Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser. Dabei kann Wasser, das in unterschiedlichster Form kontaminiert ist, soweit aufbe- reitet 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 Vorga- ben der TRWV bei der Verwendung von zu desinfizierenden Substanzen und dem Betrieb von Trinkwasser führenden Kreisläufen, der Entsorgung von aus- gefällten oder ausgefilterten Substanzen die Effektivität beeinträchtigen und die Kosten erheblich beeinflussen

U.a. gibt es bereits Anlagen, bei denen Kavitation zur Aufbereitung von Was- ser 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 Verdamp- fungsdruck der Flüssigkeit, so bilden sich Gas- oder Dampfblasen. Diese wer- den 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 schlag- artig, und die Dampfblasen oder Gasblasen kollabieren. Dabei treten extreme Druck- (bis ca. 1000 bar) und Temperaturspitzen (bis ca. 5000 °C) mit entspre- chend 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 Was- sers sind oder als Schwebestoffe problemlos ausgefiltert werden können. Mit- tels der durch die Kavitation erzeugten und anschließend kollabierenden Dampfblasen freigesetzten Energie und dem freigesetzten Sauerstoff wird eine Radikalbildung, (Hydroxylradikale) angeregt, mit der auch chemische In- haltsstoffe des Wassers in andere unschädliche bzw. unschädlichere chemi- sche Verbindungen bzw. chemische Elemente zerlegt (oxidiert) oder umge- wandelt (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 Strö- mungsverhältnisse, die bestimmte Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers und Druckverhältnisse bzw. -Veränderungen ausnutzen. Auch hierbei ist die bisher erreichte Energieeffizienz noch zu gering und es besteht Verbesse- rungsbedarf.

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 Was- ser anzugeben, mit denen die Energieeffizienz verbessert und/oder der Reini- gungs- (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 verunreinig- tes 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 eingehal- ten als im zweiten Volumenbereich und der Innendurchmesser des dritten Vo- lumenbereichs ist wieder größer als der Innendurchmesser des zweiten Volu- menbereichs. Die Konturen der verschiedenen Volumenbereiche können durch Berechnungen unter Berücksichtigung von Druck, Strömungsgeschwin- digkeit sowie dem gewünschten, insbesondere maximalen Volumenstrom bei höherem Arbeitsdruck als dem anliegenden Zuleitungsdruck optimiert wer- den. Die Geometrie im Inneren der Vorrichtung mit den drei Volumenberei- chen 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 mindes- tens 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 verwir- belt, 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 Volumenbe- reichen und die Abstände der Innenwand von der hohlzylindrischen Abfüh- rung (3) kann vorteilhaft entsprechend mehrfacher Polynome 3. und 5. Gra- des (X ₁ , X ₂ , X ₃ , X ₄ ) und der zugehörigen Koordinatentransformation (Yi) ausge- bildet und eingehalten sein.

Dabei sollte eine Konturkurvenschar entlang der Innenwand des Kavitationsraums als eine Aneinanderreihung der Kurvenstücke mit und diese wiederum für 1 <= i <= 4 jeweils durch ein Polynom 5. Ord- nung der Form 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 Strömungsgeschwindig- keit 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 vorteil- haft 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. Spaltbrei- ten 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 mittle- ren Längsachse des Kavitationsraums ausgerichtet sein, um ein günstiges tan- gentiales 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 ei- nen 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 an- gereicherte Wasser günstige Strömungsverhältnisse mit einer kurz nach dem Einströmen in die hohlzylindrische Abführung laminare Strömung zu ermögli- chen. Mittels der Lavaldüse können in der hohlzylindrischen Abführung dann für die Kavitation günstige Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverhält- nisse 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, nachfol- gend 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 mechani- sche Wirkung mit höherem Gasanteil in Bezug zum Wasseranteil. Die Zufüh- rung für ein Gas sollte ebenfalls in einem Winkel zwischen 100° und 140°, be- vorzugt 120° in den ersten Volumenbereich münden.

Als Gas kann Luft, Sauerstoff oder CO ₂ 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 Volumen- strömen durch die Mehrzahl an Zuführungen eine weniger turbulente Strö- mung des Wassers entlang der Innenwand der Kavitationskammer bis in den dritten Volumenbereich ermöglicht wird.

Der erste Volumenbereich sollte ein größeres Innenvolumen als der dritte Vo- lumenbereich 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 behandel- tem Wasser sollten vertikal unten an der Vorrichtung angeordnet sein. Für den Durchsatz von verschiedenen Volumenströmen, beispielsweise 0,25 m ³ /h, 0,5 m ³ /h, 2,5m ³ /h, 5m ³ /h, 10m ³ /h oder 20m ³ /h kann die Innenkontur des Kavitationsraums mittels der vorgegebenen Polynome 3. und 5. Ordnung Xi, X ₂ , X ₃ , X ₄ und der zugehörigen Koordinatentransformation Yi einem fest vorgegebenen Einspeisedruck des zu behandelnden Wassers im Bereich 1 MPa bis 1,2 MPA, einem Durchsatz in m ³ /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 ge- schlossenen Kreislauf eingespeist und so gleich im Nachgang zur durchgeführ- ten Aufbereitung wieder genutzt werden. Bei der Einspeisung in einen ge- schlossenen 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, Bakte- rien, Mikroorganismen oder niedrige Pflanzen (Algen) unschädlich gemacht werden. Insbesondere dann, wenn zusätzlich Gas zugeführt wird, können in- folge der höheren erreichbaren mechanischen Energie und der Bildung von Hydroxyl radikalen auch schädliche chemische Verbindungen (z. B. Arsen) auf- gebrochen und in nicht schädliche oder erheblich weniger schädliche chemi- sche Verbindungen oder chemische Elemente umgewandelt werden.

Insbesondere die nachgewiesene Wirksamkeit des Verfahrens in allen Tempe- raturbereichen ermöglicht eine Absenkung der vorgegebenen Betriebstempe- raturen f ü r Tri n kwa sse rsyste m e um mehr als 20°C im Dauerbetrieb. Dadurch entsteht ein enorm hohes Energieeinsparungspotential (Amortisationszeiten < 2,5 Jahre) genauso, wie die äquivalente Reduzierung von CO ₂ -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 organi- schen und anorganischen Substanzen kann wesentlich effizienter als mit her- kömmlichen Aerations-Prozessen und Technologien durchgeführt werden.

Zudem können Hormone und pharmazeutische Rückstände vollständig oxi- diert bzw. desinfiziert werden und teuerste (in der Anschaffung, in der Instal- lation und im Unterhalt) Umkehr Osmose Technologien können vermieden werden.

Stehende Gewässer, die aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen veral- gen oder wegen Sauerstoffmangel umkippen, können in kurzer Zeit renaturi- siert werden.

In allen Tierzuchtbetrieben in denen dem Trinkwasser Antibiotika zugesetzt werden, können die Antibiotikagaben und damit mittel- und langfristige Resis- tenzen oder Anreicherungen im Fleisch von Schlachttieren vermieden werden. Zudem kann in Fischzuchtanlagen durch die permanente Erhöhung des Sauer- stoffgehaltes 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 beson- ders Abluft aus derTierhaltung 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 kön- nen, in dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufbereitetes Wasser für eine Gaswäsche eingesetzt wird. Das mit einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung 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 ver- zichtet werden, und das Wasser für die Behandlung der jeweiligen Abluft spä- testens 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 be- schriebene Merkmale auch unabhängig von der jeweiligen Darstellung in einer Figur oder der Beschreibung eines Beispiels genutzt werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemä- ßen Vorrichtung mit einem Teilschnitt;

Figur 2 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 4 eine Innenkontur eines Kavitationsraums mit rotationssymmetrischer Konturkurve K(z);

Figur 5 eine Konturkurve mit zugehörigen Vorgabepunkten P00-P01 und

Figur 6 eine Konturkurve nach Figur 5 mit einem Bereich um diese Kurve, der erfindungsgemäß berücksichtigt werden kann.

In Figur 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der ein Kavitationsraum 1 in einem Gehäuse 6 angeordnet ist. Auf ein zusätzli- ches Gehäuse 6 kann man verzichten, wenn der Kavitationsraum 1 mit ent- sprechenden 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 tangen- tialer Strömungsrichtung senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse der Ka- vitationsraumes 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 In- nenwand. 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 gesam- ten 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 Eintrittsöff- nungen 4 sind an der hohlzylindrischen Abführung 3 innerhalb des dritten Vo- lumenbereichs 1.3 angeordnet. Die hohlzylindrische Abführung 3 wird ausge- hend von dem dritten Volumenbereich 1.3 durch den gesamten Kavitations- raum 1 bis an die Außenwand des Gehäuses 6 entlang der mittleren Längs- achse des Kavitationsraums 1 bis zu einem Anschluss 5 geführt. An den An- schluss 5 kann eine hier nicht gezeigte Leitung 5.1 angeschlossen werden, über die aufbereitetes Wasser zum Verbraucher oder zu einer weiteren Auf- bereitung, wie z.B. eine Filterung weiter geleitet werden kann.

Die Eintrittsöffnungen 4 sind dabei in einem Abstand zur Innenwand im Inne- ren 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 In- nendurchmesser aufweist. Ausgehend von dieser Ebene mit dem kleinsten In- nendurchmesser in Richtung des dritten Volumenbereichs vergrößert sich die Spaltbreite wiederum konisch. Die lichte Weite des Ringspaltes sollte so bemessen sein, dass an diesem Be- reich 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 ent- sprechenden Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes gemäß der Kontinuitäts- und der Bernoulli-Gleichungen mit der kontinuierli- chen Verringerung und anschließenden wieder Vergrößerung des Innendurch- messers in der hohlzylindrischen Abführung 3 führt.

Der Einsatz der Lavaldüse 7 wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn zusätz- lich ein Gas über einen Gaseinlass 8 am Gehäuse 6 bis zu einem hier stirnseiti- gen Eintritt (analog Wassereintritt 2) in das Innere des ersten Volumenbe- reichs 1.1 einströmt, im Strömungswirbel mit dem Wasser im ersten Volu- menbereich 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 ge- meinsam mit dem Wasser durch die Lavaldüse 7 und durch die hohlzylindri- sche Abführung 3 bis zur Abführung des so aufbereiteten Wassers und es wird eine zusätzliche kavitationsbedingte Wasseraufbereitung mit dem Gas- Was- ser-Gemisch erreicht.

Wie man Figur 1 außerdem entnehmen kann, ist der Anschluss 5 für die Ab- führung 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 C0 ₂ zu- geführt, kann die kavitationsbedingt erreichbare Wirkung bei der Wasserauf- bereitung noch gesteigert werden.

Mit der in Figur 2 gezeigten Schnittdarstellung kann man die Gestaltung des rotationssymmetrischen Kavitationsraums 1 mit der darin angeordneten hohl- zylindrischen Abführung 3 noch besser erkennen. Dabei weist der erste Volu- menbereich 1.1 einen maximalen Innendurchmesser von 180 mm auf, der in Richtung des Anschlusses 5 kugelförmig ausgebildet ist. In die dazu entgegen- gesetzte 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 In- nenwand 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, vor- handen.

Die hohlzylindrische Abführung 3 hat einen auf die Viskosität des Arbeitsmedi- ums 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 m ³ /h mit einem Eintrittsdruck im Bereich von ca. 10 bar bis 12 bar einführen und aufbereiten.

Geringere oder größere Volumenströme an aufzubereitendem Wasser kön- nen in baugleichen Vorrichtungen mit demselben Konturverlauf der drei Volu- menbereiche 1.1, 1.2, 1.3 sowie der Lavaldüse 7 und den gleichen Abstands- verhältnissen behandelt werden. Vorrichtungen zur Aufbereitung von Wasser können in verschiedenen Größen mit Innenvolumina der drei Volumenberei- che 1.1, 1.2 und 1.3 mit 0,25 m ³ , 0,5 m ³ , 2,5 m ³ , 5 m ³ , 10 m ³ oder 20 m ³ und ggf. weiteren Staffelungen je nach Projekt und Kundenanforderung eingesetzt werden. Dabei erfolgt mit der gezielten Beeinflussung der Wasserströmung in geeigne- ten 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 klei- ner Teil des Wassers ebenfalls kavitiert wird). Alle Baugruppen können so be- rechnet oder ausgelegt werden, dass bei unterschiedlichen Volumenströmen immer die annähernd gleichen Druckverhältnisse und Strömungsgeschwindig- keiten, wie in o.a. Beispiel aufgezeigt, eingehalten werden können.

Die Darstellung in Figur 3 zeigt nochmals im Schnitt den prinzipiellen Aufbau eines Kavitationsraums 1 mit darin angeordneten hohlzylindrischen Abfüh- rung 3.

In Figur 4 ist beispielhaft eine rotationssymmetrische Innenkontur eines Kavi- tationsraums mit Konturkurven-Stützpunkten P10 - P40 dargestellt (End- punkte 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 Kur- venschar ist also auf z40 normiert.

Die Kurvenschar sollte dabei folgende Bedingungen erfüllen:

Die Punkte P10, P20, P30 und P40 entsprechen den Minima/Maxima des Kur- venverlaufes. Für diese gelten folgende Nebenbedingungen: rlO < z40 --> Größte Ausdehnung der Kurve in z-Richtung rlO > r30 > r40 > r20 -> Verjüngung mit steigendem z und schmälste Stelle bei P20 - r20 > d/2 d -Außendurchmesser der Zuführung 8 bzw. Durchmesser der Innen- geometrie an Stelle z20

Die Punkte P10 bis P40 haben für die Originalkontur folgende Werte: o P10 = (0,268248175 0,291970803) o P20 = (0,770072993 0,063868613) o P30 = (0,954379562 0,169708029) o P40 = (1 0,114963504) o Der Punkt POO liegt auf der Rotationsachse und wird von der

Konturkurve aufgrund des Innenteils nicht erreicht

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

Kurvenbereich 1 o 0 <= xl <= 1 zwischen 0 <= z <= zlO o 0 <= rl <= 1 zwischen rOO <= r <= rlO Kurvenbereich 2 o 0 <= x2 <= 1 zwischen 0 <= z <= z20 o 0 <= r2 <= 1 zwischen rlO <= r <= r20 Kurvenbereich 3 o 0 <= x3 <= 1 zwischen 0 <= z <= z30 o 0 <= r3 <= 1 zwischen r20 <= r <= r30 Kurvenbereich 4 o 0 <= x4 <= 1 zwischen 0 <= z <= z40 o 0 <= r4 <= 1 zwischen r30 <= r <= r40

Die lokalen Variablen laufen jeweils von 0 bis 1.

Die Konturkurvenschar K ist als die Aneinanderreihung der Kur- venstücke 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 definiert.

Die zugehörigen Koeffizienten sind für diese Kurvenform folgendermaßen de- finiert: Tabelle 1 Koeffizientenmatrix der lokalen Kurvenpolynome, Ziffern der zwei- ten Zeile bedeuten weitere Nachkommawerte zur ersten Zeile.

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

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