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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. Gegenwärtig werden Wasseraufbereitungsanlagen für Einzelentnahmestellen auf Basis der mechanischen Dampfkomprimierungsdestillation entwickelt. Dabei kann es problematisch sein, dass das nach dem verdampfen wieder zu kondensierende Wasser nicht effizient innerhalb einer Verdampfer-Kondensator-Einheit kondensiert werden kann. Dies liegt unter anderem daran, dass ein Wärmeübertrag aus dem Wasserdampf im Kondensator nur mit großen Kondensationsflächen möglich ist, oder die Kondensation nur unzureichend abläuft.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wasseraufbereitungsanlage bereitzustellten, bei der das zu kondensierende Wasser effizient innerhalb einer Verdampfer-Kondensator-Einheit kondensiert werden kann.
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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 umfasst einen Einlass für Wasser, einen ersten Auslass für aufbereitetes Wasser und einem zweiten Auslass für Abwasser, ein erstes Wassergefäß, eine Verdampfer-Kondensator-Einheit, einen Tropfenabscheider und einen Kompressor. Der Einlass ist mit dem ersten 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 Tropfenabscheider verbunden. Der Tropfenabscheider ist mit einem Kondensatoreinlass eines Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit verbunden. Ein Kondensatorauslass des Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit ist mit dem ersten Auslass verbunden. Der Kompressor ist zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kondensatoreinlass angeordnet und eingerichtet, auf der Seite des Tropfenabscheiders einen Unterdruck zu erzeugen. Zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kondensatoreinlass ist eine Einspritzdüse angeordnet, die eingerichtet ist, Wasser einzuspritzen.
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Mittels der Einspritzdüse kann Wasser zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kondensatoreinlass eingebracht werden. Dieses Wasser kann dabei dazu dienen, den vom Tropfenabscheider zum Kondensatoreinlass geführten sauberen Wasserdampf zu kühlen, um einen effizienteren Betrieb des Kondensators der Verdampfer-Kondensator-Einheit zu erreichen.
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Die Wasseraufbereitungsanlage kann insbesondere für eine Einzelentnahmestelle, beispielsweise innerhalb eines Haushalts, vorgehen sein. Über den zweiten Auslass kann während des Betriebs der Wasseraufbereitungsanlage entstehendes Abwasser abgeleitet werden. Dies umfasst insbesondere das während des Betriebs immer weiter aufkonzentrierte Wasser, wenn Salze im über den Einlass zulaufenden Wasser enthalten sind.
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In einer Ausführungsform weist die Wasseraufbereitungsanlage ferner einen Vorratstank zwischen dem Kondensatorauslass und dem ersten Auslass auf, wobei die Einspritzdüse mit Wasser aus dem Vorratstank gespeist wird. Dadurch wird eine einfache technische Umsetzung ermöglicht, bei der bereits gereinigtes Wasser dem Vorratstank entnommen und dann zur Kühlung des Wasserdampfs verwendet wird. Anschließend gelangt das eingespritzte Wasser über den Kondensator wieder in den Vorratstank.
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In einer Ausführungsform weist die Wasseraufbereitungsanlage einen Temperatursensor an der Einspritzdüse, einen Drucksensor am Kondensator sowie eine Steuereinheit auf. Eine Menge des mittels der Einspritzdüse eingespritzten Wassers kann anhand einer mittels des Temperatursensors gemessenen Temperatur und eines mittels des Drucksensors ermittelten Drucks eingestellt werden. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Temperatursensor und der Drucksensor entsprechende Messwerte an die Steuereinheit weitergeben und die Steuereinheit eingerichtet ist, Schaltsignale an die Einspritzdüse auszugeben, um die Menge des eingespritzten Wassers zu beeinflussen. Der Temperatursensor kann beispielsweise im Bereich der Einspritzdüse angeordnet sein und die Temperatur des Wasserdampfs im Bereich der Einspritzdüse messen.
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In einer Ausführungsform der Wasseraufbereitungsanlage wird die Menge des eingespritzten Wassers derart eingestellt, dass ein Sättigungspunkt innerhalb des Kondensators erreicht wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass mittels des Temperatursensors eine Temperatur des Wasserdampfs und mittels des Drucksensors ein Druck des Wasserdampfs gemessen werden und anschließend die Menge des eingespritzten Wassers derart eingestellt wird, dass eine Dampfdruckkurve des Wassers erreicht wird und somit eine effiziente Kondensation im Kondensator stattfinden kann. Hierzu kann es ferner vorgesehen sein, eine Flussmenge des Wasserdampfs zwischen Tropfenabscheider und Kondensatoreinlass zu ermitteln.
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In einer Ausführungsform der Wasseraufbereitungsanlage umfasst die Einspritzdüse einen Piezo-Injektor. Piezo-Injektoren ermöglichen einfach zu steuernde Einspritzdüsen.
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In einer Ausführungsform der Wasseraufbereitungsanlage ist die Einspritzdüse mit einer Förderpumpe verbunden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Wasseraufbereitungsanlage einen Vorratstank wie bereits beschrieben aufweist, wobei die Förderpumpe dann zwischen dem Vorratstank und der Einspritzdüse angeordnet sein kann.
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In einer Ausführungsform der Wasseraufbereitungsanlage ist zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kondensatoreinlass ein Rohrabschnitt angeordnet. Die Einspritzdüse ist senkrecht zum Rohrabschnitt angeordnet. Eine solche Anordnung von Rohrabschnitt und Einspritzdüse hat sich als effizient für die Kühlung des Wasserdampfs herausgestellt.
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In einer Ausführungsform der Wasseraufbereitungsanlage ist die Einspritzdüse zwischen dem Kompressor und dem Kondensatoreinlass angeordnet.
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In einer Ausführungsform der Wasseraufbereitungsanlage ist die Einspritzdüse zwischen dem Tropfenabscheider und dem Kompressor angeordnet.
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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 erste Wasseraufbereitungsanlage;
- 2 eine zweite Wasseraufbereitungsanlage; und
- 3 eine dritte Wasseraufbereitungsanlage.
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1 zeigt eine erste 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. Zwischen dem Kompressor 120 und dem Kondensatoreinlass 116 ist eine Einspritzdüse 122 angeordnet, die eingerichtet ist, Wasser einzuspritzen. Das eingespritzte Wasser kann dazu verwendet werden, den vom Tropfenabscheider 105 zum Kondensatoreinlass 117 geführten sauberen Wasserdampf zu kühlen, um einen effizienteren Betrieb des Kondensators 116 der Verdampfer-Kondensator-Einheit 110 zu erreichen.
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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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Die erste Wasseraufbereitungsanlage 100 der 1 weist ferner einen optionalen Temperatursensor 126 an der Einspritzdüse 122, einen optionalen Drucksensor 127 am Kondensator 116 sowie eine optionale Steuereinheit 128 auf. Eine Menge des mittels der Einspritzdüse 122 eingespritzten Wassers kann anhand einer mittels des Temperatursensors 126 gemessenen Temperatur und eines mittels des Drucksensors 127 ermittelten Drucks eingestellt werden. Dies ermöglicht eine weitere Effizienzsteigerung.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die Menge des eingespritzten Wassers derart eingestellt, dass ein Sättigungspunkt innerhalb des Kondensators 116 erreicht wird.
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2 zeigt eine zweite Wasseraufbereitungsanlage 100, die der ersten Wasseraufbereitungsanlage 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Einspritzdüse 122 ist zwischen dem Tropfenabscheider 105 und dem Kompressor 120 angeordnet. Ansonsten kann die Einspritzdüse wie im Zusammenhang mit 1 erläutert ausgestaltet und betrieben werden. Der Temperatursensor 126, der Drucksensor 127 und die Steuereinheit 128 sind in 2 nicht dargestellt, können aber analog zu 1 ebenfalls vorgesehen sein.
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In einem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, umfasst die die Einspritzdüse 122 einen Piezo-Injektor 123. Selbstverständlich kann auch die Einspritzdüse 122 der 1 eine Piezo-Injektor 123 umfassen.
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Sowohl im Ausführungsbeispiel der 1 als auch im Ausführungsbeispiel der 2 ist optional vorgesehen, dass zwischen dem Tropfenabscheider 105 und dem Kondensatoreinlass 117 ein Rohrabschnitt 124 angeordnet ist. Die Einspritzdüse 122 ist senkrecht zum Rohrabschnitt 124 angeordnet. Prinzipiell sind auch andere Anordnungen denkbar. Senkrecht soll dabei insbesondere auch umfassen, dass ein Winkel zwischen der Einspritzdüse 122 und dem Rohrabschnitt zwischen 80 und 100 Grad beträgt.
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Der Kompressor 120 der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 kann als Seitenkanalgebläse 121 ausgestaltet sein.
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3 zeigt eine dritte Wasseraufbereitungsanlage 100, die der Wasseraufbereitungsanlage 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die dritte Wasseraufbereitungsanlage 100 der 3 zeigt weitere Elemente, die jeweils einzeln ebenfalls optional in der ersten Wasseraufbereitungsanlage 100 der 1 oder der zweiten Wasseraufbereitungsanlage 100 der 2 vorgesehen sein können. Diese einzelnen, auch in 1 vorsehbaren Elemente werden im Folgenden jeweils als ein zusätzliches Ausführungsbeispiel bezeichnet. Der Temperatursensor 126, der Drucksensor 127 und die Steuereinheit 128 sind in 3 nicht dargestellt, können aber analog zu 1 ebenfalls vorgesehen sein.
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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 dritte 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 wird die Einspritzdüse 122 mit Wasser aus dem Vorratstank 140 gespeist. Dies ermöglicht, bereits gereinigtes Wasser mittels der Einspritzdüse 122 einzuspritzen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine Förderpumpe 125 zwischen dem Vorratstank 140 und der Einspritzdüse 122 angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Tropfenabscheider 105 ein Zyklonabscheider 108.
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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 dritten 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 dritten 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.
