DE4439545A1 - Vorrichtung zur teilweisen Trennung flüssiger Lösungen nach dem Prinzip der Querfiltration - Google Patents

Description

Die Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der Patentschrift 31 46 588 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Pumpenkombination von 2 doppeltwirkenden Kolbenpumpen, die als Spülpumpen dienen, mit einer einfachwirkenden Kolbenpumpe, die zur Druckerzeugung und Versorgung der Membrankammer mit fri­ scher Lösung dient sowie einem 12-Wege/2-Stellung-Schieberventil die gleiche Aufgabe für manuelle Hebelbetätigung erfüllt, wie sie der hier vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, die mit manuellem oder elektrischem Drehantrieb arbeitet.

Trennmembranen, wie sie zur Durchführung der unter dem Sammelbegriff der Querfiltration zusammengefaßten sog. Umkehrosmose oder Gegenosmose bzw. Nano-, Ultra- oder Hyper­ filtration verwendet werden, erfordern bekanntlich jeweils das 5- bis 20-fache der Permeatmenge als Durchströmmenge, um die Ober­ fläche - landläufig ausgedrückt - ständig freizuspülen. Das bedeu­ tet, daß diese vielfache Menge vor der Einspeisung in eine Mem­ brankammer angesaugt und unter den erforderlichen Druck von 5 bis 100 bar gesetzt werden muß, während die lediglich um die kleine Permeatmenge verringerte Auslaßmenge mit dem um den geringen Durchströmungs-Druckverlust von z. B. 0,1-0,5 bar verringerten hohen Druck die Membrankammer verläßt, wobei die Energie bei kleinen Geräten in einem entsprechenden Ventil in Wärme umgesetzt wird und damit verlorengeht.

Während die Aufgabe der Vorrichtung gemäß Patentschrift 31 46 588 darin besteht, den Energiebedarf eines mittels Hebels handbetä­ tigten Gerätes zu minimieren, soll die hier vorliegende Erfindung den Energiebedarf eines elektrisch bzw. mit Hand-Drehantrieb angetriebenen Gerätes minimieren, indem jeweils der Energieinhalt der auszustoßenden Spülmenge auf direktem mechanischen Weg zurück­ gewonnen resp. -geführt wird.

Während große Trennanlagen z. B. zur Meerwasserentsalzung seit vielen Jahren mit Energierückgewinnung in Form einer Kombination von Elektromotor und Pumpe einerseits sowie Turbine und Elektroge­ nerator andererseits die Druckenergie der aus der Membrankammer austretenden Flüssigkeit zurückgewinnen, ist dies bei kleinen Ein­ richtungen von 20 bis zu etwa 1000 l/h nicht üblich, weil der ap­ parative Aufwand dieser Art von Energierückgewinnung im Verhältnis zu den einzusparenden Energiekosten viel zu groß ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, den apparativen Auf­ wand der Energierückführungseinrichtung wesentlich zu senken.

Durch den erfahrungsgemäß stark reduzierten Energiebedarf soll die Zahl von zur Speisung des Antriebes vorgesehenen photovoltaischen Solarzellen so verringert werden, daß ein Betrieb z. B. ortsverän­ derlicher Einrichtungen für medizinische Zwecke in unzugänglichen Gebieten überhaupt ermöglicht wird.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, 2 volumetrisch arbeitende Geräte wie z. B. sog. Zahnradpumpen verschiedener Schluck- bzw. Fördervolumina so miteinander und mit einem Drehantrieb zu kop­ peln, daß das mit dem größeren Volumen ausgestattete Gerät als Speise- und Druckerhöhungspumpe arbeitet, während das mit dem kleineren Volumen als Auslaßpumpe eingesetzt und streng genommen als hydraulischer Energierückgewinnungsmotor bezeichnet werden muß.

Die Pumpe fördert unter entsprechendem Energieverbrauch um den Be­ trag von Permeat zuzüglich einer für Leckagen erforderlichen Menge mehr Lösung in die Membrankammer hinein, als vom hydraulischen Mo­ tor unter entsprechender Energierückgewinnung am Auslaß der Membrankammer entlassen wird. Die Energie wird über eine direkte oder indirekte Kupplung (letztere z. B. auch über Übersetzungs­ getriebe) zwischen Pumpe und Motor rückgeführt.

Bestandteil der Lösung ist ferner ein elastischer Druckspeicher, da bei Beginn des Vorganges und im zunächst drucklosen Zustand sonst ein sehr hoher Anlaufwiderstand zu überwinden wäre, bis näm­ lich der jeweilige sog. osmotische Druck erreicht ist, unterhalb dessen kein Permeat die Membranoberfläche durchtritt.

Je nach Art der Lösung bzw. des Verwendungszweckes des Gerätes (z. B. Meerwasser- oder Brackwasserentsalzung, Trinkwasserentkei­ mung, Blutbehandlung oder andere medizinische Zwecke) werden un­ terschiedliche Membranen und unterschiedliche Pumpen- bzw. Hydrau­ likmotor-Bauarten verwendet.

Während für die Meerwasserentsalzung vor allem Axialkolbenpumpen zum Einsatz kommen, werden für die mit niedrigerem Druck arbei­ tenden Geräte Drehkolben-, Zahnrad-, Dreh- und Gleitschieberpumpen oder auch Schlauchpumpen (für medizinischen Einsatz) bevorzugt.

Die unterschiedlichen Schluck- bzw. Fördervolumina dieser letzt­ genannten Geräte werden bevorzugt jedoch nicht ausschließlich durch abgestufte Breitenausführungen erzielt, d. h. daß alle Abmes­ sungen mit Ausnahme der Kammer- bzw. Läuferbreite gleich ausge­ führt werden.

Da die Schluck- bzw. Fördervolumina jeweils pro Wellenumdrehung im Verhältnis ca. 1 (Motor) zu 1,1 bis 1,5 (Pumpe) abgestuft werden können, ist ein besonders niedriger apparativer Aufwand durch starre Wellenkupplung zwischen Abtriebswelle des Drehantriebes, Antriebswelle der Pumpe und Abtriebswelle des hydraulischen Motors erreichbar. Dabei ist es besonders vereinfachend, wenn Pumpe und hydraulischer Motor nach dem gleichen Bauartprinzip ausgewählt, also z. B. beides Drehschiebergeräte sind. Es kann jedoch je nach Einsatzzweck notwendig und für wesentliche apparative Verein­ fachung ausreichend sein, z. B. eine Drehkolbenpumpe und einen Axi­ alkolbenmotor zu verwenden, weshalb auch diese in verschiedenster Weise für den Durchschnittsfachmann einfach zu schaffenden Kombi­ nationen zum Schutzumfang gehören, auch wenn sie hier nicht alle im einzelnen aufgeführt werden sollen.

Ebenso kann es zur apparativen Vereinfachung vorteilhaft sein, Pumpe und hydraulischen Motor mit ganz oder etwa gleichen Schluck­ volumina auszustatten und die drehstarre Kupplung der 3 Haupt­ bestandteile elektrischer Antriebsmotor, Pumpe und hydraulischer Motor durch ein Übersetzungsgetriebe mit dem Übersetzungsverhält­ nis ca. 1 : (1,1-1,5) zwischen Hydraulikmotor und Pumpe herzu­ stellen und auf diese Weise die gewünschte größere Schluckmenge der Pumpe gegenüber der des hydraulischen Motors zu erzielen.

Insbesondere bei Drehschiebergeräten erscheint es vorteilhaft, wenn 2 in den Abmessungen gleiche Geräte durch ein einfaches Stirnradgetriebe des Übersetzungsverhältnisses 1 (Pumpe) : 1,1-1,5 (Hydraulikmotor) starr verbunden und gemäß den Schutz­ ansprüchen an die Membrankammer angeschlossen sind.

In der Beschreibung erscheint dies relativ kompliziert; die Zeich­ nungen Fig. 1-6 zeigen auf eindrucksvolle Weise, wie einfach und d. h. mit wie geringem apparativen Aufwand eine solche Pumpenein­ heit aufgebaut ist, stellen jedoch lediglich Ausführungsbeispiele dar und enthalten nicht sämtliche v. Durchschnittsfachmann ableit­ baren Abwandlungen, Variationen und unwichtigen Details. Zum leichteren Verständnis sind die Bestandteile soweit wie möglich vereinfacht dargestellt und auch die Verbindung der Pumpeneinheit bzw. deren Verbindungsleitungen zu der druckdichten Membrankammer sind schematisch gezeichnet. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer Pumpeneinheit, die aus 2 Drehkolbengeräten unterschiedlicher Baubreite bei sonst gleichen Abmessungen mit starrer Wellenkupplung, Antriebsmotor, Pumpe und hydraulischem Motor besteht. Zur Gruppe der Drehkolbenpumpen zählt auch deren Sonderform der Zahnradpumpen, die hier gezeichnet ist.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten Ausführung.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Längsschnitt der Ausführung von Fig. 1, um jeweils 90° gegenüber den beiden anderen Schnittebenen gedreht, mit schematischer Darstellung von Membrankammer, Druckspeicher, Verbindungsleitung und Rückschlagventil.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Pumpeneinheit mit Drehantrieb, die aus 2 Gleitschiebergeräten der gleichen Bauabmes­ sungen besteht, von denen eines, z. B. das als Pumpe arbeitende, mit dem Drehantrieb drehstarr gekuppelt ist, während das zweite über ein Untersetzungsverhältnis von ca. 1 : 1,05-1,5 an die gleiche Drehantriebswelle angekuppelt ist und als Motor arbeitet. Fig. 5 zeigt den zugehörigen Querschnitt und läßt die Anschlußleitungsführung mit Rückschlagventil zur Membrankammer erkennen und enthält schematisch je einen Längsschnitt durch die Membrankammer und einen Druckspeicher. Prinzip und Wirkungsweise gehen daraus hervor - die Pumpe fördert stets mehr Flüssigkeit in die Membrankammer hinein, als der Motor hinauslassen kann, wodurch ein Überdruck entsteht, welcher sowohl dazu führt, daß Permeat die Membran durchtritt als auch dazu, daß der Motor nach dem Prinzip der Energieerhaltung die Energie der durch den Motor austretenden Austrittsflüssigkeit über das Übersetzungsgetriebe an den Antriebsmotor zurückführt und damit entlastet.

Fig. 6 zeigt einen weiteren Längsschnitt der Ausführung von Fig. 4, um jeweils 90° gegenüber den beiden anderen Schnittebenen gedreht.

Zu Fig. 1: Die einzelnen Bestandteile (1.0) der Drehantrieb; als solcher dient vorzugsweise jedoch nicht ausschließlich ein Elektro-Rotationsmotor wie z. B. ein vom Netz oder von photovoltaischen Solarelementen gespeister Elektromotor. (1.1) zeigt die Abtriebswelle des Drehantriebmotors, (1.2) eine Wellenkupplung und (1.3) eine Motor-Befestigungsglocke.

(2.0) umfaßt das Gehäuse, bestehend aus motorseitiger Flansch­ platte (2.1), Lagerträgerplatte (2.2) und Zwischenplatte (2.3). Zwischen diese 3 Platten eingespannt ist die Zahnradpumpe (3.0), bestehend aus Mantel (3.1) und den gleich- oder verschiedengroßen Zahnrädern (3.2) und (3.3) sowie der Zahnradmotor (4.0), bestehend aus Mantel (4.1) und den Zahnrädern (4.2) und (4.3).

In der einfachsten und daher bevorzugten Ausführung, die jedoch nicht ausschließlich zum Einsatz kommt, sind Modul und Zähnezahl aller 4 Zahnräder gleich, die Breite (3.4) der Pumpe (3.0) jedoch ist um den Faktor 1.05 bis 1.5 größer als die Breite (4.4) des Motors (4.0). Ferner sind schematisch dargestellt die Abtriebs­ welle (5.1) mit Lagern (5.2) und Dichtungen (5.3) und (5.4) sowie die Drehachsen (6.1) und (6.2) mit Lagern (6.3) und Doppeldichtung (6.4).

Zu Fig. 2:
Fig. 2 zeigt den Motormantel (4.1) mit den Zahnrädern (4.2) und (4.3) mit Welle (5.1) und Achse (6.1) sowie die Anschlußbohrungen (4.5) und (4.6).

Der Vollständigkeit halber seien Mitnehmer (5.5) bzw. (6.5) erwähnt, z. B. als Paßfedern ausgeführt.

Die Drehrichtungs- und Strömungspfeile entsprechen den in Fig. 3 gezeigten Anschlüssen: von a) Pumpe (3.0) mit Rückschlagventil (8.2) sowie b) Motor (4.0).

Zu Fig. 3:
Fig. 3 zeigt weiter die Strömungsrichtungspfeile der Anschlüsse wie der Membrankammer (7.0), enthaltend die Membran (7.1) und das Umlenkrohr (7.2) mit Permeataustritt (7.3). Die Anschlußbohrung (3.8) der Pumpe steht mit Anschlußbohrung (7.4) der Membrankammer in Verbindung, während die Anschlußbohrung (7.5) mit der Anschluß­ bohrung (4.5) verbunden ist. An Bohrung (3.9) wird frische Lösung angesaugt, an Bohrung (4.6) aufkonzentrierte Lösung drucklos ins Freie entlassen.

Zu Fig. 4: Die einzelnen Bestandteile
(1.0) der Drehantrieb, ebenfalls vorzugsweise ein Elektromotor; (1.1) die Abtriebswelle und (1.2) eine Wellenkupplung sowie (1.3) die Motorbefestigungsglocke.

(2.0) Gehäuse umfaßt die motorseitige Flanschplatte (2.1), die Lagerträgerplatte (2.2) und eine Zwischenplatte (2.3). Zwischen diese 3 Platten eingespannt ist ein Untersetzungsgetriebe (3.0), bestehend aus Mantel (3.1) mit Zahnrad (3.2) und dem um den Faktor 1,05 bis 1,5 vergrößerten Zahnrad (3.3) mit die Zahnräder umgebendem Schmierölraum (3.4) sowie ein Mantel (4.1) mit 2 bevorzugt gleichgroßen Gleitschiebergeräten (4.2) und (4.3), von denen (4.2) als Pumpe und (4.3) als Motor arbeitet.

Werden die beiden Gleitschiebergeräte (4.2) und (4.3) verschieden groß ausgeführt, so ist das Unter- bzw. Übersetzungsverhältnis so anzugleichen, daß wieder die Pumpe (4.2) ein um den Faktor 1,05 bis 1,5 größeres Fördervolumen hat als der Motor (4.3).

Ferner sind schematisch dargestellt die beiden Antriebswellen (5.1) und (5.2) mit Lagern (5.3) und Dichtungen (5.4) sowie Mitnehmer (5.5).

Zu Fig. 5:
Dargestellt ist der Mantel (4.1) des Doppel-Gleitschiebergerätes (4.0) mit der Pumpe (4.2) und dem Motor (4.3), jeweils mit den Schiebern (4.4) im Rotor (4.5) bzw. (4.6). Die Anschlußbohrung (4.7) ist Ansaug der Pumpe (4.2), (4.8) Druckstation der Pumpe (4.2). Anschlußbohrung (4.9) ist Zufluß von der Membrankammer (7.0), (4.10) der Austritt der drucklosen Flüssigkeit.

Ferner sind schematisch dargestellt die Membrankammer (7.0) mit Membran (7.1), Umlenkrohr (7.2) und Permeataustritt (7.3) sowie Anschlußbohrung (7.4) mit Leitung von der Pumpe (4.2) und Anschlußbohrung (7.5) mit Leitung zum Motor (4.3).

In der Verbindungsleitung (8.1) ist ein Rückschlagventil (8.2) sowie ein Druckspeicher (8.3) eingezeichnet - wahlweise können dieses und/oder jener auch in der Verbindungsleitung (8.4) vorgesehen werden.

Zu Fig. 6:
Dargestellt ist ein weiterer Längsschnitt durch die Pumpe (4.2) gemäß Schnittverlauf A- B mit den Anschlußbohrungen (4.7) und (4.8), Schmierölraum (3.4) sowie Schieber (4.4).

Claims (10)

1. Vorrichtung zur teilweisen Trennung flüssiger Lösungen mittels se­ mipermeabler Membranen mit einer Pumpeneinheit, die eine Membrankammer mit unter Druck stehender Lösung versorgt und nach dem Prinzip der Querfiltration gleichzeitig unter Aufrechterhaltung des Druckes mit frischer Lösung spült, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeneinheit eine volumetrische Pumpe mit Drehantrieb ent­ hält, die direkt oder über ein Übersetzungsgetriebe dergestalt mit einem volumetrischen Hydraulikmotor gekuppelt ist, daß das Förder­ volumen der Pumpe je Drehantriebsumdrehung um 10 bis 50% größer ist als das Schluckvolumen des hydraulischen Motors je Drehan­ triebsumdrehung und die Pumpeneinheit dergestalt mit der Membran­ kammer verbunden ist, daß deren Einlaß an den Auslaß der Pumpe und der Auslaß der Membrankammer an den Einlaß des hydraulischen Mo­ tors angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Drehkolbenpumpe wie z. B. eine Zahnradpumpe oder Drehschieber- resp. Gleitschieberpumpe ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Kolbenpumpe wie z. B. eine Axial-, Radial- oder Nockenwellen- Kolbenpumpe ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Drehkolbenmotor wie z. B. ein Zahnradmotor oder ein Drehschie­ ber- resp. Gleitschiebermotor ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Kolbenmotor wie z. B. ein Axial- oder ein Radial- oder ein Kno­ belwellen-Kolbenmotor ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pumpe oder Motor andere hydrostatische/volumetrische Bauarten sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle einer volumetrisch größeren Zahnradpumpe und die Abtriebswelle eines volumetrisch kleineren Zahnradmotors drehfest miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebswelle einer volumetrisch gleichgroßen Drehschieberpumpe und die Abtriebswelle eines volumetrisch gleichgroßen Drehschiebermotors über ein Untersetzungsgetriebe so gekuppelt sind, daß das Fördervolumen der Pumpe um den Faktor 1,05 bis 1,5 größer als das Schluckvolumen der Pumpe ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Membrankammer und/oder der Verbindungsleitung zwischen Membrankam­ mer und hydraulischem Motor ein oder mehrere Rückschlagventile eingebaut sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pum­ peneinheit eine Kombination bestehend aus einem aus 2 Zahnrädern bestehenden Zahnradgetriebe, einer Drehkolbenpumpe und einem Dreh­ kolbenmotor dergestalt eingebaut ist, daß der Antriebsmotor der Pumpeneinheit mit der einen Welle eines Zahnradgetriebes mit gleicher Zahnzahl gekuppelt ist, mit der auch je ein Drehkolben der volumetrischen um den Faktor 1,1-1,5 größeren Pumpe und Mo­ tor drehfest verbunden sind, während der zweite Drehkolben der Pumpe und der zweite Drehkolben des entsprechend kleineren Motors mit der zweiten Welle des Zahnradgetriebes drehfest gekuppelt sind.