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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Wasser mit einer definierten Wasserhärte, sowie eine Apparatur mit dem dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
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Für verschiedenste Prüfverfahren ist es notwendig mit einer definierten Wasserhärte zu arbeiten. So erfolgt z. B. die Beurteilung von Waschmitteln und Spülmitteln für den maschinellen Einsatz bei unterschiedlichen Wasserhärten, da die Wasserhärte einen entscheidenden Einfluss auf das Waschverhalten und die Waschleistung von Wasch- oder Reinigungsmitteln haben kann.
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Wenn diese Prüfungen in gebräuchlichen Waschautomaten vorgenommen wird, wird eine Aufhärtung des benutzen Waschwassers z. B. durch Zugabe einer entsprechenden Menge an löslichen Härtebildnern zur Waschlauge über die Einspülkammer vorgenommen. Die Waschlauge wird jedoch vor den Spülgängen ausgetauscht, so dass vor jedem Spülgang eine erneute Zugabe einer entsprechenden Menge an löslichen Härtebildnern vorgenommen werden muss, damit in allen Programmschritten der Maschinen mit der beabsichtigten Wasserhärte gearbeitet wird. Dieses Vorgehen ist recht personalintensiv und mit Fehlerquellen behaftet. Eine Alternative ist die Herstellung eines Wasservorrates mit der beabsichtigten Wasserhärte und die Beschickung der Waschmaschinen mit dieser eingestellten Wasserqualität. Das bedeutet für den Betrieb von mehreren Waschautomaten die Notwendigkeit eines recht großen Vorratstanks, für den Stellfläche zur Verfügung stehen muss. Weiterhin kann bei Prüfungen im niedrig Temperaturbereich von kleiner oder gleich 20°C, insbesondere in den Sommermonaten, nicht sichergestellt werden, dass eine entsprechen geringe Wassereingangstemperatur gegeben ist.
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Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren bereitzustellen, mit dem an einen oder mehrere Verbraucher kontinuierlich Wasser mit einer vorab definierten Wasserhärte (Soll-Wasserhärte) abgegeben werden kann. Weiterhin sollte das Verfahren so gestaltet werden können, dass es auch bei Verbrauchern die diskontinuierlich Wasser abfordern eingesetzt werden kann, sowie auch bei mehreren Verbrauchern, die zeitlich versetzt Wasser – ggf. in unterschiedlichen Mengen – benötigen.
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Es wurde gefunden, dass die obige Aufgabe mit einem Verfahren mit den Schritten (a) bis (e) das wie folgt beschrieben werden kann gelöst wird wobei die Bezugszeichen auf die verweisen in der das Verfahren skizziert wird.
- a) Wasser wird mit einer konstanten Wasserhärte, die einen niedrigeren Wert als die vorgegebene Wasserhärte aufweist, in einem Behälter (1) vorgehalten;
- b) das Wasser aus dem Behälter (1) mittels einer Rohrleitung (2) zu einem Verbraucher (3) geführt wird, wobei
- c) mit Hilfe eines Sensors (4) der Volumenstrom in der Rohrleitung (3) kontinuierlich gemessen und die Messwerte an eine Steuereinheit (5) weitergeleitet werden und
- d) die Steuereinheit (5) aus dem gemessenen Volumenstrom unter Anwendung einer Software und eines Computers auf dem die Software ausgeführt wird ein Menge eines Härtebildners berechnet, die dem durch die Rohrleitungen fließenden Wasser zugesetzt werden muss, um eine vorgegeben Wasserhärte zu erhalten, und
- e) die Steuereinheit (5) eine Pumpe (6) ansteuert, und mittels der Dosierpumpe (6) aus einem Reservoir (7) soviel Härtebildner über eine Einleitung (8) in den zu den Verbrauchern (3) fließenden Wasserstrom eindosiert, bis das durch die Steuereinheit (5) berechnete Volumen des Härtebildners zum Einstellen der vorgegebene Wasserhärte erreicht ist.
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Unter der Härte des Wassers (insbesondere des Trinkwassers) wird seine Konzentration an Erdalkalimetallen, besonders Calcium und Magnesium, verstanden. Sie gelangen meist in Abhängigkeit des Säuregehalts des Wassers durch Löseprozesse von Calcit, Dolomit und anderen Mineralien in das Wasser. Das in der Natur vorkommende Wasser, sei es Oberflächenwasser (See-, Teich-, Talsperren-, Flusswasser) oder Grundwasser (Quell-, Brunnenwasser) sowie das gewöhnliche Leitungswasser sind nicht ”chemisch rein”. Die Wässer enthalten neben gelösten Gasen (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid) eine Reihe von Salzen und anderen Verbindungen, die aus den Böden und Gesteinen herausgelöst wurden oder die im Fall von Oberflächenwässern teilweise auch aus Abwasserzuläufen stammen. Die wichtigsten Bestandteile sind die Salze des Calciums und Magnesiums, insbesondere die Chloride, Sulfate und Hydrogencarbonate, die man als die so genannten Härtebildner bezeichnet. Je nach Region können auch noch Spuren von Eisen, Kupfer und Mangan enthalten sein. Da die Hydrogencarbonate in der Hitze in Carbonate umgewandelt werden, fällt beim Kochen ein Teil der Calciumsalze als schwerlösliches Calciumcarbonat (CaCO3) aus (Wasserstein, geht über in Kesselstein).
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Bei sehr hohen Magnesium-Konzentrationen können auch basische Magnesiumcarbonate ausfallen. Diesen Teil der Härte, den man durch Kochen entfernen kann, bezeichnet man heute als Carbonathärte (KH) im Gegensatz zur bleibenden oder permanenten Härte (Nichtcarbonathärte, NHK), die bedingt ist durch die Sulfat- und Chlorid-Ionen, deren Calcium- und Magnesiumsalze nicht durch Kochen ausgefällt werden. Unter der Gesamthärte (GH) versteht man die Erdalkalimetall-, d. h. die Calcium- und Magnesium-Ionen. Im Allgemeinen besteht die Gesamthärte zu 70–85 aus Calcium- und zu 30–15 aus Magnesium-Härte.
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Das Verfahren der vorliegenden Anmeldung kann sowohl die Karbonat- wie die Nichtcarbonathärte und somit auch die Gesamthärte beeinflussen, bzw. Wasser mit der gewünschten Härte zubereiten.
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Das Verfahren geht von einer Wasserquelle (1) aus, die vorzugsweise als Behälter, dessen Größe an die regelmäßig abgenommenen Wassermengen angepasst wird, ausgebildet. Es wird auf die und die dort genanten Bezugszeichen zur Erläuterung verwiesen. Es kann aber auch eine Wasserleitung, die kontinuierlich Wasser mit einem bestimmten Druck liefert eingesetzt werden.
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Das Wasser aus dieser Quelle wird auf einen konstanten Wert der Wasserhärte eingestellt bevor es in das Verfahren eingespeist wird. Da das vorliegende Verfahren durch Zuführung von Härtebildnern immer zu einer Erhöhung der Wasserhärte führt, muss der Härtegrad des Wassers der Quelle immer niedriger liegen, als die Härte des Wassers, die beim Verbraucher (3) eingestellt werden soll. Vorzugsweise wird daher Wasser mit der Gesamthärte 0°dH verwendet, also destilliertes oder vorzugsweise vollentsalztes Wasser. Es ist aber auch möglich z. B. Leitungswasser zu verwenden, sofern sich die Wasserhärte immer unterhalb des Soll-Wertes befindet.
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Die Wasserquelle (1) ist über eine Rohrleitung (2) mit dem oder den Verbrauchern (3) verbunden. Dabei können alle dem Fachmann bekannten Rohrleitungen Verwendung finden. Dies gilt sowohl für die Materialien als auch für die Dimensionierung. Es können also Rohrleitungen aus Metall und/oder Kunststoff, die biegsam und/oder rigide sind verbaut werden. Es gilt aber als bevorzugt, dass die Rohrleitungen eine möglichst geringe Gesamtlänge aufweisen, bei möglichst großem Querschnitt, um den Wasserfluss mit geringem Strömungswiderstand zu erhalten.
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Als Verbraucher (3) kommen im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Haushaltsgeräte, wie Spülmaschinen oder Waschmaschinen zum Einsatz. Das vorliegende Verfahren ist aber nicht auf diese Verbraucher beschränkt, vielmehr kann es für jeden Wasserverbraucher, der eine vorgegebene Wasserhärte benötigt eingesetzt werden.
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In dem Leitungsstrang befindet sich eine Messvorrichtung zur Bestimmung des durch die Leitung fließenden Wassers (4). Dabei handelt es sich um an sich bekannte Durchflußmessgeräte, vorzugsweise werden sog. Wasserzähler verwendet, die eine Wassermenge innerhalb eines beliebigen Zeitabschnittes messen (sog. Volumenstrom oder Volumendurchfluss).
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Für das vorliegende Verfahren können praktisch alle dem Fachmann bekannten Wasserzählertypen zum Einsatz kommen. Diese können von verschiedener Bauart sein, z. B. können Flügelradzähler, Volumenzähler (hier insbesondere Scheiben- und Ringkolbenzähler oder auch Woltmannzähler), oder sofern großer Wassermengen (d. h. < 10 m3/h) transportiert werden sollen auch Turbinenzähler Verwendung finden. Es können auch magnetisch induktive Wasserzähler zum Einsatz kommen, was den Vorteil hat, dass keine Einbauten in der Strömungsbahn notwendig sind.
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Wesentlich ist aber, das der Wasserzähler mit einem Signalgeber gekoppelt ist, der pro gemessener Volumeneinheit ein Signal (vorzugsweise ein elektrischer Impuls, hier ist auch ein analoges oder digitales Signal umfasst) über eine Leitung an die Steuereinheit weitergeben kann. Man spricht hier dann auch von Wasserzählern mit einer Gebereinrichtung. Solche Zähler können versehen werden mit: elektromechanischen Kontaktgebern, die nach Durchfließen bestimmter Mengen einen elektrischen Impuls geben und damit z. B. die Wasserzufuhr über ein Elektroventil an- oder abstellen oder ein elektrischen Fernzählwerk bzw. einen elektrischem Mengenschreiber oder Impulsdrucker betätigen oder mit elektronischen Impulsgebern mit nachgeschaltetem Messumformer für Durchflussmessung oder Registrierung. Oder durch Kombinationen von beiden, z. B. eine elektromechanische Fernübertragung des Zählerstandes durch aufgebaute Kontaktgeber und eine Fernmessung und – registrierung des Durchflusses mittels eines Infrarotgebers. Geeignete Wasserzähler werden beispielsweise von der Fa. MTH – Messtechnik Handels AG angeboten.
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Diese Durchflussmessgeräte geben ihre Messdaten dann in Form von analogen oder digitalen Impulsen oder Signalen und vorzugsweise über ein geeignetes Datenkabel an ein Steuergerät (5) weiter.
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Das Steuergerät (5) berechnet vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Software anhand des gemessenen Volumenstroms welche Mengen an Härtebildnern zugesetzt werden müssen, um eine vorab im Steuergerät eingestellte Wasserhärte zu erreichen. Das Steuergerät sollte dabei vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass sowohl die gewünschte Härte, als auch die Konzentration der Härtebildner frei eingestellt werden können, und besonders bevorzugt so gestaltet sein, dass es in einem laufenden Verfahrensablauf möglich ist, die gewünschte Endhärte, aber auch die Konzentration der Härtebildner frei und ggf. mehrfach zu verändern.
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Das Steuergerät (5) kann vorzugsweise als Taktdivisor ausgebildet sein, der die Anzahl der Impulse des Wasserzählers elektronisch verringert, um seinerseits dann die für die Einstellung der gewünschten Wasserhärte benötigte Anzahl von Impulsen (und damit Pumpvorgängen) an die Pumpe weiterzuleiten. Die Größe des Divisors für den Takt kann anhand von Berechungen oder empirischen Untersuchungen bestimmt werden. Im Markt sind Pumpen erhältlich, die solche Taktdivisoren fest eingebaut aufweisen und damit für den Einsatz in dem vorliegenden Verfahren besonders bevorzugt sind.
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Als Steuergerät wird bevorzugt aber auch ein Personalcomputer (PC) eingesetzt, der über geeignete Schnittstellen die elektrischen Signale der Wasserzähler aufnehmen und selbst über Schnittstellen Signale an die Pumpen weitergeben kann. Die Verarbeitung der Signale erfolgt dann über eine Software im Speicher des Computers oder des Steuergeräts.
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Hinter dem Messgerät (4) und in Flussrichtung zu dem Verbraucher (3) befindet sich ein Zufluss (8), der mit einer Pumpe (6) über ein separates Rohr verbunden ist. Die Pumpe (6) ihrerseits ist über eine Rohrleitung mit einem Reservoir eines Härtebildners verbunden. Als Härtebildner werden vorzugsweise Magnesiumsulfat und/oder Calziumchlorid-Salzlösungen in Wasser eingesetzt. Die Konzentration der wässerigen flüssigen Härtebildner wird der Fachmann mit Blick auf den gewünschten Härtegrad des Wassers vornehmen und hier geeignete Werte durch Auflösen von entsprechenden Mengen ans CaCl2 oder MagSO4-Salzen in Wasser einstellen.
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Die Verwendung von flüssigen, wässerigen Härtebildnern ist bevorzugt, da auf diese Weise eine schnelle und kontrollierte Dosierung möglich ist. Der Einsatz von festen Härtebildnern ist zwar im Prinzip möglich, aber wegen des höheren Aufwandes zur Zudosierung von Schüttgütern, und der Nachteile bei einer verzögerten Auflösung im Wasser nicht bevorzugt.
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Bei den Pumpen (6) handelt es sich um an sich übliche Pumpen, wie sie allgemein zum Transport von Flüssigkeiten verwendet werden, wobei der Einsatz von Kolbenpumpen oder membranepumpen bevorzugt sein kann.
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Eine Kolbenpumpe ist eine Pumpe zur Förderung von Flüssigkeiten; Dabei wird mit einem Kolben, der in einem Zylinder läuft, im ersten Takt das zu fördernde Medium durch ein Einlassventil angesaugt. Anschließend wird es durch das Auslassventil ausgestoßen. Dieses Prinzip wird auch als Verdrängerpumpe bezeichnet. Mit Kolbenpumpen können beim Fördern von Flüssigkeiten hohe Drücke erreicht werden. Zudem ist das geförderte Flüssigkeitsvolumen genau bestimmbar (Dosierpumpe).
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Die Membranpumpe ähnelt in Ihrer Funktionsprinzip der Kolbenpumpe, wobei jedoch das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt ist. Durch diese Trennmembran ist somit der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermediums abgeschirmt. Die Auslenkung der Membran geschieht entweder hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch. Es werden vorzugsweise elektrische betriebene Pumpen in dem vorliegenden Verfahren eingesetzt. Die Pumpe ist über eine Einrichtung zum Daten- oder Signaltransfer mit dem Steuergerät (5) verbunden.
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Im Laufe des Verfahrens wird die Pumpe (6), die mit einer Datenleitung mit dem Steuergerät (5) verbunden ist gesteuert, wobei das Steuergerät (5) anhand der Messwerte des Volumenstroms – gemessen durch den Wasserzähler – und unter Berücksichtigung des Soll-Wertes der Wasserhärte, wie der Konzentrationsangaben des Härtebildners die Menge des in die Rohrleitung (2) ein zu dosierende Volumens berechnet.
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Im Falle einer Kolbenpumpe wird diese Volumen z. B. durch die Anzahl von Kolbenbewegungen konkret abgemessen und über die Dosiervorrichtung (8) in die Rohrleitung (2) eingebracht und zusammen mit dem durch das Rohr fließende Wasser zu dem Verbraucher (3) geführt.
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Der vorzugsweise flüssige Härtebildner vermischt sich mit dem Wasser in der Rohrleitung (2) was dazu führt, dass sich in hinter der Dosierstelle (8) in Flussrichtung zum Verbraucher das Wasser mit der vorher eingestellten Soll-Härte bildet.
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Der Wasserstrom durch die Rohrleitung (2) wird vorzugsweise durch eine Pumpe im Verbraucher erzeugt, wie es bei Wasch- oder Spülmaschinen üblich ist. Es kann aber auch nur durch hydrostatischen Druck ein Wasserfluss von der Quelle bzw. dem Behälter (1) erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass eine zusätzliche Pumpe, die z. B. direkt hinter dem Behälter (1) in die Rohrleitung (2) eingebaut wird, den nötigen Wasserfluss bewirkt. Die Pumpe leitet über ein Ventil den Härtebildern in die Rohrleitung ein, wobei das Ventil mechanisch oder elektrisch zu öffnen oder schließen ist. Es ist aber auch möglich, dass anstelle eines Ventils nur ein Einlass für eine Rohrleitung von der Pumpe vorgesehen wird, und in diesem Fall die Pumpe selber als Ventil fungiert.
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Das erfindungsgemäß erzeugte Wasser mit einer definierten Wasserhärte wird dann in dem Verbraucher (3) verbraucht und üblicherweise über einen Abfluss aus dem System entfernt. Natürlich kann dieses Wasser aber auch ganz oder teilweise aufgefangen und ggf. rezyklisiert werden. Das Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.
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Das Verfahren der vorliegenden Anmeldung kann auch vorteilhafterweise so ausgebildet werden, dass mehrer Verbraucher (3) aus einer Anlage mit Wasser versorgt werden. Hier zeigt sich auch die vorteilhafte Konstruktion, da es bei mehreren Verbrauchern möglich ist, diese mit Wasser zu versorgen, auch wenn der Wasserbedarf zeitlich und von der Menge her unterschiedlich sein sollte. Werden z. B. mehrer Waschmaschinen nebeneinander als Verbraucher (3) angeschlossen, und laufen diese mit unterschiedlichen Programmen so tritt der Effekt auf, dass zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Mengen an Wasser benötigt werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren aber nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren aufgebaut ist, wird automatisch immer soviel Wasser bereitgestellt, wie gerade verbraucht wird, wobei die erfindugsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens, die die Messung des Volumenstroms zum Stellgröße für den Zusatz an Härtebildern macht dazu führt, dass immer ein Wasser mit der Soll-Härte zur Verfügung steht.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass man sowohl die Calcium- als auch die Magensiumionenkonzentration getrennt voneinander einstellen kann. In der ist eine für diesen Zweck angepasste bevorzugte Variante des Verfahrens skizziert: Durch Einsatz zweier, unabhängig voneinander zu dosierender Härtebildner, die jeweils eine eigene Pumpe aufweisen, aber beide mit der Steuereinheit (5) verbunden sind, ist es möglich die Calzium- und Magnesiumionenkonzentration (oder von anderen Härtebildnern) im Wasser frei zu variieren und einstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegenden Anmeldung eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasser mit einer vorgegebene Wasserhärte, die eine kontinuierliche Quelle oder einen Behälter (1) und eine Rohrleitung (2), die den Behälter bzw. die Quelle (1) mit dem Verbraucher (3) verbindet aufweist, wobei eine oder mehrer Dosierpumpen (6) aus einem an die Dosierpumpe angeschlossenen Reservoir (7) über eine Einleitung (8) einen Härtebildner aus dem Reservoir (7) in die Rohrleitung (3) einbringen, wobei die Dosierpumpe (6) an eine Steuereinheit (5) angeschlossen ist, die mittels eines Sensors (4) die Wasserhärte in der Rohrleitung (3) vor der Einleitung (8) misst. Die Dosierstellen sind dabei so zu wählen, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen können, insbesondere darf es nicht zu einer Ausfällung von Calciumsulfat oder Magnesiumchlorid kommen. Dazu wird der Fachmann die Abstände der Dosierstellen in Abhängigkeit von den Volumenströmen und der Dimensionen der jeweiligen Anlagen auswählen.
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Ebenfalls wird die Verwendung einer Apparatur gemäß der obigen Beschreibung zur bedarfsgesteuerten Bereitstellung von Wasser mit einer vorgegeben Wasserhärte zum Betrieb von Wasser verbrauchenden Haushaltsgeräten, vorzugsweise von Wasch- oder Spülmaschinen zum Gegenstand der Anmeldung gemacht.
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Es wurde eine erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt, die als Verbraucher 6 haushaltsübliche Waschvollautomaten (WM1–WM6) aufwies. Die Waschvollautomaten waren alle an einer miteinander verbundenen Rohrleitung angeschlossen, über die das Wasser für die Waschprogramme aus einem Vorratsbehälter zugeleitet wurde. Die Wasserhärte im Vorratsbehälter betrug 0°dH.
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An einer Stelle in der Wasserleitung vor den Waschvollautomaten war ein Volumenmessgerät (Wasserzähler vom Typ MTH-I-D-KGm) in das Rohr eingebaut. Hinter diesem Volumenmessgerät (in Richtung zu den Verbrauchern) waren an zwei unterschiedlichen Stellen hintereinander zwei Ventile in die Rohrleitung eingelassen, über die zwei Kolbenpumpen (ELADOS® EMP II – (1) Typ00072 max. 7,2 l/h und (2) Typ00112 max. 11,2 l/h) jeweils eine wässerige CaCl2-Lösung und eine MgSO4-Lsg. zudosieren konnten. Der Wasserzähler lieferte einen Takt pro 0,1 l Duchflussmenge, dieses Signal wurde an einen Taktdivisor geleitet, der je nach Einstellung (Faktoren 1, 3, 4 oder 5) entsprechende Impulse an die Dosierpumpen weiter gab. Die Dosierpumpen gaben dann für jeden Impuls ein bestimmtes Volumen Härtelösung ab. Dieses Volumen wird durch die mechanische Hubverstellung geregelt, die die Hubhöhe der Pumpe und damit die geförderte Menge einstellt.
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Es wurde durch Probenentnahme direkt in den Waschmaschinen der tatsächlich erhalten Härtegrad des Wassers für jede Maschinen ermittelt. Alle 6 Waschvollautomaten durchliefen teilweise verschiedene Waschprogramme, so dass zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Mengen an Wasser aus dem Vorratsbehälter abgepumpt wurden:
Dosierung von MgSO4 mit: 2000° dH – Pumpeneinstellung 35% 1
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- Entspricht dem Prozentsatz des maximalem Pumpleistung der Pumpe.
Ermittelte Wasserhärte an Mg Härte: | | WM 1 = 2,4°dH |
| | WM 2 = 2,3°dH |
| | WM 3 = 2,3°dH |
| | WM 4 = 2,3°dH |
| | WM 5 = 2,3°dH |
| | WM 6 = 2,3°dH |
| Soll = 2,3°dH | |
Dosierung von CaCl2 mit: 6000° dH, Pumpeneinstellung 48%
Ermittelte Wasserhärte an Ca-Härte: | | WM 1 = 11,7°dH |
| | WM 2 = 11,8°dH |
| | WM 3 = 11,7°dH |
| | WM 4 = 11,7°dH |
| | WM 5 = 11,8°dH |
| | WM 6 = 11,7°dH |
| Soll = 11,5°dH | |
Ermittelte Wasserhärte Gesamt an: | | WM 1 = 14,2°dH |
| | WM 2 = 14,0°dH |
| | WM 3 = 14,2°dH |
| | WM 4 = 14,0°dH |
| | WM 5 = 14,0°dH |
| | WM 6 = 14,0°dH |
| Soll = 14,0°dH | |
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Es zeigt sich, dass die Soll-Wasserhärte mit großer Genauigkeit eingestellt werden konnte.