DE19922628C1

DE19922628C1 - Verfahren zur Steuerung einer Umkehrosmoseanlage

Info

Publication number: DE19922628C1
Application number: DE1999122628
Authority: DE
Inventors: Wilfried Schael
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2019-05-19

Abstract

Bei dem Verfahren zur Steuerung einer Umkehrosmoseanlage mit Rückführung überschüssig erzeugten Permeats und zeitweiliger Rückführung des Konzentrats in ein vorgeschaltetes Puffergefäß (30) wird der Funktionsablauf von einem einzigen Füllstandssensor (40) in Verbindung mit einem Zeitmesser (72) durch periodisches Schalten eines Wasser-Zulaufventils (24) und eines Konzentrat-Abscheideventils (68) gesteuert. Diese Anordnung wird zugleich als Meßeinrichtung für die Momentan- und Mittelwerte von Wasserzufluß, Konzentratabfluß und Permeatentnahme sowie zur Ermittlung der Ausbeute genutzt. Der periodische Funktionsablauf besteht aus Füllphase, Ruhephase und Abscheidephase, wobei die Konzentratabscheidung unmittelbar vor der Füllphase besonders effektiv ist. Eine automatische Einstellung der Ausbeute erfolgt dadurch, daß der Startzeitpunkt für den Beginn der Abscheidephase aus den Durchfluß- und Zeitdaten der aktuellen und der vorausgegangenen Periode vorausberechnet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Umkehrosmoseanlage. Ihr Anwendungsgebiet betrifft Umkehrosmoseanlagen, bei denen der aus Hochdruckpumpe und Filter bestehenden Umkehrosmoseeinheit ein Puffergefäß vorge schaltet ist. Dieses Puffergefäß, dem das Rohwasser zugeführt wird, dient bei geeigneter Gestaltung u. a. dazu, eine er wünschte Trennung zwischen dem speisenden Rohwassersystem und dem System der Umkehrosmoseanlage zu erreichen, so daß auch im Störungsfall eine Rückspeisung von Flüssigkeit in das Rohwassersystem ausgeschlossen werden kann. Es ist darüber hinaus bekannt, das überschüssig erzeugte Permeat und einen Teil des Konzentrats zu rezirkulieren, d. h. in das vorge schaltete Puffergefäß zurückzuleiten. Durch geeignete Abstim mung von Wasserzuführung und Konzentratrückführung kann dabei erreicht werden, daß die Ausbeute, d. h. das Verhältnis der Mittelwerte von Permeatentnahme und Rohwasserzufluß, auch bei stark schwankender Permeatentnahme konstant bleibt. Ein Verfahren dieser Art ist bereits aus DE 198 18 691 bekannt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Funktion einer Umkehrosmoseanlage der genannten Art mit geringem technischen Aufwand zu steuern und zu überwachen. Ein weiteres Ziel war, die Gewinnung der zur Beurteilung des Betriebszustandes wichtigen Durchfluß-Meßgrößen möglichst zu vereinfachen. Ferner war es Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur automati schen Einstellung der Ausbeute, d. h. des Verhältnisses von gelieferter Permeatmenge zu dem hierfür verbrauchten Wasser volumen, zu realisieren und dieses darüber hinaus so zu gestalten, daß eine möglichst hohe Konzentration der abzuscheidenenden Stoffe in dem nicht rezirkulierten Anteil des Konzentrats erreicht wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine Steuerung gemäß Patentansprüche.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Abbil dungen beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 - das Schema einer Umkehrosmoseanlage gemäß der Erfindung,

Fig. 2 - ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf des Füll standes im Pufferbehälter,

Fig. 3 eine Schnittzeichnung eines geeigneten Füllstandssensors.

Zentrale Bestandteile der Umkehrosmoseanlage gemäß Fig. 1 sind das Membranmodul 10 und die Hochdruckpumpe 20. Der Innenraum des Membranmoduls ist durch die semipermeable Membran 12 in einen Primärraum 10a und einen Sekundärraum 10b unterteilt. Die Pumpe 20 wird aus einem Puffergefäß 30 ge speist und fördert Wasser über die Leitung 14 in den Primär raum des Membranmoduls. Das durch die Membran in den Sekun därraum übertretende Permeat fließt über die Leitung 16 ab. Das Konzentrat wird am Ende des Primärraumes über die Leitung 17 abgeführt, wobei die in diese Leitung eingefügte Drossel 18 zur Einstellung des Druckes im Primärraum des Membranmo duls dient.

Das Rohwasser gelangt von der Eingangsleitung 32 über das Ventil 24 und die Leitung 38 in das Puffergefäß 30. Das Puffergefäß ist mit einem Füllstandssensor 40 ausgestattet, der ein dem Füllstand entsprechendes Signal liefert, z. B. eine elektrische Spannung, die mit zunehmendem Füllstand stetig zunimmt.

Über die Leitung 16 aus dem Membranmodul austretendes Permeat fließt über die Ausgangsleitung 50 zu den Verbrauchsstellen. Überschüssig erzeugtes Permeat kann über die Leitung 51, das Druckhalteventil 52 und die Leitung 53 in das Puffergefäß zurückfließen. Das Druckhalteventil 52, das z. B. als federbe lastetes Rückschlagventil ausgebildet ist, kann zur Einstel lung des Druckes in der Ausgangsleitung 50 dienen.

Das Konzentrat, das über die Drossel 18 austritt, fließt über die Leitung 66 und das Ventil 68 vollständig in den Abfluß, wenn das Ventil 68 geöffnet ist. Bei geschlossenem Ventil 68 fließt das Konzentrat dagegen über die Leitung 60, das Rück schlagventil 62 und die Leitung 64 in den Pufferbehälter zurück.

Die Steuereinheit 70 empfängt das Meßsignal des Fülltandssen sors 40 und steuert die Ventile 24 und 68 sowie die Anzeige vorrichtung 75, die folgende Größen (oder eine begrenzte Auswahl davon) anzeigen kann:

- Momentanwert und zeitl. Mittelwert des Rohwasserzuflusses,
- Momentanwert und zeitl. Mittelwert des Konzentratabflusses,
- Momentanwert und zeitl. Mittelwert der Permeatentnahme,
- Ausbeute.

Wichtiger Bestandteil des Steuereinheit ist ein Zeitmesser 72 zur Bestimmung von Zeitabständen. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit mit einem Mikroprozessor ausgestattet.

Es ist eine zyklische Arbeitsweise des Systems mit mehreren Phasen vorgesehen. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den zeitli chen Verlauf des Füllstandes im Puffergefäß über einem Ar beitszyklus. Zum Zeitpunkt t0 ist das Abscheideventil 68 geschlossen. Der aktuelle Füllstand V0 wird registriert, und durch Öffnen des Zuflußventils 24 wird die Füllphase gestartet. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Füllstandes ist proportional der Differenz von Rohwasserzufluß qw und Perme atentnahme qp. Diese Differenz kann somit berechnet werden. Nach einer vorgegebenen Zeit oder nach Erreichen eines vorge gebenen höheren Füllstandes V1, zum Zeitpunkt t1, wird das Zuflußventil 24 geschlossen. Damit beginnt eine Ruhephase, in der der Füllstand mit einer Geschwindigkeit sinkt, die der Permeatentnahme proportional ist. Aus der Sinkgeschwindigkeit kann die Permeatentnahme qw berechnet werden, ebenso - unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Differenz qw - qp - der Wasserzufluß qw. Wenn ein bestimmtes Restvolumen erreicht ist, entsprechend dem Füllstand V2 zum Zeitpunkt t2, wird das Abscheideventil 68 geöffnet und damit die Abscheidephase eingeleitet. Es erfolgt beschleunigtes Absinken des Füllstan des, bis zum Zeitpunkt t3 wieder V0 erreicht ist. Die Sinkge schwindigkeit in der Abscheidephase ist der Summe von Permea tentnahme qp und Konzentratabfluß qc proportional, so daß, da die Permeatentnahme qp bereits bekannt ist, der Konzentratab fluß qc berechnet werden kann. Damit liegen die Werte von qp, qw, und qc vor und können angezeigt werden.

Zum Zeitpunkt t3 kann eine Bilanz über die abgelaufene Peri ode erstellt werden. Aus den ermittelten Flüssen unter Be rücksichtigung der Zeiten t0, t1, t2, t3 können die zeitli chen Mittelwerte von Rohwasserzufluß (qwm) Konzentratabfluß (qcm) und Permeatentnahme (qpm) berechnet und zur Anzeige bereitgestellt werden. Die Ausbeute e ergibt sich definiti onsgemäß als Quotient von qpm und qwm.

Die Regelung der Ausbeute e auf einen vorgegebenen Sollwert esoll kann dadurch erfolgen, daß der Beginn der Abscheidepha se, gekennzeichnet durch das Restvolumen V2 zum Zeitpunkt t2, korrekt eingestellt wird. V2 muß hierzu die Bedingung V2 = V0 + (1 - esoll) × qw × (t1 - t0) × (1 + qp/qc) erfüllen. Da zum Zeitpunkt t1 alle Größen zur Bestimmung des Restvolumens V2 aus den Meßwerten des aktuellen und des vorausgegangenen Arbeitszyklus bekannt sind, kann V2 - oder ersatzweise der zugehörige Zeitpunkt t2 - vorausberechnet werden, um dann bei Erreichen von V2 bzw. t2 das Abscheideventil 68 zu öffnen. Die Regelung der Ausbeute kann dadurch ergänzt werden, daß aufgrund der am Ende eines Arbeitszyklus erstellten Bilanz eine Korrekturgröße ermittelt wird, die bei dem nachfolgenden Zyklus berücksichtigt wird. Auf diese Weise können systemati sche Fehler, z. B. als Folge von Ventil-Schaltverzögerungen, minimiert werden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel für den zeitlichen Ver lauf des Füllstandes im Pufferbehälter ist die Abscheidephase an das Ende des Arbeitszyklus gelegt, d. h. die Abscheidung von Konzentrat geht der nächsten Füllphase unmittelbar vor aus. Es sind nach gleichem Grundprinzip jedoch auch andere Arbeitsabläufe realiserbar, mit anderer, gegebenfalls mehrfa cher Unterteilung von Füll-, Ruhe- und Abscheidephase und deren Verschachtelung, auch mit partieller Überschneidung. Der in Fig. 2 dargestellte Ablauf wird jedoch als besonders vorteilhaft angesehen, da die Konzentratabscheidung zu einer Zeit erfolgt, in der die Konzentration auszuscheidender Stoffe im Puffergefäß und somit auch im Konzentrat sich ihrem Höchstwert nähert. Mit dem abgeschiedenen Flüssigkeitsvolumen wird daher eine maximale Menge dieser Stoffe aus dem System entfernt. Unmittelbar darauf, in der Füllphase, wird die Konzentration im Puffergefäß durch Verdünnen wieder auf einen niedrigen Anfangswert gesenkt.

Ein besonderer Vorteil des beschriebenen Systems liegt darin, daß zur Steuerung des Funktionsablaufes und zur Bestimmung der zur Beurteilung des Betriebszustandes wichtigen Durch flußgrößen und der Ausbeute nur ein einziger Sensor, nämlich der Füllstandssensor 40, benötigt wird, in Verbindung mit einer Zeitmeßvorrichtung, die in einem Mikroprozessor-System jedoch ohnehin zur Verfügung steht.

Ein Ausführungsbeispiel dieses Sensors ist in Fig. 3 skiz ziert. Es handeltet sich um einen kapazitiven Sensor, dessen Elektroden von einem äußeren Metallrohr 80 und einem koaxial darin angeordneten isolierten Draht oder Stab 82 gebildet werden. Das Rohr ist unten offen und hat oben mindestens eine seitliche Öffnung, durch die das Innere des Rohres mit der Atmospäre oberhalb des maximalen Füllstandes in Verbindung steht. Je nach Füllstand ist der Zwischenraum zwischen dem Rohr und dem Stab auf einer mehr oder weniger großen Länge von Wasser ausgefüllt, der restliche Teil von Luft. Jeder der beiden Teilabschnitte ist als Kondensator mit geschichtetem Dielektikum aufzufassen, der im elektrischen Ersatzschaltbild als Reihenschaltung zweier Kapazitäten darstellbar ist. Eine diese Kapazitäten ist, bezogen auf die Längeneinheit, in beiden Teilabschnitten konstant. Sie resultiert aus dem Durchmesser des zentralen Stabes und der Dicke und der Die lektrizitätskonstanten der Isolationsschicht. Die zweite Kapazität resultiert in dem mit Luft gefüllten Abschnitt aus dem Außendurchmesser des isolierten Stabes, dem Innendurch messer des Rohres und der Dielektrizitätskonstanten von Luft. Entsprechendes gilt für die zweite Kapazität in dem mit Wasser gefüllten Abschnitt, jedoch ist hier die etwa 80-mal höhere Dielektrizitätskonstante des Wassers wirksam. Parallel zu dieser letzgenannten Kapazität ist ein Verlustwiderstand wirksam, der von der Leitfähigkeit des Wassers abhängt, jedoch vernachlässigbar bleibt, wenn eine ausreichend hohe Meßfrequenz benutzt wird. Weitere Einzelheiten der Dimensionierung und Konstruktionen können hier übergangen werden.

Insgesamt verhält sich ein solcher Sensor wie ein Kondensa tor, dessen Kapazität, ausgehend von einem Anfangswert, linear mit dem Füllstand zunimmt. Zur Signalgewinnung eignet sich wegen ihrer Einfachheit z. B. eine Oszillatorschaltung, die eine Schwingung mit einer zur Kapazität proportionalen Peri odendauer erzeugt. Dieses Signal kann mit einem Mikroprozes sor leicht ausgewertet werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Umkehrosmoseanlage mit Zuführung des Rohwassers in ein Puffergefäß (30), das der aus Hochdruckpumpe (20) und Filtermodul (10) bestehenden eigent lichen Umkehrosmoseeinheit vorgeschaltet ist, Rückführung des überschüssig erzeugten Permeats und Rückführung von Konzen trat in das Puffergefäß, wobei in einem zyklischen Arbeitsab lauf mit mehreren Phasen die Rohwasserzufuhr periodisch freigegeben oder gesperrt und das Konzentrat periodisch rückgeführt oder durch Ableitung in den Abfluß abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des zyklischen Arbeitsablaufes ein im Puffergefäß angeordneter, stetig messender Füllstandssensor (40) in Verbindung mit einem Zeitmesser (72) benutzt wird, indem die Momentan- und/oder Mittelwerte von Zu- und Abflüssen, die den Füllstand im Puffergefäß beeinflussen, durch Auswertung der zeitlichen Veränderungen des Füllstandes ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzielte Ausbeute, d. h. das Verhältnis von Permeatentnahme und Rohwasserzufuhr, aus den ermittelten Zu- und Abflüssen bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Konzentratabscheidephase im aktuellen Zyklus aufgrund der ermittelten Daten jeweils so eingestellt wird, daß die Ausbeute einem vorgegebenen Soll wert angenähert wird.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des zyklischen Arbeitsablaufes die Phase der Konzentratabscheidung unmittelbar der Füllpha se, d. h. der erneuten Zuführung von Rohwasser, vorausgeht.