-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verschneidung von
Flüssigkeiten unterschiedlicher Eigenschaften als Regelgröße.
-
Im
Rahmen der Erfindung kann eine Flüssigkeit Wasser sein,
aber auch alle anderen Arten von Flüssigkeiten oder Gasen.
Die Eigenschaft, in der sich die Flüssigkeiten unterscheiden,
kann beispielsweise die Leitfähigkeit, aber auch alle anderen
Arten von Eigenschaften sein.
-
Beispielsweise
werden in der Industrie und zur Betreibung größerer
Gebäude in steigendem Maße Wasser von bestimmter
Qualität gebraucht. Es kommt immer häufiger vor,
dass die vorhandenen Stadt- oder Brunnenwässer diesen Qualitätsanforderungen
nicht entsprechen und deshalb aufbereitet werden müssen.
-
Unter
dem Begriff „Aufbereitung eines Wassers” ist dabei
die Entfernung bestimmter Stoffe aus dem Wasser zu verstehen. Bekannte
Verfahren zur Wasseraufbereitung sind z. B.: Filtration, Enthärtung, Entcarbonisierung,
Vollentsalzung, Umkehrosmose und Elektrodeionisation.
-
Zur
Herstellung dieser aufbereiteten Wässer entstehen Kosten.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es jedoch nicht
notwendig, die gesamte für den Prozess erforderliche Wassermenge
aufzubereiten. Dies bedeutet, aufbereitetes Wasser und Rohwasser müssen
miteinander verschnitten werden. Zwar gibt es Verschneideventile,
die auf ein festes Mischverhältnis eingestellt werden können,
doch diese müssen immer wieder auf ihre Genauigkeit hin
kontrolliert und manuell an veränderte Wasserqualitäten
angepasst werden. Außerdem funktionieren diese Verschneideventile
nur dann mit hinreichender Genauigkeit, wenn die Druckdifferenzen
bei den beiden zu verschneidenden Wässern konstant sind.
Deshalb kommen diese „einfachen Verschneideventile” vorwiegend
bei Enthärtungsanlagen zum Einsatz.
-
Ein
Anwendungsfall für Wasser gleichbleibender Qualität
ist Kühlwasser für einen Kühlturm. Das
Wasser wird oben im Rückkühlturm verrieselt und
im Gegenstromverfahren mit Luft durchströmt. Dabei kühlt
sich das Wasser ab, weil ein Teil verdunstet. Die Wärmeenergie,
die das Wasser abgibt ist abhängig von den Temperaturen
des Ein- und Auslaufes des Kühlturms. Durch die Verdunstung
des Wassers konzentrieren sich die zurückbleibenden Salze im
restlichen Wasser auf, was als Eindickung bezeichnet wird. Dadurch übersteigen
die Salze nach mehreren Kreislaufführungen des Wassers
die kritischen Werte, die etwa in der VDI 3803 festgehalten sind.
Beim Erreichen dieser Grenzwerte muss Wasser aus dem Kreislauf abgeführt
und frisches Wasser zugeführt werden, um das Kühlwasser
wieder zu verdünnen. Dieser Vorgang wird als Absalzung
bezeichnet. Theoretisch könnte ein Rückkühlwerk
mit unendlicher Eindickung betrieben werden, wenn ausschließlich
vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) nachgespeist würde. In
der Praxis macht dies jedoch keinen Sinn, da ein Kühlturm
große Mengen an organischem und anorganischem Material
aus der Luft auswäscht, was bei zu großer Eindickung
zu Problemen führen würde. In der Praxis hat sich
durchgesetzt, dass auch bei optimaler Wasserqualität nur
eine 5-fache Eindickung eingestellt wird. Bei etwa dieser Eindickung
liegt das Optimum in Bezug auf Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit.
Um möglichst nahe an diese optimale 5-fache Eindickung
zu gelangen, ist es in vielen Fällen wirtschaftlich, das
Zusatzwasser aufzubereiten. In diesem Zusammenhang stehen die Verfahren
Enthärtung, Entcarbonisierung, Vollentsalzung und Umkehrosmose
zur Verfügung. Bei all diesen Verfahren macht es Sinn,
das aufbereitete Wasser mit Rohwasser zu verschneiden. Von der Präzision
und Qualität dieser Verschneidung hängt später
in hohem Maße die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit
der gesamten Kühlturmanlage ab. Für die Bestimmung
des optimalen Verschneidegrades muss zunächst berechnet
werden, welcher Parameter bei 5-facher Eindickung zuerst an den Grenzwert
der VDI 3803 stößt, woraus sich
dann die Leitfähigkeit des Verschnittwassers ergibt.
-
Aus
der
DE 10 2005
035 950 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Reinigung industrieller Abwässer bekannt. In diesem Zusammenhang wird
vorgeschlagen, ein Filtrat vor dem Eintritt in ein Kühlwassersystem
mit einem Konzentrat leitfähigkeitsgesteuert zu verschneiden,
um eine Mindesthärte des Recyclewassers zu erhalten.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Verschneidung von Flüssigkeiten anzugeben, die auch
bei schwankenden Flüssigkeitseigenschaften und Drücken
eine Verschnittflüssigkeit mit gleichbleibender Eigenschaft gewährleisten.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
-
Bei
der Erfindung umfasst der Regelkreislauf die folgenden Schritte:
- a) Vergleich der gemessenen Regelgröße
mit einem vorgegebenen Sollbereich,
- b) bei einer Abweichung der gemessenen Regelgröße
vom Sollbereich Veränderung des Mischungsverhältnisses
um einen vorgegebenen Änderungsbetrag im Hinblick auf eine
Annäherung an den Sollbereich,
- c) Abwarten einer vorgegebenen Pausenzeit bis zur Wiederholung
des Regelkreislaufs.
-
In
der Praxis hat sich gezeigt, dass sich ein besonders gutes Ergebnis
des Verschnitts ergibt, wenn das Mischungsverhältnis nur
um einen geringen vorgegebenen Änderungsbetrag im Hinblick
auf eine Annäherung an den Sollbereich geändert
und anschließend eine vorgegebene Pausenzeit abgewartet
wird, bevor anhand des nächsten Vergleichs zwischen gemessener
Regelgröße und vorgegebenem Sollbereich über
eine weitere Änderung des Mischungsverhältnisses
entschieden wird. Der Sollbereich wird dabei durch einen Sollwert
und eine obere und untere Hysterese definiert.
-
Vorteilhafterweise
wird die Regelgröße kontinuierlich gemessen.
-
Für
eine weitere Beruhigung des Regelkreislaufs im Sinne einer gleichmäßigen
Qualität der Verschnittflüssigkeit wird vorgeschlagen,
dass die Abweichung der gemessenen Regelgröße
vom Sollbereich während einer vorgegebenen Reaktionsverzögerungszeit
bestehen muss, damit eine Veränderung des Mischungsverhältnisses
vorgenommen wird.
-
Zur
Erhöhung der Betriebssicherheit kann vorgesehen werden,
dass bei einem Druckabfall in einer Zuleitung der Flüssigkeiten
unterschiedlicher Eigenschaften unter einen vorgegebenen Schaltpunkt
diese Zuleitung vollständig geschlossen und die andere
Zuleitung ohne Druckabfall vollständig geöffnet
wird. Dadurch wird sichergestellt, dass in jedem Fall dem Verbraucher
Flüssigkeit zugeführt wird. Es wäre auch
möglich, die Druckschalter über eine Brücke
zu deaktivieren. Dies hat bei einem Druckabfall zur Folge, dass
das Ventil die Seite ohne Druckabfall komplett schließt.
Damit kann verhindert werden, dass Flüssigkeit außerhalb
der Sollqualität eingespeist wird.
-
Eine
Weiterbildung des Erfindung sieht vor, dass der Volumenstrom der
Verschnittflüssigkeit gemessen wird und bei Unterschreiten
eines vorgegebenen Grenzvolumenstroms der Regelkreislauf unterbrochen
wird, bis der Grenzvolumenstrom wieder überschritten wird.
Beim Stillstand, d. h. wenn keine Verschnittflüssigkeit
entnommen wird, kann sich die Regelgrößeeigenschaft
der Verschnittflüssigkeit ändern, was zu einer
Veränderung des Mischungsverhältnisses führt,
obwohl keine Verschnittflüssigkeit fließt. Je
nach Dauer ohne Entnahme einer Verschnittflüssigkeit kann
das Mischungsverhältnis extrem verändert werden,
so dass bei erneuter Abnahme von Verschnittflüssigkeit
das Mischungsverhältnis erst wieder in seine ursprüngliche
Position geregelt werden müsste, was aufgrund des geringen
vorgegebenen Änderungsbetrags relativ lange dauern könnte.
-
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der sich das
beschriebene Verfahren durchführen lässt, umfasst
Zuleitungen für die Flüssigkeiten unterschiedlicher
Eigenschaften, eine Ableitung für die Verschnittflüssigkeit,
eine steuerbare Mischeinrichtung, eine Messeinrichtung für
die Regelgröße in der Ableitung, Druckschalter
in den Zuleitungen und eine Steuereinheit.
-
Für
die Realisierung der beschriebenen Unterbrechung des Regelkreislaufs
bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzvolumenstroms ist eine Volumenstrommesseinrichtung
in der Ableitung vorgesehen. Diese kann ein Schwebekörperdurchflussmesser
mit Grenzwertgeber sein.
-
Eine
einfache Ausgestaltung der Vorrichtung ergibt sich, wenn die steuerbare
Mischeinrichtung ein motorgesteuertes 3-Wegeventil ist.
-
Wie
schon eingangs erwähnt, kann die Flüssigkeit Wasser
sein, aber daneben auch alle anderen Arten von Flüssigkeiten
oder Gasen.
-
Die
elektrische Leitfähigkeit ist als Regelparameter eine sinnvolle
Größe, da sie sehr betriebssicher und kontinuierlich
messbar ist. Die elektrische Leitfähigkeit ist das Gegenteil
des spezifischen Widerstands. Sie nimmt mit dem Gehalt an gelösten Salzen
zu und hängt von der Temperatur ab. Sie wird gewöhnlich
in Mikrosiemens pro Zentimeter (μS/cm) bei einer Temperatur
von 25°C ausgedrückt. Dieser Messwert wird mit
LF25 angegeben. Die elektrische Leitfähigkeit eines Wassers
gibt seinen Salzgehalt an. Durch die leitfähigkeitsgesteuerte
Verschneidung können nicht nur die optimalen Werte einfach
eingestellt werden, sondern die Anlage regelt auch automatisch nach,
wenn sich die Wasserqualität und/oder der Druck auf einer
der beiden Eingangsseiten ändern. Dadurch ist, im Rahmen
einer einstellbaren Hysterese, eine gleichbleibende Leitfähigkeit
des Verschnittwassers gewährleistet.
-
Für
die Messung der elektrischen Leitfähigkeit kann eine bekannte
Leitfähigkeitssonde verwendet werden.
-
Anhand
der Zeichnung, aus der sich auch weitere Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben, ist die Erfindung näher erläutert.
-
In
der Figur ist ein Fließschema für eine leitfähigkeitsgesteuerte
Verschneidung von Wässern mit unterschiedlicher elektrischer
Leitfähigkeit dargestellt.
-
Die
Vorrichtung 1 zur Verschneidung von Wässern umfasst
Zuleitungen 2, 3 für Wasser mit unterschiedlichen
elektrischen Leitfähigkeiten und eine Ableitung 4 für
das Verschnittwasser.
-
In
der Zuleitung 2 wird beispielsweise Stadtwasser oder Brunnenwasser
und in der Zuleitung 3 voll- oder teilentsalztes Wasser
oder Umkehrosmosewasser zugeleitet.
-
Die
Zuleitungen 2, 3 und die Ableitung 4 sind mit
einer steuerbaren Mischeinrichtung in Form eines 3-Wegeventils 5 verbunden,
das mittels eines Motors 6 gesteuert werden kann und zur
Einstellung des Mischungsverhältnisses dient. Das Kunststoffventil
hat beispielsweise eine L-Kugel, wodurch das Ventil nie vollständig
geschlossen werden kann. Das Ventil 5 eignet sich für
neutrale, aggressive, flüssige und gasförmige
Medien. Das Schließ- bzw. Öffnungsverhalten ist
unabhängig vom Betriebsdruck.
-
In
der Ableitung 4 ist eine Messeinrichtung für die
elektrische Leitfähigkeit des Verschnittwassers in Form
einer Leitfähigkeitssonde 7 vorgesehen. Die Leitfähigkeitssonde 7 dient
zur induktiven Messung der elektrischen Leitfähigkeit des
Verschnittwassers.
-
In
den Zuleitungen 2, 3 sind Druckschalter 8 vorgesehen,
die einen einstellbaren Schaltbereich von beispielsweise 0–4
bar besitzen. Sofern der Druck des Wassers in der Zuleitung 2, 3 den
Schaltpunkt unterschreitet wechselt ein Mikroschalter die Kontaktstellung. Überschreitet
der Druck den Schaltpunkt wieder fällt der Kontakt in seine
Ursprungslage zurück. Die Hysterese des Druckschalters 8 beim eingestellten
Druck beträgt beispielsweise 0,15 bar.
-
Über
Leitungen 9 ist eine Steuereinheit 10 mit den
Messeinrichtungen und dem Motor 6 verbunden. Die Steuereinheit 10 steuert
die Vorrichtung 1 vollautomatisch, indem Sie das 3-Wegeventil 5 über den
Motor 6 steuert. Darüber hinaus können
an der Steuereinheit 10 die Vorgabewerte für den
Betrieb der Vorrichtung 1 eingestellt werden und im Störungsfall
Meldungen auf einem Display angezeigt und auch auf ein Leitsystem
weitergegeben werden.
-
Die
Zuleitungen 2, 3 weisen ferner Drosselventile 11 und
Ablassventile 12 auf. Daneben sind in den Zuleitungen rückspülbare
Feinfilter 13 eingebaut. Die rückspülbaren
Feinfilter 13 sichern die ununterbrochene Wasserversorgung
mit gefiltertem Wasser und verhindern das Einspülen von
Fremdpartikeln, wie z. B. Rostteilchen, Hanfreste und Sandkörner.
Sie liefern auch beim Rückspülen gefiltertes Wasser.
Damit sind die anderen Bauteile vor Fremdpartikeln geschützt,
die zum Versagen der Vorrichtung führen könnten.
-
Als
Sicherheitsarmatur sind in den Zuleitungen Systemtrenner 14 eingebaut.
Die Systemtrenner 14 sind in verschiedenen überregionalen
Zertifizierungen enthalten und wurden zum Schutz von Trinkwassersystemen
vor Verunreinigung durch verschmutzte Flüssigkeiten entworfen,
die keine toxischen oder mikrobiologischen Gesundheitsrisiken für das
menschliche Leben darstellen. Die Systemtrenner 14 ist
in eine einlaufseitige, eine mittlere und eine auslaufseitige Kammer
unterteilt, die jeweils mit einem Druckstopfen ausgerüstet
sind. Zwei voneinander unabhängigen Rückflussverhinder,
die die mittlere Kammer reduzierten Drucks von den beiden anderen
Kammern trennen, sind drucklos geschlossen. Ein Entlastungsventil
in der mittleren Kammer ist ebenfalls drucklos geschlossen, damit
behandeltes Wasser nicht zurück ins Trinkwassernetz fließen kann.
Auf der Seite des voll- oder teilentsalzten Wassers oder Umkehrosmosewassers
ist diese Sicherheitsmaßnahme nicht immer zwingend vorgeschrieben.
Die Armatur wird aus Sicherheitsgründen trotzdem eingebaut,
da nicht bekannt ist für welche anderen Anwendungen das
voll- oder teilentsalztes Wasser oder Umkehrosmosewasser noch verwendet wird.
-
Schwebekörperdurchflussmesser 15 dienen in
den Zuleitungen 2, 3 zur optischen Wiedergabe des
aktuellen Volumenstroms und des daraus abzuleitenden Mischungsverhältnisses.
Die Schwebekörperdurchflussmesser 15 verfügen über
ein Messrohr aus Trogamid-T bzw. Polysulfon, das für den
Einsatz bei neutralen bzw. aggressiven Medien geeignet ist. An den
Enden des Messrohrs angespritzte Gewindestutzen dienen zur Aufnahme
von Armaturenverschraubungen. An den Stirnseiten eingelassene O-Ringe
sorgen für eine zuverlässige Abdichtung zwischen
Messrohr und Armaturenverschraubung ohne Radialkräfte zu
erzeugen, die zum Bersten des Rohres führen können.
Eine auf das Messrohr aufgedruckte Messskala ist jeweils auf das
entsprechende Durchflussmedium abgestimmt und gibt die Durchflussmenge
in l/h oder m3/h an. Angespritzte Schwalbenschwanzleisten
dienen zur Aufnahme von Sollwert-Zeigern oder Grenzwert- und Signaleinrichtungen.
-
In
der Ableitung 4 ist ein Schwebekörperdurchflussmesser 16 mit
Grenzwertgeber 17 als Volumenstrommesseinrichtung vorgesehen,
der baugleich mit den Schwebekörperdurchflussmessern 15 ist,
aber einen Schwebekörper mit einem Magneten enthält.
Der Grenzwertgeber wird auf die angespitzte Schwalbenschwanzleiste
des Schwebekörperdurchflussmessers 16 aufgesteckt.
Durch den Magnetschwebekörper wird der Grenzwertgeber 17 geschlossen
bzw. geöffnet und hält diese Stellung bis der
Schwebekörper nochmals den Schalter passiert. Damit kann
der Regelkreislauf bei zu geringer Abnahme von Verschnittwasser
in eine Pausenfunktion gesetzt werden. Die Funktion des Grenzwertgebers 17 wird
durch den Druck, die Leitfähigkeit und die chemische Zusammensetzung
des Wassers nicht beeinflusst. Der Schwebekörperdurchflusmesser 16 dient
damit der optischen Anzeige der aktuellen Durchflussmenge in der
Ableitung 4 und der Abschaltung der Regelung bei zu niedriger
bzw. keiner Abnahme von Verschnittwasser.
-
Ein
Drosselventil 18 kann in der Ableitung 4 vorgesehen
werden, um den optimalen Betriebspunkt der Vorrichtung 1 einstellen
zu können, indem der Volumenstrom verändert wird.
-
Die
Vorrichtung 1 wird beim Betrieb von zwei Seiten mit unterschiedlichen
Wässern gespeist. Die Zuleitung 2 mit Stadt- oder
Brunnenwasser und die Zuleitung 3 mit VE- oder Umkehrosmosewasser.
-
An
den Eingängen der beiden Systemtrenner 14 sind
Druckschalter 8 angebracht. Diese haben die Aufgabe, bei
einem Druckabfall auf einer der beiden Seiten, das 3-Wege Ventil 5 so
zu verstellen, dass die Seite ohne Druckabfall vollständig
geöffnet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass in jedem
Fall dem Verbraucher Wasser zugeführt wird. Es ist auch möglich,
die Druckschalter 8 über eine Brücke
zu deaktivieren. Dies hat bei einem Druckabfall zur Folge, dass
das 3-Wegeventil 5 die Seite ohne Druckabfall komplett
schließt. Damit kann verhindert werden, dass Wasser außerhalb
der Sollqualität eingespeist wird.
-
Eine
zentrale Komponente der Vorrichtung 1 ist das 3-Wegeventil 5 mit
seinem Stellmotor 6, welches das Mischungsverhältnis
bestimmt. Der Motor 6 wird über die Steuereinheit 10 geregelt
und kann kleinste Verstellwege realisieren. Die minimale Verstellzeit
beträgt beispielsweise 0,1 S.
-
Nach
dem 3-Wegeventil 5 wird das Wasser durch zwei 90° Winkel
geleitet, um eine bessere Vermischung zu gewährleisten.
Im Anschluss daran sitzt die induktive Leitfähigkeitssonde 7,
die der Steuereinheit 10 den Leitwert über ein
Signal mitteilt.
-
Am
Ende der Vorrichtung 1 ist nochmals ein Schwebekörperdurchflussmesser 16 eingebaut. Durch
einen Sensor, der am Schwebekörperurchflussmesser 16 angebracht
ist, wird die Vorrichtung 1 bei Unterschreiten eines einstellbaren
Grenzvolumenstromes in eine Pausenfunktion gesetzt. Dies ist nötig,
da sich die Leitfähigkeit beim Stillstand verändern
kann und so die Steuereinheit 10 ohne diese Abschaltung
das Ventil verstellen würde. Dies hätte zur Folge,
dass bei erneuter Abnahme von Verschnittwasser das 3-Wegeventil 5 erst
wieder in seine ursprüngliche Position zurück
gefahren werden müsste, was aufgrund der sehr geringen
Ventilregelzeit relativ lange dauern könnte.
-
Die
Steuerung des 3-Wegeventils 5 erfolgt mit Hilfe der induktiven
Leitfähigkeitssonde 7. Diese teilt der Steuereinheit 10 über
ein permanentes Signal die aktuelle elektrische Leitfähigkeit
mit. Die Steuereinheit 10 prüft in einem einstellbaren
Zeitintervall die Leitfähigkeit des Verschnittwasser. Liegt
der gemessene Wert innerhalb der Hysterese des Sollwertes, so vollzieht
das 3-Wegeventil 5 keine Änderung und verharrt
in seiner Position. Bei einer Abweichung fährt das 3-Wegeventil 5 für
einen einstellbaren Zeitraum in die entsprechende Richtung.
-
Die
Steuereinheit 10 kann über ein Bedienfeld auf
die optimalen Betriebsbedingungen eingestellt werden. Dazu gehören
die elektrische Leitfähigkeit des Verschnittwassers, die
Hysterese der elektrischen Leitfähigkeit des Verschnittwassers
nach oben und unten, die Pausenzeit des Regelkreislaufs, die Verstellzeit
des 3-Wegeventils 5 bei einer Korrektur, die Reaktionsverzögerung
bei über- oder unterschreiten des Sollbereichs, d. h. die
Zeit, die der Ist-Wert dauerhaft außerhalb des Sollbereiches
liegen muss, damit es überhaupt zu einer Regelung des Ventils
kommt, sowie die Alarmverzögerung, d. h. die Zeit zwischen
Sollbereichsübertretung und Alarmmeldung.
-
Außerdem
ist es möglich, eine Störung der Vorrichtung 1 und
die aktuelle elektrische Leitfähigkeit an ein Leitsystem
weiterzuleiten.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Zuleitung
- 3
- Zuleitung
- 4
- Ableitung
- 5
- 3-Wegeventil
- 6
- Motor
für 5
- 7
- Leitfähigkeitssonde
- 8
- Druckschalter
- 9
- Leitungen
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Drosselventile
in 2, 3
- 12
- Ablassventile
in 2, 3
- 13
- rückspülbare
Feinfilter
- 14
- Systemtrenner
- 15
- Schwebekörperdurchflussmesser
- 16
- Schwebekörperdurchflussmesser
- 17
- Grenzwertgeber
von 16
- 18
- Drosselventil
-
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
-
- - DE 102005035950
A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - VDI 3803 [0006]
- - VDI 3803 [0006]