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Die Erfindung betrifft eine Wasser-Reinigungsvorrichtung
mit einer Flüssigkeitspumpe,
einer Membraneinheit, die eine Membran aufweist, die eine Primärseite von
einer Sekundärseite
trennt, und einem Verbraucher, der einen Druckbedarf aufweist, wobei
die Flüssigkeitspumpe
mit der Primärseite
und der Verbraucher mit der Sekundärseite verbunden ist.
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Eine derartige Wasser-Reinigungsvorrichtung
ist aus
US 6 139 740 bekannt.
Die Flüssigkeit wird
mit Hilfe der Flüssigkeitspumpe
unter einem relativ hohen Druck auf die Primärseite gepumpt. Nach dem Prinzip
der Umkehrosmose (reverse osmosis) tritt dann Wasser auf die Sekundärseite über. Bei
diesem Übertritt
wird das Wasser demineralisiert oder gereinigt. Zur Vereinfachung
der nachfolgenden Erläuterung
wird das Wasser auf der Sekundärseite einfach
als "sekundärseitiges
Wasser" bezeichnet.
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Das sekundärseitige Wasser wird üblicherweise
in einem Vorratsbehälter
gesammelt und von dort dem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Der Verbraucher
hat dann die Möglichkeit,
bedarfsabhängig
die benötigte
Menge an sekundärseitigem
Wasser zu entnehmen.
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In einigen Anwendungen benötigt der
Verbraucher das sekundärseitige
Wasser allerdings unter einem höheren
Druck. Ein derartiges Anwendungsbeispiel ist eine Zerstäubungsanlage,
mit der Pflanzen bewässert
werden können.
Für die
Zerstäubung
des sekundärseitigen
Wassers durch Düsen sind
höhere
Drücke
erforderlich, beispielsweise mehr als 30 bar. Ein üblicher
Zerstäubungsdruck
für sekundärseitiges
Wasser liegt sogar bei 70 bar. Ein anderes Beispiel für die Verwendung
von sekundärseitigem
Wasser ist die sogenannte Wasser-Hydraulik, deren Komponenten unter
der Bezeichnung "Nessie" von der Danfoss
A/S, Nordborg, Dänemark,
angeboten werden.
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Um das sekundärseitige Wasser auf den gewünschten
höheren
Druck zu bringen, verwendet man eine oder mehrere Pumpen, die zwischen
dem Vorratsgefäß auf der
Sekundärseite
der Membraneinheit und dem Verbraucher angeordnet sind. Diese Pumpe
bringt das sekundärseitige
Wasser auf den gewünschten
höheren
Druck. Allerdings hat sich herausgestellt, daß die hierfür benötigten Wasserpumpen bei demineralisiertem
Wasser nur eine relativ begrenzte Lebensdauer haben. Die Lebensdauer
ist wesentlich geringer als bei der Verwendung von "normalem" oder ungereinigtem
Wasser. Selbst bei Salzwasser ist die Lebensdauer größer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem
Verbraucher sekundärseitiges
Wasser unter höherem
Druck zur Verfügung
zu stellen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Wasser-Reinigungsvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Flüssigkeitspumpe den Druck für den Verbraucher
durch die Membran hindurch liefert.
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Man nutzt also die Tatsache aus,
daß auf
der Sekundärseite
der Membraneinheit bereits ein hoher Druck zur Verfügung steht,
der unmittelbar dem Verbraucher zugeführt wird. In diesem Fall kommt
man mit einer einzigen Pumpe aus, die auf der Primärseite der
Membraneinheit angeordnet ist. Diese Flüssigkeitspumpe kann dann mineralhaltiges
oder verschmutztes Wasser pumpen, was ihre Lebensdauer teilweise
beträchtlich
erhöht.
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Vorzugsweise ist eine Regeleinrichtung
vorgesehen, die einen Druckabfall über der Membran auf einen vorbestimmten
Wert einstellt. Diese Ausgestaltung hat zumindest zwei Vorteile.
Zum einen läßt sich
durch die Regelung des Druckabfalls der Wirkungsgrad der Membran
beeinflussen. Je größer der Druckabfall
ist, desto geringer ist im allgemeinen der Wirkungsgrad. Zum anderen
läßt sich
auch die Lebensdauer der Membran positiv beeinflussen. Bei einem
geringeren Druckabfall steigt die Lebensdauer. Man wird also den
Druckabfall über
die Membran in Abhängigkeit
vom Bedarf wählen
und entsprechend einstellen. Dies ergibt eine Betriebsweise für die Wasser-Reinigungsvorrichtung
mit geringen Kosten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
ist vorgesehen, daß die
Primärseite
mit einer Druckregeleinrichtung in Verbindung steht, die den Druck
auf der Primärseite
in Abhängigkeit
vom Druck auf der Sekundärseite
regelt, und der Verbraucher einen Druckeingang aufweist, der an
der Sekundärseite
angeschlossen ist. Mit dieser Ausgestaltung wird dem Verbraucher
das sekundärseitige
Wasser unter einem höheren
Druck zugeführt
und zwar unmittelbar vom Ausgang der Sekundärseite der Membraneinheit.
Dementsprechend ist es nicht mehr erforderlich, das sekundärseitige
Wasser mit Hilfe von Pumpen auf einen höheren Druck zu bringen. Der
höhere Druck
auf der Sekundärseite
ist dann sozusagen ein "Abfallprodukt" der Umkehrosmose.
Da aber durch die Membran in der Membraneinheit ein gewisser Druckabfall
erzeugt wird, ist die Druckregeleinrichtung vorgesehen, die den
Druck auf der Primärseite in
Abhängigkeit
vom Druck auf der Sekundärseite
regelt. Wenn man also einen Druck auf der Sekundärseite vorgibt, dann wird der
Druck auf der Primärseite immer
so geregelt, daß der
gewünschte
oder vorgegebene Druck auf der Sekundärseite erreicht werden kann.
Damit ist der Betrieb der Wasser-Reinigungsvorrichtung zwar mit
einem etwas erhöhten
Regelungsaufwand verbunden. Man kommt jedoch mit einer einzigen
Flüssigkeitspumpe
aus, die auf der Primärseite
der Membraneinheit angeordnet ist. Diese Flüssigkeitspumpe pumpt Wasser,
das noch nicht demineralisiert oder gereinigt ist. Dementsprechend
hat diese Pumpe eine erhöhte
Lebensdauer.
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Bevorzugterweise weist die Druckregeleinrichtung
ein Regelventil auf, das in einer Verbindungsleitung zwischen der
Flüssigkeitspumpe
und der Membraneinheit an geordnet ist. Mit dem Regelventil wird
also der Zufluß des
zu reinigenden Wassers zu der Membraneinheit geregelt. Je weiter
das Regelventil öffnet,
desto größer wird
der Druck auf der Primärseite.
Wenn das Regelventil weiter schließt, sinkt der Druck auf der
Primärseite
ab. Voraussetzung dabei ist natürlich,
daß auf
der Primärseite
ein Abfluß für das zu
reinigende Wasser vorgesehen ist, so daß an dem Regelventil durch
das durchströmende
Wasser ein Druckabfall entstehen kann, der letztendlich für den Druck
auf der Primärseite
und damit für
den Druck auf der Sekundärseite
der Membraneinheit verantwortlich ist.
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Hierbei ist von Vorteil, daß das Regelventil ein
Ventilelement aufweist, das in Öffnungsrichtung vom
Druck auf der Sekundärseite
und in Schließrichtung
vom Druck auf der Primärseite
beaufschlagt ist. Zusätzlich
ist das Ventilelement von einer Öffnungsfeder
beaufschlagt. Der Druckabfall über
die Membran entspricht dann der Kraft der Öffnungsfeder, die auf das Ventilelement
wirkt. Damit läßt sich
der Druckabfall über
die Membran auf einfache Weise einstellen und damit auch der Druck
auf der Sekundärseite
der Membraneinheit.
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Vorzugsweise weist die Primärseite eine Flüssigkeitsausgangsanordnung
auf, in der eine einstellbare Drossel angeordnet ist. Mit Hilfe
der einstellbaren Drossel läßt sich
der Volumenstrom des abfließenden
primärseitigen
Wassers einstellen und damit auch der Druck auf der Primärseite.
Dies ist eine relativ einfache Maßnahme, um den gewünschten Druck
auf der Primärseite
der Membran zu erzeugen.
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Vorzugsweise ist parallel zur Drossel
ein schaltbares Ventil angeordnet. Das schaltbare Ventil kann einfach
als Auf-Zu-Ventil ausgebildet sein, das beispielsweise durch einen
Magnetantrieb betätigt wird.
Das schaltbare Ventil erleichtert die Reinigung der Primärseite der
Membraneinheit. Man kann das schaltbare Ventil einfach öffnen und
eine größere Menge
an primärseitiger
Flüssigkeit
durch die Primärseite
der Membraneinheit leiten. Diese Flüssigkeit kann dann Verunreinigungen,
die sich auf der Primärseite
möglicherweise
abgelagert haben, entfernen.
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Vorzugsweise regelt die Druckregeleinrichtung
den Druck auf der Primärseite
so, daß der
Druck auf der Sekundärseite
in einem Bereich von 35 bis 180 bar liegt. Dies ist ein Druckbereich,
in dem viele Verbraucher, die einen erhöhten Eingangsdruck benötigen, arbeiten
können.
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Auch ist von Vorteil, daß die Druckregeleinrichtung
den Druck auf der Primärseite
in Abhängigkeit
von der Qualität
des zu reinigenden Wassers einstellt. Beispielsweise ist die Druckdifferenz über die Membran
bei Trinkwasser geringer als bei Schmutzwasser. Die höchsten Differenzdrücke werden
beispielsweise bei Salzwasser benötigt. Die Regeleinrichtung
kann entweder vom Benutzer umgestellt werden, der den Einsatzzweck
der Wasser-Reinigungsvorrichtung kennt. Es ist aber auch möglich, einen
Sensor in der Wasserquelle vorzusehen, der ein Ausgangssignal erzeugt,
das letztendlich für
die Druckeinstellung erforderlich ist.
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Hierbei ist bevorzugt, daß die Druckregeleinrichtung
eine Druckdifferenz über
die Membran wie folgt einstellt:
bei Trinkwasser: 3 bis 7 bar,
bei
Schmutzwasser: 7 bis 30 bar und
bei Salzwasser: 30 bis 80 bar.
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In diesen Bereichen ergeben sich
die gewünschten
Wirkungen bei der Umkehrosmose, so daß sekundärseitiges Wasser als weitgehend
demineralisiertes Wasser zur Verfügung steht.
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Bevorzugterweise weist der Verbraucher
ein Ventil auf, das bei einem vorbestimmten Mindestdruck öffnet. Man
stellt dadurch sicher, daß der
Verbraucher das sekundärseitige
Wasser nur dann erhält
oder verbrauchen kann, wenn das sekundärseitige Wasser auf der Sekundärseite der
Membraneinheit mit dem gewünschten
Druck zur Verfügung
steht.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt
die einzige Fig. eine schematische Ansicht einer Wasser-Reinigungsvorrichtung.
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Eine nur schematisch dargestellte
Wasser-Reinigungsvorrichtung 1 weist eine Pumpe 2 auf, die
von einem Motor 3 angetrieben ist. Die Pumpe 2 ist
als Flüssigkeitspumpe
ausgebildet, die Wasser einer Quelle 4, beispielsweise
einer Trinkwasserleitung, einem Wasserbek ken oder dem Meer, entnimmt.
Vorzugsweise ist die Flüssigkeitspumpe 2 eine
positive Verdrängerpumpe
vom Axialkolbentyp. Zwischen der Quelle 4 und der Pumpe 2 ist
ein Filter 5 angeordnet, der Verunreinigungen in dem Wasser herausfiltert.
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Die Pumpe 2 ist als Wasserpumpe
ausgebildet. Eine derartige Pumpe 2 wird im "Nessie"-Programm der Danfoss
A/S, Nordborg, Dänemark,
angeboten. Solange das Wasser aus der Quelle 4 noch nicht
demineralisiert ist, arbeitet die Pumpe 2 zufriedenstellend
mit einer ausreichenden Lebensdauer, auch wenn das Wasser keine
schmierenden Eigenschaften hat, wie andere Hydraulikflüssigkeiten,
beispielsweise Hydrauliköl.
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Die Vorrichtung 1 weist
eine Membraneinheit 6 auf mit einer Primärseite 7 und
einer Sekundärseite 8.
Zwischen der Primärseite 7 und
der Sekundärseite 8 ist
eine ebenfalls nur schematisch dargestellte Membran 9 angeordnet.
Dargestellt ist eine einzelne Membraneinheit 9. Man kann
jedoch auch mehrere Membraneinheiten parallel zueinander anordnen (nicht
näher dargestellt)
und einzelne Membraneinheiten zu- oder wegschalten, beispielsweise
in Abhängigkeit
vom Verbrauch. Hierzu können
beispielsweise Magnetventile verwendet werden.
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Mit der Membran 9 wird das
Wasser nach dem Prinzip der Umkehrosmose (reverse osmosis) demineralisiert
bzw. gereinigt. Hierzu muß das
Wasser auf der Primärseite 7 mit
einem relativ hohen Druck anstehen. Ein Teil des Wassers tritt dann
durch die Membran 9 hindurch und steht auf der Sekundärseite 8 dann
als sekundärseitiges Wasser
an, das beispielsweise von Salz befreit, gereinigt oder allgemein
demineralisiert ist.
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Zwischen der Pumpe 2 und
der Primärseite 7 der
Membraneinheit 6 ist ein Regelventil 10 einer Druckregeleinrichtung
angeordnet. Das Regelventil 10 weist ein Ventilelement 11 auf,
das in Schließrichtung
von einem Druck P1 auf der Primärseite 7 und in Öffnungsrichtung
von einem Druck P2 auf der Sekundärseite 8 der Membraneinheit 6 beaufschlagt wird.
Alternativ kann das Ventilelement 11 vom Druck zwischen
der Flüssigkeitspumpe 2 und
dem Regelventil 10 in Schließrichtung beaufschlagt werden.
Damit läßt sich
erreichen, daß ein
plötzlicher
Druckaufbau keine schädliche
Wirkung auf die Membran 9 hat. Im Prinzip kann man mit
dieser "Beschaltung" ein "Schockventil" realisieren. Zusätzlich ist
das Ventilelement 11 in Öffnungsrichtung noch von einer Öffnungsfeder 12 beaufschlagt.
Die Öffnungsfeder 12 definiert
im Grunde den Druckabfall über
die Membran 9.
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Zwischen der Sekundärseite 8 und
dem Regelventil 10 ist eine Signalleitung 13 angeordnet, über die
beispielsweise der Druck von der Sekundärseite 8 zum Regelventil 10 übertragen
werden kann. Es ist aber auch möglich,
die Signalleitung 13 zur Übertragung von anderen Signalen,
beispielsweise elektrischen Signalen, zu nutzen, wenn auf der Sekundärseite 8 ein
entsprechender Sensor oder Signalwandler und am Regelventil 10 ein
auf ein entsprechendes Signal reagierender Antrieb vorgesehen sind.
Beispielsweise kann man die Drücke
P1, P2 mit Drucksensoren messen und die daraus resultierenden Signale
einer Steuereinrichtung zuleiten, die den Motor steuert, der die
Flüssigkeitspumpe 2 antreibt.
In diesem Fall kann man auch ohne Ventile auskommen. Anstelle von
Drucksensoren kann man natürlich
auch Durchflußsensoren
oder andere Sensoren verwenden.
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Die Primärseite 7 weist eine
Flüssigkeitsausgangsanordnung
auf, in der eine einstellbare Drossel 14 angeordnet ist.
Durch Verstellen der Drossel 14 läßt sich der Druck auf der Primärseite 7 verändern. Diese
Veränderung
kann manuell erfolgen. Es ist aber auch möglich, zur Verstellung der
Drossel 14 eine Steuereinrichtung 15 zu verwenden,
die mit einem Sensor 26 verbunden ist, der die Qualität des Wassers
aus der Quelle 4 ermittelt. Beispielsweise kann es erforderlich
sein, das Wasser mit einem höheren
Druck auf die Primärseite 7 zu
fördern,
wenn das Wasser stärker
verschmutzt ist oder es sich um Salzwasser handelt. Bei Trinkwasser
ist hingegen ein geringer Druck erforderlich. Die Steuereinrichtung 15 kann
in schematisch dargestellter Weise auch auf die Öffnungsfeder 12 einwirken,
um die Druckdifferenz über
die Membran 9 zu verändern.
Mit der Regelung ist es möglich,
den Druckabfall über
die Membran 9 zu steuern. Dies ist von Vorteil, weil der
Wirkungsgrad der Membran 9 vom Druckabfall abhängt. Beispielsweise
hat die Membran 9 bei 20 bar einen Wirkungsgrad von 80%,
während
der Wirkungsgrad bei 65 bar nur bei 35% liegt. Darüber hinaus
sinkt die Lebensdauer der Membran mit höherem Druckabfall.
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Parallel zur Drossel 14 ist
ein Ventil 16 vorgesehen, beispielsweise ein Magnetventil,
das einen Magnetantrieb 17 aufweist. Dieses Ventil kann,
wie dargestellt, geschlossen sein, wenn die Membraneinheit 6 arbeitet, um
das Wasser zu demineralisieren. Es kann aber auch geöffnet werden,
um einen mehr oder weniger ungedrosselten Flüssigkeitsstrom durch die Primärseite 7 zu
erlauben. Mit einem derartigen Wasserstrom kann man beispielsweise
Verunreinigungen entfernen, die sich auf der Primärseite 7 der
Membraneinheit 6 abgelagert haben. Bei einer derartigen
Reinigung werden sowohl Schmutz entfernt als auch andere unerwünschte Elemente,
z.B. Mineralien.
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Es hat sich herausgestellt, daß man mit
Hilfe der Druckregeleinrichtung auf der Sekundärseite 8 der Membraneinheit 6 einen
Druck P2 einstellen kann, der günstigerweise
im Bereich von 35 bis 180 bar liegt. Der Druckabfall über die
Membran 9, d.h. die Differenz P1 minus P2, liegt bei der
Reinigung von Trinkwasser vorzugsweise im Bereich von 3 bis 7 bar,
bei der Verwendung von Schmutzwasser vorzugsweise im Bereich von
7 bis 30 bar und bei der Verwendung von Salzwasser vorzugsweise
im Bereich von 30 bis 80 bar.
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Die Sekundärseite 8 ist mit einem
Druckeingang 23 eines Verbrauchers 18 verbunden,
beispielsweise einer Düseneinheit
mit nur schematisch dargestellten Düsen 19, durch die
das demineralisierte Wasser zerstäubt werden soll. Zum Zerstäuben des
Wassers ist ein vorbestimmter Druck erforderlich. Man kann nun zwischen
der Düseneinheit 19 und
der Sekundärseite 8 ein
Ventil 20 anordnen, das erst bei einem vorbestimmten Druck öffnet. Dieser Druck
wird durch eine Schließfeder 21 definiert.
Ein Ventilelement 22 wird gegen die Kraft der Schließfeder 21 vom
Druck P2 an der Sekundärseite 8 beaufschlagt.
Wenn der Druck P2 auf der Sekundärseite 8 die
Kraft der Schließfeder 21 übersteigt,
dann wird das Ventilelement 22 so verschoben, daß das Ventil 20 öffnet.
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Die Druckregelung kann natürlich auch
dadurch erfolgen, daß ein
Ventil (nicht dargestellt) in der Leitung zwischen der Sekundärseite 8 der
Membraneinheit 6 und dem Verbraucher 18 angeordnet
wird. Auch ist es möglich,
die Druckregelung durch ein Ventil vorzunehmen, das auf der Abflußseite der
Primärseite 7 der
Membraneinheit 6 angeordnet ist. In beiden Fällen wird
der Druck P1 auf der Primärseite dem
Ventil zugeführt.
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Der Verbraucher 18 kann
auch als Druckspeicher oder Akkumulator ausgebildet sein. Man kann
die Wasser-Reinigungsvorrichtung auch dazu verwenden, höher gelegene
Gebäude
oder Zapfstellen, beispielsweise eine Berghütte, mit Wasser zu versorgen.
Die Flüssigkeitspumpe 2 ist
dann im Tal angeordnet und pumpt nur "ungereinigtes" Wasser, wobei die Membraneinheit 6 hinter
der Flüssigkeitspumpe 2 angeordnet
ist, so daß "oben" nur gereinigtes
Wasser ankommt.
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Natürlich sind in nicht näher dargestellter Weise
Sicherheitskomponenten überall
dort im hydraulischen System der Wasser-Reinigungsvorrichtung vorhanden,
wo sie nötig
sind. Beispielsweise kann am Ausgang der Flüssigkeitspumpe 2 ein Schockventil
vorhanden sein (Überdruckventil),
um eine Beschädigung
der Pumpe zu verhindern, wenn das Regelventil 10 geschlossen
wird.