DE102021206089A1

DE102021206089A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser

Info

Publication number: DE102021206089A1
Application number: DE102021206089.7A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Mangold
Original assignee: Axenic Prim Water GmbH
Current assignee: Axenic Prim Water GmbH
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2022-12-15
Also published as: EP4355694A1; WO2022263419A1

Abstract

Bei der Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser ist an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kavitationsraum, der eine konkave Innenwand und einen ersten Volumenbereich aufweist und mindestens eine Zuführung für Wasser an den ersten Volumenbereich angeschlossen, über die Wasser tangential in den ersten Volumenbereich des Kavitationsraums einströmt. Dabei geht der erste Volumenbereich in einen zweiten Volumenbereich über, der eine konvexe Innenwand aufweist, an den zweiten Volumenbereich schließt sich ein dritter Volumenbereich des Kavitationsraums an, der wieder eine konkave Innenwand aufweist, dabei ist im ersten Volumenbereich ein größerer Innendurchmesser eingehalten als im zweiten Volumenbereich und der Innendurchmesser des dritten Volumenbereichs wieder größer als der Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs ist. Durch den gesamten Kavitationsraum ist in seiner mittleren Längsachse eine hohlzylindrische Abführung geführt, die im dritten Volumenbereich mindestens eine Eintrittsöffnung für Wasser und außerhalb des Kavitationsraums einen Anschluss für eine Abführleitung von gereinigtem Wasser aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser. Dabei kann Wasser, das in unterschiedlichster Form kontaminiert ist, soweit aufbereitet werden, dass es Trinkwasserqualität erreicht.
Für die Wasseraufbereitung werden derzeit verschiedenste mechanische und chemisch wirkende Prinzipien eingesetzt, die je nachdem verschiedenste Nachteile aufweisen, wobei insbesondere der Aufwand für zu desinfizierende Substanzen, die erforderliche Energie, aufwändige Wartung und die Vorgaben der TRWV bei der Verwendung von zu desinfizierenden Substanzen und dem Betrieb von Trinkwasser führenden Kreisläufen, der Entsorgung von ausgefällten oder ausgefilterten Substanzen die Effektivität beeinträchtigen und die Kosten erheblich beeinflussen
U.a. gibt es bereits Anlagen, bei denen Kavitation zur Aufbereitung von Wasser genutzt wird.
Kavitation tritt infolge schnell bewegter Objekte in einem Fluid auf. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der statische Druck einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Fällt der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit, so bilden sich Gas- oder Dampfblasen. Diese werden anschließend meist mit der strömenden Flüssigkeit in Gebiete höheren Druckes mitgerissen. Mit dem erneuten Ansteigen des statischen Drucks über den Dampfdruck kondensiert der gebildete Dampf in den Hohlräumen schlagartig, und die Dampfblasen oder Gasblasen kollabieren. Dabei treten extreme Druck- (bis ca. 1000 bar) und Temperaturspitzen (bis ca. 5000 °C) mit entsprechend großer Energiefreisetzung auf. Mittels dieser Energie ist es möglich, rein mechanisch biologische Komponenten, die im Wasser enthalten sind, so zu schädigen, dass sie unbedenklich für eine nachfolgende Nutzung des Wassers sind oder als Schwebestoffe problemlos ausgefiltert werden können. Mittels der durch die Kavitation erzeugten und anschließend kollabierenden Dampfblasen freigesetzten Energie und dem freigesetzten Sauerstoff wird eine Radikalbildung, (Hydroxylradikale) angeregt, mit der auch chemische Inhaltsstoffe des Wassers in andere unschädliche bzw. unschädlichere chemische Verbindungen bzw. chemische Elemente zerlegt (oxidiert) oder umgewandelt (desinfiziert) werden können.
Kavitation wird dabei im Wesentlichen infolge von zwei Prinzipien initiiert. So wird einmal die Wirkung von Ultraschallwellen genutzt. Dabei ist es aber nachteilig, dass insbesondere bei großen Wasservolumina ein sehr hoher Energieeinsatz erforderlich ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ausnutzung unterschiedlicher Strömungsverhältnisse, die bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers und Druckverhältnisse bzw. -Veränderungen ausnutzen. Auch hierbei ist die bisher erreichte Energieeffizienz noch zu gering und es besteht Verbesserungsbedarf.
Bei der Aufbereitung von Abluft werden üblicherweise Filter eingesetzt, deren Lebensdauer aber begrenzt ist, so dass sie ausgetauscht werden müssen, was zu Ausfallzeiten und zu erhöhten Kosten führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Aufbereitung von Wasser anzugeben, mit denen die Energieeffizienz verbessert und/oder der Reinigungs- (oxidations- / desinfektions-) Effekt erhöht werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kavitationsraum in einem ersten Volumenbereich, der eine konkave Innenwand aufweist, mindestens eine Zuführung für insbesondere verunreinigtes Wasser vorhanden. Bei einer nachfolgend mit dem Wasser durchzuführenden Behandlung von z.B. Abluft, kann aber auch klares Wasser eingesetzt werden. Über die mindestens eine Zuführung strömt verunreinigtes Wasser tangential in den ersten Volumenbereich des Kavitationsraums ein. Der erste Volumenbereich geht in einen zweiten Volumenbereich über, der eine konvexe Innenwand aufweist. An den zweiten Volumenbereich schließt sich ein dritter Volumenbereich des Kavitationsraums an, der wieder eine konkave Innenwand aufweist.
Dabei ist im ersten Volumenbereich ein größerer Innendurchmesser eingehalten als im zweiten Volumenbereich und der Innendurchmesser des dritten Volumenbereichs ist wieder größer als der Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs. Die Konturen der verschiedenen Volumenbereiche können durch Berechnungen unter Berücksichtigung von Druck, Strömungsgeschwindigkeit sowie dem gewünschten, insbesondere maximalen Volumenstrom bei höherem Arbeitsdruck als dem anliegenden Zuleitungsdruck optimiert werden. Die Geometrie im Inneren der Vorrichtung mit den drei Volumenbereichen und die dazu eingehaltenen Abmessungen sollten in Abhängigkeit des vorgegebenen Volumenstroms gewählt werden.
Durch den gesamten Kavitationsraum ist in seiner mittleren Längsachse eine hohlzylindrische Abführung geführt, die im dritten Volumenbereich mindestens eine Eintrittsöffnung für Wasser und außerhalb der Kavitationskammer einen Anschluss für eine Abführung von aufbereitetem Wasser aufweist.
Außerdem kann eine Zuführung für ein Gas vorhanden sein, die in den ersten Volumenbereich so mündet, dass das zugeführte Gas-mit dem Wasser verwirbelt, im Wasser gelöst wird und als Wasser- Gas-Gemisch durch den Ringspalt über den dritten Volumenbereich in die hohlzylindrische Abführung eintritt.
Der Konturverlauf der Innenwand im Kavitationsraum in den drei Volumenbereichen und die Abstände der Innenwand von der hohlzylindrischen Abführung (3) kann vorteilhaft entsprechend mehrfacher Polynome 3. und 5. Grades (X₁, X₂, X₃, X₄) und der zugehörigen Koordinatentransformation (Y₁) ausgebildet und eingehalten sein.
Dabei sollte eine Konturkurvenschar K(z) = K(x_i) entlang der Innenwand des Kavitationsraums als eine Aneinanderreihung der Kurvenstücke r_i{x_i):
mit $r_{i} (x_{i}) = 0$
und diese wiederum für 1 <= i <= 4 jeweils durch ein Polynom 5. Ordnung der Form $r_{i} (x_{i}) = a_{i} x_{i}^{5} + b_{i} x_{i}^{4} + c_{i} x_{i}^{3} + d_{i} x_{i}^{2} + e_{i} x_{i}^{1} + ƒ_{i}$
definiert sein.
Vorteilhaft ist ein radial umlaufender Ringspalt zwischen der Innenwand der Kavitationskammer und der Außenwand der hohlzylindrischen Abführung im zweiten Volumenbereich vorhanden. Dabei sollte die Strömungsgeschwindigkeit dort nur so erhöht und der Druck nur so vermindert werden, dass keine Kavitation entsteht, wobei bevorzugt ein Druck des Wassers von mindestens 3000 Pa eingehalten ist.
Mit dem Ringspalt sind unter Berücksichtigung der Bernoulli-Gleichung die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Wassers in diesem Bereich und dem sich anschließenden dritten Volumenbereich für die Kavitation vorteilhaft beeinflussbar. Die Spaltbreite des Ringspaltes sollte so bemessen sein, dass in diesem Bereich keine Kavitation auftreten kann, aber die Strömung des durch den Ringspalt strömenden Wassers stark verwirbelt wird. Spaltbreiten eines Ringspaltes sollten so bemessen sein, dass der Druck an dieser Stelle bevorzugt nicht unter 0,1 bar (10.000 Pa) absinkt oder bevorzugt unter 1 bar (100.000 Pa) abfällt, Ganz besonders bevorzugt nicht unter 0,30 bar (30.000 Pa) absinkt oder ganz besonders bevorzugt unter 0,5 bar (50.000 Pa) abfällt
Die mindestens eine Zuführung für Wasser sollte in einem Winkel im Bereich 100° bis 140°, bevorzugt einem Winkel von 120° senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse des Kavitationsraums ausgerichtet sein, um ein günstiges tangentiales Einströmen des ggf. noch verunreinigten Wassers zu ermöglichen, was eine vorteilhafte Strömung des Wassers innerhalb der Kavitationskammer entlang der Innenwand durch die drei Volumenbereiche bis zur mindestens einen Eintrittsöffnung in die hohlzylindrische Abführung ermöglicht.
Besonders vorteilhaft kann im Inneren der hohlzylindrischen Abführung eine Lavaldüse ausgebildet oder darin angeordnet sein. Die Lavaldüse wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn dem zu behandelnden Wasser zusätzlich ein Gas von außen zugeführt wird, das zusätzlich zu der Menge der bereits im Wasser natürlich gelösten Gase mittels der Lavaldüse kavitiert werden kann.
Die Lavaldüse kann mit ihrem Bereich, in dem der kleinste Innendurchmesser vorhanden ist, im ersten Volumenbereich unmittelbar im Anschluss an den zweiten Volumenbereich angeordnet sein, um für das vorteilhaft mit Gas angereicherte Wasser günstige Strömungsverhältnisse mit einer kurz nach dem Einströmen in die hohlzylindrische Abführung laminare Strömung zu ermöglichen. Mittels der Lavaldüse können in der hohlzylindrischen Abführung dann für die Kavitation günstige Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverhältnisse erreicht werden.
Es sollte ein minimaler Innendurchmesser der Lavaldüse eingehalten sein, so dass ein Druck im Bereich der Lavaldüse von mindestens 2300 Pa eingehalten ist.
Eine Zuführung für ein Gas kann vorteilhaft in den ersten Volumenbereich so münden, dass dort das zugeführte Gas mit dem Wasser vermischt, nachfolgend im zweiten Volumenbereich gelöst und dann im dritten Volumenbereich homogenisert wird, bevor es in die hohlzylindrische Abführung eintritt. Mit der ohnehin bereits im Wasser gelösten Luft und ggf. und mit zugeführtem Gas werden infolge Kavitation mechanische Kraftwirkungen erreicht, die zur Aufbereitung des Wassers genutzt werden. Dabei verstärkt sich die mechanische Wirkung mit höherem Gasanteil in Bezug zum Wasseranteil. Die Zuführung für ein Gas sollte ebenfalls in einem Winkel zwischen 100° und 140°, bevorzugt 120° in den ersten Volumenbereich münden.
Als Gas kann Luft, Sauerstoff oder CO₂ Gas eingeführt werden.
Die hohlzylindrische Abführung kann über die gesamte Länge innerhalb der Kavitationskammer einen konstanten Außendurchmesser aufweisen.
Mehrere Zuführungen für Wasser und ggf. Gas sollten mit jeweils gleichen Winkelabständen in Bezug zueinander über den Umfang des Kavitationsraums verteilt angeordnet sein, wodurch bei gleichen jeweils zugeführten Volumenströmen durch die Mehrzahl an Zuführungen eine weniger turbulente Strömung des Wassers entlang der Innenwand der Kavitationskammer bis in den dritten Volumenbereich ermöglicht wird.
Der erste Volumenbereich sollte ein größeres Innenvolumen als der dritte Volumenbereich aufweisen, wobei das Innenvolumen im ersten Volumenbereich bevorzugt mindestens dreifach, besonders bevorzugt mindestens fünffach größer sein sollte.
Der erste Volumenbereich und der Anschluss für die Abführung von behandeltem Wasser sollten vertikal unten an der Vorrichtung angeordnet sein.
Für den Durchsatz von verschiedenen Volumenströmen, beispielsweise 0,25 m³/h, 0,5 m³/h, 2,5m³/h, 5m³/h, 10m³/h oder 20m³/h kann die Innenkontur des Kavitationsraums mittels der vorgegebenen Polynome 3. und 5. Ordnung X₁, X₂, X₃, X₄ und der zugehörigen Koordinatentransformation Y₁ einem fest vorgegebenen Einspeisedruck des zu behandelnden Wassers im Bereich 1 MPa bis 1,2 MPA, einem Durchsatz in m³/h und einem Minimaldruck von 2300 Pa an der engsten Stelle der Lavaldüse entsprechend ausgebildet sein.
Mit der Vorrichtung kann behandeltes Wasser über die Abführleitung drucklos abgeführt ggf. zwischengespeichert oder komprimiert in mindestens einen geschlossenen Kreislauf eingespeist und so gleich im Nachgang zur durchgeführten Aufbereitung wieder genutzt werden. Bei der Einspeisung in einen geschlossenen Kreislauf kann ein Einspeisedruck mit einer der Abführleitung nachgeschalteten Pumpe erzeugt werden, der dem Druck im geschlossenen Kreislauf entspricht.
Mit der Erfindung wird es möglich relativ große Wasservolumina in kurzer Zeit aufzubereiten, so dass das Wasser Trinkwasserqualität erreicht. Es können im Wasser nicht nur biologische Inhaltsstoffe, wie z.B. Viren, Mikroben, Bakterien, Mikroorganismen oder niedrige Pflanzen (Algen) unschädlich gemacht werden. Insbesondere dann, wenn zusätzlich Gas zugeführt wird, können infolge der höheren erreichbaren mechanischen Energie und der Bildung von Hydroxylradikalen auch schädliche chemische Verbindungen (z. B. Arsen) aufgebrochen und in nicht schädliche oder erheblich weniger schädliche chemische Verbindungen oder chemische Elemente umgewandelt werden.
Insbesondere die nachgewiesene Wirksamkeit des Verfahrens in allen Temperaturbereichen ermöglicht eine Absenkung der vorgegebenen Betriebstemperaturen für Trinkwassersysteme um mehr als 20°C im Dauerbetrieb. Dadurch entsteht ein enorm hohes Energieeinsparungspotential (Amortisationszeiten < 2,5 Jahre) genauso, wie die äquivalente Reduzierung von CO₂ -Emissionen bei der Energieerzeugung.
Der Einsatz von Wärmepumpen kann vorteilhaft sein, da diese Ihre besten Wirkungsgrade unterhalb von 50°C erreichen. Somit eröffnen sich weitere Energieeinsparungspotentiale
Der Sauerstoffbedarf (CSB) in Abwässern zum Abbau (Oxidation) von organischen und anorganischen Substanzen kann wesentlich effizienter als mit herkömmlichen Aerations-Prozessen und Technologien durchgeführt werden.
Zudem können Hormone und pharmazeutische Rückstände vollständig oxidiert bzw. desinfiziert werden und teuerste (in der Anschaffung, in der Installation und im Unterhalt) Umkehr Osmose Technologien können vermieden werden.
Stehende Gewässer, die aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen veralgen oder wegen Sauerstoffmangel umkippen, können in kurzer Zeit renaturisiert werden.
In allen Tierzuchtbetrieben in denen dem Trinkwasser Antibiotika zugesetzt werden, können die Antibiotikagaben und damit mittel- und langfristige Resistenzen oder Anreicherungen im Fleisch von Schlachttieren vermieden werden. Zudem kann in Fischzuchtanlagen durch die permanente Erhöhung des Sauerstoffgehaltes im Wasser die Besatzdichte erhöht werden.
In der Landwirtschaft ergeben sich viele Anwendungsfälle der Erfindung. Dies betrifft insbesondere auch eine Behandlung von Abluft und dabei ganz besonders Abluft aus der Tierhaltung und Biogasherstellung, um schädliche in der Abluft enthaltene Komponenten, wie z.B. Ammoniak, Methan u.a.m. in nicht oder nur geringfügig schädliche chemische Komponenten umwandeln zu können, in dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufbereitetes Wasser für eine Gaswäsche eingesetzt wird. Das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufbereitete Wasser sollte dazu möglichst unmittelbar nach den Austritt aus dem Kavitationsraum der jeweiligen Gaswäsche zugeführt werden, um die mit der Erfindung erreichbare Eigenschaftsveränderung, was insbesondere die Oberflächenspannung und das Benetzungsvermögen betrifft, ausnutzen zu können. Auf eine Zwischenlagerung, beispielsweise in einem Tank, sollte verzichtet werden, und das Wasser für die Behandlung der jeweiligen Abluft spätestens 0,5 h nach Durchlauf durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Gaswäsche eingesetzt werden.
Weltweit kann an beliebigen Standorten, völlig autark und unabhängig von anderen technischen Installationen aus beliebigen Oberflächenwasserquellen (Seen, Bäche, Regenwassersammelbecken) Trinkwasser unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können einzelne in den Figuren gezeigte und zu dem jeweiligen Beispiel beschriebene Merkmale auch unabhängig von der jeweiligen Darstellung in einer Figur oder der Beschreibung eines Beispiels genutzt werden.
Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Teilschnitt;
2 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine Innenkontur eines Kavitationsraums mit rotationssymmetrischer Konturkurve K(z);
5 eine Konturkurve mit zugehörigen Vorgabepunkten P00-P01 und
6 eine Konturkurve nach 5 mit einem Bereich um diese Kurve, der erfindungsgemäß berücksichtigt werden kann.

In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der ein Kavitationsraum 1 in einem Gehäuse 6 angeordnet ist. Auf ein zusätzliches Gehäuse 6 kann man verzichten, wenn der Kavitationsraum 1 mit entsprechenden Außenwänden ausreichend stabil gefertigt worden ist.
Der Kavitationsraum 1 ist in drei Volumenbereiche 1.1, 1.2 und 1.3 aufgeteilt, die jeweils unterschiedliche maximale Innendurchmesser und Innenvolumina aufweisen.
Aufzubereitendes Wasser wird über mindestens eine Zuführung 2 mit tangentialer Strömungsrichtung senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse der Kavitationsraumes 1 in den ersten Volumenbereich 1.1 zugeführt.
Der erste Volumenbereich 1.1, wie auch der dritte Volumenbereich hat eine konkave Innenwand. Der zweite Volumenbereich 1.2, der zwischen erstem und drittem Volumenbereich 1.3 angeordnet ist, hat dagegen eine konvexe Innenwand. Absätze oder Stufen sollten an der Innenwand vermieden sein, so dass die jeweiligen Übergänge an der Innenwand der des Kavitationsraums 1 zwischen den drei Volumenbereichen kontinuierlich ausgebildet sind. Dies trifft auch auf die sich verändernden Innendurchmesser innerhalb des gesamten Kavitationsraums 1 zu. Dadurch kann das aufzubereitende Wasser entlang der Innenwand in Richtung drittem Volumenbereich 1.3 strömen und dort in bei diesem Beispiel mehrere Eintrittsöffnungen 4 eintreten, Die Eintrittsöffnungen 4 sind an der hohlzylindrischen Abführung 3 innerhalb des dritten Volumenbereichs 1.3 angeordnet. Die hohlzylindrische Abführung 3 wird ausgehend von dem dritten Volumenbereich 1.3 durch den gesamten Kavitationsraum 1 bis an die Außenwand des Gehäuses 6 entlang der mittleren Längsachse des Kavitationsraums 1 bis zu einem Anschluss 5 geführt. An den Anschluss 5 kann eine hier nicht gezeigte Leitung 5.1 angeschlossen werden, über die aufbereitetes Wasser zum Verbraucher oder zu einer weiteren Aufbereitung, wie z.B. eine Filterung weiter geleitet werden kann.
Die Eintrittsöffnungen 4 sind dabei in einem Abstand zur Innenwand im Inneren der dritten Volumenbereichs 1.3 angeordnet.
Die hohlzylindrische Abführung 2 weist einen konstanten Außendurchmesser über ihre gesamte Länge auf. Im Bereich, in dem der zweite Volumenbereich 1.2 seinen kleinsten Innendurchmesser aufweist, ist ein Ringspalt vorhanden, der ausgehend vom ersten Volumenbereich 1.1 sich konisch bis zu der Ebene konisch verjüngt, in der der zweite Volumenbereich 1.2 seinen kleinsten Innendurchmesser aufweist. Ausgehend von dieser Ebene mit dem kleinsten Innendurchmesser in Richtung des dritten Volumenbereichs vergrößert sich die Spaltbreite wiederum konisch.
Die lichte Weite des Ringspaltes sollte so bemessen sein, dass an diesem Bereich keine Kavitation auftreten kann. Die Strömung als Wirbel sollte dort aber aufrechterhalten werden. Dadurch wird die Wasserströmung entsprechend beschleunigt und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, woraufhin sie sich im dritten Volumenbereich 1.3 wieder etwas verkleinert, bevor das Wasser in die Eintrittsöffnungen 4 einströmt.
Bei dem gezeigten Beispiel ist im Inneren der hohlzylindrischen Abführung 3 eine Lavaldüse 7 angeordnet oder darin ausgebildet, die wiederum zu entsprechenden Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes gemäß der Kontinuitäts- und der Bernoulli-Gleichungen mit der kontinuierlichen Verringerung und anschließenden wieder Vergrößerung des Innendurchmessers in der hohlzylindrischen Abführung 3 führt.
Der Einsatz der Lavaldüse 7 wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn zusätzlich ein Gas über einen Gaseinlass 8 am Gehäuse 6 bis zu einem hier stirnseitigen Eintritt (analog Wassereintritt 2) in das Innere des ersten Volumenbereichs 1.1 einströmt, im Strömungswirbel mit dem Wasser im ersten Volumenbereich 1.1 gemischt, im Wasser im zweiten Volumenbereich 1.2 gelöst und als im Wasser gelöstes Gas über den dritten Volumenbereich 1.3 der hohlzylindrischen Abführung 3 zugeführt wird. Das gelöste Gas strömt gemeinsam mit dem Wasser durch die Lavaldüse 7 und durch die hohlzylindrische Abführung 3 bis zur Abführung des so aufbereiteten Wassers und es wird eine zusätzliche kavitationsbedingte Wasseraufbereitung mit dem Gas- Wasser-Gemisch erreicht.
Wie man 1 außerdem entnehmen kann, ist der Anschluss 5 für die Abführung von mit der Vorrichtung aufbereitetem Wasser vertikal unten und die Eintrittsöffnungen 4 sowie der Eintritt 9 für Gas vertikal oben angeordnet.
Als Gas kann man kostengünstige Luft zuführen. Wird Sauerstoff oder CO₂ zugeführt, kann die kavitationsbedingt erreichbare Wirkung bei der Wasseraufbereitung noch gesteigert werden.
Mit der in 2 gezeigten Schnittdarstellung kann man die Gestaltung des rotationssymmetrischen Kavitationsraums 1 mit der darin angeordneten hohlzylindrischen Abführung 3 noch besser erkennen. Dabei weist der erste Volumenbereich 1.1 einen maximalen Innendurchmesser von 180 mm auf, der in Richtung des Anschlusses 5 kugelförmig ausgebildet ist. In die dazu entgegengesetzte Richtung schließt sich der zweite Volumenbereich 1.2 an, der eine konvex in das Innere gerichtete Innenwandkontur aufweist. An diesen zweiten Volumenbereich 1.2 wiederum schließt sich der dritte Volumenbereich 1.3 an, der wiederum eine konkav gewölbte Innenwand aufweist.
Zwischen der Außenwand der hohlzylinderförmigen Abführung 3 und der Innenwand des Kavitationsraums 1 im zweiten Volumenbereich 1.2 mit dem dort kleinsten Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs 1.2 ist ein Ringspalt, der bei diesem Beispiel eine lichte Weite von 5 mm aufweist, vorhanden.
Die hohlzylindrische Abführung 3 hat einen auf die Viskosität des Arbeitsmediums und die Druckverhältnisse abgestimmten Innendurchmesser, der sich im Bereich der Lavaldüse 7 auf einen optimierten kleinsten Innendurchmesser von bei diesem Beispiel 7,5 mm reduziert, bevor sich der Innendurchmesser in Richtung der Abführleitung 5.1 wieder kontinuierlich vergrößert.
Mit einer Vorrichtung, die die oben aufgeführte Dimensionierung aufweist, kann man beispielsweise aufzubereitendes Wasser mit einem Volumenstrom von ca. 2,5 m³/h mit einem Eintrittsdruck im Bereich von ca. 10 bar bis 12 bar einführen und aufbereiten.
Geringere oder größere Volumenströme an aufzubereitendem Wasser können in baugleichen Vorrichtungen mit demselben Konturverlauf der drei Volumenbereiche 1.1, 1.2, 1.3 sowie der Lavaldüse 7 und den gleichen Abstandsverhältnissen behandelt werden. Vorrichtungen zur Aufbereitung von Wasser können in verschiedenen Größen mit Innenvolumina der drei Volumenbereiche 1.1, 1.2 und 1.3 mit 0,25 m³, 0,5 m³, 2,5 m³, 5 m³, 10 m³ oder 20 m³ und ggf. weiteren Staffelungen je nach Projekt und Kundenanforderung eingesetzt werden.
Dabei erfolgt mit der gezielten Beeinflussung der Wasserströmung in geeigneten Bereichen insbesondere in Strömungsrichtung nach der Lavaldüse 7 eine Druckabsenkung im strömenden aufzubereitenden Wasser, so dass Kavitation selektiv nur bei den im Wasser gelösten Gasen auftritt (wobei immer ein kleiner Teil des Wassers ebenfalls kavitiert wird). Alle Baugruppen können so berechnet oder ausgelegt werden, dass bei unterschiedlichen Volumenströmen immer die annähernd gleichen Druckverhältnisse und Strömungsgeschwindigkeiten, wie in o.a. Beispiel aufgezeigt, eingehalten werden können.
Die Darstellung in 3 zeigt nochmals im Schnitt den prinzipiellen Aufbau eines Kavitationsraums 1 mit darin angeordneten hohlzylindrischen Abführung 3.
In 4 ist beispielhaft eine rotationssymmetrische Innenkontur eines Kavitationsraums mit Konturkurven-Stützpunkten P10 - P40 dargestellt (Endpunkte und Maxima/Minima des Kurvenverlaufs).
Diese Kurvenschar ist definiert im (globalen) Koordinatenraum r und z. Die z-Koordinate des Punktes P40 dient als Gesamtlänge und ist gleich 1. Die Kurvenschar ist also auf z40 normiert.
Die Kurvenschar sollte dabei folgende Bedingungen erfüllen:

Die Punkte P10, P20, P30 und P40 entsprechen den Minima/Maxima des Kurvenverlaufes. Für diese gelten folgende Nebenbedingungen:
- - r10 < z40 --> Größte Ausdehnung der Kurve in z-Richtung
- - r10 > r30 > r40 > r20 --> Verjüngung mit steigendem z und schmalste Stelle bei P20
- - r20 > d/2
- - d -Außendurchmesser der Zuführung 8 bzw. Durchmesser der Innengeometrie an Stelle z20
- - Die Punkte P10 bis P40 haben für die Originalkontur folgende Werte:

◯ P10 = (0,268248175	0,291970803)
◯ P20 = (0,770072993	0,063868613)
◯ P30 = (0,954379562	0,169708029)
◯ P40 = (1	0,114963504)

◯ Der Punkt P00 liegt auf der Rotationsachse und wird von der Konturkurve aufgrund des Innenteils nicht erreicht

Zur Definition der Konturkurvenschar wird diese mathematisch in vier Teilintervalle (gültig jeweils zwischen den Konturkurvenstützpunkten P00-P40) mit den folgenden lokalen Koordinaten eingeführt:

- Kurvenbereich 1
- ◯ 0 <= x1 <= 1 zwischen 0 <= z <= z10
- ◯ 0 <= r1 <= 1 zwischen r00 <= r <= r10
- Kurvenbereich 2
- ◯ 0 <= x2 <= 1 zwischen 0 <= z <= z20
- ◯ 0 <= r2 <= 1 zwischen r10 <= r <= r20
- Kurvenbereich 3
- ◯ 0 <= x3 <= 1 zwischen 0 <= z <= z30
- ◯ 0 <= r3 <= 1 zwischen r20 <= r <= r30
- Kurvenbereich 4
- ◯ 0 <= x4 <= 1 zwischen 0 <= z <= z40
- ◯ 0 <= r4 <= 1 zwischen r30 <= r <= r40

Die lokalen Variablen laufen jeweils von 0 bis 1.
Die Konturkurvenschar K(z) = K(x_i) ist als die Aneinanderreihung der Kurvenstücke r_i(x_i): $K (x_{i}) = \sum_{i = 1}^{4} r_{i} (x_{i})$
mit
r_i(x_j) = 0 definiert.
Diese wiederum werden für 1 <= i <= 4 jeweils durch ein Polynom 5. Ordnung der Form $r_{i} (x_{i}) = a_{i} x_{i}^{5} + b_{i} x_{i}^{4} + c_{i} x_{i}^{3} + d_{i} x_{i}^{2} + e_{i} x_{i}^{1} + ƒ_{i}$
definiert.
Die zugehörigen Koeffizienten sind für diese Kurvenform folgendermaßen definiert: Tabelle 1 Koeffizientenmatrix der lokalen Kurvenpolynome, Ziffern der zweiten Zeile bedeuten weitere Nachkommawerte zur ersten Zeile.

Mit den in Tabelle 1 definierten Koordinaten werten kann man jede Innenkontur eines Kavitationsraums bestimmen, die dann für eine vorgegebene Dimensionierung und/oder einen vorgegebenen Volumenstrom an Wasser an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nutzen kann. Tabelle 1

Bereich	i	a_i	b_i	c_i	d_i	e_i	f_i
P00-P10	1	0	0	0,5261780354 12390	-1,70060969 5225190	1,822685284 213210	0,351746375 599588
P10-P20	2	5,184695892 544730	-14,06408543 5880400	10,5740831 94126500	-0,69469365 0790961	0	0
P20-P30	3	-2,455202909 536420	1,76379303444 1850	1,83802265972 5330	-0,1466127 84630830	0	0
P30-P40	4	0	0	0,53196225043 4028	0,4680377495 65972	0	0

Für die Originalkontur ergibt sich damit folgende Kurve, die in 5 gezeigt ist.
Durch die Wahl beliebiger Punkte P01, P02, P03 und P04, die die o.g. Bedingungen erfüllen und in einem Bereich ± 15 % um die in 5 gezeigte Referenzkurve angeordnet sind, ergibt sich somit jede Kurve, die sich innerhalb des in 6 markierten Bereichs um die Referenzkurve als eine für die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzbare Innenkontur eines Kavitationsraums 1 bestimmen lässt.

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser, bei der an einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kavitationsraum, der eine konkave Innenwand und einen ersten Volumenbereich (1.1) aufweist und mindestens eine Zuführung (2) für Wasser an den ersten Volumenbereich (1.1) angeschlossen ist, über die Wasser tangential in den ersten Volumenbereich (1.1) des Kavitationsraums (1) einströmt, dabei geht der erste Volumenbereich (1.1) in einen zweiten Volumenbereich (1.2) über, der eine konvexe Innenwand aufweist, an den zweiten Volumenbereich (1.2) schließt sich ein dritter Volumenbereich (1.3) des Kavitationsraums (1) an, der wieder eine konkave Innenwand aufweist, dabei ist im ersten Volumenbereich (1.1) ein größerer Innendurchmesser eingehalten als im zweiten Volumenbereich (1.2) und der Innendurchmesser des dritten Volumenbereichs (1.3) wieder größer als der Innendurchmesser des zweiten Volumenbereichs (1.2) ist, durch den gesamten Kavitationsraum (1) ist in seiner mittleren Längsachse eine hohlzylindrische Abführung (3) geführt, die im dritten Volumenbereich (1.3) mindestens eine Eintrittsöffnung (4) für Wasser und außerhalb des Kavitationsraums (1) einen Anschluss (5) für eine Abführleitung (5.1) von gereinigtem Wasser aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konturverlauf der Innenwand im Kavitationsraum in den drei Volumenbereichen (1.1, 1.2, 1.3) und die Abstände der Innenwand von der hohlzylindrischen Abführung (3) entsprechend mehrfacher Polynome 3. und 5. Grades (X₁, X₂, X₃, X₄) und der zugehörigen Koordinatentransformation (Y₁) ausgebildet und eingehalten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konturkurvenschar K(z) = K(x_i) entlang der Innenwand des Kavitationsraums als eine Aneinanderreihung der Kurvenstücke r_i(x_i):
mit $r_{i} (x_{i}) = 0$
und diese wiederum für 1 <= i <= 4 jeweils durch ein Polynom 5. Ordnung der Form $r_{i} (x_{i}) = a_{i} x_{i}^{5} + b_{i} x_{i}^{4} + c_{i} x_{i}^{3} + d_{i} x_{i}^{2} + e_{i} x_{i}^{1} + ƒ_{i}$
definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial umlaufender Ringspalt zwischen der Innenwand der Kavitationskammer (1) und der Außenwand der hohlzylindrischen Abführung (3) im zweiten Volumenbereich (1.2) vorhanden ist, der so dimensioniert ist, dass die Strömungsgeschwindindgkeit dort nur so erhöht und der Druck nur so vermindert wird, dass keine Kavitation entsteht, wobei bevorzugt ein Druck des Wassers von mindestens 3000 Pa eingehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zuführung (2) für Wasser in einem Winkel im Bereich 100° bis 140°, bevorzugt einem Winkel von 120° senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse des Kavitationsraums (1) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der hohlzylindrischen Abführung (3) eine Lavaldüse (7) ausgebildet oder darin angeordnet ist
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lavaldüse (7) mit ihrem Bereich, in dem der kleinste Innendurchmesser vorhanden ist, im ersten Volumenbereich (1.1) unmittelbar im Anschluss an den zweiten Volumenbereich (1.2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung (8) für ein Gas (bevorzugt Umgebungsluft, Sauerstoff und CO2) in den ersten Volumenbereich (1.1) so mündet, dass das zugeführte Gas mit dem Wasser verwirbelt, im Wasser gelöst wird und als Wasser- Gas-Gemisch durch den Ringspalt über den dritten Volumenbereich (1.3) in die hohlzylindrische Abführung (3) eintritt.
Vorrichtung nach dem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Luft, Sauerstoff, CO₂ oder ein inertes Gas zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlzylindrische Abführung (3) einen konstanten Außendurchmesser aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuführungen (2) mit jeweils gleichen Winkelabständen in Bezug zueinander über den Umfang des Kavitationsraums (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Volumenbereich (1.1) ein mindestens dreifach größeres Innenvolumen aufweist als der dritte Volumenbereich (1.3).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Volumenbereich (1.1) und der Anschluss (5) für die Abführleitung (5.1) von behandeltem Wasser vertikal unten an der Vorrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Innendurchmesser der Lavaldüse (7) eingehalten ist, dass ein Druck im Bereich der Lavaldüse (7) von mindestens 2300 Pa eingehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchsatz von verschiedenen Volumenströmen, die Innenkontur des Kavitationsraums mittels der vorgegebenen Polynome 3. und 5. Ordnung (X₁, X₂, X₃, X₄) und der zugehörigen Koordinatentransformation (Y₁), einem fest vorgegebenen Einspeisedruck des zu behandelnden Wassers im Bereich 1 MPa bis 1,2 MPA, einem Durchsatz in m³/h und einem Minimaldruck von 2300 Pa an der engsten Stelle der Lavaldüse (7) entsprechend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass behandeltes Wasser über die Abführleitung (5.1) drucklos abführbar oder unter Druck- in mindestens einen geschlossenen Kreislauf einspeisbar ist, wobei der Einspeisedruck mit einer der Abführleitung (5.1) nachgeschalteten Pumpe erzeugt und dem Druck im geschlossenen Kreislauf entspricht.