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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Behandlung von Trinkwasser.
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In der PCT-Anmeldung WO 99/48822
wird beschrieben, dass ein schwachsaures Ionenaustauscherharz in
der Ca-Form an seiner Oberfläche
katalytisch Kalkfällung
aus einer kalkhaltigen Lösung auslöst. Diesen
Vorgang kann man zur physikalischen Wasserbehandlung nutzen: Die
an der Oberfläche
des katalytisch wirkenden Granulates gebildeten Kalkkristallkeime
lösen sich
leicht von der Oberfläche
ab und sind im übersättigten
Wasser selbst Kristallisationszentren. Das Wachstum dieser Kristallisationszentren
bindet die überschüssigen Calcium- und
Carbonationen an sich und Ausfallprozesse an Rohr- und Boilerwänden werden
auf diese Weise nachhaltig unterdrückt. In der PCT-Anmeldung WO 99/48822
finden sich auch technische Beschreibungen, wie vorzugsweise Wasserbehandlungseinrichtungen
mit diesem Katalysatormaterial ausgeführt und in der Trinkwasserinstallation
eingesetzt werden. Im wesentlichen sind diese Wasserbehandlungsgeräte aufgebaut
aus einem druckfesten Behälter,
einem Düsenboden
und einem granulatzurückhaltenden
Filterelement. Ursprünglich
war gedacht, diese Katalysatortechnologie im Kaltwasserstrang der Trinkwasseranlage
einzubauen.
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Es wurde in der Folge gefunden, dass
man dieses Katalysatorgranulat am effektivsten im Warmwasserbereich
in Kombination mit einem Warmwasserspeicher einsetzt, und zwar aus
folgenden Gründen:
Der Grad der Übersättigung
des kalkhaltigen Wassers ist im Warmwasserbereich höher; entsprechend
nimmt auch die Bildungswahrscheinlichkeit von Kristallkeimen an
der Oberfläche
des Katalysatorgranulates zu.
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Die Wachstumskinetik der gebildeten
Kalkkristallkeime ist bei höheren
Temperaturen . wesentlich schneller; d.h. gebildete Kalkkristallkeime
stehen schneller als Kristallisationszentren zur Verfügung.
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In Trinkwassererwärmungssystemen mit Speicher
hat das Brauchwasser eine deutlich längere mittlere Verweildauer
im System. Diese Verweildauer erlaubt eine längere Behandlungszeit des Wassers. Damit
ist eine effiziente Wasserbehandlung auch mit kleinen, kompakten
Katalysatoren möglich.
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Mit Warm- bzw. Heißwasser
lässt sich
das Katalysatorgranulat ideal desinfizieren; eine Desinfektion ist
für den
sicheren Betrieb im Trinkwasserbereich aufgrund der großen Oberfläche des
Materials aus hygienischer Sicht sinnvoll.
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Diese Gründe führten dazu, dass man das Katalysatorgranulat
vorzugsweise im Warmwasserbereich einsetzt. Um den Schutz des gesamten Trinkwasserewärmungssystems
zu gewährleisten, ist
es notwendig, das gesamte Warmwasser mit dem Katalysator in Kontakt
zu bringen. Diese Forderung wird beispielsweise dadurch erfüllt, dass
man das Wasserbehandlungsgerät
entweder in eine bestehende Zirkulationsleitung einsetzt und mit
einer Zirkulationspumpe das Warmwasser umwälzt oder alternativ eine eigene
Bypassleitung über
den Warmwasserspeicher baut und in diese Leitung das Wasserbehandlungsgerät mitsamt
einer Zirkulationspumpe integriert.
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In der österreichischen Patentschrift
AT 406 826 B ist in 2 ein
Ausführungsbeispiel
für den Einsatz
des Katalysatorgranulates in der Warmwasserzirkulation dargestellt.
Es wird in dieser Schrift eine Vorrichtung zum Desinfizieren einer
Wasserbehandlungseinheit gezeigt, welche als eigenständiges Gerät in den
Kaltwasserteil oder Warmwasserteil einer Trinkwasserinstallation
eingebracht wird. Durch den Einbau eines solchen Zusatzgerätes entsteht
ein zusätzlicher
Aufwand und Platzbedarf. Darüber
hinaus bedarf dieses Zusatzgerät
einer Energieversorgung zum Aufheizen des zu behandelnden Wassers. Hierdurch
entsteht ein zusätzlicher
Energieverbrauch, welcher durch die auftretenden Wärmeverluste
nicht vollständig
in der Trinkwasserinstallation rückgewonnen
werden kann.
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Die Zirkulation über das Katalysatorgranulat bei
einem wandhängenden
Elektroboiler mittels Zirkulationsleitung ist bekannt.
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Die technische Lösung mit der Zirkulationsleitung
hat jedoch zwei entscheidende Nachteile:
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- Man braucht eine Zirkulationsleitung mit einer Zirkulationspumpe
und Energie für
deren Betrieb
- Es gibt Wärmeverluste
durch die Zirkulation
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Diese Nachteile stören die
ansonsten makellose ökologische
und ökonomische
Bilanz der Katalysatortechnologie: Das Verfahren selbst, die Bildung der
Kristallkeime, braucht keine chemischen Zusatzstoffe – es ist
ein „chemiefreies"
Verfahren – und
keine Energie, da die zur Bildung notwendige Energie in der Übersättigung
der kalkhaltigen wässrigen
Lösung gespeichert
ist. Der nachträgliche
Einbau einer Zirkulationsleitung mit einer Zirkulationspumpe erhöht den Investitionsaufwand
und der Betrieb der Zirkulation verursacht Betriebskosten. Diese
Umstände
wirken sich insbesondere bei kleinen Anlagen besonders nachteilig
auf die Entscheidung des Kunden für die Technologie aus. Bei
Schichtspeichern ist zudem eine Zirkulation über den Speicher problematisch.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit,
eine Wasserbehandlungseinheit so in die Trinkwasserinstallation
zu integrieren, dass sie keinen zusätzlichen Platz- und Energiebedarf
schafft und eine optimale Wasserbehandlung ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die eigentliche Behandlungseinheit im Inneren eines
Warmwasserbereiters angeordnet ist.
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Somit wird gemäß der Erfindung der wasserbehandelnde
Stoff, vorzugsweise das Katalysatorgranulat, in einer technischen
flüssigkeitsgefüllten Anlage
direkt in den Bereich, wo z.B. die Kalkprobleme auftreten, integriert.
Je nach Ausführung
der Anlage sind dazu angepasste technische Ausführungen für das Behältnis des wasserbehandelnden
Stoffes, vorzugsweise des Granulates notwendig. Die technische Anlage
selbst ist bestimmungsgemäß nicht
alleine zur Aufnahme des wasserbehandelnden Stoffes, vorzugsweise
des Katalysatorgranulates, vorgesehen und erfüllt einen anderen technisch
notwendigen Zweck. Dies kann z.B. die Bevorratung (Speicherung,
Bufferung) einer Flüssigkeit,
insbesondere Speichern von Warmwasser (Energiespeicherung) für einen
späteren
Verbrauch sein. Alternativ kann die technische Anlage jedoch auch
der Erwärmung der
Flüssigkeit,
der Weiterleitung der Flüssigkeit
oder der Kombination aus den genannten Funktionen dienen. Durch
den Einbau einer erfindungsgemäßen Wasserbehandlungseinheit,
welche den wasserbehandelnden Stoff, vorzugsweise das Katalysatorgranulat,
beinhaltet, kann z.B. die Kalksteinbildung verhindert werden. Wesentliche
Merkmale dieser Vorrichtung sind, dass sie selbst nicht geeignet
ist, die Funktion der Wassererwärmung
und Speicherung zur Verfügung
zu stellen und dass sie der Aufnahme des wasserbehandelnden Stoffes,
vorzugsweise des Katalysatorgranulates dient. Darüber hinaus
weist sie eine leichte Durchströmbarkeit
auf, sodass aufgrund der durch die Erwärmung einsetzenden Konvektionsströmung der
wasserbehandelnde Stoff, vorzugsweise das Katalysatorgranulat, ausreichend durchströmt werden
kann, und die schützenden
Kalkkristalle im gesamten Speicher verteilt werden können.
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Dies ist ökologisch und ökonomisch
am günstigsten,
da das Katalysatorgranulat an geeigneter Position direkt in dem
jeweiligen Warmwasserbereiter integriert ist. Geeignete Positionen
sind Orte im Warmwasserbereiter, die im Normalbetrieb des Warmwasserbereiters
hinreichend warm sind und die von der Wärmekonvektion im Warmwasserbereiter optimal
erfasst werden. Der entscheidende Vorteil dieser Einsatzweise ist,
dass man sich die zusätzliche
Installation von eigenständigen
Wasserbehandlungsgeräten,
welche eine druckfeste Kartusche mit Strömungsführungselementen, Anschlussarmaturen,
Thermoisolation und Steuerelektronik beinhaltet, erspart.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass der Warmwasserbereiter ein Boiler und die Behandlungseinheit
so angeordnet ist, dass sie von auf vorzugsweise mindestens 50°C erwärmten Wasser durchströmt wird,
das vom Heizelement aufgeheizt worden ist. Hierbei ist es verfahrensgemäß des weiteren
günstig,
dass die Behandlungseinheit in unmittelbarer Nähe – vorzugsweise oberhalb – des Heizelementes
angeordnet ist. Diese erfindungsgemäßen Ausbildungsformen ermöglichen
eine besonders effiziente Anordnung der erfindungsgemäßen Behandlungseinheit
in Warmwasserbereitern. In diesem Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Einrichtung für Warmwasserbereiter
vorgesehen, welche mindestens ein Volumen von 5 Litern, vorzugsweise
mindestens ein Volumen von 20 Litern umfassen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch dahingehend
ausgebildet sein, dass sie in Warmwasserbereitern, wie z.B. Wassersiedern
oder Kaffeemaschinen eingesetzt werden kann und dort z.B, eine Verkalkung
des Warmwasserbereiters effizient verhindert.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
sieht vor, dass der wasserbehandelnde Stoff, vorzugsweise das Katalysatorgranulat,
in einen geeigneten Behälter
(Wände
aus Filtergewebe) gefüllt
wird und in einer Waschmaschine einfach in die Laugentrommel montiert
werden kann. Aufgrund der Trommelbewegung kann das Granulat mehrfach
vom Waschwasser durchströmt
werden und im Fall der Kalkbehandlung gut mit Kalkkristallen angereichert werden.
Neben dem Schutz des Heizstabes wirken sich die Kalkkristalle hierbei
auch in einer möglichen Reduktion
des Waschmittels positiv auf den gesamten Waschprozess aus.
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Eine besonders bevorzugte Ausbildungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
sieht vor, dass die Behandlungseinheit eine Einheit zur Verminderung
der Kalksteinbildung ist. Hierbei sieht eine Variante vor, dass
Kristallisationskeime in das umgebende Wasser von der erfindungsgemäßen Einrichtung
abgegeben werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist besonders hervorzuheben,
dass der wasserbehandelnde Stoff der Behandlungseinrichtung – vorzugsweise
das Katalysatorgranulat – sich
nicht verbraucht.
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Darüber hinaus sieht eine bevorzugte
Ausführungsvariante
vor, dass der wasserbehandelnde Stoff der Behandlungseinrichtung,
vorzugsweise das Katalysatorgranulat, regenerierbar ist.
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Eine mögliche erfindungsgemäße Ausführungsform
besteht darin, dass der vorzugsweise granulatförmig vorhandene wasserbehandelnde
Stoff ein schwachsaures Ionentauschermaterial, vorzugsweise in der
Ca-Form ist. Ein solches Ionentauschermaterial sowie ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Überführung eines
vorzugsweise schwachsauren Ionentauschermaterials von der H-Form
in die Ca-Form ist aus dem österreichischen
Patent AT 407 843 B bekannt.
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Zur Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung
müssen
für viele
verschiedene Warmwasserbereiter individuelle Lösungen gesucht werden. Dabei
empfiehlt es sich mit den Herstellern der anderweitigen Aufgaben
dienenden Wasserbereitungsapparaturen diesbezüglich Absprachen zu treffen
(OEM).
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Weitere Merkmale und Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Dabei zeigen:
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1 bis 5 verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsvarianten
der Integration einer Behandlungseinheit in einem Boiler,
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6 eine
erfindungsgemäße Integration
einer Behandlungseinheit in eine Kaffeemaschine.
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1 zeigt
die Integration einer Wasserbehandlungseinheit in einem wandhängenden
Boiler 8 mit Elektroheizung 2. Das Katalysatorgranulat 5 wird vorzugsweise
in einem ringzylindrischen Behältnis 6 eingeschlossen,
dessen Wände
aus einem Filtergewebe oder einer Schlitz- bzw. Lochmaske ausgebildet
sind. Die Dicke des Ringrylinders 6 sollte 1 cm nicht übersteigen,
um den Wassertransport durch das Katalysatorgranulat nicht zu behindern.
Den Ringzylinder 6 befestigt man am besten auf dem Heizflansch 9 in
einer Weise, dass die Heizkörper 4 vom
Ringzylinder umschlossen werden. Alternativ lässt sich der Ringzylinder 6 mittels
Schellen an die im Boiler 8 vorhandene Warmwasserentnahmeleitung 3 anklemmen
(die Heizkörper
umgebend oder unmittelbar oberhalb der Heizkörper).
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2 zeigt
eine Variante, bei der die Wasserbehandlungseinheit 11 als
Strömungsrohr
oberhalb der Elektroheizkörper 4 ausgebildet
ist. Während
der Heizphasen tritt kaltes Wasser durch die Eintrittsöffnungen 10 am
unteren Ende des Strömungsrohres 11 ein
und wird an den Heizelementen 4 erwärmt und steigt dann über das
Granulatbett nach oben. Durch die Konvektionswalze wird das Wasser
vermischt und wieder nach unten gedrückt, sodass das zu behandelnde
Wasser mehrmals am Katalysatorgranulat 5 vorbeiströmt.
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3 und 4 zeigen analoge Ausführungsbeispiele
für handelsübliche Standboilervarianten
mit innenliegenden Wärmetauschern.
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5 zeigt
den Einsatz von Katalysatorgranulat 5 in einem Speicher
mit einem spiralförmigen Wärmeaustauscher.
Für diese
Situation empfiehlt sich das Einhängen eines speziellen Filterkorbes 12 mit
Katalysatorgranulat 5 in den Bereich zwischen den Heizleitungen.
Der Filterkorb 12 lässt
sich beispielsweise wiederum als Ringzylinder ausführen.
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Zusammenfassend zeigen die 1 bis 5 unterschiedliche Ausführungen
von Behältern
zur Aufnahme des wasserbehandelnden Stoffes, vorzugsweise des Katalysatorgranulates,
welche im Speicher-Warmwasserbereiter eingebaut werden. Der eigentliche
Zweck der technischen Anlage ist die Erwärmung und Speicherung des Warmwassers.
Bei kalkhaltigem Wasser treten dabei Kalkablagerungen auf, die zu
technischen Problemen und bis zur Gebrauchsuntauglichkeit führen.
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In 6 wird
eine erfindungsgemäße Lösung für die Massenware
Kaffeemaschine mit Katalysatortechnologie gezeigt. Hier integriert
man das Katalysatorgranulat 5 direkt in die Heizung. Bei
den meisten Kaffeemaschinen ist die Heizung ausgeführt in Form
eines außengeheizten
(gebogenen) Rohres 14. Für die meisten gängigen Kaffeemaschinen
genügen
ca. 10 ml Katalysatorgranulat 5 eingefüllt in dieses Heizungsrohr 14.
Das Granulat 5 wird mittels eines Filterstückes 13,3 am
Wassereintritt und Wasseraustritt des Rohres vom Austritt abgehalten.
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Die in
6 gezeigte
erfindungsgemäße Lösung für eine Kaffeemaschine
ist nur ein Beispiel für die
Anwendung der erfindungsgemäßen Behandlungseinheit
in einem Durchlauferhitzer. Analog kann ein Plattenwärmeaustauscher
auf der Brauchwasserseite mit dem Katalysatorgranulat gefüllt werden.
Der eigentliche Zweck des Durchlauferhitzers ist die Erwärmung der
Flüssigkeit
und deren Weiterleitung. Dazu muss der Durchlauferhitzer oder der
Plattenwärmeaustauscher
eine ausreichende Heizleistung aufweisen, um den geforderten Warmwasserbedarf in
der geforderten Zeit zur Verfügung
zu stellen. Der Zweck der Heizleistung ist also nicht wie z.B. bei
der
1 aus der Patentschrift
EP 0 970 919 A1 die
Erwärmung
des Wasservolumens und damit des Katalysatorgranulates innerhalb
des Durchlauferhitzers zum Zwecke der thermischen Desinfektion,
auch wenn dies ein angenehmer Nebeneffekt ist.
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Die technische Ausführung verlangt
gewisse notwendige Adaption am Durchlauferhitzer oder Plattenwärmetauscher,
um den wasserbehandelnden Stoff, vorzugsweise das Katalysatorgranulat,
in dem dafür
vorgesehenen Bereich zu halten.
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Neben einem katalytisch wirkenden
Ionentauschermaterial kann die Behandlungseinheit auch auf andere
Art das Trinkwasser behandeln, insbesondere um die Kalksteinbildung
zu vermeiden oder zu verringern. Als wasserbehandelnde Stoffe kommen
beispielsweise regenerierbare Ionentauscher oder katalytisch wirkende
Polymere in Frage.