DE19520912A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umkehrosmoseanlage nach dem Obergriff des Hauptanspruches. Solche Anlagen werden unter anderem in Verbindung mit Hämodialysegeräten benötigt, um zur Herstellung der Dialysierflüssigkeit ausreichend reines, möglichst keimfreies Wasser zur Verfügung zu stellen.

Das Funktionsprinzip von Umkehrosmoseanlagen besteht bekannt­ lich darin, daß das aufzubereitende Wasser in einem Filtermo­ dul unter hohem Druck an der Oberfläche einer semipermeablen Membran entlanggeführt wird, wobei ein Teil des Wassers, das sogenannte Permeat, durch die Membran tritt und auf der anderen Seite der Membran gesammelt und den Verbrauchsstellen zugeführt wird. Der nicht durch die Membran tretende, mit zurückgehaltenen Stoffen angereicherte Teil des Rohwassers, das sogenannte Konzentrat, fließt am Ende der Strömungsstrec­ ke des Primärraumes aus dem Membranmodul aus.

Beim Betrieb von Umkehrosmoseanlagen, z. B. bei der Versorgung einer Dialysestation, kann der Bedarf an aufbereitetem Wasser starken Schwankungen unterliegen, so daß die Anlage oft nur zu einem Teil ihrer Kapazität ausgelastet wird. Aus DE 43 31 102 ist ein Regelungsverfahren bekannt, bei dem die Motorlei­ stung der zur Erzeugung des Filtrationsdruckes dienenden Pumpe bei verminderter Auslastung reduziert wird, um den erzeugten Permeatfluß auf den aktuellen Bedarfswert einzu­ stellen. Hierzu wird die Motorleistung so geregelt, daß der in der zu den Verbrauchsstellen führenden Permeatleitung herrschende Druck konstant bleibt.

Zur Steigerung des Verhältnisses zwischen dem erzeugten Permeatvolumen und dem hierfür verbrauchten Rohwasservolumen ist es bekannt, einen Teil des vom Filtermodul abfließenden Konzentrats in den Rohwasserzufluß zurückzuleiten und nur den übrigen Teil durch Ableiten in den Abfluß zu verwerfen. Der zurückgeführte Konzentratanteil darf dabei jedoch eine be­ stimmte, vom Verschmutzungsgrad des Rohwassers abhängige Grenze nicht überschreiten, um eine Schädigung der Filtermem­ bran zu vermeiden. In DE 43 31 102 wird hierzu vorgeschlagen, den rückgeführten und den in den Abfluß abgeleiteten Konzen­ tratanteil durch zwei in den betreffenden Leitungen angeord­ nete Durchflußsensoren zu messen und über einen Regler (Konzentratregler) zwei in die gleichen Leitungen eingefügte Regelventile in Abhängigkeit von den gemessenen Durchflüssen so zu steuern, daß nur eine maximal zulässige Menge Konzen­ trat zurückgeführt wird. Zur weiteren Verfeinerung der Regel­ charakterist Soll der auf der Primärseite der Filtermembran gemessene Druck als zusätzliche Steuergröße den Konzentrat­ regler in einer nicht näher bezeichneten Weise beeinflussen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Umkehrosmosean­ lage so auszustatten, daß eine selbsttätige Anpassung der Permeaterzeugung an den Bedarf mit einfachen Mitteln erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung, die u. a. eine selbsttätige Anpassung der Konzentratrückführung bei Veränderungen der Auslastung der Anlage betreffen, ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen in Verbindung mit den Abbildungen.

Es zeigt

Fig. 1 das Schema einer Umkehrosmoseanlage mit Ausstat­ tungsmerkmalen entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Einrichtung zur Reduzierung des Konzentratabflusses bei steigendem Gesamt - Konzentrafluß,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Reglers zur Regelung des Permeatdruckes.

Die Einrichtung einer Umkehrosmoseanlage mit Gestaltungsmerk­ malen entsprechend der Erfindung ist rein schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das über die Leitung 10 mit konstantem niedri­ gem Druck zugeführte Rohwasser gelangt über die Pumpe 11 und die Leitung 12 in das Filtermodul 13, dessen Primärraum 13a durch eine semipermeable Membran 14 von dem Sekundärraum 13b getrennt ist. Aus dem Sekundärraum fließt das Permeat in die Verbraucherleitung 15.

Das Konzentrat fließt vom Ausgang des Primärraumes des Fil­ termoduls über die Leitung 16a, b zu einem Strömungsteiler 18, der einen Teil des Konzentrats über die Leitung 19a, b in die Rohwasserleitung zurückführt und den übrigen Teil über die Leitung 20a, b in den Abfluß leitet. Ein zwischen die Lei­ tungsabschnitte 16a und 16b eingefügtes Regelventil 17 be­ stimmt im wesentlichen den im Primärraum des Filtermoduls herrschenden Druck, der für die Filtration notwendig ist.

Der Strömungsteiler 18 besteht prinzipiell aus zwei Strö­ mungswiderständen 21 und 22, von deren Widerstandsverhältnis das Verhältnis zwischen dem rückgeführten und dem in den Abfluß geleiteten Konzentratanteil abhängt. In einer einfa­ chen Ausführungsform der Erfindung ist der zum Abfluß führende Strömungswiderstand 21 als einstellbarer, im übrigen aber konstanter Strömungswiderstand, z. B. in Form einer einstellbaren Drossel, ausgebildet. Der mit dem Rohwasserzu­ fluß in Verbindung stehende Strömungswiderstand 22 ist dabei ein Rückschlagventil, das der Durchströmung im geöffneten Zustand einen relativ geringen Widerstand entgegensetzt.

Bei Umkehrosmoseanlagen ist nach dem Stand der Technik häufig vorgesehen, daß ein überschüssiger Teil des Permeats in den Rohwasserzufluß zurückgeführt werden kann. Diesem Zweck dient in Fig. 1 die Permeat-Rückführungsleitung 23 in Verbindung mit dem Ventil 24. Eine solche Anordnung ist unter anderm geeignet, im Störungsfalle einen übermäßigen Druckanstieg in der Verbraucherleitung 15 zu verhindern.

Die Erfindung sieht vor, daß der Strömungswiderstand des in der Konzentratleitung angeordneten Regelventils 17 in Abhän­ gigkeit von dem in der Permeatleitung herrschenden Druck so eingestellt wird, daß auch bei schwankendem Permeatbedarf der Druck in der Permeatleitung im wesentlichen konstant bleibt oder nur in geringem Maße ansteigt. Zu diesem Zweck ist an die Permeatleitung 15 ein Drucksensor 25 angeschlossen, der über einen Regler 25 das Ventil 17 steuert. Die Druckregelung arbeitet so, daß bei verminderter Abführung von Permeat über die Leitung 15 und somit steigender Tendenz des Permeatdruc­ kes das Ventil 17 weiter geöffnet wird. Dadurch sinkt der Druck im Primärraum 13a des Filtermoduls, und es tritt eine entsprechend geringere Menge Permeat durch die Membran 14 in den Sekundärraum 13 b über.

Das nicht als Permeat durch die Membran tretende Wasser bleibt im Primärraum und tritt zusätzlich durch die Leitung 16a, b aus dem Filtermodul aus. Entsprechend der Fördercharak­ teristik (p-q-Kennlinie) der Pumpe 11 steigt durch die Druck­ entlastung, die sich durch das weitere Öffnen des Ventils 17 ergibt, die Förderrate der Pumpe 11 an, was zu einer weiteren Steigerung des Konzentratflusses in der Leitung 16a, b führt.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Steuerung des Ventils 17 in Abhängigkeit von dem in der Permeatleitung herrschenden Druck kann in der Weise verwirklicht werden, daß als Druck­ sensor 25 ein elektrischer, z. B. piezoresistiver Drucksensor benutzt und das Ventil 17 als von einem elektrischen Motor verstellbares Ventil ausgebildet wird, wobei die Signalüber­ tragung vom Drucksensor auf den Motor unter Berücksichtigung eines vergegebenen Sollwerts des Permeatdruckes durch den Regler 26 erfolgt.

Wenn der Regler aufgrund eines von Drucksensor 25 signali­ sierten Druckanstieges das Ventil 17 weiter öffnet, besteht wegen des erhöhten Kontentratflusses an sich die Tendenz, daß der Druck im Leitungsabschnitt 16b ansteigt. Dies wird jedoch weitgehend verhindert, wenn der Strömungswiderstand 22 als Rückschlagventil ausgebildet ist, das sich schon bei gering­ fügigem Druckanstieg weiter öffnet und die überschüssig über den Leitungsabschnitt 16b zufließende Flüssigkeit über die Leitung 19 in den Rohwasserzufluß 10 ableitet, in dem norma­ lerweise ein konstanter niedriger Druck herrscht.

Bei verminderter Auslastung der Anlage steigt aufgrund des beschriebenen Zusammenhanges der rückgeführte Anteil des Konzentrats in wünschenswerter Weise beträchtlich an, d. h. der Anteil des rückgeführten Konzentrats am Gesamt- Konzentratfluß wird erhöht. Der dem Abfluß zugeführte Anteil des Konzentrats bleibt dagegen bei konstanter Einstellung des Strömungswiderstandes 21 annähernd konstant, weil der Druck im Leitungsabschnitt 16b, der als Eingangsdruck am Strömungs­ widerstand 21 wirksam ist, aufgrund der Eigenschaften des Rückschlagventils 22 nicht wesentlich über den voreingestell­ ten Druck in der Rohwasserleitung ansteigen kann.

Durch die Druckabsenkung im Primärraum des Filtermoduls bei verminderter Auslastung der Anlage vermindert sich die Bela­ stung der Pumpe 11 und damit die Leistungsaufnahme ihres Antriebsmotors. Dies ist wegen der erzielbaren Energieeinspa­ rung vorteilhat. Darüber hinaus ist dieser Effekt von Bedeu­ tung, wenn die Pumpe als Tauchpumpe ausgebildet ist, bei der die Kühlung des Antriebsmotors durch das von ihr geförderte Wasser selbst erfolgt. Die reduzierte Leistungsaufnahme erleichtert die Aufrechterhaltung ausreichend niedriger Temperaturen trotz des durch die verminderter Auslastung der Anlage verursachten Absinkens des Rohwasserzuflusses.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in Verbindung mit der Steigerung des Konzentrat-Rückflusses den in den Abfluß abgeleiteten Konzentratfluß zu senken, wenn der Permeatdruck ansteigt und somit der in der Leitung 16a, b auftretende Gesamt-Konzentratfluß zunimmt. Zu diesem Zweck ist der Strömungswiderstand 21 als regelbare Drossel mit einem elektrischen Verstellmotor 28 ausgestattet. Die Ein­ stellung der Drossel erfolgt selbsttätig dadurch, daß der Regler 26 über das Anpassungsglied 29 auch den Verstellmotor beeinflußt, wobei das Ventil 17 und die Drossel 21 gegenläu­ fig betätigt werden. Zwischen einer durch Verstellen des Ventils 17 bewirkten Veränderung des Gesamt- Konzentratflusses und der zugehörigen, durch Verstellen der Drossel 21 bewirkten, gegenläufigen Veränderung des Konzentrat-Abflusses besteht eine quantitative Beziehung, die im wesentlichen von der Einstellcharakteristik der Strömungs­ widerstände 17, 21 und der Übertragungsfunktion des Anpas­ sungsgliedes 29 bestimmt wird und so einstellbar ist, daß bei wechselnder Auslastung der Anlage stets eine optimale Ausnut­ zung des zugeführten Rohwassers stattfindet.

Eine spezielle Vorrichtung zur Steuerung des Konzentrat- Abflusses in Abhängigkeit vom Gesamt-Konzentratfluß ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einer Zylinder-Kolben-Anordnung in Verbindung mit einer Drossel zur Erzeugung einer vom Durchfluß in der Leitung 16a, b abhängigen Stellkraft, die das zum Abfluß führende Ventil 21 verstellt. An der Oberseite des in dem Zylinder 31 verschiebbar gelagerten Kolbens 32 strömt über die Leitung 16b das auf den Rohwasserzufluß und den Abfluß zu verteilende Konzentrat zu. Es fließt durch einen einstellbaren Engpaß 33, der als Drossel wirkt, in den Raum unterhalb des Kolbens und von dort einerseits über den Anschluß 19a und ein (hier nicht gezeigtes) Rückschlagventil zum Rohwasserzufluß, andererseits über das Ventil 21 in die zum Abfluß führende Leitung 20b. Mit zunehmendem Konzentratzufluß über die Leitung 16b steigt die auf den Kolben 32 wirkende Kraft, so daß über die Schub­ stange 34 der Schieber 35 entgegen der Kraft der Federn 36a, b nach unten verschoben und damit der Strömungswiderstand des Ventils 21 erhöht wird, was zu der vorgesehenen Verminderung des in den Abfluß geleiteten Konzentratanteils führt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeisspiel ist der Schieber 36 mit Bohrungen 37 versehen, durch die ein Teil des Konzentrats in den Raum unterhalb des Schiebers fließt. Mit zunehmender Bewegung des Schiebers nach unten wird durch die Unterkante des Schiebers die Öffnung zu der zum Abfluß führenden Leitung 20b zunehmend verschlossen.

Die Charakteristik der Anordnung nach Fig. 2 hängt von dem Spannungszustand der Federn 36a und 36b und dem Strömungswi­ derstand der Drossel 33 ab. Durch Einstellung dieser Parame­ ter können der Grundanteil des in den Abfluß abgeführten Konzentratflusses und das Verhältnis zwischen einer Zunahme des Gesamt-Konzentratflusses und der zugehörigen Abnahme des in den Abfluß abgeführten Anteils im Sinne einer optimalen Ausnutzung des Rohwassers variiert werden. Hierzu sind ent­ sprechende Einstellvorrichtungen 38 und 39 vorgesehen.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß ihre Funktion nicht von Präzisionsbauteilen abhängt. Unter anderem dürfen der Kolben 32 und der Schieber 35 rela­ tiv großes Spiel in den zugehörigen Zylindern haben. Da außerdem die Übertragung der als Meßsignal wirkenden Kraft ohne Dichtungselemente erfolgt, arbeitet das System praktisch reibungsfrei, so daß eine gute Reproduzierbarkeit und Be­ triebssicherheit gegeben ist.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines hydraulischen Reglers, der gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Funktion der Teile 17 und 25 bis 27 von Fig. 1 übernimmt. In einem Ventilkörper 40 steht der Druckraum 41 über An­ schlüsse 15a, b mit der Permeatleitung in Verbindung, vorzugs­ weise so, daß die Anschlüsse 15a, b Bestandteil der Permeat­ leitung sind und das gesamte Permeat durch den Raum 41 fließt. Der Raum 41 ist von dem Raum 42 durch eine wasserun­ durchlässige elastische Membran (Gummimembran) 43 getrennt. Der Membran liegt auf der Seite des Raumes 42 die Druckplatte 44 an, die durch eine Feder 45 gegen die Membran gedrückt wird. In dem gleichen Ventilkörper befindet sich ein Strö­ mungskanal 16a, b für das vom Filtermodul abfließende Konzen­ trat in Fortsetzung der gleichlautend bezeichneten Leitungs­ abschnitte (s. Fig. 1). Dieser Kanal weist eine Engstelle 47 auf, die bei Veränderung des Permeatdruckes durch einen mit der Platte 44 verbundenen Stößel 46 mehr oder weniger ver­ schlossen wird. Die Engstelle 47 in Verbindung mit dem Stößel 46 entspricht in ihrer Funktion dem Ventil 17. Ein mit der Einstellvorrichtung 49 verstellbarer Anschlag 48 gestattet es, den Regelhub zu begrenzen. Darüber hinaus ist die Gleich­ gewichtslage des Systems und somit der Sollwert des Permeat­ druckes mittels der Einstellvorrichtung 50 veränderbar, indem die Kraft der Feder 51, die durch die Membran hindurch auf die Platte 44 einwirkt, verändert wird. Die Regelempfindlich­ keit wird von der resultierenden Federkonstanten der beiden Federn 45 und 51 beeinflußt.

Der Raum 42 an der Unterseite der Membran 43 steht durch einen Kanal 52 mit dem Leitungsabschnitt 16b in Verbindung, so daß die auf die Platte 44 einwirkende Stellkraft von der Druckdifferenz zwischen der Permeatleitung und dem Leitungs­ abschnitt 16b der Konzentratleitung bestimmt wird. Da der letztere jedoch, wie zuvor beschrieben, im wesentlichen konstant gehalten werden kann, kann sein Einfluß durch einen entsprechenden konstanten Anteil der resultierenden Kraft der Federn 45, 51 kompensiert werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage, die ein Filtermodul zur Trennung von zugeführtem Rohwasser in fil­ triertes Reinwasser (Permeat) und unfiltriertes, mit zurück­ gehaltenen Stoffen angereichertes Abfallwasser (Konzentrat) und Einrichtungen zur Rückführung eines variablen Anteils des Konzentrats in den Rohwasserzufluß und des restlichen Anteils des Konzentrats in den Abfluß aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß der erzeugte Permeatfluß durch Verstellung eines (ersten) Strömungswiderstandes (17) in der vom Filtermodul abführenden Konzentratleitung dem jeweiligen Bedarf angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (17) durch einen vom Permeatdruck gesteu­ erten Regler (26) selbsttätig so eingestellt wird, daß bei Veränderungen des Permeatflusses in der Verbraucherleitung der Permeatdruck im wesentlichen konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bei einer Verminderung des Strömungs­ widerstandes (17) in der vom Filtermodul abführenden Konzen­ tratleitung auftretende zusätzliche Anteil des Konzentrat­ flusses in den Rohwasserzufluß geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Strömungswiderstand (21), der in die stromabwärts von dem ersten Strömungswiderstand (17) die Konzentratleitung (16b) mit dem Abfluß verbindende Lei­ tung (20a, b) eingefügt ist, bei Veränderung des Konzentrat­ flusses gegenläufig zu dem ersten Strömungswiderstand (17) verstellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenläufigen Verstellbewegungen zur Einstellung des ersten und des zweiten Strömungswiderstandes (17 bzw. 21) durch ein einstellbares Anpassungsglied (29) so aufeinander abstimmbar sind, daß der in den Abfluß geleitete Konzentratfluß in einem vorgegebenen volumetrischen Verhältnis zum Rohwasserzufluß steht.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Filtermodul aus tretende Konzentratfluß durch ein in den Leitungsabschnitt (16b) stromabwärts von dem ersten Strömungswiderstand (17) eingefügtes Meßglied erfaßt und der in die zum Abfluß führende Leitung (20a, b) eingefügte zweite Strömungswiderstand (21) als Stellglied in Abhängig­ keit von dem Meßergebnis selbsttätig verstellt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Regelkreis, der aus einem mit der Permeatleitung (15) in Wirkverbindung stehende Drucksen­ sor (25), einem Regler (26) und einem hiervon gesteuerten, als Regelventil ausgebildeten Strömungswiderstand (17) besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine die Funktionen des Drucksensors (25), des Reglers (26) und des Regelventils (17) vereinigende Baugruppe (Fig. 3) mit einem abgeschlossenen Druckraum (41), der über mindestens eine Leitungsverbindung (15a, 15b) mit der Permeatleitung verbun­ den ist, einer den Druckraum begrenzenden elastischen Membran (43), einer der Membran (43) anliegenden Druckplatte (44) und einem mit der Druckplatte verbundenen und mit dieser entgegen der Kraft mindestens einer Feder (45, 51) gemeinsam ver­ schiebbaren Stößel (46), der einen im Zuge der Konzentratlei­ tung (16a, b) liegenden Engpaß (47) mehr oder weniger verschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einstellvorrichtung (50) zur Einstellung der Kraft einer auf die Druckplatte (44) einwirkenden Feder (51).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Einstellvorrichtung (49) zur Einstellung eines den Hub des Stößels (46) begrenzenden Anschlages (48).

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung des zusätzlichen Anteils des Konzentratflusses der stromabwärts von dem Strö­ mungswiderstand (17) liegende Leitungsabschnitt (16b) durch ein einen geringen Durchlaßwiderstand aufweisendes Rück­ schlagventil (22) mit der unter konstantem Druck stehenden Rohwasserleitung (10) in Verbindung steht.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied eine Kolben- Zylinder-Anordnung (32, 31) umfaßt, bei der ein durch Strö­ mungskräfte des Konzentraflusses an einer Drossel (33) erzeug­ ter Differenzdruck auf die beiden Seiten des Kolbens (32) wirkt, und das Stellglied einen mit dem Kolben (32) über eine Schubstange (34) in Verbindung stehenden, axial beweglichen Schieber (35) aufweist, der bei einer durch Erhöhung des Differenzdruckes entgegen der Kraft mindestens einer Feder (36a, b) bewirkten Bewegung des Kolbens eine zum Abfluß füh­ rende Öffnung, die für die Ableitung von Konzentrat über den Leitungsabschnitt (20b) in den Abfluß vorgesehen ist, zunehmend verschießt.