DE2812761A1

DE2812761A1 - Vorrichtung und verfahren zur durchfuehrung umgekehrter osmose

Info

Publication number: DE2812761A1
Application number: DE19782812761
Authority: DE
Inventors: Bowie Gordon Keefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Pur Water Purification Products Inc
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-10-05
Also published as: DE2812761C2; FR2385427A1; FR2385427B1; CA1118365A; IL54291A0; GB1601518A; EG13490A; AU513613B2; JPS53144472A; IL54291A; JPS641667B2; AU3429978A; GB1601519A

Description

Patentanwälte _ ^ _Λ

Πιπί rhPm I qPHULZP Gaisbergstraße 3 2812/0

uipi.-unem. ι. büMUUt 69ooheidelberqi

Dipl.-Ing. E. GUTSCHER Q Telephon 23269

Abs. Dipl.-Chem. I.Schulze, Dipl.-Ing. E. Gutscher, Patentanwälte 1 UNSER ZEICHEN: -zo^il

GalsbergstraBe 3, 6900 Heidelberg 1 IHR ZEICHEN- J¹-^ t> L I

Anmelder: Bowie Gordon KEEPER, 4j524 West 11 Avenue,

Vancouver, 3ritish Columbia, Kanada VbR 2Ml

Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung umgekehrter Osmose

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung umgekehrter Osmose zur Trennung einer Speiseflüßigkeit in eine verdünnte diffundierende Flüßigkeitsfraktion und eine konzentrierte Flüßigkeitsfraktion, die durch semipermeable Trennwände oder Membrane durchgelassen bzw. zurückgehalten wird.

Es handelt sich im allgemeinen um umgekehrte Osmose- und Ultrafiltrations-Trennverfahren, insbesondere zur Entsalzung und Reinigung von Wasser durch umgekehrte Osmose.

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Entsalzimg durch umgekehrte Osmose erfolgt im wesentlichen dadurch, daß ein Speisestrom aus Salzwasser bei erhöhtem Arbeitsdruck in einen Druckkessel gepumpt wird, in dem eine Reihe semipermeabler Trennwände oder Membrane angeordnet ist. Gereinigtes Wasser mit stark vermindertem Salzgehalt wandert durch die Trennwände oder Membrane in Niederdruck-Sammelkanäle, wenn der Arbeitsdruck den osmotischen Druck des Speisestromes übersteigt. Der Speisedruck muß wesentlich höher sein als der osmotische Druck des Speisestromes, um einen ausreichenden Produktwasserstrom quer über Trennwände mit brauchbarem Oberflächenbereich zu erzeugen und auch um eine ausreichende Verdünnung der geringen aber begrenzten Salzdiffusion durch die Trennwand sicherzustellen, die immer vorhanden ist, wenn ein Konzentrationsgefälle quer über den Trennwänden besteht. Bei Meerwasser, dessen osmotischer Druck etwa 25 kg/cm beträgt, ist der Arbeitsdruck für eine einstufige umgekehrte Osmose etwa 70 kg/cm².

Während etwas vom Speisestrom durch die Trennwände hindurchgeht, wird der Rest durch das von den Trennwänden zurückgehaltene Salz immer konzentrierter. Bei einem kontinuierlichen umgekehrten Osmoseverfahren muß ein Konzentratstrom abgebaut bzw. aus dem Kessel entfernt werden, um eine übermäßige Salzansammlung zu vermeiden. Bei Meerwasser-Entsalzung kann dieser Konzentratstrom typischerweise 70^ und manchmal sogar 90$ des Speisestromes betragen. Der Konzentratstrom verläßt den Kessel bei nahezu vollem Arbeitsdruck, bevor dieser Konzentratstrom aber aus der Vorrichtung entfernt wird, muß er entspannt oder abgebaut werden. Bei herkömmlichen Vorrichtungen für umgekehrte Osmose wird der Konzentratstrom durch Drosselung über ein entsprechendes Rückschlagventil entspannt, beispielsweise ein Drosselventil, das den Arbeitsdruck regelt, während die gesamte Druckenergie des Konzentratstromes verbraucht wird. Es ist bekannt, etwas von der Druckenergie des Konzentratstromes mit Hilfe von Regenerierungsturbinen wieder zu gewinnen. Solche Regenerierungsvorrichtungen

-rc sind aber in den meisten Fällen nur für große stationäre Anlagen brauchbar, wo Vorteile hinsichtlich der Leistung und Wirtschaft-

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lichkeit in Frage stehen.

Ohne Regenerierungsvorrichtungen sind aber kleine, von Hand betriebene Entsalzer durch umgekehrte Osmose , wie sie für den Haushalt, Rettungsboote und dergleichen bestimmt sind, nahezu unbrauchbar. Ähnlich ist die Ausnutzung und Verwendung von Windenergie zum Entsalzen entmutigend, und zwar wegen des hohen Energieverbrauchs.

Ferner muß für eine hohe Regenerierung die Konzentrationspolarisation gesteuert und kontrolliert werden. Unter Konzentrations-

IQ polarisation im Speisestrom wird die Neigung von Speiseströmen mit hoher Salzkonzentration verstanden, während der umgekehrten Osmose auf der Membranoberfläche einen Konzentrationsabfall zu bilden. Diese Neigung ist auf den Massentransport von Salzwasser gegen die Membranfläche und die Ansammlung von Salz in der Grenzschicht zurückzuführen, da weniger Salzwasser durch die Membran wandert, ausgeglichen durch Diffusion von Salzaufwirbelung der Grenzschicht. Eine solche Konzentrationspolarisation ist insbesondere bei Speiselösungen mit hohem osmotischem Druck, wie Meerwasser, schädlich, da sich die Trennwand oder Membran einer höhe-Fen Konzentration gegenüber sieht, die den tatsächlichen osmotischen Druck anhebt. Wenn Konzentrationspolarisation auftritt, muß der Arbeitsdruck für einen gegebenen Produktdurchfluß erhöht werden, der Salzgehalt des Produktes wird ansteigen und die Lebensdauer der Membran kann beeinträchtigt werden.

Systeme für umgekehrte Osmose werden üblicherweise so ausgelegt, daß die Wirkungen der Konzentrationspolarisation durch Druckkonvektion durch die Membranreihe verringert werden. Druckkonvektion kann durch Zirkulation eines niedrigen Verhältnisses von Produktstrom zu Konzentratstrom durch entsprechend gestaltete

•jO Speisekanäle zwischen den Membranflächen oder durch zusätzliche Rezirkulation oder mechanische Rührvorrichtungen geschaffen werden. Wichtig ist, daß eine kontinuierliche Zirkulation der Speiseflüßigkeit durch die Membranreihe aufrechterhalten wird, da auch nur augenblickliche Stagnation der Strömung eine ernste Kon-

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zentrationspolarisation bewirken kann.

Das Arbeiten mit niedrigen Verhältnissen von Produktstrom zu Konzentratstrom ist zur Senkung der Konzentrationspolarisations-Effekte im allgemeinen ebenfalls vorteilhaft. Aber dabei werden natürlich die Aufwendungen für Speisepumpenenergie für eine gegebene Produktstromausbeute höher.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine umgekehrte Osmose mit niedrigem Energieverbrauch erreicht, insbesondere für von Hand zu bedienende oder durch Wind getriebene Entsalzungsvorrichtungen. Konzentrationspolar isations -Effekte sind verringert, und zwar durch Einrichtungen, durch die die Kontinuität der Speisefluß-Zirkulation an den Trennwänden bzw. Membranen aufrechterhalten wird und das Arbeiten bei einem niedrigen Mengenverhältnis von Produktstrom zu Konzentratstrom möglich ist, ohne daß ein übermäßiger Energieverbrauch erforderlich ist, wie er normalerweise bei großen Speiseströmen auftritt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine einfache und wirkungsvolle Einrichtung zur Steuerung der Synchronisation des Richtventils auf, wodurch die Regenerierung der Flüßigkeitsdruck-Energie vom Konzentratstrom möglich wird. Alle beschriebenen Ausführungsformen weisen Einrichtungen zur Verzögerung auf, um die Toleranz der Betätigung des Ventils zu erhöhen, wobei auf diese Weise die Herstellung sowie die Bedienung der Vorrichtung vereinfacht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung trennt die Speiseflüßigkeit in eine durch die Membran wandernde Flüßigkeitsfraktion und in eine Konzentratflüßigkeitsfraktion, die entsprechend durch die semipermeable Membran oder Trennwand hindurchwandert bzw. von dieser abgewiesen wird. Die Vorrichtung besteht aus einer

•50 Kolbenpumpe, einem Antrieb, Einlaß-, Auslaß- und Rücklauf leitungen, Einrichtungen, die mit der Membrananordnung kommunizieren, um einen im' wesentlichen einheitlichen Druck und Speiseflüßigkeitsstrom quer über den Membranen zu schaffen, ferner aus ersten und zweiten Ventilanordnungen, die die Flüßigkeit

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gegen die und von den Membranen weg richten sowie aus einer Verweil- oder Verzögerungseinrichtung, die die zeitgerechte Betätigung der Ventile sicherstellt. Die Kolbenpumpe weist einen Zylinder mit darin bewegbarem Kolben auf, der den Zylinder in eine Pumpenkammer und eine Entspannungskammer teilt. In der Pumpenkammer wird die Speiseflüßigkeit unter Druck gesetzt und in der Entspannungskammer wird die Konzentratflüßigkeit entspannt. Die Trennung der Zylinderkammer durch den Kolben verhindert auch ein Mischen der Speise- und Konzentratflüßigkeits-Fraktionen. Der Kolben arbeitet mit einer Kolbenstange, die durch die Entspannungskammer geführt und in dieser abgedichtet ist, um ein Lecken der Plüßigkeit aus dem Zylinder zu verhindern. Der Antrieb ist mechanisch mit der Pumpe verbunden, um dieser eine hin- und hergehende Bewegung mitzuteilen. Die Einlaßleitung verbindet die Pumpenkammer mit einem Speiseflüßigkeitsvorrat, während die Auslaßleitung die Pumpenkammer mit der Trennwand- oder Membrananordnung verbindet, um unter Druck stehende Speiseflüßigkeit aus der Pumpenkammer zu den Membranen zu befördern. Die Rückführleitung verbindet die Trennwand- oder Membrananordnung mit der Entspannungskammer, um die Konzentratflüßigkeitsfraktion aus der Membrananordnung in die Entspannungskammer zu befördern. Die erste Ventilanordnung ist der Entspannungskammer zugeordnet und arbeitet mechanisch mit der Pumpe zusammen, die das Ventil zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegt. Das erste Ventil ist so ausgelegt, daß zwischen der ersten und der zweiten Stellung eine geschloßene Zwischenstellung vorgesehen ist. Das zweite Ventil ist ein Rückschlagventil, das der Pumpenkammer zugeordnet ist. Die ersten und zweiten Ventile wirken mit den Leitungen zusammen, derart, daß die Plüßigkeit vom Plüßigkeitsvorrat zu der Membran und von der Membran weg gerichtet wird. Die Einrichtung zur Verzögerung ist der Pumpe zugeordnet, um sicherzustellen, daß das erste Ventil verschoben wird, wenn in der Entspannungskammer der Pumpe keine Plüßigkeitswanderung stattfindet. So wird in einer ersten Stellung des ersten Ventils unter Druck stehende Speiseflüßigkeit aus der Pumpenkammer durch das zweite Ventil zu den Trennwänden bzw. Membranen befördert, während Konzentratflüßigkeit durch das erste Ventil in die Ent-

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spannungskammer geführt wird, so daß das Entspannen der von den Membrananordnungen zurückfließenden Konzentratflüßigkeit dazu beiträgt, die Speiseflüßigkeit unter Druck zu setzen. In der zweiten Stellung des ersten Ventils wird entspannte Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer durch das erste Ventil abgeführt, während Speiseflüßigkeit durch das zweite Ventil in die Pumpenkammer eingeführt wird."

Ein in einer solchen Vorrichtung durchgeführtes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseflüßigkeit durch einen Einlaßhub oder Ansaugtakt des Kolbens in die Pumpenkammer eingebracht und gleichzeitig die Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer ausgestoßen wird. Die Richtung der der Pumpe mitgeteilten Kraft wird umgekehrt, so daß das erste Ventil mechanisch verschoben wird, um den Flüßigkeitsstrom zwischen die Pumpe und die Membrananordnung zu richten.

Während einer Zeitspanne, während der in der Entspannungskammer keine Flüßigkeitsbewegung stattfindet, verschiebt eine Verzögerungseinrichtung das Ventil und bewegt es über eine gesehloßene Zwischenstellung, so daß dieses Ventil zeitgerecht gesteuert wird. Dann wird die Speiseflüßigkeit durch einen Kompressionshub des Kolbens in der Pumpenkammer unter Druck gesetzt, wobei unter Druck stehende Speiseflüßigkeit gegen die Membrananordnung gezwungen wird. Die Konzentratflüßigkeitsfraktion an der Membran wird dann in die Entspannungskammer eingelassen, um unter Ausnutzung des Druckes der Konzentratflüßigkeit die dem Kolben im Kompressionshub gelieferte Energie zu ergänzen.

Die Speiseflüßigkeit wird in eine die Membran durchdringende Plüßigkeitsfraktion und in eine Konzentratflüßigkeitsfraktion getrennt, wobei die erstgenannte durch die Membran hindurch-2Q tritt, während die letztgenannte von der Membran zu der Entspannungskammer zurückgeführt wird, um etwas vom Flüßigkeitsdruck für den Druckaufbau in der Speiseflüßigkeit wiederzugewinnen.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht durch eine manuell betriebene Ausführungsform einer mit einem Hebel betätigten Vorrichtung zur Durchführung umgekehrter Osmosen;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teiles einer abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung;

Fig. j5 eine Teilschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Kolbens, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 4 eine detailierte Teilschnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform eines Differentialdruckabsorbers, wie er in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 5 ein vereinfachter Aufriß, teilweise im Schnitt, einer 3_c abgeänderten, mit Kurbelwelle betätigten erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine dritte Ausführungsform eines Kolbens mit Verzögerungseinrichtung zeigt;

Fig. 6 ein Steuerungsdiagramm, das die relativen Winkelstellungen der Kolben- und Ventilanordnungen der Ausführungsform gemaß Fig. 5 veranschaulicht;

Fig. 7 eine vereinfachte Teilschnittansicht einer vierten Ausführungsform eines Kolbens mit Verzögerungseinrichtung;

Fig. 8 ein vereinfachter Aufriß, teilweise im Schnitt, einer windgetriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen pt- Vorrichtung; und

Fig. 9 eine schematische Ansicht einer hebelbetätigten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Zylindern.

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■ Ab-

Die Richtungsangaben "nach oben" und "nach unten" beziehen sich auf die Figuren, wie sie gezeichnet sind. Aber selbstverständlich kann die Vorrichtung auch anders orientiert sein.

Die erste Ausführungsform 10 (Fig. 1) einer hebelbetätigten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Membrantrennung weist eine Kolbenpumpe 12, ein Richt-Dreiwegeventil 13, einen mechanisch mit der Pumpe und dem Ventil verbundenen Antrieb 14 und einen Differentialdruckabsorber 15 auf. Ferner ist ein Membrankessel oder Membranbehälter 16 mit semipermeabler Trennwand oder Membran 17 und wahlweise Nieder- und Hochdruckfilter 18 und 19 vorgesehen. Speiseflüßigkeit 21 wird in eine die Membran durchdringende Flüßigkeitsfraktion 22 und in eine Konzentratflüßigkeitsfraktion 23 getrennt, wobei die Trennung durch die Trennwand oder Membran bewirkt wird, die die Fraktionen durchtreten läßt bzw. zurückhält.

Die Kolbenpumpe 12 besteht aus einem Pumpenzylinder 24 und einem darin bewegbaren Kolben 25, der den Zylinder in eine Pumpenkammer 27 und in eine Entspannungskammer 28 teilt. In der Pumpenkammer 27 wird die Speiseflüßigkeit unter Druck gesetzt und iⁿ der Entspannungskammer 28 wird die Konzentratflüßigkeit entspannt. Der Kolben arbeitet mit einer Kolbenstange 32, die durch die Entspannungskammer 28 geführt ist. Der Kolben bzw. die Kolbenstange sind mit Dichtungen 30 und 33 versehen und gegenüber der Zylinderwand abgedichtet, derart, daß ein Vermischen und Lecken der Flüßigkeit verhindert wird. Der Zylinder 24 und folglich der Kolben 25 und die Kolbenstange 32 weisen entsprechende Durchmesser auf, die die Kolbenstangen/Zylinder-Proportionen festlegen. Dabei bestimmt ein Verhältnis des Hubraumes der Kolbenstange zum Hubraum des Kolbens das Regenerationsverhältnis

-XQ der durch die Membran wandernden Flüßigkeitsfraktion zur gesamten Flüßigkeitsfraktion. Andererseits kann das Regenerierungsverhältnis durch das Verdrängungsverhältnis der Kolbenstange 32 zum Kolben 25 ausgedrückt werden. Eine Einlaßleitung 36 ist der Pumpenkammer 27 zugeordnet und mündet in diese, um Speiseflüßigkeit 21 aus einer in einen Flüßigkeitsvorrat reichenden

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Leitung 35 einzulassen. Ein Rückschlagventil 37 ist in der Leitung 35/36 angeordnet und läßt Speiseflüßigkeit durch den Filter 18 und die Leitung 35* verhindert aber einen Rückfluß aus der Kammer in die Leitung 36. Eine Auslaßleitung 39 verbindet die Pumpenkammer 27 mit der Membran I7 im Behälter 16 über den Differentialdruckabsorber I5 und Filter 19, um unter Druck befindliche Speiseflüßigkeit aus der Pumpenkammer 27 zu der Membran I7 zu befördern. Ein Rückschlagventil 40 verhindert den Rückfluß von Flüßigkeit in die Pumpenkammer

IQ Die Auslaßleitung 39 besteht aus einem Leitungsstück 41, das zwischen dem Differentialdruckabsorber I5 und der Pumpenkammer 27 verläuft. Zwischen dem Differentialdruckabsorber I5 und dem Filter I9 erstreckt sich ein Leitungsstück 42 und vom Filter zum Membrankessel oder Membranbehälter l6 führt ein Leitungsstück 43. Eine Rücklaufleitung 44 verbindet die Membrananordnung mit der Entspannungskammer 28, um die Konzentratflüßigkeitsfraktion aus der Membrananordnung zur Entspannungskammer 28 zu führen. Die Rücklaufleitung 44 besteht aus einem Leitungsstück 45 zwischen dem Differentialdruckabsorber I5 und dem Membrankessel 16 und einem Leitungsstück 46 zwischen dem Richtventil 13 und dem Differentialdruckabsorber I5. Das Richtventil I3 weist eine Abzugsleitung 47 zum Abführen der Konzentratflüßigkeitsfraktion 23, meistens in den Abfall, sowie eine Verbindungsleitung 48 zur Entspannungskammer 28 auf.

Das Richtventil I3 ist ein Drei-Wege-Steuerventil oder Strömungsregler mit einem Steuerschieber 49, dessen lineare Bewegung durch einen unteren und einen oberen Anschlag 50 bzw. 5I begrenzt ist. Der Steuerschieber 49 ist in Fig. 1 in seiner oberen Grenzstellung gezeigt, in der das Leitungsstück 46 mit der Verbin-

-ZQ dungsleitung 48 kommuniziert, um die Konzentratflüßigkeitsfraktion von den Membranen zur Entspannungskammer 28 zu befördern» Bei einer tieferen Grenzstellung der Bewegungsbahn (nicht dargestellt) ist die Verbindungsleitung 48 an der Abzugsleitung 47 angeschloßen, wie noch beschrieben wird₀ Da Wasser eine niedrige Vis-

•zp- kosität und geringe Schmierfähigkeit aufweist, ist der Steuer-

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schieber 49 mit Hilfe dynamischer Dichtringe 52 entsprechender Zusammensetzung eingepaßt, um ein Lecken weitgehend zu verringern und ein Pestfreßen des Steuerschiebers zu verhindern. Diese Dichtringe bestehen beispielsweise aus glasgefüllten polymeren Fluorkohlenwasserstoffen. Demzufolge ist das Richtventil 13 ein für zwei Stellungen ausgelegtes, mittig geschloßenes, Dreiwege-Ventil mit einem bewegbaren Steuerschieber, der sich zwischen zwei Stellungen über eine geschloßene Zwischenstellung bewegt, um verschiedene Leitungswege miteinander zu verbinden. Die Bewegungsbahn ist durch entsprechende Anschläge begrenzt. Das Richtventil 13 richtet die Flüsigkeit gegen bestimmte oder weg von bestimmten Leitungen, die mit der Entspannungskammer 28 kommunizieren und es wird als ein erstes Ventil bezeichnet. Die Rückschlagventile 37 und 40 steuern den Strom in Leitungen, die mit der Pumpenkammer 27 kommunizieren und werden als zweite Ventilanordnung bezeichnet. Die Ventile arbeiten mit den Leitungen so zusammen, daß der Flüßigkeitsstrom von der Flüßigkeitsvorratsquelle und gegen die und weg von der Membrananordnung gerichtet wird. Es ist offensichtlich, daß die Ventile bzw. Ventilanordnungen auch durch andere Einrichtungen ersetzt werden können.

Der Antrieb 14 besteht aus einem von Hand betätigbaren Hebel ^k, dessen inneres Ende durch einen Drehstift 55 an einem äußeren Ende der Kolbenstange 32 angelenkt ist. Ein Ende eines Gelenkes 57 is0 durch einen Stift 58 am Hebel 54 und das andere Ende durch einen Stift 59 an einem äußeren Ende des Steuerschiebers 49 befestigt. Eine bogenförmige Hin- und Herbewegung des Hebels 54, wie es durch einen Doppelpfeil öl angedeutet ist, bewirkt eine entsprechende Linearbewegung der Kolbenstange 32 und des Steuerschiebers 49 , wobei die relative Verschiebung des Steuerschiebers 49 und der Kolbenstange 32 von der Hebelübersetzung und dem Bewegungswiderstand des Kolbens 25 und des Steuerschiebers 49 abhängt. Die Stellung des Steuerschiebers 49 bestimmt einen hydraulischen Vorspannungseffekt auf den Kolben 25, so daß der Steuerschieber 49 verschoben werden muß, bevor der Kolben umkehren kann. Die hydraulische Vorspannung gestattet es, daß der

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Kolben 25 relativ leicht in eine bestimmte Richtung bewegt wird. Diese Richtung wird durch den Steuerschieber 49 bestimmt j wie noch beschrieben wird. Wenn die Leitungen 46 und 48 miteinander verbunden sind, wirkt der aufwärts gerichteten Bewegung des Kolbens 25 die Konzentratflüßigkeit in der Pumpenkammer 27 entgegen, deren Druck die Abwärtsbewegung des Kolbens unterstützt. Wenn die Leitungen 47 und 48 miteinander verbunden sind, wirken der abwärts gerichteten Bewegung des Kolbens 25 die Rückschlagventile 37 und 40 entgegen, während

XO die Aufwärtsbewegung durch den Entspannungsdruck in der Entspannungskammer 28 relativ leicht ist. Wenn daher der Steuerschieber 49 in der oberen Stellung ist (Fig. 1), wird durch das Schwenken des Hebels 54 nach unten der Steuerschieber 49 in die untere Stellung bewegt, bevor der Kolben innerhalb des Zylinders 24 verschoben wird. Die Bewegungsabläufe sind umgekehrt, wenn der Hebel 5^ entgegengesetzt geführt wird. Die hydraulische Vorspannung bewirkt eine Verzögerung bzw. eine Verweilzeit und ist von besonderer Wichtigkeit für das erfindungsgemäße Verfahren, da der Steuerschieber 49 zwischen seinen beiden Grenzen bewegt werden muß, wenn der Kolben stationär ist, da die Plüßigkeit kaum komprimierbar ist und es bestünde Bruchgefahr, wenn der Kolben 25 bewegt würde, bevor der Steuerschieber die entsprechenden Verbindungen der Leitungen hergestellt hat.

Der Differentialdruckabsorber I5 besteht aus einem Zylinder und einem Kolben 64, der den Zylinder 65 in eine Ansaugkammer 66 für das Konzentrat und in eine Ansaugkammer 67 für die Speiseflüßigkeit teilt. Der Kolben 64 arbeitet mit einer Kolbenstange 69 zusammen, die durch die Ansaugkammer 66 für das Konzentrat

^₀ geführt ist und gegenüber dem Zylinder durch Dichtungen 70 und abgedichtet ist, um ein Vermischen und Lecken der Plüßigkeiten zu verhindern. Um eine glatte und weiche Arbeit des Druckabsorbers 15 sicherzustellen, weisen die Dichtungen 70, 7I niedrige Reibungscharakteristiken auf. Um die Kolbenstange 69 ist eine Druckschraubenfeder 72 angeordnet und zwischen dem Kolben 64 und

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der Oberseite der Ansaugkammer 66 eingesetzt, so daß der Kolben 64 wirksam federgespannt und doppeltwirkend und innerhalb des Zylinders verschiebbar ist. Die Schraubenfeder 72 arbeitet daher mit dem Kolben 64 zusammen und spannt diesen in eine Richtung, um die Ansaugkammer 6j für die Speiseflüßigkeit zu leeren. Diese Ansaugkammer 6j ist der unter Druck stehenden Speiseflüßigkeit im Leitungsstück 4l der Auslaßleitung 39 ausgesetzt und sie ist ferner mit dem Membrankessel oder Membranbehälter 16 über die Leitungsstücke 42 und 43 verbunden. Die Ansaugkammer 10' 66 für das Konzentrat ist der Konzentratflüßigkextsfraktlon im Leitungsstück 45 der Rücklaufleitung 44 ausgesetzt und ist ferner über das Leitungsstück 46 mit dem Richtventil 13 verbunden.

Die Durchmesser der Kolbenstange 69 und des Zylinders 65 des Differentialdruckabsorbers I5 sind ähnlich den Kolbenstangen/ Zylinder-Verhältnissen der Kolbenpumpe 12, aber ihre Verdrängung ist um ein Mehrfaches größer, so daß das Regenerationsverhältnis der durchtretenden Plüßigkeitsfraktion gegenüber der gesamten Flüsigkeitsfraktion angepaßt werden kann. Das Hauptmerkmal des Differentialdruckabsorbers I5 ist die starre Koppelung der Konzentrat- und Speiseflüßigkeit-Ansaugkammern 66 und 67 in einem ähnlichen Verhältnis wie das der Kolbenpumpe 12, d.h. ein ähnliches Verdrängungsverhältnis, um als ein Lastausgleicher für die Kolbenpumpe 12 zu dienen. Die Schraubenfeder 72 ist relativ klein und die Kolbenstange 69 weist einen relativ kleinen Bereich verglichen mit dem Kolben 64 auf und der Differentialdruckabsorber 15 wird bei Inbetriebnahme innerhalb weniger Pumpenhübe mit vollem Wirkungsgrad belastet, wie noch beschrieben wird. Das Ausfahren der Kolbenstange 69 vom Druckabsorber schafft zu jedem Zeitpunkt ihrer Stellung eine sichtbare Anzeige vom hydrostatischen Druck des Systems. Die Verhältnisse der Bereiche oder die Ver drängungsvolumen von Kolbenstange/Zylinder können für praktische Regenerierungsverhältnisse innerhalb des Bereiches von 1 : 10 und 1 : 2 liegen.

Die Trennwände oder Membrane I7 sind im Membrankessel oder Membranbehälter 16 in entsprechenden, an sich bekannten Reihenanord-

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nungen eingesetzt. Ein Niederdruckkanal 76 erhält Produktwasser von den Membranen, das durch eine Produktleitung 77 ausströmt. Die Anordnung der Membranreihen im Membrankessel ist so ausgelegt, daß eine ausreichende Druckkonvektion der Speiseflüßigkeit sichergestellt ist, um übermäßige Konzentrationspolarisationseffekte zu verhindern. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Speiseflüßigkeit zu niedrig ist, können die Konzentrationspolarisationseffekte gefährlich werden.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Wenn der Hebel ^K von Hand nach oben um den Drehstift 55 bewegt wird, wird eder Steuerschieber 49 in seiner obersten Stellung gehalten, wobei der untere Anschlag 50 diese Stellung bestimmt. In dieser Stellung schließt der Steuerschieber 49 die Abzugsleitung 47 und verbindet das Leitungsstück 46 mit

]_tj der Verbindungsleitung 48. Auf diese Weise kann die unter Druck stehende Konzentratflußigkeitsfraktion aus dem Membrankessel 16 durch die Ansaugkammer 66 des Differentialdruckabsorbers 15 und durch das Richtventil 13 in die Entspannungskammer 28 fließen, um auf die Rückseite des Kolbens 25 zu drücken. Die Kraft der Konzentratflüßigkeit in der Entspannungskammer 28 verstärkt die Kraft des Hebels 54 und der Kolben 25 bewegt sich gleichzeitig im Pumpenzylinder 24 nach unten in Richtung des Pfeiles 74, um die Speiseflüßigkeit in der Pumpenkammer 27 unter Druck zu setzen. Durch den Druck der Speiseflüßigkeit wird das Rückschlagventil 37 geschloßen gehalten. Das Rückschlagventil 40 ist geöffnet, um unter Druck stehende Speiseflüßigkeit aus der Pumpenkammer 27 durch das Leitungsstück 41 in die Ansaugkammer 67 des Differentialdruckabsorbers I5 zu befördern. Die unter Druck stehende Speiseflüßigkeit aus der Ansaugkammer 67 fließt durch

-Z₀ das Leitungsstück 42, durch den Hochdruckfilter I9 und das Leitungsstück 43 in den Membrankessel 16. Die diffundierende Speiseflüßigkeitsfraktion wandert durch die Membrananordnung und gelangt in den Niederdruck-Produktkanal 76 , von wo es in der Produktleitung 77 gesammelt wird. Die Konzentratflußigkeitsfraktion

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wird von der Membrananordnung abgewehrt und gelangt durch das Leitungsstück 45 in die Ansaugkanuner 66 für das Konzentrat und fließt von hier durch das Leitungsstück 46 und das Richtventil 13 in die Entspannungskammer 28. Der Druck der Konzentratflüßigkeit wirkt auf die Rückseite des Kolbens 25 und die hydrostatische Druckenergie dieser Konzentratflüßigkeit kann nutzbar gemacht werden, da sie die Regenerierung eines wesentlichen Anteils der Energie in der Speiseflüßigkeit gestattet. Der Druck der Konzentratflüßigkeit in der Entspannungs-

IQ kammer 28 ist nur wenig kleiner als der Druck der Speiseflüßigkeit in der Pumpenkammer 27, so daß bei Berücksichtigung der kleinen Fläche der Rückseite des Kolbens 25, auf die der Druck der Konzentratflüßigkeit wirkt, eine Bedienungsperson nur einen Bruchteil der Kraft aufbringen muß, die ohne Regenerierung der

I^ Energie erforderlich wäre.

Bei Umkehr der Bewegung wird der Hebel 54 mit der Hand nach unten gedrückt, wobei er wieder um den Drehstift 55 schwenkt. Die hydraulische Vorspannung am Kolben 25 verhindert eine anfängliche Aufwärtsbewegung desselben, aber der Steuerschieber 49 wird nach unten verschoben, bis seine Abwärtsbewegung durch den Anschlag 51 arretiert wird. In dieser Stellung des Steuerschiebers 49 ist das Leitungsstück 46 geschlossen, so daß das Ventil 13 vom Differentialdruckabsorber· I5 isoliert Is^-C. Die Abzugsleitung 47 ist offen und kommuniziert mit der Verbindungsleitung 48 und ist infolgedessen der Plüßigkeit in der Entspannungskammer 28 ausgesetzt. Wenn der Steuerschieber 49 stehen bleibt, ist die hydraulische Vorspannung nun umgekehrt und der Kolben 25 kann in einem Rückhub nach oben, also gegen die Pfeilrichtung 74 gehen. Das Rückschlagventil 37 ist dann offen, um Speiseflüßigkeit in die

■50 Pumpenkammer 27 einzulassen, während das Rückschlagventil 40 geschlossen ist und einen Rückfluß der Plüßigkeit aus dem Differentialdruckabsorber I5 verhindert. Die erste Ventilanordnung spricht demnach auf die Kraft an, die auf die Pumpe 12 wirkt, derart, daß die der Pumpe vermittelte Kraft teilweise durch die

■35 erste Ventilanordnung rückwirkt. Die Aufwärtsbewegung des Kolbens 25 zwingt auch die Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer

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28 durch die Ventilanordnung und die Abzugsleitung, die üblicherweise in den Abfall führt.

Da der Druck in der Ansaugkammer 67 für Speiseflüßigkeit aufgrund kontinuierlichen Durchtritts von Produktwasser durch die Membran I7 leicht abfällt, zwingt die Schraubenfeder 72 den Kolben 64 des Differentialdruckabsorbers I5 nach unten gegen die Leitungsstücke 41 und 42. Die Kraft der Schraubenfeder 72 wird durch den Druck der Konzentratflüßigkeit erhöht, die aus dem Membrankessel 16 in die Ansaugkammer 66 fließt und auf die Rückseite des Kolbens 64 wirkt. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 64 des Differentialdruckabsorbers 15 hält einen Strom von Speiseflüßigkeit in den Membrankessel 16 und quer über die Membrananordnung 17 aufrecht, wodurch Konzentrationspolarisationseffekte verringert werden, die andernfalls auftreten würden. Auf diese Weise werden stagnierende Strömungsbedingungen an der Seite der Konzentrationsflüßigkeit an der Membrananordnung während des Rückhubes der Pumpe verringert. Die Verschiebung des Kolbens 64 ist ausreichend, um einen entsprechenden Durchfluß durch den Membrankessel 16 während des Rückhubes aufrechtzuerhalten. Der mit der Membrananordnung in Verbindung stehende Differentialdruckabsorber 15 hat demnach die Aufgabe, während des Betriebes einen im wesentlichen gleichmäßigen Druck und gleichmäßigen Speiseflüßigkeitsstrom quer über die Membrane sicherzustellen. Der Differentialdruckabsorber I5 arbeitet mit den Auslaß- und Rücklaufleitungen zusammen und ist zwischen der Membrananordnung 17 und der ersten· und zweiten Ventilanordnung I5, 37* 40 eingesetzt, um Druckschwankungen aufzunehmen und eine im wesentlichen gleichmäßige Speiseflüßigkeitsströmung quer über die Membrane sicherzustellen.

j)Q Wenn die Arbeitsbewegung nun wieder umgekehrt wird, schaltet das Ventil I3 bevor der Kolben 25 seine Richtung ändert und der vorhin beschriebene Ablauf wiederholt sich« Der Kolben 25 in der Pumpenkammer 27 muß vor der Umkehr der Kolbenbewegung nicht den gesamten Hub des Pumpenzylinders 24 durchlaufen, d.h. die Um-

-,r kehr des Pumpenhubes kann an irgendeiner Stelle im Zylinder

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erfolgen. Demnach kann die Bedienungsperson die Hebelbewegung jederzeit die Bewegungsrichtung umkehren, da die Vorrichtung gegenüber den Grenzen der Hebelbewegung unempfindlich ist. Das Richtventil 13 spricht unmittelbar auf die Umkehr der Hebelbewegung an und schaltet immer bevor die Arbeit der Pumpe 12 umgekehrt wird, da die hydraulische Vorspannung bewirkt, daß der Steuerschieber 49 leichter in einer bestimmten Richtung bewegt wird als der Kolben 25. Das Ventil 13 schaltet immer in einem Zeitintervall, wenn die Kolbenstange stillsteht und folglieh aus der Entspannungskammer keine Flüsigkeit verdrängt wird. Dies ist für die Arbeit der Vorrichtung wichtig, da eine vorzeitige Plüßigkeitsverdrängung aus der Entspannungskammer, also bevor der Steuerschieber vollständig verschoben ist, leicht zu einer Beschädigung der Vorrichtung führen kann. Daraus ergibt sich, daß bei der Umkehr der Hebelbewegung die Kolbenstange 32 als Drehpunkt für den Hebel 54 dient, um das erste Ventil zunächst zwischen zwei Stellungen zu verschieben. Wenn in irgendeiner der beiden Stellungen angehalten wird, bildet das Ventil 13 einen Drehpunkt für den Hebel 54. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist das Dreiwege-Ventil I3 eine geschloßene mittige oder zwischenliegende Stellung auf, in der alle mit diesem ersten Ventil verbundenen Leitungen geschloßen sind, um eine zeitliche hydraulische Sperre für den Kolben 25 zwischen zwei Ventilstellungen zu schaffen. So dienen der Hebel 54 und das Gelenk 57 als mechanische Gelenkverbindung, die mit dem ersten Ventil I3 und der Kolbenpumpe 12 zusammenwirkt, so daß eine Umkehr des Pumpenhubes das erste Ventil zwischen der ersten und der zweiten Stellung verschiebt.

Zwischen der Betätigung des ersten Ventils und der Verlagerung von Flüßigkeit in Bezug auf die Entspannungskammer ist folglich eine Zeitverzögerung oder eine Verweilzeit zwischengeschaltet. Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen Pumpe und dem ersten Ventil eine entsprechende Einrichtung angeordnet wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht diese Verzögerungseinrichtung aus der Gelenkverbindung und der Wahl einer Kraftdifferenz, die erforderlich ist, um den Steuerschieber 49 vor Bewegen der

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■ as·

Kolbenstange 32 zu betätigen. Es können auch andere Einrichtungen zur Verzögerung vorgesehen und zwischen der Pumpe und dem ersten Ventil angeordnet werden. Die Verzögerungseinrichtung bewirkt, daß bei Umkehr der Pumpenbewegung, das Ventil zwischen der ersten und zweiten Stellung bewegt wird, bevor die Pumpe in der Entspannungskammer 28 ihre umgekehrte Arbeit beginnt, d.h. bevor Plüßigkeit verdrängt oder befördert wird. Abgeänderte Ausführungsformen der Verzögerungseinrichtung sind in den Fig. 3 und 5 bis 7 dargestellt. Alle diese Einrichtungen ^q gestatten eine Betätigung des ersten Ventils während eines Intervalls, in dem in der Entspannungskammer keine Plüßigkeit verdrängt wird. Dieser Intervall beginnt nach Beendigung des Kolbenhubes. Die Verzögerungseinrichtung paßt die hydraulische Sperre des Kolbens ohne zerstörenden Schock an.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

Die Speiseflüßigkeit wird durch den Einlaßhub des Kolbens 25 in die Pumpenkammer 27 eingeführt und gleichzeitig strömt Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer 28. Die auf die Pumpe 12 wirkende Kraft wird umgekehrt, so daß das erste Ventil 13 mechanisch geschaltet wird, um den Flüßigkeitsstrom zwischen die Pumpe 12 und die Membrananordnung 17 zu richten. Durch die Verzögerungseinrichtung wird das Ventil 13,durch eine geschloßene Zwischenstellung bewegt, und zwar während eines Intervalls, in dem in der Entspannungskammer 28 keine Flüßigkeitsbewegung stattfindet. Auf diese Weise wird das Ventil zeitlich gesteuert. Die Speiseflüßigkeit in der Pumpenkammer 27 wird durch einen Kompressionshub des Kolbens 25 unter Druck gesetzt, der dann die unter Druck stehende Speiseflüßigkeit in die Membrananordnung zwingt. Gleichzeitig wird Konzentratflüßigkeit aus der Membrananordnung in die Entspannungskammer 28 eingelassen, um durch den Druck der Konzentratflüßigkeit die dem Kolben beim Kompressionshub mitgeteilte Energie zu ergänzen. Die Speiseflüßigkeit wird durch die Membrananordnung 17 in eine diffundierende Flüßigkeits-

7c fraktion und eine Konzentratflüßigkeitsfraktion geteilt. Die diffundierende Flüßigkeitsfraktion wandert durch die Membran,

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während die Konzentratflüßigkeitsfraktion zurückgehalten und aus dem Membrankessel 16 in die Entspannungskammer 28 befördert wird, um Druckenergie zu regenerieren, die dazu verwendet wird, die Speiseflüßigkeit unter Druck zu setzen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist das erste Ventil 13 seitlich in Bezug auf den Kolben 25 versetzt,. Es können aber auch andere Anordnungen gewählt und falls erwünscht andere erste Ventilausführungen vorgesehen werden. Wesentlich ist jedoch, daß stets eine geschloßene Zwischenstellung zwischen zwei Ventilstellungen vorgesehen ist, um den Kolben für eine bestimmte Zeitspanne zwischen den beiden Ventilstellungen hydraulisch zu sperren.

Eine abgeänderte Ausführungsform des ersten Ventils 13 ist die Ventilanordnung 81 in Fig. 2, die mit der Vorrichtung 10 und Äquivalenten verwendet werden kann. Es ist ein Dreiwegeventil mit einem Steuerschieber oder Gleitnocken 82, dessen Bewegung durch zwei im Abstand angeordnete Anschläge 83 und 84 begrenzt wird. Der Gleitnoeken 82 betätigt zwei Zweiwege-Kegelventile 85 und 86, denen entsprechende Ventilsitze 87 bzw. 88 zugeordnet und die mit Leitungen verbunden sind. Eine Rücklaufleitung 89 mündet in den Differentialdruckabsorber (nicht dargestellt), eine Verbindungsleitung 90 führt zur Entspannungskammer der Kolbenpumpe (nicht dargestellt) und eine Abzugsleitung 9I ist mit einer Auslaßleitung (nicht dargestellt) für die Konzentratflüsigkeit verbunden. Den Kegelventilen 85 und 86 ist je eine Schraubenfeder 93 bzw. 94 zugeordnet, die das Schließen des Ventils einleiten, und mit Flüßigkeits-Druckdifferenzen das Dichten des Ventils erhöhen. In den Stößelführungen angeordnete Dichtungen 96 und 97 verhindern ein Lecken der Flüßigkeit an den Stößeln der Kegelventile. Kugeln 98 und 99 aus gehärtetem Stahl schützen die Stößel gegen seitlich wirkende Kräfte. Es ist zwingend, daß das Profil des Gleitnockens 82 so gestaltet ist, daß mindestens eines der Kegelventile immer aufsitzt. Wenn beide Kegelventile gleichzeitig abgehoben werden, auch wenn es nur augenblicklich ist, würden die Leitungen 89 und 90 mit Entlüftungs-

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druck verbunden werden und die Vorrichtung wäre außer Betrieb. Der Steuerschieber oder Gleitnocken 82 ist mit dem Gelenk 57 (Fig. 1) verbunden und die erste Ventilanordnung 81 kann das Richtventil 13 vollständig ersetzen und arbeitet wie dieses.

Die Ventilanordnung 81 ist in der angehobenen Stellung gezeigt (Fig. 2), die durch den Anschlag 84 begrenzt ist. In dieser Stellung hebt der Gleitnocken 82 das Kegelventil 85 vom Sitz 87 ab, so daß die Leitungen 89 und 90 miteinander verbunden werden, um unter Druck stehende Konzentratflüßigkeit aus der Membrananordnung in die Entspannungskammer einfließen zu lassen. Das Kegelventil 86 wird durch die Schraubenfeder 9^ und unausgeglichenen hydrostatischen Druck gegen den Sitz 88 gedrückt. Beim Rückhub der Pumpe wird das Kegelventil 86 vom Sitz 88 abgehoben, so daß die Entspannungskammer mit der Abzugsleitung 9I arbeiten kann. Das Kegelventil 85 wird durch die Schraubenfeder 93 und hydrostatischem Druck geschloßen, so daß verhindert wird, daß Konzentratflüßigkeit aus der Membrananordnung fließt.

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines Pumpenzylinders 105, der mit der Einlaßleitung 36, der Auslaßleitung 39 und der Verbindungsleitung 48 (Figo 1) kommuniziert. Die Kolbenstange I06 des Pumpenzylinders I05 wirkt mit einer biegsamen Membran, -einem Blasebalg oder einer Druckdose IO8 zusammen, die an einem Ende durch eine statische Dichtung 110 am Pumpenzylinder 105 und am anderen Ende an der Kolbenstange befestigt ist» Die Membran oder Druckdose I08 teilt den Pumpenzylinder I05 in eine Pumpenkammer I09 und in eine Entspannungskammer 111. Die Pumpenkammer I09 befindet sich an einer Seite und die Entspannungskammer 111 an der anderen Seite der Membran oder der Druckdose. Auf diese Weise wird auch hier die Speiseflüßigkeitsfraktion von der Konzentratflüßigkeitsfraktion getrennt« Diese Anordnung ersetzt die Kolbenanordnung der Fig. 1. Die biegsame Membran ist brauchbar, da zwischen der Pumpenkammer I09 und der Entspannungskammer 111 normalerweise nur geringe hydrostatische Druckdifferenzen bestehen. Die biegsame Membran, der Blasebalg oder die Druckdose

,ι- schaltet Reibungsverluste der Dichtung 30 des Kolbens 25 (Fig. 1)

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aus und vereinfacht auch die Herstellung, da Toleranzen weniger kritisch sind. Die Membran ist vorzugsweise elastisch relativ steif, um ein Zusammenfallen bei Druckdifferenzen zu vermeiden. Wenn die Membran zusammenfällt, erfolgt eine geringere Verdrängung und sie funktioniert dann nicht zufriedenstellend. Andererseits kann die Speiseflüßigkeit der Einlaßleitung Jo mit einem Ladedruck zugeführt werden, der den Austrittsdruck in der Verbindungsleitung 48 übersteigt. Die Membran bildet keine starre Grenze zwischen der Speiseflüßigkeit und der Konzentratflüsigkeit und es ist ersichtlich, daß die Bewegung der Kolbenstange lOö eine Verdrängung der Plüßigkeit in der Pumpenkammer I09 bewirken kann, ohne daß in der Entspannungskammer 111 Flüsigkeit verdrängt wird. Da die Membran auf Flüßigkeitsdruck, hervorgerufen durch Bewegung der Kolbenstange nachgibt, spricht sie auf Umkehr der Hebelbewegung an. Auf diese Weise wird durch die Nachgiebigkeit der Membran, des Blasebalges oder der Druckdose eine Verweilzeit erreicht, die eine zeitgesteuerte Betätigung des Ventils gestattet, ohne daß Flüßigkeit in der Entspannungskammer bewegt wird. Es handelt sich folglich um eine Verzögerungs- einrichtung, die anstelle von oder zusammen mit der Verzögerungseinrichtung verwendet werden kann, die mit Druckdifferenzen beim Schalten des Ventils zusammenwirkt.

Eine abgeänderte Ausführungsform eines Differentialdruckabsorbers II8 (Fig. 4) kann anstelle des Differentialdruckabsorbers 15 (Pig· 1) verwendet werden. Der Zylinder II9 ist mit den Leitungsstücken 41 und 42, der Auslaßleitung 39 sowie mit den Leitungsstücken 45 und 46 der Rücklaufleitung 44 verbunden. Die Kolbenstange 121 arbeitet mit einer biegsamen Membran, einem Blasebalg oder einer Druckdose 123 zusammen, die an einem Ende durch

-ZQ eine statische Dichtung 125 am Zylinder II9 und am anderen Ende an der Kolbenstange 121 befestigt ist. Die Membran 123 teilt den Zylinder II9 in eine Ansaugkammer 129 für Konzentratflüßlgkeit und in eine Ansaugkammer I30 für Speiseflüßigkeit. Eine Schraubenfeder 131 umgibt die Kolbenstange 121 und arbeitet ähnlich wie die Schraubenfeder 72 (Fig. 1). So wie die Membran, der Blasebalg

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oder die Druckdose 108 gemäß Fig. 3 kann auch die Ausführungsform gemäß Fig. 4 verwendet werden.

Eine zweite Ausführungsform einer Pumpe 136 ist in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Die Pumpe I36 ist mit einem Antrieb 137 verbunden, der eine getriebene Kurbelwelle I38 aufweist, die in Lagern (nicht dargestellt) um eine Achse 139 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle I38 ist mit einem Paar Kurbelzapfen oder Kröpfungen 14O und 141 versehen, die in einem entsprechenden Phasenwinkel im Abstand angeordnet sind. Die Kröpfung l40 ist etwa im Mittelhub und die Kröpfung 141 am oberen Totpunkt gezeigt. Die Kröpfungen l40 und l4l sind durch Verbindungsstangen 14-3 und 144 mit einer Kolbenstange 146 bzw. einem Steuerschieber 148 der

136
Pumpe/verbunden. Die Kolbenstange 146 bewegt sich innerhalb eines

Pumpenzylinders I50 hin und her, der im wesentlichen dem Pumpende zylinder 24 in Fig. 1 entspricht, der mit Einlaß- und Auslaßleitungen 36 bzw. 39 versehen ist. Der Steuerschieber 148 arbeitet mit den Leitungsstücken 45 und 46 und mit der Verbindungsleitung 48 eines Dreiwege-Ventils oder einem ersten Ventil I52 zusammen. Dieses erste Ventil I52 entspricht im wesentlichen dem Richtventil I3 in Fig. 1. Der Steuerschieber 148 weist, anders als der Steuerschieber 49 gemäß Fig. I₁ keine Anschläge auf, da seine Bewegungsbahn durch die Drehung der Kurbelwelle I38 begrenzt ist.

Die Pumpe I36 weist einen an der Kolbenstange 146 angeordneten Kolben 154 auf, der den Pumpenzylinder I50 in eine Entspannungskammer I56 und eine Pumpenkammer I57 teilt. Die Kolbenstange 146 ist mit einem Paar im Abstand angeordneten Anschlägen 159 und versehen, die mit einander gegenüberstehenden federnden Kissen I58 ausgerüstet sind. Der Kolben 154 weist eine Kolbenscheibe 161 mit einer Bohrung 162 auf, durch die die Kolbenstange 146 gleitend gesteckt ist. Die Kolbenscheibe Ιοί ist zwischen den Kissen I58 der Anschläge 159* I60 frei gleitend angeordnet. Die Kissen I58 vermindern Schockbelastungen, wenn die Kolbenscheibe 1β1 die Anschläge 159, I60 berührt. Um den Außenumfang der Kolben-■3C scheibe !öl ist eine dynamische Dichoung lt>3 gelegt, die Leckver-

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luste zwischen dem Kolben 154 und der Zylinderwand verhindert. Der Abstand 164 zwischen den Kissen I58 der Anschläge 159 und 16O und die Dicke der Kolbenscheibe I6l sind so gewählt, daß die Kolbenstange 146 axial durch die Kolbenscheibe Ιοί versehiebbar ist, wobei die Bewegung der Kolbenscheibe selbst nur zwischen etwa 10 bis 20$ des gesamten Kolbenhubes beträgt und daher vernachläßigbar ist. Auf diese Weise schwimmt die Kolbenscheibe I6l an der Kolbenstange 146 und der Hub der Kolbenscheibe ist kleiner als der der Kolbenstange. Anders als bei der ersten Ausführungsform ist das Verhältnis von diffundierendem Flüßigkeitsstrom zum Speiseflüßigkeitsstrom nicht durch ein einfaches Verhältnis des Kolbenstangenquerschnitts zum Kolbenbereich gegeben, da die Hübe der Kolbenstange l4o und des Kolbens 154 nicht gleich sind.

Die Arbeit der zweiten Ausführungsform der Pumpe I36 ist sehr ähnlich derjenigen der ersten Ausführungsform, wobei jedoch nach Umkehr der Kolbenstangenbewegung eine Relativbewegung, d.h. axiales Gleiten, zwischen der Kolbenscheibe Ιοί und der Kolbenstange 146 auftritt, die einen Leerlauf oder Verweilzeit der Kolbenscheibe I6I nach Umkehr der Kolbenstange 146 zur Folge hat. Es ist wohl gesagt, daß die Kolbenscheibe I6I zwischen den Anschlägen I59 und I60 hin und her geht, tatsächlich bewegt sie sich jedoch zwischen den Kissen I58 der Anschläge.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die relativen Stellungen und Reihenfolgen des Kolbens und Ventils während einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle I38 im Uhrzeigersinn veranschaulicht. Die Winkelabstände sind übersichtshalber übertrieben gezeichnet. Der obere Totpunkt der Kröpfung l40 der Kolbenstange 146 ist als Bezugspunkt der Kurbelwelle I38 genommen und mit A bezeichnet. Er befindet sich unmittelbar vor einem Kompressionshub des Kolbens 154.

Der entsprechende untere Totpunkt, der unmittelbar vor einem Einlaßhub oder Ansaugtakt liegt, ist mit B bezeichnet. Die Verweilzeit D ist der Intervall, in dem in der Entspannungskammer keine FlüßigkeitsVerdrängung stattfindet und der auf die Umkehr der Be-

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wegung des Antriebs folgt. Bei dieser Ausführungsform kann die Verweilzeit als der Intervall bezeichnet werden, ausgedrückt als Winkelabstand oder Phasenwinkel, zwischen Beginn des Kompressionshubes der Kolbenstange 146 bei A und dem Beginn des Kompressionshubes des Kolbens 154, der mit E bezeichnet ist. Die gleiche Definition gilt für einen Einlaßhub oder Ansaugtakt der Kolbenstange 146 und entspricht dem Winkelabstand zwischen B und F. Der Arbeitsablauf ist folgender: Die Kröpfungen l4o und 141 sind im Diagramm gestrichelt und in einem Phasenwinkel C gezeigt, entsprechend Fig. 5.» aber sie sind in verschiedenen Stellungen zum Bezugspunkt der Kurbelwelle 138 gezeigt.

So wie sich der Kolben 154 dem Ende des Einlaßhubes bei A nähert, verbindet das Ventil I52 die Leitungen 48 und 45, um Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer I56 herauszulassen, während die Leitung 46 geschloßen ist. Der Flüßigkeitsdruck in der Entspannungskammer I56 und in der Pumpenkammer 157 ist niedrig und kurz hinter A, bei Punkt G, werden die Leitungen 48 und 45 abgeschaltet bzw. geschloßen, wobei auch die Leitung 46 geschloßen bleibt. Die Kolbenstange 146 bewegt sich nun nach unten in die Pumpenkammer 157, während die Kolbenscheibe l6l stehen bleibt. Die Kolbenstange 146 dient als Pumpenstempel, der Speiseflüßigkeit in der Pumpenkammer 157 komprimiert. Wenn der Druck in der Pumpenkammer 157 ansteigt, kurz vor E, beginnt bei H das Rückschlagventil 40 (Fig. 1) zu öffnen, um Speiseflüßigkeit in den Differentialdruckabsorber I5 durch das Leitungsstück 41 einzulassen. Zwischen H und E, bei J, wird das erste Ventil wieder geöffnet, um die Leitungsstücke 48 und 46 miteinander zu verbinden. Zu dieser Zeit ist der Druck in diesen beiden Leitungsstücken 48 und 46 durch die Arbeit der Kolbenstange 146 etwa ausgeglichen und kurz danach berührt der Anschlag I59 bei E die Kolbenscheibe 161, so daß diese nun mit der Kolbenstange 146 bewegt wird, wobei der Verweilintervall D beendet wird«

Die weitere Drehung der Kurbelwelle I38 vervollständigt den Hub _j- der Kolbenstange 146,während der Steuerschieber 148 die Stellung

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des oberen Totpunkts des Hubes bei I erreicht und dann die Abwärtsbewegung beginnt. Beim unteren Totpunkt B erreicht die Kolbenscheibe l6l ihre untere Grenze im Pumpenzylinder 150, beginnt den Verweilintervall und das Rückschlagventil 40 schließt. Kurz danach bei K schließt das erste Ventil 152 die Leitungen 48 und 46, während die Leitung 45 geschloßen bleibt. Die Kolbenstange 146 bewegt sich wieder durch die stationäre Kolbenscheibe I6I und wirkt als ein Pumpenstempel, um sich aus der Pumpenkammer I57 zurückzuziehen. Wenn der Druck kurz vor F vollständig abgebaut ist, öffnet das Rückschlagventil 37 bei L und Speiseflüßigkeit gelangt durch die Leitung 36 in die Pumpenkammer 157. Kurz danach, bei M, verbindet das erste Ventil I52 die Leitungen 48 und 45. Zu dieser Zeit ist der Druck in diesen Leitungen etwa ausgeglichen. Kurz danach, bei F, berührt der Anschlag ΙβΟ die Kolbenscheibe Ιοί, wobei die Verweilzeit des Kolbens 154 beendet wird und dieser seinen Einlaßhub beginnt. Die Kolbenscheibe 161 vervollständigt den Einlaßhub, während das Ventil seinen unteren/fotpunkt bei N durchschreitet und dann umkehrt. Die Kolbenstange 146 kehrt in ihre obere Totpunktstellung A zurück und vervollständigt den Zyklus, der dann wiederholt wird. Der Winkelabstand zwischen den Punkten A und G, H und J, J und E und die entsprechenden Stellungen an der diametral gegenüberliegenden Seite sind übertrieben dargestellt und betragen üblicherweise zwischen 2 und 5°, abhängig von Herstellungstoleranzen, Kompressibilität der Flüßigkeit, Volumänderungen des Zylinders usw. aufgrund von Druckänderungen. Die Verweilzeit D kann zwischen 10° und 30° betragen. Die Projektionen P und R im Diagramm stellen den Kolbenstangenhub bzw. der Kolbenscheibenhub dar.

Um die oben beschriebene Folge der Ventilarbeit in Bezug auf die Stellung des Kolbens beizubehalten, muß die Kröpfung 141 des Ventils von einem Mittelpunkt S des Verweilintervalls D in einem Abstand von 90° sein. So bleibt, wie dargestellt, die Kröpfung l4l in einer Phasenverschiebung von (90 - "ö" )° hinter der Kröpfung 140 und der Ventiltotpunkt I folgt dem Kolbentotpunkt A

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-aS- 28 Ί 2761

mit einer Phasenverschiebung von (90 - ρ") · Ähnlich verhält es sich für N, das mit einem Phasenverschiebungswinkel von (90 - |)° A vorangeht. Das gleiche Ergebnis kann erreicht werden, wenn die Kröpfung l4l mit einer Phasenverschiebung von (90 + |)° der Kröpfung Ι4θ führt.

Bei der Verwendung eines schwimmenden oder schwebenden Kolbens ist eine Kurbelwelle erforderlich, die mit Kröpfungen zur Betätigung des Kolbens und der entsprechenden Ventile versehen ist. Die Kröpfungen sind in einem Abstand voneinander und phasenverschoben angeordnet, und zwar in einem anderen als 90° Winkel, um die Verweilzeit oder Verzögerung anzupassen. Der Phasenwinkel beträgt (90 - ·|)°. Diese Auslegung ermöglicht, daß das erste Ventil während der Verweilzeit vollständig geschloßen ist. Der Ventilschließwinkel V des ersten Ventils ist an beiden Enden durch den Verweilzeitwinkel D überlappt, wodurch ein Druckausgleich quer über den Leitungen des ersten Ventils möglich ist, das dabei ist zu öffnen oder schließen. Ein annähernder Druckausgleich quer über den entsprechenden Leitungen erhöht die Lebensdauer kritischer Ventildichtungen und Ventilsitze, ohne ernste Abnutzung und Verschleiß, Erscheinungen, die üblicherweise bei Hoehdruckflüßigkeiten geringer Viskosität, niedriger Kompressibilität und geringer Schmierfähigkeit auftreten, Ein annähernder Ausgleich von Druckdifferenzen quer über Leitungen, die gerade geöffnet werden, verringert auch die Kräfte, die zur Betätigung der Ventile erforderlich sind. Auf diese Weise wird die Lebensdauer und die Zuverläßigkeit der Mechanismen zur Betätigung der Ventile erhöht. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der die Bewegung des Kolbens 25 und des Dreiwege-Ventils 13 aufgrund der Bewegungsbahn des Steuerschiebers zwischen den Anschlägen 50, 5I des Ventils 13 intermittierend ist, stützt sich die Ausführungsform I36 gemäß Fig. 5 im wesentlichen auf die Stellung des Kolbens 154, wie sie durch die Gelenkverbindung bestimmt ist, um das Dreiwege-Ventil 152 glatt, und weich zu wechseln, wenn der Kolben 154 seine Totpunktstellungen am Ende

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der Kolbenhübe im Pumpenzylinder I50 erreicht. Die Bewegung sowohl der Kolbenstange 146 als auch des Steuerschiebers 148 (Fig. 5) ist glatt, ruhig und quasi-harmonisch, im Gegensatz zu der intermittierenden Bewegung des Kolbens 25 und des Steuerschiebers 49 der Ausführungsform gemäß Pig. I. Eine intermittierende Bewegung eignet sich für kleine oder niedrigtourige Vorrichtungen, während die Ausführurigsform gemäß Fig. mehr für größere Anlagen oder höhere Wellendrehzahlen vorgesehen ist, bei denen eine diskontinuierliche Bewegung unbrauchbar

■j_Q wäre. Die erforderliche oder erwünschte Verweilzeit wird dann durch einen schwebenden Kolben erreicht. Bei großen Vorrichtungen, bei denen Strömungsmomenteffekte ins Gewicht fallen, wird durch eine Erhöhung der Verweilzeit über das für die Ventilarbeitsfolge erforderliche Minimum hydraulischer Schock noch

■je weiter verringert, der andernfalls auftreten könnte. Wegen der Ink-ompressibilität von Meerwasser könnte die mit einer Kurbelwelle betätigte Vorrichtung ohne durch den schwebenden Kolben oder äquivalente Einrichtungen bewirkte Verweilzeit nicht funktionieren. Für Richtventile, die eine harte Flüßigkeit befördern, ist eine relativ langsame Betätigung erwünscht und diese wird durch die quasi-harmonische Ventilarbeit und Verzögerungseinrichtung erreicht. Der Ventil-Schließwinkel V kann durch Verlangsamen der Ventilgeschwindigkeit oder Verlängern des schließenden Mittelteiles des Steuerschiebers vergrößert werden, die Verweilzeit D muß aber V an beiden Enden überlappen.

Die einfache Kurbelwelle mit zwei Kröpfungen kann durch andere äquivalente Kurbelausführungen ersetzt werden, um eine getrennte quasi-harmonische Bewegung der Kolbenstange, einen Verweilintervall für den Kolben nach jeder Umkehr der Kolbenstange

•50 und eine 90° Phasendifferenz vom Mittelpunkt des Verweilintervalls zur Betätigung des Dreiwege-Ventils zu erreichen. Andere Mechanismen sind beispielsweise Taumelscheibenantriebe, Bremsbügelantriebe, axiale und radiale Rollennocken- oder Freilaufnockenantriebe und dergleichen. Es ist offensichtlich, daß ins-

j5 besondere mit Kurven- oder Nockenantrieben ein weiter Spielraum

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. 3S-

von Beschleunigungen und Geschwindigkeiten der Kolbenstange und des Steuerschiebers möglich ist und durch eine entsprechende Kurven- oder Nockengestaltung kann ein weiter Bereich von Verweilzeittrennungen und Verweilzeitperioden umfaßt werden.

Die Verweilzeit muß ausreichend lang sein, um eine Ventilbetätigung mit annehmbaren Geschwindigkeiten und auch einen vollen Druckausgleich quer über dem ersten Ventil sicherzustellen. Übermäßige lange Verweilzeiten sind aber in den meisten Fällen unerwünscht, da die Kolbenstange am Ende des Verweilzeitintervalls eine erhebliche Geschwindigkeit erreicht haben wird.

Im Zylinder I50 (Fig. 5) ist ein abgeänderter Kolben I68 eingesetzt, der mit einer abgeänderten Kolbenstange I69 (Fig. 7) wie folgt zusammenwirkt. Diese Kolbenstange I69 weist ein Paar im Abstand angeordnete Aufsatζstützen I7I und I72 mit teilweise sphärischen Oberflächen 174 und 173 auf, die einander gegenüberstehen. Eine biegsame Scheibe I76 ist mit einer mittigen Bohrung versehen, durch die die Kolbenstange 169 gesteckt ist und weist im nicht deformierten Zustand (nicht dargestellt) flache, konvex gebogene entgegengesetzte Flächen oder Stirnseiten I77 und I78 auf. Der Außenumfang 179 dieser Scheibe/76 ist etwas größer als die Bohrung des Zylinders I50. Der Umfang der Scheibe I76 ist mit einem verschleißfesten Dichtring I80 mit niedrigem Reibungskoeffizienten versehen, der ausreichend vorsteht, um an der Zylinderwand dichtend zu gleiten. Die Scheibe I76 ist zwischen den Aufsatzstützen I7I und 172 eingepaßt und ist hier durch den Zylinder I50 schalenförmig verformt. Die Scheibe 176 ist ausreichend biegsam und flexibel, so daß bei Umkehr der Axialbewegung der Kolbenstange I69 innere Bereiche der Scheibe I76 sich biegen und der Kolbenstangenbewegung folgen, während Außenbereiche dieser Scheibe I76 in statischer Berührung mit der Zylinderwand bleiben, bis die Grenze der Verformung der Scheibe I76 erreicht ist, Zu diesem Zeitpunkt gleitet der Umfang der Scheibe I76 an der Zylinderwand. Der Kolben I68 ist auf diese Weise ausreichend nach-

■jFj giebig, um nach Umkehr der Bewegung der Kolbenstange I69 eine

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relativ geringe Bewegung der Kolbenstange und der angrenzenden Bereiche der Scheibe 176 zu ermöglichen, normalerweise zwischen etwa 10 und 20$> des gesamten Kolbenstangenhubes, mit vernachlassigbarem Gleiten des Dichtringes l80 an der Zylinderwand. Die Kolbenscheibe 176 nimmt beim Abwärtsbewegen des Kolbens eine nach oben gerichtete Konvexform ein und wird beim Aufwärtsbewegen des Kolbens zu einer nach unten gerichteten Konvexform, wie gestrichelt bei 176.1 (Fig. 7) gezeigt ist, verformt. Diese Verformung der Scheibe I76 erfolgt mit einem nur geringfügigen, vernachläßigbaren Schlüpfen der Scheibe an der Zylinderwand. Auf diese Weise dient eine solche Kolbenscheibe I76 tatsächlich als eine federnde, im wesentlichen ebene Membran, die von der Kolbenstange I69 getragen wird Sie ist ausreichend biegsam und federnd, um eine Kolbenstangenbewegung mit nur geringer vernachläßigbarer Scheibenbewegung zu gestatten, so daß dadurch eine Verzögerung herbeigeführt werden kann, um eine zeitliche Steuerung mit Verweilzeit des Ventils zu ermöglichen.

Eine biegsame, federnde Kolbenscheibe 176 der oben beschriebenen Art hat zusammen mit einer der Kurbelwelle Ij58 (Fig. 5)

entsprechenden Kurbelwelle den wesentlichen Vorteil· gegenüber einem starr befestigten Kolben entsprechend der Gleitscheibe gemäß Pig. 5, daß das erste Ventil die Leitungen nur dann öffnet oder schließt, wenn der Druck über der Scheibe annähernd ausptgeglichen ist. Auf diese Weise werden Druckdifferenzen und entsprechende Strömungsgeschwindigkeiten mit darauf zurückzuführenden Abnutzungserscheinungen verringert. Der Abbau von Druckdifferenzen verringert auch die Kräfte zur Betätigung des Ventils und entsprechend nimmt auch der Verschleiß des Ventils ^ab*

Die biegsame Kolbenscheibe I76 gemäß Pig. 7, die schwimmende Kolbenscheibe 161 gemäß Pig. 5 und die Membran, der Blasebalg oder die Druckdose I08 gemäß Pig. 3 sind im allgemeinen äquivalent und diese Bauteile können als nachgiebige Elemente bezeichnet werden. Sie sind Jeweils einem Kolben und einer Kolbenstange zuge-

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ordnet , um bei Umkehr der Pumpenarbeit eine relative Axialbewegung zwischen einem Teil des Kolbens und der Kolbenstange zu gestatten. Die nachgiebigen Elemente schaffen eine positive Verweilzeit, die für einen gewünschten Wert gewählt werden kann und insbesondere dann wichtig ist, wenn die Vorrichtung zum Entsalzen einer Salzlösung mit niedriger Viskosität, schlechter Schmierfähigkeit und Korrosionswirkung verwendet wird. Es können andere nachgiebige Elemente eingesetzt werden, die mit dem Kolben zusammenwirken und sie können mit ig anderen Antrieben betätigt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel 181 (Pig. 8) der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für Windkraft ausgelegt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Gestell 183 und einem mechanischen Antrieb 182, der die Energie von einer Windturbine 184 mit horizontaler Achse ausnutzt, die eine Kurbelwelle 185 treibt. Diese Kurbelwelle I85 ist mit einer Verbindungsstange I86 versehen und ist in einem Bügel 188 um eine Vertikalachse I89 des Gestells I8j5 drehbar gelagert, um ein Arbeiten der Turbine in allen Windrichtungen zu gestatten. Fluchtende Wellen I9I und sind in Buchsen I93 und 194 gelagert, die im Gestell I83 vorgesehen sind. Ein Drehgelenk 196 verbindet die Wellen, derart, daß zwischen diese eine relative Drehung mit vernachläßigbarer relativer Axialbewegung möglich ist. Die Welle I9I ist an der Verbindungsstange 186 angelenkt und die Welle I92 ist an einem Gelenk I98 angelenkt. Das Gelenk 298 ist an einem Verbindungsstück I99 schwenkbar angeordnet, das seinerseits am Hebel 54 (Pig. 1) befestigt ist. Dieser Hebel 54 arbeitet mit der Kolbenstange 32 und dem Steuerschieber 49 (Fig. 1) wie oben beschrieben zusammen. Das Verbindungsstück I99 kann axial am Hebel 54

-ZQ verschoben werden. Auf diese Weise läßt sich der Pumpenhub einstellen und zwar mit einer entsprechenden Änderung im mittleren Drehmoment der Kurbelwelle I85. Bei Verwendung mit einer Windturbine kann die axiale Einstellung des Verbindungsstückes vorteilhaft sein, um die Pumpenleistung auf die vorherrschende Windgeschwindigkeit einzustellen und auch um die Windturbine für einen leichteren Start zu entlasten.

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Der mechaniseile Antrieb 182 gemäß Fig. 8 kann auch zum Betätigen des Hebels 5^ irgendeiner mit niedriger Geschwindigkeit drehenden durch irgendeinem Antriebsmotor getriebenen Welle verwendet werden. Wenn die Orientierung der Welle in solchen Vorrichtungen feststeht, können das Drehgelenk I96 und die fluchtenden Wellen 191* 19² weggelassen und durch eine einzige Verbindungswelle ersetzt werden. In manchen Anlagen kann es zweckmäßig sein, die Verbindungsstange I86 direkt am Verbindungsstück 199 ohne Zwischengelenk anzuschließen.

Eine weitere Ausfuhrungsform einer Mehrfach-Zylinderanordnung 201 ist in Fig. 9 gezeigt. Hier ist eine erste Pumpe 203 mit einer Kolbenstange 205 und ein erstes Ventil 204 mit einer Ventilbetätigung 206 vorgesehen. Die Ventilbetätigung 206 kann ein äußerer Abschnitt des Steuerschiebers oder irgendein äquivalentes Bauteil sein, um das Dreiwege-Richtventil zu schalten.

Ferner weist die Mehrfach-Zylinderanordnung 201 noch eine zweite ähnliche Pumpe 208 mit einer Kolbenstange 210 und ein zweites Ventil 209 mit einer Ventilbetätigung 211 auf. Die Pumpenzylinder und die ersten Ventile stehen einander unmittelbar gegenüber, um Seitenbelastungen an den Kolbenstangen 205 und 210 der beiden Pumpen 203 und 208 werden durch ein Verbindungsglied 213 ausgerichtet und miteinander verbunden. Die Ventilbetätigungen 206 und 211 der ersten Ventile 204 und 209 der beiden Pumpen 203 und 208 sind miteinander durch eine Schubstange 214 verbunden. Ein Hebel 216 dient als Antrieb für beide Pumpen 23 und 208 und ist am Verbindungsglied 213 der Kolbenstangen 205 und 210 und an der Schubstange 214 angelenkt. Beim Hin- und Herbewegen des Hebels 216 werden die Kolben beider Pumpen gleichzeitig aber in umgekehrter Phase betätigt. Die ersten

■jQ Ventile beider Pumpen werden kurz nach Umkehrung des Kolbenhubes ebenfalls im wesentlichen gleichzeitig betätigt.

Ein Vorrat an Speiseflüßigkeit 218 kommuniziert mit Einlaßleitungen 219 und 220 der ersten und zweiten Pumpe und ein her-

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kömmlicher unabhängiger Überspannungsableiter bzw. Druckabsorber 222 kommuniziert mit Auslaßleitungen 223 und 224, die von den beiden Pumpen ausgehen. Ein unabhängiger herkömmlicher Überspannungsableiter 226 für das Konzentrat ist mit Rücklaufleitungen 227 und 228 verbunden,, die an die ersten Ventile und 209 der beiden Pumpen angeschloßen sind. Abzugsleitungen 230. und 231 führen von den ersten Ventilen 204 und 209 weg, um Konzentratflüßigkeitsfraktionen zu entleeren. Ein Membrankessel 234 und ein Hochdruckfilter 235 in der Leitung 236 sind mit der Rücklaufleitung 228 und den Auslaßleitungen verbunden. Wenn zwei oder mehr Pumpenzylinder gleichmäßig im Abstand voneinander angeordnet sind, werden Schwankungen des Speiseflüßigkeitsstromes quer über die Membrananordnung verringert, wodurch eine Verringerung der Verdrängung des Differentialdruckabsorbers

•je oder die Verwendung herkömmlicher Akkumulatoren möglich ist, wie oben beschrieben.

Im Betrieb fördern die Pumpenkammer .und Entspannungskammer der ersten Pumpe (nicht dargestellt) Flüßigkeit zu der Membrananordnung bzw. erhalten Flüßigkeit aus der Membrananordnung, während die Pumpenkammer und Entspannungskammer der zweiten Pumpe Speiseflüßigkeit aus dem Flußigkeitsvorrat fördert bzw. Konzentratflüßigkeit ausstößt, so daß Änderungen des Flüßigkeitsstromes quer über die Membrane verringert werden.

Auf diese Weise dient die Anordnung zweier Zylinder mit herkömmlichen Akkumulatoren dazu, einen im wesentlichen gleichmäßigen Druck und Speiseflüßigkeitsstrom quer über die Membrane sicherzustellen. So können Mehrfachpumpen kombiniert mit Akkumulatoren als Äquivalente zu dem Differentialdruckabsorber gemäß Fig. 1 angesehen werden. Die Überspannungsableiter können •zQ federgespannte Kolben oder Membrane sein, wie es für die Differentialabsorber gezeigt wurde, oder es können andere bekannte Ableiter verwendet werden, so beispielsweise pneumatische Blasenakkumulatoren oder gewichtsabhängige Kolbenakkumulatoren.

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. ko-

Eines der ersten Ventile kann weggelassen werden, indem in einem Ventil ein Steuerschieber kombiniert wird, der die Funktion eines Vierwege-Ventils ausübt, um entsprechende Kammern einer Pumpe zu öffnen, während die anderen Kammern der übrigen Pumpen geschloßen sind. Auch andere Variationen sind möglich, so beispielsweise mechanische Betätigung der Rückschlagventile in den Einlaß- und Auslaßleitungen.

Eine weitere Abänderung ist möglich, wenn zwei oder mehr Pumpen gleich weit voneinander angeordnet werden. Ein Teil der oder die gesamte Energie, die zur Betätigung der Pumpe erforderlich ist, kann dadurch erzeugt werden, daß die Speiseflüßigkeit durch eine relativ schwache äußere Förderpumpe unter einen Druck gesetzt wird, der unter dem Arbeitsdruck der Membran liegt. Eine Förderpumpe 2j58 ist gestrichelt in der Einlaßleitung angeln deutet, die vom Speiseflußigkeitsvorrat 218 ausgeht. Die Förderpumpe 2^8 setzt die Einlaßleitungen 219 und 220 unter Druck. Wenn die Speiseflüßigkeit vor Eintritt in die Pumpe einen ausreichend hohen Druck hat, muß keine weitere mechanische Energie aufgebracht werden, um das System entweder durch Hebel oder Kurbeln zu treiben. Der Hebel 216 gemäß Fig. 9 würde dann nur zur Zeitregelung des Ventils dienen.

Im wesentlichen arbeitet die Vorrichtung wie folgt:

In einer ersten Stellung des ersten Ventils wird unter Druck stehende Speiseflüßigkeit aus der Pumpenkammer zu den Membranen befördert, während Konzentratflüßigkeit durch das erste Ventil in die Entspannungskammer gelangt. Entspannung der aus der Entspannungskammer rückfließenden Konzentratflüßigkeit unterstützt dabei das Unterdrucksetzen der Speiseflüßigkeit. In der zweiten Stellung des ersten Ventils wird entspannte Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer durch das erste Ventil entleert, während Speiseflüßigkeit durch die zweite Ventilanordnung in die Pumpenkammer gelangt.

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Leerseite

Claims

1, Vorrichtung zur Durchführung umgekehrter Osmose mit semipermeablen Membranen oder Trennwänden zur Trennung einer Speiseflüßigkeit in eine durch die Membran oder Trennwand wandernde Flüßigkeitsfraktion und eine abgewiesene Konzentratsflüßigkeitsfraktion,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kolbenpumpe (12; I36; l8l; 2Gl) aus einem Zylinder (24j 105; 150) und darin gleitendem Kolben (25; 105; 15²I-; I68) vorgesehen ist, der Kolben den Zylinder in eine Pumpenkammer (27; 109; 157), in der die Speiseflüßigkeit unter Druck gesetzt wird, und in eine Entspannungskammer (28; 111; I56), in der die Konzentratflüßigkeit entspannt wird, teilt und die beiden Kammern gegeneinander abdichtet, der Kolben (25; 105; 15-4·; 168) eine Kolbenstange (32; ΙΟβ; 146; I68) aufweist, die durch die Entspannungskammer (28; 111; I56) geführt und zur Verhütung von Leckverlusten aus dem Zylinder durch entsprechende Dichtungen (33) abgedichtet ist, die Kolbenpumpe (12; I36; 181; 201) mit einem Antrieb (14; I37; I85; 216) verbunden ist, in die Pumpenkammer (27; 209; 157) eine Einlaßleitung (36) für Speiseflüßigkeit mündet und

die Pumpenkammer durch eine Auslaßleitung (39) mit den in einem Kessel oder Behälter (l6) eingesetzten semipermeablen Membranen oder Trennwänden (I7) verbunden ist,

aus dem Membrankessel (l6) eine Rücklaufleitung (44) zum Befördern von Konzentratflüßigkeit. in die Entspannungskammer (28; 111; I56) führt,

den Membranen (I7) ein Druckregler oder Überspannungsableiter (15; 118; 208) zur Sicherung eines im wesentlichen gleichmäßigen Druckes und einer gleichmäßigen Speiseflüßigkeitsströmung quer über die Membrane zugeordnet ist, erste Ventile (13; 81; 152; 204; I09) und zweite Ventilanordnungen (37; 4o) vorgesehen sind, wobei das erste Ventil der Entspannungskammer (28; 111; I56) zugeordnet ist und mechanisch mit der Kolbenpumpe (12; I36; l8l;20l) verbunden und entsprechend der Pumpenbewegung zwischen einer ersten und zweiten

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ORIGINAL INSPECTED

Stellung über eine mittige Schließstellung verschiebbar ist, die zweite Ventilanordnung (37; ²J-O) ein Rückschlagventil und der Pumpenkammer (27; 109; 157) zugeordnet ist und sowohl das erste Ventil als auch die zweite Ventilanordnung mit der Einlaß- und Auslaßleitung zusammenwirken, und ferner eine Einrichtung (49; 54; 57; 108; 1β1; 1β7) zur Verzögerung der Pumpenbewegung mit der Kolbenpumpe (12; I36;181; 201) verbunden und so ausgelegt ist, daß das erste Ventil während eines Intervalls der Nullverdrängung in der Entspannungskainmer betätigt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine mechanische Gelenkverbindung (14; 57) zwischen dem ersten Ventil (13) und der Kolbenpumpe (12) ist und mit diesen so zusammenwirkt, daß

das erste Ventil (13) auf die der Kolbenpumpe (12) mitgeteilten Kraft anspricht und diese zum Teil durch das Ventil rückwirkt, und daß die Einrichtung (I5) zur Verzögerung durch eine auf den Kolben (25) wirkende hydraulische Vorspannung gekennzeichnet ist, die eine leichte Bewegung des Kolbens (25) in einer Richtung gestattet, die durch die Stellung des ersten Ventils bestimmt ist, derart, daß die Umkehr der der Kolbenpumpe (12) mitgeteilten Kraft das erste Ventil (I3) vor der Umkehrung des Kolbens zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (I5) zur Verzögerung der Bewegung des ersten Ventils (I3) zwischen der Kolbenpumpe (12) und dem ersten Ventil (13) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verzögerung der Bewegung der Ventilanordnung aus einem nachgiebigen Bauteil (I08; I6l; I76) besteht, das dem Kolben (154; I68) und der Kolbenstange (I06; 146; I69) zugeordnet und so ausgelegt ist, daß nach Umkehr der Pumpenarbeit eine relative Axialbewegung zwischen einem Teil des Kolbens und der Kolbenstange effolgt, wodurch vor Verdrängung von Plüßigkeit

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aus der Entspannungskammer (28j 111; I56) die Kolbenstange eine Hubbewegung beginnt, wobei Flüßigkeitsdrucke quer über den gerade einzuschaltenden Leitungen durch das erste Ventil im wesentlichen ausgeglichen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (146) mit einem Paar im Abstand angeordneten Anschlägen (I59., 160) versehen ist und der Kolben (154) eine Scheibe (l6l) mit einer Bohrung (162) aufweist, durch die die Kolbenstange (146) mit Gleitsitz durchgesteckt ist, die Scheibe (l6l) zwischen den Anschlägen (159, I60) eingesetzt und ihre Dicke so gewählt ist, daß eine relative Axialgleitbewegung zwischen der Scheibe (Ιοί) und der Kolbenstange (146) möglieh und durch die Anschläge (159, 16O) begrenzt ist, wobei der Kolbenhub kleiner ist als der Kolbenstangenhub.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur zeitlichen Verzögerung aus einer biegsamen Membran, einem Blasebalg oder einer Druckdose (I08) besteht, die an der Kolbenstange (I06) angeordnet ist und die Pumpenkammer (I09) von der Entspannungskammer (111) trennt und dabei die Biegsamkeit der Membran, des Blasebalges oder der Druckdose (I08) eine Bewegung der Kolbenstange (I06) ohne Flüßigkeitsverdrängung in der Entspannungskammer (111) gestattet und dabei im wesentlichen die Flüßigkeitsdrucke quer über den durch da& erste "Ventil zu öffnenden Leitungen ausgleicht.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Bauteil der Einrichtung zur zeitlichen Verzögerung der Bewegung des ersten Ventils eine an der Kolbenstange (I69) angeordnete federnd nachgiebige Scheibe (I76) ist, deren Außenumfang (I79) in dichtendem Gleitsitz die Innenwand des Pumpenzylinders (150) berührt und die Nachgiebigkeit der Scheibe (I76) bei Umkehr des Kolbenhubes eine Bewegung der Kolbenstange (I69) in Bezug auf den Kolben (168) mit vernachläßigbarer Gleitbewegung der Scheibe (I76) an der Zylinderwand gestattet.

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• 4-8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Gelenkverbindung aus einem Hebel (54) besteht, der mit der Kolbenstange (32) und dem ersten Ventil (13) derart verbunden ist, daß bei Umkehr der Hebelbewegung, das Ventil (13) zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung verschiebbar ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Gelenkverbindung ferner ein Gelenk (57) aufweist, das den Hebel (54) mit einem Steuerschieber (49) des ersten Ventils (13) verbindet und der Hebel (54) an der Kolbenstange (32) so angelenkt ist, daß bei Umkehr der Hebelbewegung die Kolbenstange (32) einen Drehpunkt für den Hebel zum Betätigen und Verschieben des ersten Ventils (13) zwischen zwei Stellungen bildet und daß bei Stillstand des Ventils in einer der Stellungen dieses Ventil (13) einen Drehpunkt für den Hebel (54) darstellt, um auf die Pumpe (12) Kraft zu übertragen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

mit der Pumpe (I36) verbundene Antrieb (137) und die Verzögerungseinrichtung aus einer Kurbelwelle (138) mit Kurbelzapfen oder Kröpfungen (l40, 141) besteht, die in einem Phasenwinkel im Abstand voneinander angeordnet sind und dem ersten Ventil (152) zugeordnet sind, derart, daß bei Erreichen einer der Endstellungen des Ventils der Kolbenhub umgekehrt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Pumpe (208) mit einem entsprechenden Pumpenzylinder, einer Kolbenstange (210) und einem ersten Ventil (209) vorgesehen ist und zur Schaffung einer im wesentlichen einheitlichen Speiseflüßigkeitsströraung mit dem Zylinder und dem ersten Ventil (204) der ersten Pumpe (203) zusammenwirkt, die Kolbenstange (205) der ersten Pumpe (203) mit der Kolbenstange (210) der zweiten Pumpe (208) durch ein Verbindungsglied (213) miteinander und die Ventilbetätigungen (206, 211) der ersten Ventile (204, 209) der beiden Pumpen (203, 208) durch eine Schubstange (214) miteinander verbunden sind, und der Antrieb der Mehrfach-Zylinder-

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anordnung aus einem Hebel (216) besteht, der sowohl an dem Verbindungsglied (213) der Kolbenstangen als auch an der Schubstange (214) der Ventilbetätigungen angelenkt ist und dadurch beide Kolbenstangen der Pumpen gleichzeitig aber im Gegensinn, und die ersten Ventile kurz nach Umkehr sdes Kolbenstangenhubes im wesentlichen gleichzeitig betätigbar sind, derart, daß eine Pumpenkammer und Entspannungskammer der ersten Pumpe Flüsigkeit zu der Membrananordnung befördert und aus dieser Flüsigkeit erhält, während die Pumpenkammer und Entspannungskammer der zweiten Pumpe Speiseflüßigkeit vom Flüßigkeitsvorrat einläßt und Konzentratflüßigkeit ausstößt, so daß Strömungsänderungen quer über den Membranen verringert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung einer gleichmäßigen Flüssigkeitsströmung quer über die Membrane ein Differentialdruckabsorber (15., H8) vorgesehen ist, der mit der Auslaß- und der Rücklaufleitung verbunden und zwischen der Membrananordnung (17) und den ersten und zweiten Ventilanordnungen eingesetzt und zum Absorbieren von Druckschwankungen ausgelegt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (24) und die Kolbenstange (32) der Pumpe (12) aufeinander abgestimmte Durchmesser aufweisen, die die Zylinder/Kolbenstangen-Verhältnisse bestimmen, so daß das Verhältnis des Hubvolumens der Kolbenstange (32) zu dem Hubvolumen des Kolbens (25) das Regenerationsverhältnis der diffundierenden Flüßigkeitsfraktion zu der gesamten Speiseflüßigkeitsstrom bestimmt, und daß der Differentialdruckabsorber einen Zylinder (65; II9) und einen Kolben (64) aufweist, der federgespannt und doppeltwirkend und mit dem Zylinder hin- und herbewegbar ist, wobei der Zylinder und die Kolbenstange (69; 121) entsprechende Proportionen wie der Zylinder und die Kolbenstange der Pumpe (12) aber eine mehrfach größere Verdrängung aufweisen.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (65; 119) des Differentialdruckabsorbers (ll8) durch den Kolben (64) in eine Ansaugkammer (66; 129) für Konzentrat und eine Ansaugkammer (67; 130) für Speiseflüßigkeit geteilt wird, wobei die Ansaugkammer für Speiseflüßigkeit der in der Auslaßleitung unter Druck befindlichen Speiseflüßigkeit und die Ansaugkammer für das Konzentrat der in der Rücklaufleitung befindlichen Konzentratflüßlgkeitsfraktion ausgesetzt ist, der Kolben (64) mit einer Kolbenstange (69; 121) arbeitet, die durch die Ansaugkammer (66; 129) für das Konzentrat geführt und durch Dichtungen (71) abgedichtet ist, und daß ferner der Kolben durch Sehraubenfedern (72j 131) federgespannt ist. ·

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialdruckabsorber (HS) aus einer biegsamen Membran einen Blasebalg oder einer Druckdose (123) besteht, die an der Kolbenstange (121) angeordnet ist und die Ansaugkammer (I30) für Speiseflüßigkeit von der Ansaugkammer (I29) trennt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventil (13; 8l; I52) ein Dreiwege-Ventil mit zwei Stellungen und einem geschloßenen Mittelstück ist, in dem ein Steuerschieber (49; 82; 148) eingesetzt ist, der zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist, die durch Anschläge (50; 51J 83, 84; 141) begrenzt sind.

17· Vorrichtung nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber als Nocken dient, der mit einem Paar normalerweise geschloßenen, Zweiwege-Kegelventilen (85* 86) zum Schließen der entsprechenden Leitungen zusammenwirkt und so ausgelegt ist, daß eines der Kegelventile vom Ventilsitz abgehoben wird, während das andere Kegelventil geschloßen bleibt.

18. Verfahren zur Durchführung einer umgekehrten Osmose durch Membrantrennung einer Speiseflüßigkeitsfraktion und eine Konzen-

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tratflüßigkeitsfraktion, in einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Einlaßhub oder Ansaugtakt des Kolbens Speiseflüßigkeit in die Pumpenkammer eingeführt und gleichzeitig Konzentratflüßigkeit aus der Entspannungskammer ausgestoßen wird,

die Richtung der auf die Pumpe aufgebrachten Kraft umgekehrt und adabei das Ventil mechanisch verschoben wird, um den Plüßigkeitsstrom zwischen die Pumpe und die Membrananordnung zurrichten, wobei das Ventil während eines' Intervalls der Nullverdrängung in der Entspannungskammer durch eine Verzögerungseinrichtung entlang einer schließenden Mittelstellung bewegt und das Ventil dadurch zeitgerecht gesteuert wird, die Speiseflüßigkeit in der Pumpenkammer durch einen Kompressionshub des Kolbens unter Druck gesetzt und dabei in den Membrankessel oder Membranbehälter gedruckt wird, aus dem die Konzentratflüßigkeitsfraktion in die Entspannungskammer befördert wird und hier durch ihren Druck den Kompressionshub des Kolbens unterstützt,

die Speiseflüßigkeit in eine diffundierende durch die Membran wandernde Flüßigkeitsfraktion und in eine von der Membran abgewiesene und aus dem Membrankessel oder -behälter in die Entspannungszone zurückgeführte Konzentratflüßigkeitsfraktion getrennt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseflüßigkeit zusätzlich durch von außen wirkende Kräfte unter Druck gesetzt wird,

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorrat an Speiseflüßigkeit unter einem ausreichenden Druck gelagert und dadurch während der Umkehr des Kolbenhubes eine entsprechende Strömung über die Membrananordnung aufrechterhalten wird, so daß ein im wesentlichen einheitlicher Druck aund eine einheitliche Strömung der Speiseflüßigkeit quer über die Membrane beibehalten wird und Konzentratpolarisierungseffekte verringert werden.

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21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine federnd nachgiebige Einlage Kolben und Kolbenstange in Bezug zueinander gleitend bewegt werden und während dieses VerzögerungsIntervalls der Arbeitsablauf umgekehrt wird.

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