdampfer-Kondensator-Einheit verbunden. Ein Verdampferauslass des Verdampfers der Verdampfer-Kondensator-Einheit ist mit dem im Wassergefäß angeordneten Tropfenabscheider verbunden, wobei der Tropfenabscheider mit einem Kondensatoreinlass eines Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit verbunden ist. Ein Kondensatorauslass des Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit ist mit dem ersten Auslass verbunden. Der Kompressor ist zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kondensatoreinlass angeordnet, wobei der Kompressor eingerichtet ist, um auf der Seite des Tropfenabscheiders einen Unterdruck zu erzeugen, wobei der Kompressor derart ausgestaltet ist, dass im Bereich von Massenflussraten unter 1 Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt.
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Der Unterdruck kann dabei als Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator der Verdampfer-Kondensator-Einheit verstanden werden. Insbesondere ist ein Druck im Verdampfer niedriger als ein Druck im Kondensator. Um einen thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass eine Kondensationswärme, die durch eine Kondensation von Wasser im Kondensator entsteht, direkt an den Verdampfer weitergebenen wird, um dort die für die Verdampfung von Wasser nötige Energie zur Verfügung zu stellen. Aufgrund des Unterdrucks ist dabei die Kondensationstemperatur im Kondensator höher als die Verdampfungstemperatur im Verdampfer, so dass eine effiziente Energierückgewinnung möglich ist.
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Verwendet man Kompressoren, bei denen im Bereich von Massenflussraten der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate sinkt, so führt das dazu, dass für die Verdampfung zusätzliche Energie benötigt wird, so dass der Gesamtprozess energetisch ineffizient wird. Aufgrund von kleinen Wärmekapazitäten in der Wasseraufbereitungsanlage schlagen kleine Veränderungen in der Massenflussrate stärker auf den erzeugten Unterdruck durch, so dass die Wasseraufbereitungsanlage bei kleinen Massenflussraten (unter 1 Kilogramm pro Stunde) nicht stabil betrieben werden kann, wenn eine solche Charakteristik des Zusammenhangs zwischen Massenflussrate und Unterdruck besteht. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Charakteristik derart auszugestalten, dass im Bereich von Massenflussraten unter 1 Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt. Dadurch kann ein sich selbst regulierendes Gleichgewicht erreicht werden, bei dem eine sinkende Massenflussrate zu einem erhöhten Unterdruck und damit zu einer Absenkung der Verdampfungstemperatur verglichen mit der Kondensationstemperatur führt. Dies hat eine stärkere Verdampfung und damit eine erhöhte Massenflussrate zur Folge, so dass das Gleichgewicht leichter gehalten werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Kompressor derart ausgestaltet ist, dass im Bereich von Massenflussraten unter 2 Kilogramm pro Stunde oder auch im gesamten Bereich der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt. In jedem Fall muss der Kompressor so ausgestaltet sein, dass im Bereich von Massenflussraten unter 1 Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt, wobei in diesem Fall außerhalb dieses Bereichs auch ein anderes Verhalten von Unterdruck und Masseflussrate möglich ist.
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Im Betrieb reichern sich unerwünschte Bestandteile des über den Einlass zugeführten Wassers, wie beispielsweise Salze, Kalk oder organische Materialien im Wassergefäß an, so dass von Zeit zu Zeit das im Wassergefäß verbleibende Abwasser, das auch als Sole (englisch: brine) bezeichnet werden kann, über den zweiten Auslass entfernt werden kann. Der Tropfenabscheider dient insbesondere dazu, im Verdampfer mitgerissene Wassertropfen, die ebenfalls Salze, Kalk oder organische Materialien enthalten, vom Wasserdampf zu trennen und wieder in das Wassergefäß zurückzuführen.
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Zwischen den als verbunden bezeichneten Elementen können weitere Elemente vorgesehen sein. Beispielsweise ist der Tropfenabscheider mit dem Kondensatoreinlass verbunden und zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kondensatoreinlass der Kompressor angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist der Kompressor in Form eines Seitenkanalgebläses (englisch: side-channel blower) realisiert. Seitenkanalgebläse weisen die geforderte Charakteristik auf, so dass diese insbesondere derart ausgestaltet sind, dass im Bereich von Massenflussraten unter ein Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt.
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In einer Ausführungsform ist ein Wärmetauscher mit einer Wärme aufnehmenden Seite zwischen dem Einlass und dem Wassergefäß und mit einer Wärme abgebenden Seite zwischen dem Kondensatorauslass und dem ersten Auslass angeordnet. Dadurch wird eine weitere Effizienzsteigerung erreicht, da das Wasser nach der Kondensation immer noch eine gewisse Restwärme aufweist, die mittels des Wärmetauschers an das zugeführte Wasser abgegeben werden kann.
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In einer Ausführungsform ist zwischen dem Kondensatorauslass und dem ersten Auslass ein Vorratstank angeordnet. Dadurch wird ermöglicht, aufbereitetes Wasser für eine spätere Verwendung aufzubewahren. Es kann vorgesehen sein, dass die Wasseraufbereitungsanlage mit einer Steuerung und einem Füllstandssensor ausgestattet ist, wobei mittels des Füllstandssensors ein Füllstand des Vorratstanks gemessen wird und die Wasseraufbereitungsanlage anhand des Füllstands durch die Steuerung ein- und/oder ausgeschaltet wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Vorratstank bei unterschreiten einer Mindestfüllenge komplett aufgefüllt wird und anschließend die Wasseraufbereitungsanlage in einen Ruhemodus versetzt wird, bis der Füllstand wieder unterhalb der Mindestfüllmenge ist.
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In einer Ausführungsform beträgt der Unterdruck maximal zweihundert Millibar. Ein solcher Unterdruck ist mit den hinsichtlich der oben erläuterten Charakteristik von Unterdruck und Masseflussrate geeigneten Kompressoren, insbesondere mit dem Seitenkanalgebläse, gut erreichbar.
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In einer Ausführungsform ist der Tropfenabscheider ein Zyklonabscheider. Zyklonabscheider sind gut als Tropfenabscheider geeignet.
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In einer Ausführungsform beträgt die Massenflussrate maximal fünf Kilogramm pro Stunde. Insbesondere Wasseraufbereitungsanlagen für Einzelentnahmestellen, also beispielsweise zum Einsatz in einer Küche weisen solche Massenflussraten auf.
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In einer Ausführungsform ist der Einlass eingerichtet, an eine Hauswasserleitung angeschlossen zu werden. Insbesondere kann der Einlass ein entsprechendes Anschlusselement aufweisen. In einer Ausführungsform ist der zweite Auslass eingerichtet, an eine Hausabwasserleitung angeschlossen zu werden. Insbesondere kann der zweite Auslass ein entsprechendes Anschlusselement aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist ein Heizelement im Wassergefäß angeordnet. Dies ermöglicht ein Vorheizen des Wassers im Wassergefäß und damit ein schnelleres Aufbereiten des Wassers.
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In einer Ausführungsform ist eine Umwälzpumpe zwischen dem Wassergefäß und dem Verdampfereinlass angeordnet. Dadurch wird eine weitere Effizienzsteigerung der Wasseraufbereitungsanlage möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
- 1 eine Wasseraufbereitungsanlage;
- 2 ein Diagramm eines Unterdrucks über einer Massenflussrate; und
- 3 eine weitere Wasseraufbereitungsanlage.
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1 zeigt eine Wasseraufbereitungsanlage 100 mit einem Einlass 101 für Wasser, einem ersten Auslass 102 für aufbereitetes Wasser und einem zweiten Auslass 103 für Abwasser, einem Wassergefäß 104, einer Verdampfer-Kondensator-Einheit 110, einem Tropfenabscheider 105 und einem Kompressor 120, wobei der Einlass 101 mit dem Wassergefäß 104 verbunden ist, wobei das Wassergefäß 104 mit einem Verdampfereinlass 112 eines Verdampfers 111 der Verdampfer-Kondensator-Einheit 110 verbunden ist, wobei ein Verdampferauslass 113 des Verdampfers 111 der Verdampfer-Kondensator-Einheit 110 mit dem im Wassergefäß 104 angeordneten Tropfenabscheider 105 verbunden ist, wobei der Tropfenabscheider 105 mit einem Kondensatoreinlass 117 eines Kondensators 116 der Verdampfer-Kondensator-Einheit 110 verbunden ist, wobei ein Kondensatorauslass 118 des Kondensators 116 der Verdampfer-Kondensator-Einheit 110 mit dem ersten Auslass 102 verbunden ist, wobei der Kompressor 120 zwischen dem Tropfenabscheider 105 und dem Kondensatoreinlass 117 angeordnet ist, wobei der Kompressor 120 eingerichtet ist, auf der Seite des Tropfenabscheiders 105 einen Unterdruck zu erzeugen, wobei der Kompressor 120 derart ausgestaltet ist, dass im Bereich von Massenflussraten unter 1 Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt. Es kann vorgesehen sein, dass der Kompressor 120 derart ausgestaltet ist, dass im Bereich von Massenflussraten unter 2 Kilogramm pro Stunde oder auch im gesamten Bereich der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt. In jedem Fall muss der Kompressor 120 so ausgestaltet sein, dass im Bereich von Massenflussraten unter 1 Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt, wobei in diesem Fall außerhalb dieses Bereichs auch ein anderes Verhalten von Unterdruck und Masseflussrate möglich ist.
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Der Unterdruck kann dabei als Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer 111 und dem Kondensator 116 der Verdampfer-Kondensator-Einheit 110 verstanden werden. Insbesondere ist ein Druck im Verdampfer 111 niedriger als ein Druck im Kondensator 116. Um einen thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass eine Kondensationswärme, die durch eine Kondensation von Wasser im Kondensator 116 entsteht, direkt an den Verdampfer 111 weitergebenen wird, um dort die für die Verdampfung von Wasser nötige Energie zur Verfügung zu stellen. Aufgrund des Unterdrucks ist dabei die Kondensationstemperatur im Kondensator 116 höher als die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 111, so dass eine effiziente Energierückgewinnung möglich ist.
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Der Tropfenabscheider 105 ist dabei als Düse 106 und Netz 107 ausgestaltet. Wird im Verdampfer 111 Wasser verdampft, kann dabei auch vorhandenes Wasser als Tröpfchen mitgerissen werden. Diese Tröpfchen werden vom Netz 107 zurückgehalten und fließen wieder nach unten in das Wassergefäß 104 zurück, während der Wasserdampf den Tropfenabscheider 105 nach oben verlassen kann. Alternativ zur Darstellung der 1 sind auch andere Ausgestaltungen des Tropfenabscheiders 105 denkbar.
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Im Betrieb reichern sich unerwünschte Bestandteile des über den Einlass 101 zugeführten Wassers, wie beispielsweise Salze, Kalk oder organische Materialien im Wassergefäß 104 an, so dass von Zeit zu Zeit das im Wassergefäß 104 verbleibende Abwasser über den zweiten Auslass 103 entfernt werden kann. Der Tropfenabscheider 105 dient insbesondere dazu, im Verdampfer 111 mitgerissene Wassertropfen, die ebenfalls Salze, Kalk oder organische Materialien enthalten, vom Wasserdampf zu trennen und wieder in das Wassergefäß 104 zurückzuführen.
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2 zeigt ein Diagramm 200, wobei ein Unterdruck 201 über einer Massenflussrate 202 aufgetragen ist. Ein erster Verlauf 203 zeigt dabei das erfindungsgemäße Verhältnis zwischen Unterdruck 201 und Massenflussrate 202. Ist die Massenflussrate 202 kleiner als eine erste Massenflussrate 204, die 1 Kilogramm pro Stunde beträgt, so ist aus dem Diagramm ersichtlich, dass im Bereich bis zur ersten Massenflussrate 204 der Unterdruck 201 bei sinkender Massenflussrate 202 ansteigt und bei steigender Massenflussrate 202 absinkt. Ein zweiter Verlauf 210 (gestrichelt) zeigt ein Verhältnis von Unterdruck 201 und Massenflussrate 202 für die bisher aus dem Stand der Technik bekannten Kompressoren, bei denen im Bereich bis zur ersten Massenflussrate 204 der Unterdruck 201 bei sinkender Massenflussrate 202 absinkt und bei steigender Massenflussrate 202 ansteigt. Um die Wasseraufbereitungsanlage stabil zu betreiben, ist das durch den ersten Verlauf 203 dargestellte Verhalten vorteilhaft, ein sich selbst regulierendes Gleichgewicht erreicht werden kann, bei dem eine sinkende Massenflussrate 202 zu einem erhöhten Unterdruck 201 und damit zu einer Absenkung der Verdampfungstemperatur verglichen mit der Kondensationstemperatur führt. Dies hat eine stärkere Verdampfung und damit eine erhöhte Massenflussrate 202 zur Folge, so dass das Gleichgewicht leichter gehalten werden kann. Für den zweiten Verlauf 210 stellt sich ein solches Gleichgewicht nicht ein.
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3 zeigt eine weitere Wasseraufbereitungsanlage 100, die der Wasseraufbereitungsanlage 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Wasseraufbereitungsanlage 100 der 3 zeigt weitere Elemente, die jeweils einzeln ebenfalls optional in der Wasseraufbereitungsanlage 100 der 1 vorgesehen sein können. Diese einzelnen, auch in 1 vorsehbaren Elemente werden im Folgenden jeweils als ein zusätzliches Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Kompressor 120 in Form eines Seitenkanalgebläses 121 realisiert. Seitenkanalgebläse 121 weisen die geforderte Charakteristik, insbesondere wie durch den ersten Verlauf 203 der 2 dargestellt, auf, so dass diese insbesondere derart ausgestaltet sind, dass im Bereich von Massenflussraten unter ein Kilogramm pro Stunde der Unterdruck bei sinkender Massenflussrate ansteigt und bei steigender Massenflussrate absinkt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher mit einer Wärme aufnehmenden ersten Seite 131 zwischen dem Einlass 101 und dem Wassergefäß 104 und mit einer Wärme abgebenden zweiten Seite 132 zwischen dem Kondensatorauslass 118 und dem ersten Auslass 102 angeordnet. Dadurch wird eine weitere Effizienzsteigerung erreicht, da das Wasser nach der Kondensation immer noch eine gewisse Restwärme aufweist, die mittels des Wärmetauschers 130 an das zugeführte Wasser abgegeben werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Kondensatorauslass 118 und dem ersten Auslass 102 ein Vorratstank 140 angeordnet. Dadurch wird ermöglicht, aufbereitetes Wasser für eine spätere Verwendung aufzubewahren. Es kann vorgesehen sein, dass die Wasseraufbereitungsanlage 100 mit einer Steuerung 141 und einem Füllstandssensor 142 ausgestattet ist, wobei mittels des Füllstandssensors 142 ein Füllstand des Vorratstanks 141 gemessen wird und die Wasseraufbereitungsanlage 100 anhand des Füllstands durch die Steuerung 141 ein- und/oder ausgeschaltet wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Vorratstank 140 bei unterschreiten einer Mindestfüllenge komplett aufgefüllt wird und anschließend die Wasseraufbereitungsanlage 100 in einen Ruhemodus versetzt wird, bis der Füllstand wieder unterhalb der Mindestfüllmenge ist.
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In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Unterdruck maximal 200 mbar. Ein solcher Unterdruck ist mit den hinsichtlich der in 2 gezeigten Charakteristik von Unterdruck 201 und Massenflussrate 202 mit geeigneten Kompressoren 120, insbesondere mit dem Seitenkanalgebläse 121, gut erreichbar.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Tropfenabscheider 105 ein Zyklonabscheider 108.
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In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Massenflussrate 202 maximal fünf Kilogramm pro Stunde. Insbesondere Wasseraufbereitungsanlagen 100 für Einzelentnahmestellen, also beispielsweise zum Einsatz in einer Küche weisen solche Massenflussraten 202 auf.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Einlass 101 eingerichtet, an eine Hauswasserleitung angeschlossen zu werden. Insbesondere kann der Einlass 101 ein entsprechendes Anschlusselement aufweisen. In einer Ausführungsform ist der zweite Auslass 103 eingerichtet, an eine Hausabwasserleitung angeschlossen zu werden. Insbesondere kann der zweite Auslass 103 ein entsprechendes Anschlusselement aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Heizelement 109 im Wassergefäß 104 angeordnet. Dies ermöglicht ein Vorheizen des Wassers im Wassergefäß 104 und damit ein effizienteres Aufbereiten des Wassers.
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine Umwälzpumpe 150 zwischen dem Wassergefäß 104 und dem Verdampfereinlass 112 angeordnet. Dadurch wird eine weitere Effizienzsteigerung der Wasseraufbereitungsanlage 100 möglich.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Ventil 160 zwischen dem Einlass 101 und dem Wassergefäß 104 angeordnet.
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Die genannten Ausgestaltungen der Wasseraufbereitungsanlage 100 dienen dazu, dass gewisse Kennzahlen für die Wasseraufbereitungsanlage 100 erreicht werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass die Wasseraufbereitungsanlage 100 in einem Gehäuse 170 mit maximalen Abmessungen von 75 cm auf 75 cm auf 75 cm, bevorzugt mit maximalen Abmessungen von 50 cm auf 50 cm auf 50 cm, eingebaut werden kann und so als Gerät in einzelnen Räumen wie beispielsweise einer Küche verwendet werden kann. Dabei soll ein Energiebedarf von maximal 60 Wattstunden pro Kilogramm aufbereitetem Wasser und eine maximale Leistungsaufnahme von 500 Watt eingehalten werden können.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
