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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für
einen Abwasserkanal zur Rückgewinnung von Wärmeenergie
aus Abwasser mit wenigstens einem Wärmetauscher und wenigstens
einer Aufstauvorrichtung sowie einen Abwasserkanal mit einer entsprechenden
Anordnung.
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Sowohl
industrielle als auch häusliche Abwässer weisen
in der Regel eine durchaus beachtliche Wärmeenergie auf.
Um diese Energie an anderer Stelle weiter nutzen zu können,
ist es seit längerem Stand der Technik, Abwasserkanäle
mit einem Wärmetauscher auszustatten.
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So
beschreibt beispielsweise die
DE 10 2005 048 689 B3 ein Wärmetauscherelement
zum insbesondere nachträglichen Einbau in Abwasserrohrleitungen,
dessen Oberseite eine wärmeleitende Tauschfläche
mit daran angeordneten Wärmetauscherkammern aufweist. Der
Querschnitt der Oberseite bildet hierbei eine Einlaufrinne mit beidseitig
daran anschließenden, zur Einlaufrinne hin schräg
abfallenden, Ablaufflächen. Im Bereich zwischen der Einlaufrinne
und den Ablaufflächen sind des Weiteren Leitungen zum Vorlauf,
Rücklauf und zur Verteilung eines Wärmeträgermediums
angeordnet. Der Sohlpunkt der Einlaufrinne ist dabei derart angeordnet,
dass er als Auflager des Wärmtauscherelements in der Abwasserrohrleitung
dient, wodurch der Übergang zwischen der Kanalwandung und
der Einlaufrinne möglichst eben ausgestaltet ist. Hierdurch
soll verhindert werden, dass sich Abwasser durch das Vorhandensein
des Wärmetauscherelements in der Abwasserrohrleitung aufstaut.
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Die
DE 20 2004 005 768
U1 schlägt darüber hinaus einen Kanal
vor, der zur konventionellen Leitung von Wasser bzw. Abwasser bestimmt
ist und im Gerinne eine Wärmetauschereinrichtung zur Rückgewinnung
der im Wasser gespeicherten Wärmeenergie aufweist. Um zu
verhindern, dass der Kanal durch den Einbau des Wärmetauschers
hydraulisch eingeengt wird, wird vorgeschlagen, dass der Kanal nach
seiner bestimmungsgemäßen Herstellung zusätzlich
zumindest eine zum Wasser bzw. Abwasser hin offene Montageaussparung
in der Wandung des Gerinnes zur Aufnahme der Wärmetauschereinrichtung
aufweist, die nach Aufnahme der Wärmetauschereinrichtung
wieder beseitigt ist.
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Die
jeweiligen aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen weisen
jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass eine befriedigende Wärmerückgewinnung
nur bei einer relativ gleichmäßigen Abwasserströmung
bzw. bei Vorhandensein einer ausreichenden Abwassermenge zu erzielen
ist. Ist die Abwassermenge im Bereich des Wärmetauschers
jedoch zu gering oder ist diese starken zeitlichen Schwankungen
unterworfen, so kommt es zu einem signifikanten Abfall des Wirkungsgrads
derartiger Wärmetauscheranordnungen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscheranordnung,
einen damit ausgestatteten Abwasserkanal, sowie ein Verfahren vorzuschlagen,
die eine möglichst effiziente Wärmerückgewinnung
aus Abwässern ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
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Grundsätzlich
weist die Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie
aus Abwasser wenigstens einen Wärmetauscher und eine Aufstauvorrichtung
auf. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass
die Aufstauvorrichtung in Fließrichtung des Abwassers innerhalb
des Abwasserkanals im Bereich des Wärmetauschers, insbesondere
nach dem Wärmetauscher, angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung
wird die Möglichkeit eröffnet, den Wirkungsgrad
des Wärmetauschers auf einfache und effiziente Weise signifikant
zu erhöhen. Während nämlich das Abwasser
in herkömmlichen gattungsgemäßen Anordnungen
bedingt durch die oftmals relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit
nur relativ kurz mit dem Wärmetauscher in Berührung
kommt, ist durch das Aufstauen des Abwassers im Bereich des Wärmetauschers
eine nahezu beliebig lange Kontaktzeit zwischen Abwasser und Wärmetauscher
realisierbar. Gerade bei geringen Abwassermengen ist dies entscheidend,
um dem Abwasser eine befriedigende Gesamtwärmemenge entziehen
zu können. Ebenso ergibt sich durch die erfindungsgemäße
Anordnung eine einfache und dennoch effiziente Möglichkeit, dem
Abwasser auch dann kontinuierlich Wärme zu entziehen, wenn
die Abwassermenge an sich starken zeitlichen Schwankungen unterworfen
ist. Auch kann die Aufstauvorrichtung besonders vorteilhart in Bereichen
des Abwasserkanals angeordnet werden, die ein Gefälle aufweisen,
um auch hier bei ansonsten hohen Strömungsgeschwindigkeiten
die Kontaktzeit zwischen Wärmetauscher und Abwasser gezielt
zu steigern.
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Während
auch bereits durch unbewegliche Aufstauvorrichtungen, beispielsweise
in Form von Stauwänden, eine Erhöhung der Wärmeausbeute
erzielt werden kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Aufstauvorrichtung
von einer geöffneten Stellung in eine, wenigstens teilweise,
geschlossene Stellung bringbar ist und umgekehrt. Hierdurch ist
es in einfacher Weise möglich, die jeweiligen Strömungs-
und Temperaturverhältnisse des Abwassers zu berücksichtigen.
So ist es beispielsweise bei einem entsprechend hohen Volumenstrom
des Abwassers nicht unbedingt notwendig, das Abwasser aufzustauen,
da ständig neues warmes Abwasser nachfließt. Im
Falle einer Verringerung des Abwasserstroms kann die Aufstauvorrichtung
jedoch jederzeit von der geöffneten in die geschlossene,
bzw. wenigstens teilweise geschlossene, Stellung gebracht werden,
um die genannte Kontaktzeit zu erhöhen. Die Stellung der
Aufstauvorrichtung wird dabei vorteilhafterweise derart ge wählt,
dass die Abwassermenge, welche die Aufstauvorrichtung passiert,
geringer ist, als die entsprechend zufließende Abwassermenge,
so dass es stets zu einem wenigstens teilweisen Anstauen des Abwassers
im Bereich des Wärmetauschers kommt. Somit wird eine besonders
variable Vorrichtung vorgeschlagen.
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In
diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn die Aufstauvorrichtung
eine Stauklappe umfasst. Eine derartige über einen Schwenkmechanismus
gelagerte Vorrichtung ist unanfällig gegenüber
vom Abwasser mitgeführten Verunreinigungen und gewährleistet
dennoch ein zuverlässiges Aufstauen des Abwassers. Die
Stauklappe ist dabei in geschlossener Stellung vorteilhafterweise bezüglich
der Abwasserkanalwandung, beispielsweise mittel einer Gummilippe,
abgedichtet. Jedoch kann bei entsprechender Abwassermenge auch ein ausreichendes
Aufstauen erzielt werden, wenn eine derartige Abdichtung nicht vorhanden
ist, bzw. wenn die Stauklappe nur teilweise in ihre geschlossene Stellung
gebracht wird. Die Stauklappe ist zweckmäßigerweise
mit einem Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor, verbunden,
der ein Öffnen bzw. Schließen der Klappe bewirkt.
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Vorteilhaft
ist zudem, wenn die Stauklappe bezüglich einer Drehachse
gelagert ist, die außerhalb des Schwerpunkts der Stauklappe
angeordnet ist. Ist die Drehachse in eingebautem Zustand beispielsweise
unterhalb des Schwerpunkts angeordnet, so nimmt die Stauklappe in
Ruhestellung stets ihre geöffnete Stellung ein. Somit muss
der zugehörige Antrieb, der in diesem Fall mit einer entsprechenden
Kupplung ausgestattet ist, nur zum Schließen der Stauklappe
betätigt werden. Umgekehrt verhält es sich, wenn
die Drehachse oberhalb des Schwerpunkts angeordnet ist. Eine besonders
vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich in diesem Zusammenhang,
wenn der Bereich oberhalb des Schwerpunkts trotz geringerer Masse
eine größere Angriffsfläche für
das aufgestaute Abwasser aufweist, als der entsprechend unterhalb
des Schwerpunkts liegende Bereich. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass der untere Bereich der Stauklappe mit einem Gewicht
versehen ist, der den Masseschwerpunkt nach unten verlagert. Die
Stauklappe ist in diesem Fall in Ruhestellung stets geschlossen.
Mit zunehmendem Abwasserspiegel steigt schließlich auch der
Staudruck, der auf die Stauklappe wirkt. Da jedoch der Bereich der
Stauklappe, der sich oberhalb der Drehachse der Stauklappe befindet,
größer ist, als der entsprechend unterhalb der
Drehachse liegende Bereich, bewirkt ein gewisser Abwasserspiegel
ein selbstständiges Öffnen der Stauklappe. Sinkt der
Abwasserspiegel nun in Folge des Abfließens des Abwassers
wieder ab, so bewirkt der unterhalb der Drehachse liegende Masseschwerpunkt
ein erneutes Schließen der Aufstauvorrichtung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Aufstauvorrichtung
umfasst diese einen Stauschieber. Dieser kann vorteilhafterweise
in einer flüssigkeitsabdichtenden Führung gelagert
sein. Zum Öffnen bzw. Schließen des Schiebers
ist dieser zweckmäßigerweise mit einer Antriebseinheit
verbunden, die beispielsweise ein Kurbel- oder Zahnstangengetriebe
umfasst.
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Eine
weitere vorteilhafte und in Abhängigkeit des Abwasserspiegels
selbsttätig öffnende bzw. schließende
Aufstauvorrichtung ergibt sich, wenn der Aufstauvorrichtung wenigstens
ein Schwimmkörper zugeordnet ist. Die genannten Aufstauvorrichtungen sind
dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass
sie bis zu einem gewissen Abwasserspiegel ihre geschlossene Stellung
einnehmen. Steigt das Abwasser auf eine bestimmte Höhe
an, erfolgt durch die Anordnung des Schwimmerkörpers ein
automatisches Öffnen der Aufstauvorrichtung. Hierdurch
ist gewährleistet, dass immer eine ausreichende Wassermenge
im Bereich des Wärmetauschers angestaut ist. Auf eine separate
Antriebsvorrichtung zur Betätigung der genannten Aufstauvorrichtungen kann
in diesem Fall verzichtet werden.
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Ebenso
kann es jedoch von Vorteil sein, wenn der Aufstauvorrichtung eine
Antriebseinheit, insbesondere ein Elektromotor zugeordnet ist, wobei die
Antriebseinheit vorteilhafterweise durch eine separat angeordnete
Steuereinheit steuerbar ist. Durch das gezielte Ansteuern der Antriebseinheit
kann schließlich unabhängig vom jeweiligen Abwasserstand
ein Öffnen bzw. Schließen der Aufstauvorrichtung
bewirkt werden. Zudem ergibt sich durch die Verwendung eines separaten
Antriebs die Möglichkeit, die Aufstauvorrichtung schlagartig
zu öffnen. Dies hat den entscheidenden Vorteil gegenüber selbsttätig
und in der Regel langsam öffnenden Aufstauvorrichtungen,
dass Ablagerungen, die sich während des Aufstauzeitraumes
im Bereich der Anordnung absetzen, vom Abwasser durch die schnell
einsetzende Abwasserströmung nach dem Öffnen der Aufstauvorrichtung
mitgerissen werden.
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Vorteile
bringt es ebenso mit sich, wenn die Aufstauvorrichtung wenigstens
einen Sensor zur Ermittlung des Wasserstandes und/oder der Abwassertemperatur
im Bereich vor und/oder nach der Aufstauvorrichtung aufweist Hierdurch
ist eine automatische Ansteuerung der Aufstauvorrichtung in Abhängigkeit
der ermittelten Messwerte möglich. Die Anordnung ist somit
auch ohne externe Eingriffe zu betreiben und gewährleistet
zudem eine maximale Wärmeausbeute.
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Vorteilhafterweise
ist der Sensor ein Ultraschallsensor. Dieser hat den entscheidenden
Vorteil, dass er beispielsweise an der Deckenwandung des Abwasserkanals
angebracht werden kann, da er eine berührungslose Messung
ermöglicht und somit nicht direkt mit dem Abwasser in Kontakt
gebracht werden muss. Eine Beeinflussung der Messwerte durch im Abwasser
mitgeführte Verunreinigungen ist daher grundsätzlich
ausgeschlossen. Selbstverständlich können im Bereich
der erfindungsgemäßen Anordnung auch mehrere Sensoren
angeordnet sein, um genauere Aussagen bezüglich des Wasserspiegels bzw.
der Abwassertemperatur vor und/oder nach der Aufstauvorrichtung
zu erhalten.
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Darüber
hinaus ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Stauklappe und/oder der
Stauschieber, insbesondere im Bereich des Abwasserkanalbodens, wenigstens
eine Öffnung aufweist. Hierdurch wird gewährleistet,
dass die gesamte Anordnung auch bei geschlossener Aufstauvorrichtung
stets von einer gewissen Abwassermenge durchströmt wird.
Einem Absetzen von Sand und anderen Sinkstoffen wird auf diese Weise
wirkungsvoll entgegengewirkt.
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Weist
die Öffnung zudem einen beweglichen Verschließmechanismus
auf, so kann der Volumenstrom, der die Öffnung passiert,
auf einfache Weise angepasst werden. Durch vollständiges
Schließen der Öffnung ist schließlich
auch ein Aufstauen der gesamten Abwassermenge möglich,
beispielsweise für den Fall, dass insgesamt nur wenig Abwasser
durch den Abwasserkanal fließt.
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Des
Weiteren wird ein Abwasserkanal vorgeschlagen, der eine Anordnung
zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abwasser
gemäß den vorangegangenen Ausführungen
aufweist.
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Für
eine zusätzliche Steigerung der Wärmeausbeute
kann es hierbei durchaus von Vorteil sein, wenn innerhalb des Abwasserkanals
mehrere der genannten Anordnungen in Reihe angeordnet sind, da hierdurch
der Gesamtbetrag der dem Abwasser entzogenen Wärmeenergie
weiter gesteigert werden kann. Dabei ist es zweckmäßig,
die nacheinander angeordneten Wärmetauscher mit jeweils
einem eigenen Wärmeträgerkreislauf zu verbinden.
Hierdurch ist es möglich, dem Abwasser beim Passieren jedes der
Wärmetauscher einen gewissen Wärmebetrag zu entziehen,
wobei sich das Abwasser schrittweise bis zu einer bestimmten Endtemperatur
abkühlt. Natürlich ist es auch möglich,
die einzelnen Wärmetauscher mit einem gemeinsamen Wärmeträgerkreislauf zu
verbinden. Da die Differenz zwischen Abwassertemperatur und der
Temperatur des Wärmeträgermediums in Fließrichtung
abnimmt, wird der Wärmeübergang und damit die
dem Abwasser entzogene Wärmeenergie hierbei jedoch geringer
ausfallen. Deshalb bietet es sich in einem derartigen Fall an, dass
das Wärmeträgermedium entgegen der Fließrichtung
des Abwassers durch die einzelnen Wärmetauscher strömt,
um die Temperaturdifferenz zwischen Abwasser und dem Wärmeträgermedium
in nerhalb der jeweiligen Wärmetauscher möglichst konstant
zu halten. Um Gefälle innerhalb des Abwasserkanals zu überbrücken,
ist es in diesem Zusammenhang auch durchaus vorteilhaft, wenn die
einzelnen Anordnungen, bestehend aus Wärmetauschern und
Aufstauvorrichtungen, innerhalb des Abwasserkanals kaskadenförmig
angeordnet sind. Wird in diesem Fall eine der Aufstauvorrichtungen
geöffnet, strömt das Abwasser automatisch bis
zur nächsten, tiefergelegenen Aufstauvorrichtung und kommt
mit dem entsprechend nachfolgenden Wärmetauscher in Kontakt.
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Die
Erfindung sieht des Weiteren ein Verfahren zur Rückgewinnung
von Wärmeenergie aus Abwasser in einem Abwasserkanal mit
wenigstens einem Wärmetauscher und wenigstens einer Aufstauvorrichtung
vor, bei dem das Abwasser durch den Wechsel zwischen einer geöffneten
Stellung und einer, ganz oder wenigstens teilweise geschlossenen Stellung
der Aufstauvorrichtung im Bereich des Wärmetauschers aufgestaut
wird.
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Während
die Aufstauvorrichtung gemäß den vorherigen Ausführungen
derart ausgebildet sein kann, dass sie in Abhängigkeit
des Abwasserspiegels vor der Aufstauvorrichtung selbsttätig öffnet
und schließt, kann es auch von Vorteil sein, wenn der Wechsel
zwischen entsprechend geöffneter und wenigstens teilweise
geschlossener Stellung durch eine Antriebseinheit erfolgt, die insbesondere
mit einer Steuereinheit verbunden ist. Hierdurch lässt
sich die Stellung der Aufstauvorrichtung gezielt regulieren, wodurch
auf die jeweiligen Bedingungen innerhalb des Abwasserkanals schnell
und gezielt reagiert werden kann. So kann es zum Beispiel durchaus
sinnvoll sein, die Aufstauvorrichtung im Falle eines hohen Abwasserspiegels
innerhalb des Abwasserkanals, beispielsweise bedingt durch starken
Regen, vollständig zu öffnen, um ein schnelles
Abfließen des Abwassers zu gewährleisten.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Wechsel zwischen geöffneter
und wenigstens teilweise geschlossener Stellung in Abhängigkeit
des Abwasserstandes und/oder der Strömungsgeschwindigkeit
des Abwassers im Bereich des Wärmetauschers erfolgt. Beide
Größen sind ein Indiz für den Abwasservolumenstrom
innerhalb des Abwasserkanals und können durch dem Fachmann
bekannte Sensoren auf einfache Weise ermittelt werden. Nimmt die
Abwassermenge innerhalb des Abwasserkanals zu, so bedeutet dies
bei gleichbleibender Abwassertemperatur auch eine Zunahme der dem
Wasser entziehbaren Wärmeenergie. Somit ist in einem derartigen
Fall ein Aufstauen des Abwassers im Bereich des Wärmetauschers
nicht unbedingt notwendig, da ständig warmes Abwasser nachfließt
und dieses im Bereich des Wärmetauschers bedingt durch
seine hohe gespeicherte Wärmeenergie beim Passieren des
Wärmetauschers nur geringfügig abgekühlt
wird. Sinkt hingegen der Abwasserstand bzw. die Strömungsgeschwindigkeit
des Abwassers, so kühlt sich dieses beim Passieren des
Wärmetauschers auch schneller ab. Da der Wärmeübergang
und damit auch die nutzbare Wärmeenergie jedoch direkt
von der Differenz zwischen Abwassertemperatur und der Temperatur des
Wärmeträgermediums innerhalb des Wärmetauschers
abhängt, ist es in diesem Fall zweckmäßig, das
Abwasser im Bereich des Wärmetauschers aufzustauen. Hierdurch
kann die Kontaktzeit zwischen Abwasser und Wärmetauscher
beliebig erhöht werden, so dass dem Abwasser auch bei einem
sinkenden Wärmeübergang eine befriedigende Wärmemenge
entzogen werden kann.
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Hierbei
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wechsel zwischen geöffneter
Stellung und wenigstens teilweise geschlossener Stellung intervallartig, insbesondere
nach definierten Zeitintervallen, erfolgt. Auf diese Weise kann
auf zusätzliche Sensoren und eine damit verbundene Steuereinheit
verzichtet werden. Eine derartige Anordnung ist besonders dann empfehlenswert,
wenn die Abwassermenge bzw. -temperatur größtenteils
konstant ist. Die Zeitintervalle werden dabei auf die genannten
Größen eingestellt, wobei diese selbstverständlich
auch in Abhängigkeit der Tageszeit unterschiedlich gewählt
werden können. So wäre es beispielsweise von Vorteil,
die Aufstauvorrichtung immer dann zu schließen, wenn mit
einem erhöhten Wärmebedarf seitens der entsprechenden
Abnehmer gerechnet werden muss. Ist der Wärme tauscher zum
Beispiel mit einer Heizungsanlage verbunden, so bietet sich ein
Aufstauen des Abwassers vor dem eigentlichen Einschalten der Heizung
am Morgen an. Ebenso ist es möglich, das Abwasser in den
Zeiträumen aufzustauen, in denen generell ein erhöhter
Anteil an warmem Abwasser anfällt. Ist der Abwasserkanal
beispielsweise an öffentliche Haushalte angeschlossen,
so wäre ein Schließen der Aufstauvorrichtung in
den Morgen- bzw. Abendstunden sinnvoll, da hier üblicherweise besonders
warmes Abwasser aus Dusch- und/oder Badewannenabläufen
anfällt. Der Wärmetauscher kann in einem derartigen
Fall selbstverständlich auch mit einem Wärmespeicher,
beispielsweise einem Warmwasser-Schichtspeicher, verbunden sein.
Auf diese Weise kann dem Abwasser auch zu Zeitpunkten Wärme
entzogen werden, zu denen kein unmittelbarer Wärmebedarf
seitens der angeschlossenen Verbraucher besteht, so dass eine möglichst
hohe Gesamtwärmeausbeute zu erzielen ist.
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Auch
bringt es erhebliche Vorteile mit sich, wenn der Wechsel zwischen
geöffneter Stellung und wenigstens teilweise geschlossener
Stellung in Abhängigkeit der Abwassertemperatur im Bereich
des Wärmetauschers und/oder der Temperatur des den Wärmetauscher
durchströmenden Wärmeträgermediums erfolgt.
Da der Betrag der dem Abwasser entzogenen Wärmeenergie
direkt von den genannten Temperaturen bzw. den entsprechenden Temperaturunterschieden
zwischen Abwasser und Wärmeträgermedium abhängt,
stellt eine von dieser Temperaturdifferenz abhängige Steuerung
der Aufstauvorrichtung die wohl effizienteste Methode dar. Dabei kann
die Steuereinheit derart programmiert sein, dass die Aufstauvorrichtung
bei Erreichen einer vorgegebenen Temperaturdifferenz automatisch öffnet bzw.
schließt. Vorteilhaft wäre zudem die Anordnung mehrerer
Temperatursensoren, insbesondere auch vor der eigentlichen Anordnung.
Durch die ermittelten Messwerte ist ersichtlich, ob sich die Temperatur des
nachströmenden Abwassers verändert, was wiederum
Einfluss auf das bereits aufgestaute Abwasser hätte. Wird
beispielsweise von einem Temperatursensor eine Erhöhung
der Abwassertemperatur in einer frei wählbaren Distanz
vor dem eigentlichen Wär metauscher detektiert, so wäre
ein kurzzeitiges Öffnen der Aufstauvorrichtung empfehlenswert,
um eine Vermischung des ankommenden warmen Abwassers mit dem bereits
abgekühlten Abwasser im Bereich des Wärmetauschers
zu vermeiden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung
von Wärmetauscher und Aufstauvorrichtung innerhalb eines
Abwasserkanals,
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2 eine
weitere Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Anordnung innerhalb eines Abwasserkanals,
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3 eine
Seitenansicht einer kaskadenförmigen Anordnung mehrere
hintereinander angeordneter Wärmetauscher sowie entsprechender
Aufstauvorrichtungen innerhalb eines Abwasserkanals,
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4 eine
Draufsicht einer Anordnung mehrere hintereinander angeordneter Wärmetauscher sowie
entsprechender Aufstauvorrichtungen innerhalb eines Abwasserkanals,
und
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5 eine
Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Abwasserkanals.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung,
bestehend aus einem Wärmetauscher 1 und einer
entsprechenden Aufstauvorrichtung 2 innerhalb eines Abwasserkanals 3. Erfindungsgemäß ist
die Aufstauvorrichtung 2 dabei in mittels Pfeil dargestellter
Fließrichtung des Abwassers 4 nach dem Wärmetauscher 1 angeordnet.
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Der
Wärmetauscher 1 ist wiederum auf herkömmliche
Weise mit wenigstens einer schematisch angedeuteten Vorlaufleitung 5 sowie
einer entsprechenden Rücklaufleitung 6 verbunden,
in denen sich das Wärmeträgermedium befindet.
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Die
Aufstauvorrichtung 2 selbst besteht im gezeigten Beispiel
aus einer Stauklappe 7, die über eine entsprechende
Drehachse 8 beweglich gelagert ist. Die Stauklappe 7 ist
wiederum mit einer Antriebseinheit, beispielsweise einem Elektromotor 9 verbunden,
der ein Öffnen bzw. ein teilweises oder auch vollständiges
Schließen der Stauklappe 7 bewirkt. Um ein ungewolltes
Passieren des Abwassers 4 bei geschlossener Stauklappe 7 zu
verhindern, befindet sich zwischen Stauklappe 7 und Abwasserkanalwandung 13 eine
Abdichtung, im gezeigten Beispiel in Form einer Dichtlippe 10.
Wird die Stauklappe 7 in ihre geschlossene Stellung 11 gebracht,
steigt der Abwasserspiegel im Bereich des Wärmetauschers 1 an.
Hierdurch ist die Kontaktzeit zwischen Abwasser 4 und Wärmetauscher 1 im
Vergleich zu herkömmlichen Wärmetauscheranordnungen
beliebig verlängerbar, resultierend in einer erheblichen
Steigerung des Wirkungsgrads der Anordnung. Die Antriebseinheit
ist wiederum mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden,
die mit entsprechenden Sensoren in Verbindung steht.
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Derartige
Sensoren dienen hauptsächlich der Erfassung relevanter
physikalischer Größen, wie beispielsweise der
Temperatur des Abwassers 4 bzw. des Wärmeträgermediums
innerhalb des Wärmetauschers 1. Wie in 1 gezeigt,
können sowohl der Vorlaufleitung 5 als auch der
Rücklaufleitung 6 des Wärmetauschers 1 Temperatursensoren 12 zugeordnet
sein. Weitere Temperatursensoren 12 können sich
zudem im Bereich der Abwasserkanalwandung 13 befinden und
dienen der Erfassung der eigentlichen Abwassertemperatur.
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Darüber
hinaus liefern auch Wasserstandssensoren, die im Bereich von Wärmetauscher 1 bzw. Aufstauvorrichtung 2 angeordnet
sind, nützliche Messwerte zur Steuerung der Aufstauvorrichtung 2, da
der Wasserstand verlässliche Rückschlüsse
auf die Abwassermenge zulässt, die den Wärmetauscher 1 überströmt.
Zudem ist es durch die Auswertung der entsprechenden Messwerte möglich,
die Aufstauvorrichtung 2 immer dann zu öffnen,
wenn sich das Abwasser 4 bis unter die oberste Kante der Aufstauvorrichtung 2 angesammelt
hat. Um die Beeinflussung der entsprechenden Messwerte durch die
im Abwasser 4 mitgeführten Verunreinigungen zu vermeiden,
ist eine Ermittlung des Wasserstandes mit Hilfe von Ultraschallsensoren 14,
die oberhalb des maximal zu erwartenden Abwasserspiegels angeordnet
sind, vorteilhaft.
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Um
Verunreinigungen, die sich während des Aufstauvorgangs
am Boden vor der Aufstauvorrichtung 2 angesammelt haben,
zuverlässig zu entfernen, bietet es sich zudem an, die
Stauklappe 7 schlagartig zu öffnen, so dass die
Verunreinigungen durch die plötzlich eintretende Abwasserströmung vom
Abwasser 4 mitgerissen werden.
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2 zeigt
eine weitere Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Anordnung innerhalb eines Abwasserkanals 3. Die Drehachse 8 der
Stauklappe 7 ist dabei ebenfalls oberhalb des Schwerpunktes
der Stauklappe 7 angeordnet, so dass die Stauklappe 7 an
sich eine geschlossene Stellung 11 einnimmt. Der Bereich
unterhalb der Drehachse 8 der Stauklappe 7 weist
dabei eine Höhe auf, die größer ist als
der Abstand zwischen Drehachse 8 und Abwasserkanalboden 15.
Hierdurch wird gewährleistet, dass die Stauklappe 7 beginnend
von der geschlossenen Stellung 11 nur im Uhrzeigersinn
und damit im gezeigten Beispiel gegen die Fließrichtung
des Abwassers 4 drehbar ist. Somit bewirkt ein Wasserstand,
wie ihn die durchgezogene Linie zeigt, dass die Stauklappe 7 durch
den Staudruck des Abwassers 4 in ihrer geschlossenen Stellung 11 gehalten
wird.
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Des
Weiteren weist die Stauklappe 7 einen Schwimmkörper 16 auf,
der unterhalb der Drehachse 8 der Stauklappe 7 angeordnet
ist. Steigt der Abwas serspiegel auf einen gewissen Betrag an (gestrichelte
Wasserstandslinie), so bewirkt der Auftrieb des Schwimmkörpers 16 schließlich
eine selbsttätige Drehung der Stauklappe 7 im
Uhrzeigersinn und damit in die geöffnete Stellung 17 der
Stauklappe 7. Nach dem Abfließen einer entsprechenden
Abwassermenge schließt sich die Stauklappe 7 schließlich wieder
selbsttätig. Auf eine separate Antriebsvorrichtung kann
in diesem Fall verzichtet werden.
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3 zeigt
eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles
mit mehreren hintereinander angeordneten Wärmetauschern 1 innerhalb
eines Abwasserkanals 3 sowie verschiede Ausgestaltungen
entsprechender Aufstauvorrichtungen 2. Wie aus Abschnitt
A ersichtlich, kann die erfindungsgemäße Anordnung
auch in vorteilhafter Weise in Abschnitten des Abwasserkanals 3 verbaut
werden, die ein Gefälle aufweisen. In derartigen Abschnitten konnte
bisher mit Hilfe herkömmlicher Wärmetauscheranordnungen
kein befriedigender Wirkungsgrad erzielt werden, da die Kontaktzeit
zwischen Wärmetauscheroberfläche und Abwasser 4 durch
die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers 4 sehr
gering ausfällt. Durch die Hintereinanderschaltung von
Wärmetauscher 1 und Aufstauvorrichtung 2 wird
dieses Problem auf einfache Weise gelöst.
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Um
eine weitere Steigerung der Wärmeausbeute zu erzielen,
kann auch der gesamte Abschnitt, der ein entsprechendes Gesamtgefälle
aufweist, kaskadenförmig unterteilt werden, wobei jeder
Abstufung ein Wärmetauscher 1 und eine entsprechende Aufstauvorrichtung 2 zugeordnet
ist. Selbstverständlich ist eine entsprechende Hintereinanderschaltung mehrerer
Wärmetauscher 1 sowie der zugehörigen Aufstauvorrichtungen
auch in eben verlaufenden Abschnitten des Abwasserkanal 3 möglich
und durchaus sinnvoll.
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Um
dem Abwasser 4 eine maximale Wärmemenge entziehen
zu können, sind die Wärmetauscher 1 vorteilhafterweise
in Reihe geschaltet, wobei das Wärmetauschermedium entgegen
der Fließrichtung des Abwassers 4 fließt.
Hierdurch wird gewährleistet, dass die Temperaturdifferenz
zwischen Ab wasser 4 und Wärmeträgermedium
stets möglichst hoch ist, resultierend in einem konstant
hohen Wärmeübergang. Selbstverständlich
können die einzelnen Wärmetauscher 1 auch
unabhängig voneinander mit separaten Wärmeträgerkreisläufen
in Verbindung stehen.
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Um
zu verhindern, dass sich vom Abwasser 4 mitgeführte
Verunreinigungen in den Bereichen der einzelnen Stufen übermäßig
absetzen, empfiehlt sich zudem, die entsprechenden Übergänge 18 zwischen den
einzelnen Stufen abzuflachen, wie dies beim Übergang 18 zwischen
den Bereichen B und C zu sehen ist.
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3 zeigt
zudem verschiedene vorteilhafte Ausführungen der eigentlichen
Aufstauvorrichtung 2. Neben einer Stauklappe 7,
wie sie bereits 1 zeigt (Bereich B), ist eine
weitere Aufstauvorrichtung 2 als Stauschieber 19 ausgebildet
(Bereich A). Dieser wird wiederum in einer eventuell flüssigkeitsabdichtenden Führung 20 geführt.
Während auch ein Öffnen bzw. Schließen
durch eine Antriebsvorrichtung, die beispielsweise ein Zahnstangengetriebe
umfassen kann, denkbar ist, erfolgt das Anheben des Stauschiebers 19 und
somit das Öffnen desselben im gezeigten Beispiel mit Hilfe
eines Schwimmkörpers 16.
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Auf
der rechten Seite der Anordnung (Bereich C) ist eine weitere selbsttätig öffnende
bzw. schließende Ausführung einer Stauklappe 7 dargestellt.
Diese weist in dem gezeigten Beispiel einen unteren Abschnitt und
einen oberen Abschnitt auf, wobei die Fläche des oberen
Abschnitts größer ist als die entsprechende Fläche
des unteren Abschnitts. Somit liegt der Flächenschwerpunkt
oberhalb der Drehachse 8 der Stauklappe 7. Um
den Massenschwerpunkt hingegen unter die Drehachse 8 zu
verlagern, ist der untere Abschnitt der Stauklappe 7 mit einem
Gewicht 21 versehen. Denkbar ist selbstverständlich
auch, die Stauklappe 7 aus Materialien unterschiedlicher
Dichte zu fertigen, so dass diese bei gleichbleibender Dicke dennoch
einen Massenschwerpunkt aufweist, der unterhalb der Drehachse 8 und
somit auch unter halb des Flächenschwerpunktes liegt. Dieses
Merkmal bewirkt generell, dass die Stauklappe 7 bis zu
einem gewissen Abwasserspiegel selbsttätig in der geschlossenen
Stellung 11 verbleibt. Steigt nun durch das Aufstauen des
Abwassers 4 der Abwasserspiegel vor der Stauklappe 7 über
die Höhe der Drehachse 8 an, so nimmt auch der
Staudruck, der auf den oberen Abschnitt der Stauklappe 7 wirkt,
kontinuierlich zu. Da der auf den unteren Abschnitt der Stauklappe 7 wirkende
Staudruck hingegen konstant bleibt, wird sich die Stauklappe 7 ab
einem gewissen Abwasserspiegel im Uhrzeigersinn drehen, so dass
die Stauklappe 7 ohne zusätzlichen Antrieb selbsttätig
ihre geöffnete Stellung 17 einnimmt. Bei Unterschreiten
eines gewissen Abwasserspiegels erreicht die Stauklappe 7 schließlich
wieder ihre geschlossene Stellung 11 und der Vorgang beginnt
von neuem. Hierdurch wird auf einfache Weise gewährleistet,
dass sich immer eine gewisse, in Abhängigkeit der Stauklappengeometrie variierbare,
Abwassermenge im Bereich des Wärmetauschers 1 ansammelt.
Um eine Drehung der Stauklappe 7 von der geschlossenen
Stellung 11 entgegen dem Uhrzeigersinn zu verhindern, ist
der Stauklappe 7 ein Anschlag, beispielsweise in Form einer Dichtlippe 10 zugeordnet.
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4 zeigt
des Weiteren eine Draufsicht einer Anordnung mehrere hintereinander
angeordneter Wärmetauscher 1 und entsprechender
Aufstauvorrichtungen 2 innerhalb eines Abwasserkanals 3.
Da mit dem Aufstauen des Abwassers 4 durch die Aufstauvorrichtung 2 immer
auch ein gewisses Absetzen von im Abwasser 4 mitgeführten
Sinkstoffen verbunden ist, bietet es sich an, den Bereich der Aufstauzone
derart auszubilden, dass bei geöffneter Aufstauvorrichtung 2 auch
immer die gesamte Aufstauzone von der resultierenden Abwasserströmung überströmt
wird. Hierzu ist es zweckmäßig, den Abwasserkanal 3 mit
Einbauten 22 zu versehen, die sich ausgehend vom Abwasserkanalboden 15 bis
mindestens zu der Höhe erstrecken, die der durch die Aufstauvorrichtung 2 maximal
zu erzielenden Aufstauhöhe des Abwassers 4 entspricht.
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4 zeigt
die Draufsicht verschiedener Ausführungsvarianten derartiger
Einbauten 22. Während die generelle Form der Einbauten 22 wie
auch der Wärmetauscher 1 wie im gezeigten Beispiel
auf verschiedenste Weise variiert werden kann, sollte stets darauf
geachtet werden, dass Toträume, die für die Abwasserströmung
nur schwer zugänglich wären, vermieden werden.
Die wohl vorteilhafteste Ausführungsform ist im linken
Bereich von 4 dargestellt. Durch die Trichterform
wird auf einfache Weise sichergestellt, dass vom Abwasser 4 mitgeführte Sinkstoffe
nach dem Öffnen der Aufstauvorrichtung 2 durch
die auftretende Abwasserströmung mitgerissen werden. Wird
dabei die eigentliche Durchgangsöffnung der Aufstauvorrichtungen 2 wie
in den Beispielen der 4 so gewählt, dass
sie einen geringeren Durchmesser aufweist als die entsprechend restlichen
stromaufwärts liegenden Bereiche, so kann der beschriebene
Effekt zusätzlich verstärkt werden. Zudem zeigt
der linke Bereich der Anordnung, dass die Aufstauvorrichtung 2 nicht
zwingend nach dem Wärmetauscher 1 angeordnet sein
muss. In Abhängigkeit der baulichen Gegebenheiten oder
sonstiger Umstände kann es durchaus auch sinnvoll sein,
die Aufstauvorrichtung 2 direkt im Bereich des Wärmetauschers 1 anzuordnen.
Um eine erfindungsgemäße Rückgewinnung
der im Abwasser 4 gespeicherten Wärmeenergie zu
gewährleisten, sollte zwischen vorderem Ende des Wärmetauschers 1 und
der Aufstauvorrichtung 2 jedoch immer eine gewisse Aufstauzone
vorhanden sein.
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Zuletzt
ist in 5 eine Schnittdarstellung eines Abwasserkanals 3 mit
einer darin angeordneten Stauklappe 7 sowie einem entsprechenden
Wärmetauscher 1 dargestellt. Die Stauklappe 7 weist
im unteren Bereich eine Öffnung 23 auf, die knapp
oberhalb des Wärmetauschers 1 angeordnet ist und
einen beweglichen Verschließmechanismus umfasst. Ist dieser
zumindest teilweise geöffnet, so wird eine stetige Abwasserströmung
auch bei geschlossener Stauklappe 7 gewährleistet,
wodurch einem Absetzen von Sinkstoffen auch während des
Aufstauvorgangs wirksam entgegengewirkt werden kann. Die Größe
der Öffnung 23 bzw. die Stellung des Verschließmechanismusses,
der im gezeigten Beispiel als Schieber 24 ausgebildet ist,
ist dabei zweckmäßigerweise so zu wählen,
dass bei geschlossener Stauklappe 7 auch bei geöffneter
bzw. teilweise geöffneter Stellung des Verschließmechanismusses
zu jeder Zeit ein erfindungsgemäßes Aufstauen
des Abwassers 4 sichergestellt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Abwandlungen der Erfindung sind
im Rahmen der Patentansprüche ohne weiteres möglich,
wobei ausdrücklich sämtliche in der Beschreibung
und den Figurenbeschreibungen aufgeführten Merkmale in
beliebiger Kombination miteinander verwirklicht werden können,
soweit dies sinnvoll und möglich erscheint.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005048689
B3 [0003]
- - DE 202004005768 U1 [0004]