DE102021206089A1 - Device for treating water - Google Patents
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Abstract
Bei der Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser ist an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kavitationsraum, der eine konkave Innenwand und einen ersten Volumenbereich aufweist und mindestens eine Zuführung für Wasser an den ersten Volumenbereich angeschlossen, über die Wasser tangential in den ersten Volumenbereich des Kavitationsraums einströmt. Dabei geht der erste Volumenbereich in einen zweiten Volumenbereich über, der eine konvexe Innenwand aufweist, an den zweiten Volumenbereich schließt sich ein dritter Volumenbereich des Kavitationsraums an, der wieder eine konkave Innenwand aufweist, dabei ist im ersten Volumenbereich ein größerer Innendurchmesser eingehalten als im zweiten Volumenbereich und der Innendurchmesser des dritten Volumenbereichs wieder größer als der Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs ist. Durch den gesamten Kavitationsraum ist in seiner mittleren Längsachse eine hohlzylindrische Abführung geführt, die im dritten Volumenbereich mindestens eine Eintrittsöffnung für Wasser und außerhalb des Kavitationsraums einen Anschluss für eine Abführleitung von gereinigtem Wasser aufweist.In the device for treating water, at least one supply for water is connected to a rotationally symmetrical cavitation space, which has a concave inner wall and a first volume area, and via which water flows tangentially into the first volume area of the cavitation space. The first volume area merges into a second volume area, which has a convex inner wall. The second volume area is adjoined by a third volume area of the cavitation space, which again has a concave inner wall. The first volume area has a larger inner diameter than the second volume area and the inner diameter of the third volume region is again larger than the inner diameter of the second volume region. A hollow-cylindrical discharge is guided through the entire cavitation space in its central longitudinal axis, which has at least one inlet opening for water in the third volume area and a connection for a discharge line for cleaned water outside the cavitation space.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser. Dabei kann Wasser, das in unterschiedlichster Form kontaminiert ist, soweit aufbereitet werden, dass es Trinkwasserqualität erreicht.The invention relates to a device for treating water. Water that is contaminated in the most varied of ways can be treated to such an extent that it reaches drinking water quality.
Für die Wasseraufbereitung werden derzeit verschiedenste mechanische und chemisch wirkende Prinzipien eingesetzt, die je nachdem verschiedenste Nachteile aufweisen, wobei insbesondere der Aufwand für zu desinfizierende Substanzen, die erforderliche Energie, aufwändige Wartung und die Vorgaben der TRWV bei der Verwendung von zu desinfizierenden Substanzen und dem Betrieb von Trinkwasser führenden Kreisläufen, der Entsorgung von ausgefällten oder ausgefilterten Substanzen die Effektivität beeinträchtigen und die Kosten erheblich beeinflussenA wide variety of mechanical and chemical principles are currently used for water treatment, each of which has a wide variety of disadvantages, in particular the cost of substances to be disinfected, the energy required, complex maintenance and the specifications of the TRWV when using substances to be disinfected and operation of drinking water circuits, the disposal of precipitated or filtered substances affect the effectiveness and significantly affect the costs
U.a. gibt es bereits Anlagen, bei denen Kavitation zur Aufbereitung von Wasser genutzt wird.Among other things, there are already systems in which cavitation is used to treat water.
Kavitation tritt infolge schnell bewegter Objekte in einem Fluid auf. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der statische Druck einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Fällt der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit, so bilden sich Gas- oder Dampfblasen. Diese werden anschließend meist mit der strömenden Flüssigkeit in Gebiete höheren Druckes mitgerissen. Mit dem erneuten Ansteigen des statischen Drucks über den Dampfdruck kondensiert der gebildete Dampf in den Hohlräumen schlagartig, und die Dampfblasen oder Gasblasen kollabieren. Dabei treten extreme Druck- (bis ca. 1000 bar) und Temperaturspitzen (bis ca. 5000 °C) mit entsprechend großer Energiefreisetzung auf. Mittels dieser Energie ist es möglich, rein mechanisch biologische Komponenten, die im Wasser enthalten sind, so zu schädigen, dass sie unbedenklich für eine nachfolgende Nutzung des Wassers sind oder als Schwebestoffe problemlos ausgefiltert werden können. Mittels der durch die Kavitation erzeugten und anschließend kollabierenden Dampfblasen freigesetzten Energie und dem freigesetzten Sauerstoff wird eine Radikalbildung, (Hydroxylradikale) angeregt, mit der auch chemische Inhaltsstoffe des Wassers in andere unschädliche bzw. unschädlichere chemische Verbindungen bzw. chemische Elemente zerlegt (oxidiert) oder umgewandelt (desinfiziert) werden können.Cavitation occurs as a result of fast-moving objects in a fluid. According to Bernoulli's law, the higher the speed, the lower the static pressure of a liquid. If the static pressure falls below the evaporating pressure of the liquid, gas or vapor bubbles form. These are then usually entrained with the flowing liquid in areas of higher pressure. When the static pressure rises above the vapor pressure again, the vapor formed suddenly condenses in the cavities and the vapor bubbles or gas bubbles collapse. Extreme pressure (up to approx. 1000 bar) and temperature peaks (up to approx. 5000 °C) occur with a correspondingly large release of energy. Using this energy, it is possible to mechanically damage biological components contained in the water in such a way that they are harmless for subsequent use of the water or can be easily filtered out as suspended matter. By means of the energy generated by the cavitation and the subsequently collapsing steam bubbles and the released oxygen, the formation of radicals (hydroxyl radicals) is stimulated, with which chemical ingredients in the water are also broken down (oxidized) or converted into other harmless or less harmful chemical compounds or chemical elements (disinfected) can be.
Kavitation wird dabei im Wesentlichen infolge von zwei Prinzipien initiiert. So wird einmal die Wirkung von Ultraschallwellen genutzt. Dabei ist es aber nachteilig, dass insbesondere bei großen Wasservolumina ein sehr hoher Energieeinsatz erforderlich ist.Cavitation is essentially initiated as a result of two principles. So once the effect of ultrasonic waves is used. However, it is disadvantageous that a very large amount of energy is required, particularly in the case of large volumes of water.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ausnutzung unterschiedlicher Strömungsverhältnisse, die bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers und Druckverhältnisse bzw. -Veränderungen ausnutzen. Auch hierbei ist die bisher erreichte Energieeffizienz noch zu gering und es besteht Verbesserungsbedarf.Another possibility is the use of different flow conditions, which use certain flow speeds of the water and pressure conditions or changes. Here, too, the energy efficiency achieved so far is still too low and there is a need for improvement.
Bei der Aufbereitung von Abluft werden üblicherweise Filter eingesetzt, deren Lebensdauer aber begrenzt ist, so dass sie ausgetauscht werden müssen, was zu Ausfallzeiten und zu erhöhten Kosten führt.Filters are commonly used in the treatment of exhaust air, but their lifespan is limited and they must be replaced, resulting in downtime and increased costs.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Aufbereitung von Wasser anzugeben, mit denen die Energieeffizienz verbessert und/oder der Reinigungs- (oxidations- / desinfektions-) Effekt erhöht werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kavitationsraum in einem ersten Volumenbereich, der eine konkave Innenwand aufweist, mindestens eine Zuführung für insbesondere verunreinigtes Wasser vorhanden. Bei einer nachfolgend mit dem Wasser durchzuführenden Behandlung von z.B. Abluft, kann aber auch klares Wasser eingesetzt werden. Über die mindestens eine Zuführung strömt verunreinigtes Wasser tangential in den ersten Volumenbereich des Kavitationsraums ein. Der erste Volumenbereich geht in einen zweiten Volumenbereich über, der eine konvexe Innenwand aufweist. An den zweiten Volumenbereich schließt sich ein dritter Volumenbereich des Kavitationsraums an, der wieder eine konkave Innenwand aufweist.It is therefore the object of the invention to specify options for treating water with which the energy efficiency can be improved and/or the cleaning (oxidation/disinfection) effect can be increased. In the device according to the invention, at least one supply line for, in particular, contaminated water is present in a rotationally symmetrical cavitation space in a first volume region which has a concave inner wall. Clear water can also be used for subsequent treatment of e.g. exhaust air that is to be carried out with the water. Contaminated water flows tangentially into the first volume area of the cavitation space via the at least one feed. The first volume area transitions into a second volume area which has a convex inner wall. The second volume area is adjoined by a third volume area of the cavitation space, which again has a concave inner wall.
Dabei ist im ersten Volumenbereich ein größerer Innendurchmesser eingehalten als im zweiten Volumenbereich und der Innendurchmesser des dritten Volumenbereichs ist wieder größer als der Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs. Die Konturen der verschiedenen Volumenbereiche können durch Berechnungen unter Berücksichtigung von Druck, Strömungsgeschwindigkeit sowie dem gewünschten, insbesondere maximalen Volumenstrom bei höherem Arbeitsdruck als dem anliegenden Zuleitungsdruck optimiert werden. Die Geometrie im Inneren der Vorrichtung mit den drei Volumenbereichen und die dazu eingehaltenen Abmessungen sollten in Abhängigkeit des vorgegebenen Volumenstroms gewählt werden.A larger inner diameter is maintained in the first volume area than in the second volume area and the inner diameter of the third volume area is again larger than the inner diameter of the second volume area. The contours of the different volume areas can be optimized by calculations taking into account pressure, flow rate and the desired, in particular maximum, volume flow at a higher working pressure than the supply line pressure present. The geometry inside the device with the three volume areas and the dimensions to be adhered to should be selected depending on the specified volume flow.
Durch den gesamten Kavitationsraum ist in seiner mittleren Längsachse eine hohlzylindrische Abführung geführt, die im dritten Volumenbereich mindestens eine Eintrittsöffnung für Wasser und außerhalb der Kavitationskammer einen Anschluss für eine Abführung von aufbereitetem Wasser aufweist.A hollow-cylindrical discharge is guided through the entire cavitation space in its central longitudinal axis, which has at least one inlet opening for water in the third volume area and a connection for a discharge of treated water outside the cavitation chamber.
Außerdem kann eine Zuführung für ein Gas vorhanden sein, die in den ersten Volumenbereich so mündet, dass das zugeführte Gas-mit dem Wasser verwirbelt, im Wasser gelöst wird und als Wasser- Gas-Gemisch durch den Ringspalt über den dritten Volumenbereich in die hohlzylindrische Abführung eintritt.In addition, there can be a feed for a gas, which opens into the first volume area in such a way that the gas fed in swirls with the water, is dissolved in the water and as a water-gas mixture through the annular gap via the third volume area into the hollow-cylindrical outlet entry.
Der Konturverlauf der Innenwand im Kavitationsraum in den drei Volumenbereichen und die Abstände der Innenwand von der hohlzylindrischen Abführung (3) kann vorteilhaft entsprechend mehrfacher Polynome 3. und 5. Grades (X1, X2, X3, X4) und der zugehörigen Koordinatentransformation (Y1) ausgebildet und eingehalten sein.The contour of the inner wall in the cavitation space in the three volume areas and the distances of the inner wall from the hollow-cylindrical outlet (3) can advantageously correspond to multiple polynomials of the 3rd and 5th degree (X 1 , X 2 , X 3 , X 4 ) and the associated coordinate transformation (Y 1 ) must be trained and complied with.
Dabei sollte eine Konturkurvenschar K(z) = K(xi) entlang der Innenwand des Kavitationsraums als eine Aneinanderreihung der Kurvenstücke ri{xi):
Vorteilhaft ist ein radial umlaufender Ringspalt zwischen der Innenwand der Kavitationskammer und der Außenwand der hohlzylindrischen Abführung im zweiten Volumenbereich vorhanden. Dabei sollte die Strömungsgeschwindigkeit dort nur so erhöht und der Druck nur so vermindert werden, dass keine Kavitation entsteht, wobei bevorzugt ein Druck des Wassers von mindestens 3000 Pa eingehalten ist.A radially circumferential annular gap is advantageously present between the inner wall of the cavitation chamber and the outer wall of the hollow-cylindrical discharge in the second volume region. The flow rate there should only be increased and the pressure should only be reduced so that no cavitation occurs, with a water pressure of at least 3000 Pa preferably being maintained.
Mit dem Ringspalt sind unter Berücksichtigung der Bernoulli-Gleichung die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Wassers in diesem Bereich und dem sich anschließenden dritten Volumenbereich für die Kavitation vorteilhaft beeinflussbar. Die Spaltbreite des Ringspaltes sollte so bemessen sein, dass in diesem Bereich keine Kavitation auftreten kann, aber die Strömung des durch den Ringspalt strömenden Wassers stark verwirbelt wird. Spaltbreiten eines Ringspaltes sollten so bemessen sein, dass der Druck an dieser Stelle bevorzugt nicht unter 0,1 bar (10.000 Pa) absinkt oder bevorzugt unter 1 bar (100.000 Pa) abfällt, Ganz besonders bevorzugt nicht unter 0,30 bar (30.000 Pa) absinkt oder ganz besonders bevorzugt unter 0,5 bar (50.000 Pa) abfälltWith the annular gap, the flow rate and the pressure of the water in this area and the adjoining third volume area for the cavitation can be advantageously influenced, taking into account the Bernoulli equation. The gap width of the annular gap should be dimensioned in such a way that no cavitation can occur in this area, but the flow of water flowing through the annular gap is strongly swirled. The width of an annular gap should be dimensioned in such a way that the pressure at this point preferably does not fall below 0.1 bar (10,000 Pa) or preferably falls below 1 bar (100,000 Pa), most preferably not below 0.30 bar (30,000 Pa) falls or very particularly preferably falls below 0.5 bar (50,000 Pa).
Die mindestens eine Zuführung für Wasser sollte in einem Winkel im Bereich 100° bis 140°, bevorzugt einem Winkel von 120° senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse des Kavitationsraums ausgerichtet sein, um ein günstiges tangentiales Einströmen des ggf. noch verunreinigten Wassers zu ermöglichen, was eine vorteilhafte Strömung des Wassers innerhalb der Kavitationskammer entlang der Innenwand durch die drei Volumenbereiche bis zur mindestens einen Eintrittsöffnung in die hohlzylindrische Abführung ermöglicht.The at least one supply for water should be aligned at an angle in the range of 100° to 140°, preferably at an angle of 120°, perpendicularly in relation to the central longitudinal axis of the cavitation space, in order to allow a favorable tangential inflow of the possibly still contaminated water, which an advantageous flow of the water within the cavitation chamber along the inner wall through the three volume areas up to the at least one entry opening into the hollow-cylindrical discharge.
Besonders vorteilhaft kann im Inneren der hohlzylindrischen Abführung eine Lavaldüse ausgebildet oder darin angeordnet sein. Die Lavaldüse wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn dem zu behandelnden Wasser zusätzlich ein Gas von außen zugeführt wird, das zusätzlich zu der Menge der bereits im Wasser natürlich gelösten Gase mittels der Lavaldüse kavitiert werden kann.In a particularly advantageous manner, a Laval nozzle can be formed or arranged in the interior of the hollow-cylindrical discharge. The Laval nozzle has a particularly advantageous effect if the water to be treated is additionally supplied with a gas from the outside which, in addition to the amount of gases already naturally dissolved in the water, can be cavitated by means of the Laval nozzle.
Die Lavaldüse kann mit ihrem Bereich, in dem der kleinste Innendurchmesser vorhanden ist, im ersten Volumenbereich unmittelbar im Anschluss an den zweiten Volumenbereich angeordnet sein, um für das vorteilhaft mit Gas angereicherte Wasser günstige Strömungsverhältnisse mit einer kurz nach dem Einströmen in die hohlzylindrische Abführung laminare Strömung zu ermöglichen. Mittels der Lavaldüse können in der hohlzylindrischen Abführung dann für die Kavitation günstige Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverhältnisse erreicht werden.The Laval nozzle can be arranged with its area in which the smallest inner diameter is present in the first volume area immediately following the second volume area in order to have favorable flow conditions for the water, which is advantageously enriched with gas, with a laminar flow shortly after it flows into the hollow-cylindrical discharge to allow. Flow rates and pressure conditions favorable for cavitation can then be achieved in the hollow-cylindrical discharge by means of the Laval nozzle.
Es sollte ein minimaler Innendurchmesser der Lavaldüse eingehalten sein, so dass ein Druck im Bereich der Lavaldüse von mindestens 2300 Pa eingehalten ist.A minimum internal diameter of the Laval nozzle should be maintained so that a pressure of at least 2300 Pa is maintained in the area of the Laval nozzle.
Eine Zuführung für ein Gas kann vorteilhaft in den ersten Volumenbereich so münden, dass dort das zugeführte Gas mit dem Wasser vermischt, nachfolgend im zweiten Volumenbereich gelöst und dann im dritten Volumenbereich homogenisert wird, bevor es in die hohlzylindrische Abführung eintritt. Mit der ohnehin bereits im Wasser gelösten Luft und ggf. und mit zugeführtem Gas werden infolge Kavitation mechanische Kraftwirkungen erreicht, die zur Aufbereitung des Wassers genutzt werden. Dabei verstärkt sich die mechanische Wirkung mit höherem Gasanteil in Bezug zum Wasseranteil. Die Zuführung für ein Gas sollte ebenfalls in einem Winkel zwischen 100° und 140°, bevorzugt 120° in den ersten Volumenbereich münden.A supply for a gas can advantageously open into the first volume area in such a way that the supplied gas is mixed with the water there, subsequently dissolved in the second volume area and then homogenized in the third volume area before it enters the hollow-cylindrical discharge. With the air that is already dissolved in the water and, if necessary, with the supplied gas, mechanical effects of force are achieved as a result of cavitation, which are used to treat the water. The mechanical effect increases with a higher proportion of gas in relation to the proportion of water. The feed for a gas should likewise open into the first volume region at an angle of between 100° and 140°, preferably 120°.
Als Gas kann Luft, Sauerstoff oder CO2 Gas eingeführt werden.Air, oxygen or CO 2 gas can be introduced as the gas.
Die hohlzylindrische Abführung kann über die gesamte Länge innerhalb der Kavitationskammer einen konstanten Außendurchmesser aufweisen.The hollow-cylindrical discharge can have a constant outer diameter over the entire length within the cavitation chamber.
Mehrere Zuführungen für Wasser und ggf. Gas sollten mit jeweils gleichen Winkelabständen in Bezug zueinander über den Umfang des Kavitationsraums verteilt angeordnet sein, wodurch bei gleichen jeweils zugeführten Volumenströmen durch die Mehrzahl an Zuführungen eine weniger turbulente Strömung des Wassers entlang der Innenwand der Kavitationskammer bis in den dritten Volumenbereich ermöglicht wird.Several feeds for water and, if necessary, gas should be distributed over the circumference of the cavitation space with the same angular distances in relation to one another, which means that with the same volume flows supplied through the plurality of feeds, there is less turbulent flow of the water along the inner wall of the cavitation chamber into the third volume area is made possible.
Der erste Volumenbereich sollte ein größeres Innenvolumen als der dritte Volumenbereich aufweisen, wobei das Innenvolumen im ersten Volumenbereich bevorzugt mindestens dreifach, besonders bevorzugt mindestens fünffach größer sein sollte.The first volume area should have a larger internal volume than the third volume area, with the internal volume in the first volume area preferably being at least three times, particularly preferably at least five times, larger.
Der erste Volumenbereich und der Anschluss für die Abführung von behandeltem Wasser sollten vertikal unten an der Vorrichtung angeordnet sein.The first volume area and the port for the discharge of treated water should be located vertically at the bottom of the device.
Für den Durchsatz von verschiedenen Volumenströmen, beispielsweise 0,25 m3/h, 0,5 m3/h, 2,5m3/h, 5m3/h, 10m3/h oder 20m3/h kann die Innenkontur des Kavitationsraums mittels der vorgegebenen Polynome 3. und 5. Ordnung X1, X2, X3, X4 und der zugehörigen Koordinatentransformation Y1 einem fest vorgegebenen Einspeisedruck des zu behandelnden Wassers im Bereich 1 MPa bis 1,2 MPA, einem Durchsatz in m3/h und einem Minimaldruck von 2300 Pa an der engsten Stelle der Lavaldüse entsprechend ausgebildet sein.For the throughput of different volume flows, for example 0.25 m 3 / h, 0.5 m 3 / h, 2.5 m 3 / h, 5 m 3 / h, 10 m 3 / h or 20 m 3 / h, the inner contour of the cavitation space by means of the given polynomials of the 3rd and 5th order X 1 , X 2 , X 3 , X 4 and the associated coordinate transformation Y 1 a fixed feed pressure of the water to be treated in the
Mit der Vorrichtung kann behandeltes Wasser über die Abführleitung drucklos abgeführt ggf. zwischengespeichert oder komprimiert in mindestens einen geschlossenen Kreislauf eingespeist und so gleich im Nachgang zur durchgeführten Aufbereitung wieder genutzt werden. Bei der Einspeisung in einen geschlossenen Kreislauf kann ein Einspeisedruck mit einer der Abführleitung nachgeschalteten Pumpe erzeugt werden, der dem Druck im geschlossenen Kreislauf entspricht.With the device, treated water can be discharged without pressure via the discharge line, if necessary temporarily stored or fed into at least one closed circuit in compressed form and can thus be used again immediately after the treatment has been carried out. When feeding into a closed circuit, a feed pressure that corresponds to the pressure in the closed circuit can be generated with a pump downstream of the discharge line.
Mit der Erfindung wird es möglich relativ große Wasservolumina in kurzer Zeit aufzubereiten, so dass das Wasser Trinkwasserqualität erreicht. Es können im Wasser nicht nur biologische Inhaltsstoffe, wie z.B. Viren, Mikroben, Bakterien, Mikroorganismen oder niedrige Pflanzen (Algen) unschädlich gemacht werden. Insbesondere dann, wenn zusätzlich Gas zugeführt wird, können infolge der höheren erreichbaren mechanischen Energie und der Bildung von Hydroxylradikalen auch schädliche chemische Verbindungen (z. B. Arsen) aufgebrochen und in nicht schädliche oder erheblich weniger schädliche chemische Verbindungen oder chemische Elemente umgewandelt werden.The invention makes it possible to treat relatively large volumes of water in a short time, so that the water achieves drinking water quality. It is not just biological components in the water, such as viruses, microbes, bacteria, microorganisms or lower plants (algae) that can be rendered harmless. Particularly when additional gas is supplied, harmful chemical compounds (e.g. arsenic) can also be broken down and converted into harmless or considerably less harmful chemical compounds or chemical elements as a result of the higher mechanical energy that can be achieved and the formation of hydroxyl radicals.
Insbesondere die nachgewiesene Wirksamkeit des Verfahrens in allen Temperaturbereichen ermöglicht eine Absenkung der vorgegebenen Betriebstemperaturen für Trinkwassersysteme um mehr als 20°C im Dauerbetrieb. Dadurch entsteht ein enorm hohes Energieeinsparungspotential (Amortisationszeiten < 2,5 Jahre) genauso, wie die äquivalente Reduzierung von CO2 -Emissionen bei der Energieerzeugung.In particular, the proven effectiveness of the process in all temperature ranges enables the specified operating temperatures for drinking water systems to be reduced by more than 20°C in continuous operation. This results in an enormously high energy saving potential (payback period < 2.5 years) as well as the equivalent reduction of CO 2 emissions in energy production.
Der Einsatz von Wärmepumpen kann vorteilhaft sein, da diese Ihre besten Wirkungsgrade unterhalb von 50°C erreichen. Somit eröffnen sich weitere EnergieeinsparungspotentialeThe use of heat pumps can be advantageous as they achieve their best efficiency below 50°C. This opens up further energy-saving potential
Der Sauerstoffbedarf (CSB) in Abwässern zum Abbau (Oxidation) von organischen und anorganischen Substanzen kann wesentlich effizienter als mit herkömmlichen Aerations-Prozessen und Technologien durchgeführt werden.The oxygen demand (COD) in waste water for the degradation (oxidation) of organic and inorganic substances can be carried out much more efficiently than with conventional aeration processes and technologies.
Zudem können Hormone und pharmazeutische Rückstände vollständig oxidiert bzw. desinfiziert werden und teuerste (in der Anschaffung, in der Installation und im Unterhalt) Umkehr Osmose Technologien können vermieden werden.In addition, hormones and pharmaceutical residues can be completely oxidized or disinfected and the most expensive (in terms of acquisition, installation and maintenance) reverse osmosis technologies can be avoided.
Stehende Gewässer, die aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen veralgen oder wegen Sauerstoffmangel umkippen, können in kurzer Zeit renaturisiert werden.Standing water that grows algae due to the high ambient temperatures or collapses due to a lack of oxygen can be renatured in a short time.
In allen Tierzuchtbetrieben in denen dem Trinkwasser Antibiotika zugesetzt werden, können die Antibiotikagaben und damit mittel- und langfristige Resistenzen oder Anreicherungen im Fleisch von Schlachttieren vermieden werden. Zudem kann in Fischzuchtanlagen durch die permanente Erhöhung des Sauerstoffgehaltes im Wasser die Besatzdichte erhöht werden.In all livestock farms in which antibiotics are added to the drinking water, the administration of antibiotics and thus medium and long-term resistances or accumulations in the meat of slaughtered animals can be avoided. In addition, the stocking density can be increased in fish farms by permanently increasing the oxygen content in the water.
In der Landwirtschaft ergeben sich viele Anwendungsfälle der Erfindung. Dies betrifft insbesondere auch eine Behandlung von Abluft und dabei ganz besonders Abluft aus der Tierhaltung und Biogasherstellung, um schädliche in der Abluft enthaltene Komponenten, wie z.B. Ammoniak, Methan u.a.m. in nicht oder nur geringfügig schädliche chemische Komponenten umwandeln zu können, in dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufbereitetes Wasser für eine Gaswäsche eingesetzt wird. Das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufbereitete Wasser sollte dazu möglichst unmittelbar nach den Austritt aus dem Kavitationsraum der jeweiligen Gaswäsche zugeführt werden, um die mit der Erfindung erreichbare Eigenschaftsveränderung, was insbesondere die Oberflächenspannung und das Benetzungsvermögen betrifft, ausnutzen zu können. Auf eine Zwischenlagerung, beispielsweise in einem Tank, sollte verzichtet werden, und das Wasser für die Behandlung der jeweiligen Abluft spätestens 0,5 h nach Durchlauf durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Gaswäsche eingesetzt werden.There are many applications of the invention in agriculture. This also applies in particular to the treatment of exhaust air and, in particular, exhaust air from animal husbandry and biogas production, in order to be able to convert harmful components contained in the exhaust air, such as ammonia, methane, etc., into chemical components that are not or only slightly harmful, in the process according to the invention Device treated water is used for gas scrubbing. The water treated with a device according to the invention should be fed to the respective gas scrubber as soon as possible after exiting the cavitation space in order to be able to utilize the change in properties that can be achieved with the invention, which particularly relates to surface tension and wetting capacity. Intermediate storage, for example in a tank, should be avoided, and the water for the treatment of the respective exhaust air should be used at the latest 0.5 h after passing through a gas scrubbing device according to the invention.
Weltweit kann an beliebigen Standorten, völlig autark und unabhängig von anderen technischen Installationen aus beliebigen Oberflächenwasserquellen (Seen, Bäche, Regenwassersammelbecken) Trinkwasser unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten werden.Drinking water can be obtained from any surface water source (lakes, streams, rainwater collection basins) using the device according to the invention at any location, completely independently and independently of other technical installations.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können einzelne in den Figuren gezeigte und zu dem jeweiligen Beispiel beschriebene Merkmale auch unabhängig von der jeweiligen Darstellung in einer Figur oder der Beschreibung eines Beispiels genutzt werden.The invention will be explained in more detail below by way of example. Individual features shown in the figures and described for the respective example can also be used independently of the respective representation in a figure or the description of an example.
Dabei zeigen:
-
1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Teilschnitt; -
2 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
4 eine Innenkontur eines Kavitationsraums mit rotationssymmetrischer Konturkurve K(z); -
5 eine Konturkurve mit zugehörigen Vorgabepunkten P00-P01 und -
6 eine Konturkurve nach 5 mit einem Bereich um diese Kurve, der erfindungsgemäß berücksichtigt werden kann.
-
1 a perspective view of an example of a device according to the invention with a partial section; -
2 a sectional view through an example of a device according to the invention; -
3 a perspective sectional view of a further example of a device according to the invention; -
4 an inner contour of a cavitation space with a rotationally symmetrical contour curve K(z); -
5 a contour curve with associated default points P00-P01 and -
6 acontour curve 5 with an area around this curve that can be taken into account according to the invention.
In
Der Kavitationsraum 1 ist in drei Volumenbereiche 1.1, 1.2 und 1.3 aufgeteilt, die jeweils unterschiedliche maximale Innendurchmesser und Innenvolumina aufweisen.The
Aufzubereitendes Wasser wird über mindestens eine Zuführung 2 mit tangentialer Strömungsrichtung senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse der Kavitationsraumes 1 in den ersten Volumenbereich 1.1 zugeführt.Water to be treated is fed into the first volume region 1.1 via at least one
Der erste Volumenbereich 1.1, wie auch der dritte Volumenbereich hat eine konkave Innenwand. Der zweite Volumenbereich 1.2, der zwischen erstem und drittem Volumenbereich 1.3 angeordnet ist, hat dagegen eine konvexe Innenwand. Absätze oder Stufen sollten an der Innenwand vermieden sein, so dass die jeweiligen Übergänge an der Innenwand der des Kavitationsraums 1 zwischen den drei Volumenbereichen kontinuierlich ausgebildet sind. Dies trifft auch auf die sich verändernden Innendurchmesser innerhalb des gesamten Kavitationsraums 1 zu. Dadurch kann das aufzubereitende Wasser entlang der Innenwand in Richtung drittem Volumenbereich 1.3 strömen und dort in bei diesem Beispiel mehrere Eintrittsöffnungen 4 eintreten, Die Eintrittsöffnungen 4 sind an der hohlzylindrischen Abführung 3 innerhalb des dritten Volumenbereichs 1.3 angeordnet. Die hohlzylindrische Abführung 3 wird ausgehend von dem dritten Volumenbereich 1.3 durch den gesamten Kavitationsraum 1 bis an die Außenwand des Gehäuses 6 entlang der mittleren Längsachse des Kavitationsraums 1 bis zu einem Anschluss 5 geführt. An den Anschluss 5 kann eine hier nicht gezeigte Leitung 5.1 angeschlossen werden, über die aufbereitetes Wasser zum Verbraucher oder zu einer weiteren Aufbereitung, wie z.B. eine Filterung weiter geleitet werden kann.The first volume area 1.1, like the third volume area, has a concave inner wall. In contrast, the second volume region 1.2, which is arranged between the first and third volume region 1.3, has a convex inner wall. Paragraphs or steps should be avoided on the inner wall, so that the respective transitions on the inner wall of the
Die Eintrittsöffnungen 4 sind dabei in einem Abstand zur Innenwand im Inneren der dritten Volumenbereichs 1.3 angeordnet.The
Die hohlzylindrische Abführung 2 weist einen konstanten Außendurchmesser über ihre gesamte Länge auf. Im Bereich, in dem der zweite Volumenbereich 1.2 seinen kleinsten Innendurchmesser aufweist, ist ein Ringspalt vorhanden, der ausgehend vom ersten Volumenbereich 1.1 sich konisch bis zu der Ebene konisch verjüngt, in der der zweite Volumenbereich 1.2 seinen kleinsten Innendurchmesser aufweist. Ausgehend von dieser Ebene mit dem kleinsten Innendurchmesser in Richtung des dritten Volumenbereichs vergrößert sich die Spaltbreite wiederum konisch.The hollow-
Die lichte Weite des Ringspaltes sollte so bemessen sein, dass an diesem Bereich keine Kavitation auftreten kann. Die Strömung als Wirbel sollte dort aber aufrechterhalten werden. Dadurch wird die Wasserströmung entsprechend beschleunigt und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, woraufhin sie sich im dritten Volumenbereich 1.3 wieder etwas verkleinert, bevor das Wasser in die Eintrittsöffnungen 4 einströmt.The clear width of the annular gap should be dimensioned in such a way that no cavitation can occur in this area. However, the flow as vortex should be maintained there. As a result, the water flow is accelerated accordingly and the flow speed increased, whereupon it decreases again somewhat in the third volume area 1.3 before the water flows into the
Bei dem gezeigten Beispiel ist im Inneren der hohlzylindrischen Abführung 3 eine Lavaldüse 7 angeordnet oder darin ausgebildet, die wiederum zu entsprechenden Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes gemäß der Kontinuitäts- und der Bernoulli-Gleichungen mit der kontinuierlichen Verringerung und anschließenden wieder Vergrößerung des Innendurchmessers in der hohlzylindrischen Abführung 3 führt.In the example shown, a
Der Einsatz der Lavaldüse 7 wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn zusätzlich ein Gas über einen Gaseinlass 8 am Gehäuse 6 bis zu einem hier stirnseitigen Eintritt (analog Wassereintritt 2) in das Innere des ersten Volumenbereichs 1.1 einströmt, im Strömungswirbel mit dem Wasser im ersten Volumenbereich 1.1 gemischt, im Wasser im zweiten Volumenbereich 1.2 gelöst und als im Wasser gelöstes Gas über den dritten Volumenbereich 1.3 der hohlzylindrischen Abführung 3 zugeführt wird. Das gelöste Gas strömt gemeinsam mit dem Wasser durch die Lavaldüse 7 und durch die hohlzylindrische Abführung 3 bis zur Abführung des so aufbereiteten Wassers und es wird eine zusätzliche kavitationsbedingte Wasseraufbereitung mit dem Gas- Wasser-Gemisch erreicht.The use of the
Wie man
Als Gas kann man kostengünstige Luft zuführen. Wird Sauerstoff oder CO2 zugeführt, kann die kavitationsbedingt erreichbare Wirkung bei der Wasseraufbereitung noch gesteigert werden.Inexpensive air can be supplied as gas. If oxygen or CO 2 is added, the cavitation-related effect that can be achieved in water treatment can be increased.
Mit der in
Zwischen der Außenwand der hohlzylinderförmigen Abführung 3 und der Innenwand des Kavitationsraums 1 im zweiten Volumenbereich 1.2 mit dem dort kleinsten Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs 1.2 ist ein Ringspalt, der bei diesem Beispiel eine lichte Weite von 5 mm aufweist, vorhanden.Between the outer wall of the hollow-
Die hohlzylindrische Abführung 3 hat einen auf die Viskosität des Arbeitsmediums und die Druckverhältnisse abgestimmten Innendurchmesser, der sich im Bereich der Lavaldüse 7 auf einen optimierten kleinsten Innendurchmesser von bei diesem Beispiel 7,5 mm reduziert, bevor sich der Innendurchmesser in Richtung der Abführleitung 5.1 wieder kontinuierlich vergrößert.The hollow-
Mit einer Vorrichtung, die die oben aufgeführte Dimensionierung aufweist, kann man beispielsweise aufzubereitendes Wasser mit einem Volumenstrom von ca. 2,5 m3/h mit einem Eintrittsdruck im Bereich von ca. 10 bar bis 12 bar einführen und aufbereiten.With a device that has the dimensions listed above, one can, for example, introduce and treat water to be treated with a volume flow of about 2.5 m 3 /h with an inlet pressure in the range of about 10 bar to 12 bar.
Geringere oder größere Volumenströme an aufzubereitendem Wasser können in baugleichen Vorrichtungen mit demselben Konturverlauf der drei Volumenbereiche 1.1, 1.2, 1.3 sowie der Lavaldüse 7 und den gleichen Abstandsverhältnissen behandelt werden. Vorrichtungen zur Aufbereitung von Wasser können in verschiedenen Größen mit Innenvolumina der drei Volumenbereiche 1.1, 1.2 und 1.3 mit 0,25 m3, 0,5 m3, 2,5 m3, 5 m3, 10 m3 oder 20 m3 und ggf. weiteren Staffelungen je nach Projekt und Kundenanforderung eingesetzt werden.Smaller or larger volume flows of water to be treated can be treated in identical devices with the same contours of the three volume areas 1.1, 1.2, 1.3 and the
Dabei erfolgt mit der gezielten Beeinflussung der Wasserströmung in geeigneten Bereichen insbesondere in Strömungsrichtung nach der Lavaldüse 7 eine Druckabsenkung im strömenden aufzubereitenden Wasser, so dass Kavitation selektiv nur bei den im Wasser gelösten Gasen auftritt (wobei immer ein kleiner Teil des Wassers ebenfalls kavitiert wird). Alle Baugruppen können so berechnet oder ausgelegt werden, dass bei unterschiedlichen Volumenströmen immer die annähernd gleichen Druckverhältnisse und Strömungsgeschwindigkeiten, wie in o.a. Beispiel aufgezeigt, eingehalten werden können.With the targeted influencing of the water flow in suitable areas, especially in the direction of flow after the
Die Darstellung in
In
Diese Kurvenschar ist definiert im (globalen) Koordinatenraum r und z. Die z-Koordinate des Punktes P40 dient als Gesamtlänge und ist gleich 1. Die Kurvenschar ist also auf z40 normiert.This family of curves is defined in the (global) coordinate space r and z. The z coordinate of point P40 serves as the total length and is equal to 1. The family of curves is therefore normalized to z40.
Die Kurvenschar sollte dabei folgende Bedingungen erfüllen:
- Die Punkte P10, P20, P30 und P40 entsprechen den Minima/Maxima des Kurvenverlaufes. Für diese gelten folgende Nebenbedingungen:
- - r10 < z40 --> Größte Ausdehnung der Kurve in z-Richtung
- - r10 > r30 > r40 > r20 --> Verjüngung mit steigendem z und schmalste Stelle bei P20
- - r20 > d/2
- - d -
Außendurchmesser der Zuführung 8 bzw. Durchmesser der Innengeometrie an Stelle z20 - - Die Punkte P10 bis P40 haben für die Originalkontur folgende Werte:
- ◯ Der Punkt P00 liegt auf der Rotationsachse und wird von der Konturkurve aufgrund des Innenteils nicht erreicht
- The points P10, P20, P30 and P40 correspond to the minima/maxima of the curve. The following additional conditions apply to these:
- - r10 < z40 --> Largest extension of the curve in z-direction
- - r10 > r30 > r40 > r20 --> Taper with increasing z and narrowest point at P20
- - r20 > d/2
- - d - outer diameter of the
feed 8 or diameter of the inner geometry at point z20 - - The points P10 to P40 have the following values for the original contour:
- ◯ Point P00 is on the axis of rotation and is not reached by the contour curve due to the inner part
Zur Definition der Konturkurvenschar wird diese mathematisch in vier Teilintervalle (gültig jeweils zwischen den Konturkurvenstützpunkten P00-P40) mit den folgenden lokalen Koordinaten eingeführt:
- -
Kurvenbereich 1- ◯ 0 <= x1 <= 1
zwischen 0 <= z <= z10 - ◯ 0 <= r1 <= 1 zwischen r00 <= r <= r10
- ◯ 0 <= x1 <= 1
- -
Kurvenbereich 2- ◯ 0 <= x2 <= 1
zwischen 0 <= z <= z20 - ◯ 0 <= r2 <= 1 zwischen r10 <= r <= r20
- ◯ 0 <= x2 <= 1
- -
Kurvenbereich 3- ◯ 0 <= x3 <= 1
zwischen 0 <= z <= z30 - ◯ 0 <= r3 <= 1 zwischen r20 <= r <= r30
- ◯ 0 <= x3 <= 1
- -
Kurvenbereich 4- ◯ 0 <= x4 <= 1
zwischen 0 <= z <= z40 - ◯ 0 <= r4 <= 1 zwischen r30 <= r <= r40
- ◯ 0 <= x4 <= 1
- -
Curve area 1- ◯ 0 <= x1 <= 1 between 0 <= z <= z10
- ◯ 0 <= r1 <= 1 between r00 <= r <= r10
- -
curve area 2- ◯ 0 <= x2 <= 1 between 0 <= z <= z20
- ◯ 0 <= r2 <= 1 between r10 <= r <= r20
- -
curve area 3- ◯ 0 <= x3 <= 1 between 0 <= z <= z30
- ◯ 0 <= r3 <= 1 between r20 <= r <= r30
- -
curve area 4- ◯ 0 <= x4 <= 1 between 0 <= z <= z40
- ◯ 0 <= r4 <= 1 between r30 <= r <= r40
Die lokalen Variablen laufen jeweils von 0 bis 1.The local variables each run from 0 to 1.
Die Konturkurvenschar K(z) = K(xi) ist als die Aneinanderreihung der Kurvenstücke ri(xi):
ri(xj) = 0 definiert.The family of contour curves K(z) = K(x i ) is the sequence of curve sections r i (x i ):
r i (x j ) = 0 is defined.
Diese wiederum werden für 1 <= i <= 4 jeweils durch ein Polynom 5. Ordnung der Form
Die zugehörigen Koeffizienten sind für diese Kurvenform folgendermaßen definiert: Tabelle 1 Koeffizientenmatrix der lokalen Kurvenpolynome, Ziffern der zweiten Zeile bedeuten weitere Nachkommawerte zur ersten Zeile.The associated coefficients are defined as follows for this curve shape: Table 1 Coefficient matrix of the local curve polynomials, digits in the second line mean further decimal values for the first line.
Mit den in Tabelle 1 definierten Koordinaten werten kann man jede Innenkontur eines Kavitationsraums bestimmen, die dann für eine vorgegebene Dimensionierung und/oder einen vorgegebenen Volumenstrom an Wasser an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nutzen kann. Tabelle 1
Für die Originalkontur ergibt sich damit folgende Kurve, die in
Durch die Wahl beliebiger Punkte P01, P02, P03 und P04, die die o.g. Bedingungen erfüllen und in einem Bereich ± 15 % um die in
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