DE10302580A1 - Wasser-Reinigungsvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Wasser-Reinigungsvorrichtung (1) angegeben mit einer Flüssigkeitspumpe (2), einer Membraneinheit (6), die eine Membran (9) aufweist, die eine Primärseite (7) von einer Sekundärseite (8) trennt, und einem Verbraucher (18), der einen Druckbedarf aufweist, wobei die Flüssigkeitspumpe (2) mit der Primärseite (7) und der Verbraucher (18) mit der Sekundärseite (8) verbunden ist. DOLLAR A Man möchte dem Verbraucher (18) sekundärseitiges Wasser unter hohem Druck zur Verfügung stellen können. DOLLAR A Hierzu liefert die Flüssigkeitspumpe (2) den Druck (P2) für den Verbraucher (18) durch die Membran (9) hindurch.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Wasser-Reinigungsvorrichtung mit einer Flüssigkeitspumpe, einer Membraneinheit, die eine Membran aufweist, die eine Primärseite von einer Sekundärseite trennt, und einem Verbraucher, der einen Druckbedarf aufweist, wobei die Flüssigkeitspumpe mit der Primärseite und der Verbraucher mit der Sekundärseite verbunden ist.
- Eine derartige Wasser-Reinigungsvorrichtung ist aus
US 6 139 740 bekannt. Die Flüssigkeit wird mit Hilfe der Flüssigkeitspumpe unter einem relativ hohen Druck auf die Primärseite gepumpt. Nach dem Prinzip der Umkehrosmose (reverse osmosis) tritt dann Wasser auf die Sekundärseite über. Bei diesem Übertritt wird das Wasser demineralisiert oder gereinigt. Zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterung wird das Wasser auf der Sekundärseite einfach als "sekundärseitiges Wasser" bezeichnet. - Das sekundärseitige Wasser wird üblicherweise in einem Vorratsbehälter gesammelt und von dort dem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Der Verbraucher hat dann die Möglichkeit, bedarfsabhängig die benötigte Menge an sekundärseitigem Wasser zu entnehmen.
- In einigen Anwendungen benötigt der Verbraucher das sekundärseitige Wasser allerdings unter einem höheren Druck. Ein derartiges Anwendungsbeispiel ist eine Zerstäubungsanlage, mit der Pflanzen bewässert werden können. Für die Zerstäubung des sekundärseitigen Wassers durch Düsen sind höhere Drücke erforderlich, beispielsweise mehr als 30 bar. Ein üblicher Zerstäubungsdruck für sekundärseitiges Wasser liegt sogar bei 70 bar. Ein anderes Beispiel für die Verwendung von sekundärseitigem Wasser ist die sogenannte Wasser-Hydraulik, deren Komponenten unter der Bezeichnung "Nessie" von der Danfoss A/S, Nordborg, Dänemark, angeboten werden.
- Um das sekundärseitige Wasser auf den gewünschten höheren Druck zu bringen, verwendet man eine oder mehrere Pumpen, die zwischen dem Vorratsgefäß auf der Sekundärseite der Membraneinheit und dem Verbraucher angeordnet sind. Diese Pumpe bringt das sekundärseitige Wasser auf den gewünschten höheren Druck. Allerdings hat sich herausgestellt, daß die hierfür benötigten Wasserpumpen bei demineralisiertem Wasser nur eine relativ begrenzte Lebensdauer haben. Die Lebensdauer ist wesentlich geringer als bei der Verwendung von "normalem" oder ungereinigtem Wasser. Selbst bei Salzwasser ist die Lebensdauer größer.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Verbraucher sekundärseitiges Wasser unter höherem Druck zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird bei einer Wasser-Reinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Flüssigkeitspumpe den Druck für den Verbraucher durch die Membran hindurch liefert.
- Man nutzt also die Tatsache aus, daß auf der Sekundärseite der Membraneinheit bereits ein hoher Druck zur Verfügung steht, der unmittelbar dem Verbraucher zugeführt wird. In diesem Fall kommt man mit einer einzigen Pumpe aus, die auf der Primärseite der Membraneinheit angeordnet ist. Diese Flüssigkeitspumpe kann dann mineralhaltiges oder verschmutztes Wasser pumpen, was ihre Lebensdauer teilweise beträchtlich erhöht.
- Vorzugsweise ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die einen Druckabfall über der Membran auf einen vorbestimmten Wert einstellt. Diese Ausgestaltung hat zumindest zwei Vorteile. Zum einen läßt sich durch die Regelung des Druckabfalls der Wirkungsgrad der Membran beeinflussen. Je größer der Druckabfall ist, desto geringer ist im allgemeinen der Wirkungsgrad. Zum anderen läßt sich auch die Lebensdauer der Membran positiv beeinflussen. Bei einem geringeren Druckabfall steigt die Lebensdauer. Man wird also den Druckabfall über die Membran in Abhängigkeit vom Bedarf wählen und entsprechend einstellen. Dies ergibt eine Betriebsweise für die Wasser-Reinigungsvorrichtung mit geringen Kosten.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Primärseite mit einer Druckregeleinrichtung in Verbindung steht, die den Druck auf der Primärseite in Abhängigkeit vom Druck auf der Sekundärseite regelt, und der Verbraucher einen Druckeingang aufweist, der an der Sekundärseite angeschlossen ist. Mit dieser Ausgestaltung wird dem Verbraucher das sekundärseitige Wasser unter einem höheren Druck zugeführt und zwar unmittelbar vom Ausgang der Sekundärseite der Membraneinheit. Dementsprechend ist es nicht mehr erforderlich, das sekundärseitige Wasser mit Hilfe von Pumpen auf einen höheren Druck zu bringen. Der höhere Druck auf der Sekundärseite ist dann sozusagen ein "Abfallprodukt" der Umkehrosmose. Da aber durch die Membran in der Membraneinheit ein gewisser Druckabfall erzeugt wird, ist die Druckregeleinrichtung vorgesehen, die den Druck auf der Primärseite in Abhängigkeit vom Druck auf der Sekundärseite regelt. Wenn man also einen Druck auf der Sekundärseite vorgibt, dann wird der Druck auf der Primärseite immer so geregelt, daß der gewünschte oder vorgegebene Druck auf der Sekundärseite erreicht werden kann. Damit ist der Betrieb der Wasser-Reinigungsvorrichtung zwar mit einem etwas erhöhten Regelungsaufwand verbunden. Man kommt jedoch mit einer einzigen Flüssigkeitspumpe aus, die auf der Primärseite der Membraneinheit angeordnet ist. Diese Flüssigkeitspumpe pumpt Wasser, das noch nicht demineralisiert oder gereinigt ist. Dementsprechend hat diese Pumpe eine erhöhte Lebensdauer.
- Bevorzugterweise weist die Druckregeleinrichtung ein Regelventil auf, das in einer Verbindungsleitung zwischen der Flüssigkeitspumpe und der Membraneinheit an geordnet ist. Mit dem Regelventil wird also der Zufluß des zu reinigenden Wassers zu der Membraneinheit geregelt. Je weiter das Regelventil öffnet, desto größer wird der Druck auf der Primärseite. Wenn das Regelventil weiter schließt, sinkt der Druck auf der Primärseite ab. Voraussetzung dabei ist natürlich, daß auf der Primärseite ein Abfluß für das zu reinigende Wasser vorgesehen ist, so daß an dem Regelventil durch das durchströmende Wasser ein Druckabfall entstehen kann, der letztendlich für den Druck auf der Primärseite und damit für den Druck auf der Sekundärseite der Membraneinheit verantwortlich ist.
- Hierbei ist von Vorteil, daß das Regelventil ein Ventilelement aufweist, das in Öffnungsrichtung vom Druck auf der Sekundärseite und in Schließrichtung vom Druck auf der Primärseite beaufschlagt ist. Zusätzlich ist das Ventilelement von einer Öffnungsfeder beaufschlagt. Der Druckabfall über die Membran entspricht dann der Kraft der Öffnungsfeder, die auf das Ventilelement wirkt. Damit läßt sich der Druckabfall über die Membran auf einfache Weise einstellen und damit auch der Druck auf der Sekundärseite der Membraneinheit.
- Vorzugsweise weist die Primärseite eine Flüssigkeitsausgangsanordnung auf, in der eine einstellbare Drossel angeordnet ist. Mit Hilfe der einstellbaren Drossel läßt sich der Volumenstrom des abfließenden primärseitigen Wassers einstellen und damit auch der Druck auf der Primärseite. Dies ist eine relativ einfache Maßnahme, um den gewünschten Druck auf der Primärseite der Membran zu erzeugen.
- Vorzugsweise ist parallel zur Drossel ein schaltbares Ventil angeordnet. Das schaltbare Ventil kann einfach als Auf-Zu-Ventil ausgebildet sein, das beispielsweise durch einen Magnetantrieb betätigt wird. Das schaltbare Ventil erleichtert die Reinigung der Primärseite der Membraneinheit. Man kann das schaltbare Ventil einfach öffnen und eine größere Menge an primärseitiger Flüssigkeit durch die Primärseite der Membraneinheit leiten. Diese Flüssigkeit kann dann Verunreinigungen, die sich auf der Primärseite möglicherweise abgelagert haben, entfernen.
- Vorzugsweise regelt die Druckregeleinrichtung den Druck auf der Primärseite so, daß der Druck auf der Sekundärseite in einem Bereich von 35 bis 180 bar liegt. Dies ist ein Druckbereich, in dem viele Verbraucher, die einen erhöhten Eingangsdruck benötigen, arbeiten können.
- Auch ist von Vorteil, daß die Druckregeleinrichtung den Druck auf der Primärseite in Abhängigkeit von der Qualität des zu reinigenden Wassers einstellt. Beispielsweise ist die Druckdifferenz über die Membran bei Trinkwasser geringer als bei Schmutzwasser. Die höchsten Differenzdrücke werden beispielsweise bei Salzwasser benötigt. Die Regeleinrichtung kann entweder vom Benutzer umgestellt werden, der den Einsatzzweck der Wasser-Reinigungsvorrichtung kennt. Es ist aber auch möglich, einen Sensor in der Wasserquelle vorzusehen, der ein Ausgangssignal erzeugt, das letztendlich für die Druckeinstellung erforderlich ist.
- Hierbei ist bevorzugt, daß die Druckregeleinrichtung eine Druckdifferenz über die Membran wie folgt einstellt:
bei Trinkwasser: 3 bis 7 bar,
bei Schmutzwasser: 7 bis 30 bar und
bei Salzwasser: 30 bis 80 bar. - In diesen Bereichen ergeben sich die gewünschten Wirkungen bei der Umkehrosmose, so daß sekundärseitiges Wasser als weitgehend demineralisiertes Wasser zur Verfügung steht.
- Bevorzugterweise weist der Verbraucher ein Ventil auf, das bei einem vorbestimmten Mindestdruck öffnet. Man stellt dadurch sicher, daß der Verbraucher das sekundärseitige Wasser nur dann erhält oder verbrauchen kann, wenn das sekundärseitige Wasser auf der Sekundärseite der Membraneinheit mit dem gewünschten Druck zur Verfügung steht.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt die einzige Fig. eine schematische Ansicht einer Wasser-Reinigungsvorrichtung.
- Eine nur schematisch dargestellte Wasser-Reinigungsvorrichtung
1 weist eine Pumpe2 auf, die von einem Motor3 angetrieben ist. Die Pumpe2 ist als Flüssigkeitspumpe ausgebildet, die Wasser einer Quelle4 , beispielsweise einer Trinkwasserleitung, einem Wasserbek ken oder dem Meer, entnimmt. Vorzugsweise ist die Flüssigkeitspumpe2 eine positive Verdrängerpumpe vom Axialkolbentyp. Zwischen der Quelle4 und der Pumpe2 ist ein Filter5 angeordnet, der Verunreinigungen in dem Wasser herausfiltert. - Die Pumpe
2 ist als Wasserpumpe ausgebildet. Eine derartige Pumpe2 wird im "Nessie"-Programm der Danfoss A/S, Nordborg, Dänemark, angeboten. Solange das Wasser aus der Quelle4 noch nicht demineralisiert ist, arbeitet die Pumpe2 zufriedenstellend mit einer ausreichenden Lebensdauer, auch wenn das Wasser keine schmierenden Eigenschaften hat, wie andere Hydraulikflüssigkeiten, beispielsweise Hydrauliköl. - Die Vorrichtung
1 weist eine Membraneinheit6 auf mit einer Primärseite7 und einer Sekundärseite8 . Zwischen der Primärseite7 und der Sekundärseite8 ist eine ebenfalls nur schematisch dargestellte Membran9 angeordnet. Dargestellt ist eine einzelne Membraneinheit9 . Man kann jedoch auch mehrere Membraneinheiten parallel zueinander anordnen (nicht näher dargestellt) und einzelne Membraneinheiten zu- oder wegschalten, beispielsweise in Abhängigkeit vom Verbrauch. Hierzu können beispielsweise Magnetventile verwendet werden. - Mit der Membran
9 wird das Wasser nach dem Prinzip der Umkehrosmose (reverse osmosis) demineralisiert bzw. gereinigt. Hierzu muß das Wasser auf der Primärseite7 mit einem relativ hohen Druck anstehen. Ein Teil des Wassers tritt dann durch die Membran9 hindurch und steht auf der Sekundärseite8 dann als sekundärseitiges Wasser an, das beispielsweise von Salz befreit, gereinigt oder allgemein demineralisiert ist. - Zwischen der Pumpe
2 und der Primärseite7 der Membraneinheit6 ist ein Regelventil10 einer Druckregeleinrichtung angeordnet. Das Regelventil10 weist ein Ventilelement11 auf, das in Schließrichtung von einem Druck P1 auf der Primärseite7 und in Öffnungsrichtung von einem Druck P2 auf der Sekundärseite8 der Membraneinheit6 beaufschlagt wird. Alternativ kann das Ventilelement11 vom Druck zwischen der Flüssigkeitspumpe2 und dem Regelventil10 in Schließrichtung beaufschlagt werden. Damit läßt sich erreichen, daß ein plötzlicher Druckaufbau keine schädliche Wirkung auf die Membran9 hat. Im Prinzip kann man mit dieser "Beschaltung" ein "Schockventil" realisieren. Zusätzlich ist das Ventilelement11 in Öffnungsrichtung noch von einer Öffnungsfeder12 beaufschlagt. Die Öffnungsfeder12 definiert im Grunde den Druckabfall über die Membran9 . - Zwischen der Sekundärseite
8 und dem Regelventil10 ist eine Signalleitung13 angeordnet, über die beispielsweise der Druck von der Sekundärseite8 zum Regelventil10 übertragen werden kann. Es ist aber auch möglich, die Signalleitung13 zur Übertragung von anderen Signalen, beispielsweise elektrischen Signalen, zu nutzen, wenn auf der Sekundärseite8 ein entsprechender Sensor oder Signalwandler und am Regelventil10 ein auf ein entsprechendes Signal reagierender Antrieb vorgesehen sind. Beispielsweise kann man die Drücke P1, P2 mit Drucksensoren messen und die daraus resultierenden Signale einer Steuereinrichtung zuleiten, die den Motor steuert, der die Flüssigkeitspumpe2 antreibt. In diesem Fall kann man auch ohne Ventile auskommen. Anstelle von Drucksensoren kann man natürlich auch Durchflußsensoren oder andere Sensoren verwenden. - Die Primärseite
7 weist eine Flüssigkeitsausgangsanordnung auf, in der eine einstellbare Drossel14 angeordnet ist. Durch Verstellen der Drossel14 läßt sich der Druck auf der Primärseite7 verändern. Diese Veränderung kann manuell erfolgen. Es ist aber auch möglich, zur Verstellung der Drossel14 eine Steuereinrichtung15 zu verwenden, die mit einem Sensor26 verbunden ist, der die Qualität des Wassers aus der Quelle4 ermittelt. Beispielsweise kann es erforderlich sein, das Wasser mit einem höheren Druck auf die Primärseite7 zu fördern, wenn das Wasser stärker verschmutzt ist oder es sich um Salzwasser handelt. Bei Trinkwasser ist hingegen ein geringer Druck erforderlich. Die Steuereinrichtung15 kann in schematisch dargestellter Weise auch auf die Öffnungsfeder12 einwirken, um die Druckdifferenz über die Membran9 zu verändern. Mit der Regelung ist es möglich, den Druckabfall über die Membran9 zu steuern. Dies ist von Vorteil, weil der Wirkungsgrad der Membran9 vom Druckabfall abhängt. Beispielsweise hat die Membran9 bei 20 bar einen Wirkungsgrad von 80%, während der Wirkungsgrad bei 65 bar nur bei 35% liegt. Darüber hinaus sinkt die Lebensdauer der Membran mit höherem Druckabfall. - Parallel zur Drossel
14 ist ein Ventil16 vorgesehen, beispielsweise ein Magnetventil, das einen Magnetantrieb17 aufweist. Dieses Ventil kann, wie dargestellt, geschlossen sein, wenn die Membraneinheit6 arbeitet, um das Wasser zu demineralisieren. Es kann aber auch geöffnet werden, um einen mehr oder weniger ungedrosselten Flüssigkeitsstrom durch die Primärseite7 zu erlauben. Mit einem derartigen Wasserstrom kann man beispielsweise Verunreinigungen entfernen, die sich auf der Primärseite7 der Membraneinheit6 abgelagert haben. Bei einer derartigen Reinigung werden sowohl Schmutz entfernt als auch andere unerwünschte Elemente, z.B. Mineralien. - Es hat sich herausgestellt, daß man mit Hilfe der Druckregeleinrichtung auf der Sekundärseite
8 der Membraneinheit6 einen Druck P2 einstellen kann, der günstigerweise im Bereich von 35 bis 180 bar liegt. Der Druckabfall über die Membran9 , d.h. die Differenz P1 minus P2, liegt bei der Reinigung von Trinkwasser vorzugsweise im Bereich von 3 bis 7 bar, bei der Verwendung von Schmutzwasser vorzugsweise im Bereich von 7 bis 30 bar und bei der Verwendung von Salzwasser vorzugsweise im Bereich von 30 bis 80 bar. - Die Sekundärseite
8 ist mit einem Druckeingang23 eines Verbrauchers18 verbunden, beispielsweise einer Düseneinheit mit nur schematisch dargestellten Düsen19 , durch die das demineralisierte Wasser zerstäubt werden soll. Zum Zerstäuben des Wassers ist ein vorbestimmter Druck erforderlich. Man kann nun zwischen der Düseneinheit19 und der Sekundärseite8 ein Ventil20 anordnen, das erst bei einem vorbestimmten Druck öffnet. Dieser Druck wird durch eine Schließfeder21 definiert. Ein Ventilelement22 wird gegen die Kraft der Schließfeder21 vom Druck P2 an der Sekundärseite8 beaufschlagt. Wenn der Druck P2 auf der Sekundärseite8 die Kraft der Schließfeder21 übersteigt, dann wird das Ventilelement22 so verschoben, daß das Ventil20 öffnet. - Die Druckregelung kann natürlich auch dadurch erfolgen, daß ein Ventil (nicht dargestellt) in der Leitung zwischen der Sekundärseite
8 der Membraneinheit6 und dem Verbraucher18 angeordnet wird. Auch ist es möglich, die Druckregelung durch ein Ventil vorzunehmen, das auf der Abflußseite der Primärseite7 der Membraneinheit6 angeordnet ist. In beiden Fällen wird der Druck P1 auf der Primärseite dem Ventil zugeführt. - Der Verbraucher
18 kann auch als Druckspeicher oder Akkumulator ausgebildet sein. Man kann die Wasser-Reinigungsvorrichtung auch dazu verwenden, höher gelegene Gebäude oder Zapfstellen, beispielsweise eine Berghütte, mit Wasser zu versorgen. Die Flüssigkeitspumpe2 ist dann im Tal angeordnet und pumpt nur "ungereinigtes" Wasser, wobei die Membraneinheit6 hinter der Flüssigkeitspumpe2 angeordnet ist, so daß "oben" nur gereinigtes Wasser ankommt. - Natürlich sind in nicht näher dargestellter Weise Sicherheitskomponenten überall dort im hydraulischen System der Wasser-Reinigungsvorrichtung vorhanden, wo sie nötig sind. Beispielsweise kann am Ausgang der Flüssigkeitspumpe
2 ein Schockventil vorhanden sein (Überdruckventil), um eine Beschädigung der Pumpe zu verhindern, wenn das Regelventil10 geschlossen wird.
Claims (11)
- Wasser-Reinigungsvorrichtung mit einer Flüssigkeitspumpe, einer Membraneinheit, die eine Membran aufweist, die eine Primärseite von einer Sekundärseite trennt, und einem Verbraucher, der einen Druckbedarf aufweist, wobei die Flüssigkeitspumpe mit der Primärseite und der Verbraucher mit der Sekundärseite verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitspumpe (
2 ) den Druck (P2) für den Verbraucher (18 ) durch die Membran (9 ) hindurch liefert. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die einen Druckabfall über der Membran (
9 ) auf einen vorbestimmten Wert einstellt. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite (
7 ) mit einer Druckregeleinrichtung (10 ,14 ) in Verbindung steht, die den Druck (P1) auf der Primärseite (7 ) in Abhängigkeit vom Druck (P2) auf der Sekundärseite (8 ) regelt, und der Verbraucher (18 ) einen Druckeingang aufweist, der an der Sekundärseite (8 ) angeschlossen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung (
10 ,14 ) ein Regelventil (10 ) aufweist, das in einer Verbindungsleitung zwischen der Flüssigkeitspumpe (2 ) und der Membraneinheit (6 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (
10 ) ein Ventilelement (11 ) aufweist, das in Öffnungsrichtung vom Druck (P2) auf der Sekundärseite (8 ) und in Schließrichtung vom Druck (P1) auf der Primärseite (7 ) beaufschlagt ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite (
7 ) eine Flüssigkeitsausgangsanordnung aufweist, in der eine einstellbare Drossel (14 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Drossel (
14 ) ein schaltbares Ventil (16 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung (
10 ,14 ) den Druck (P1) auf der Primärseite (7 ) so regelt, daß der Druck (P2) auf der Sekundärseite (8 ) in einem Bereich von 35 bis 180 bar liegt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung (
10 ,14 ) den Druck (P1) auf der Primärseite (7 ) in Abhängigkeit von der Qualität des zu reinigenden Wassers einstellt. - Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung (
10 ,14 ) eine Druckdifferenz (P1–P2) über die Membran (9 ) bei Trinkwasser im Bereich von 3 bis 7 bar, bei Schmutzwasser im Bereich von 7 bis 30 bar und bei Salzwasser im Bereich von 30 bis 80 bar einstellt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (
18 ) ein Ventil (20 ) aufweist, das bei einem vorbestimmten Mindestdruck öffnet.
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