Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenanordnung derart
auszubilden und anzuordnen, dass bei kleinen Masseströmen für die Umkehrosmose
vorteilhafte Strömungsbedingungen einstellbar
sind und die Pumpenanordnung billig herzustellen ist.
Gelöst wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass die Pumpenanordnung eine Welle aufweist, wobei auf einem ersten
Teil der Welle ein erstes Pumpenrad und auf einem zweiten Teil der
Welle ein zweites Pumpenrad oder ein Antrieb für eine Hochdruckpumpe angeordnet
ist.
Hierdurch
wird erreicht, dass über
das erste Pumpenrad ein Masse- bzw. Flüssigkeitsstrom mit hohem Druckniveau
und mit einer stetigen Geschwindigkeit gefördert wird und gleichzeitig
mit dem zweiten Pumpenrad oder mit dem Antrieb für eine Hochdruckpumpe das hohe
Druckniveau für
die Umkehrosmose einstellbar ist. Das erste den Masse- bzw. Flüssigkeitsstrom
bewegende Pumpenrad hat gegenüber
einer Kolbenpumpe den Vorteil, dass der Massestrom nicht pulsierend
gefördert
wird und eine kritische Strömungsgeschwindigkeit
in der Membrane nicht unterschritten wird, wie es bei Kolbenpumpen
beim Ladungswechsel der Fall ist. Das zweite Pumpenrad oder der
Antrieb für
die Hochdruckpumpe ist erfindungsgemäß in dem gleichen Gehäuse wie
das erste Pumpenrad angeordnet und wird durch die gleiche rotierende
Welle angetrieben wie das erste Pumpenrad.
Die
erfindungsgemäße Ausbildung
ist aufgrund der einfachen Steuerung ohne Druckdifferenzventil und
der nahezu verschleißfreien
rotierenden Pumpen billiger und einfacher aufgebaut.
Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass die Pumpenanordnung in einen offenen und/oder
in einen geschlossenen Kreislauf für eine Flüssigkeit integriert ist. Dadurch
wird erreicht, dass die erfindungsgemäße Pumpenanordnung gleichzeitig
in verschiedene Anordnungen von Kreisläufen integrierbar ist. Dabei ist
ein geschlossener Kreislauf mit einem oder mehreren offenen Kreisläufen kombinierbar, über die
ein Massestrom zu- oder abgeführt
wird.
Eine
diesbezügliche
bevorzugte Möglichkeit ist
gemäß einer
Weiterbildung, dass die Pumpenanordnung ein System mit zumindest
einem geschlossenen und zumindest einem offenen Kreislauf bildet. Im
geschlossenen Kreislauf ist eine Membran eingebracht. Das Medium
wird unter hohem für
die Umkehrosmose notwendigem Druckniveau umgewälzt. Über einen offenen Kreislauf
wird dem geschlossenen Kreislauf ständig ein Massestrom zugeführt, der an
einer oder mehreren Stellen am geschlossenen Kreislauf wieder entnommen
wird.
Ferner
ist es vorteilhaft, dass der Ansaugstutzen und der Auslassstutzen
dem ersten Pumpenrad zugeordnet sind und das erste Pumpenrad den
Kreislauf schließt.
Im geschlossenen Kreislauf wird somit die Flüssigkeit durch das erste Pumpenrad
unter hohem Druckniveau umgewälzt.
Dadurch wird erreicht, dass mit dem ersten Pumpenrad die Flüssigkeit
im Kreislauf nur umgewälzt
wird. Das erste Pumpenrad wird nicht zum Aufbringen des für die Umkehrosmose
notwendigen hohen Druckniveaus eingesetzt.
Vorteilhaft
ist es auch, dass dem zweiten Pumpenrad oder der Hochdruckpumpe
ein Einlass und ein Auslass zugeordnet ist, wobei der Auslass über eine
Leitung mit dem Kreislauf in Verbindung steht. Über den Auslass wird dem Kreislauf
kontinuierlich mit dem zweiten Pumpenrad oder mit der Hochdruckpumpe
ein gewisser Massestrom an Flüssigkeit
zugeführt,
der an anderer Stelle des Kreislaufs wieder entnommen wird. Dieser
Massestrom wird über
den als Ansaugstutzen ausgebildeten Einlass zugeführt.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass das erste Pumpenrad als Niederdruckpumpe ausgebildet
ist und am ersten Pumpenrad eine Druckdifferenz bis zu 7 bar einstellbar
ist. Zum Umwälzen
des Kreislaufs sind im Wesentlichen nur die Strömungs- und Reibungsverluste
durch das erste Pumpenrad aufzubringen.
Von
besonderer Bedeutung ist für
die vorliegende Erfindung, dass das erste Pumpenrad als rotierende
hydrodynamische oder hydrostatische Pumpe wie beispielsweise eine
Kreiselpumpe, Impellerpumpe oder Flügelzellenpumpe ausgebildet ist.
Prinzipiell sind alle rotierenden Pumpen einsetzbar, die einen annähernd kontinuierlichen
Flüssigkeitsstrom ohne
Ladungswechsel erzeugen.
Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung
ist es von Vorteil, dass das zweite Pumpenrad als Hochdruckpumpe ausgebildet
ist und am zweiten Pumpenrad oder an der Hochdruckpumpe eine Druckdifferenz
bis zu 100 bar einstellbar ist. Dadurch wird erreicht, dass das
für die
Umkehrosmose erforderliche Druckniveau erzeugt wird und gleichzeitig
ein Austausch von Flüssigkeiten
ermöglicht
wird, damit die Salzkonzentration im Kreislauf ein gewisses Maß nicht überschreitet.
Vorteilhaft
ist es ferner, dass das zweite Pumpenrad als rotierende hydrostatische
Verdrängerpumpe
wie beispielsweise eine Flügelzellenpumpe,
Zahnradpumpe, Wälzkolbenpumpe
oder Rotationskolbenpumpe ausgebildet ist. Prinzipiell sind alle rotierenden
Pumpen einsetzbar, die ein entsprechendes Druckniveau erzeugen.
Außerdem ist
es vorteilhaft, dass die Hochdruckpumpe als oszillierende hydrostatische
Verdrängerpumpe
wie beispielsweise eine Kolbenpumpe oder Kolben-Hydromembranpumpe
ausgebildet ist. Prinzipiell sind alle oszillierenden Pumpen einsetzbar,
die ein entsprechendes Druckniveau erzeugen.
Ferner
ist es vorteilhaft, dass der zweite Teil der Welle als Nocke, gekröpft oder
als Taumelscheibe als mittel- oder unmittelbarer Antrieb für zumindest
einen in radialer Richtung zu einer Drehachse bewegbaren Kolben
der Hochdruckpumpe ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass
die zum Antrieb des ersten Pumpenrads vorgesehene Welle gleichzeitig
eine oszillierende zweite Pumpe antreibt. In einem bevor zugten Ausführungsbeispiel
ist der Antrieb als Nocke für
einen Kolben ausgebildet.
Um
die Komplexität
der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
zu begrenzen, ist es von Vorteil, dass die Welle zumindest einteilig
ausgebildet mit dem ersten Pumpenrad und mit dem Antrieb in dem Gehäuse gelagert
ist, wobei das Gehäuse
einteilig, verschraubt oder gegossen ausgebildet ist. Beide Pumpen
sind somit unmittelbar nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet.
Das Gehäuse
ist kompakt ausgebildet.
Schließlich ist
es von Vorteil, dass die Welle wenigstens zweiteilig ausgebildet
ist und der erste Teil der Welle mit dem ersten Pumpenrad in einem ersten
Gehäusekörper und
der zweite Teil der Welle mit dem Antrieb in einem zweiten vom ersten
Gehäusekörper baulich
getrennten Gehäusekörper gelagert ist.
Dadurch wird erreicht, dass die Wellen je nach Ausbildung der Pumpe
hergestellt und erst beim Zusammenbau zumindest drehfest verbunden
werden. In einem besonderen Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, den ersten Teil und den zweiten Teil nicht innerhalb
des Gehäuses
zu verbinden. Dadurch wird erreicht, dass der erste Gehäusekörper hinsichtlich der
unterschiedlichen Druckniveaus an dem den beiden Pumpen gegenüberliegenden
zweiten Gehäusekörper angeschlossen
ist. Die beiden Wellenteile sind über eine Zwischenwelle oder über einen
Ketten- bzw. Riemenantrieb miteinander verbunden. Für eine solche
externe Verbindung der beiden Wellenteile ist es von Vorteil, die
beiden Wellenteile nicht in Flucht, sondern parallel zueinander
anzuordnen, was einen Ketten- bzw. Riemenantrieb zum Einsatz bringt.
Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass der dem Antrieb auf dem zweiten Teil der
Welle zugeordnete Kolben in einem Zylinderraum im Gehäuse oder
im zweiten Gehäusekörper gela gert
ist und dem Zylinderraum der Einlass und der Auslass zugeordnet
ist, wobei der Auslass über
eine Leitung mit dem Kreislauf in Verbindung steht. Dadurch wird
erreicht, dass eine oszillierende und den Hochdruck aufbauende Pumpe über den
Auslass in den Kreislauf integriert ist und über den Einlass eine Zuführung für noch zu
filternde Flüssigkeit
gebildet ist.
Letztlich
ist es von Vorteil, dass das zweite Pumpenrad auf der Welle in einem
Pumpenraum gelagert ist und dem Pumpenraum der Einlass und der Auslass
zugeordnet ist, wobei der Auslass über eine Leitung mit dem Kreislauf
in Verbindung steht. Dadurch wird gegenüber der vorstehend beschriebenen oszillierenden
Pumpe eine rotierende, den Hochdruck aufbauende Pumpe über den
Auslass in den Kreislauf integriert. Über den Einlass ist eine Zuführung für noch zu
filternde Flüssigkeit
gebildet.
Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass dem Kreislauf mittel- oder unmittelbar ein Zulauf, ein Ablauf
und ein Entnahmestutzen zugeordnet ist. Durch den Zulauf wird ein
gewisser Massestrom noch zu filternder Flüssigkeit aufgenommen. Dieser
Massestrom entspricht der Summe des am Ablauf und am Entnahmestutzen
abgeführten
Massestroms. Am Entnahmestutzen wird gefilterte bzw. aufbereitete Flüssigkeit
entnommen, wohingegen am Ablauf Konzentrat abfließt.
Eine
zusätzliche
Möglichkeit
ist gemäß einer Weiterbildung,
dass der Einlass als Zulauf ausgebildet ist. Dadurch wird ein einfacher
Aufbau erreicht.
Ferner
ist es vorteilhaft, dass im offenen Kreislauf der Auslass des zweiten
Pumpenrades oder der Auslass der Hochdruckpumpe unmittelbar über den
Kreislauf mit dem Ansaugstutzen des ersten Pumpenrades in Verbindung
steht. Dadurch wird erreicht, dass das erste Pumpenrad hydraulisch
mit dem zweiten Pumpenrad oder mit der Hochdruckpumpe gekoppelt
ist. Der im offenen Kreislauf abzuführende und nicht gefilterte
Massestrom mit hohem Druckniveau wird somit als hydraulischer Motor
zum Antreiben des Hochdruckelements eingesetzt.
Vorteilhaft
ist es auch, dass der Auslass als Ablauf ausgebildet ist und/oder
das zweite Pumpenrad oder das erste Pumpenrad als Hydromotor einsetzbar
ist. Dadurch wird erreicht, dass das hohe Druckniveau auf verschiedenste
Weisen genutzt wird, um das Hochdruckelement anzutreiben.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass der Welle ein drittes Pumpenrad oder ein zweiter
Kolben und dem Pumpenrad oder dem zweiten Kolben ein Einlass und
ein Auslass am Gehäuse
oder am Gehäusekörper zugeordnet
ist, wobei der Ablauf des Kreislaufs mit dem Einlass verbunden ist
und/oder das Pumpenrad oder der zweite Kolben als Hydromotor einsetzbar
ist. Dadurch wird erreicht, dass das Umwälzen der Flüssigkeit getrennt vom Einspeisen
der Flüssigkeit
und getrennt von der Rückgewinnung
der Druckenergie über
jeweils eine Pumpe erfolgt. Hierbei werden die für die jeweilige Aufgabe speziellen
Eigenschaften der einsetzbaren Pumpen ausgenutzt und ein einfacher
Aufbau der Pumpenanordnung erreicht.
Von
besonderer Bedeutung ist für
die vorliegende Erfindung, dass das erste Pumpenrad und das zweite
Pumpenrad als Flügelzellenrotor
oder rotierende Verdrängerpumpe
ausgebildet sind, wobei der dem zweiten Pumpenrad zugeordnete Auslassstutzen
und der dem ersten Pumpenrad zugeordnete Ansaugstutzen über den
offenen Kreislauf verbunden sind und der Auslassstutzen des ersten
Pumpenrads über
ein offenes Volumen einer Flüssigkeit
mit dem Einlass des zweiten Pumpenrads verbunden ist. Dadurch wird
ein Druckerhöhungsmodul
gebildet, das auch ohne Ventile funktioniert.
Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung
ist es von Vorteil, dass zumindest eine Welle mittel- oder unmittelbar manuell
und/oder über
einen Elektro- und/oder über einen
Verbrennungsmotor antreibbar ist. Dadurch ist das Druckerhöhungsmodul
mit jedem beliebigen Motor kombinierbar. In Extremsituationen ist
auch eine Dampfmaschine als Motor einsetzbar. Die erforderliche
Drehzahl der Pumpenwelle wird über
ein einfaches Stirnradgetriebe zwischen Motor und Pumpenwelle modifiziert.
Vorteilhaft
ist es ferner, dass der Einlass von zumindest einem Pumpenrad hydraulisch
mit einer externen Pumpe oder einer Druckleitung verbunden ist und
das Pumpenrad über
die externe Pumpe oder die Druckleitung hydraulisch antreibbar ist.
Dadurch wird eine Alternative zum Antrieb über eine drehende Welle geschaffen.
Neben dem Hochdruck- und Umwälzmodul
ist ein drittes Pumpenelement der Welle zugeordnet. Das dritte Pumpenelement
ist an einen bestehenden Pumpenkreislauf anzuschließen, über den
der Antrieb der Pumpenanordnung erfolgt. Beispielsweise ist das
dritte Pumpenrad über
den Kühlwasserkreislauf
eines Schiffsmotors antreibbar.
Hierzu
ist es vorteilhaft, dass der förderbare Volumenstrom
des zweiten Pumpenrades größer oder
unterschiedlich dem förderbaren
Volumenstrom des ersten Pumpenrades ist und dieser Differenzvolumenstrom
zwischen 80 und 100 % dem am Entnahmestutzen entnehmbaren Volumenstrom
entspricht. Dadurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass ein über die
bei den Pumpen verbundenes Filtersystem von einem niedrigen Druckniveau
zu Beginn auf ein hohes Druckniveau gebracht werden kann, obwohl das
zweite Pumprad über
eine externe Pumpe mit niedrigen Druckniveau angetrieben wird. Das
erste Pumprad ist über
eine Welle mit dem zweiten Pumprad verbunden und bildet einen Hydromotor. Dieses
System ermöglicht
die Einstellung eines hohen Druckniveaus ohne Hochdruckpumpe.
Außerdem ist
es vorteilhaft, dass zumindest ein Teil zumindest eines Gehäuses und/oder
eines Bauteils der erfindungsgemäßen Anordnung
aus chemisch beständigem
Material wie beispielsweise salzwasserbeständigem Stahl, salzwasserbeständiger Bronze
und/oder Kunststoff ausgebildet ist. Als Stahl ist beispielsweise
V4A® oder
AISI316® einsetzbar.
Ferner
ist es vorteilhaft, dass zumindest ein Teil zumindest eines Gehäuses und/oder
eines Bauteils der erfindungsgemäßen Anordnung
beschichtet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Pumpenanordnung
unabhängig
vom Grundmaterial seewasserbeständig
ist.
Hierzu
ist es vorteilhaft, dass zumindest ein Teil zumindest eines Gehäuses und/oder
eines Bauteils der erfindungsgemäßen Anordnung
beispielsweise durch elektrolytische Oxidation, durch chemisches
Auftragen oder durch elektrolytisch aufgebrachtes Metall beschichtet
ist. Hierzu wird beispielsweise Nickel chemisch aufgetragen oder
eine elektrolytische Beschichtung aus Chrom, Nickel, Silber oder
Gold gebildet.
Schließlich ist
es von Vorteil, dass zumindest ein Teil zumindest eines Gehäuses und/oder
eines Bauteils der erfindungsgemäßen Anordnung
mit einer die tribologischen Eigenschaften verbessernden Schicht
beschichtet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Reibung, der Verschleiß und die
Schmierung optimiert und dadurch Energie eingespart wird.
Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass zumindest ein Teil des Zylinderraums oder
eines metallischen Bauteils chemisch mit Nickel und mit einer Einlagerung
aus Teflon® beschichtet
ist. Dadurch wird erreicht, dass als Gehäusematerial Aluminium einsetzbar
ist und die Hochdruckpumpe sehr einfach für Drücke bis über 60 bar auslegbar ist.
Letztlich
ist es von Vorteil, dass zumindest ein Teil eines Kunststoffbauteils
galvanisch und/oder chemisch mit einer metallischen Schicht beschichtet ist.
Prinzipiell
erhalten die verschiedensten Grundmaterialien ihre erfindungsgemäße Beständigkeit
erst durch Beschichtungsverfahren, die zu den verschiedenen vorstehend
genannten Beschichtungen führen.
Hierzu ist das Verfahren zum Beschichten eines Bauteils aus einer
Aluminiumlegierung oder eines Bauteils aus Kunststoff durch chemische
Vernicklung mit einer Einlagerung aus Teflon® besonders vorteilhaft.
Vorteilhaft
ist es auch, dass das System bestehend aus der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
mit zumindest einem Kreislauf und zumindest einem im Flüssigkeitskreislauf
integrierten Filterelement kombiniert ist.
Eine
zusätzliche
Möglichkeit
ist gemäß einer Weiterbildung,
dass im Kreislauf zumindest ein Filterelement oder mehrere Filterelemente
in Reihe oder parallel angeordnet sind.
Ferner
ist es vorteilhaft, dass das Filterelement als Filter oder als Membrane
ausgebildet ist. Die Membrane ermöglicht den Einsatz für die Umkehrosmose.
Vorteilhaft
ist es auch, dass das System zur Umkehrosmose und zur Wasseraufbereitung
einsetzbar ist. Das entsprechend hohe Druckniveau wird durch die
erfindungsgemäße Ausbildung
der Pumpen und der Antriebe erreicht.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass die Förderleistung
am Entnahmestutzen zwischen 1 und 50 Liter pro Stunde, im Besonderen zwischen
5 und 20 Liter pro Stunde beträgt.
Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und
in der Beschreibung erläutert
und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 eine
schematische Schnittansicht einer Pumpenanordnung bestehend aus
einer Hochdruck-Kolbenpumpe und einer Umwälz-Kreiselpumpe;
2 eine
schematische Schnittansicht einer Pumpenanordnung bestehend aus
einer Hochdruck-Flügelzellenpumpe
und einer Umwälz-Kreiselpumpe;
3 eine
schematische Schnittansicht einer Pumpenanordnung bestehend aus
einer Hochdruck-Kolbenpumpe, einer Kolbenpumpe als Hydromotor und
einer Umwälz-Kreiselpumpe;
4 eine
schematische Schnittansicht einer Pumpenanordnung bestehend aus
einer Hochdruck-Flügelzellenpumpe,
einer Flügelzellenpumpe als
Hydromotor und einer Umwälz-Kreiselpumpe;
5 ein
Druckerhöhungsmodul
mit zwei Flügelzellenpumpen
und einer Schnittführung
A-A';
6 eine
Schnittansicht der Flügelzellenpumpe
gemäß 5;
7 ein
Druckerhöhungsmodul
mit eigenem Antrieb;
8 einen
geschlossenen Kreislauf ohne Energierückgewinnung;
9 einen
geschlossenen Kreislauf mit Energierückgewinnung;
10 einen
offenen Kreislauf mit eigenem Antrieb;
11 einen
offenen Kreislauf mit einem Antrieb über Fremddruck.
In
den 1 bis 7 sind verschiedene Varianten
von erfindungsgemäßen Pumpenanordnungen 3 dargestellt,
die für
die in den 8 bis 11 dargestellten
Wirkungsprinzipien einsetzbar sind.
Die
Wirkungsprinzipien sind nach Art eines Kreislaufs 1, nämlich in
geschlossene Kreisläufe 1 gemäß den 8 und 9 sowie
in offene Kreisläufe 1 gemäß den 10 und 11 zu
unterscheiden. Bei den geschlossenen Kreisläufen 1 ist ein Filterelement 12 in
einen Kreislauf 1 eingebunden, der über ein erstes Pumpenrad 6 umgewälzt wird.
Das erste Pumpenrad 6 ist als Kreiselpumpe oder Flügelzellenpumpe
ausgebildet. Das flüssige
Medium in diesem Kreislauf 1 steht je nach Art des Mediums
unter einem Druck von 5 bis 100 bar. Das Medium ist bezüglich eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels Brackwasser
oder Meer beziehungsweise Salzwasser. Der Druck von 5 bis 100 bar
wird durch ein zweites Pumpenrad 7 erzeugt.
Dem
Kreislauf 1 wird stetig über einen Zulauf 1.1 ein
Volumenstrom an Brack- oder Meerwasser aus einem offenen Volumen 15 über das
zweite Pumpenrad 7 zugeführt. Der gleiche Volumenstrom
wird in der Summe an einem Ablauf 1.2 und an einem Entnahmestutzen 1.3 des
Kreislaufs 1 entnommen. Hierzu wird über den Entnahmestutzen 1.3 an
dem Filterelement 12 Reinwasser und an dem Ablauf 1.2 Retentat
beziehungsweise auf konzentriertes Brack- beziehungsweise Meerwasser
entnommen.
Am
Entnahmestutzen 1.3 ist ein Überstrom- oder Druckhalteventil 1.4 vorgesehen.
Das zweite Pumpenrad 7 ist zur Erzeugung des hohen Druckniveaus
als Flügelzellenpumpe
oder als Kolbenpumpe ausgebildet. Erfindungsgemäß sind beide Pumpenräder 6, 7 über eine
Welle 5 verbunden und werden über die Welle 5 durch
einen Motor 13 angetrieben.
Die
Darstellung gemäß 9 zeigt
neben dem vorstehend beschriebenen Aufbau eine Möglichkeit der Energierückgewinnung.
Hierzu wird die Druckenergie des am Ablauf 1.2 entnommenen
Retentats über
ein drittes Pumpenrad 14 dem Antriebsstrang zugeführt. Im
Pumpenrad 14 wird das Retentat von dem hohen Druckniveau
auf Umgebungsdruck entspannt.
Gemäß den 10 und 11 ist
ein offener Kreislauf 1 dargestellt. Im offenen Kreislauf 1 ist das
Filterelement 12 eingangs- und ausgangsseitig über jeweils
ein erstes Pumpenrad 6 und ein zweites Pumpenrad 7 mit
einem offenen Volumen 15 verbunden. Dem offenen Kreislauf 1 wird
gegenüber
dem geschlossenen lediglich am Entnahmestutzen 1.3 in Strömungsrichtung
hinter dem Filterelement 12 Reinwasser entnommen. Der über den
Zulauf 1.1 eingebrachte Volumenstrom an Brack- oder Meerwasser wird
somit bis auf den Reinwasser-Volumenstrom über den Ablauf 1.2 wieder
dem offenen Volumen 15 zugeführt.
Nach
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10 werden
die beiden Pumpenräder 6, 7 über eine
Welle 5 und einen an der Welle 5 angeordneten Motor 13 angetrieben.
Durch die erfindungsgemäße Verbindung
der beiden Pumpenräder 6, 7 über eine Welle 5 ist
die Energierückgewinnung
des hohen Druckniveaus gewährleistet.
Abgesehen von den Strömungs-
und Reibungsverlusten ist bei dieser Anordnung nur der Energiebetrag
aufzubringen, der durch die Entnahme von Reinwasser am Entnahmestutzen 1.3 verloren
geht.
Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 11 zeigt
einen Antrieb durch Fremddruck. Die Pumpenanordnung 3 ist
erfindungsgemäß an eine
beliebige externe Pumpe 16 mit Motor 13 angeschlossen.
Das niedrige Druckniveau der externen Pumpe 16 reicht erfindungsgemäß zumindest
aus um Reibungs- und Strömungsverluste
im System zu überwinden.
Das erforderliche hohe Druckniveau im System entsteht durch die
als Hydromotor arbeitende und über
die Welle 5 mit der zweiten Pumpe 7 verbundene
erste Pumpe 6. Das hohe Druckniveau entsteht durch die unterschiedlichen
Fördervolumina
bei gleicher Drehzahl der beiden Pumpen 6, 7.
Erfindungsgemäß gilt, dass
der Volumenstrom der Pumpe 7 beziehungsweise des zweiten
Pumprades 7 dem Volumenstrom der externen Pumpe 16 entspricht.
Der Volumenstrom der externen Pumpe 16 wiederum entspricht der
Summe des Volumenstroms der Pumpe 6 beziehungsweise des
ersten Pumprades und dem Volumenstrom am Entnahmestutzen 1.3.
Dadurch ist gewährleistet,
dass der Druck im System steigt, solange der Entnahmestutzen 1.3 geschlossen
ist. Die Volumenströme
lassen sich wie folgt darstellen: V7 =
V16 = (V6 + V1.3)
Bei
der Volumenstrombilanz ist das Volumen an entnommenen oder gefilterten
Schmutzpartikeln sowie Verluste durch Leckagen zu berücksichtigen.
Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung 3 ist
in 1 dargestellt. In einem Gehäuse 4 ist eine Welle 5 um eine
Drehachse 5.1 gelagert, die das erste Pumpenrad 6 und
einen Antrieb 8 für
einen Kolben 9a aufnimmt. Das erste Pumpenrad 6 ist
als radial verdichtendes Kreiselpumpenrad ausgebildet. Der Kolben 9a bildet
eine Hochdruckpumpe 9.
Diese
Pumpenanordnung 3 ist für
einen geschlossenen Kreislauf 1 vorgesehen, der ein Filterelement 12 aufnimmt
und durch die Kreiselpumpe 6 umgewälzt wird, siehe 8-11.
Bei einem geschlossenen Kreislauf 1 ist im Sinne der Erfindung die
direkte Verbindung eines Eingangs des Filterelements 12 über das
erste Pumpenrad 6 mit einem Ausgang des Filterelements 12 zu
verstehen. Von dem geschlossenen Kreislauf 1 können durchaus weitere
Kreisläufe
abzweigen oder sonstige Zu- und Abläufe vorgesehen sein.
Über einen
Ansaugstutzen 4.1 und einen Auslassstutzen 4.2 ist
der Kreislauf 1 mit dem Filterelement 12 an die
Kreiselpumpe 6 angeschlossen.
Der
Druck im Kreislauf 1 beträgt bis zu 100 bar und wird
durch die Hochdruckpumpe 9 erzeugt. Hierzu wird zu filterndes
beziehungsweise durch das Umkehrosmoseverfahren zu reinigendes Salz-
oder Brackwasser einem Zylinderraum 10 der Hochdruckpumpe 9 über einen
Einlass 10.1 zugeführt.
Vom Zylinderraum 10 wird das Fluid über einen Auslass 10.2 und
eine Leitung 10.3 in den Kreislauf 1 eingespeist.
Der
Kolben 9a der Hochdruckpumpe 9 wird mittels der
Nocke 8 angetrieben und ist durch ein Federelement 9.1 zur
Nocke 8 hin vorgespannt. Der Ein- und Auslass 10.1, 10.2 ist über jeweils
ein Ventil geregelt, das durch eine Kugel symbolisch dargestellt
ist. Beim Ansaugen von Fluid durch den Kolben 9a wird der
Auslass 10.2 geschlossen und der Einlass 10.1 geöffnet. Beim
Verdichten wird der Einlass 10.1 geschlossen und der Auslass 10.2 geöffnet.
Die
oszillierende Einspeisung des Fluids hat erfindungsgemäß auf den
kontinuierlich über
die Kreiselpumpe 6 umgewälzten Kreislauf 1 keinen maßgeblichen
Einfluss. Die Menge an Fluid, die über die Hochdruckpumpe 9 eingespeist
wird, wird in Form von Retentat und Reinwasser dem Kreislauf 1 in
Strömungsrichtung
hinter dem Filterelement 12 wieder entnommen siehe 8-9.
Gemäß 2 wird
die Hochdruckpumpe 9 durch ein zweites Pumpenrad 7 gebildet.
Das zweite Pumpenrad 7 ist als eine Flügelzellenrad ausgebildet. Dieses
erfindungsgemäß Ausführungsbeispiel einer
Pumpenanordnung 3 ist noch einfacher aufgebaut als die
vorstehend beschriebene. Der Einlass 10.1 und der Auslass 10.2 sind
aufgrund der kontinuierlichen Pumpleistung des Flügelzellenrads 7 nicht durch
ein Ventil geschlossen. Sowohl der Hochdruckstrom als auch der Umwälzstrom
werden kontinuierlich ohne nennenswerte Impulsschwankungen gefördert. Die
Impulsschwankungen aufgrund des Antriebes der Welle 5 sind
je nach Ausführungsform
ggf. durch eine Schwungmasse oder ähnliche Maßnahmen auszugleichen. Der übrige Aufbau
entspricht dem der Pumpenanordnung 3 gemäß 1.
Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 weist gegenüber dem
gemäß 1 ein
Modul zur Energierückgewinnung
gemäß 9 auf.
Hierzu ist im Kreislauf 1 ein Einlass 10.1 für das Retentat
vorgesehen, das über
einen zweiten Kolben 9b entspannt und über einen Auslass 14.2 abgeführt wird.
Der Einlass 14.1 zweigt in Strömungsrichtung vor dem erste Pumpenrad 6 ab.
Hierzu ist ein Steuerschieber 17 vorgesehen, der je nach
Stellung des zweiten Kolbens 9b den Einlass 14.1 oder
den Auslass 14.2 freigibt. Durch das Modul zur Energierückgewinnung wird
das hohe Druckniveau des Retentats genutzt. Der sonstige Aufbau
entspricht dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1.
Die
Pumpenanordnung 3 gemäß 4 weist gegenüber der
Pumpenanordnung 3 nach 2 ebenfalls
ein Modul zur Rückgewinnung
der Druckenergie des Retentats auf. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Modul beziehungsweise das dritte Pumpenrad 14 als
Flügelzellenrad
ausgebildet. Das dritte Pumpenrad 14 zur Energierückgewinnung
ist wesentlich einfacher aufgebaut wie die Anordnung des zweiter
Kolbens 9b mit dem Steuerschieber 17. Der sonstige
Aufbau der Pumpenanordnung 3 entspricht dem in 2 und
hinsichtlich des Einlasses 14.1 und des Auslasses 14.2 dem
nach 3.
In
den 5 bis 7 sind Druckerhöhungsmodule
dargestellt, wie sie in offenen Kreisläufen nach den 10 und 11 zum
Einsatz kommen. Das erfindungsgemäße Merkmal, dass zwei rotierende
Pumporgane auf einer Welle 5 angeordnet sind bleibt erhalten.
Das Druckerhöhungsmodul
dient hauptsächlich
der Rückgewinnung
des hohen Druckniveaus.
Gemäß 5 erfolgt
der Kraftfluss durch das Fluid über
die Einlassöffnung 4.1 auf
das erste Pumpenrad 6. Von dort über die Welle 5 auf
das zweite Pumpenrad 7 und wieder auf das Fluid, das über den
Auslass 10.2 den Kreislauf 1 s. 10 und 11 schließt.
Das
erste Pumpenrad 6 und das zweite Pumpenrad 7 sind
als Flügelzellenpumpräder ausgebildet.
Das erste Pumpenrad 6 dient nicht wie in den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 4 als
Umwälzpumpe,
sondern als Modul zur Energierückgewinnung.
In 6 ist
eine Schnittansicht einer Flügelzellenpumpe
dargestellt.
7 zeigt
ein Druckerhöhungsmodul
entsprecend den 5 und 6. Das Druckerhöhungsmodul
wird jedoch mit einem externen Motor angetrieben. Dieser kann als
Pumpe oder auf einem beliebig anderen Prinzip basierend ausgebildet
sein.
Prinzipiell
sind die Massenströme
und deren unterschiedlichen Drücke
zur Einspeisung in den Kreislauf 1 und im Kreislauf 1 durch
die Dimensionierung der einzelnen Pumporgane aufeinander abzustimmen.
Der erfindungsgemäß dabei
feste Parameter ist eine gleiche Umdrehungszahl für alle Pumporgane
aufgrund einer Welle 5, wobei die unterschiedlichen Fördervolumina
der Pumporgane die Druckverhältnisse
bestimmen.
Auch
Pumpen mit gleichem Volumenstrom beziehungsweise gleichem Volumen
pro Drehzahl sind zum Erzeugen eines hohen Druckniveaus einsetzbar,
wobei die unterschiedlichen Fördervolumina bei
Einsatz einer zweiteiligen Welle 5 durch unterschiedliche
Drehzahlen erzeugt werden.