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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur teil-
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weisen Trennung flüssiger Lösungen nach dem Prinzip der Umkehrosmose
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Die DE-OS 2708311 zeigt eine
Vorrichtung zur Reinigung von Wasser oder anderen Medien, vorzugsweise zur Reinigung
von Seewasser um Frisch- oder Trinkwasser zu erhalten. Mittels einer Kolbenpumpe
wird Seewasser, gegebenenfalls über Filtereinrichtungen, unmittelbar aus dem Meer
angesaugt. Das See wasser gelangt über die Ansaugleitung und das Ansaug-Rückschlagventil
in eine erste Kammer der Pumpe, die zur Druckerzeugung dient. Der Querschnitt der
zweiten Kammer, welche als Konzentratspeicher dient, ist um den Querschnitt der
Kolbenstange kleiner als der der ersten. Nach dem hnsaughub wird während des Druckerzeugungshubes
das Seewasser aus der ersten Pumpenkammer über eine erste Zwischenleitung und ein
Rückschlagventil in die eine semipermeable Membran enthaltende druckfeste Membrankammer
gepreßt.
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Der in der Membrankammer erzeugte Druck muß über dem Osmotischen Druck
liegen, damit Flüssigkeit durch die semipermeable Membran hindurchtreten kann. Die
hindurchgetretene und gereinigte Flüssigkeit, das Permeat, wird in einem besonderen
Gefäß aufgefangen. Das Konzentrat, d.h. das vor der Membranverbleibende Ila,sser,
verläßt die Membran über eine zweite Zwischenleitung, die die Membrankammer mit
der zweiten Kammer der Pumpe verbindet,
und welche ein steuerbares Durchlaßventil enthält Dieses Durchlaßventil
ist
nur während des Druckerzeugungshubes geöffnet.
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Während des folgenden Ansaughubes ist das Durchlaßventil geschlossen
und das in der zweiten Kammer der Pumpe vorhandene Konzentrat wird durch eine Austrittsöffnung
aus der Kammer durch die Kolbenbewegung verdrängt. An die Austrittsöffnung ist eine
angeschlossen, die ein steuerbares Auslaßventil enthält.
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Eine besondere Druckregulierung ist bei dieser bekannten Vorrichtung
nicht erforderlich. Der Druck in der Membrankammer ist abhängig von den Querschnittsflächen
in den beiden Kammern der Pumpe. Die Pumpe wird bei dieser bekannten Vorrichtung
von einem Motor angetrieben.
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Es ist außerdem aus der DE-AS 2442741 bekannt, daß das Ventil in der
zweiten Zwischenleitung zwischen der Membrankammer und der zweiten Kammer der Pumpe
unmittelbar von dem Ventil in der ersten Zwischenleitung, die die erste Pumpenkammer
mit der Membrankammer verbindet, beeinflußt wird, beispielsweise sind beide Ventile
mechanisch miteinander verbunden. Auch hier muß der Kolben von einem Motor oder
derglnichen angetrieben werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein möglichst einfaches
Ventil system zu schaffen, das sowohl bei einstufiger als auch bei mehrstufiger
Ausführung anwendbar sein sollo Dies bedingt, daß die Zahl der gesteuerten Ventile
möglichst gering ist. Auch die Gesamtzahl der Ventile soll möglichst gering gehalten
werden. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst. Durch die verschiedenen
Möglichkeiten der Anordnung der Rückschlagventile in den Zwischenleitungen zwischen
Membrankammer
und den Pumpenkammern kann die Erfindung bei unters=hiedlichen
Forderungen vorteilhaft eingesetzt werden. Wenn ein Rückströmen des Permeats in
geringem Umfang zur Reinigung der Membran gewünscht wird, wird das Rückschiagventil
nur in der zweiten Verbindungsleitung vorgesehen. Ist es dagegen wichtiger, einen
höheren als den Ansaugdruck in der Membrankammer aufrecht-zuerhalten, ist es zweokmäßiger,
in der ersten bzw0 in beiden Verbindungsleitungen Rückschlagventile vorzusehen.
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Bei Mehrstufigen Ausführungen kann ebenfalls durch die jeweils gewählte
Ventilanordnung verschiedenen Forderungen entsprochen werden. Es ist z. B. möglich,
daß in den beiden Membrankammern einer zweistufigen Vorrichtung unterschiedliche
Drücke herrschen sollen.
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Die Figuren zeigen schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Das in Figl 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht
im wesentlichen aus der Pumpe (1), der Membrankammer (2) - auch als Modul bezeichnet
- und Verbindungsleitungen mit Ventilen.
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Wenn der Kolben (3) mit der Kolbenstange (4) in Richtung des Pfeiles
(5) bewegt wird, wird über die Ansaugleitung (6) frische Lösung angesaugt. Das in
der Ansaugleitung (6) angeordnete Ansaugventil (7) öffnet während des Ansaugens.
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Gleichzeit wird in der Membrankammer (2) der Druck abgesenkt, da;
die erste Kammer (9) - die eigentliche Pumpkammer - der Pumpe (1) über die Leitung
(10) mit der Membrankammer verbunden ist, und eine geringe Menge der gereinigten
Flüssigkeit
kann durch die semipermeable Membran (8) zurückströmen, sodaß auf der Membran sich
bildende Ablagerungen wieder gelöst werden.
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Über eine an sich bekannte mechanische Kupplung zwischen der Kolbenstange
(4) und dem Auslaßventil (11) wird dieses Auslaßventil während des Ansaughubes geöffnet
und das in der zweiten Pumpenkammer (12) - welche die Funktion eines Konzentratspeichers
hat - befindliche Konzentrat kann über die Auslaßleitung (13) und das Auslaßventil
(11) aus der Austrittsöffnung (14) austreten. Die Leitung (15) zwischen der Membrankammer
(2) und der Konzentratspeicherkammer (12) ist durch das in der Leitung (15) angeordnete
Rückschlagventil (16) abgesperrt.
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Während des folgenden Drucberzeugungshubes wird die Kolbenstange 4
und damit der Kolben (3) in Richtung des Pfeiles (17) bewegt. In der Pumpkammer
(9) und in der Membrankammer (2) wird ein Druck erzeugt, der über dem osmotischen
Druck liegt. Über das Rückschlagventil (16) wird das Konzentrat aus der Membrankammer
(2) in die Konzentratspeicherkammer (12) gefördert. Da das Auslaßventil (13) geschlossen
ist, herrscht in der Konzentratspeicherkammer (12) der gleiche Druck wie in der
Membrankammer (2). Daher muß für die Bewegung des Kolbens (3) nur die Kraft aufgewendet
werden, die sich aus der Multiplikation der Querschnittsfläche der Kolbenstange
(4) und dem Flüssigkeitsdruck ergibt.
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Die durch die Membran (8) hindurchgetretene und somit gereinigte Flüssigkeit
- das Permeat - kann aus der Öffnung (18) austreten und in geeigneter Weise aufgefangen
werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn der Druckerzeugungshub langsamer als der Ansaughub
abläuft.
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Fig. 2 zeigt eine Variante der Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform
ist das Auslaßventil (13) in der Fig. 1 in die Pumpe (21) integriert und stellt
eine besonders einfache Kopplung des Kolbens mit dem Ventil dar. Der Kolben (22)
ist hier hülsenförmig ausgebildet und kann sich auf der Kolbenstange (23) und gegenüber
dieser um eine bestimmte Strecke verschieben.
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Beim Ansaughub bewegen sich Kolbenstange (23) und Kolben (22) in Richtung
des Pfeiles (5).Das Rückschlagventil (16) ist geschlossen und das Konzentrat in
der Konzentratspeicherkammer (12) gelangt über die Leitung (24) in das Innere des
Kolbens (22) und kann über die in der Kolbenstange (23) vorgesehene Austrittsleitung
(25) ausfließen.
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Bei dem in umgekehrter Richtung erfolgenden Druckerzeugungshub sperrt
die auf der Fläche (26) des Kolbens (22) aufliegende Kante (27) der Kolbenstange
(23) die Verbindung zwischen der Leitung (24) und der Austrittsleitung (25).
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Der übrige Ablauf entspricht dem Ablauf der Anordnung nach Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine andere Variante der Fig. 1. Das Rückschlagventil
(16) der Fig. 1 in der Leitung (15) zwischen der Membrankammer (2) und der Konzentratspeicherkammer
(12) ist weggefallenund durch ein Rückschlagventil (30) in der Leitung (10) zwischen
der Pumpkammer (9) und der
Membrankammer (2) ersetzt worden. Infolge
der Anordnung dieses Ventils (30) in der Leitung (ao) wird während des Ansaughubes
der zum Ansaugen erforderliche Unterdruck nicht auS die Membrankammer (2) übertragen.
Da jedoch die Konzentratspeicherkammer (12) über das Auslaßventil (13) mit dem Außendruck
verbunden ist, sinkt auch der Druck in der Membrankammer auf diesen Wert ab, wobei
es Ebenfalls zum Rückströmen von Permeat kommt, jedoch in geringerem Maße.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist sowohl in der Leitung
(10) zwischen der Pumpkammer (9) und der Membrankammer (2) als auch in der Leitung
(15) zwischen der Konzentratspeicherkammer (12) und der Membrqnkammer (2) je ein
Ventil (16) bzw. (30) vorgesehen. Bei dieser Aus führungsform bleibt in der Membrankammer
(2) ein Druck noch bestehen, der unter dem Öffnungsdruck für das Rückschlagventil
(16) liegt.
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Bei beiden Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 kann aus der Membrankammer
(2) während des Ansaughubes keine Flüssigkeit in die Pumpkammer (9) zurückströmen.
Eiermit ist verbunden, daß ein Reinigungseffekt durch Rücke strömen von Permeat
nicht in dem Umfang auftritt wie bei Ausführungsformen gem. Fig. lund 2. Je nach
dem gewünschten Effekt kann die jeweils zweckmäßigste Ausführungsform gewählt werden.
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Das in dem Kolben integrierte Auslaßventil (20) gem. Fig.4 kann auch
in Fig. 3 angewandt werden. Ebenso läßt sich auch das in Fig.3 gezeigte getrennte
Ventil (13) bei Fig.4 verwenden.
Fig. ) zeigt eine Ausführungsform
des in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Der Kolben (22) in
Fig. 2 ist hier durch eine Membran (31) ergänzt worden, sodaß sich eine Kombination
aus Membranpumpe und Kolben pumpe ergibt. Die Reibungsverluste bei Membranpumpen
sind wesentlich geringer als bei reinen Kolbenpumpen. Ehenso wie die Membran hier
lediglich die gleitende Abdichtung der beiden Pumpenkammern untereinander ersetzt,
ist es möglich, auch die gleitende Abdichtung der Kolbenstange durch eine - kleinere
- Membran zu ersetzen (nicht dargestellt).
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Fig. 6 zeigt eine doppeltstufige Ausführungsform. Die beiden Kolben
(40 und 42) sind durch eine Verbindungsstange (43) miteinander verbunden. Der erste
Kolben (40) ist mit der Kolbenstange (41) verbunden, die in Richtung des Pfeiles
(44) während des Ansaughubes und während des Druckerzeugungshubes in Richtung des
Pfeiles (45) angetrieben bswo bewegt wird.
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Während des Ansaughubes wird über die Ansaugleitung (46) und das knsauEFventil
(47) Flüssigkeit in die Pumpkammer (48) angesaugt. Gleichzeitig wird in geringer
Menge über die Leitung (49) Flüssigkeit aus der Membrankammer (50) angesaugt. Hiermit
ist verbunden, daß Permeat durch die Membran (51) zurüokfließt, sodaß der bei Fig.
1 bereits erwähnte Reinigungseffekt auftritt. Das während des Druck~ erzeugungshubes
austretende Permeat gelangt über die Leitung (52) zu einem Vorratsbehälter (53).
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Weiterhin kann während des Ansaughubes das in der Konzentratspeicherkarniner
(54)
befindliche Konzentrat über die Leitung (55) und das geöffnete Auslaßventil (56)
ausfließen.
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Wie bereits bei Fig. 1 erwähnt, wird das Ventil (56) von der Kolbenstange
(41) gesteuert.
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In der zweiten Stufe laufen während des Antaughubes ähnliche Vorgänge
ab: Der Kolben (42) saugt aus dem Vorratsbehälter (53)über die Leitung (57) und
das Rückschlagventil (58) die in der ersten Stufe gereinigte Flüssigkeit in die
Pumpkammer (59) der zweiten Stufe. Gleichzeitig sinkt der Druck in der zweiten Membrankammer
(60) auf den Ansaugdruck ab, sodaß auch hier ein Reinigungseffekt der Membran (61)
durch das zurückfließende Permeat eintritt.
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Aus der zweiten Konzentratspeicherkammer (63) wird das Konzentrat
über die Leitung (64) und das Auslaßventil (56) abgelassen.
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Während des Druckerzeugungshubes werden die Kolben (40) und (42) in
Richtung des Pfeiles (45) bewegt. Die Flüssig-59 keiten in den beiden Pumpkammern
(48) und (#) erden über die Leitungen (49) und (65) in die erste und zweite Membrankammer
(50) und (60) gepreßt. Solange der Druck höher als der osmotische Druck ist, tritt
Flüssigkeit durch die Membranen (51) und (61). Die durch die Membraan (51) hindurchgetretend
Flüssigkeit wird im Vorratsbehälter (53) gespeichert bis zum nächsten Ansaughub.
Die durch die Membran (61) hindurchgetretene Flüssigkeit knn durch die Auslaßleitung
(62) aus dem Gerät austreten.
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Gleichzeitig tritt über die Rückschlagventile (66) und (67) Konzentrat
aus den Membrankammern (50) und (60) in die beiden Konzentratspeicherkammern (54)
und (63).
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Aus diesen wird das Konzentrat beim nächsten ansaughub nach außen
gedrückt. Der Druck in beiden Meibrankammern (50) und (60) kann sich während des
Druckerzeugungahubes untereinander in verschiedener Höhe einstellen.
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Fig. 7 zeigt ebenfalls eine zweistufige Ausführungsform, bei der in
den Membrankammern (50) und (60) der gleiche Druck herrscht. Der Aufbau der ersten
Stufe entspricht dem der ersten Stufe in Fig. 6 mit der Ausnahme, daß der Auslaß
für das Permeat nicht mit einem Vorratsbehälter sondern über eine Leitung (70) und
ein Rückschlagventil (71) mit einer Pumpenkammer (76) verbunden ist, welche die
Funktion eines Permeatspeichers hat. Diese Perneatspeicherkammer (76) ist über die
Leitung (72) und ein Rückschlagventil (73) mit der im Querschnitt gleichen Pumpkammer
(59) verbunden, von der zur Gleichhaltung des Querschnittes eine Kolbenverlängerungastange
(95) nach außen geführt ist0 Das Konzentrat verläßt die zweite Membrankammer (60)
über die Leitung (74), das Ventil (66) in die auch das Konzentrat der ersten Stufe
aufnehmende Konzentratspeicherkammer (54) und wird von hier aus über die Leitung
(55) und das Auslaßventil (56) abgeführt.
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Fig. 8 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 7, jedoch wird
bei dieser zweistufigen Ausführung eine Pumpe mit drei Kolben (40), (75) und (42)
verwendet. Die Flüssigkeit wird wieder über die Leitung (46) und das Ventil (47)
in die Pumpkammer (48) der ersten Stufe angesaugt.
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Die in der ersten Stufe gereinigte Flüssigkeit wird während
des
Druckerzeugungshubes in der Permeatspeicherkammer (76) gespeichert und gelangt von
hier aus beim nächsten Ansaughub über die #eitung (77) mnd das Ventil (73) in die
Pumpkammer (59) der zweiten Stufe. Die Pumpenkammer (78) ist ungenutzt und über
die Leitung (79) entlüftet. Außerdem wird über die Leitung (55) und (80) und die
Ventile (60) und (81) Konzentrat aus den Konzentratspeicherkammern (54) und (63)
sowie über das Auslaßventil (56) nach außen gepreßt.
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Beim Druckerzeugungshub gelangen die Flüssigkeiten aus den Pumpkammern
(48) und (59) in die Membrankammern (50) und (60). Gleichzeitig gelangt die in der
ersten Stufe gereinigte Flüssigkeit über die Leitung (70) und das Ventil (71) in
die Permeatspeicherkammer (76). Der Vorteil dieser Lösung ist die Einhaltung unterschiedlicher
Drücke bei gleichzeitiger Mengensteuerung des Permeats der ersten Stufe ähnlich
der in Fig. 7 gezeigten Ausführung.
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Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform des in Fig. 8 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles. Abweichend von der schematischen Darstellung in Fig. 8 ist,
daß in Fig. 9 die Auslaßventile (86) und (90) und die Auslaßleitungen (87), (88),
(89), (90) und (91) in der Verbindungsstange und den Kolben (40) und (42) integriert
sind. Daher kann sich die folgende Beschreibung auf diese Unterschiede beschränken.
Die Teile (4##, (42) und (75), untereinander starr verbunden, sind auf der Betätigungsstange
(41) verschiebbar gelagert. Die Konzentratspeicherkammer (54) ist
über
die Leitung (83), das Ventil (86) und die Leitung (87) mit der Austrittsöffnung
(88) verbunden. Die zweite Konzentratspeicherkammer (63) ist über die Leitung (89),
das Ventil (90) und die Leitungen (91) und (87) ebenfalls mit der Austrittsöffnung
(88) verbunden.
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Aus Fig. 9 ist auch eine Möglichkeit der Betätigung des Gerätes zu
erkennen. Der Winkelhebel (92) ist in dem Gelenk (93) drehbar gelagert. Bei Betätigen
dieses Winkelhebels führt die Betätigunggstange (41) eine axiale Bewegung aus.
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Fig. 10 zeigt eine Variante der Fig. 9. Die Leitung (94) wird nicht
durch ein besonderes Ventil (90) abgesperrt wie in Fig. 8 sondern durch das Ventil
(86), das auch die Leitung (85) absperrt. Bei dieser Lösung sind die Drücke in beiden
Membrankammern gleich, weil die Membrankammern über die Leitungen (85) und (94)
in ständiger Verbindung stehen.
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L e e r s e i t e