DE3807876A1 - Vorrichtung zur entkalkung von wasser durch turbulenzerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Entkalkung von Wasser durch Turbulenzerzeugung.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-PS 39 19 068) ist in eine Rohrleitung ein Einsatz eingefügt, der etwa dreieckigen Querschnitt hat, so daß sich drei Strömungskanäle ergeben. In diesen sind Querrippen an­ gebracht, welche Turbulenz erzeugen. Der Einsatz besteht aus einer Legierung aus Zinn, Kupfer, Zink und Nickel. Diese Vorrichtung soll der Ausscheidung von Kalziumcar­ bonat dienen. Ihre Wirksamkeit ist aber beschränkt, weil eine Ausfällung des Kalziumcarbonats nur bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, also großen Durchflußmengen, auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entkal­ kungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzu­ geben, die über den gesamten Arbeitsbereich der Durch­ strömmenge wirksam ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine variable Drosselstelle, die unter dem Einfluß der Durch­ strömmenge und einer Gegenkraft eine solche Stellung einnimmt, daß sich hinter der Drosselstelle unabhängig von der Durchströmmenge eine turbulente Strömung ergibt, die eine Kavitation verursacht.

Durch die variable Drosselstelle ist gewährleistet, daß eine solche turbulente Strömung, wie sie als für die Wirksamkeit erforderlich erkannt ist, auch bei kleinen Durchflußmengen auftritt. Der Querschnitt des Drosselkanals wird bei kleinen Durchströmmengen soweit verringert, daß die auftretende Geschwindigkeit zwangs­ weise zu eine Kavitation verursachenden Turbulenzen führt. Diese Kavitationserscheinungen unterstützen die Zerlegung des im Wasser enthaltenen Kalziumhydrocarbonat in das auszufällende Kalziumcarbonat und Kohlendioxid. Die Kavitation entsteht an hydrophoben, also im Wasser nicht löslichen Partikeln und an den Begrenzungswänden. Durch sie wird Energie zugeführt, die die Zerlegung des Kalziumhydrogencarbonat auch ohne Wärmezufuhr ermög­ licht. Das Kalziumcarbonat lagert sich an im Wasser befindliche Partikel an, die sich natürlicherweise im Wasser befinden oder durch die mit der Kavitation verbun­ dene Erosion von den Wänden abgelöst wurden. Infolge der Turbulenz kommen diese Partikel immer wieder mit Kalziumcarbonat in Berührung, so daß durch Anlagerung größere Teilchen entstehen, die ohne Schwierigkeiten abgeschieden werden können.

Mit Vorteil ist dafür gesorgt, daß die Mengen-Öff­ nungs-Charakteristik der Drosselstelle so gewählt ist, daß die Reynoldzahl der turbulenten Strömung größer als 50 000 ist. Der Betrieb mit derart hohen Reynold­ zahlen führt zu einer kräftigen turbulenten Strömung mit intensiver Kavitation.

Günstig ist es auch, daß die Mengen-Öffnungs-Charakteri­ stik der Drosselstelle so gewählt ist, daß die Reynold­ zahl der turbulenten Strömung über den ganzen Arbeitsbe­ reich annähernd konstant ist. Unter dieser Voraussetzung ist auch die Ausfällrate über den gesamten Arbeitsbereich etwa gleich.

Bei einer Ausführungsform besitzt die Drosselstelle einen festen und einen beweglichen Teil, der durch eine Feder belastet ist. Die Feder wirkt als Gegenkraft. Mit Hilfe ihrer Charakteristik kann die Mengen-Öffnungs- Charakteristik der Drosselstelle bestimmt werden.

Bei einer anderen Alternative besitzt die Drosselstelle einen festen und einen beweglichen Teil, dessen abfluß­ seitige Druckfläche größer ist als die zuflußseitige Druckfläche. Die Flächendifferenz führt in Verbindung mit dem Druckabfall an der Drosselstelle zu einer Gegen­ kraft, welche die Mengen-Öffnungs-Charakteristik der Drosselstelle bestimmt.

Mit Vorteil weist die Drosselstelle einen variablen Ringspalt auf, der von einem festen Teil und einem axial beweglichen Teil begrenzt ist. Dieser Ringspalt besitzt eine geringe Breite im Vergleich zu einer verhältnismäßig großen Länge. Dies ergibt eine Turbulenzströmung mit Ringquerschnitt, die zu starken Verwirbelungen hinter der Drosselstelle führt.

Konstruktiv besteht eine Möglichkeit, daß die Drossel­ stelle durch einen festen Sitz und einen in dessen Aus­ laßrichtung verschiebbaren, sich zum Sitz hin verjüngen­ den Verschlußkörper gebildet ist. Dies ergibt einen sehr einfachen Aufbau.

Hierbei kann der Verschlußkörper auf einer vor und hin­ ter dem Sitz gehäusefest gelagerten Führungsstange ver­ schiebbar sein. Die Führungsstange stellt sicher, daß bei einem Ringspalt die Spaltweite in jeder Öffnungs­ stellung ringsum konstant ist.

Des weiteren kann sich der Verschlußkörper in einem zylin­ drischen Mantel fortsetzen, der eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder, aufnimmt. Zwischen Mantel und Ge­ häuse ergibt sich ein Ringspalt, in welchen die turbu­ lente Strömung von der Drosselstelle her eintritt.

Eine andere Möglichkeit besteht konstruktiv darin, daß die Drosselstelle durch eine bewegliche Lochplatte und einen festen, sich zum Loch hin verjüngenden Verschluß­ körper gebildet ist. Auch hier besteht die Drosselstelle aus einem variablen Ringspalt.

Insbesondere kann dafür gesorgt sein, daß die Lochplatte den Boden eines Napfes mit Außenrand am offenen Ende bildet, der in einem sich durch eine Stufe erweiternden Gehäuse angeordnet ist, und daß zu beiden Seiten der Stufe eine am Gehäuse befestigte Membran angeordnet ist, von denen die eine mit dem Boden und die andere mit dem Außenrand verbunden ist und die einen druckent­ lasteten Raum zwischen sich einschließen. Auch dieser Aufbau ist konstruktiv einfach.

Günstig ist es ferner, daß ein Vorrat an galvanisch lösbarem Metall eingesetzt ist. Hierdurch wird das Kri­ stallwachstum des auszufällenden Kalziumcarbonats ver­ bessert. Insbesondere eignet sich hierfür Nickel und Zink, Eisen und Kobalt.

Ferner kann die der Strömung zugewandte Wand des beweg­ lichen Teils hinter der Drosselstelle eine Schicht aus dem galvanisch lösbarem Metall tragen. An dieser Stelle ist die Einwirkung auf das Ausfällen besonders groß. Außerdem stört die allmähliche Korrodierung dieser Schicht nicht den Betrieb der Drosselstelle.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der zylin­ drische Mantel am Verschlußkörper mit der Schicht aus dem galvanisch lösbarem Material versehen. Hier steht eine große Fläche zum Kontakt mit der Strömung und der Schicht zur Verfügung.

Empfehlenswert ist ein der Drosselstelle nachgeschal­ teter Filter. In ihm kann das ausgefällte Kalziumcar­ bonat sofort zurückgehalten werden.

Insbesondere können Drosselstelle und Filter von einem gemeinsamen Gehäuse getragen sein. Es ergibt sich daher eine einfache, speziell für das Entkalken einbaubare Baueinheit.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs­ form und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungs­ form der Erfindung.

An einem Gehäuse 1 ist mittels einer Überwurfmutter 2 ein Eingangsstutzen 3 angebracht. Von unten ist ein Filtereinsatz 4 mit einem Filter 5 eingeschraubt. Ein Ausgangsstutzen 6 ist im Gehäuse 1 ausgebildet.

Eine variable Drosselstelle 7 wird durch einen Sitz 8 am Eingangsstutzen 3 und einen Verschlußkörper 9 ge­ bildet, der sich zum Sitz hin verjüngt und eine zwischen einem Kegel und einer Halbkugel liegende Form hat. Zwischen diesen Teilen wird im Betrieb ein Ringspalt S mit variabler Größe gebildet. Der Verschlußkörper 9 ist auf einer Führungsstange 10 verschiebbar, die von einer gelochten Halteplatte 11 im Eingangsstutzen 3 und in einer Bohrung 12 des Gehäuses 1 gehalten ist. An den Verschlußkörper 9 schließt ein Mantel 13 an, welcher eine Schraubenfeder 14 umschließt, die den Ver­ schlußkörper 9 gegen den Sitz 8 drückt. An der Außenseite des Mantels befindet sich eine Schicht 15, die aus einem galvanisch lösbaren Metall besteht. Bei Verwendung eines Gehäuses 1 aus Stahl weist diese Schicht Nickel und/oder Zink auf. Der zylindrische Mantel 13 begrenzt zusammen mit einer zylindrischen Bohrung 16 des Gehäuses 1 einen Kanal 17 mit Ringquerschnitt. Dieser ist der variablen Drosselstelle 7 nachgeschaltet.

Wenn im Betrieb Wasser über den Eingangsstutzen 3 zuge­ leitet wird, führt der Wasserdruck zu einer Verschiebung des Verschlußkörpers 9 in Öffnungsrichtung gegen die Kraft der Feder 14. Aufgrund der Federcharakteristik und der Form des Verschlußkörpers 9 entspricht jeder Durchströmmenge ein ganz bestimmter Querschnitt des Ringspalts S. Er wird so bemessen, daß im Anschluß an die variable Drosselstelle 7, also zumindest am Beginn des Kanals 17, eine turbulente Strömung, die Kavitation hervorruft, herrscht. Dieser Zustand ist über den gesam­ ten Arbeitsbereich, also von sehr kleinen bis sehr großen Durchströmmengen, gegeben. Die Reynoldzahl ist hierbei annähernd konstant.

Im Betrieb sammelt sich an der Außenseite des Filters 5 Kalziumcarbonat, zumeist in der Form von nadelförmigen Aragonitkristallen. Es wird angenommen, daß die normaler­ weise erst bei Erwärmung auftretende Spaltung des Kal­ ziumhydrogencarbonats in Kalziumcarbonat und Kohlendioxid durch die von der Turbulenz zugeführte Energie und insbe­ sondere durch Kavitationsenergie unterstützt wird. Durch die Turbulenz wird die Anzahl der Zusammenstöße zwischen den so gebildeten Kalziumcarbonat-Ionen und den hieraus gebildeten Kristallen vergrößert, bis sie schließlich groß genug sind, um ausgefällt oder im Filter zurückge­ halten zu werden. Hierbei begünstigen die in Lösung gehenden Zink- und Nickelmoleküle die Kristallbildung. Das Anlegen einer Spannung ist hierbei nicht erforder­ lich, da der Stahl des Gehäuses und die beiden genannten Metalle in der Schicht 15 unterschiedliche Positionen in der Spannungsreihe einnehmen.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 werden für ent­ sprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwen­ det. Der Eingangsstutzen 103 ist mit einem Gehäuse 19 versehen, das zwei Stufen 20, 21 besitzt. Es besteht aus Zylinderabschnitten und ist in das Gehäuse 101 ein­ geschraubt. Eine Halteplatte 22 mit Durchgangslöchern 23 trägt einen festen Verschlußkörper 109, der Konus­ form hat. Im Gehäuse befindet sich eine Lochplatte 24 mit einem Loch 108. Die Lochplatte 24 bildet den Boden eines Napfes 25, der am offenen Ende einen Außenrand 26 besitzt. Eine erste Membran 27 verbindet die Loch­ platte 24 mit dem benachbarten Gehäuseabschnitt 28 kleineren Querschnitts. Eine zweite Membran 29 verbindet den Außenrand 26 mit dem Gehäuseabschnitt 30 größeren Querschnitts. Zwischen den Membranen verbleibt ein druck­ entlasteter oder evakuierter Raum 31, der zur Atmosphäre hin entlüftet ist. Der Napf 25 wird von der Strömung über die Fläche F ₁ belastet. Die Gegenkraft ergibt sich aufgrund des Drucks hinter der Drosselstelle 107, der aber auf die größere Fläche F ₂ wirkt. Infolgedessen ergeben sich Gleichgewichtszustände für den Napf 25, welche die Größe des Ringspalts S zwischen dem Verschluß­ körper 109 und dem Loch 108 definieren. Die Bemessung der Druckflächen F ₁ und F ₂ sowie die Form des Verschluß­ körpers 109 bestimmen die Mengen-Öffnungs-Charakteristik der Drosselstelle 107 derart, daß nach der Drosselstel­ lung eine turbulente Strömung mit Kavitation herrscht. An der Innenwand des Napfes 25 ist eine galvanisch lös­ bare Metallschicht 115 vorgesehen.

Bei dieser Ausführungsform wird die Kavitation direkt in der Strömung erzeugt. Es ergibt sich ein Kavitations­ index, der durch das Verhältnis der Druckdifferenz von Eingangsdruck und Ausgangsdruck zur Druckdifferenz von Eingangsdruck und Dampfdruck bestimmt ist. Je größer dieser Wert, um so stärker die Kavitation. Große Flächen­ verhältnisse F ₂ : F ₁ führen daher zu starker Kavitation.

In vielen Fällen ist es nicht erforderlich, einen Filter 5, 105 zu verwenden, weil das Kalziumcarbonat als feiner Schlamm ungehindert durch die Anlage hindurchgespült wird. Die Form der Verschlußkörper 9, 109 kann auch von den gezeigten Ausführungsbeispielen abweichen, wenn andere Mengen-Öffnungs-Charakteristiken erwünscht sind. In Verbindung mit den dargestellten Vorrichtungen können auch weitere Maßnahmen zur Ausfällung von Kalziumcarbonat getroffen werden, beispielsweise die Errichtung eines magnetischen Feldes.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Entkalkung von Wasser durch Turbu­ lenzerzeugung, gekennzeichnet durch eine variable Drosselstelle (7; 107), die unter dem Einfluß der Durchströmmenge und einer Gegenkraft eine solche Stellung einnimmt, daß sich hinter der Drosselstelle unabhängig von der Durchströmmenge eine turbulente Strömung ergibt, die eine Kavitation verursacht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengen-Öffnungs-Charakteristik der Drossel­ stelle (7; 10) so gewählt ist, daß die Reynoldzahl der turbulenten Strömung größer als 50 000 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mengen-Öffnungs-Charakteristik der Drosselstelle (7) so gewählt ist, daß die Rey­ noldzahl der turbulenten Strömung über den ganzen Arbeitsbereich annähernd konstant ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (7) einen festen Teil (8) und einen beweglichen Teil (9) besitzt, der durch eine Feder (14) belastet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (107) einen festen Teil (109) und einen beweglichen Teil (25) besitzt, dessen abflußseitige Druckfläche (F ₂) größer ist als die zuflußseitige Druckfläche (F ₁).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (7; 107) einen variablen Ringspalt (S) aufweist, der von einem festen Teil (8; 109) und einem axial beweglichen Teil (9; 108) begrenzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (7) durch einen festen Sitz (8) und einen in dessen Auslaßrich­ tung verschiebbaren, sich zum Sitz hin verjüngenden Verschlußkörper (9) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (9) auf einer vor und hinter dem Sitz (8) gehäusefest gelagerten Führungsstange (10) verschiebbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verschlußkörper (9) sich in einem zylindrischen Mantel (13) fortsetzt, der eine Feder (14) aufnimmt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (107) durch eine bewegliche Lochplatte (24) und einen festen, sich zum Loch (108) hin verjüngenden Verschlußkör­ per (109) gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lochplatte (24) den Boden eines Napfes (25) mit Außenrand (26) am offenen Ende bildet, der in einem sich durch eine Stufe erweiternden Gehäuse (19) angeordnet ist, und daß zu beiden Seiten der Stufe (21) eine am Gehäuse befestigte Membran (27; 29) angeordnet ist, von denen die eine (27) mit dem Boden (24) und die andere (29) mit dem Außen­ rand (26) verbunden ist und die einen druckentlaste­ ten Raum (31) zwischen sich einschließen.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorrat an galvanisch lös­ barem Metall eingesetzt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die der Strömung zugewandte Wand des beweg­ lichen Teils (13; 25) hinter der Drosselstelle (7; 107) eine Schicht (15; 115) aus galvanisch lösbarem Metall trägt.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mantel (13) des Verschlußkörpers (9) mit der Schicht (15) aus dem galvanisch lösbaren Metall versehen ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14, gekenn­ zeichnet durch einen der Drosselstelle (7; 107) nachgeschalteten Filter (5; 105).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß Drosselstelle (7; 107) und Filter (5; 105) von einem gemeinsamen Gehäuse (1; 101) getragen sind.