DE3141033A1

DE3141033A1 - Fluessigkeitsfoerdersystem mit energierueckgewinnungseinrichtung

Info

Publication number: DE3141033A1
Application number: DE19813141033
Authority: DE
Inventors: Gerry B. 94025 Menlo Park Calif. Andeen
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1980-10-20
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1982-06-09
Also published as: IT8149509A0; GB2088968B; US4637783A; AU7658381A; IE52001B1; AU548580B2; IE812318L; JPS5794306A; CA1164308A; IT1142902B; FR2492470A1; JPH049575B2; GR75056B; EG15082A; FR2492470B1; GB2088968A

Description

3 U ίΟ 3

DipL-Ghem. Dr.

Dipl.-Ing. Hans-Petei¹ Gauge?

Luclle-Srahn-Str. 38 - P 80Q0 MQnctien 89

SRI International

Menlo Park, CA

Flüssigkeitsfördersystem mit Energierückgewinnungseinrichtung

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Flüssigkeitsfördersystem mit Energierückgewinnungs-

Einrichtung

Umgekehrte Osmose-Systeme werden seit langem für die Aufbereitung von Wasser aus salzverseuchten Brunnen, die Reinigung von Industrieabwässern u. dgl. eingesetzt, wobei Salzkonzentrationen von weniger als 5000 ppm vorhanden sind. Wegen der geringen auftretenden Konzentrationen ist auch der erforderliche Druck niedrig, er liegt im Bereich von 13,8-20,6 bar; und die Rückgewinnung (d. h. der Prozentsatz geförderter Sole, der in Frischwasser umgewandelt wird) ist hoch, er liegt im Bereich von 90-95 %; dabei wird nur eine geringe Menge konzentrierter Sole benötigt, um die als Rückstand an der umgekehrten Osmose-Membran verbleibenden Salze mitzunehmen.

Selbstverständlich ist die Meerwasserentsalzung durch umgekehrte Osmose bekannt, wobei Frischwasser aus Meerwasser gewonnen wird, dessen Salzkonzentration im Bereich von ca. 35 000-4-0 000 ppm liegt. Dabei liegt der erforderliche Druck im Bereich von ca. 55-69 bar, und die Gewinnung beträgt nicht mehr als ca. 30 %, bevor die Konzentration der Sole die Löslichkeitspegel einiger ihrer Bestandteile übersteigt. Bei einer Gewinnung von 30 % ist eine gewisse Aufbereitung des Meerwassers erforderlich; dabei repräsentiert

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die Größe 30 % einen frei gewählten Ausgleich zwischen den Aufbereitungskosten und den derzeitigen Förderkosten. Die Ableitung von 70 % der Hochdrucksole aus der umgekehrten Osmose-Anlage stellt einen erheblichen Energieverlust dar und erfordert hohe Investitionen für die Pumpausrüstung

Es sind bereits Energierückgewinnungs-Einrichtung für die Rückgewinnung von Energie aus der verbrauchten Hochdrucksole von umgekehrten Osmose-Systemen bekannt (vgl. z. B. die US-PS 3 825 122? die DE-PS 2 812 761; einen Artikel "Development of Flow Work Exchangers for Energy Recovery in Reverse Osmosis Plants" in "Research and Development Progress Report Nr. 680, April 1971, von Gilbert u. a., US Government Printing Office Stock No. 2^00-0633; bei der National Water Supply Improvement Association Conference, 3uli 1980, wurde von M.R. Mattson und E.P. Easton, Jr. ein Bericht mit dem Titel "Office of Water Research and Technology Research Program on Energy Recovery Systems" präsentiert). Bei bekannten Einrichtungen können die Pumpen, die durch die verbrauchte Sole aus dem umgekehrten Osmose-System betrieben werden, nicht mit einem ausreichend hohen Förderdruck arbeiten, um Frischsole dem System zuzuführen; es ist dabei der Einsatz einer zusätzlichen Hilfspumpe erforderlich, was natürlich die Investititions- und Unterhaltungskosten solcher Systeme erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Einrichtung sowie eines Verfahrens für die Energierückgewinnung aus unter Druck aus einem Betriebssystem abgegebener Flüssigkeit, wobei diese Energie zur Zuführung von Speiseflüssigkeit zu dem System genutzt wird; dabei ist die Einrichtung besonders brauchbar für die Förderung von Frischsole mit hohem Druck zum Einlaß eines mit umgekehrter Osmose

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arbeitenden Entsalzungssystems, wobei verbrauchte Sole aus dem System als Treibflüssigkeit für den Betrieb von Hochdruckpumpen genutzt wird; die Einrichtung ist dabei ferner von sehr einfacher Konstruktion und ist an bereits bestehende, mit umgekehrter Osmose arbeitende Entsalzungsanlagen unterschiedlicher Kapazität in einfacher Weise anpaßbar; sie kann so betrieben werden, daß der Wirkungsgrad und/oder die Leistungsfähigkeit der Anlage erhöht werden.

Die Aufgabe wird mit der Einrichtung nach der Erfindung gelöst durch Verwendung von mehreren geschlossenen Zylindern, in denen jeweils ein Kolben hin- und hergeht. Die Kolben sind mittels Kolbenstangen für eine gleichzeitige Bewegung miteinander verbunden. Die entgegengesetzten Endflächen der Kolben haben unterschiedlich große Wirkflächen, so daß sich beim Fördern von Frischsoie zu einem umgekehrten Osmose-System mit Hilfe verbrauchter Sole aus dem System eine Druckerhöhung ergibt. Verbrauchte Sole wird sequentiell durch geeignete Ventile den großen Kolbenflächenseiten der Zylinder zugeführt zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung der miteinander verbundenen Kolben. Gleichzeitig wird Frischsole an den entgegengesetzten Zylinderenden sequentiell zum Einlaß des umgekehrten Osmose-Systems gefördert, um die von der Hauptpumpe zugeführte Frischsolemenge zu vergrößern. Während des Kolbenrückhubs wird verbrauchte Sole aus dem einen Ende des zugehörigen Zylinders abgeleitet, und Frischsole aus einer entsprechenden Frischsole-Vorratseinheit wird dem anderen Zylinderende zugeführt.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines umgekehrten Osmose-Systems mit der neuen Energierückgewiηnungs-Einrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche schematische Darstellung, wobei eine abgewandelte Ausführung der Energierückgewinnungs-Einrichtung gezeigt ist; und

Fig. 3 eine Grafik, die den Förderbedarf eines

typischen umgekehrten Osmose-Systems sowie Betriebscharakteristiken mit und ohne die neue Energierückgewinnungs-Einrichtung nach der Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt eine umgekehrte Osmose-Einheit 10 für die Meerwasserentsalzung, mit einem Frischsoleeinlaß 12, einem Auslaß 14 für verbrauchte Sole, und einem Frischwasserauslaß 16. Frischsole von einer Versorgungseinheit für vorbehandeltes Meerwasser (nicht gezeigt) wird dem Einlaß der umgekehrten Osmose-Einheit mittels einer Hochdruckpumpe 18 zugeführt. Wasser durchdringt semipermeable Membranen in der umgekehrten Osmose-Einheit 10 und strömt aus dem Frischwasserauslaß 16. Konzentriertes Salzwasser wird aus dem Auslaß 14· für verbrauchte Sole mit niedrigerem Drück als dem Einlaßdruck abgeführt. Z. B. beträgt der Einströmdruck der Frischsole bzw. der Ausströmdruck der verbrauchten Sole 59,25 bar bzw. 55,12 bar.

Die neue Energierückgewinnungs-Einrichtung umfaßt eine Mehrzahl von zusammengeschalteten Fluid-Motor-Pumpen-Einheiten; in Fig. 1 sind zwei solche Einheiten 20-1 und 20-2 gezeigt. Sie umfassen einen ersten und einen zweiten geschlossenen Zylinder 22-1 und 22-2, in denen Kolben 24-1

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und 24-2 hin- und hergehen. Dichtungsringe 26-1 und 26-2 sorgen für einen im wesentlichen flüssigkeitsdichten Kontakt zwischen den Kolben und den zugehörigen Zylinderwandungen, während gleichzeitig die Kolben in den Zylindern verschiebbar sind. Erste Endwandungen 28-1 und 28-2 schließen die äußeren Enden der Zylinder 22-1 und 22-2 ab. Die Zylinder können in Axialrichtung miteinander ausgerichtet und einstückig (wie gezeigt) ausgebildet sein und an ihren inneren Enden eine einstückige innere Endwandung 30 aufweisen.

Die Kolben 24-1 und 24-2 sind so zusammengeschaltet, daß sie gleichzeitig bewegbar sind. Bei der gezeigten Anordnung, bei der die Zylinder in Axialrichtung miteinander fluchten, sind die Kolben durch eine einstückige Verbindungsstange 32 miteinander verbunden, die eine Öffnung in der inneren Endwandung 30 durchsetzt. Ein Dichtungsring 34 mit kleinem Durchmesser an der Öffnung in der Wandung sorgt für eine dichte Anlage zwischen Verbindungsstange und Wandung, während gleichzeitig die Verbindungsstange axial verschiebbar ist.

Die Zylinder 20-1 und 20-2 weisen an ihren entgegengesetzten Enden Ein-Ausströmbohrungen auf für das Ein- und das Ausströmen eines Arbeitsfluids am äußeren Zylinderende und für das Ein- und das Ausströmen einer Förderflüssigkeit am inneren Ende der Zylinder. Das innere Ende des Zylinders bedeutet dabei dasjenige Zylinderende, das in die gleiche Richtung wie die zugehörige Kolbenstange verläuft. In der Zeichnung liegt die einstückige Endwandung 30 an den inneren Enden der Zylinder, und die ersten Endwandungen 28-1 und 28-2 liegen an deren äußeren Enden. Ein-Auslaßbohrungen 36-1 und 36-2 für Arbeitsflüssigkeit sind nahe den äußeren Enden der Zylinder 22-1 bzw. 22-2 vorgesehen, und Ein-Ausströmbohrungen 38-1 und 38-2 für Förderflüssigkeit sind nahe den inneren Enden der Zylinder 22-1 bzw. 22-2 vorgesehen.

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Für den Einsatz mit der umgekehrten Osmose-Einheit 10 ist die Arbeitsflüssigkeit verbrauchte Sole, die den Bohrungen 36-1 und 36-2 von der Einheit 10 durch die Auslaßieitung 14· für verbrauchte Sole und ein erstes Vierwegventil 4-2 zugeführt wird. Verbrauchte Sole wird aus den Zylindern durch das Vierwegventil 4-2 und eine Auslaßleitung 4-4- abgeführt. Frischspie, die der umgekehrten Osmose-Einheit 10 durch die Moitorpumpen 20-1 und 20-2 zuzuführen ist, wird den Ein-Ausströmbohrungen 38-1 und 38-2 an den Zylinderinnenenden durch eine Speiseleitung 4-6 von der Versorgungseinheit für Frischsole und über ein zweites Vierwegventil 4-8 zugeführt. Frischsole wird aus den Bohrungen 38-1 und 38-2 durch das Vierwegventil 4-8, die Leitung 50, ein Drosselorgan 52 und die Einlaßleitung 12 in die umgekehrte Osmose-Einheit 10 gefördert.

Die Zweistellungs-Vierwegventile 4-2 und 4-8 werden von einer geeigneten Stelleinheit 54- betätigt, die z. B. eine hydraulische, pneumatische, elektromagnetische o. dgl. Stelleinheit sein kann. Z. B. kann die Stelleinheit Zylinderspulen zum Verschieben der Ventile in entgegengesetzte Richtungen enthalten. Wandler 56 und 58 sind an entgegengesetzten Enden des Zylinders 22-1 angeordnet und erfassen den Kolben 24--1 in der jeweiligen, zueinander entgegengesetzten Ausgangs- und Endlage des Kolbens. Dabei können berührungslose Grenzwandler vom kapazitiven, magnetischen o. ä. Typ eingesetzt werden. Die Ausgänge der Wandler sind mit der Stelleinheit 54· über eine Steuereinheit 60 verbunden. Wenn der Wandler 56 den Kolben 24--1 erfaßt, resultiert das Wandlerausgangssignal zur Steuereinheit 60 in einem Ausgangssignal der Steuereinheit, das der Stelleinheit 54-zwecks Verschiebung der Ventile 4-2 und 4-8 zugeführt wird, so daß die Strömungsrichtung der Flüssigkeit zu und aus den Zylinderkammern umgekehrt wird. Am anderen Ende des Bewegungswegs des Kolbens erzeugt der Wandler 58 ein Ausganjgssignal, das der Steuereinheit 60 zugeführt wird, so

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daß diese die Stelleinheit 54 ansteuert, die die Ventile 42 und 48 in die gezeigten Lagen zurückverschiebt.

Das Drosselorgan 52 in der Frischsole-Auslaßleitung 50 von den Motor-Pumpen-Einheiten 20-1 und 20-2 bestimmt den Systemdruck. Der Frischsole-Einlaßdruck zu der umgekehrten Osmose-Einheit wird von einem Druckwandler 62 erfaßt, der einen änderbaren elektrischen Ausgang hat, der einer Ventilstelleinheit 64 zuführbar ist, die ihrerseits das Öffnen und Schließen des Drosselorgans 52 bestimmt. Wenn als Primärpumpe 18 eine Verdrängerpumpe eingesetzt wird, wird mit einer von dem Druckwandler 62 erfaßten Druckerhöhung das Drosselorgan 52 weiter geöffnet, so daß die Energierückgewinnungs-Einrichtung schneller arbeiten kann, wodurch die Soleaustrittsrate aus dem Gesamtsystem erhöht und der Systemdruck verringert wird. Erwünschtenfalls kann das Drosselorgan 52 in der Auslaßleitung 14 für verbrauchte Sole entsprechend Fig. 2 für die Systemdruck-Stcuerung angeordnet sein.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird die Arbeitsweise des Systems kurz erläutert. Niedrigdruck-Frischsole wird der Hochdruck-Primärpumpe 18 und der Pumpkammer der einen oder der anderen Motor-Pumpen-Einheit 20-1 oder 20-2 in Abhängigkeit von der Stellung des Ventils 48 zugeführt. In der gezeigten Lage der Vierwegventile 42 und 48 werden die Kolben 24-1 und 24-2 nach links (in Fig. 1) in Richtung des Vollinienpfeils im Zylinder 22-2 verschoben. Zu diesem Zeitpunkt geht die Flüssigkeitsströmung in verschiedenen Systemlei Lurnjon In Richtung der Vollinienpf eile an diesen Leitungen, Die Strichlinienpfeile zeigen die Bewegung der Kolben und die Richtung der Flüssigkeitsströmung, wenn die Ventile 42 und 48 in ihre jeweiligen anderen Stellungen umgeschaltet sind. Es ist somit ersichtlich, daß in der gezeigten Lage des Ventils 48 Frischsole der inneren Kammer des

Zylinders 22-1 durch die Bohrung 38-1 zugeführt wird. Gleichzeitig wird verbrauchte Sole von dem äußeren Ende des ersten Zylinders 22-1 durch die Bohrung 36-1, das Ventil 42 und die Leitung 44 zu einer geeigneten Solepumpe abgefördert. Die Kolben werden von verbrauchter Sole aus der umgekehrten Osmose-Einheit 10, die durch die Leitung 14- und das Ventil 4-2 dem äußeren Ende des Zylinders 22-2 durch die Bohrung 36-2 zugeführt wird, getrieben. Frischsole an inneren Ende des Zylinders 22-2 wird durch die Bohrung 38-2, das Ventil 48, die Leitung 50, das Drosselorgan 52 und die Leitung 12 zum Einlaß der umgekehrten Osmose-Einheit 10 gefördert. Es ist also ersichtlich, daß der umgekehrten Osmose-Einheit Frischsole mit hohem Druck sowohl von der Hochdruck-Primärpumpe 18 als auch von der Energierückgewinnungs-Einrichtung zugeführt wird.

Wenn die Kolben das linke Ende ihres Bewegungswegs erreichen (in Fig. 1 gesehen), erfaßt der Meßwandler 56 den Kolben 24-1 und erzeugt ein Ausgangssignal zu der Steuereinheit 60, die ihrerseits einen Elektromagneten erregt, der in der Stelleinheit 54 vorgesehen ist, so daß gleichzeitig die Ventile 42 und 48 in die zweite Ventilstellung gebracht werden. Infolgedessen wird der Flüssigkeitsstrom zu und von den Zylindern umgekehrt, so daß nunmehr verbrauchte Sole aus der umgekehrten Osmose-Einheit 10 dem äußeren Ende des Zylinders 22-1 zugeführt wird und die miteinander verbundenen Kolben nach rechts treibt; Frischsole aus der Versorgungseinheit wird dem Zylinder 22-2 durch die Bohrung 38-2 zum Wiederaufladen des Zylinders zugeführt, und verbrauchte Sole wird aus dem Zylinder 22-2 durch die Bohrung 36-2 abgeführt.'Wenn der Kolben 24-1 seine Endlage nahe dem Meßwandler 58 erreicht, wird dies vom Meßwandler erfaßt, der ein Ausgangssignal an die Steuereinheit 60 abgibt, die dann einen weiteren Elektromagneten in

der Stelleinheit 54 erregt, so daß die Ventile 42 und 48 in die gezeigte erste Lage zurückgebracht werden, und der Energierückgewinnungs-Zyklus wird wiederholt.

Es ist ersichtlich, daß die Innenflächen der Kolben eine kleinere Wirkfläche als die Außenflächen infolge der Befestigung der Verbindungsstange 32 daran haben. Mit derartigen unterschiedlichen Wirkflächen wird Frischsole aus den Zylindern mit höherem Druck als dem Druck der zugeführten, als Treibflüssigkeit wirkenden verbrauchten Sole abgegeben. Es ergibt sich also eine Druckerhöhung, die mit der unterschiedlichen Kolbenwirkfläche in Beziehung steht. Die Energie für die Abfuhr von verbrauchter Sole aus dem Gegenzylinder kann primär durch die dem Zylinder während dessen Wiederaufladung zugeführte Niederdruck-Frischsole geliefert werden. Bei dieser Anordnung sind keine Zusatzpumpen erforderlich,.um.den Druck der durch die Energierückgewinnungs-Einrichtung der umgekehrten Osmose-Einheit zugeführten Frischsole zu erhöhen.

Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, wobei anstelle des zweiten Vierwegventils 48 mehrere Absperrventile dazu vorgesehen sind, Frischsole zu und von der Energierückgewinnungs-Einrichtung zu leiten. Die Motor-Pumpen-Einheiten 20'-1 und 20'-2 können ebenso wie die Einheiten 20-1 und 20-2 von Fig. 1 aufgebaut sein. Die Einheiten weisen jedoch Zylinder 22'-l und 22'-2 auf, die gesonderte Ein- und Auslaßbohrungen 38-lA und 38-1B sowie 38-2A und 38-2B anstelle der jeweiligen Ein-Auslaßbohrungen 38-1 und 38-2 aufweisen. Die Kolben und der sonstige Aufbau der Zylinder entsprechen der Anordnung nach Fig. 1. Frischsole aus der Leitung 46 wird den Einlaßbohrungen 38-lA und 38-2A durch Absperrventile 70-1 bzw. 70-2 zugeführt. Ebenso sind die Auslaßbohrungen 38-1B und 38-2B über Absperrventile 72-1 und 72-2 mit der Leitung

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verbunden, die die Einlaßleitung 12 mit der umgekehrten Osmose-Einheit 10 verbindet= Es ist ersichtlich, daß die Absperrventile 70-1 und 72-2 geöffnet und die Absperrventile 70-2 und 72-1 geschlossen sind, während sich die Kolben nach links (in Fig. 2) bewegen; die Kolbenbewegung und die Strömungsrichtung des Fluids sind durch die VoIllinienpfeile angedeutet. Wenn der Kolben 24-1 das äußerste linke Ende seines Bewegungswegs erreicht, wird er von dem Wandler 56 erfaßt, und die Steuereinheit 60 liefert ein Ausgangssignal an die Stelleinheit 54, so daß das Vierwegventil 42 in seine andere Stellung (nicht gezeigt) umgeschaltet wird. Während die Kolben nach rechts (in Fig. 2) bewegt werden, werden die Absperrventile 70-2 und 72-1 geöffnet und die Absperrventile 70-1 und 72-2 geschlossen, und die Strömungsrichtung der Frischsole zu und von den Innenenden der Zylinder wird umgekehrt. Der Wandler 58 erfaßt den Kolben 24-2 an seinem äußerst linken Ende seines Hubs, und das Vierwegventil 42 wird wieder in seinen gezeigten Zustand zurückgebracht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das Drosselorgan 5 in die Auslaßleitung 14 aus der umgekehrten Osmose-Einheit anstatt in die Auslaßleitung 50 von der Rückgewinnungs-Einrichtung eingeschaltet. (Selbstverständlich könnte es entsprechend Fig. 1 in die Leitung 50 eingeschaltet sein.) Bei dieser Ausführung wird der Druck der verbrauchten Sole aus der umgekehrten Osmose-Einheit 10, der die Energierückgewinnungs-Zylinder beaufschlagt, hinsichtlich der Systemdruck-Steuerung geregelt. Wenn als Primärpumpe 18 eine Verdrängerpumpe eingesetzt wird, wird eine Druckerhöhung an der Einlaßleitung 12, die von dem Druckwandler 62 erfaßt wird, über die Ventilstelleinheit 64 ein stärkeres Öffnen des Drosselorgans 52 zur Verminderung des Systemdrucks zur Folge haben.

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Die Grafik nach Fig. 3 zeigt die Pumpleistung, die zur Erzeugung einer abgegebenen entsalzten Einheit erforderlich ist, gegenüber der Rückgewinnung, d. h. das Verhältnis von entsalztem Wasser zu der Gesamtmenge an Sole, die zu den umgekehrten Osmose-Behältern gefördert wird. Die obere Kurve 80 zeigt die erforderliche Pumpleistung für ein konventionelles umgekehrtes Osmose-System, wobei keine Energierückgewinnung eingesetzt wird. Z. B. ist ersichtlich, daß an einem Arbeitspunkt für eine 30 ^-Rückgewinnung aus vorbehandeltem Meerwasser für jeweils 3,78 1 erzeugtes Frischwasser 12,6 1 Sole gefördert werden müssen (vgl. Punkt A auf Kurve 80). Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Arbeiten mit einer Rückgewinnungsrate von ca. 30 % bei vorbehandeltem Meerwasser üblich.

Wenn zum Fördern eines Teils der Frischsole die Erfindung angewandt wird, muß die Hauptpumpe 18 eine wesentlich geringere Menge Frischsole zu dem umgekehrten Osmose-System fördern. Die untere Kurve 8^ in Fig. 3 zeigt die gleiche Information unter Einsatz der Energierückgewinnungs-Einrichtung nach der Erfindung zum Fördern eines Teils der Frischsole. Die Kurve 8A- zeigt den Betrieb unter Verwendung von Motor-Pumpen-Einheiten mit Kolben, wobei die Wirkfläche der inneren Kolbenendfläche 85 % der Wirkfläche der äußeren Kolbenendfläche beträgt. Bei den gezeigten Rückgewinnungs-Einrichtungen ist der Durchmesser der Verbindungsstange 32 ein Faktor bei der Erzielung des Flächenverhältnisses an den Kolbenenden, und Flächenverhältnisse von 85 % sind leicht erzielbar. Das angewandte Flächenverhältnis hängt von hydraulischen Verlusten im System einschließlich Verlusten in den umgekehrten Osmosebehältern und von der Energierückgewinnungs-Einrichtung selbst ab. Wenn man ein 85 %-Flächenverhältnis annimmt, ist ersichtlich, daß bei einer Rückgewinnung von 30 % (Punkt B auf

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Kurve 8A-) die Hauptpumpe 18 für jeweils 3,78 1 erzeug.-tes Frischwasser nur 5,1 1 Frischsole fördern muß. Cs ist natürlich immer noch erforderlich, insgesamt 12,6 1 zu fördern, aber von dieser Gesamtmenge fördert die Energierückgewinnungs-Einrichtung 7,49 1. Die Energiekosten für den Betrieb des Systems werden dabei um ca. 60 % verringert. Selbstverständlich können in Anlagen, die die angegebene Energierückgewinnungs-Einrichtung verwenden, auch kleinere Hauptpumpen und Motoren zum Betreiben derselben eingesetzt werden.

Bei einer derart erheblichen Einsparung an Pumpen-, Motoren- und Förderkosten kann der Arbeitspunkt des umgekehrten Osmosesystems auf ein geringeres Rückgewinnungsverhältnis verschoben werden, um die Notwendigkeit einer Vorbehandlung zu verringern. Z. B. wäre bei einem Rückgewinnungsverhältnis von 0,2 die einzige erforderliche Vorbehandlung Filtration (vgl. Punkt C auf Kurve 84). Die Förderkosten wurden immer noch weniger als die Hälfte dessen betragen, was an dem 30 %-Arbeitspunkt ohne Energie-Rückgewinnung anfallen würde, wobei Vorbehandlungskosten mit Ausnahme für die Filtration vollständig entfallen würden. Bei dem geringeren Rückgewinnungs-Verhältnis würde auch die Häufigkeit, mit der die Membranen auszutauschen sind, vermindert, was weitere Einsparungen mit sich bringen würde.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die Kolbendichtungsringe 26-1 und 26-2, die in den Motor-Pumpen-Einheiten vorgesehen sind, relativ geringen Druckdifferenzen ausgesetzt. Wie erwähnt, arbeiten die-Motor-Pumpen-Einheiten mit Druckverstärkung, und die Kolbendichtungen müssen in bezug auf eine solche Druckerhöhung beständig sein, die im wesentlichen gleich dem Strömungsdruckabfall durch die umgekehrte Osmose-Einheit 10 gemacht wird. Drücke im Bereich von z. B-. nur

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4·, 14--5 ,51 bar sind typisch. Die kleinere Kolbenstangendichtung 3^ muß natürlich gegen höhere Drücke beständig sein. Bei der gezeigten Anordnung, bei der zwischen den Zylindern eine einstückige Innenwandung 30 vorgesehen ist, ist nur eine einzige Kolbenstangendichtung notwendig. .Da diese einen kleineren Durchmesser hat, werden Dichtungsprobleme erheblich vermindert. Durch den Einsatz der gezeigten, axial miteinander fluchtenden Zylinder werden Ausrichtungsprobleme ebenfalls verringert, so daß die Kolbenkonstruktion vereinfacht wird. Da ferner die Strömungsarbeit direkt an den Kolben und nicht durch Kräfte in den Kolbenstangen übertragen wird, ist die Kolbenstange kein mit einer Hauptlast beaufschlagtes Element. Ihre Größe kann aufgrund anderer Parameter, nämlich der erforderlichen Druckerhöhung, bemessen werden. Da die Energierückgewinnungs-Einrichtung mit einer Geschwindigkeit arbeitet, die zu dem Durchsatz des umgekehrten Osmose-Systems in direkter Beziehung steht, kann eine Einrichtung (oder können meherere Einrichtungen) einer Größe mit einem weiten Bereich von umgekehrten Osmose-Systemen arbeiten. Da die Energierückgewinnungs-Einrichtung unabhängig von der (oder den) Frischsole-Hauptpumpe (n) ist, ist die Anwendung der Einrichtung in bereits vorhandenen umgekehrten Osmose-Systemen praktisch möglich, unkompliziert und wirtschaftlich. Die Kapazität einer existierenden Entsalzungsanlage kann ohne weiteres durch dan Einbau der Energierückgewinnungs-Einrichtung unter Anwendung der gleichen Hauptpumpe(n) verdoppelt werden.

Selbstverständlich sind Abwandlungen der vorstehend erläuterten Erfindung möglich. Z. B. kann die Energierückgewinnungs-Einrichtung mehr als die in den Fig. 1 und 2 dargestellten zwei Motor-Pumpen-Einheiten aufweisen. Es können drei oder mehr Motor-Pumpen-Zylinder verwendet werden, deren Kolbenstangen mittels einer Kurbel miteinander

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verbunden sind. Die Ausgangslagen der Kolben können versetzt sein, so daß eine gleichmäßigere Förderrate von Frischsole durch die Energierückgewinnungs-Einrichtung zu dem Osmose-System erhalten wird.

Claims

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Patentansprüche

Iy Flüssigkeitsfördersystem,
gekennzeichnet durch

- mehrere Motor-Pumpen-Einheiten (20-1, 20-2), deren jede einen geschlossenen Zylinder (22-1, 22-2) und einen darin hin- und hergehenden Kolben (24-1, 24-2) aufweist, wobei

jeder Kolben (24-1, 24-2) eine innere und eine dazu entgegengesetzte äußere Endfläche mit jeweils unterschiedlich großer Wirkfläche hat,

von der äußeren Endfläche jedes Kolbens (24-1, 24-2) und dem äußeren geschlossenen Ende (28-1, 28-2) des jeweils zugeordneten Zylinders (22-1, 22-2) eine Motorkammer gebildet wird und

von der inneren Endfläche jedes Kolbens (24-1, 24-2) und von dem inneren geschlossenen Ende (30) des jeweils zugeordneten Zylinders (22-1, 22-2) eine Pumpkammer gebildet wird,

- Mittel (32) zum Verbinden der inneren Endflächen der Kolben (24-1, 24-2) miteinander, so daß die Kolben gleichzeitig hin- und hergehen,

- Mittel (14, 42) zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Treibflüssigkeit zu den Motorkammern zwecks aufeinanderfolgender Erzeugung einer Kolbenbewegung zum inneren geschlossenen Ende der zugeordneten Zylinder (22-1, 22-2) und zum gleichzeitigen aufeinanderfolgenden Fördern von Flüssigkeit aus den Pumpkammern zwecks aufeinanderfolgendem Förderbetrieb der Motor-Pumpen-Einheiten (20-1, 20-2), und

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- Mittel (4-6, 4-8) zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Förderflüssigkeit zu den Pumpkammern und zum gleichzeitigen aufeinanderfolgenden Abführen von Treibflüssigkeit aus den Motorkammern während der Kolbenbewegung zu dem äußeren geschlossenen Ende (28-1, 28₇2) der jeweils zugeordneten Zylinder.

2. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die inneren Kolbenendflächen kleiner als die äußeren Kolbenendflächen sind und daß Flüssigkeit aus den Pumpkammern mit höherem Druck gefördert wird, als den Motorkammern Treibflüssigkeit zugeführt wird.

3. Flüssigkeitsforder system nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein Paar Motor-Pumpen-Einheiten (20-1, 20-2) mit in Axialrichtung fluchtenden Zylindern (22-1, 22-2), wobei die Mittel zum Verbinden der inneren Endflächen der Kolben (24--1, 2A--2) eine Kolbenstange (32) umfassen.

4. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Zylinder (22-1, 22-2) eine einstückige innere Endwandung (30) aufweisen, durch die die Kolbenstange (32) in flüssigkeitsdichtem Kontakt verläuft.

b. Flüssigkeitsfördersystem,
gekennzeichnet durch

- einen ersten und einen zweiten geschlossenen Zylinder (22-1, 22-2),

- einen ersten und einen zweiten Kolben (24--1, 24-2), die in den jeweiligen Zylindern (22-1, 22-2) hin- und hergehen, wobei jeder Kolben zwei zueinander entgegengesetzte Endflächen aufweist, deren eine größer als die andere ist,

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Mittel (32) zum Verbinden der zweiten Endflächen der Kolben (24-1, 24-2) derart, daß sie gleichzeitig bewegbar sind,

wobei jeder Zylinder (22-1, 22-2) erste Ein-Auslaßbohrungen (36-1, 36-2) zum Ein-, und Ausströmen einer Arbeitsflüssigkeit nahe der ersten Endfläche des zugehörigen Kolbens und zweite Ein-Ausströmbohrungen (38-1, 38-2) zum Ein- und Ausströmen einer Förderflüssigkeit nahe der zweiten Endfläche des zugehörigen Kolbens aufweist, und

wobei jeder Kolben (24-1, 24-2) zwischen einer Ausgangslage nahe den ersten Bohrungen (36-1, 36-2) des zugeordneten Zylinders (22-1, 22-2) und einer Endlage nahe den zweiten Bohrungen (38-1, 38-2) bewegbar ist derart, daß, wenn sich der erste Kolben (24-1) in seiner Ausgangslage und der zweite Kolben (24-2) in seiner Endlage befindet, beim Einströmen von Arbeits-Druckflüssigkeit in den ersten Zylinder (22-1) durch dessen erste Bohrung (36-1) der erste Kolben (24-1) in seine Endlage und der zweite Kolben (24-2) durch das Verbindungsmittel (32) in seine Ausgangslage bewegbar ist und diese Bewegungen bei Einströmen von Arbeits-Druckflüssigkeit in den zweiten Zylinder (22-2) durch dessen erste Bohrung (36-2) umkehrbar sind, und

Organe (42, 48), die Förderflüssigkeit in den zweiten Zylinder (22-2) durch dessen zweite Bohrung (38-2) einströmen und gleichzeitig Förderflüssigkeit aus dem ersten Zylinder (22-1) durch dessen zweite Bohrung (38-1) ausströmen lassen, wenn der erste Kolben (24-1) aus seiner Ausgangs- in seine Endlage bewegt wird, und Förderflüssigkeit in den ersten Zylinder (22-1) durch dessen zweite Bohrung (38-1) einströmen und gleichzeitig Förderflüssigkeit aus dem zweiten Zylinder (22-2) durch dessen zweite Bohrung (38-2) ausströmen lassen, wenn der zweite Kolben (24-2) aus seiner Ausgangs- in seine Endlage bewegt wird.

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6. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

ein erstes Vierwegventil (kZ) zum Verbinden einer Arbeits-Druckflüssigkeits-Versorgung mit der ersten Bohrung (36-1, 36-2) des ersten und des zweiten Zylinders (22-1, 22-2) und zum Ableiten von Arbeitsf lüssigkeit aus den ersten Bohrungen (36-1, 36-2).

7. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

ein zweites Vierwegventil (4-8) zum Einleiten von Förderflüssigkeit in den ersten und den zweiten Zylinder (22-1, 22-2) durch die zweiten Bohrungen (38-1, 38-2) und zum Ableiten von Förderflüssigkeit aus den zweiten Bohrungen (38-1, 38-2).

8. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

Absperrventile (72-1, 72-2) zum Einleiten von Förderflüssigkeit in den ersten und den zweiten Zylinder (22'-l, 22'-2) durch die zweiten Bohrungen (38-1B, 38-2B) und zum Ableiten von Förderflüssigkeit aus diesen zweiten Bohrungen

9. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Endfläche der Kolben (2A--1, 24-2) größer als die zweite Endfläche derselben ist, so daß Förderflüssigkeit aus den zweiten Bohrungen (38-1, 38-2; 38-1B, 38-2B) unter höherem Druck ableitbar ist als der Druck der in die ersten Bohrungen (36-1, 36-2; 38-IA, 38-2A) eingeleiteten Arbeitsflüssigkeit,

10. Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der zweite Zylinder (22-1, 22-2; 22'-l, 22'-2) in Axialdichtung miteinander fluchten und daß die Mittel zum Verbinden der zweiten Endflächen der Kolben (24-1, 24-2) eine Kolbenstange (32) umfassen.

11. FlüssigkeitsfOrder system nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Zylinder (22-1, 22-2; 22'-l, 22'-2) mit einer einstückigen inneren Endwandung (30) ausgebildet sind, durch die die Kolbenstange (32) in flüssigkeitsdichtem Kontakt gieitverschiebbar ist.

12. Energierückgewinnungs-Einrichtung für die Förderung von Frischsole zu einem umgekehrten Osmose-System od. dgl., das aufweist: eine Einlaßleitung, zu der Frischsole gefördert wird, einen Frischwasserauslaß, aus dem Frischwasser abgeleitet wird, und eine Auslaßleitung, aus der verbrauchte Sole mit einem Druck abgeleitet wird, der niedriger als der Druck der Frischsole an der Einlaßleitung ist, eine Versorgungseinheit für Frischsole und eine Hauptpumpe zum Fördern von Frischsole aus der Versorgungseinheit zu der Frischsole-Einlaßleitung, gekennzeichnet durch

- einen ersten und einen zweiten Zylinder (22-1, 22-2;

22'-1, 22"-2), die in Axialrichtung miteinander fluchten und jeweils entgegengesetzte innere und äußere Enden aufweisen,

- einen ersten und einen zweiten Kolben (24-1, 24-2), die in den jeweiligen Zylindern in Axialrichtung bewegbar sind, wobei jeder Kolben eine innere und eine dazu entgegengesetzte äußere Endfläche aufweist,

-G-

Mittel (32) zum Verbinden der inneren Endflächen der Kolben (24-1, 24-2) miteinander derart, daß sie gemeinsam bewegbar sind, wobei die Wirkfläche der äußeren Endflächen größer als diejenige der inneren Endflächen ist,

eine Vorrichtung mit einem ersten Ventil (42) , das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegbar ist, so daß in der ersten Stellung verbrauchte Sole aus dem umgekehrten Osmose-System (10) zum äußeren Ende (28-1) des ersten Zylinders (22-1; 22'-I) gerichtet wird und die miteinander verbundenen Kolben (24-1, 24-2) in eine Richtung treibt, während verbrauchte Sole vom Außenende (28-2) des zweiten Zylinders (22-2; 22'-2) abgeleitet wird, und in der zweiten Stellung verbrauchte Sole aus dem umgekehrten Osmose-System (10) zum Außenende (28-2) des zweiten Zylinders (22-2; 22'-2) gerichtet wird und die miteinander verbundenen Kolben (24-1, 24-2) in Gegenrichtung treibt, während verbrauchte Sole vom Außenende (28-1) des ersten Zylinders (22-1; 22'-I) abgeleitet wird, und

eine Vorrichtung mit einem zweiten Ventil (48; 70-1, 70-2, 72-1, 72-2J, das während der Bewegung der Kolben (24-1, 24-2) in die eine Richtung Frischsole von der Versörgungseinheit zum Innenende (30) des zweiten Zylinders (22-2; 22'-2) richtet, während im Innenendc des ersten Zylinders (22-1; 22'-I) enthaltene Frischsole zu dem Frischsole-Einlaß (12) des umgekehrten Osmose-Systems (10) gerichtet wird, und während der Bewegung der Kolben (24-1, 24-2) in die Gegenrichtung Frischsole von der Versorgungseinheit zu dem Innenende (30) des ersten Zylinders (22-1; 22'-I) richtet, während im Innenende des zweiten Zylinders (22-2; 22'-2) enthaltene Frischsole zu dem Frischsole-Einlaß (12) des umgekehrten Osmose-Systems (10) gerichtet wird.

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13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventil ein erstes Vierwegventil (42) ist, das bei entgegengesetzten E.ndlagen der miteinander verbundenen Kolben (24·-!, 24-2) zwischen der ersten und der zweiten Stellung bewegbar ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil ein zweites Vierwegventil (48) ist, das gleichzeitig mit dem ersten Vierwegventil (42) zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegbar ist

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil eine Mehrzahl Absperrventile (70-1, 70-2, 72-1, 72-2) umfaßt.

16. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Drosselorgan (52) in wenigstens der Einlaßleitung zu dem um gekehrten Osmose-System und/oder der Auslaßleitung für verbrauchte Sole zwecks Steuerung des Drucks des umgekehrten Osmose-Systems.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Einheit (64), die auf den Druck von Frischsole in der Einlaßleitung zu dem umgekehrten Osmose-System (10) anspricht zwecks automatischer Einstellung der Stellung des Drosselorgans (52).

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18. Verfahren zum Fördern von Frischsole zu einer umgekehrten Osmose-Einheit od. dgl. unter Verwendung einer Hauptpumpe und mehrerer miteinander verbundener Motor-Pumpen-Linheiten unter Einsatz von verbrauchter Sole aus der umgekehrten Osmose-Einheit als Treibflüssigkeit für die Motor-Pumpen-Einheiten, wobei jede Motor-Pumpen-Einheit einen geschlossenen Zylinder mit einem darin hin- und hergehenden Kolben, der den Zylinder in eine Motor- und eine Pumpkammer unterteilt, aufweist, jeder Kolben entgegengesetzte Endflächen mit verschieden großer Wirkfläche hat, wobei die größere Kolbenendfläche in der Motorkammer und die kleinere Endfläche in der Pumpkammer zwecks Druckverstärkung enthalten ist, und die Kolben so miteinander verbunden sind, daß sie gleichzeitig verschiebbar sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- sequentielles Zuführen verbrauchter Sole aus der umgekehrten Osmose-Einheit zu den Motorkammern zwecks Verschiebung der Kolben aus einer Ausgangs- in eine Endlage unter gleichzeitigem sequentiellen Fördern von Frischsole aus den zugeordneten Pumpkammern zum Einlaß der umgekehrten Osmose-Einheit, und

- sequentielles Zuführen von Frischsole zu den Pumpkammern unter gleichzeitiger sequentieller Ableitung verbrauchter Sole aus den zugehörigen Motorkammern während des Kolbenrückhubs aus den End- in die Ausgangslagen.

19. Verfahren nach Anspruch 18,

gekennzeichnet durch

Einstellen des Systemdrucks durch Fördern von Frischsole .

aus den Pumpkammern zum Einlaß der umgekehrten Osmose-Einheit durch ein Drosselorgan, und

Bestimmen der Drosselorgan-Einstellung nach Maßgabe des Drucks am Einlaß zu der umgekehrten Osmose-Einheit.