DE60012530T2

DE60012530T2 - Kolbenpumpe, verfahren und anlage zum filtrieren von wasser

Info

Publication number: DE60012530T2
Application number: DE60012530T
Authority: DE
Inventors: Bernard Marinzet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: US6652741B1; WO2000077397A1; PT1194691E; EP1194691A1; JP4659310B2; HK1045869B; DE60012530D1; HK1045869A1; JP2003502544A; ATE272173T1; TNSN00132A1; FR2795141A1; AU6448000A; CA2412378A1; FR2795141B1; ES2223556T3; MA25421A1; EP1194691B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Filtrieren einer Flüssigkeit, die ein Membranfiltrationsgerät verwendet.
Das technische Gebiet der Erfindung ist das Gebiet der Herstellung von Filtrationsgeräten mit halbdurchlässiger Membran.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entsalzen von Meerwasser oder Brackwasser durch Umkehrosmose, und Verfahren und Vorrichtungen zur Feinstfilterung einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser, um ein Wasser zu ergeben, das zum Beispiel für den Verbrauch oder zur Bewässerung geeignet ist.
Ein Nachteil der Anlagen zur Filtration von Meerwasser zu seiner Entsalzung ist ihr geringer Wirkungsgrad: Die Energie, die verbraucht wird, um einen Kubikmeter entsalztes Wasser zu erhalten, liegt in der Größenordnung von 5 bis 10 kWh; falls eine Turbine verwendet wird, z.B. eine „PELTON"-Turbine, um die Energie des anfallenden übersalzten Wassers zurückzugewinnen, verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage kaum, da der Wirkungsgrad der Turbine niedrig ist; außerdem sind solche Anlagen, die mit Zentrifugalpumpen und Turbinen ausgestattet sind, kostspielig und haben eine relativ geringe Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufzuweisen.
In den Meerwasserentsalzungsanlagen durch Umkehrosmose wird das zu behandelnde Wasser dem Eingang des Filtrationsgeräts zugeführt, bei einem Eingangsdruck, der den osmotischen Druck von Wasser übersteigt; der Wasserzuführungsdruck am Eingang des Filters ist allgemein mindestens gleich 25 Bar, zum Beispiel in der Größenordnung von 30 bis 100 Bar, und insbesondere in der Größenordnung von 60 bis 80 Bar; am Ausgang des Filters wird zum einen ein Konzentrat aus sogenanntem „übersalztem" Wasser, und zum anderen ein Permeat aus entsalztem Wasser (dessen Druck in der Nachbarschaft des atmosphärischen Drucks liegt) gewonnen; der Druck des Konzentrats am Ausgang des Filters ist allgemein wenig geringer als der Zuführungsdruck des zu entsalzenden Wassers, zum Beispiel ist er um einen Wert in der Größenordnung von 1 bis 5 Bar kleiner als dieser, da der Druckabfall im Filter gering ist.
In den Anlagen zur weniger gründlichen Filtration, insbesondere in Nanofiltrierungsanlagen zur Behandlung von Brackwasser, wird das Filter mit zu behandelndem Wasser bei einem Druck in der Größenordnung von 10 Bar versorgt, und es wird ein Konzentrat mit einem Druck in der Größenordnung von 4 bis 8 Bar gewonnen.
Die US-Patentschrift Nr. 3.825.122 beschreibt eine Pumpvorrichtung zur Filtration einer Flüssigkeit durch Umkehrosmose, umfassend mehrere aneinandergereihte Zylinder, die eine Hauptkammer zum Pumpen der Flüssigkeit begrenzen, eine Nebenkammer („Booster"), die der Rückgewinnung der Energie des Konzentrats dient, und eine Hydraulikkammer zur Betätigung der Vorrichtung durch eine hydraulische Flüssigkeit, die von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird; jede Kammer ist mit einem Kolben versehen, der durch die Wirkung einer Kolbenstange, die allen Kolben gemeinsam ist, hin und her beweglich ist; obwohl die in dieser Patentschrift genannte Aufgabe darin liegt, einen konstanten Durchsatz der Druckflüssigkeit aufrechtzuerhalten, erlaubt das System zur Umkehr der Bewegungsrichtung der Stange durch Endstellungssensoren, die Verteiler steuern, die an den Leitungen angeordnet sind, welche mit den Kammern verbunden sind, nicht die Gewährleistung eines gleichbleibenden Durchsatzes; dies ist wahrscheinlich der Grund, weshalb diese Vorrichtung, wie alle Kolbenpumpensysteme, keine effektive industrielle Entwicklung zur Filtration durch Umkehrosmose erfahren hat. Denn Membranen sind Schwankungen des Drucks und des Durchsatzes gegenüber, die deren Verstopfung oder deren Bruch verursachen können, äußerst empfindlich.
Die US-Patentschrift Nr. 4.432.876 beschreibt verschiedene Vorrichtungen, die zur Aufgabe haben, die Schwankungen des Drucks und des Wasserdurchsatzes am Pumpenausgang zu reduzieren: eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Änderung des Volumens der Pumpkammer und des Volumens der Ausdehnungskammer, die mit der Pumpkammer gekoppelt ist; zwei Varianten der Vorrichtung, jeweils mit gesteuertem Ventil und mit gesteuertem Doppelventil, die entgegengesetzt angeordnet sind, bewirken die kurzzeitige Verbindung dieser beiden Kammern, wenn der Kolben in der Endstellung ist, um die Überdrucke zu begrenzen, die auf die plötzliche Öffnung und Schließung der Ventile zurückzuführen sind, die an den Wasserleitungen angeordnet sind; außerdem schlägt diese Patentschrift eine Vorrichtung vor, die drei Kolben oder mehr umfaßt, die durch eine gemeinsame Kurbelwelle – oder mehrere – angetrieben werden, und empfiehlt, Maschinen mit 2, 4, 8 oder 16 Kolben zu vermeiden. Um die Kompaktheit der in US 4.432.876 beschriebenen Vorrichtung zu erhöhen und deren Vorrichtungen zum Variieren des Volumens der Kammern zu unterdrücken, beschreibt die US-Patentschrift 4.913.809 eine Pumpvorrichtung mit zwei Kolben, die durch eine Stange miteinander verbunden sind von einem doppelwirkenden hydraulischen Antrieb bewegt werden, dessen Druck mit einer geringen Zeitverzögerung die Position eines Verteilers steuert, der in den Wasserleitungen vorgesehen ist.
Trotz dieser Verbesserungen, die an Kolbenpumpen durchgeführt wurden, ist gegenwärtig festzustellen, daß Umkehrosmoseanlagen im wesentlichen Zentrifugalpumpen mit geringem Wirkungsgrad verwenden, da die Pumpvorrichtungen mit Kolben zu komplex und für die Unterdrucksetzung von Wasser, das den Membranfiltern zugeführt wird, ungeeignet sind.
Die US-Patentschrift 3.707.881 beschreibt eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Anlage zur Filtration von Flüssigkeiten, die verbessert sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Gesamtleistung dieser Filtrationsverfahren und -anlagen.
Nach einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Pumpen von Wasser, die mindestens zwei Pumpen umfaßt, wobei jede der Pumpen umfaßt:

– mindestens zwei Kammern, die entlang einer Längsachse angeordnet sind,
– mindestens zwei Kolben, die jeweils in Wechseltranslation beweglich in jeder der beiden Kammern angeordnet sind,
– eine Welle zur Kraftübertragung zwischen den zwei Kolben, die zum Teil in jeder der Kammern verläuft und in bezug auf diese entlang der Längsachse gleitend angeordnet ist;

Die Pumpvorrichtung umfaßt außerdem Mittel, um eine dieser zwei Pumpen zu beschleunigen, während sich eine andere dieser zwei Pumpen in der Endstellung im längeren Stillstand befindet, wodurch es möglich ist, den (kumulierten) Durchsatz des Wassers, das von den Pumpen zum (oder zu den) Filter(n) gepumpt wird, auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Ausdruck „längerer Stillstand" eine Zeitdauer, während welcher mindestens einer der Kolben – und allgemein die beiden Kolben einer Pumpe sowie ihre zugehörige Welle – im wesentlichen bewegungslos sind; diese Dauer des längeren Stillstands ist derart, daß ihr Verhältnis zur Bewegungsperiode der Welle (und der Kolben) allgemein größer als 10^–3 ist; dieses Verhältnis kann sehr hohe Werte erreichen – zum Beispiel in der Größenordnung von 0,1 oder mehr – vor allem dann, wenn die zwei Pumpen nicht die gleiche Leistung haben; in diesem Fall ist der längere Stillstand der Pumpe mit der höheren Leistung von einer Dauer, die größer ist als die des Stillstands der Pumpe mit der geringeren Leistung.
Doch allgemein weisen beide Pumpen die gleiche Leistung auf und werden jede so gesteuert, daß in der Endstellung ein längerer Stillstand von einer Dauer erfolgt, die für beide Pumpen im wesentlichen gleich ist.
Um die vom längeren Stillstand gefolgte Abbremsung in der Endstellung zu steuern, ist mindestens eine der Kammern mindestens einer der Pumpen bevorzugt mit einem Sensor für die Stellung des Kolbens (und/oder der Welle) versehen, der so angeordnet ist, daß er ein Erkennungssignal ausgibt, bevor der Kolben (und/oder die Welle) seine (ihre) Endstellung erreicht; dieses Erkennungssignal wird an eine elektronische Steuereinheit übertragen, die dem Empfang dieses Signals entsprechend die Unterbrechung der Energiezufuhr durch die Betätigungsvorrichtung der betreffenden Pumpe steuert.
Die Antriebsenergie, die von dieser Betätigungsvorrichtung geliefert wird, wird bevorzugt über eine hydraulische Flüssigkeit (Arbeitsmedium), die auf einen Kolben – Arbeitskolben genannt – wirkt, der mit der Welle verbunden ist, auf ähnliche Weise auf das Wasser übertragen, wie in den vorgenannten Patentschriften beschrieben; die längere Unterbrechung der Zufuhr des unter Druck stehenden Arbeitsmediums an den Arbeitskolben bewirkt dann den längeren Stillstand der betreffenden Pumpe.
Nach einem anderen Aspekt besteht die Erfindung in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Pumpen von Wasser, umfassend zwei Pumpen, wobei jede Pumpe zwei aneinandergereihte Kammern umfaßt, die jede einen Kolben aufnehmen, der in der Kammer hin und her beweglich sind, wobei die zwei Kolben durch eine Gleitwelle verbunden sind; die Vorrichtung umfaßt außerdem einen doppelwirkenden Hydraulikzylinder zum Antrieb jeder Pumpe, und eine Zirkulationsschleife für die unter Druck stehende hydrdaulische Flüssigkeit (Arbeitsmedium), die einzeln ist und daher allen Hydraulikzylindern der Pumpvorrichtung gemeinsam ist; die Vorrichtung umfaßt ferner Mittel zur selektiven Verbindung jedes Zylinders mit dieser Schleife, die auf solche Weise gesteuert werden, daß die Summe der Durchflußmengen der hydraulischen Flüssigkeit (Arbeitsmedium), die den Zylindern zugeführt werden, im wesentlichen zeitlich konstant ist, wodurch die Summe der Wasserdurchsätze, die von den Pumpen der Vorrichtung verdrängt werden, im wesentlichen konstant ist.
Diese gemeinsame Zirkulationsschleife (bzw. Kreislauf) des Arbeitsmediums umfaßt bevorzugt eine einzige Pumpe sowie ein Organ zum Messen des Durchsatzes, der in dieser Schleife umläuft.
Diese Mittel zur selektiven Verbindung umfassen Mittel, die auf permanente Weise die gleichzeitige Schließung aller Zuleitungen des Arbeitsmediums an die Zylinder verhindern; wenn ein Teil dieser Mittel zur selektiven Verbindung geschlossen ist, um die Zufuhr des Arbeitsmediums an einen der Zylinder zu verhindern – wodurch der längere Stillstand der entsprechenden Pumpe bewirkt wird -, ist daher mindestens ein Teil der Mittel zur selektiven Verbindung offen; in Anbetracht dessen, daß der (kumulierte) Gesamtdurchsatz des Arbeitsmediums konstant bleibt, wird dann der Durchsatz des Arbeitsmediums, das den anderen Zylindern von dieser Schleife zugeführt wird, erhöht; dies führt zu einer Beschleunigung dieser letzteren und der entsprechenden Pumpe(n).
Die Mittel zur selektiven Verbindung bestehen im wesentlichen aus Ventilen, die von der elektronischen Steuereinheit elektrisch gesteuert werden, welche Signale empfängt, die für die Stellung der Ventilkolben stehen, sowie bevorzugt aus einem Durchflußmengenmesser, der in der gemeinsamen Schleife angeordnet ist; alternativ dazu kann dieser Durchflußmengenmesser zum Messen des Gesamtdurchsatzes des Arbeitsmediums, der von der Pumpvorrichtung genutzt wird, durch einen Durchflußmengenmesser ersetzt werden, der an einer Leitung zur Zuleitung des von den Pumpen verdrängten Wassers zum Membranfilter angeordnet ist; er kann auch durch mehrere (mindestens zwei) Durchflußmengenmesser ersetzt werden, die die an den Leitungen zum Ölzuleitung angeordnet sind, die jeden Zylinder mit der gemeinsamen Schleife verbinden; er kann auch durch mindestens einen Sensor für die Bewegungsgeschwindigkeit der Gleitwelle einer der Pumpen – mindestens – ersetzt werden, falls die verschiedenen Pumpen der Vorrichtung mit Kammern, Gleitwellen und Kolben mit identischer Geometrie versehen sind; um einen konstanten Gesamtdurchsatz des verdrängten Wassers zu gewährleisten, genügt es in diesem Falle, die Summe der Gleitwellengeschwindigkeiten der verschiedenen Pumpen ständig auf einem konstanten Wert zu halten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt jede Pumpe einen Arbeitskolben, der in der Mitte der Gleitwelle befestigt ist; in dieser Ausführungsform umfaßt jede dieser Pumpen drei Kolben und eine gemeinsame Gleitwelle zur Kraftübertragung, wobei jeder der Kolben in einer jeweiligen Kammer hin und her beweglich ist, wobei die drei Kammern aneinandergereiht sind (entlang der Längsachse der Welle, die der Translationsachse der Kolben entspricht); zwei identische Endkolben dienen jeder zum einen der Verdichtung der zu filtrierenden Flüssigkeit und zum anderen der Rückgewinnung der Energie des Konzentrats, und sind jeweils an zwei längsseitigen Enden der Welle angeordnet; der dritte Kolben – Arbeitskolben genannt – (mit kleinerem Durchmesser) ist an der Welle befestigt und in gleichem Abstand von den beiden Enden der Welle angeordnet; jede der beiden Endkammern (gemeinsame Kammern genannt), in denen sich die beiden Endkolben jeweils verschieben, ist daher in zwei Abschnitte oder Hohlräume (mit einem Volumen, das je nach Kolbenposition variabel ist) unterteilt, die vom Kolben getrennt werden: ein erster Abschnitt jeder Kammer ist im zentralen Teil, in dem ein Abschnitt der Welle gleitet, mit dem Membranfilter verbunden, um das Konzentrat (übersalztes Wasser) zu empfangen; ein zweiter Abschnitt jeder Kammer ist mit den Leitungen mit der zu filtrierenden Flüssigkeit (Salzwasser) verbunden. Die mittlere Kammer, in welcher der Arbeitskolben sich verschiebt, ist mit Zuleitungen und Ableitungen für die hydraulische Flüssigkeit Arbeitsmedium) verbunden, die bevorzugt aus Öl besteht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat die folgenden Vorteile aufzuweisen:

– jeder der Endkolben, der über eine erste seiner zwei Seiten (Vorderseite) mit der zu filtrierenden Flüssigkeit in Kontakt steht und über eine zweite seiner zwei Seiten (Hinterseite) mit dem aus dem Filter austretenden Konzentrat in Kontakt steht, ist aufgrund der geringen Druckdifferenz, die zwischen diesen beiden Flüssigkeiten besteht, geringen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt; zudem macht diese geringe Druckdifferenz es nicht erforderlich, den Kolben mit komplexen und kostspieligen Dichtungspackungen (Dichtungsringen) zu versehen; in jedem Fall ist eine leichte Undichtigkeit für diese Dichtung völlig tolerabel;
– im Gegensatz zur Vorrichtung, die in der US-Patentschrift 3.825.122 beschrieben wird, verläuft kein Abschnitt der Welle außerhalb der Kammern, was die Zahl der Dichtungspackungen und folglich das Undichtigkeitsrisiko reduziert; überdies vereinfacht dies die Fertigung und Montage der feststehenden und beweglichen Teile stark, da die Zahl der Durchgangsöffnungen der Welle (Lager) – die perfekt ausgerichtet sein müssen
– reduziert wird; dies verringert auch die Reibungskräfte der Welle und der Kolben und erhöht den Wirkungsgrad.

Der Aufbau der Vorrichtung erlaubt zudem die Verringerung der mechanischen Beanspruchungen, die auf die Welle angelegt werden; dieser Aufbau erlaubt die Verwendung von länglichen Kammern, deren Verhältnis der Länge zum Durchmesser insbesondere größer oder gleich 3 ist, noch spezieller benachbart 5 bis 10 oder zu 10 bis 20; diese längliche (röhrenförmige) Form erleichtert die Herstellung der (die Kammern begrenzenden) Gehäuse, die hohen Drucken zu widerstehen haben; dies trägt ebenfalls dazu bei, einen stetig variablen oder konstanten Durchsatz zu erhalten, um insbesondere durch eine erleichterte Steuerung der Geschwindigkeit der Kolben – (und somit der gemeinsamen Welle) – kurzzeitige Überdrucke (in der Endstellung) zu beseitigen (und/oder erheblich zu reduzieren).
Diese Vorteile werden verstärkt, wenn mindestens einer der beiden Endkolben nicht starr mit dem entsprechenden Ende der Gleitwelle verbunden ist, insbesondere, wenn der Kolben durch Verbindungsmittel mit der Welle verbunden ist, die eine (relative) Kolbenbewegung, entlang mindestens einer Achse, relativ zur Welle erlauben; insbesondere kann die Verbindung aus einem Kugelgelenk oder einem Kardangelenk bestehen, das eine relative Drehung entlang mindestens einer Querachse (zum Beispiel senkrecht zur Längsachse) erlaubt, aus einem Lager, das eine relative Translation entlang der Längsachse erlaubt, oder auch durch eine Kombination aus diesen Verbindungsmitteln; falls der Kolben nicht mit der Welle verbunden ist, weist er – ebenso wie die Welle – eine Kontaktfläche (Auflagefläche) mit dem Ende der Welle auf: während der Verdrängung des zu filtrierenden Wassers unter hohem Druck überträgt die Welle die Kraft, die vom Arbeitsmedium auf den mittleren Kolben ausgeübt wird, über diese Fläche auf den Endkolben; während der Füllung der Endkammer durch die Überförderungsmittel (Quellpumpe) unter einem niedrigen Druck „folgt" der Endkolben unter der Wirkung des (schwachen) Drucks, den das zu filtrierende Wasser auf seine erste Fläche (Vorderseite) ausübt, dem Wellenende, wobei er durch diese Auflagefläche mit diesem in Kontakt bleibt; in diesem Falle sind Mittel zur Führung der Gleitbewegung des Kolbens in der Kammer bevorzugt im Umfang des Endkolbens integriert.
Einem Merkmal der Erfindung entsprechend ist das Verhältnis des Querschnitts (bezogen auf die gemeinsame Längsachse der Kammern und der Welle) des ersten Abschnitts der Endkammer zum Querschnitt des zweiten Abschnitts der Endkammer proportional (gleich) zum Umwandlungsgrad des Filters, der allgemein in der Größenordnung von 20 bis 75% liegt; der Durchmesser der Welle und der Kammern jeder der Pumpen wird so gewählt, daß diese Proportion eingehalten wird.
Bevorzugt sind die zwei Endkammer identisch und symmetrisch zur mittleren Kammer, die den Kolben (Arbeitskolben) aufnimmt, der durch die hydraulische Flüssigkeit bewegt wird; auch die Leitungen zur Verbindung der Pumpe mit dem Filter sind im wesentlichen symmetrisch.
Nach einem anderen Aspekt umfaßt eine Wasserfiltrationsanlage mindestens zwei Pumpen, wie oben beschrieben, die am Einlaß und am Auslaß parallel angeschlossen sind, deren Betrieb phasenverschoben gehalten wird, und deren Geschwindigkeiten gesteuert und/oder geregelt werden, um eine (für die verschiedenen Pumpen kumulierte) Durchflußmenge an eingelassener Flüssigkeit (Wasser) am Einlaß und an Druckflüssigkeit (Wasser) am Auslaß zu erhalten, die im wesentlichen konstant sind (bevorzugt auf 10 % genau, insbesondere auf höchstens 5 % genau).
Bevorzugt umfaßt die Anlage zwei identische Pumpen, deren Wellen mit einer Geschwindigkeit und einer Phasenverschiebung bewegt werden, die im Laufe eines Zyklus variabel sind, wobei die Phasendifferenz weder null noch 180° beträgt und die Summe der Absolutwerte der Geschwindigkeiten beider Wellen über die Zeit im wesentlichen konstant sind.
Angesichts dessen, daß die zwei Wasserverdichtungskammern konstruktionsbedingt gegenphasig arbeiten, erlaubt der Zusatz einer zweiten Pumpe parallel zur ersten, und deren Wellenbewegung (gegenüber der Wellenbewegung der ersten Pumpe) zum Beispiel um einen Wert phasenverschoben ist, der zwischen 10 und 170 Grad liegt, die Vermeidung eines Nullpunkts des Durchsatzes der zu filtrierenden Flüssigkeit, der – bei Vorhandensein einer einzigen Pumpe – aufträte, wenn die Welle (und die drei zugehörigen Kolben) der Pumpe ihren Endstellung erreicht.
Einem Merkmal der Erfindung entsprechend wird zu diesem Zweck eine erste der beiden Wellen beschleunigt, wenn die zweite Welle in der Endstellung (am Totpunkt) anhält; zudem kann der Abschnitt der Endkammer mit einer Druckflüssigkeitsquelle verbunden sein, um die Unterdrucksetzung, durch diese Flüssigkeit, des vom Kolben in diese Kammer angesaugten (und/oder von einer davor angeordneten Quellenpumpe verdrängten) Wassers auf den normalen Speisedruck des Filters zu erlauben, damit ein (vorübergehender) Abfall des Drucks am Eingang des Filters vermieden wird; diese vorübergehende Unterdrucksetzung wird durchgeführt, wenn der entsprechende Kolben sich nach der Füllung dieses Abschnitts in der Endstellung (am Totpunkt) befindet; zu diesem Zweck kann dieser Kammerabschnitt momentan von den Ansaugungs- und Verdrängungskreisläufen getrennt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das übersalzte Wasser (Konzentrat) außerdem benutzt, um das hydraulische Antriebsöl beim Durchlauf eines Wärmeaustauschers zu kühlen.
Anderen bevorzugten Merkmalen der Erfindung entsprechend:

– werden röhrenförmige Wasserpumpkammern mit einem Durchmesser gewählt, der in einem Bereich von 50 bis 1000 mm liegt, insbesondere von 100 bis 600 mm;
– wird die Spitzengeschwindigkeit der Wellen und Kolben auf einem Wert gehalten, der in einem Bereich von 0,1 Meter pro Sekunde bis 10 Meter pro Sekunde liegt, bevorzugt von 0,25 Meter pro Sekunde bis 3 Meter pro Sekunde;
– wird der längere Stillstand der Wellen und Kolben an jedem Ende der Kammern („oberer" und „unterer" Totpunkt) bewirkt, vor allem, um einen Schritt der Wasserunterdrucksetzung durchzuführen, während einer Dauer, deren Verhältnis zur Bewegungsperiode der Welle in einem Bereich von 0,005 bis 0,1 liegt, insbesondere benachbart zu 0,01 bis 0,05;
– wird eine Hohlwelle verwendet, um die Trägheit der beweglichen Teile und die Reibungen an den Lagern zu reduzieren.

Die von der Erfindung erreichten Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung besser verständlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, die ohne jeden einschränkenden Charakter bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen.
In den Zeichnungen tragen identische oder vergleichbare Elemente stets die gleichen Bezugszeichen, außer bei anderslautender Angabe.
1 veranschaulicht auf schematische Weise eine Meerwasserentsalzungsanlage, die zwei identische Pumpen umfaßt, 2 und 3 veranschaulichen die gleiche Anlage in zwei verschiedenen Zuständen des Pumpzyklus.
4 ist ein Histogramm der Wellengeschwindigkeit jeder der Pumpen von 1 bis 3, das die Schwankungen dieser Geschwindigkeiten im Laufe eines Zyklus zeigt.
5 veranschaulicht 1 bis 3 entsprechend eine vergleichbare Anlage, wobei anstelle der Verteiler von 1 bis 3 Zweiwegemagnetventile verwendet werden.
6 veranschaulicht auf schematische Weise Mittel zur Aufrechterhaltung des Drucks der Kammern einer Pumpe.
7 zeigt eine schematische Teilansicht einer Ausführungsvariante der Erfindung, in welcher die Anlage drei Pumpen umfaßt, die parallel angeordnet sind.
Die Anlage 1 ist zur Entsalzung des Wassers bestimmt, das am Einlauf 2 von einer Pumpe – Quellpumpe genannt – (nicht dargestellt) unter einem Druck von 3 bis 4 Bar zugeführt wird; zu diesem Zweck wird das Salzwasser durch jede der zwei identischen Pumpen 3, 4 auf einen Druck von 70 Bar gebracht und durch Leitungen 5 dem Eingang 6 des Umkehrosmosefilters 7 zugeführt; das erhaltene Süßwasser wird bei 8 abgeleitet, wogegen das übersalzte Wasser, das bei 9 unter einem Druck von 69 Bar aus dem Filter 7 austritt, durch Leitungen 10 zu den Pumpen 3, 4 geleitet wird; das übersalzte Wasser überträgt in der Pumpe seine Energie auf das zu filtrierende Meerwasser und wird bei 11 unter einem Druck von 1 Bar ausgeleitet.
Der Energiezusatz, der zur Unterdrucksetzung des zu filtrierenden Meerwassers auf 70 Bar erforderlich ist, wird jeder Pumpe 3, 4 durch ein hydraulisches Antriebsaggregat 12 zugeführt, das am Ausgang 13 einen Öldurchsatz mit einem im wesentlichen konstantem Druck und Durchsatz abgibt; das Öl wird den Pumpen durch eine Leitung 14 zugeführt und durch eine Leitung 15 zum Behälter des Abtriebsaggregats zurückgeführt.
Bezug nehmend insbesondere auf 1, umfaßt jede der Pumpen 3, 4:

– ein Gehäuse 16, das drei zylindrische Kammern 18a, 18b zum einen, 19a, 19b zum anderen, und 20a, 20b zum dritten umfaßt; diese drei röhrenförmigen Kammern, die entlang der Achse 17 aneinandergereiht sind, sind durch zwei Trennwände 21, 22 getrennt, die eine Durchgangsöffnung aufweisen, die mit einem Lager mit Dichtungsringen versehen ist; und
– eine Hohlwelle 23, die entlang der Achse 17 verläuft und drei Kolben 24, 25, 26 trägt; die Welle ist auf (entlang der Pfeile 28) in Translation gleitende Weise in den Lagern der Trennwände 21, 22 befestigt; die Mitte der Welle 23 ist mit einem Arbeitskolben 25 versehen, der sich in der mittleren Kammer 19a, 19b hin- und herbewegen kann, unter der Wirkung des Drucks, der vom Öl auf eine seiner Seiten ausgeübt wird, das je nach gewünschter Bewegungsrichtung in den Abschnitt (oder Hohlraum) 19a oder im Gegenteil in den Abschnitt (oder Hohlraum) 19b eingeleitet wird, abhängig von der Stellung des Verteilers 27, der diese Kammer mit den Leitungen 14, 15 verbindet; der Kolben 24 trennt die Abschnitte 18a und 18b einer ersten Endkammer, während der Kolben 26 die Abschnitte (oder Hohlräume) 20a und 20b der zweiten Endkammer trennt; die geometrische Konfiguration der beweglichen Teile ist in bezug auf eine Quermittelebene symmetrisch, ebenso wie die Konfiguration der Kammern des Gehäuses 16.

Im Zustand, der in 1 dargestellt ist, bewirkt die Bewegung (entlang des Pfeils 28) des Kolbens 24 jeder Pumpe 3, 4 die Verdrängung des zu filtrierenden Wassers, das im Hohlraum 18a jeder Pumpe, in den Leitungen 5, über einen Verteiler 29, 50 bis zum Filter 7 vorhanden ist, auf 70 Bar; gleichzeitig füllt das zu filtrierende Wasser den Endhohlraum 20b jeder Pumpe, wobei es durch die Leitungen 30, 31, 32 strömt; die Energie, die erforderlich ist, um das Wasser im Hohlraum 18a durch die Seite 24a des Kolbens 24 zu verdichten, wird zum Teil vom Konzentrat geliefert, das in den Hohlraum 18b eindringt und durch die Leitung 10 und die Verteiler 51, 52 zugeführt wird, wobei der Druck dieses Konzentrats auf die zweite Seite 24b des Kolbens 24 ausgeübt wird, und zum Teil durch die Druckwirkung, auf den Kolben 25, des Öls, das aus dem Antriebsaggregat 12 kommend und in den Hohlraum 19b eindringt, wobei diese Kraft durch die Welle 23 auf den Kolben 24 übertragen wird.
Die Regelung und Steuerung des Moduls und der Richtung der Bewegungsgeschwindigkeit der zwei Wellen erfolgt durch die Steuerung der Positionsänderung (und/oder Zustandsänderung) der zwei hydraulischen Verteiler 27, die jeweils zu den zwei Pumpen 3, 4 gehören.
Diese Regelung kann elektrisch oder hydraulisch durch gebräuchliche Mittel gesteuert werden, die nicht dargestellt sind.
In der Position der Verteiler 27, die in 1 veranschaulicht wird, wird das Öl, das durch die Pumpe des Aggregats 12 in die Leitung 14 verdrängt wird, zum Teil durch die Leitung 33b in den Hohlraum 19b der Pumpe 3 geleitet, und wird zum Teil durch die Leitung 34b in den Hohlraum 19b der Pumpe 4 geleitet; die Durchsätze der zwei Ölströme, die jeweils in den zwei Leitungen 33b, 34b umlaufen und von der Position der Verteiler 27 abhängen, sind eingestellt, um den Start der Pumpe 3 (von ihrem unteren Totpunkt aus) zu bewirken und eine Geschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde für die Welle der Pumpe 4 zu gewährleisten; wie in 2 und 4 veranschaulicht, werden die Verteiler dann gesteuert, um den Öldurchsatz in der Leitung 33b zu erhöhen und gleichzeitig den Öldurchsatz in der Leitung 34b zu verringern, bis diese beiden Durchsätze im wesentlichen ausgeglichen (gleich) sind, wodurch sie eine Bewegung der zwei Wellen 23 mit einer gleichen Geschwindigkeit von 0,5 Meter pro Sekunde gewährleisten (2).
Wie in 4 veranschaulicht, folgt die Geschwindigkeit der Welle jeder Pumpe einer periodischen und alternierenden Variation (mit einem Mittelwert gleich null), die abgestuft ist; die Durchschnittsgeschwindigkeit (als Absolutwert) jeder Pumpenwelle beträgt 0,5 Meter pro Sekunde, und die Summe der Geschwindigkeitsmodule beider Wellen wird auf einem Wert von 1 Meter pro Sekunde gehalten, was die Zuführung von Meerwasser und die Verdrängung von unter Druck gesetztem Meerwasser mit einem konstanten Durchsatz bewirkt. Die drei Betriebszustände, die in 1 bis 3 dargestellt sind, entsprechen jeweils den Abszissenpunkten der Graphen in 4 von 0,7 Sekunde (zweite Punkte der Graphen), 0,8 Sekunde (dritte Punkte der Graphen) und 3,5 Sekunden (sechste Punkte der Graphen).
4 zeigt, daß an jedem Totpunkt (Endstellung) eine Stillstandsstufe mit Nullgeschwindigkeit von 0,1 Sekunde Dauer erfolgt; die Geschwindigkeitsgraphen der zwei Pumpen 3, 4 sind um einen Wert phasenverschoben, der während einer Periode in der Größenordnung von 1,2 Sekunden um einen durchschnittlichen Phasenverschiebungswert herum variabel ist, das heißt um 54 Grad unter Berücksichtigung des Werts (ungefähr 8 Sekunden) der Bewegungsperiode.
Ein Wärmeaustauscher mit dem Bezugszeichen 80 in 7 ist bevorzugt mit der Auslaßleitung 35 des übersalzten Wassers mit niedrigem Druck sowie mit einer der Ölzuleitungen 14, 15 verbunden, um das Öl zu kühlen.
Ein Organ 36, das die Nähe des Kolbens 24 erkennt (wie zum Beispiel ein elektromagnetischer Sensor) ist in der Nachbarschaft des längsseitigen Endes jeder Kammer 18a, 20b angeordnet und ist mit einer Steuereinheit mit dem Bezugszeichen 81 in 7 zur Steuerung der Ventile und Verteiler verbunden.
Während der Stillstandsstufe wird nach der Füllung der Hohlräume 18a, 20b mit zu filtrierendem Wasser ein Unterdrucksetzungsorgan momentan mit dem Hohlraum in Verbindung gesetzt, um den Druck von 4 auf 70 Bar zu erhöhen; dies kann, wie in 6 gezeigt, durchgeführt werden, indem ein Ausdehnungsgefäß 43 (mit einer Membran 44) verwendet wird, das über Leitungen, die mit einem gesteuerten Trennorgan 41, 42 (Magnetventil) versehen sind, mit der Kammer sowie mit einem Druckölvorrat 40 verbunden ist; ein Speicher 82, der es erlaubt, die Druckschwankungen in diesem Hohlraum zu dämpfen, ist mit dem Rückgewinnungshohlraum 18b zum Empfang des übersalzten Wassers verbunden.
Die in 7 dargestellte Pumpvorrichtung umfaßt drei identische Pumpen 3, 4, 60, die auf gleiche Weise wie oben beschrieben alle parallel am Einlauf und Auslauf mit den Leitungen zur Ansaugung und Verdrängung von Wasser (nicht dargestellt) verbunden sind.
Im Gegensatz zu 1, 2, 3, 5 ist der Hydraulikzylinder 61, der mit jeder Pumpe zu deren Antrieb assoziiert ist, nicht im mittleren Abschnitt jeder Pumpe angeordnet, sondern vom Gehäuse getrennt, das die Kammern zur Ansaugung und Verdrängung des zu filtrierenden Wassers (18a, 20b) und des übersalzten Wassers (18b, 20a) begrenzt.
Jeder Zylinder 61 umfaßt den Arbeitskolben 25, der sich in einer zylindrischen Kammer 19a, 19b hin- und herbewegt, die mit der Wasserpumpe 3, 4, 60 in einer Reihe liegt, die zu diesem Zylinder gehört, wobei dieser Kolben 25 durch eine Stange 62 mit der Gleitwelle 23 der Pumpe verbunden ist; die Stange (oder Sekundärwelle) 62 ist relativ zum Körper des Zylinders 61 und der zugehörigen Pumpe auf hin und herbewegliche Weise befestigt, mit Hilfe von dichten Lagern wie z.B. 63, die durch die Wände dieser Körpers hindurch vorgesehen sind; damit das Verhältnis der Querschnitte der Hohlräume 20a, 20b mit dem der Querschnitte der Hohlräume 18b, 18a identisch ist, ist eine Stange 64, deren Querschnitt mit dem der Stange 62 identisch ist, am Kolben 26 festgemacht und durch ein dichtes Lager 65 auf hin- und herbewegliche Weise durch eine Öffnung im Pumpengehäuse befestigt; die Stangen 62, 64 sind, ebenso wie die Welle 23, entlang der gemeinsamen Längsachse 17 der Pumpe und des Zylinders angeordnet, die bevorzugt horizontal ist, damit das Gewicht der beweglichen Teile (Stangen, Kolben und Wellen) jeder Pumpe ihre Bewegungssteuerung nicht kompliziert.
Der den drei Pumpen gemeinsame Kreislauf 66, der das Drucköl zum Antrieb der drei Zylinder 61 erzeugt, umfaßt eine Pumpe 12, die in eine Leitung 14 verdrängt, die mit einem Durchflußmesser 67 ausgestattet ist, und eine Ölrückleitung 15 zu einem Behälter 68, auf welchem der Kühler 80 angeordnet ist.
Das von der Pumpe 12 unter Druck gesetzte Öl wird durch die Leitung 14 zum Eingang eines Verteilers 68 geleitet, dessen Rücklaufausgang mit der Leitung 15 verbunden ist.
Der Verteiler 68 bewirkt die Verteilung des Öldurchsatzes, der von der Pumpe 12 gefördert wird, zu den Zylindern 61 zur Betätigung der Pumpen 3, 4, 60, wie oben beschrieben, unter der Steuerung der Steuereinheit 81, die die Signale der Sensoren 36, 37 empfängt.
Zu diesem Zweck ist jeder doppelwirkende Zylinder 61 durch zwei Leitungen 69, 70 mit dem Verteiler 68 verbunden.

Claims

Vorrichtung zum Pumpen einer Flüssigkeit, umfassend: – zwei Pumpen (3, 4, 60), umfassend: – eine Betätigungsvorrichtung (19a, 19b, 25, 61), die der Flüssigkeit die für ihre Kompression erforderliche Energie liefert – abzüglich der Energie des von den Kolben wiedergewonnenen Konzentrats – indem eine Wechseltranslationsbewegung der Welle (23) und ein Gleiten der Kolben der Pumpe hervorgerufen wird, – mindestens zwei Kammern (18a, 18b, 20a, 20b), die entlang einer Längsachse (17) angeordnet sind, – mindestens zwei Kolben (24, 26), die in Wechseltranslation beweglich in jeder der beiden Kammern angeordnet sind, – eine Welle (23) zur Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben, die sich zum Teil in jeder der Kammern erstreckt und in bezug auf diese entlang der Längsachse gleitend angeordnet ist, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, ist, daß sie ferner Steuermittel (27, 68, 81) umfaßt, die einen längeren Stillstand der Welle und der Kolben jeder Pumpe an jedem Anschlag hervorrufen und eine der beiden Pumpen beschleunigen können, während sich die andere der beiden Pumpen am Anschlag länger im Stillstand befindet, um die kumulierte Menge der von den Pumpen beförderten Flüssigkeit auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.
Pumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung einen Hydraulikzylinder (19a, 19b, 25, 61) mit Zweifachwirkung für den Antrieb jeder Pumpe umfaßt, und daß die Vorrichtung ferner eine Zirkulationsschleife (14, 15) für das antreibende Hydraulikfluid umfaßt, die den Hydraulikzylindern gemeinsam ist, und daß die Steuermittel Mittel (27, 68) zur selektiven Verbindung jedes Zylinders mit der Schleife umfassen, wobei die Mittel zur selektiven Verbindung derart gesteuert werden, daß die Summe der Durchflußmengen des an die Zylinder gelieferten antreibenden Hydraulikfluids zeitlich konstant ist.
Wasserpumpvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die für das Pumpen von Wasser geeignet ist, umfassend: – eine erste und eine zweite Pumpe (3, 4, 60), die parallel angeordnet sind, – in jeder der Pumpen eine Rückseite (24b, 26a) jeder der beiden Kolben (24, 26), die mit dem Pumpenkörper (16) und der Welle (23) einen Hohlraum (18b, 20a) begrenzt, der ein Konzentrat unter Druck aufnimmt, um zur Unterdrucksetzung des Wassers in einem Hohlraum (18a, 20b) beizutragen, der durch den Körper und die Vorderseite (24a, 26b) des Kolbens (24, 26) begrenzt ist, – eine Betätigungsvorrichtung, umfassend einen Zylinder (19a, 19b, 21, 61), der mit jeder der Pumpen für ihren Antrieb verbunden ist, – und die Steuermittel (27, 68, 81), die die Zylinder steuern können, die es ermöglichen, ständig eine Phasenverschiebung zwischen den Bewegungen der beiden Pumpen sicher zu stellen, deren Wert weder gleich Null noch gleich 180° ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner Mittel (40 bis 44, 82) zum Unterdrucksetzen der Wasserpumpkammern (18a, 18b, 20a, 20b) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die Mittel (12, 27, 68, 81) umfaßt, um die Summe der Absolutwerte der Geschwindigkeiten der Wellen (23) auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Hydraulikzentrale (12) umfaßt, die den Pumpen (3, 4, 60) gemeinsam ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kolben (24, 26) identisch und an beiden Enden der Welle (23) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein dritter Kolben (25) an der Welle (23) in gleichem Abstand zu den beiden Kolben (24, 26) angeordnet ist, wobei der dritte Kolben in einer Kammer (19a, 19b) gleitend ist, die dazu bestimmt ist, ein antreibendes Hydraulikfluid aufzunehmen und in der die bewegliche Ausrüstung (23 bis 26) und die Kammern (18a bis 20b) zu einer Quermittelebene symmetrisch sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Kammern (18a, 18b, 20a, 20b) röhrenförmig und längsförmig sind, wobei das Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durchmesser größer oder gleich 3 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die beiden Kolben (24, 26) nicht starr mit den Enden der Welle (23) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die beiden Kolben (24, 26) mit den Enden der Welle (23) durch Mittel verbunden sind, die ein Kugelgelenk, einen Kardanantrieb oder ein Gleitlager umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 für das Pumpen von Salzwasser, die einen Wärmetauscher umfaßt, der das Hydraulikantriebsöl der Zylinder unter Verwendung des übersalzenen Wassers kühlen kann.
Verfahren zum Entsalzen von Meerwasser durch Umkehrosmose, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird und bei dem die Spitzengeschwindigkeit der Wellen und Kolben auf einem Wert gehalten wird, der in einem Bereich von 0,1 Meter pro Sekunde bis 10 Meter pro Sekunde liegt.
Verfahren zum Entsalzen von Meerwasser durch Umkehrosmose, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird und bei dem eine Phasenverschiebung zwischen zwei Pumpen (3, 4, 60) aufrecht erhalten wird, deren Wert in einem Bereich von 10 bis 170 Grad liegt.
Verfahren zum Entsalzen von Meerwasser durch Umkehrosmose, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird und bei dem eine periodische Bewegung jeder Pumpe hervorgerufen wird, deren Periode einen Wert aufweist, der in einem Bereich von 1 bis 100 Sekunden liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein verlängerter Stillstand der Kolben (24, 26) am Anschlag während einer Dauer hervorgerufen wird, deren Verhältnis zur genannten Periode einen Wert aufweist, der in einem Bereich von 10^–3 bis 10^–1 liegt.