-
Die
Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Zylindertrommel,
die mindestens zwei Zylinder aufweist, einem Kolben in jedem Zylinder,
der mit einer Gleitfläche an einer Schrägscheibe anliegt,
einer Ventilanordnung, die ein stationäres Anschlusselement
und ein mit der Zylindertrommel rotierendes Ventilelement aufweist,
wobei das Anschlusselement eine mit einem Einlassanschluss verbundene
Pumpeneinlassöffnung und eine mit einem Hochdruckanschluss
verbundene Pumpenauslassöffnung aufweist.
-
Ferner
betrifft die Erfindung eine Umkehrosmoseeinrichtung mit einer Pumpe
und einer Membraneinheit, die eine Membrane, einen Eingang und einen
Konzentratausgang auf einer Seite der Membran und einen Permeatausgang
auf der anderen Seite der Membran aufweist.
-
Eine
Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art ist beispielsweise
aus
DE 102 23 844
A1 bekannt. Die Gleitschuhe werden dabei üblicherweise
durch einen Niederhalter in Anlage an der Schrägscheibe
gehalten. Wenn sich die Zylindertrommel dreht, dann werden die Gleitschuhe
parallel zur Achse der Zylindertrommel auf einer Hälfte
der Schrägscheibe aufwärts bewegt, so dass der
Kolben ein Volumen im in der Zylindertrommel ausgebildeten Zylinder
verkleinert, und in der anderen Hälfte der Schrägscheibe
abwärts bewegt, so dass er das Volumen wieder vergrößert.
Der Kolben führt also in der ersten Hälfte der
Schrägscheibe einen Druckhub durch und in der anderen Hälfte
der Schrägscheibe einen Saughub. Die Pumpeneinlassöffnung
und die Pumpenauslassöffnung sind hierbei zweckmäßigerweise nierenförmig
ausgebildet, so dass sie von einer Öffnung in dem als Ventilplatte
ausgebildeten Ventilelement überstrichen werden können,
wenn sich die Zylindertrommel dreht.
-
Wenn
man eine derartige Axialkolbenmaschine als Pumpe in Zusammenhang
mit einer Umkehrosmoseeinrichtung verwendet, dann ist der Hochdruckanschluss
mit dem Eingang der Membraneinheit verbunden. Zu reinigendes Wasser,
das der Membraneinheit zugeführt wird, steht dann unter
einem erhöhten Druck an einer Seite der Membran an. Ein
Teil dieses Wassers tritt durch die Membran hindurch und kann auf
der anderen Seite der Membran als Permeat abgenommen werden. Auf
der Seite der Membran, auf der der Eingang angeordnet ist, erhöht sich
die Konzentration im Wasser, so dass sich hier ein Konzentrat bildet.
Dieses Konzentrat steht immer noch unter einem erhöhten
Druck.
-
Man
hat daher vorgeschlagen, mit dem Konzentrat einen Motor oder eine
Turbine zu betreiben, die auf der gleichen Welle angeordnet ist,
wie die Pumpe, siehe
US 6 139
740 oder
US
6 468 431 B1 .
-
Allerdings
ist hier eine zusätzliche Vorrichtung erforderlich, nämlich
der mit dem Konzentrat betreibbare Antriebsmotor.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umkehrosmoseeinrichtung
möglichst wirtschaftlich betreiben zu können.
-
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man eine Axialkolbenmaschine
der eingangs genannten Art verwendet, bei der das Anschlusselement
eine Motoreinlassöffnung aufweist, die mit einem Hochdruckrücklaufanschluss
verbunden ist und mit jedem Zylinder über einen vorbestimmten
ersten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel in Verbindung steht.
-
Eine
derartige Axialkolbenmaschine arbeitet dann sozusagen gleichzeitig
als Pumpe und als Motor. Allerdings reicht die Antriebsleistung
des Motors dabei nicht aus, um die Pumpenleistung zur Verfügung
zu stellen, so dass ein zusätzlicher Antrieb für die
Zylindertrommel erforderlich ist. Allerdings kann man das von der
Membraneinheit der Umkehrosmoseeinrichtung zurückfließende
Konzentrat verwenden, um die Maschine anzutreiben. Das von der Membraneinheit
zurückfließende Konzentrat wirkt also antreibend
auf einen Kolben, während ein anderer Kolben die Pumpenleistung
erbringt. Allerdings wird das Konzentrat nicht über den
gesamten ”Saughub” des Kolbens in den Zylinder
eingespeist, sondern nur über den vorbestimmten ersten
Drehwinkelbereich, so dass über den Rest des ”Saughubs” Flüssigkeit über
den Einlassanschluss zugeführt werden kann.
-
Hierbei
ist bevorzugt, dass die Motoreinlassöffnung in Drehrichtung
der Zylindertrommel zwischen der Pumpenauslassöffnung und
der Pumpeneinlassöffnung angeordnet ist. Damit wird erreicht, dass
frische Flüssigkeit vom Einlassanschluss, die zuletzt eingespeist
wird, wie bei einem nachfolgenden Druckhub des Kolbens als erstes
wieder an den Hochdruckanschluss ausgegeben wird.
-
Vorteilhafterweise
ist eine Ventileinrichtung vorgesehen, die über einen vorbestimmten
zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel einen Auslasskanal
aus dem Zylinder freigibt. Damit lässt sich erreichen,
dass man das Konzentrat, das zuvor zum Antreiben der Zylindertrommel
verwendet worden ist, zumindest weitgehend aus dem Zylinder entfernt
und durch frische Flüssigkeit ersetzt. Der Betrieb der Membraneinheit
der Umkehrosmoseeinrichtung wird daher nicht dadurch gestört,
dass man die Konzentration im Konzentrat über vorbestimmte
Grenzen hinaus erhöht.
-
Vorzugsweise
mündet der Auslasskanal in einer vorbestimmten axialen
Entfernung zur Ventilanordnung in den Zylinder. Wenn der Auslasskanal
freigegeben wird, kann man dann eine Durchströmung erzeugen,
d. h. die eintretende frische Flüssigkeit kann dann das
zuvor zum Antreiben der Zylindertrommel verwendete Konzentrat aus
dem Auslasskanal hinaustreiben. Ein Arbeitszyklus eines Zylinders sieht
dabei so aus: wenn der Kolben den tiefsten Punkt der Schrägscheibe
erreicht hat, wird er bei einer weiteren Drehung der Zylindertrommel
zur Ventilanordnung hin bewegt und verdrängt dabei Flüssigkeit
aus dem Zylinder in die Pumpenauslassöffnung. Von dort
gelangt die Flüssigkeit zum Eingang der Membraneinheit.
Das von der Membraneinheit zurückfließende Konzentrat,
das nach wie vor unter einem relativ hohen Druck steht, der nur
geringfügig kleiner ist als der Druck an der Pumpenauslassöffnung,
wirkt dann auf den Kolben, wenn der Kolben den höchsten
Punkt der Schrägscheibe überschritten hat und
sich wieder von der Ventilanordnung weg bewegt. Dabei stellt das
Konzentrat einen Teil der Antriebsleistung zur Verfügung,
weil der mit einem Druck von der Ventilanordnung weg beaufschlagte Kolben über
die Schrägscheibe ein Antriebsmoment auf die Zylindertrommel
erzeugt. Wenn sich die Zylindertrommel weiter bewegt, öffnet
die Ventileinrichtung den Auslasskanal, so dass bei einer weiteren Bewegung
des Kolbens von der Ventilanordnung weg nunmehr die Volumenzunahme
durch frische Flüssigkeit aufgefüllt wird, die
später in der Membraneinheit durch Umkehrosmose gereinigt
werden soll.
-
Vorzugsweise
weist die Ventileinrichtung eine Abflussöffnung in der
Schrägscheibe auf, die der Pumpeneinlassöffnung
gegenüber liegt, und der Auslasskanal durchsetzt die Gleitfläche.
Wenn der Zylinder über die Ventilanordnung in Verbindung
zu der Pumpeneinlassöffnung steht, dann ist er durch den
Kolben hindurch mit der Abflussöffnung in der Schrägscheibe
verbunden, so dass das Konzentrat durch den Kolben hindurch, also
durch den Auslasskanal, abfließen kann. Man kann dann mehr
frisches Wasser in den Zylinder einspeisen, als es an und für sich
bei dem Hub möglich wäre, den der Kolben noch auf
dem verbleibenden Weg über die Schrägscheibe ausführt.
Wenn der Kolben dann nach dem Durchlaufen des tiefsten Punktes der
Schrägscheibe wieder einen Druckhub ausführt,
dann wird im Wesentlichen frisches Wasser in die Pumpenauslassöffnung
gepumpt, so dass sich die Konzentration von Salzen oder anderen
im Permeat unerwünschten Stoffen nicht über ein
vorbestimmtes Maß hinaus erhöhen kann.
-
Hierbei
ist bevorzugt, dass die Abflussöffnung deckungsgleich zur
Pumpeneinlassöffnung angeordnet ist. Je genauer die Zuordnung
zwischen der Abflussöffnung und der Pumpeneinlassöffnung
ist, desto besser kann man die Befüllung des Zylinders mit
frischem Wasser bewirken.
-
In
einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung
einen in die Zylindertrommel ragenden Zapfen aufweist, der den in
der Zylindertrommel ausgebildeten Auslasskanal abdeckt oder im vorbestimmten
zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigibt. Auch bei
dieser Ausgestaltung weist die Ventileinrichtung ein stationäres
Element auf, nämlich den Zapfen, und ein rotierendes Element,
nämlich die Zylindertrommel. Durch die Rotation der Zylindertrommel
wird dann automatisch der Auslasskanal im vorbestimmten zweiten
Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigegeben und im Übrigen
gesperrt.
-
In
einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung
einen mit der Zylindertrom mel verbundenen Zapfen aufweist, der in die
Schrägscheibe hineinragt. In diesem Fall wird die Ventilfunktion
beispielsweise in der Schrägscheibe angeordnet sein.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung
eine außen an der Zylindertrommel anliegende Dichtwand
aufweist, die den Auslasskanal abdeckt oder im vorbestimmten zweiten
Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigibt. Auch hier hat die
Ventileinrichtung ein stationäres Element, nämlich
die Dichtwand und ein rotierendes Element, nämlich die
Zylindertrommel. Durch die Rotation der Zylindertrommel wird der
Auslasskanal lagerichtig freigegeben oder gesperrt.
-
In
den letzten drei Ausgestaltungen ist es von Vorteil, wenn der Auslasskanal
radial verläuft. In diesem Fall kann man den Auslasskanal
relativ einfach herstellen. Der Begriff ”radial” ist
hierbei nicht im mathematisch strengen Sinn zu verstehen. Der Auslasskanal
muss nur von radial innen nach radial außen verlaufen.
Er kann also durchaus auch einen Winkel ungleich 90° zur
Rotationsachse der Zylindertrommel aufweisen und muss diese Rotationsachse nicht
einmal schneiden.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement
in die Zylindertrommel ragt. In diesem Fall hat man größere
Freiheiten bei der Gestaltung der Anschlussgeometrie, d. h. bei
der Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit in den verschiedenen
Druckstufen.
-
Vorzugsweise
ist dem Niederdruckanschluss eine Speisepumpe vorgeschaltet. Die
Speisepumpe muss keinen größeren Druck erzeugen.
Sie dient lediglich dazu, das Konzentrat aus dem Zylinder so weit
zu verdrängen, wie dies erforderlich ist. Hierzu reicht
ein vergleichsweise niedriger Druck aus.
-
Vorzugsweise
ist die Motoreinlassöffnung über eine Drossel
mit einem Niederdruckbereich verbunden. Es ist insbesondere bei
wechselnden Permeat-Verbrauchsmengen an der Membraneinheit schwierig,
den Rückfluss des Konzentrats richtig einzustellen. Theoretisch
sollte genau soviel Konzentrat zur Motoreinlassöffnung
gelangen, wie sich das Volumen des Zylinders durch die Bewegung
des Kolbens vergrößert, wenn der Zylinder die
Motoreinlassöffnung überstreicht. Durch die Drossel
kann man dann dafür sorgen, dass ein Zuviel an Konzentrat
in den Niederdruckbereich abfließen kann. Gleichwohl bleibt
die Antriebsleistung des Konzentrats erhalten.
-
Alternativ
oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Schrägscheibe
einen veränderbaren Winkel aufweist. Wenn der Winkel verändert
wird, dann verändert sich auch der Hub des Kolbens im Zylinder
und somit das Volumen, das bei jedem Hub des Kolbens im Zylinder
freigegeben oder verdrängt wird. Auch damit lässt
sich eine Anpassung an das rückfließende Konzentrat
vornehmen.
-
Hierbei
ist bevorzugt, dass eine Steuereinrichtung zur Veränderung
des Winkels vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung mit einem
Sensor verbunden ist. Der Sensor kann beispielsweise den Permeatverbrauch
an der Membraneinheit messen oder die Salz- oder Schmutzkonzentration
auf der Konzentratseite der Membran.
-
Die
Aufgabe wird bei einer Umkehrosmoseeinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Pumpe wie oben beschrieben
ausgebildet ist, wobei die Pumpenauslassöffnung mit dem Eingang
und die Motorauslassöffnung mit dem Konzentratausgang verbunden
ist.
-
Auf
diese Weise ist es möglich, den Druck, der am Permeatausgang
der Membraneinheit noch ansteht, zum Antrieb der Axialkolbenmaschine
zu verwenden, ohne dass eine zusätzliche Maschine erforderlich
ist.
-
Vorzugsweise
ist eine Längendifferenz zwischen der Pumpenauslassöffnung
und der Motoreinlassöffnung in Drehrichtung an die Membrane
angepasst. Wenn man von einem stationären Betrieb ausgeht,
bei dem immer eine konstante Menge an Permeat am Permeatausgang
entnommen wird, dann kann man leicht errechnen, wie groß die
Differenz zwischen dem Volumen ist, das der Kolben im Zylinder bei
einem Druckhub fördert, und dem Volumen, das vom Permeatausgang
der Membran überhaupt noch zurückfließen
kann. Wenn beispielsweise 25% des Frischwassers als Permeat abgenommen
werden, dann können nur 75% durch den Konzentratausgang
wieder abfließen. Dementsprechend würde es in
diesem Fall ausreichen, die Motoreinlassöffnung so zu dimensionieren,
dass der Kolben über 75% der Kolbenbewegung vom Konzentratausgang beaufschlagt
wird. Das dann beim Vorbeilaufen an der Motoreinlassöffnung
durch die Bewegung des Kolbens freiwerdende Volumen im Zylinder
entspricht dann genau der Menge an Flüssigkeit, die vom
Konzentratausgang zurückfließt.
-
Vorzugsweise
weist die Membraneinheit einen Verbrauchssensor auf, der mit einer
Verstelleinrichtung gekoppelt ist. In diesem Fall kann man auch bei
wechselnden Verbrauchsvolumen dafür sorgen, dass bei einem
antreibenden Hub des Kolbens im Zylinder der Zylinder gefüllt
wird, aber nicht überfüllt wird.
-
Hierbei
ist bevorzugt, dass die Verstelleinrichtung auf eine Drossel einwirkt,
die die Motoreinlassöffnung mit einem Niederdruckbereich
verbindet. Überschüssiges Konzentrat kann dann
durch die Drossel zum Niederdruckbereich abfließen, wobei man
die Drossel so einstellen kann, dass der zum Betreiben der Zylindertrommel
notwendige Druck erhalten bleibt. Als verstellbare Drossel kann
auch ein Ventil angesehen werden, das durch die Verstelleinrichtung
geöffnet oder geschlossen werden kann.
-
Man
kann auch vorsehen, dass die Verstelleinrichtung auf dem Neigungswinkel
der Schrägscheibe einwirkt. In diesem Fall wird die Hubhöhe des
Kolbens im Zylinder verändert, so dass man auch dadurch
auf das Arbeitsvolumen im Zylinder, das vom Kolben freigegeben oder
das verdrängt wird, Einfluss nehmen kann.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Umkehrosmoseeinrichtung,
-
2 eine
Axialkolbenmaschine im Längsschnitt,
-
3 eine
perspektivische Darstellung einer Anschlussplatte,
-
4 eine
perspektivische Darstellung einer Ventilplatte,
-
5 eine
schematische Darstellung einer Schrägscheibe mit Kolben
und Gleitschuh,
-
6 eine
Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Umkehrosmoseeinrichtung,
-
7 eine
abgewandelte Ausführungsform zu 6,
-
8 eine weitere Ausführungsform
einer Axialkolbenmaschine in schematischer Darstellung und
-
9 eine weitere Ausführungsform
einer Axialkolbenmaschine in schematischer Darstellung.
-
1 zeigt
eine Umkehrosmoseeinrichtung 1 mit einer Membraneinheit 2,
die eine Membran 3 aufweist. Die Membraneinheit weist einen
Eingang 4 und einen Konzentratausgang 5 auf einer
Seite der Membran 3 auf. Auf der anderen Seite der Membran 3 ist
ein Permeatausgang 6 angeordnet, an dem gereinigtes Wasser
entnommen werden kann.
-
Aus
Gründen der Einfachheit wird im Folgenden davon ausgegangen,
dass mit Hilfe der Membraneinheit 2 Salzwasser entsalzen
werden soll, das aus einem Vorrat 7 entnommen wird. Das
entsalzene Wasser wird am Permeatausgang 6 abgegeben. Wasser
mit einer höheren Salzkonzentration wird am Konzentratausgang 5 abgegeben.
Die Umkehrosmoseeinrichtung 1 ist jedoch nicht auf die
Verwendung im Zusammenhang mit Salzwasser beschränkt. Auch andere
Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, die mit anderen Belastungen
versehen sind, können mit der Umkehrosmoseeinrichtung 1 entsprechend
gereinigt werden.
-
Für
die Umkehrosmose ist ein erhöhter Druck des Salzwassers
erforderlich. Dieser erhöhte Druck wird durch eine Axialkolbenmaschine 8 erzeugt,
die in Zusammenhang mit den 2 bis 5 näher
beschrieben werden wird. Die Axialkolbenmaschine 8 wirkt
hier hauptsächlich als Pumpe. Sie wird durch einen schematisch
dargestellten Motor 9 angetrieben, beispielsweise einem
Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor. Eine Speisepumpe 10 kann
der Axialkolbenmaschine vorgeschaltet sein, um eine ausreichende
Befüllung der Axialkolbenmaschine 8 herzustellen,
wie nachfolgend erläutert werden wird.
-
Das
Konzentrat, das am Konzentratausgang 5 ansteht, weist einen
erhöhten Druck auf, der nur wenige bar unter dem Druck
am Hochdruckanschluss 11 der Axialkolbenmaschine 8 liegt.
Um diesen Druck auszunutzen, ist der Konzentratausgang 5 der
Membraneinheit 2 mit einem Hochdruckrücklaufanschluss 12 der
Axialkolbenmaschine 8 über eine Leitung 13 verbunden.
Aus der Leitung 13 kann eine Zweigleitung 14 abzweigen,
in der eine Drossel 15 angeordnet ist. Die Drossel 15 kann
verstellbar sein.
-
Hierzu
kann beispielsweise am Permeatausgang 6 der Membraneinheit 2 ein
Sensor 16 vorgesehen sein, der in Abhängigkeit
von der Abflussmenge des Permeats die Drossel 15 verstellt.
Die Drossel 15 kann auch durch ein Ventil gebildet sein,
das beispielsweise abwechselnd geöffnet und geschlossen wird.
-
Die
Axialkolbenmaschine 8 weist noch einen Abflussanschluss 37 auf,
der mit einem Niederdruckbereich verbunden ist, beispielsweise dem
Vorrat 7.
-
Die
Axialkolbenmaschine 8 wird im Zusammenhang mit den 2 bis 5 näher
erläutert. Sie ist in weiten Teilen nach Art einer herkömmlichen Axialkolbenmaschine
aufgebaut, d. h. sie weist ein Gehäuse 17 auf,
in dem eine Zylindertrommel 18 drehbar gelagert ist. In
der Zylindertrommel 18 ist mindestens ein Zylinder 19 angeordnet,
dessen Achse hier parallel zur Achse der Zylindertrommel 18 verläuft.
Im Zylinder 19 ist ein Kolben 20 angeordnet, der in
Richtung eines Doppelpfeils 21 hin und her bewegbar ist.
-
Der
Kolben 20 stützt sich mit einem Gleitschuh 22 an
einer Schrägscheibe 23 ab. Ein Niederhalter 24 hält
den Gleitschuh 22 mit seiner Gleitfläche 25 in
Anlage an der Schrägscheibe 23. Wenn sich die Zylindertrommel 18 dreht,
dann wird der Kolben 20 von seinem in 2 dargestellten
oberen Totpunkt in einen unteren Totpunkt und wieder zurück
bewegt.
-
Die
Zylindertrommel 18 ist mit einer Ventilplatte 26 verbunden.
Hierzu ist jeder Zylinder 19 mit einer Buchse 27 versehen,
die in die Ventilplatte 26 eingesteckt ist. Diese Buchsen 27 müssen
nicht unbedingt vorhanden sein. Derartige Axialkolbenmaschinen können
viele unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Die Ventilplatte 26 hat
für jeden Zylinder 19 eine Steueröffnung 28.
-
Die
Ventilplatte 26 liegt an einer Anschlussplatte 29 an,
die in 3 näher dargestellt ist.
-
Die
Anschlussplatte 29 weist drei Steueröffnungen
auf, die auch als ”Steuernieren” bezeichnet werden,
weil sie einen bogenförmigen Verlauf haben. Im Einzelnen
weist die Anschlussplatte 29 eine Pumpeneinlassöffnung 30 und
eine Pumpenauslassöffnung 31 auf, wie dies von
herkömmlichen Axialkolbenmaschinen bekannt ist. Zusätzlich
ist in Drehrichtung der Zylindertrommel 18 zwischen der
Pumpenauslassöffnung 31 und der Pumpeneinlassöffnung 30 eine
Motoreinlassöffnung 32 vorgesehen.
-
Die
Pumpenauslassöffnung 31 steht mit dem Hochdruckanschluss 11 in
Verbindung. Die Motoreinlassöffnung 32 steht mit
dem Hochdruckrücklaufanschluss 12 in Verbindung.
Die Pumpeneinlassöffnung 30 steht mit einem Einlassanschluss 33 der
Axialkolbenmaschine in Verbindung.
-
In 5 ist
die Schrägscheibe 23 mit einem Kolben 20 und
dem zugehörigen Gleitschuh 22 gezeigt. Es ist
zu erkennen, dass in der Schrägscheibe 23 eine
Abflussöffnung 34 vorgesehen ist. Der Kolben 20 ist,
wie dies aus 2 zu erkennen ist, hohl. Er
weist einen Auslasskanal 35 auf, der die Gleitfläche 25 durchsetzt
und mit dem hohlen Innenraum 36 in Verbindung steht. Dementsprechend
kann, wenn der Kolben 20 die Abflussöffnung 34 überfährt,
Flüssigkeit aus dem Zylinder 19 durch die Abflussöffnung 34 abfließen.
Die Abflussöffnung 34 ist verbunden mit dem Abflussanschluss 37 der
Axialkolbenmaschine 8.
-
Aus 5 ist
zu erkennen, dass die Abflussöffnung 34 so positioniert
ist, dass sie winkelmäßig mit der Pumpeneinlassöffnung 30 übereinstimmt. Wenn
also eine Steueröffnung 28 die Pumpeneinlassöffnung 30 erreicht,
dann verdrängt Salzwasser, das dem Eingangsanschluss 33 der
Axialkolbenmaschine 8 zugeführt wird, die bis
dahin im Zylinder 19 befindliche Flüssigkeit durch
den Abflussanschluss 37 in einen Niederdruckbereich, beispielsweise
den Vorrat 7.
-
Diese
Funktion soll nun anhand von 6 näher
erläutert werden. Dargestellt ist ein Kolben 20 in
neun verschiedenen Positionen a–i, wobei diese Positionen
durch die Position der dem zugehörigen Zylinder 19 zugeordneten
Steueröffnung 28 in Bezug auf die Pumpeneinlassöffnung 30,
die Pumpenauslassöffnung 31 und die Motoreinlassöffnung 32 dargestellt
sind. Die Zylindertrommel 18 dreht sich dabei bezogen auf 6 entgegen
dem Uhrzeigersinn.
-
Wenn
der Kolben 20 mit seiner Steueröffnung 28 den
Beginn der Pumpenauslassöffnung 31 erreicht (a),
befindet er sich in seinem unteren Totpunkt, d. h. der zugehörige
Zylinder 19 ist mit der größtmöglichen
Salzwassermenge gefüllt. Wenn sich die Zylindertrommel 18 weiter
dreht (b–d), dann wird der Kolben 20 nach oben
gedreht und verdrängt die im Zylinder 19 befindliche
Menge an Salzwasser durch die Pumpenauslassöffnung 31 und
den Hochdruckanschluss 11 zum Eingang 4 der Membraneinheit 2.
-
Das
Salzwasser tritt teilweise durch die Membrane 3 und kann über
den Permeatausgang 6 abgenommen werden.
-
Am
Konzentratausgang 5 steht Konzentrat mit einem immer noch
relativ hohen Druck an. Dieses Konzentrat wird der Motoreinlassöffnung 32 zugeführt über
den Hochdruckrücklaufanschluss 12. Dieses Konzentrat
presst den Kolben 19 (f, g) die Schrägscheibe 23 hinunter,
wobei durch das Zusammenwirken von Gleitschuh 22 und Schrägscheibe 23 der
Kolben, der mit der Motoreinlassöffnung 32 in Überdeckung
steht, motorisch wirkt, d. h. er erzeugt ein Antriebsmoment auf
die Zylindertrommel 18. Dadurch kann man die Energie des
Konzentrats teilweise in eine Rotationsenergie umwandeln, mit anderen Worten
einen Teil der Energie wiedergewinnen. Die Länge der Motoreinlassöffnung 32 kann
dabei so gewählt sein, dass sie an den Verbrauch von Permeat angepasst
ist. Wenn beispielsweise 25% des dem Eingang zugeführten
Salzwassers als Permeat am Permeatausgang 6 abgenommen
wird, dann steht eine Menge von 75% zugeführten Salzwassers
am Konzentratausgang 5 zur Verfügung. Dementsprechend
kann beispielsweise die Länge der Motoreinlassöffnung 32 in
Rotationsrichtung der Zylindertrommel 18 so dimensioniert
sein, dass sie den Zylinder über 75% der Länge
der Kolbenbewegung mit Konzentrat versorgt.
-
Wenn
die Steueröffnung 28 die Pumpeneinlassöffnung 30 erreicht
(Position h), dann wird durch die Speisepumpe 10 wieder
frisches Salzwasser zugeführt. Durch die Abflussöffnung 34 kann
das im Zylinder 19 befindliche Konzentrat heraus fließen
(i), so dass beim nachfolgen den Pumpenhub des Kolbens 20 wieder
frisches Salzwasser zum Eingang 4 der Membraneinheit 2 gepumpt
wird.
-
7 zeigt
eine zu 6 abgewandelte Ausführungsform,
bei der aus der Leitung 13 zwischen dem Konzentratausgang 5 und
dem Hochdruckrücklaufanschluss 12 die Leitung 14 mit
der Drossel 15 abzweigt. Die Drossel 15 sorgt
dafür, dass in der Motoreinlassöffnung 32 immer
Konzentrat mit einem ausreichenden Druck vorhanden ist, ein Zuviel an
Konzentrat aber über die Zweigleitung 14 abfließen
kann.
-
Eine
alternative, nicht näher dargestellte Möglichkeit
besteht darin, die Neigung der Schrägscheibe 23 zu
verändern, um den Hub des Kolbens 20 an die Menge
des rückfließenden Konzentrats anzupassen.
-
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine 8.
Elemente, die denen der 1 bis 7 entsprechen,
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen 8a einen
schematischen Schnitt durch die Axialkolbenmaschine 8, 8b eine
Draufsicht auf die Ventilplatte 29 und 8c einen
Schnitt A-A nach 8a.
-
Geändert
hat sich die Lage und die Ansteuerung des Abflusskanals 35.
Zur gesteuerten Öffnung des Abflusskanals 35 ist
auch hier eine Ventileinrichtung vorgesehen mit einem stationären
Element und einem rotierenden Element. Das stationäre Element ist
gebildet durch einen Zapfen 38. Das bewegliche Element
ist durch die Zylindertrommel 18 gebildet. Der Zapfen 38 ist
in einer zentrischen Bohrung 39 in der Zylindertrommel 18 ange ordnet
und liegt mit seiner Umfangswand 40 dichtend an der Wand
der Bohrung 39 an.
-
Der
Auslasskanal 35 verläuft im Wesentlichen radial
vom Zylinder 19 in die Bohrung 39. Der Zapfen 38 weist
eine Ausnehmung 41 in seiner Umfangswand 40 auf.
Wenn also die Mündung des Auslasskanals 35 in
den Bereich der Ausnehmung 41 kommt, dann wird der Auslasskanal 35 freigegeben. Ansonsten
ist der Auslasskanal 35 durch den Zapfen 38 gesperrt.
-
Im
Zylinder 19 ist die Mündung des Auslasskanals 35 noch
von einer Erweiterung 42 axial in beide Richtungen umgeben.
Diese Erweiterung 42 erlaubt den Abfluss von Konzentrat
aus dem Zylinder 19, bevor der Kolben 20 am Auslasskanal 35 vorbeigelaufen
ist.
-
Man
kann die Anordnung auch umgekehrt vorsehen. In diesem Fall ist die
Zylindertrommel 18 mit einem Zapfen ähnlich dem
Zapfen 38 versehen. Dieser Zapfen ragt dann in die Schrägscheibe,
wobei die Ventilfunktion in der Schrägscheibe angeordnet sein
kann. Der in die Schrägscheibe 23 ragende Zapfen
kann dann entweder an seiner Stirnseite oder an seiner Umfangsseite
entsprechende Öffnungen aufweisen, die, da der Zapfen mit
der Zylindertrommel 18 rotiert, als Ventilelemente dienen
können.
-
In
einer nicht näher dargestellten Ausführungsform
kann man den 38 auch weglassen und die Steuerung des Auslasskanals 35 durch
den Kolben 20 vornehmen.
-
In
beiden Fällen wird das aus dem Zylinder 19 verdrängte
Konzentrat in das nicht näher dargestellte Gehäuse
der Axialkolbenmaschine 8 abgelassen und muss von dort
entfernt werden.
-
In
einer weiteren nicht näher dargestellten Ausgestaltung
kann man anstelle des Zapfens 38 auch eine die Zylindertrommel 18 umgebende
Dichtwand verwenden, wobei man in diesem Fall den Auslasskanal 35 vom
Zylinder 19 im Wesentlichen radial nach außen
führt. Die Dichtwand kann dann ebenfalls eine Ausnehmung
aufweisen, die der Ausnehmung 41 des Zapfens 38 entspricht.
Wenn der Auslasskanal 35 in den Bereich dieser Ausnehmung kommt,
dann wird er freigegeben. Ansonsten ist er durch die Dichtwand abgedeckt.
-
Man
kann auch die Schrägscheibe 23 mit einer veränderbaren
Neigung ausstatten (nicht dargestellt). Unter Umständen
muss man in diesem Fall den Auslasskanal 35 verlegen oder
man muss den Zapfen 38 von der Schrägscheibe 23 entkoppeln.
-
Der
Auslasskanal 35 kann unterschiedliche Formen haben. Er
kann beispielsweise als Ringkanal oder als Ellipse ausgebildet sein.
Er kann auch eine Drosselnut aufweisen.
-
Es
ist auch möglich, die Erweiterung nicht im Zylinder 19,
sondern am Kolben 20 vorzusehen. Die Wirkung ist ansonsten
die gleiche.
-
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine 8,
bei der Elemente, die denen der 1 bis 8 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind. 9a zeigt dabei einen Längsschnitt
durch die Maschine und 9b einen Schnitt A-A aus 9a.
-
Die
Anordnung der Auslasskanäle 35 entspricht denen
der 8. Geändert hat sich
die Ventilanordnung. Die Ventilanordnung weist nun einen Zapfen 43 auf,
der in die Zylindertrommel 18 ragt. Die Zylinder 19 können
daher stirnseitig durch eine Deckplatte 44 geschlossen
sein. Der Zapfen 43 weist ebenfalls eine Ausnehmung 41 an
seiner Umfangswand 40 auf, die den Auslasskanal 35 in
einem Drehwinkelbereich der Zylindertrommel 18 freigibt.
-
Der
Zapfen 43 bildet hier das Anschlusselement. Die Zylindertrommel 18 bildet
hier das Ventilelement. Der Zapfen 43 weist an seinem Ende 45,
das in die Zylindertrommel 18 hineingesteckt ist, drei
Ausnehmungen auf, die eine Pumpenauslassöffnung 31, eine
Motoreinlassöffnung 32 und eine Pumpeneinlassöffnung 30 bilden.
Diese Öffnungen 30–32 sind durch
Dichtzonen 46–48 voneinander getrennt.
Im Zapfen 43 verlaufen drei Kanäle, nämlich
ein Hochdruckkanal 49, der mit der Pumpenauslassöffnung 31 verbunden
ist, ein Niederdruckkanal 50, der mit der Pumpeneinlassöffnung 30 verbunden
ist, und ein nur in 9b erkennbarer Motorkanal 51,
der mit der Motoreinlassöffnung 32 verbunden ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10223844
A1 [0003]
- - US 6139740 [0005]
- - US 6468431 B1 [0005]