DE4107708C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Wasser gegen Kalkablagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Wasser gegen Kalkablagerung durch Kavitation und ein elektrisches Wechselfeld mit einer Kavitationskammer und mindestens zwei Elektroden, an denen Wechselstromimpulse an­ liegen und zwischen denen das Wasser fließt.

Es gibt eine Reihe von physikalischen wasseraufbereitungsver­ fahren, deren Ziel es ist, durch die Erzeugung von Turbulenzen, Kavitation oder das Anlegen von Wechselstromimpulsen eine Beein­ flussung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts zu erreichen. So werden in den Patentschriften DE 38 07 876, EP 00 68 760, EP 02 77 112 sowie EP 02 86 137 Verfahren und Vorrichtungen vorge­ schlagen, durch die mittels einer variablen Drosselstelle im Strömungsweg Turbulenzen oder Kavitation im strömenden Medium erzeugt werden. Die erwähnten Turbulenzen sollen außer bei DE 38 07 876 die Wirkung eines Magnetfeldes unterstützen, dem ebenfalls eine - das Wasser behandelnde - Wirkung zugeschrieben wird. Eine weitere Patentschrift beschreibt ein Verfahren, bei dem zunächst ein Verwirbelungskörper im Strömungsweg des Wasser für dessen Verwirbelung sorgt und das Wasser anschließend zwi­ schen zwei glatten Elektrodenkörpern hindurchgeführt wird, an denen elektrische Wechselstromimpulse anliegen (DE 38 28 825).

Da die Wirkung der bekannten Verfahren als nicht ausreichend erachtet wird, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu ermöglichen, die den Wirkungsgrad des gattungs­ gemäßen Verfahrens und der gattungsgemäßen Vorrichtung noch weiter verbessern.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Wasserstrom eingangsseitig durch einen in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluß arbeitenden Injektor ge­ leitet. Hierdurch entsteht Kavitation und damit Zonen im zu behandelnden Wasser, in denen der Druck deutlich unter den Umgebungsdruck sinkt. Es kommt zu einem lokalen Ausgasen des im Wasser gelösten CO₂. Gleichzeitig wird in Folge der Abnahme der CO₂-Konzentration im Wasser, das Kalk-Kohlensäure-Gleich­ gewicht gestört. Dies führt zu einer Verringerung der HCO₃⁻- Konzentration und damit zu einer Verschlechterung der Calcium- Löslichkeit (das Wasser wird stärker kalkabscheidend). Diese Lösung wird nun durch ein elektrisches Wechselfeld geleitet. Die verwendeten Spezialelektroden sind dergestalt ausgeführt, daß eine Vielzahl von Oberflächenerhebungen, z. B. Noppen, zu punktuellen Bereichen mit geringerem Elektrodenabstand als in der Umgebung und damit zu einer hohen Stromdichte führen. Da­ durch ist es möglich, den gewünschten Behandlungseffekt mit niedrigen Spannungen; zu erzielen.

In diesen Bereichen hoher Stromdichte kommt es an der jeweils negativ geladenen Elektrode zu einer Aufkonzentrierung der positiv geladenen Calcium-Ionen. Gleichzeitig entstehen im Bereich dieser Elektrode (OH)-Ionen, die zu einer räumlich begrenzten Anhebung des pH-Wertes und somit zu einer Verschie­ bung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes vom HCO₃⁻ zum CO₃^2- führen. Die oben genannten Ca²⁺ Ionen fallen an den Elektroden­ erhebungen zusammen mit den Karbonat-Ionen als schwerlösliches CaCO₃ (Kalk) aus. So bildet sich an jeder Elektrodenerhebung ein mikrofeiner Kalkkristall.

Von der nächsten elektrischen Halbwelle werden die Elektroden umgepolt und die gebildeten Kristalle von der nun positiv gela­ denen Elektrode - an der H⁺-Ionen gebildet werden - abgesprengt. Diese Kristallkeime werden von dem nachströmenden Wasser mitge­ rissen. Auf diese Weise werden an jeder Elektrode proportional zur Frequenz und zur Zahl der Oberflächenerhebungen der Elek­ trode eine große Anzahl- von Kristallkeimen gebildet.

An diese Kristallkeime lagert sich nun, insbesondere bei Erwär­ mung des Wassers, weiteres CaCO₃ an, so daß diese Kristalle je nach Kalkabscheideneigung des Wassers größer werden, jedoch immer noch im Größenbereich von nur einigen Tausendstel Milli­ metern liegen.

Das ausgegaste CO₂ geht in Bereichen geringer Temperatur (also außerhalb des Bereiches von Heizstäben etc.) teilweise wieder in Lösung und führt über eine damit verbundene, geringfügige Absenkung des pH-Wertes zu einer größeren Kalklöseneigung des behandelten Wassers. So werden zum Teil die gebildeten Kristall­ keime wieder aufgelöst, zum Teil jedoch auch Kalkverkrustungen der Rohrinnenwand. Die große, relativ reaktionsfreudige Ober­ fläche der suspendierten Kristallkeime verhindert jedoch zuver­ lässig, daß die Korrosionsschutzschicht der Rohrinnenseite bis auf das Metall abgetragen wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Prinzip-Darstellung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung; und

Fig. 2 einen zentralen Schnitt durch eine bevorzugte Ausfüh­ rungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Wasser behandelnde Teile im wesentlichen kreissym­ metrisch ausgebildet sind.

Zunächst wird anhand des in Fig. 1 gezeigten Schemas das erfin­ dungsgemäße Prinzip erläutert. Das Wasser W tritt durch einen Wasserzufluß Z in eine Kavitationskammer K ein. In der Kavita­ tionskammer K ist ein eine Drosselstelle D bildender Injektor angeordnet, der in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluß arbeitet. Prinzipiell besteht dieser Injektor I aus einem zentral angeord­ neten und axial beweglichen Dichtungskörper K1, der vorgespannt durch eine Vorspannungsfeder V eine Öffnung zwischen einem äußeren Körper in der Kavitationskammer K in Abhängigkeit von der durchströmenden Wassermenge, beziehungsweise in Abhängigkeit vom Wasserdruck bildet. An einer Stirnseite des zentralen Dich­ tungskörpers K1 ist ein Permanentmagnet M gegenüber einem Hall- Sensor H angeordnet. Nach Durchfließen der Kavitationskammer K gelangt das Wasser in einen Behandlungsraum B, in dem z. B. zwei parallele Elektroden E1 und E2 angeordnet sind.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Prinzip nicht auf zwei Elektroden beschränkt. Wesentlich ist, daß die Elektroden E1 und E2 eine unregelmäßige Oberflächenstruktur haben und deshalb im Feldraum F zwischen den Elektroden Bereiche mit kleinerem Abstand und deshalb höherer momentaner Feldstärke entstehen.

Diese unregelmäßige Oberflächenstruktur kann z. B. durch noppen­ artige Vorsprünge N oder die hervortretenden Bindungspunkte eines Metallgewebes gebildet sein.

Bei einer vorgegebenen Wasserdurchflußmenge durch die Kavita­ tionskammer K erzeugt die Hall-Sonde, sobald der Permanentmagnet am Boden des zentralen Dichtungskörpers K₁ genügend kleinen Abstand zur Hall-Sonde H hat, ein elektrisches Signal L1, wel­ ches einer elektrischen Steuereinheit S eingegeben wird, die daraufhin elektrische Wechselstromimpulse L2 und L3 an die Elektroden E1 und E2 anlegt.

Anhand der Fig. 2, die einen zentralen Schnitt durch eine im wesentlichen radialsymmetrisch ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt, wird nun Aufbau und Funktionsweise dieser bevorzugten Ausführungsart beschrieben. Die gesamte Vorrichtung wird im wesentlichen von drei miteinander verschraubten radial­ symmetrisch ausgebildeten Grundkörpern 21, 22 und 23 umschlos­ sen. Im verschraubten Zustand werden diese Grundkörper 21, 22 und 23 gegeneinander und nach außen hin durch jeweilige Dich­ tungsringe 24 und 25 abgedichtet.

An zentraler Stelle sind zwei ineinander und in axialer Richtung hin- und her bewegliche Dichtungskörper 2 und 3 angeordnet, wobei der erste Dichtungskörper 2 vom zweiten Dichtungskörper 3 umgeben und in diesem beweglich ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtungskörper 2 und 3 ist ein Ringspalt 4 vorge­ sehen, der sich öffnet, wenn die Dichtungskörper 2 und 3 in die Richtung des Hall-Sensors 31 geschoben wurden und der Dich­ tungskörper 2 am Hall-Sensor seinen Anschlagspunkt erreicht hat. Durch diesen Ringspalt kann das bei 1 zulaufende Wasser Z bei kleinem Wasserdurchfluß strömen. Dabei wird bereits Kavi­ tation erzeugt. Der zweite Dichtungskörper 3 ist zur Innenwand­ fläche eines zylinderförmigen Wandkörpers 27 hin durch eine Gleitdichtung 5 abgedichtet, die eine axiale Bewegung des zwei­ ten Dichtungskörpers gestattet. Diese axiale Bewegung erfolgt gegen die Vorspannung einer axialsymmetrisch um den zweiten Dichtungskörper herum angeordneten Schraubenfeder 19.

Das durch den Ringspalt 4 strömende Wasser geht durch Öffnungs­ bohrungen 20, 20′ im zweiten Dichtungskörper und kann dann in einen elektrischen Behandlungsraum 6 fließen, in dem axialsym­ metrisch Elektroden 7, 7′ angeordnet sind. Zwischen den beiden Elektroden 7 und 7′ strömt das Wasser radial nach außen durch im peripheren Bereich einer Umlenkplatte 10 vorgesehene Boh­ rungen 9, 9′ und sodann in einen Rückströmraum 11 radial nach innen zum Ausflußanschluß 30 der Vorrichtung und fließt als abströmendes Wasser A weiter. In die der Wassereinströmseite entgegengesetzte Stirnseite des ersten Dichtungskörpers 2 ist ein Permanentmagnet 32 eingelassen. Diesem gegenüber ist ein Hall-Sensor 31 vorgesehen, der mit einer Steuerelektronik 16 verbunden ist. Wenn der erste Dichtungskörper 2 bzw. der in seine Stirnseite eingelassene Permanentmagnet den Hall-Sensor 31 nahezu berührt, gibt der Hall-Sensor 31 ein Signal an die Steuerelektronik 16, und diese schaltet das elektrische Wech­ selfeld für die Elektroden 7 und 7′ ein. Die elektrischen Wech­ selstromimpulse werden von der Steuerelektronik 16 über An­ schlüsse 14, 15 den Elektroden 7, 7′ zugeführt.

Bei einem großen Wasserdurchfluß wird der zweite Dichtungskörper 3 so weit nach rechts geschoben, daß er nicht mehr mittels seiner Gleitdichtung 5 gegen die Innenwand des Zylinderwand­ körpers 27 abgedichtet ist. Statt dessen werden in dem Zylinder­ wandkörper 27 Bohrungen 13 und 13′ für den Hauptwasserstrom geöffnet. (Diese Position ist in Fig. 2 dargestellt). Wieder entsteht beim Wasserdurchtritt Kavitation und das elektrische Wechselfeld zwischen den Elektroden 7, 7′ übt die beschriebene Wirkung auf das den Behandlungsraum 6 durchströmende Wasser aus.

Die gesamte Vorrichtung ist durch eine Abdeckhaube 18 abge­ deckt, in deren Wandung eine Anzeigelampe 8 sitzt, die z. B. aufleuchtet, sobald das elektrische Wechselfeld an die Elektro­ den 7, 7′ angelegt wird. Alternativ kann als Anzeige auch eine Störungsanzeige vorgesehen sein. Die Steuerelektronik 16 wird durch eine Spannungsquelle 17 mit elektrischer Spannung ver­ sorgt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Behandeln von fließendem Wasser gegen Kalkablagerungen durch Kavitation und ein elektrisches Wechselfeld, welches zwischen mindestens zwei Elektroden, durch die das durch Kavitation behandelte Wasser geleitet wird, anliegt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Leiten des Wassers eingangsseitig durch einen in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluß arbeitenden Injektor aus einem axial beweglichen Dichtungskörper (K1), der vorgespannt eine Öffnung zwischen einem äußeren Körper in einer Kavitationskammer (K) in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluß bildet; und
• - Leiten des so vorbehandelten Wassers zur Elektrolyse zwischen Elektroden mit unregelmäßiger Oberflächenstruktur, so daß das Wasser durch Bereiche geringeren Elektrodenabstands mit höherer lokaler Stromdichte und durch Bereiche weiteren Elektrodenab­ stands fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrom überwacht wird und das elektrische Wechselfeld den Elektroden nur angelegt wird, wenn das Wasser strömt.

3. Vorrichtung zum Behandeln von Wasser gegen Kalkablagerung durch Kavitation und ein elektrisches Wechselfeld mit einer Kavitationskammer (K) und mindestens zwei Elektroden (E1, E2; 7, 7′), an denen Wechselstromimpulse anliegen und zwischen denen das Wasser fließt,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Kavitationskammer ein in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluß arbeitender Injektor aus einem axial beweglichen Dichtungskörper (K1), der vorgespannt eine Öffnung zwischen einem äußeren Körper in einer Kaviationskammer (K) in Abhängigkeit vom Wasserdurchfluß bildet, (1; 2, 3) vorgesehen ist, und
daß der Kavitationskammer in Strömungsrichtung eine Elek­ trodenanordnung (E₁, E₂; 7, 7′), durch die das Wasser zum Zweck der Elektrolyse strömt, nachgeschaltet ist, deren Elektroden eine unregelmäßige Oberflächenstruktur haben,
so daß beim Anlegen des elektrischen Wechselfeldes Elektrodenbereiche mit geringerem Elektrodenabstand eine höhere lokale Stromdichte haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode ein Metallgewebe aufweist, dessen Bindungspunkte Oberflächen­ erhebungen darstellen und somit zu der beschriebenen, unregelmäßigen Oberflächenstruktur führen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im wesentlichen radialsymmetrisch zu einer Mittelachse des Injektors auf­ gebaut ist,
die Elektrodenanordnung mindestens zwei kreisscheiben­ förmige Elektroden (7, 7′) aufweist, die parallel zu ein­ ander im Abstand angeordnet sind,
der Injektor (2, 3) koaxial durch eine zentrale kreisför­ mige Öffnung in den Elektrodenraum ragt und aus einem ersten und einem zweiten in axialer Richtung jeweils gegen eine Vorspannung beweglichen Dichtungskörper (2, 3) besteht, von denen der erste Dichtungskörper im Inneren des zweiten Dichtungskörpers hin- und herbeweglich angeordnet ist und bereits bei niedrigem Wasserdruck ein Ringspalt (4) zwischen der Außenwand des ersten Dichtungs­ körpers und der Innenwand des zweiten Dichtungskörpers geöffnet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungswächter vorgesehen ist, der das elektrische Wechselfeld an die Elektroden (7, 7′) nur dann anlegt, wenn Wasser in die Vorrichtung einströmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswächter durch einen Hall-Sensor (31) und einen gegenüber dem Hall-Sensor (31) beweglich an einer Stirnseite des ersten Dichtungs­ körpers (2) angeordneten Permanentmagneten (32) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerelektronik (16) ein Signal vom Strömungswächter empfängt und daraufhin das elektrische Wechselfeld den Elektroden (7, 7′) anlegt.