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A. Stockinger:
"Entwicklung einer fahrradbetriebenen Hochdruckpumpe zur Meerwasserentsalzung";
Supervisor: M. Gföhler, M. Harasek; E307, 2020; final examination: 2020-09-30.

There is no adequate drinking water supply in many areas of the world. Because many of those areas are close to the coast, it makes sense to treat the existing saltwater or fallow water and make it accessible to people. At the same time, access to electricity is also limited in those regions, which makes drinking water treatment even more difficult.
Therefore, within the scope of this thesis, a high-pressure pump for a reverse osmosis system had to be designed, which increases the pressure of the sucked in salt water to approximately 55 bar and reaches a volume flow of 100 l/h in order to enable a drinking water flow of 10 l/h through reverse osmosis. It should be powered mechanically, by pure leg strength via pedals of a still fully functional bicycle. Furthermore, the aim was to achieve a construction that was as light and compact as possible and to develop an energy recovery system to reduce the effort of the cyclist.
The high-pressure pump was designed as a diaphragm pump in order to run the mechanical components in hydraulic fluid and protect it from saltwater. In order not to contaminate the drinking water with hydraulic oil in the event of membrane rupture, PEG 400 was used as hydraulic fluid. The pump was constructed like a V-180° engine with four pistons, were a main piston and a recovery piston is facing each other. In order to minimize the number of components and to enable a smaller size of the pump, the normally used crank drive was replaced by a slotted lever system. The diaphragm piston pump is driven by the rear hub of the bicycle. The weight of the diaphragm piston pump has been largely minimized, for example through the use of aluminium components, which reduces the ballast for the cyclist during driving. In addition, the diaphragm piston pump has a compact design, which makes it possible to mount it on a luggage rack of a bicycle.
A simplified, two-piston prototype of the pump was tested for the use in brackish water reverse osmosis. Average volume flows of 26 to 55 l/h at speeds of 50 to 80 rpm were conveyed against average pressures of 1.5 - 7 bar. The use of the diaphragm piston pump for purely mechanical, bicycle-operated seawater desalination could therefore be demonstrated. The main pistons build up the required pressure quickly and deliver approximately 85 % of the designed volume flow. The pressure recovery system showed constructive and manufacturing-related optimization measures that still hat to be carried out, since the functionality could not be determined in the expected way with the implemented design. Alternatively, a construction with an axial piston pump and a pressure exchanger is possible, for example

In vielen Gebieten der Erde besteht keine ausreichende Trinkwasserversorgung. Viele dieser Gebiete liegen in Küstennähe, wodurch es nahe liegt das vorhandene Salz- bzw. Brackwasser entsprechend aufzubereiten und den Menschen zugänglich zu machen. Gleichzeitig ist der Zugang zu Elektrizität in genau diesen Regionen ebenfalls beschränkt, wodurch eine Trinkwasseraufbereitung nochmals erschwert wird.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit war daher eine Hochdruckpumpe für eine Umkehrosmoseanlage zu entwickeln, die den Druck des angesaugten Salzwassers auf ca. 55 bar erhöht und einen Volumenstrom von 100 l/h erzeugt, um eine Trinkwassergewinnung von 10 l/h durch Umkehrosmose zu ermöglichen. Dabei sollte sie mechanisch, mithilfe reiner Beinkraft, über Pedale eines weiterhin fahrtüchtigen Fahrrads angetrieben werden. Weiters war eine möglichst leichte und kompakte Bauweise anzustreben und eine Energierückgewinnung zur Reduzierung des Leistungsaufwandes des Fahrradfahrers zu entwickeln.
Die entwickelte Hochdruckpumpe wurde als Membrankolbenpumpe ausgeführt, um die mechanischen Komponenten in Hydraulikfluid laufen lassen zu können und sie somit vor Salzwasser zu schützen. Um bei einem Riss der Membran das Trinkwasser nicht gesundheitsschädlich mit Hydrauliköl zu verunreinigen, wurde als Hydraulikfluid PEG400 verwendet. Die Pumpe wurde wie ein V-180°-Motor mit vier Kolben aufgebaut, wobei jeweils ein Hauptkolben und ein Rückgewinnungskolben gegenüberliegen. Um die Anzahl der Bauteile zu minimieren und eine kleinere Baugröße der Pumpe zu ermöglichen wurde der normalerweise übliche Kurbeltrieb durch eine Kulisse ersetzt. Der Antrieb der Membrankolbenpumpe erfolgt über die Hinterradnarbe des Fahrrads. Das Gewicht der Membrankolbenpumpe wurde weitgehend minimiert, z.B. durch den Einsatz von Aluminiumbauteilen, wodurch der Ballast für den Fahrradfahrer bei Fahrbetrieb verringert ist. Außerdem weist die Membrankolbenpumpe eine kompakte Bauweise auf, die es ermöglicht sie am Gepäckträger des Fahrrads zu montieren.
Mit einem vereinfachten, zweikolbigen Prototyp der Pumpe wurden Tests entsprechend der Verwendung bei Brackwasser-Umkehrosmose durchgeführt. Dabei wurden mittlere Volumenströme von 26 bis 55 l/h bei Drehzahlen von 50 bis 80 U/min gegen mittlere Drücke von 1,5 - 7 bar gefördert. Womit eine Verwendung der Membrankolbenpumpe zur rein mechanischen, fahrradbetriebenen Meerwasserentsalzung gezeigt werden konnte. Die Hauptkolben bauen den gewünschten Druck schnell auf und fördern durchschnittlich ca. 85% des ausgelegten Volumenstroms. Das System der Druckrückgewinnung zeigte konstruktiv wie fertigungstechnisch noch auszuführende Optimierungsmaßnahmen auf, da die Funktionalität nicht in der erwartenden Weise mit dem umgesetzten Design ermittelt werden konnte.
Alternativ wäre z.B. ein Aufbau mit einer Axialkolbenpumpe und einem Druckaustauscher möglich.

Entsalzung, Fahrrad

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_295019.pdf