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Pumpe
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Die Erfindung betrifft eine Pumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Hochdruckpumpen, die in
Entsalzungsanlagen nach dem Umkehr-Diffusionsverfahren (reverse osmosis desalination
plant), im weiteren RO-Entsalzungsanlagen genannt, für stark salzhaltiges Wasser
wie Meerwasser und Brackwasser benutzt werden.
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Herkömmliche Bauweise und deren Nachteile Es sind einige Arten von
Hochdruck-Speisewasserpumpen mit einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung bekannt,
die für Seewasser-RO-Entsalzungsanlagen großer Kapazität benutzt werden. Die Bauarten
sind normalerweise mit einer umgekehrt laufenden, mehrstufigen Zentrifugalpumpe
oder Peltonturbine ausgerüstet, um die hohe Druckenergie der konzentrierten Salzlauge
(Sole), die die Osmosemembran nicht durchdringt, zurückzugewinnen. Anders ausgedrückt
ist
eine solche herkömmliche Hochdruckpumpe mit einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
eine mehrstufige Zentrifugalpumpe, die mit der oben erwähnten Energie-Rückgewinnungseinrichtung
kombiniert ist. Diese Hochdruck-Speisewasserpumpen für RO-Entsalzungssysteme sind
von der Art von Zentrifugalpumpen und können einen großen Wirkungsgrad für RO-Entsalzungsanlagen
großer Kapazität aufweisen.
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Bei RO-Entsalzungsanlagen kleiner Kapazität arbeiten mehrstufige Zentrifugalpumpen
nicht wirtschaftlich und eine Hochdruck-Speisewasserpumpe vom Zentrifugaltyp mit
einer Energie-Rückgewinnungsturbine ist nicht zweckmäßig und praktikabel.
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Bei RO-Entsalzungsanlagen kleiner Kapazität können Hochdruckpumpen
mit abwechselnd wirkenden Kolben wirtschaftlicher arbeiten und werden deshalb üblicherweise
benutzt.
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Aber auch Hochdruck-Kolbenpumpen mit einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
sind nicht zweckmäßig und praktikabel.
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Eine solche Hochdruckpumpe ohne Energie-Rückgewinnungseinrichtung
kann die Energie der abgelassenen und unter hohem Druck stehenden Salzlauge aus
dem RO-Entsalzungssystem nicht zurückgewinnen und diese Salzlauge muß durch ein
Rückdruck-Regelventil an den Umgebungsdruck abgegeben werden. Dann kann eine solche
Druckenergie nicht wirksam genutzt werden und besonders nachteilig wird ein großer
Verschleiß und Abnützung am Rückdruck-Regelventil verursacht.
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Aufgabe der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme des
Standes der Technik zu überwinden und eine wirksam und wirtschaftlich arbeitende
Hochdruck-Speisewasserpumpe mit Energie-Rückgewinnung für kleine RO-Entsalzungssysteme
zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ausführung der Erfindung Der Anmeldungsgegenstand einer Hochdruckpumpe
besteht aus der Art eines sich gleitend bewegenden Schiebers (scrubmoving type vane),
im weiteren Drehschieberpumpe genannt, und/oder einer Zahnradpumpe, die mit demselben
Typ und derselben Kapazität und/oder einer Drehschieberpumpe und/ oder Zahnradpumpe
von kleinerer Kapazität kombiniert ist.
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Und ein weiterer Anmeldungsgegenstand ist der, daß der entsprechende
Speisewasseranteil und Veränderung und/oder Hochdruckablaß-Anteil und Veränderung,
wie in den verschiedenen Betriebsbedingungen des RO-Entsalzungsprozesses benötigt
(einer oder beide der Durchflußanteile) durch eine Veränderung der Stellung des
Exzenterrings erhalten wird.
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Selbst in einer kleinen RO-Entsalzungsanlage kann die erfindungsgemäße
Hochdruckpumpe der vorgenannten Ausführung mit der Energie-Rückgewinnungsmethode
arbeiten und von einer kleineren Antriebsmaschine angetrieben, die Energiekosten
senken.
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Ausführung und Funktion Anhand von Ausführungsbeispielen wird die
Erfindung anhand von Zeichnungen mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 ein Durchflußdiagramm eines Energie-Rückgewinnungssystems
einer RO-Entsalzungsanlage, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Hochdruckpumpe mit Energie-Rückgewinnung,
die Fig. 3 und 4 entsprechende
Querschnitte.
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Fig. 1 zeigt das Flußdiagramm eines gesamten RO-Entsalzungsanlagenflußsystems
gemäß der Erfindung mit einer Versorgungspumpe 1 für unbehandeltes Wasser, mit einem
Vorfilter 2 für Speisewasser zu der RO-Entsalzungsanlage, mit einer Hochdruck-Speisewasserpumpe
3, mit einem Energie-Rückgewinnungsmotor 4, mit einer Antriebsmaschine 5 für die
Hochdruck-Speisewasserpumpe, mit Wellenflanschkupplungen 6 und 6' zwischen der Hochdruck-Speisewasserpumpe
3 und der Antriebsmaschine 5 und zwischen dem Energie-Rückgewinnungsmotor und der
Antriebsmaschine. Für 6' wird generell eine schaltbare Kupplung verwendet. Mit 7
sind RO-Membranmodule bezeichnet.
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Speisewasser (raw water) fließt durch das Zuleitungsrohr 8 zur Versorgungspumpe
1 und weiter durch Rohre 9, 10 und den Vorfilter 2, der zwischen den Rohren 9 und
10 angebracht ist, und gelangt schließlich in die Hochdruckpumpe 3.
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Das Speisewasser wird durch die Hochdruckpumpe 3 verdichtet und fließt
durch das Zuleitungsrohr 11 zu den RO-Membranmodulen 7. In den RO-Membranmodulen
7 wird das eingespeiste Wasser in entsalztes, durchdringendes Wasser, das durch
die RO-Membrane geht, und in konzentrierte Salzlauge (Sole), die nicht durch die
RO-Membran gelangt, getrennt.
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Der Rückstand, der nicht durch die RO-Membran dringt, hat noch eine
hohe Druckenergie und versorgt einen Energie-Rückgewinnungsmotor 4 durch ein Ableitungsrohr
13, wobei der Druck auf Atmosphärendruck reduziert wird und der Rückstand in einen
Abwasserbehälter 15 über das Ableitungsrohr 14 abgeleitet wird.
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Der Druck des entsalzten, durchdringenden Wassers, das durch die RO-Membrane
gelangt, wird auf annähernd Atmo-
sphärendruck reduziert und ist,
nachdem es das Ableitungsrohr 12 durchlaufen hat, für jeden Zweck nutzbar.
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Die vorstehende Darstellung ist eine Beschreibung eines RO-Entsalzungsprozesses
mit einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung, und das vorstehende System ist bereits
bekannt.
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Wenn kein Energie-Rückgewinnungsmotor 4 vorhanden ist, ist es nötig,
in der konzentrierten Salzsole einen hohen Druck aufzustauen, um einen Teil des
unbereiteten Wassers durch die RO-Membrane durchdringen zu lassen. Daher kann nicht
nur die hohe Rückdruckenergie in der konzentrierten Salzsole nicht zurückgewonnen
und wiederverwendet werden, vielmehr gibt es eine Reihe von Schwierigkeiten mit
solchen RO-Entsalzungsanlagen und Gründe, warum Korossion an den Rückdruck-Regelventilen
auftritt.
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Eine Schnittzeichnung einer Hochdruckpumpe entlang der Welle ist in
Fig. 2 und eine Schnittzeichnung entlang der Linie A-A in Fig. 3 gezeigt.
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Die Hochdruckpumpe besteht aus einem Pumpengehäuse 21, einer einzigen
durchgehenden Welle 22, die mit einem Rotor 23 der Hochdruckpumpe und mit einem
Rotor 25 des Energierückgewinnungsmotors verbunden ist. Schieber 24, 36 (Kolbenlamellen)
sind in die entsprechenden Rotoren 23, 25 eingesetzt und gleiten anliegend auf der
inneren Oberfläche der Exzenterringe 48, 49, die exzentrisch gegenüber den zugeordneten
Rotoren angeordnet sind.
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Speisewasser tritt durch ein Ansaugrohr 28 in ein Gehäuse 48 der Hochdruckpumpe
ein, wird durch die Schieber 24 verdichtet und strömt durch den Abflußkanal 27 aus.
Die konzentrierte Salzsole,die nicht durch die RO-Membran geht, wird durch das Leitungsrohr
29 dem Energierückgewinnungsmotor 4 zugeführt und tritt in das Gehäuse 49 ein, wodurch
das
Schieberrad (Rotor 25) bewegt und der Druck reduziert wird. Anschließend fließt
die konzentrierte Salzsole durch das Ableitrohr 30 ab.
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Durch die vorstehende Erläuterung ist es einfach zu verstehen, daß
die Antriebsmaschine in ihrer Leistung verringert und kleiner ausgeführt sein kann,
wenn die Hochdruckpumpe und der Energierückgewinnungsmotor auf ein und derselben
Welle angebracht sind.
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Fig. 2 zeigt eine Abdeckung 40 des Wellenendes, Lagerdichtungen 45,
Lager 46, Wellendichtringe 43, die auf der Welle 22 angebracht sind, wobei Leckflüssigkeit
durch Leitungen 44 und einen Ablaßstopfen 42 abgeleitet wird.
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Wie in der Schnittzeichnung A-A gezeigt wird, besteht ein Steuerventil
für den Ausströmdruck aus einer Ventilsitzöffnung 31, einem Ventilkörper 32, einer
Feder 33, einer Einstellschraube 34 und einem Ventilgehäuse 35. Der Ausströmdruck
ist über den Druck der Abflußleitung 27 gesteuert. Das Steuerventil für den Ausströmdruck
ist nur in der Pumpenseite eingesetzt und nicht an der Seite des Energierückgewinnungsmotors.
Aber die anderen Bestandteile und Konstruktionen sind die gleichen wie bei der Pumpenseitenausführung
des Schnitts A-A, so daß der Schnitt durch die Motorseite weggelassen wurde.
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In einem RO-Entsalzungssystem wird üblicherweise G/Q als Rückgewinnungsverhältnis
und/oder Umwandlungsverhältnis bezeichnet, wobei Q den Speisewasseranteil und G
den Durchdringungsanteil bezeichnet.
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Andererseits werden die Menge und Qualität der durchdringenden Flüssigkeit
geändert, auch wenn das Umwandlungsverhältnis konstant ist, mit den Veränderungen
der Temperatur und/oder der Konzentration des Speisewassers.
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Der Durchdringungsflußanteil und die gesamten aufgelösten Teilchen
(total dissolved solids; im weiteren abgekürzt
TDS genannt) im
durchdringenden Wasser steigen und fallen proportional mit dem Anstieg und Abfall
der Speisewassertemperatur.
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Wenn die Speisewassertemperatur und das Umwandlungsverhältnis konstant
sind, ist die TDS des durchdringenden Wassers proportional der Konzentration des
Speisewassers und die TDS des durchdringenden Wassers proportional zum Umwandlungsverhältnis.
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Aus den vorstehenden Gründen sollte das Umwandlungsverhältnis umgekehrt
proportional zu den Veränderungen der Temperatur und der Konzentration des Speisewassers
geändert werden, wenn ein fester TDS-Wert des durchdringenden Wassers gefordert
ist.
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Um das Umwandlungsverhältnis zu ändern, sollten entweder der Ausströmanteil
der Hochdruckpumpe oder der Einspeisungsanteil des Energierückgewinnungsmotors und/oder
beide Flüssigkeitsanteile geändert werden.
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In Fig. 4 sind Maßnahmen zur Veränderung der Kapazität bei der Hochdruckpumpe
und dem Energierückgewinnungsmotor beschrieben.
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Schieber 24' in einem Rotor 23', der durch eine Welle 22' angetrieben
ist, liegen an der inneren Oberfläche des Exzenterringes 51' an und der Exzenterring
51' ist im Innenraum 52' eines Gehäuses 21' angebracht. In der bezeichneten Stellung
des Exzenterringes 51' in Fig. 4 wird ersichtlich, daß grö8tes Saug- und Pumpvolumen
erhalten werden kann. Das Saug- und Pumpvolumen wird vermindert bei einer Bewegung
des Exzenterringes über den Stellhebel 53'.
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Wenn die Mitte des Exzenterringes bewegt wird und mit der Mittellinie
der Welle 22 zusammenfällt, wird das Saug-
und Pumpvolumen der
Pumpe auf 0 reduziert. Entsprechend wird der Entspannungsanteil beim Energierückgewinnungsmotor
geändert.
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In Fig. 4 ist weiter eine Ausströmöffnung 27' und eine Ansaugöffnung
28' angedeutet.
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Eine so volumensteuerbare Drehschiebermaschine für den Pump- und Entspannungsvorgang
ist entweder in der Hochdruckpumpe oder im Energierückgewinnungsmotor und/oder in
beiden davon verwendet. So kann ein steuerbares Umwandlungsverhältnis in einer solchen
Hochdruckpumpe mit einem Energierückgewinnungsmotor für ein RO-Entsalzungssystem
verwirklicht werden.
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Durch die vorstehenden Erläuterungen ist es verständlich, daß die
erfindungsgemäße Hochdruckpumpe mit Energierückgewinnungsmotor Energie aus der hochkonzentrierten
Salzsole zurückgewinnen kann. Durch die Energieeinsparung kann die Leistung der
Antriebsmaschine und der Leistungsverbrauch der Hochdruckpumpe verringert werden,
im Vergleich zu herkömmlichen Verschiebetyp-Hochdruckwasserpumpen ohne Energierückgewinnungsmotor.
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Zusammenfassend wird festgestellt, daß die Erfindung eine Pumpe für
eine Entsalzungsanlage als Drehmaschine vom Verschiebetyp betrifft, in der Gehäuse
48, 49, mit Eintrittsöffnungen 28, 29 und Austrittsöffnungen 27, 30 und Schieberräder
23, 24 in jedem Gehäuse 48, 49 angebracht sind und eine Pumpe und einen Hydraulikmotor
darstellen.
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Das Pumpengehäuse 48 und das Hydraulikmotorgehäuse 49 sind zusammengefaßt
und das enthaltene Schieberrad 23 im Pumpengehäuse 48 kann den erforderlichen hohen
Wasserdruck für ein RO-Entsalzungssystem liefern, da das Schieberrad 23 im Pumpengehäuse
48 sich gleitend über die innere Oberfläche des Gehäuses 48 bewegt und das weiter
enthaltene Schieberrad 24 im Hydraulikmotorgehäuse, das
sich ebenfalls
gleitend über die innere Oberfläche des Gehäuses 49 bewegt, kann die hohe Druckenergie
der konzentrierten Salzlauge aufnehmen, die nicht durch die Osmosemembrane hindurchtritt.
Das Schieberrad 23 der Pumpe und das Schieberrad 24 des Hydraulikmotors sind gemeinsam
auf derselben Mittellinie bzw. derselben Antriebswelle 22 befestigt.
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Die Pumpe mit Energierückgewinnungseinrichtung besteht somit aus Schieberrädern
23, 24, die gleitend in jedem Gehäuse 48, 49 bewegt werden und die eine Hochdruckpumpe
geringer Kapazität in Verbindung mit einer Energierückgewinnungseinrichtung darstellen
und dadurch die Antriebsleistung für die Pumpe reduzieren können.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, daß der Förderanteil der
Pumpe und der Entspannungsanteil des Hydraulikmotors durch eine Bewegung jedes Exzenterrings
23, 24 geändert werden kann, wobei dies eine Änderung des Umwandlungsverhältnisses
des Entsalzungssystems bedeutet.