DE202022003156U1

DE202022003156U1 - System für Umkehrosmose

Info

Publication number: DE202022003156U1
Application number: DE202022003156.4U
Authority: DE
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2025-02-12
Anticipated expiration: 2032-09-24

Abstract

System (100) für Umkehrosmose, reverse osmosis - RO, umfassend:
eine erste RO-Stufe (10) mit einem ersten Zuführeinlass (11), einem ersten Salzlösungsauslass (12) und einem ersten Permeatauslass (13);
eine zweite RO-Stufe (20) mit einem zweiten Zuführeinlass (21), einem zweiten Salzlösungsauslass (22) und einem zweiten Permeatauslass (23);
einen isobaren Druckaustauscher, pressure exchanger - PE, (40), angeschlossen zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem ersten Zuführeinlass (11),
wobei ein Mittel (50, 60), das zum Erzeugen einer ersten Druckdifferenz Δp₁ als eines von einem Druckanstieg und einem Druckabfall konfiguriert ist, zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem zweiten Zuführeinlass (21)verbunden ist und ein Mittel (50, 60), das zum Erzeugen einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ als das andere von einem Druckanstieg und einem Druckabfall konfiguriert ist, zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem isobaren Drucktauscher (40) verbunden ist,
wobei das System so konfiguriert ist, dass sich die erste Druckdifferenz Δp₁ und die zweite Druckdifferenz Δp₂ automatisch so aufeinander einstellen, dass sie einander entsprechen, so dass die erste Druckdifferenz Δp₁ zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem zweiten Zuführeinlass (21) ungefähr 80% bis 120% der zweiten Druckdifferenz Δp₂ zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem isobaren Druckaustauscher (40) entspricht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein System für Umkehrosmose, insbesondere ein System für eine mehrstufige Umkehrosmose, die eine verbesserte Energieeffizienz aufweist.
Technologischer Hintergrund
Osmose ist ein Prozess, bei dem sich ein Lösungsmittel durch eine teildurchlässige Membran von der Membranseite, die einer geringeren Konzentration des Gelösten zugewandt ist, zu der Membranseite, die einer höheren Konzentration des Gelösten zugewandt ist, bewegt. Dabei wird die Bewegung der Lösungsmittelpartikel durch Diffusion angetrieben, und allgemein diffundieren mehr Lösungsmittelpartikel in Richtung einer höheren Konzentration des Gelösten, d. h. des niedrigeren Wasserpotenzials, was in einer Nettobewegung des Lösungsmittels resultiert. Dieser natürlich auftretende Prozess liegt auch dem Umkehrosmoseprozess zugrunde, wie nachfolgend beschrieben.
Bei der Umkehrosmose wird auf die Seite der höheren Konzentration des Gelösten ein den osmotischen Druck überschreitender Druck angewendet, wodurch die Energiebilanz des osmotischen Systems umgekehrt wird, was eine allgemeine Nettodiffusionsbewegung von der Seite mit hoher Konzentration des Gelösten durch die Membran zu der Seite mit niedriger Konzentration des Gelösten veranlasst, wodurch sich die Konzentration des Gelösten an der druckbeaufschlagten Membranseite erhöht. Umkehrosmosesysteme umfassen mindestens zwei Kammern, die durch eine halbdurchlässige Membran getrennt sind, wobei der Zufluss in die und der Abfluss aus den Kammern geregelt werden kann, um volumetrische Strömungsbedingungen sowie die Druckgradiente entlang der Membran festzulegen.
Umkehrosmose (reverse osmosis - RO) wird häufig für Wasserreinigungs- oder - entsalzungsanwendungen eingesetzt, wo neben dem gereinigten und/oder entsalzten Wasser eine hochkonzentrierte Salzlösung anfällt. Die Salzlösung verbleibt auf der druckbeaufschlagten Seite der Membran, während das gereinigte und/oder entsalzte Wasser (Permeat) bei einem niedrigen Druck von der anderen Membranseite entfernt wird. Die druckbeaufschlagte Salzlösung wird aus der Umkehrosmosekammer entfernt, um einen übermäßigen Anstieg des osmotischen Drucks zu vermeiden und den Zufluss frischer Zuführlösung in die Kammer zu erlauben. Es ist ferner bekannt, Energierückgewinnungsvorrichtungen, beispielsweise Hydraulikturbinen, für den Zweck des Übertragens von hydraulischer Energie aus der druckbeaufschlagten Salzlösung in die Zuführlösung zu verwenden, um die allgemeine Energieeffizienz des Umkehrosmoseprozesses zu verbessern.
Bekannt ist auch, mehrere RO-Stufen zu kombinieren, um die Energieeffizienz und den Frischwasserertrag in einem solchen System zu verbessern. In solchen mehrstufigen RO-Systemen sind die RO-Kammern in der Regel in einer linearen Weise kombiniert. Darin wird die Salzlösung in der Regel mit Druck beaufschlagt, bevor sie in eine nachfolgende Stufe eintritt, um die erhöhte Lösungsmittelkonzentration der Salzlösung zu kompensieren. Zudem werden zur Energierückgewinnung und für eine verbesserte Effizienz in mehrstufigen RO-Systemen Hydraulikturbinen genutzt.
Die Nutzung von Turbinen erfordert in der Regel die Umwandlung hydraulischer Energie in mechanische Energie in der Motorseite sowie die Umwandlung in elektrische Energie zur Energieübertragung. Danach ist auf der Pumpenseite eine Rückumwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und weiter in hydraulische Energie erforderlich. Dies reduziert in der Regel die allgemeine Energieeffizienz eines RO-Systems. Druckaustauscher, die eine direkte Energieübertragung zwischen Flüssigkeiten erlauben, vermeiden solche Umwandlungsverluste, weisen jedoch eher schmale Fenster für eine optimale Übertragungseffizienz auf, die in RO-Systemen häufig nicht erreicht werden.
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu reduzieren und ein System für Umkehrosmose mit einer verbesserten Energieeffizienz bereitzustellen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, d. h. durch ein System für Umkehrosmose, RO, gemäß den anhängenden Ansprüchen wird die Aufgabe der Offenbarung gelöst und werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden oder zumindest reduziert.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein System für Umkehrosmose, RO, umfassend
eine erste RO-Stufe mit einem ersten Zuführeinlass, einem ersten Salzlösungsauslass und einem ersten Permeatauslass. Die erste RO-Stufe umfasst eine erste Hochdruck-RO-Kammer und eine erste Niederdruck-RO-Kammer, die durch eine erste RO-Membran getrennt sind. Diese Kammern bilden vorzugsweise einen RO-Tank aus, der dazu ausgestaltet ist, den ersten RO-Prozess aufzunehmen und den auftretenden Drücken zu widerstehen. Die erste RO-Stufe kann mehrere Einlässe und/oder Auslässe umfassen, beispielsweise mehrere erste Zuführeinlässe, mehrere erste Salzlösungsauslässe und/oder mehrere erste Permeatauslässe. Der Kürze halber wird nachfolgend nur auf einen dieser Einlässe beziehungsweise Auslässe eingegangen. In einer ersten RO-Stufe, die mehrere Einlässe und/oder Auslässe umfasst, können sich die folgenden Erläuterungen auf Beziehungen zwischen einzelnen Einlässen und/oder Auslässen und/oder auf Beziehungen zwischen mehreren Einlässen und/oder Auslässen beziehen.
Der (mindestens eine) erste Zuführeinlass ist dazu ausgestaltet, der ersten Hochdruck-RO-Kammer einen Zuführlösungsstrom zuzuführen, und der (mindestens eine) erste Salzlösungsauslass ist dazu ausgestaltet, die Salzlösung aus der Kammer abzuführen. Die erste Niederdruck-RO-Kammer ist dazu ausgestaltet, ein Permeat, d. h., die Zuführlösung mit einer reduzierten Konzentration des Gelösten, über die erste RO-Membran aufzunehmen. Der (mindestens eine) erste Permeatauslass ist dazu ausgestaltet, das Permeat aus der ersten Niederdruck-RO-Kammer abzuführen. Die aufkonzentrierte Zuführlösung (Salzlösung) wird über den (mindestens einen) ersten Salzlösungsauslass mit einem Druck abgeführt, der in etwa gleich dem Druck der Zuführlösung an dem (mindestens einen) ersten Zuführeinlass ist. Das Permeat wird über den (mindestens einen) ersten Permeatauslass mit einem Druck abgeführt, der erheblich niedriger als der Zuführdruck ist, vorzugsweise so niedrig wie möglich, damit an der Membran eine optimale Druckdifferenz besteht.
Die erste RO-Membran ist dazu ausgestaltet, die Diffusion des Lösungsmittels der Zuführlösung unter einem auf die erste Hochdruck-RO-Kammer angewendeten externen Druck zu erlauben. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführlösung Salzwasser, beispielsweise Meerwasser, und die erste RO-Membran ist dazu ausgestaltet, ein Diffundieren von Wasser durch die Membran zu erlauben, während nicht zugelassen wird, dass Salzionen wie Na⁺ und CI^- die Membran durchströmen. Vorzugsweise ist die erste RO-Membran dazu ausgestaltet, nicht zuzulassen, dass organische Stoffe, Bakterien und Pyrogene die Membran durchströmen, wobei solche Komponenten jedoch möglicherweise bereits in einer Vorbehandlungsstufe vor der RO-Kammer entfernt werden. Die erste RO-Kammer ist vorzugsweise eine aus einer Celluloseacetat(CA)-Membran oder einer Polysulfonmembran, die mit aromatischen Polyamiden beschichtet sein kann. Ebenfalls bevorzugt ist die erste RO-Membran nanostrukturiert, eine Zeolithmembran und/oder eine um die RO-Membran gewickelte Spirale.
Das RO-System der vorliegenden Offenbarung umfasst ferner eine zweite RO-Stufe mit einem zweiten Zuführeinlass, einem zweiten Salzlösungsauslass und einem zweiten Permeatauslass. Die zweite RO-Stufe umfasst eine zweite Hochdruck-RO-Kammer und eine zweite Niederdruck-RO-Kammer, die durch eine zweite RO-Membran getrennt sind. Diese Kammern bilden vorzugsweise einen zweiten RO-Tank aus, der dazu ausgestaltet ist, den zweiten RO-Prozess aufzunehmen und den auftretenden Drücken zu widerstehen. Die zweite RO-Stufe kann mehrere Einlässe und/oder Auslässe umfassen, beispielsweise mehrere zweite Zuführeinlässe, mehrere zweite Salzlösungsauslässe und/oder mehrere zweite Permeatauslässe. Der Kürze halber wird nachfolgend nur auf einen dieser Einlässe beziehungsweise Auslässe Bezug genommen. In einer zweiten RO-Stufe, die mehrere Einlässe und/oder Auslässe umfasst, können sich die folgenden Erläuterungen auf Beziehungen zwischen einzelnen Einlässen und/oder Auslässen und/oder auf Beziehungen zwischen mehreren Einlässen und/oder Auslässen beziehen.
Der (mindestens eine) zweite Zuführeinlass ist dazu ausgestaltet, der zweiten Hochdruck-RO-Kammer einen Zuführlösungsstrom zuzuführen, und der (mindestens eine) erster Salzlösungsauslass ist dazu ausgestaltet, die Salzlösung aus der Kammer abzuführen. Darin ist die dem mindestens einen Zuführeinlass zugeführte Zuführlösung (zumindest teilweise) die aus dem (mindestens einen) ersten Salzlösungsauslass abgeführte Salzlösung. Die zweite Niederdruck-RO-Kammer ist dazu ausgestaltet, über die zweite RO-Membran ein Permeat aufzunehmen. Der (mindestens eine) zweite Permeatauslass ist dazu ausgestaltet, das Permeat aus der zweiten Niederdruck-RO-Kammer abzuführen. Das Permeat aus der ersten und zweiten Niederdruckkammer kann gemeinsam abgeführt werden. Ebenfalls in der zweiten RO-Stufe wird die Salzlösung über den (mindestens einen) zweiten Salzlösungsauslass bei einem Druck abgeführt, der etwa der gleiche wie der Druck der Zuführlösung (Salzlösung der ersten Stufe) an dem (mindestens einen) zweiten Zuführeinlass ist, während das Permeat über den (mindestens einen) zweiten Permeatauslass mit einem niedrigeren Druck abgeführt wird, vorzugsweise mit einem Druck, der deutlich niedriger als der Zuführdruck ist, sogar so niedrig wie möglich. Die zweite RO-Membran ist auf die gleiche oder eine ähnliche Weise wie die erste RO-Membran ausgestaltet.
Das System der vorliegenden Offenbarung umfasst ferner einen Druckaustauscher (pressure exchanger - PE), der zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass und dem ersten Zuführeinlass angeschlossen ist. Mit anderen Worten: Der Druckaustauscher umfasst einen Einlass, insbesondere einen Hochdruck(high pressure - HP)-Einlass, der dazu ausgestaltet ist, einen von dem zweiten Salzlösungsauslass abgeführten Salzlösungsstrom aufzunehmen, und einen Auslass, insbesondere einen Hochdruckauslass, HP-Auslass, der dazu ausgestaltet ist, dem ersten Zuführeinlass einen Zuführlösungsstrom bereitzustellen. Der Druckaustauscher umfasst ferner einen weiteren Auslass, insbesondere einen Niederdruck(Low Pressure - LP)-Auslass, der dazu ausgestaltet ist, den in seinem Druck erniedrigten Salzlösungsstrom abzuführen, und einen weiteren Einlass, insbesondere einen Niederdruckeinlass, LP-Einlass, der dazu ausgestaltet ist, einen mit Druck zu beaufschlagenden Zuführlösungsstrom aufzunehmen.
In dem System der vorliegenden Offenbarung entspricht eine erste Druckdifferenz Δp₁ zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass und dem Druckaustauscher. Mit anderen Worten: Die erste Druckdifferenz Δp₁ bezieht sich auf eine Differenz zwischen dem Druck der Salzlösung, die über den ersten Salzlösungsauslass abgeführt wird, und dem Druck der Zuführlösung, die über den zweiten Zuführeinlass in die zweite RO-Stufe eintritt. Die über den zweiten Zuführeinlass in die zweite RO-Stufe eintretende Zuführlösung besteht mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, aus der über den ersten Salzlösungsauslass abgeführten Salzlösung. Folglich sind die erste und zweite Druckdifferenz Δp₁ und Δp₂ nicht voneinander unabhängig, sondern entsprechen einander insofern, als die erste Druckdifferenz Δp₁ auf einen Wert gesetzt ist, der von einem Wert der zweiten Druckdifferenz Δp₂ abhängt, oder die zweite Druckdifferenz Δp₂ auf einen Wert gesetzt ist, der von einem Wert der ersten Druckdifferenz Δp₁ abhängt.
Das System der vorliegenden Offenbarung ermöglicht folglich einen Betrieb, bei dem ein Druck zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass um die erste Druckdifferenz Δp₁ verändert wird und ein Druck zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass und dem Druckaustauscher um die zweite Druckdifferenz Δp₂, die der ersten Druckdifferenz Δp₁ entspricht, verändert wird, und wobei hydraulische Energie folglich von einem zweiten Salzlösungsstrom, der aus dem zweiten Salzlösungsauslass ausströmt, auf einen ersten Zuführstrom, der dem ersten Zuführeinlass über den Druckaustauscher bereitgestellt wird, mit einer verbesserten Effizienz vorteilhaft übertragen wird. Die verbesserte Effizienz wird durch die Druckkonfiguration, d. h. entsprechend der ersten und zweiten Druckdifferenz, des offenbarten Systems ermöglicht, das den Betrieb des Druckaustauschers mit einer optimalen Übertragungseffizienz erlaubt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die erste Druckdifferenz Δp₁ und/oder die zweite Druckdifferenz Δp₂ einen positiven Druckwert oder einen negativen Druckwert aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des RO-Systems weist der Druckaustauscher, PE, einen Hochdruckeinlass, HP-Einlass,, der mit dem zweiten Salzlösungsauslass verbunden ist, und einen PE-HP-Auslass, der mit dem ersten Zuführeinlass verbunden ist, auf und die zweite Druckdifferenz Δp₂ tritt zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass und dem PE-HP-Einlass auf. Folglich wird im RO-System der vorliegenden Offenbarung die zweite Druckdifferenz Δp₂ hergestellt, bevor der Salzlösungsstrom dem Druckaustauscher zugeführt wird, um den Salzlösungsstrom dem Druckaustauscher mit einem optimierten Druck zuzuführen. Auf diese Weise wird eine Übertragungseffizienz von hydraulischer Energie in dem Druckaustauscher, der dazu ausgestaltet ist, den dem ersten Zuführeinlass bereitgestellten Zuführstrom mit Druck zu beaufschlagen, vorteilhaft verbessert. Ebenfalls vorteilhaft ist in der Ausführungsform dem zweiten Salzlösungsauslass nachgelagert eine Verstärkerpumpe vorhanden.
Weiterhin bevorzugt wird in dem System der vorliegenden Offenbarung die erste Druckdifferenz Δp₁ genutzt, um die zweite Druckdifferenz Δp₂ zu erzeugen. Mit anderen Worten: Der ersten Druckdifferenz Δp₁ zugeordnete hydraulische Energie wird entnommen und genutzt, um die zweite Druckdifferenz Δp₂ zu erzeugen. Ebenfalls bevorzugt wird die zweite Druckdifferenz Δp₂ genutzt, um die erste Druckdifferenz Δp₁ zu erzeugen. Dies bezieht sich wiederum auf eine Übertragung von hydraulischer Energie in Verbindung mit der ersten Druckdifferenz Δp₁ und der zweiten Druckdifferenz Δp₂. Das Erzeugen der zweiten Druckdifferenz Δp₂ durch Nutzung der ersten Druckdifferenz Δp₁ bedeutet nicht notwendigerweise, dass Energie bereitgestellt wird, um die zweite Druckdifferenz Δp₂ zu erzeugen, denn in einer gleichen Weise kann die zweite Druckdifferenz Δp₂ durch Entnehmen von hydraulischer Energie aus dem System unter Verwendung der ersten Druckdifferenz Δp₁ erzeugt werden. Die Übertragung von hydraulischer Energie im Zusammenhang mit der ersten Druckdifferenz Δp₁ und der zweiten Druckdifferenz Δp₂ kann direkt oder indirekt durch Umwandlung in andere Formen von Energie erfolgen. Beispielsweise kann hydraulische Energie in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt werden, die zwischen der ersten Druckdifferenz Δp₁ und der zweiten Druckdifferenz Δp₂ zu übertragen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Systems der vorliegenden Offenbarung ist der Druckaustauscher ein isobarischer Druckaustauscher. Weiterhin bevorzugt ist der Druckaustauscher dazu ausgestaltet, unter Ausnutzung des Prinzips der positiven Verdrängung Druck von dem druckbeaufschlagten Salzlösungsstrom, dem zweiten Salzlösungsauslass nachgelagert, auf die Niederdruck-Zuführlösung, dem ersten Zuführeinlass vorgelagert, zu übertragen. In einem solchen isobarischen Druckaustauscher erfolgt eine Druckübertragung von einem Hochdruckstrom (Salzlösungsstrom) auf einen Niederdruckstrom (Zuführstrom), indem diese Ströme in einen direkten Momentankontakt gebracht werden. Ein solcher isobarischer Druckaustauscher ist dem Fachmann bekannt und in frühen Formen z. B. in der US 2,675,173 B oder EP0298097A1 offenbart. Ein modernes Beispiel eines isobarischen Druckaustauschers ist der Druckaustauscher innerhalb der Danfoss iSave-Vorrichtung.
Die Energieeffizienz eines isobarischen Druckaustauschers erhöht sich, wenn sich die Druckdifferenzen in dem Druckaustauscher verringern. Insbesondere ist eine Energieeffizienz umso besser, je geringer die Druckdifferenz zwischen einem Hochdruckzufluss und einem Hochdruckabfluss ist. Ferner ist die Energieeffizienz des isobarischen Druckaustauschers umso besser, je geringer eine Druckdifferenz zwischen einem Niederdruckzufluss und einem Niederdruckabfluss ist. Das System der vorliegenden Offenbarung reduziert diese Druckdifferenzen vorteilhaft.
Vorzugsweise ist der Druckaustauscher ein Rotationsdruckaustauscher, besonders bevorzugt einen zylindrischen Rotor mit parallel zur Drehachse ausgerichteten Längskanälen aufweisend. Die Druckübertragung erfolgt vorzugsweise in Rotorkanälen, wobei in einem bestimmten Fall ein Teil (z. B. eine Hälfte) der Rotorkanäle gegenüber dem Hochdruckstrom freiliegt und ein anderer Teil (z. B. der verbleibende Teil oder die verbleibende Hälfte) gegenüber dem Niederdruckstrom freiliegt. Während der Drehung des Rotors passieren die Kanäle einen Dichtungsbereich, der Hoch- und Niederdruck trennt. In den Kanälen gibt es keine physische Barriere zwischen dem Hochdruckstrom (Salzlösungsstrom) und dem Niederdruckstrom (Zuführstrom), und der isobarische Druckaustauscher ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Schnittstelle zwischen dem HP- und dem LP-Strom das Ende des Rotorkanals nicht erreichen kann, bevor sie abgedichtet ist. Folglich verbleibt ein „Stopfen“ von Flüssigkeit im Rotorkanal und bewegt sich von einem Ende des Rotors zum anderen und wieder zurück. Wenn der Strom zunimmt, erhöht sich die Geschwindigkeit des Stopfens, doch auch die Geschwindigkeit des Rotors nimmt zu, was dem Stopfen weniger Zeit gibt, sich in dem Kanal zu bewegen. Der Stopfen dient vorteilhaft als eine Barriere, die das Vermischen des HP- und LP-Stroms im Kanal reduziert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Systems der vorliegenden Offenbarung ist ein Hydraulikmotor zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass und dem Druckaustauscher-Hochdruckeinlass angeschlossen. Weiterhin bevorzugt ist der Hydraulikmotor ein Axialkolbenmotor, der eine mechanische Welle umfasst, die entweder mit einer Taumelscheibe, die eine Mehrzahl von im Inneren eines Zylinderblocks angeordneten Kolben trägt, oder direkt mit einem solchen Zylinderblock verbunden ist. Diese Kolben können axial ausgerichtet sein (d. h. parallel zur Wellenachse), und ein Nockenwinkel zwischen einem Normalvektor der Taumelscheibe (oder einem äquivalenten Teil des Zylinderblocks) und der Wellenachse bestimmt eine Verdrängung des Motors. Gemäß dieser Ausführungsform wird der druckbeaufschlagte zweite Salzlösungsstrom über den Motoreinlass auf die Kolben angewendet und beeinflusst eine Ausfahr- sowie eine Hin-und-her-Bewegung der Kolben und eine Rotation des Zylinderblocks. Die Ausgangsgeschwindigkeit (Drehzahl) des Axialkolbenmotors ist proportional zum Eingangsstrom, und sein Antriebsdrehmoment ist proportional zur Druckdifferenz zwischen dem Motoreinlass und dem Motorauslass, aus dem ein (teilweise) in seinem Druck erniedrigter zweiter Salzlösungsstrom abgeführt wird. Folglich ist in dieser Ausführungsform die zweite Druckdifferenz Δp₂ der Druckabfall, der an dem Hydraulikmotor auftritt, und folglich entspricht der Druckabfall an dem Hydraulikmotor der ersten Druckdifferenz Δp₁.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Druck an dem ersten Salzlösungsauslass vorzugsweise kleiner als ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass. Beispielsweise arbeitet die erste RO-Stufe mit einem Hochdruckniveau von etwa 60 bar, während die zweite RO-Stufe mit einem Hochdruckniveau von etwa 120 bar arbeitet. Da die Druckdifferenz in den Hochdruck-RO-Kammern vernachlässigbar ist, beträgt der Druck an dem ersten Salzlösungsauslass etwa 60 bar, während der Druck an dem zweiten Zuführeinlass etwa 120 bar beträgt. Folglich ist die erste Druckdifferenz Δp₁ hier ein Druckanstieg, und folglich ist die zweite Druckdifferenz Δp₂ ein Druckabfall. Besonders bevorzugt ist eine Hydraulikpumpe zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass zwischengeschaltet, um den Druckanstieg der ersten Druckdifferenz Δp₁ dem Salzlösungsstrom, der dem zweiten Zuführeinlass vorgelagert ist, bereitzustellen. Weiterhin bevorzugt wird die Hydraulikpumpe zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass (zumindest teilweise) von dem Hydraulikmotor mit Energie versorgt, die den Druckabfall der zweiten Druckdifferenz Δp₂ dem zweiten Salzlösungsauslass, der dem Druckaustauscher vorgelagert ist, nachgelagert, bereitstellt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass und dem Hochdruckeinlass des Druckaustauschers eine Hydraulikpumpe angeschlossen. Die Hydraulikpumpe ist vorzugsweise eine Axialkolbenpumpe, die eine mechanische Welle umfasst, die entweder mit einer Taumelscheibe, die eine Mehrzahl von Kolben trägt, angeordnet im Inneren eines Zylinderblocks, oder direkt mit einem solchen Zylinderblock verbunden ist. Die Kolben können axial (parallel zur Wellenachse) ausgerichtet sein. Ein Nockenwinkel zwischen einem Normalvektor der Taumelscheibe (oder einem äquivalenten Teil des Zylinderblocks) und der Wellenachse bestimmt eine Verdrängung der Pumpe und bewirkt eine Ausfahr- sowie eine Hin-und-her-Bewegung der Kolben auf Grundlage einer Drehung des Zylinderblocks. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Bewegung der Kolben genutzt, um den zweiten Salzlösungsstrom von einem Pumpeneinlass über einen Pumpenauslass in Richtung des Druckaustauschers zu pumpen, wobei der Pumpeneinlass und -auslass in einer Anschluss- und Ventilplatte angeordnet sind. Folglich ist in dieser Ausführungsform die zweite Druckdifferenz Δp₂ der Druckanstieg, der an der Hydraulikpumpe auftritt, und der Druckanstieg an der Hydraulikpumpe entspricht der ersten Druckdifferenz Δp₁.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Druck an dem ersten Salzlösungsauslass vorzugsweise größer als ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass. Beispielsweise arbeitet die erste RO-Stufe mit einem Hochdruckniveau von etwa 120 bar, während die zweite RO-Stufe mit einem Hochdruckniveau von etwa 60 bar arbeitet. Da die Druckdifferenz in den Hochdruck-RO-Kammern vernachlässigbar ist, beträgt der Druck an dem ersten Salzlösungsauslass etwa 120 bar, während der Druck an dem zweiten Zuführeinlass etwa 60 bar beträgt. Folglich ist die erste Druckdifferenz Δp₁ hier ein Druckabfall, während die zweite Druckdifferenz Δp₂ ein Druckanstieg ist. Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass ein Hydraulikmotor angeschlossen, um den Druckabfall als die erste Druckdifferenz Δp₁ bereitzustellen. Weiterhin bevorzugt versorgt der Hydraulikmotor zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass (zumindest teilweise) die Hydraulikpumpe mit Energie, die den Druckanstieg der zweiten Druckdifferenz Δp₂, dem Druckaustauscher vorgelagert, bereitstellt.
In dem System der vorliegenden Offenbarung und in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die erste Druckdifferenz Δp₁ vorzugsweise größer als 5 bar, vorzugsweise größer als 10 bar, noch bevorzugter größer als 15 bar, besonders bevorzugt größer als 20 bar, ebenfalls bevorzugt größer als 30 bar, bevorzugt größer als 40 bar und noch bevorzugter größer als 50 bar. Mit anderen Worten: Die erste RO-Stufe und die zweite RO-Stufe werden vorzugsweise auf Hochdruckniveaus betrieben, die verschieden („weit entfernt“) voneinander sind. In dem System der vorliegenden Offenbarung ist eine Differenz in Hochdruckniveaus präsent als die erste Druckdifferenz Δp₁, die einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ entspricht, die dem Druckaustauscher vorgelagert eingeführt wird. Durch Verbinden der ersten Druckdifferenz Δp₁ und der zweiten Druckdifferenz Δp₂ wird die Energieeffizienz des Systems erhöht, indem die Druckniveaus des Druckaustauschers manipuliert werden, ohne dass externe Energie benötigt wird. Folglich kann das System der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft genutzt werden, wenn in den Hochdruckniveaus eines mehrstufigen RO-Systems eine eher hohe oder variable Differenz vorliegt. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren des Verbindens wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Vorzugsweise beträgt in dem System der vorliegenden Offenbarung die erste Druckdifferenz Δp₁ etwa 70 % bis 130 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂, ebenfalls bevorzugt beträgt die erste Druckdifferenz Δp₁ etwa 80 % bis 120 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂, noch bevorzugter beträgt die erste Druckdifferenz Δp₁ etwa 90 % bis 110 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂, und besonders bevorzugt beträgt die erste Druckdifferenz Δp₁ etwa 95 % bis 105 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂. Während es besonders bevorzugt ist, dass die erste Druckdifferenz Δp₁ einen gleichen Betrag wie die zweite Druckdifferenz Δp₂ aufweist, treten in den Hochdruck-RO-Kammern der ersten und zweiten RO-Stufe, den Fluidleitungen und anderen Teilen des RO-Systems gewisse Druckverluste auf. Folglich könnte es möglich sein, dass ein gleicher Betrag der ersten Druckdifferenz Δp₁ und der zweiten Druckdifferenz Δp₂ nicht in allen Betriebszuständen des Systems aufrechterhalten werden kann.
Jedoch kann weder die erste Druckdifferenz Δp₁ noch die zweite Druckdifferenz Δp₂ ein konstanter Wert sein. In einem mehrstufigen RO-System treten Druckverluste in den RO-Kammern, der PE-Einheit und/oder den Leitungen auf. Obwohl man bemüht sein wird, sie möglichst niedrig zu halten, ist es nicht möglich, die erste Druckdifferenz Δp₁ gegenüber einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ gezielt festzulegen (d. h. strikt zu regeln), doch diese Druckdifferenzen sind eher eine Konsequenz der Systemgestaltung und der Durchflussmenge durch das System. In dem System der vorliegenden Offenbarung passen sich jedoch alle Veränderungen in Druckverlusten, z. B. aufgrund erhöhter Durchflussmengen, des Alterns von Membranen oder dergleichen, der ersten Druckdifferenz Δp₁ und/oder der zweiten Druckdifferenz Δp₂ in Bezug zueinander automatisch an, so dass sie einander entsprechen. Folglich passt ein Druck an einem HP-Einlass des Druckaustauschers immer zu einem HP-Auslassdruck, mit Anforderung einer Druckerhöhung in einem zusätzlichen Verstärker mit externer Energie. Folglich stellt das System der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft eine sehr flexible Lösung bereit, die Veränderungen von Durchflussmengen oder Drücken in dem System ohne jegliche Effizienzverluste leicht bewältigen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems der Offenbarung sind der zwischen - einem von - dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass oder dem zweiten Salzlösungsauslass und dem PE-HP-Einlass zwischengeschaltete Hydraulikmotor und die zwischen - dem anderen von - dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass oder dem zweiten Salzlösungsauslass und dem PE-HP-Einlass zwischengeschaltete Hydraulikpumpe mechanisch miteinander verbunden. Diese Ausführungsform erlaubt vorteilhaft eine direkte Übertragung von Energie von dem Hydraulikmotor auf die Hydraulikpumpe ohne Umwandlungsverluste, insbesondere ohne jegliche Verluste aufgrund einer Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt. Die mechanische Verbindung des Hydraulikmotors und der Hydraulikpumpe ist vorzugsweise eine direkte mechanische Verbindung, beispielsweise über eine gemeinsame Antriebswelle des Hydraulikmotors und der Hydraulikpumpe, über ein Ritzel, einen Antriebsriemen und/oder eine Antriebswelle. Hierin kann ein Teil der gemeinsamen Antriebswelle als eine Ausgangswelle des Hydraulikmotors fungieren, und ein anderer Teil der gemeinsamen Antriebswelle kann als eine Eingangswelle der Hydraulikpumpe fungieren. In einem solchen Szenario kann Energie über die direkte mechanische Verbindung, z. B. in Form von Drehmoment und/oder Drehzahl, übertragen werden. Genauer wird hydraulische Energie (volumetrischer Strom, Druck) durch den Hydraulikmotor in mechanische Energie (Drehmoment, Drehzahl) umgewandelt und über die direkte mechanische Verbindung auf die Hydraulikpumpe übertragen, wo sie wieder zurück in hydraulische Energie (volumetrischen Strom, Druck) umgewandelt wird.
In einer solchen Ausführungsform können die durch die Hydraulikpumpe bereitgestellte hydraulische Energie und/oder die von dem Hydraulikmotor verbrauchte hydraulische Energie so angepasst werden, dass sie einander entsprechen, wodurch eine fehlerfreie direkte mechanische Verbindung erlaubt wird. Beispielsweise kann ein Druckabfall an dem Hydraulikmotor eingestellt (z. B. abgesenkt) werden, um die hydraulische Energie, die dort in mechanische Energie umgewandelt wird, anzupassen (z. B. zu reduzieren). Auf die gleiche Weise kann ein Druckanstieg an der Hydraulikpumpe eingestellt (z. B. erhöht) werden, damit er einer über die gemeinsame Welle bereitgestellten mechanischen Energie entspricht. Solche Anpassungen können unter Verwendung einstellbarer Werte ausgeführt werden.
Weiterhin bevorzugt ist die mechanische Verbindung eine indirekte mechanische Verbindung, beispielsweise über ein Getriebe, eine Übertragung und/oder eine Kupplung. In einer solchen Ausführungsform ist eine Ausgangswelle des Hydraulikmotors vorzugsweise mechanisch mit einer Eingangswelle der Hydraulikpumpe über das Getriebe, die Übertragung und/oder eine Kupplung verbunden. Eine indirekte mechanische Verbindung erlaubt vorteilhaft eine effizientere Anpassung der Leistungsabgabe des Hydraulikmotors und der Leistungsaufnahme der Hydraulikpumpe, ohne dass die Strömungsprozesse an diesen Komponenten geregelt werden müssen. Beispielsweise können über ein Getriebe eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment, bereitgestellt über die Ausgangswelle des Hydraulikmotors, an eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment, die/das von der Eingangswelle der Hydraulikpumpe benötigt wird, angepasst werden. Gleichzeitig können die Hydraulikprozesse an der Hydraulikpumpe und dem Hydraulikmotor dieselben bleiben. Auf eine solche Weise erlaubt eine indirekte mechanische Verbindung einen fehlerfreien Betrieb des Systems, z. B. durch Vermeiden von Überlastung mechanischer Komponenten, sowie Leistungsverteilung. Weiterhin bevorzugt umfasst mindestens eines aus dem Hydraulikmotor und der Hydraulikpumpe eine Taumelscheibe, und die Leistungsabgabe des Hydraulikmotors und die Leistungsaufnahme der Hydraulikpumpe werden vorteilhaft durch Anpassen eines Taumelscheibenwinkels des/r Hydraulikmotors und/oder -pumpe angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System der vorliegenden Offenbarung ferner einen Induktionsmotor, insbesondere eine elektrischen Wechselstrom-Asynchronmotor, mit einem Stator und einem Rotor. Vorzugsweise ist der Induktionsmotor ein Dreiphasen-Käfigläufermotor, der dazu ausgelegt ist, mit einer im Wesentlichen konstanten (Dreh-) Geschwindigkeit zu arbeiten, wobei eine gegebene Wechselstrom-Eingangsfrequenz und Wicklungskonfiguration (Polanpassung) vorausgesetzt wird. Besonders bevorzugt ist der Induktionsmotor eine doppelt gespeiste elektrische Maschine (double-fed electric machine - DFIM) wie ein doppelt gespeister Induktionsgenerator (double-fed induction generator- DFIG) oder eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit gewickeltem Rotor (double-fed wound rotor asynchronous machine - DASM), die dazu ausgelegt ist, bei einer variablen (Dreh-) Geschwindigkeit zu arbeiten, eine bestimmte Wicklungskonfiguration (Polanpassung) vorausgesetzt. In einer DFIM, einem DFIG oder einer DASM ist der Stator vorzugsweise direkt mit einer Wechselstromenergiequelle wie einer Energiespeichervorrichtung oder einem Energienetz verbunden, während der Rotor über einen Frequenzwandler damit verbunden ist. Mit anderen Worten: Der Induktionsmotor ist entweder als ein Generator mit fester Geschwindigkeit (fixed speed generator - FSG) oder ein Generator mit einstellbarer Geschwindigkeit (adjustable speed generator - ASG) ausgestaltet, wobei der letztgenannte als ein ASG-System direkt in der Linie (direct-in-line ASG system) oder ein DFIG-ASG-System ausgestaltet sein kann, vorzugsweise einen IGBT-Wandler umfassend.
Der Fachmann kennt viele Ausführungen eines solchen Induktionsmotors, die üblicherweise in verschiedenen industriellen Anwendungen wie z. B. Windturbinen verwendet werden. Beispielhafte Entwürfe, Schaubilder und Schaltpläne werden z. B. offenbart in S. MÜLLER; S.; et al. (2002). „Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines" (PDF). IEEE Industry Applications Magazine. IEEE. 8(3): 26-33. doi:10.1109/2943.999610, sowie in Roberts, Paul C. (2004). „Study of Brushless Doubly-Fed (Induction) Machines; Contributions in Machine Analysis, Design and Control" (PDF). Emmanuel College, University of Cambridge. Der gesamte Inhalt der vorstehend genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor des Induktionsmotors mechanisch mit (einer Eingangswelle) der Hydraulikpumpe verbunden und auch mechanisch mit (einer Eingangswelle) des/dem Hydraulikmotor(s) verbunden. Mit anderen Worten: Auch in dieser Ausführungsform existiert eine indirekte mechanische Verbindung zwischen der Hydraulikpumpe und dem Hydraulikmotor. Im Kontext dieser Anmeldung bezieht sich eine Eingangs-/Ausgangswelle auf eine beliebige mechanische Komponente (z. B. ein Ritzel), die dazu ausgestaltet ist, mechanische Energie, die durch eine bestimmte Vorrichtung eingegeben/ausgegeben wird, zu übertragen. Die mechanische Verbindung des Rotors mit dem Hydraulikmotor und/oder der Hydraulikpumpe ist entweder eine direkte mechanische Verbindung (z. B. über eine gemeinsame Welle des Induktionsmotors) oder eine indirekte mechanische Verbindung (z. B. über ein Getriebe). Besonders bevorzugt ist der Induktionsmotor ein Zweiwellen-Induktionsmotor oder ein Doppelwellen-Induktionsmotor, wobei der Rotor mit zwei Wellen verbunden ist, von denen eine dann vorzugsweise mit dem Hydraulikmotor und die andere mit der Hydraulikpumpe verbunden ist. In dem System gemäß dieser Ausführungsform sind die Hydraulikpumpe und der Hydraulikmotor über den Rotor des Induktionsmotors mechanisch verbunden. Dies wiederum erlaubt eine direkte Übertragung vom Hydraulikmotor auf die Hydraulikpumpe ohne Umwandlungsverluste, insbesondere ohne Verluste aufgrund der Umwandlung elektrischer Leistung in Leistungsumwandlern, wie beispielsweise Wechselstrom-Gleichstrom-, Wechselstrom-Wechselstrom- oder Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandler oder Antriebe mit variabler Frequenz.
Ferner kann die Kombination von Hydraulikmotor, Induktionsmotor und Hydraulikpumpe (dazu ausgestaltet sein) mit einer nettopositiven Energieproduktion betrieben (zu) werden, wobei die produzierte Energie vorteilhaft verteilt und/oder genutzt werden kann, um weitere elektrische Verbraucher in dem System, z. B. Speisepumpen usw., zu betreiben. Ferner erlaubt die Konfiguration des Systems eine einfache Kompensation energetischer Differenzen zwischen dem Hydraulikmotor und der Hydraulikpumpe durch Zuführen oder Entnehmen elektrischer Energie zu oder aus dem System. Vorzugsweise kann der Induktionsmotor mit einem variablen Schlupf betrieben werden, wobei ein positiver Schlupf einem Betriebsmodus entspricht, in dem Energie durch den Induktionsmotor verbraucht wird, beispielsweise um Druckverluste zu kompensieren, und wobei ein negativer Schlupf einem Betriebsmodus entspricht, in dem elektrische Energie durch den Induktionsmotor erzeugt wird, d. h. in dem der Induktionsmotor als Generator fungiert.
Weiterhin bevorzugt umfasst das System gemäß der vorliegenden Offenbarung eine dritte RO-Stufe, die zwischen der ersten RO-Stufe und der zweiten RO-Stufe zwischengeschaltet ist und die einen dritten Zuführeinlass, einen dritten Salzlösungsauslass und einen dritten Permeatauslass umfasst. Die dritte RO-Stufe weist gleiche oder ähnliche Komponenten wie die erste RO-Stufe und die zweite RO-Stufe auf. Konkret umfasst die dritte RO-Stufe eine dritte Hochdruck-RO-Kammer und eine dritte Niederdruck-RO-Kammer, die durch eine dritte RO-Membran getrennt sind. Diese Kammern bilden vorzugsweise einen dritten RO-Tank, der dazu ausgestaltet ist, den dritten RO-Prozess aufzunehmen und den auftretenden Drücken zu widerstehen. Die dritte RO-Stufe kann mehrere Einlässe und/oder Auslässe, beispielsweise mehrere dritte Zuführeinlässe, mehrere dritte Salzlösungsauslässe und/oder mehrere dritte Permeatauslässe umfassen. Der Kürze halber wird nachfolgend nur auf einen dieser Einlässe beziehungsweise Auslässe Bezug genommen. In einer dritten RO-Stufe, die mehrere Einlässe und/oder Auslässe umfasst, können sich die folgenden Erläuterungen auf Beziehungen zwischen einzelnen Einlässen und/oder Auslässen und/oder auf Beziehungen zwischen mehreren Einlässen und/oder Auslässen beziehen.
Der (mindestens eine) dritte Zuführeinlass ist dazu ausgestaltet, der dritten Hochdruck-RO-Kammer eine Zuführlösung zuzuführen, und der (mindestens eine) dritte Salzlösungsauslass ist dazu ausgestaltet, die Salzlösung aus der Kammer abzuführen. Die dem (mindestens einen) dritten Zuführeinlass zugeführte Zuführlösung ist (mindestens teilweise) die Salzlösung, die von dem (mindestens einen) ersten Salzlösungsauslass abgeführt wird. Die dritte Niederdruck-RO-Kammer ist dazu ausgestaltet, über die dritte RO-Membran ein Permeat aufzunehmen. Der (mindestens eine) dritte Permeatauslass ist dazu ausgestaltet, das Permeat aus der dritten Niederdruck-RO-Kammer abzuführen. Das Permeat aus der ersten bis dritten Niederdruckkammer kann gemeinsam abgeführt werden. Ebenfalls in der dritten RO-Stufe wird die Salzlösung über den (mindestens einen) dritten Salzlösungsauslass bei einem Druck abgeführt, der etwa der gleiche wie der Druck der Zuführlösung (Salzlösung der ersten Stufe) an dem (mindestens einen) dritten Zuführeinlass ist, während das Permeat bei einem niedrigeren Druck über den (mindestens einen) dritten Permeatauslass abgeführt wird. Die über den (mindestens einen) dritten Salzlösungsauslass abgeführte Salzlösung ist (mindestens teilweise) die dem (mindestens einen) zweiten Zuführeinlass bereitgestellte Zuführlösung. Die dritte RO-Membran ist in derselben oder einer ähnlichen Weise wie die erste und/oder die zweite RO-Membran ausgestaltet.
Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die erste Druckdifferenz Δp₁ eine Druckdifferenz Δp_3,1 zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem dritten Zuführeinlass und eine Druckdifferenz Δp_3,2 zwischen dem dritten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass. Mit anderen Worten: Die erste Druckdifferenz Δp₁ wird durch mehrere Druckdifferenzen Δp_3,1 und Δp_3,2 gebildet. Das System der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine vierte RO-Stufe umfassen, die zwischen der dritten RO-Stufe und der zweiten RO-Stufe zwischengeschaltet ist. Dann teilt sich die Druckdifferenz Δp_3,2 in Druckdifferenzen Δp_4,1 und Δp_4,2 auf. Das System kann ferner eine fünfte RO-Stufe umfassen, die zwischen der vierten RO-Stufe und der zweiten RO-Stufe zwischengeschaltet ist. Dann teilt sich die Druckdifferenz Δp_4,2 in Druckdifferenzen Δp_5,1 und Δp_5,2 auf usw. Ebenfalls in einer solchen Ausführungsform entspricht die zweite Druckdifferenz Δp₂ der ersten Druckdifferenz Δp₁, die dann jedoch durch mehrere Druckdifferenzen zwischen mehreren RO-Stufen gebildet wird, um in mindestens einem Druckaustauscher bei optimalen Hoch- und Niederdruckniveaus mit minimalen Druckdifferenzen zu arbeiten. Darüber hinaus kann ein solches mehrstufiges RO-System vorzugsweise mehrere Druckaustauscher umfassen, wobei einzelne dieser Druckaustauscher zwischen dem Salzlösungsauslass mindestens einer der RO-Stufen, vorzugsweise der letzten RO-Stufe, und einem Zuführeinlass mindestens einer weiteren RO-Stufe (zusätzlich zu dem ersten Zuführeinlass) angeschlossen sind. Weiterhin bevorzugt wird in einem solchen mehrstufigen RO-System mindestens eine von den Druckdifferenzen Δp_3,1 und Δp_3,2 (und/oder Druckdifferenzen Δp_4,1 und Δp_4,2, Druckdifferenzen Δp_5,1 und Δp_5,2 und so weiter) über eines aus einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe beeinflusst. Mit anderen Worten: Auch in einem System mit drei oder mehr RO-Stufen wird nicht die gesamte Übertragung hydraulischer Energie durch Druckaustauscher ermöglicht, sondern die Anpassung der Druckniveaus zum Erreichen einer optimalen Energieeffizienz dieser Druckaustauscher wird durch Einführen eines/von Hydraulikmotors/en und/oder einer/von Hydraulikpumpe(n) für das Einbringen von Druckabfällen und/oder Druckanstiegen erreicht. Einige Ausführungsformen eines solchen mehrstufigen RO-Systems werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
Das System gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann in einem Verfahren zum Betreiben eines Systems für Umkehrosmose, RO, genutzt werden. Hierin umfasst ein beispielhaftes Verfahren mindestens den Schritt des Änderns eines Drucks zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass um eine erste Druckdifferenz Δp₁, gegebenenfalls über eines aus einem Hydraulikmotor (Druckabfall) und einer Hydraulikpumpe (Druckanstieg). Die erste Druckdifferenz Δp₁ kann mindestens teilweise oder vollständig von dem einen aus der Hydraulikpumpe und dem Hydraulikmotor beeinflusst werden. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Veränderns eines Drucks zwischen einem zweiten Salzlösungsauslass und dem Druckaustauscher durch eine zweite Druckdifferenz Δp₂, wobei die zweite Druckdifferenz Δp₂ der ersten Druckdifferenz Δp₁ entspricht, gegebenenfalls über das andere aus dem Hydraulikmotor (Druckabfall) und einer Hydraulikpumpe (Druckanstieg). Hierin wird die zweite Druckdifferenz Δp₂ gegebenenfalls mindestens teilweise oder vollständig von dem anderen aus der Hydraulikpumpe und dem Hydraulikmotor beeinflusst. Das Verfahren umfasst auch den Schritt des Übertragens von hydraulischer Energie von dem zweiten Salzlösungsstrom, der aus dem zweiten Salzlösungsauslass ausströmt, auf einen ersten Zuführstrom, der dem ersten Zuführeinlass bereitgestellt wird, über den Druckaustauscher. Das Verfahren ermöglicht eine solche Energieübertragung mit einer optimalen Übertragungseffizienz.
Das Verfahren betrifft gegebenenfalls das Betreiben eines Systems, das ferner eine dritte RO-Stufe, die zwischen der ersten RO-Stufe und der zweiten RO-Stufe zwischengeschaltet ist, umfasst, und einen dritten Zuführeinlass, einen dritten Salzlösungsauslass und einen dritten Permeatauslass umfasst. Demgemäß umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Veränderns eines Drucks zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem dritten Zuführeinlass um eine Druckdifferenz Δp_3,1 und des Veränderns eines Drucks zwischen dem dritten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass um eine Druckdifferenz Δp_3,2. Hierin ist die Summe der Druckdifferenz Δp_3,1 und der Druckdifferenz Δp_3,2 mindestens gleich der ersten Druckdifferenz Δp₁. Ferner wird mindestens eine aus der Druckdifferenz Δp_3,1 und der Druckdifferenz Δp_3,2 über eines aus einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe beeinflusst, während die zweite Druckdifferenz Δp₂ über das andere aus dem Hydraulikmotor und der Hydraulikpumpe beeinflusst wird. Gegebenenfalls wird, wenn eine aus der Druckdifferenz Δp_3,1 und der Druckdifferenz Δp_3,2 über eines aus einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe beeinflusst wird, davon ausgegangen, dass der Druck zwischen dem ersten Salzlösungsauslass und dem zweiten Zuführeinlass um eine erste Druckdifferenz Δp₁ (auch) über das eine aus dem Hydraulikmotor und der Hydraulikpumpe verändert wird. Mit anderen Worten: In einem solchen Fall kann eine erste Druckdifferenz Δp₁ teilweise durch eines von einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe und teilweise durch andere Mittel, z. B. einen Druckaustauscher, beeinflusst werden. Dasselbe gilt für RO-Systeme, die noch weitere RO-Stufen, beispielsweise eine vierte RO-Stufe, eine fünfte RO-Stufe und so weiter umfassen und somit weitere Druckdifferenzen Δp_4,1 und Δp_4,1, Δp_5,1 und Δp_5,1 und so weiter einbringen. Dann könnten auch einige dieser Druckdifferenzen durch Hydraulikpumpen oder Motoren und/oder Druckaustauscher eingebracht werden.
Weitere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche, die Zeichnungen und die folgende Beschreibung der Zeichnungen offenbart. Verschiedene offenbarte Ausführungsformen werden vorteilhaft miteinander kombiniert, falls nicht ausdrücklich anders angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale der Erfindung werden dem Fachmann durch die ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen offenkundig. Es zeigt:

1 ein System für RO gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein System für RO gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 ein System für RO gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 ein System für RO gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 ein System für RO gemäß einer fünften Ausführungsform;
6 ein System für RO gemäß einer sechsten Ausführungsform; und
7 ein System für RO gemäß einer siebten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird ausführlich auf Ausführungsformen Bezug genommen, von denen in den beigefügten Zeichnungen Beispiele dargestellt sind. Wirkungen und Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen sowie deren Implementierungsverfahren werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente, und auf redundante Beschreibungen wird verzichtet. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt verstanden werden. Diese Ausführungsformen werden als Beispiele bereitgestellt, damit diese Offenbarung vollständig ist und die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung dem Fachmann vollständig vermittelt.
Dementsprechend werden Elemente, die für den Fachmann zum vollständigen Verständnis der Merkmale der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind, möglicherweise nicht beschrieben.
Der Begriff „und/oder“, wie hierin verwendet, umfasst jegliche Kombinationen eines oder mehrerer der in diesem Zusammenhang aufgeführten Elemente. Ferner bezieht sich die Verwendung von „kann“ bei der Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf „eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung“. In der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Begriffe in der Einzahl auch die Mehrzahl einschließen, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
Es versteht sich, dass, wenngleich die Begriffe „erste(r/s)“ und „zweite(r/s)“ zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden, diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden sollen. Diese Begriffe dienen lediglich der Unterscheidung eines Elements von einem anderen Element. Ein erstes Element kann beispielsweise als ein zweites Element bezeichnet werden, und ebenso kann ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und ähnliche Begriffe als Annäherungsbegriffe und nicht als Begriffe des Grades verwendet und sollen die inhärenten Abweichungen in gemessenen oder berechneten Werten berücksichtigen, die von einem Durchschnittsfachmann erkannt werden würden. Wird ferner der Begriff „im Wesentlichen“ in Kombination mit einem Merkmal verwendet, das durch einen numerischen Wert ausgedrückt werden kann, so bezeichnet der Begriff „im Wesentlichen“ einen Bereich von +/- 5 % des Wertes, in dessen Mitte der Wert steht.
1 zeigt schematisch ein System für Umkehrosmose, RO, 100 gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei das System 100 eine erste RO-Stufe 10 und eine zweite RO-Stufe 20 umfasst.
Die erste RO-Stufe 10 umfasst einen ersten Zuführeinlass 11, einen ersten Salzlösungsauslass 12, einen ersten Permeatauslass 13 sowie eine erste Hochdruck-RO-Kammer 15 und eine erste Niederdruck-RO-Kammer 16, die durch eine erste RO-Membran 14 getrennt sind und gemeinsam einen ersten RO-Tank ausbilden. Ein erster Zuführstrom 17 wird der ersten Hochdruck-RO-Kammer 15 über den ersten RO-Zuführeinlass 11 zugeführt, und ein erster Salzlösungsstrom 19 wird über den ersten Salzlösungsauslass 12 abgeführt. Ferner wird ein erster Permeatstrom 18 über einen ersten Permeatauslass 13 von der ersten Niederdruck-RO-Kammer 16 abgeführt.
Die zweite RO-Stufe 20 umfasst einen zweiten Zuführeinlass 21, einen zweiten Salzlösungsauslass 22, einen zweiten Permeatauslass 23 sowie eine zweite Hochdruck-RO-Kammer 25 und eine zweite Niederdruck-RO-Kammer 26, die durch eine zweite RO-Membran 24 getrennt sind und gemeinsam einen zweiten RO-Tank ausbilden. Ein zweiter Zuführstrom 27 wird der zweiten Hochdruck-RO-Kammer 25 über den zweiten RO-Zuführeinlass 21 zugeführt, und ein zweiter Salzlösungsstrom 29 wird über den zweiten Salzlösungsauslass 22 abgeführt. Ferner wird ein zweiter Permeatstrom 28 über einen zweiten Permeatauslass 23 von der zweiten Niederdruck-RO-Kammer 26 abgeführt. Jeder von Einlässen und Auslässen kann ventilgesteuert sein, wobei aktive Ventile und passive Ventile (z. B. Rückschlagventile) verwendet werden können. Das System umfasst ferner eine weitere Flüssigkeitsquelle (nicht gezeigt), um das Permeat, das dem System 100 über Permeatauslässe 13, 23 entnommen wid, zu kompensieren, d. h. ebenfalls den ersten Zuführstrom 17 zu ergänzen.
Das RO-System 100 umfasst ferner einen Druckaustauscher, PE, 40, insbesondere einen isobarischen und/oder Rotationsdruckaustauscher 40. Der Druckaustauscher 40 umfasst einen PE-Hochdruckeinlass 41, einen PE-HP-Auslass 42, einen HP-Niederdruck (LP)-Einlass 43 und einen PE-LP-Auslass 44. Der PE-HP-Einlass 41 ist mit dem zweiten Salzlösungsauslass 22 verbunden, d. h., ist dem zweiten Salzlösungsauslass 22 nachgelagert angeordnet, und nimmt den vom zweiten Salzlösungsauslass 22 abgeführten Salzlösungsstrom 29 auf. Der PE-HP-Auslass 42 ist mit dem ersten Zuführeinlass 11 verbunden, d. h., ist dem ersten Zuführeinlass 11 vorgelagert angeordnet und stellt dem ersten Zuführeinlass 11 den ersten Zuführstrom 17 bereit. Folglich ist der PE 40 zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass 22 und dem ersten Zuführeinlass 11 angeschlossen.
Wie in 1 veranschaulicht, entspricht eine erste Druckdifferenz Δp₁ zwischen dem ersten Salzlösungsauslass 12 und dem zweiten Zuführeinlass 21 einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass 22 und dem Druckaustauscher 40. Ein Druck an dem ersten Salzlösungsauslass 12 unterscheidet sich von einem Druck an dem zweiten Zuführeinlass 21 um die erste Druckdifferenz Δp₁. Ferner unterscheidet sich ein Druck an dem zweiten Salzlösungsauslass 22 von einem Druck an dem PE-HP-Einlass 41 um die zweite Druckdifferenz Δp₂. Hierin ist die erste Druckdifferenz Δp₁ vorzugsweise größer als 20 bar, besonders bevorzugt größer als 35 bar und ebenfalls bevorzugt noch größer als 50 bar. Da die zweite Druckdifferenz Δp₂ der ersten Druckdifferenz Δp₁ entspricht, überschreitet auch die zweite Druckdifferenz Δp₂ vorzugsweise diese Werte. Die erste Druckdifferenz Δp₁ kann exakt die gleiche wie die zweite Druckdifferenz Δp₂ sein, doch entspricht mindestens etwa 80 % bis 120 %, vorzugsweise etwa 90 % bis 110 %, und besonders bevorzugt etwa 95 % bis 105 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂.
Das Festlegen der ersten und zweiten Druckdifferenz Δp₁ und Δp₂ in einer solchen entsprechenden Weise stellt die zusätzliche vorteilhafte Wirkung bereit, dass der isobarische Druckaustauscher 40 vorteilhaft mit einer optimalen Energieübertragungseffizienz betrieben wird. Dies wird erreicht, wenn Druckdifferenzen, insbesondere eine Druckdifferenz zwischen Druckniveaus an dem PE-HP-Einlass 41 und dem PE-HP-Auslass 42 sowie eine Druckdifferenz zwischen Druckniveaus an dem PE-LP-Einlass 43 und dem PE-LP-Auslass 44 dieselben oder mindestens fast dieselben sind. Dadurch werden optimale Druckbedingungen und folglich eine optimale Übertragungseffizienz unabhängig von spezifischen Systemdrücken erreicht.
2 zeigt schematisch ein System für RO 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei, wie in der ersten Ausführungsform, gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten der Kürze halber verzichtet wird.
In dem System von 2 wird die erste Druckdifferenz Δp₁ durch eine (zweite) Hydraulikpumpe 60.2 realisiert, und die zweite Druckdifferenz Δp₂ wird durch einen Hydraulikmotor 50 realisiert. Mit anderen Worten: Die erste Druckdifferenz Δp₁ entspricht dem Druckanstieg an der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 und die zweite Druckdifferenz entspricht dem Druckabfall an dem Hydraulikmotor 50. In dem System von 2 sind der Hydraulikmotor 50 und die zweite Hydraulikpumpe 60.2 miteinander über eine Verbindung verbunden, die dazu ausgestaltet ist, eine Energieübertragung zu erlauben, wie in 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Energieübertragung über diese Verbindung kann hydraulisch, mechanisch und/oder elektrisch realisiert werden.
Das RO-System 100 von 2 unterscheidet sich ferner insofern vom System von 1, dass eine weitere (erste) Hydraulikpumpe 60.1 im ersten Zuführstrom 17 angeordnet ist, um einen Teil des Zuführstroms 17 mit Druck zu beaufschlagen. Ein Teil des Zuführstroms 17 wird ab einer der ersten Hydraulikpumpe 60.1 vorgelagerten Stelle von ihm abgeteilt und dem PE-LP-Einlass 43 bereitgestellt. Dieser Teil wird dann im isobarischen Druckaustauscher 40 mit Druck beaufschlagt und über den PE-HP-Auslass 42 dem ersten Zuführeinlass 11 bereitgestellt. Auf eine solche Weise kann ferner vorteilhaft sichergestellt werden, dass der volumetrische Strom in den PE-LP-Einlass 43 einem volumetrischen Strom in den PE-HP-Einlass 41 entspricht, was auch die Effizienz des PE 40 verbessert.
In der Ausführungsform von 2 arbeitet die erste RO-Stufe 10 auf einem Hochdruckniveau von etwa 60 bar, und die zweite RO-Stufe 20 arbeitet auf einem Hochdruckniveau von etwa 120 bar. Mit anderen Worten: Ein Druck an dem ersten Zuführeinlass 11 und dem ersten Salzlösungsauslass 12 beträgt etwa 60 bar, und ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass 21 und dem zweiten Salzlösungsauslass 22 beträgt etwa 120 bar. Ein Druckanstieg an der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 beträgt etwa 60 bar, was dem Druckabfall an dem Hydraulikmotor 50 entspricht, von dem Energie auf die zweite Hydraulikpumpe 60.2 übertragen wird. Ein Druck des zweiten Salzlösungsstroms 29 beträgt dem Hydraulikmotor 50 vorgelagert etwa 120 bar und ihm nachgelagert etwa 60 bar, und ein Druck an dem PE-HP-Einlass 41 beträgt etwa 60 bar, was etwa gleich einem Druck an dem ersten Zuführeinlass 11 und dem PE-HP-Auslass 42 ist.
Die Zuführlösung kann durch einen Zuführlösungsbehälter mit einem Druck von 2 bar bereitgestellt werden, was einem Druck an dem PE-LP-Einlass 43 und einem Druck an einem Pumpeneinlass der ersten Hydraulikpumpe 60.1 entspricht. Ein Druck an dem PE-LP-Auslass 44 entspricht ebenfalls 2 bar, und ein Druck an einem Motorauslass der ersten Hydraulikpumpe 60.1 beträgt ebenfalls etwa 60 bar. Folglich sind in dem System von 2 Druckniveaus zum Betreiben des Druckaustauschers 40 mit einer optimalen Übertragungseffizienz sichergestellt. Ferner wird die aus dem System 100 über den Hydraulikmotor 50 zum Gewährleisten dieser Druckniveaus entfernte hydraulische Energie über die zweite Hydraulikpumpe 60.2 wieder in das System 100 eingeführt, um den Druck für die zweite RO-Stufe 20 zu erhöhen.
3 zeigt schematisch ein System für RO 100 gemäß einer dritten Ausführungsform. Hierin sind, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten wird der Kürze halber verzichtet.
Das System 100 von 3 unterscheidet sich insofern vom System von 2, als die erste RO-Stufe 10 auf einem Hochdruckniveau von etwa 120 bar betrieben wird, während die zweite RO-Stufe 20 auf einem Hochdruckniveau von etwa 60 bar betrieben wird. Mit anderen Worten: Ein Druck an dem ersten Zuführeinlass 11 und dem ersten Salzlösungsauslass 12 beträgt etwa 120 bar, und ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass 21 und dem zweiten Salzlösungsauslass 22 beträgt etwa 60 bar. Das System von 3 unterscheidet sich ferner insofern von jenem von 2, als der Hydraulikmotor 50 zwischen der ersten RO-Stufe 10 und der zweiten RO-Stufe 20 angeordnet ist, während die zweite Hydraulikpumpe 60.2 dem zweiten Salzlösungsauslass 22 nachgelagert angeordnet ist. Folglich wird in dem System 100 von 3 ein Druckabfall von etwa 60 bar über den Hydraulikmotor 50 zwischen dem ersten Salzlösungsauslass 12 und dem zweiten Zuführeinlass 21 eingeführt, der einem Druckanstieg an der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 von etwa 60 bar entspricht. Folglich beträgt ein Druck des zweiten Salzlösungsstroms 29 der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 vorgelagert etwa 60 bar und ihr nachgelagert etwa 120 bar, und folglich beträgt ein Druck an dem PE-HP-Einlass 41 etwa 120 bar, was in etwa gleich einem Druck an dem ersten Zuführeinlass 11 und dem PE-HP-Auslass 42 ist.
Wiederum kann die Zuführlösung durch einen Zuführlösungsbehälter mit einem Druck von 2 bar bereitgestellt werden, was einem Druck an dem PE-LP-Einlass 43 und einem Druck an einem Pumpeneinlass der ersten Hydraulikpumpe 60.1 entspricht. Ein Druck an dem PE-LP-Auslass 44 entspricht ebenfalls 2 bar, und ein Druck an einem Motorauslass der ersten Hydraulikpumpe 60.1 beträgt hier etwa 120 bar. Folglich sind auch in dem System von 3 Druckniveaus zum Betreiben des Druckaustauschers 40 mit einer optimalen Übertragungseffizienz gewährleistet, und hydraulische Energie, die aus dem System 100 über den Hydraulikmotor 50 entfernt wird, wird über die zweite Hydraulikpumpe 60.2 wieder in das System 100 eingeführt, um dem isobarischen Druckaustauscher 40 vorgelagert den Druck des zweiten Salzlösungsstroms 29 zu erhöhen.
4 zeigt schematisch ein System für RO 100 gemäß einer vierten Ausführungsform. Hierin sind, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten wird der Kürze halber verzichtet.
Das System 100 von 4 unterscheidet sich insofern von jenem von 3, als die Verbindung zwischen dem Hydraulikmotor 50 und der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 über einen Induktionsmotor 70 realisiert wird. Der Induktionsmotor 70 kann ein Asynchronmotor sein, der einen Stator und einen Rotor aufweist. Die zweite Hydraulikpumpe 60.2 kann eine Axialkolbenpumpe sein, und der Hydraulikmotor 50 kann ein Axialkolbenmotor sein. Der Rotor des Induktionsmotors 70 kann mechanisch mit einer Eingangswelle der Axialkolbenpumpe 60.2 und mit einer Ausgangswelle des Axialkolbenmotors 50 verbunden sein. Der Rotor des Induktionsmotors 70 kann mit einer Motorwelle des Induktionsmotors 70 verbunden sein, die mit der Eingangswelle und der Ausgangswelle verbunden ist, wobei diese Motorwelle entweder eine einzelne durchgehende Motorwelle sein kann oder durch ein Paar von zwei (ein Doppel von) Motorwellen ausgebildet sein kann.
Die Nutzung der Konfiguration von 4 erlaubt vorteilhaft das Übertragen von Energie vom Hydraulikmotor 50 auf die zweite Hydraulikpumpe 60.2 in einer besonders effizienten Weise, d. h. ohne Umwandlungsverluste für eine Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie, die z. B. in einem Antrieb mit variabler Frequenz oder dergleichen auftreten könnten. Ferner stellt die Verwendung des Induktionsmotors 70 zum mechanischen Verbinden des Hydraulikmotors 50 und der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 vorteilhaft Wege für eine effiziente Steuerung des Systems 100 bereit, z. B. durch Zuführen von zusätzlicher Energie, die von einer zweiten Hydraulikpumpe 60.2 zum Erzeugen eines gewünschten Druckniveaus an dem PE-HP-Einlass 41 benötigt wird. Dies kann durch Verändern eines Schlupfes des Induktionsmotors 70 variiert werden. Ferner umfassen mindestens eines aus dem Hydraulikmotor 50 und der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 eine Taumelscheibe und/oder ein mechanisches Getriebe, um eine Einstellung eines Volumens und/oder eines Umdrehungsverhältnisses zwischen dem Hydraulikmotor 50 und der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 zu ermöglichen.
5 zeigt schematisch ein System für RO 100 gemäß einer fünften Ausführungsform. Hierin sind, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten wird der Kürze halber verzichtet. Das System 100 von 5 weist die gleiche Konfiguration von Hydraulikmotor 50 und zweiter Hydraulikpumpe 60.2, die miteinander über einen Induktionsmotor 70 verbunden sind, auf, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, was die Vorteile wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben bereitstellt.
6 zeigt schematisch ein System für RO 100 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Hierin sind, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten wird der Kürze halber verzichtet.
Das RO-System 100 von 6 umfasst ferner eine dritte RO-Stufe 30, die einen dritten Zuführeinlass 31, einen dritten Salzlösungsauslass 32, einen dritten Permeatauslass 33 sowie eine dritte Hochdruck-RO-Kammer 35 und eine dritte Niederdruck-RO-Kammer 36 umfasst, die durch eine dritte RO-Membran 34 getrennt sind und gemeinsam einen dritten RO-Tank ausbilden. Ein dritter Zuführstrom 37 wird der dritten Hochdruck-RO-Kammer 35 über den dritten RO-Zuführeinlass 31 zugeführt, und ein dritter Salzlösungsstrom 39 wird über den dritten Salzlösungsauslass 32 abgeführt. Ferner wird ein dritter Permeatstrom 38 über einen dritten Permeatauslass 33 von der dritten Niederdruck-RO-Kammer 36 abgeführt. Das Permeat aller drei RO-Stufen 10, 20, 30 kann nachfolgenden Stufen oder Verwendungszwecken gemeinsam oder separat bereitgestellt werden.
In dem System 100 von 6 wird eine erste Druckdifferenz Δp₁ zwischen der ersten RO-Stufe 10 und der zweiten RO-Stufe 20 durch eine Druckdifferenz Δp_3,1 zwischen der ersten RO-Stufe 10 und der dritten RO-Stufe 30 und durch eine Druckdifferenz Δp_3,2 zwischen der dritten RO-Stufe 30 und der zweiten RO-Stufe 20 erzeugt. Wie unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen von 7 und 8 erörtert, wird mindestens eine von den Druckdifferenzen Δp_3,1 und Δp_3,2 durch eines aus einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe erzeugt. Das System 100 könnte ferner zusätzliche RO-Stufen zwischen der dritten RO-Stufe 30 und der zweiten RO-Stufe 20 umfassen, z. B. eine vierte RO-Stufe (nicht gezeigt) zwischen der dritten RO-Stufe 30 und der zweiten RO-Stufe 20 und eine fünfte RO-Stufe (nicht gezeigt) zwischen der vierten RO-Stufe (nicht gezeigt) und der zweiten RO-Stufe 20. Dann würde die Druckdifferenz Δp_3,2 weiter in Druckdifferenzen Δp_4,1 und Δp_4,2 geteilt werden, und die Druckdifferenz Δp_4,2 würde weiter in Druckdifferenzen Δp_5,1 und Δp_5,2 geteilt werden, von denen mindestens einige durch eines aus einem Hydraulikmotor und einer Hydraulikpumpe erzeugt werden. Wiederum umfasst das System 100 eine weitere Flüssigkeitsquelle (nicht gezeigt), um das Permeat, das dem System 100 über Permeatauslässe 13, 23, 33 entnommen wird, zu kompensieren, d. h. ebenfalls den ersten Zuführstrom 17 zu ergänzen.
7 zeigt schematisch ein System für RO 100 gemäß einer siebten Ausführungsform. Hierin sind, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen, gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten wird der Kürze halber verzichtet.
Die Ausführungsform von 7 entspricht jener von 6, wobei jede der Druckdifferenzen Δp_3,1 und Δp_3,2 durch eine Hydraulikpumpe, namentlich eine erste Hydraulikpumpe 60.1 und eine zweite Hydraulikpumpe 60.2, erzeugt wird. Beispielsweise arbeitet die erste RO-Stufe 10 auf einem Hochdruckniveau von 60 bar, die dritte RO-Stufe 30 arbeitet auf einem Hochdruckniveau von 90 bar, und die zweite RO-Stufe 20 arbeitet auf einem Hochdruckniveau von 120 bar. Mit anderen Worten: Ein Druck an dem ersten Zuführeinlass 11 und dem ersten Salzlösungsauslass 12 beträgt etwa 60 bar, ein Druck an dem dritten Zuführeinlass 31 und dem dritten Salzlösungsauslass 32 beträgt etwa 90 bar, und ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass 21 und dem zweiten Salzlösungsauslass 22 beträgt etwa 120 bar. Ein Druckanstieg an der ersten Hydraulikpumpe 60.1 beträgt folglich etwa 30 bar, und ein Druckanstieg an der zweiten Hydraulikpumpe 60.2 beträgt ebenfalls etwa 30 bar. Die Summe dieser Druckanstiege, d. h. 60 bar, entspricht dem Druckabfall an dem Hydraulikmotor 50, von dem Energie sowohl an die erste Hydraulikpumpe 60.1 als auch die zweite Hydraulikpumpe 60.2 übertragen wird, wie durch die gestrichelten Linien angegeben. Ein Druck des zweiten Salzlösungsstroms 29 beträgt dem Hydraulikmotor 50 vorgelagert etwa 120 bar und ihm nachgelagert etwa 60 bar, und folglich beträgt ein Druck an dem PE-HP-Einlass 41 etwa 60 bar, was etwa gleich einem Druck an dem ersten Zuführeinlass 11 und dem PE-HP-Auslass 42 ist. Wiederum umfasst das System 100 eine weitere Flüssigkeitsquelle (nicht gezeigt), um das Permeat, das dem System 100 über Permeatauslässe 13, 23, 33 entnommen wird, zu kompensieren, d. h. ebenfalls den ersten Zuführstrom 17 zu ergänzen.
Bezugszeichen

10: erste RO-Stufe
11: erster Zuführeinlass
12: erster Salzlösungsauslass
13: erster Permeatauslass
14: erste RO-Membran
15: erste Hochdruck-RO-Kammer
16: erste Niederdruck-RO-Kammer
17: erster Zuführstrom
18: erster Salzlösungsstrom
19: erster Permeatstrom
20: zweite RO-Stufe
21: zweiter Zuführeinlass
22: zweiter Salzlösungsauslass
23: zweiter Permeatauslass
24: zweite RO-Membran
25: zweite Hochdruck-RO-Kammer
26: zweite Niederdruck-RO-Kammer
27: zweiter Zuführstrom
28: zweiter Salzlösungsstrom
29: zweiter Permeatstrom
30: dritte RO-Stufe
31: dritter Zuführeinlass
32: dritter Salzlösungsauslass
33: dritter Permeatauslass
34: dritte RO-Membran
35: dritte Hochdruck-RO-Kammer
36: dritte Niederdruck-RO-Kammer
37: dritter Zuführstrom
38: dritter Salzlösungsstrom
39: erster Permeatstrom
40: (isobarischer) Druckaustauscher
41: (erster) PE-HP-Einlass
42: (erster) PE-HP-Auslass
43: (erster) PE-LP-Einlass
44: (erster) (erster) PE-LP-Auslass
45: (zweiter) (isobarischer) Druckaustauscher
46: (zweiter) PE-HP-Einlass
47: (zweiter) PE-HP-Auslass
48: (zweiter) PE-LP-Einlass
49: (zweiter) PE-LP-Auslass
50: Hydraulikmotor
60: Hydraulikpumpe
70: Induktionsmotor
100: System für Umkehrosmose

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

US 2,675,173 B [0019]
EP 0298097A1 [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. MÜLLER; S.; et al. (2002). „Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines“ (PDF). IEEE Industry Applications Magazine. IEEE. 8(3): 26-33. doi:10.1109/2943.999610 [0033]
Roberts, Paul C. (2004). „Study of Brushless Doubly-Fed (Induction) Machines; Contributions in Machine Analysis, Design and Control“ (PDF). Emmanuel College, University of Cambridge [0033]

Claims

System (100) für Umkehrosmose, reverse osmosis - RO, umfassend: eine erste RO-Stufe (10) mit einem ersten Zuführeinlass (11), einem ersten Salzlösungsauslass (12) und einem ersten Permeatauslass (13); eine zweite RO-Stufe (20) mit einem zweiten Zuführeinlass (21), einem zweiten Salzlösungsauslass (22) und einem zweiten Permeatauslass (23); einen isobaren Druckaustauscher, pressure exchanger - PE, (40), angeschlossen zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem ersten Zuführeinlass (11), wobei ein Mittel (50, 60), das zum Erzeugen einer ersten Druckdifferenz Δp₁ als eines von einem Druckanstieg und einem Druckabfall konfiguriert ist, zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem zweiten Zuführeinlass (21)verbunden ist und ein Mittel (50, 60), das zum Erzeugen einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ als das andere von einem Druckanstieg und einem Druckabfall konfiguriert ist, zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem isobaren Drucktauscher (40) verbunden ist, wobei das System so konfiguriert ist, dass sich die erste Druckdifferenz Δp₁ und die zweite Druckdifferenz Δp₂ automatisch so aufeinander einstellen, dass sie einander entsprechen, so dass die erste Druckdifferenz Δp₁ zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem zweiten Zuführeinlass (21) ungefähr 80% bis 120% der zweiten Druckdifferenz Δp₂ zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem isobaren Druckaustauscher (40) entspricht.
System (100) nach Anspruch 1, wobei die zum Erzeugen einer ersten Druckdifferenz Δp₁ konfigurierten Mittel (50, 60) und die zum Erzeugen einer zweiten Druckdifferenz Δp₂ konfigurierten Mittel (50, 60) über eine Verbindung miteinander verbunden sind, die so konfiguriert sind, dass sie eine Energieübertragung ermöglicht.
System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der isobare Druckaustauscher (40) einen PE-Hochdruck-Einlass, PE-HP-Einlass, (41), angeschlossen an den zweiten Salzlösungsauslass (22), und einen PE-Hochdruck-Auslass, PE-HP-Auslass (42), angeschlossen an den ersten Zuführeinlass (11), umfasst, wobei das Mittel zum Erzeugen der zweiten Druckdifferenz Δp₂ zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem PE-HP-Einlass (41) verbunden ist.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Druckdifferenz Δp₁ genutzt wird, um die zweite Druckdifferenz Δp₂ zu erzeugen, oder wobei die zweite Druckdifferenz Δp₂ genutzt wird, um die erste Druckdifferenz Δp₁ zu erzeugen.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mittel (50, 60) zum Erzeugen der ersten Druckdifferenz Δp₁ so konfiguriert ist, dass es das Erzeugen der zweiten Druckdifferenz Δp₂ durch Übertragen von mit der ersten Druckdifferenz Δp₁ verbundener hydraulischer Energie auf das Mittel (50, 60) zum Erzeugen der zweiten Druckdifferenz (50, 60) unterstützt und/oder wobei das Mittel (50, 60) zum Erzeugen der zweiten Druckdifferenz Δp₂ verwendet wird, um das Erzeugen der ersten Druckdifferenz Δp₁ zu unterstützen, indem mit der zweiten Druckdifferenz Δp₂ verbundene hydraulische Energie an das Mittel (50, 60) zum Erzeugen der zweiten Druckdifferenz Δp₂ übertragen wird, wobei die hydraulische Energie direkt oder indirekt durch Umwandlung in mechanische Energie und/oder elektrische Energie übertragen wird.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der isobare Druckaustauscher (40) ein Rotationsdruckaustauscher ist.
System (100) nach Anspruch 2, wobei zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem PE-HP-Einlass (41) ein Hydraulikmotor (50) angeschlossen ist und wobei der an dem Hydraulikmotor (50) auftretende Druckabfall die zweite Druckdifferenz Δp₂ ist, die der ersten Druckdifferenz Δp₁ entspricht.
System (100) nach Anspruch 7, wobei ein Druck an dem ersten Salzlösungsauslass (12) kleiner als ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass (21) ist und/oder zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem zweiten Zuführeinlass (21) eine Hydraulikpumpe (60) zwischengeschaltet ist.
System (100) nach den Ansprüchen 2 bis 8, wobei zwischen dem zweiten Salzlösungsauslass (22) und dem PE-HP-Einlass (41) eine Hydraulikpumpe (60) angeschlossen ist und wobei der an der Hydraulikpumpe (60) auftretende Druckanstieg die zweite Druckdifferenz Δp₂ ist, die der ersten Druckdifferenz Δp₁ entspricht.
System (100) nach Anspruch 9, wobei ein Druck an dem ersten Salzlösungsauslass (12) größer als ein Druck an dem zweiten Zuführeinlass (21) ist und/oder wobei zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem zweiten Zuführeinlass (21) ein Hydraulikmotor (50) zwischengeschaltet ist.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mittel (50, 60) zum Erzeugen der ersten Druckdifferenz Δp₁ so konfiguriert ist, dass die erste Druckdifferenz Δp₁ größer als 10 bar, vorzugsweise größer als 20 bar und noch bevorzugter größer als 50 bar ist.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Druckdifferenz Δp₁ etwa 80 % bis 120 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂ beträgt, die erste Druckdifferenz Δp₁ vorzugsweise etwa 90 % bis 110 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂ beträgt und die erste Druckdifferenz Δp₁ besonders bevorzugt etwa 95 % bis 105 % der zweiten Druckdifferenz Δp₂ beträgt.
System (100) nach den Ansprüchen 8 oder 10, wobei der Hydraulikmotor (50) und die Hydraulikpumpe (60) mechanisch, vorzugsweise über einen Induktionsmotor (70), miteinander verbunden sind.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine dritte RO-Stufe (30), die zwischen der ersten RO-Stufe (10) und der zweiten RO-Stufe (20) zwischengeschaltet ist und einen dritten Zuführeinlass (31), einen dritten Salzlösungsauslass (32) und einen dritten Permeatauslass (33) aufweist, wobei ein Mittel zur Erzeugung einer Druckdifferenz Δp_3,1 zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem dritten Zuführeinlass (31) angeschlossen ist und die erste Druckdifferenz Δp₁ eine Druckdifferenz Δp_3,1 zwischen dem ersten Salzlösungsauslass (12) und dem dritten Zuführeinlass (31) und wobei ein Mittel zur Erzeugung einer Druckdifferenz Δp_3,2 zwischen dem dritten Salzlösungsauslass (32) und dem zweiten Zuführeinlass (21) angeschlossen ist und wobei die erste Druckdifferenz Δp₁ ferner eine Druckdifferenz Δp_3,2 zwischen dem dritten Salzlösungsauslass (32) und dem zweiten Zuführeinlass (21) umfasst.