DE102009044560A1

DE102009044560A1 - Vorrichtung zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien

Info

Publication number: DE102009044560A1
Application number: DE102009044560A
Authority: DE
Inventors: Winfried Gootz; Heinz Ihne
Original assignee: Awas Dresden GmbH
Current assignee: Awas Dresden GmbH
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien, insbesondere aus Abwasser in Abwasserkanälen, Industrieflüssigkeiten, z.B. Öl-Wasser-Emulsionen. Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien oder zur Einleitung von Wärme in flüssige Medien anzugeben, welche zu einem biologischen Bewuchs neigen. Die Vorrichtung soll eine hohe Wirksamkeit bei geringem Wartungsaufwand aufweisen. Es soll ein automatisierter Betrieb ermöglicht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass ein in den Medienkanal und/oder in mindestens einem Teilstrom des Medienkanals integrierbares, frei durchfließbares Wärmetauscherelement aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Um das Wärmetaucherelement sind Wärmetauscherleitungen mit einem Wärmetauschermedium angeordnet. Erfindungsgemäß besteht das Wärmetauscherelement oder mindestens ein Teil dessen Oberfläche aus einem Material mit superhydrophoben und/oder superhydrophilen Eigenschaften. Vorzugsweise weist die Oberfläche des Wärmetauscherelementes eine Nanobeschichtung auf, die einen Lotuseffekt bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien, insbesondere aus Abwasser in Abwasserkanälen, Industrieflüssigkeiten, z. B. Öl-Wasser-Emulsionen. Die vorliegende Erfindung soll vorzugsweise dort eingesetzt werden, wo als Wärmeträger dienende flüssige Medien an den Berührungsflächen die Wärmeleitung verschlechternde, insbesondere biologische Ablagerungen bilden. Bei diesen Ablagerungen handelt es sich um einen Biofilm, die sogenannte Sielhaut, die den Wärmeübergang stark behindert.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch die Bestimmung der Temperatur, des Durchflusses, des Druckes und/oder des pH-Wertes des flüssigen Mediums im Abwasserkanal.
Nach dem Stand der Technik sind vielseitige Lösungen bekannt, die in Abwässern enthaltene Wärme über Wärmepumpen zu erfassen und für Heizzwecke aufzubereiten.
Gerade die in gewerblichen oder industriellen Abwässern enthaltenen Inhaltsstoffe bewirken eine schnelle Anlagerung dieser Inhaltsstoffe sowie einen biologischen Bewuchs, wie beispielsweise mit Pilzen oder mit Bakterien.
Aus diesem Grunde werden derartige Abwasserkanäle zur Entnahme von Wärme mit speziellen Edelstahlgerinnen als Wärmeaustauschvorrichtungen ausgekleidet. Probleme und Schwachstellen der vorhandenen Technik sind darin zu sehen, dass diese Rinnen sehr schnell biologisch bewachsen. Dieser Bewuchs behindert den Wärmeübergang von den flüssigen Medien zu den Wärmetauscherleitungen in erheblichem Maße. Außerdem ist ein hoher Aufwand bei der Herstellung und der Wartung der Edelstahlgerinnestrecken erforderlich.
Bisher erfolgten keine derartigen Anwendungen für den Relinig-Bereich oder bei der Querschnittsanpassung von Medienrohrleitungen, z. B. bei der Umstellung auf wassersparende Technologien oder bei generellen Produktionsumstellungen.
Für den Betreiber des Kanalnetzes werden keine betriebsrelevanten Daten aus dem Wärmetauscher übermittelt. Wichtig ist zum Beispiel die Information über die Temperaturabsenkung im Kanal, da zu kaltes Abwasser zu Problemen in der Biologie der Kläranlage führen kann.
Die DE 10 2005 048 689 B3 gibt einen Wärmetauscher zur Abwasserwärmenutzung, insbesondere zum nachträglichen Einbau in Abwasserrohrleitungen an. Ein Wärmetauscherelement weist eine Einlaufrinne mit einem unteren Solpunkt und Ablaufflächen auf. An der Unterseite des Wärmetauscherelementes sind Wärmetauscherkammern vorgesehen. In Bereich der Einlaufrinne und beidseitig an den Ablaufflächen sind Leitungen für den Vorlauf, Rücklauf und die Verteilung eines Wärmetauschermediums vorgesehen. Das Wärmetauscherelement mit seinen Elementen Solpunkt sowie den Rändern der Ablaufflächen und die Leitungen für das Wärmetauschermedium liegen in der Abwasserrohrleitung auf. Das Wärmetauscherelement kann aus Edelstahl bestehen.
Die EP 1 591 740 B1 beschreibt einen Wärmetauscher und eine Installation zur Entnahme von Wärme aus dem Abwasser in einer Kanalisation mit einem Wärmetauscherelement. Zur Verhinderung oder Minimierung der Ablagerung einer Sielhaut besteht mindestens ein Oberflächenbereich des Wärmetauscherelementes aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Dabei ist der Oberflächenbereich aus Kupfer kleiner als die gesamte metallische Wärmetauscherfläche, vorzugsweise kleiner 2% der Wärmetauscherfläche.
Aus der DE 10 2006 023 375 A1 ist ein Beschichtungsmaterial mit selbstreinigenden Eigenschaften bekannt. Das Beschichtungsmaterial enthält hydrophile Oberflächenbestandteile, welche in einer nano- oder mikrostrukturierten oder in einer kombinierten nano-/mikrostrukturierten Form vorliegen. Verfahrensgemäß wird das Beschichtungsmaterial auf einen noch nicht vollständig getrockneten Farb- oder Lackuntergrund aufgetragen. Als Substrate können solche aus Glas, Keramik, Glaskeramik, Stein, Beton, Putz, Naturstein, Holz, Gewebe, Textilstoffe, Leder, Kunstleder, Kunststoffe, Metalle, Halbmetalle und mit lackierten Oberflächen eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien oder zur Einleitung von Wärme in flüssige Medien anzugeben, welche zu einem biologischen Bewuchs neigen. Die Vorrichtung soll eine hohe Wirksamkeit bei geringem Wartungsaufwand aufweisen. Durch eine einfache und sichere Bestimmung von Temperatur, Durchfluss, Druck und/oder pH-Wert soll ein automatisierter Betrieb ermöglicht werden.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
Der Kern der Erfindung besteht darin, den Wärmeübergang in Vorrichtungen zu verbessern, die zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien in einem Medienkanal und/oder in mindestens einen Teilstrom eines Medienkanals integriert sind bzw. eingesetzt werden können und welche an den Berührungsflächen die Wärmeleitung verschlechternde Ablagerungen bilden. Bei diesen Ablagerungen handelt es sich insbesondere um biologischen Bewuchs (Biofilmablagerungen, die sogenannte Sielhaut) und/oder auch Ablagerungen von Produktinhaltsstoffen, die den Wärmeübergang stark behindern.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein in den Medienkanal und/oder in mindestens einem Teilstrom des Medienkanals integrierbares, frei durchfließbares Wärmetauscherelement aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Um das Wärmetauscherelement sind Wärmetauscherleitungen angeordnet, wobei in den Wärmetauscherleitungen ein Wärmetauschermedium zirkuliert.
Erfindungsgemäß besteht das Wärmetauscherelement oder mindestens ein Teil dessen Oberfläche, welches dem flüssigen Medien ausgesetzt ist, aus einem Material, welches superhydrophobe und/oder superhydrophile Eigenschaften aufweist.
Vorzugsweise weist die Oberfläche des Wärmetauscherelementes, die den flüssigen Medien ausgesetzt ist, eine Nanobeschichtung auf, die einen Lotuseffekt bewirkt.
Nanobeschichtung bezeichnet das Aufbringen von Nanostrukturen auf Oberflächen. Diese Oberflächen werden dadurch superhydrophob oder superhydrophil. Superhydrophob bedeutet dabei, dass Flüssigkeiten die auf die Oberfläche gelangen, Perlen bilden und ablaufen. Superhydrophil bedeutet, dass Flüssigkeiten die auf die Oberfläche gelangen, einen Flüssigkeitsfilm bilden und gegebenenfalls ablaufen. Das heißt, die Oberflächen sind versiegelt und damit wasserabweisend. Dies erlaubt eine leichte Reinigung.
Es gibt beispielsweise Spray-Beschichtungen, die solche Nano-Strukturen ausbilden. Werden diese Beschichtungen auf bereits entsprechend mikrostrukturierte Oberflächen aufgebracht, kann ein Lotuseffekt erzielt werden. Derartig behandelte Flächen weisen auch Fette, Öle und Säuren ab und sind chemisch beständig, zum Beispiel gegenüber Lösungsmitteln.
Nachdem die entsprechende Nanosubstanz auf dem gesäuberten Werkstoff aufgebracht wurde, organisieren sich die Nanoteilchen zu der gewünschten Struktur. Bei einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Anordnung in Nanoröhrenstruktur.
Nanoteilchen besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen von Festkörpern oder größerer Partikel abweichen. Diese sind unter anderem eine höhere chemische Reaktivität durch große spezifische Oberflächen, ein geringer Einfluss von Massenkräften (Gewichtskraft) und zunehmender Einfluss von Oberflächenkräften (z. B. Van-der-Waals-Kraft) oder eine große Einflussnahme von Oberflächenladung sowie thermodynamischen Effekten (Brownsche Molekularbewegung).
Das Wärmetauscherelement sollte vorzugsweise aus Edelstahl bestehen. Es kann aber auch selbst vollständig aus Nanomaterial bestehen, dessen Oberfläche einen Lotuseffekt aufweist.
Im Wärmetauscherelement oder zwischen dem Wärmetauscherelement und der Beschichtung können Sensoren der MEMS-Technik (Micro-Electro-Mechanical Systems) angeordnet sein.
Das Wärmetauscherelement kann ein separater Behälter sein, über den ein Teilstrom oder der gesamte Strom des Medienkanals leitbar ist. Das Wärmetauscherelement kann auch selbst ein Teil des Medienkanals bilden, indem es als Teilstück direkt in den Medienkanal integriert wird.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die zugehörige 1 zeigt einen Zulaufbehälter für eine Kühlschmierstoff-Aufbereitungs-Anlage in der Metallindustrie. Über diesen Zulaufbehälter wird der gesamte anfallende Schmierstoff, dessen Temperatur bei etwa 40°C liegt, geleitet, bevor er zu einer Aufbereitungsanlage weitergeleitet wird. Im Zulaufbehälter soll der Kühlschmierstoff um ca. 7°C abgekühlt und die Abwärme anderweitig genutzt werden.
Der dargestellte Zulaufbehälter besitzt folgende Funktionen:

– Auffangen aller in einer Fertigungshalle an Schleifmaschinen anfallenden Kühlschmierstoffe,
– Messung aller INPUT-Daten für die nachfolgende Reinigungsanlage, wie Temperatur, Durchflussmenge, pH-Wert u. a., und Weitergabe über eine Speicherprogrammierbare Steuerung an eine nachfolgende Aufbereitungsanlage,
– Abkühlung des Kühlschmierstoffs zur Verringerung der Verkeimungs- und Pilzbildungsneigung und Nutzung der Abwärme z. B. zur Warmwasserbereitung in den Sanitärbereichen,
– Aufnahme der Beschickungspumpe für die Förderung des Kühlschmierstoffes in die erste Reinigungsstufe der Aufbereitungsanlage.

In 1 ist der Aufbau des Zulaufbehälters dargestellt.
Der Zulaufstutzeen 1 mündet in ein als Wärmetauscherrohr 2 ausgebildetes Wärmeaustauschelement. Dieses besteht aus Edelstahl, ein VA-Rohr mit einer Abmessung von 609,6 × 4,0 mm. Das VA-Rohr ist innen mit superhydrophobem Nanomaterial in Nanoröhrenstruktur beschichtet, welches einen Lotuseffekt aufweist. Diese Beschichtung bewirkt, dass der in herkömmlichen Kühlschmierstoff-Aufbereitungs-Anlagen hinsichtlich Wärmedurchgang und gesundheitlicher Belastung für die Anlagenbediener problematische Pilzbewuchs der Behälterwände unterbunden wird.
Über die gesamte Höhe des Wärmetauscherrohres 2, die etwa 1500 mm beträgt, sind Wärmetauscherleitungen 3 um das Wärmetauscherrohr 2 gewickelt. Die Wärmetauscherleitungen 3 bestehen aus einem VA-Wellschlauch mit einem Durchmesser von 25 mm und enthalten als Wärmetauschermedium Wasser oder speziell angesetzte hyperhaline Solen.
Das Wärmetauscherrohr 2 ist in einen allseitig geschlossenen Außenbehälter 4 aus PEHD-Rohr mit einem Durchmesser von 740 mm integriert und auf einer Unterlage 6 befestigt. Die Unterlage 6 dient dem Transport sowie der sicheren Aufstellung.
Nicht dargestellt ist, dass die Wärmetauscherleitungen 3 durch den Deckel 7 des Außenbehälters 4 geführt und an einen Leitungskreislauf mit Wärmeträgerflüssigkeit angeschlossen werden. Die Wärmetauscherleitungen werden um die gesamte Bauhöhe des Wärmetauscherrohres 2 gewickelt.
Der Zwischenraum zwischen dem Außenbehälter 4 und dem Wärmetauscherrohr 2 ist mit Wärmedämmmaterial 5 ausgefüllt. Außerdem sind darin Sensoren der MEMS-Technik (Micro-Electro-Mechanical Systems) angeordnet. Diese beinhalten einen Sensor zur Temperaturmessung 8, einen Sensor zur ph-Wertmessung 9 und einen Sensor zur Füllstandsmessung 10. Die Sensoren dienen der Steuerung einer Beschickungspumpe 12 für eine nachfolgende Aufbereitungsstufe. Der Sensor zur Füllstandsmessung dient gleichzeitig der Steuerung der Zulaufpumpe 13.
Ein Sensor zur Durchflussmessung 11 ist am Zulaufstutzen 1 angeschlossen und dient der Ermittlung der Mengenbilanz (Zulaufmenge verschmutzter Kühlschmierstoff/Menge Flotat/Ablaufmenge gereinigter Kühlschmierstoff) der gesamten Aufbereitungsanlage.
Eine Speicherprogrammierbare Steuerung 14 verknüpft die Messtechnik (8–11) an der Wärmetauscheranlage mit der angeschlossenen Produktionstechnik, der Zulaufpumpe 13, der Beschickungspumpe 12, einer Gasdosierung für eine Saturation/Flotation in der nachfolgenden Aufbereitung sowie einer visuellen Darstellung aller Messdaten am Bedientableau und einer Protokollierung über eine Memory-Funktion.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, sowohl Wärme aus flüssigen Medien zu entnehmen als auch Wärme in flüssige Medien einzuleiten. Insbesondere bei Medien, die zu einem biologischen Bewuchs neigen, können der Wirkungsgrad und die Standzeit für den Betrieb erhöht und der Wartungsaufwand verringert werden. Durch die integrierten Steuerelemente ist ein automatisierter Betrieb unter optimalen Bedingungen möglich.
Bezugszeichenliste

1: Zulaufstutzen
2: Wärmetauscherbehälter
3: Wärmetauscherleitungen
4: Außenbehälter
5: Wärmedämmmaterial
6: Unterlage
7: Deckel
8: Sensor zur Temperaturmessung
9: Sensor zur ph-Wertmessung
10: Sensor zur Füllstandsmessung
11: Sensor zur Durchflussmessung
12: Beschickungspumpe
13: Zulaufpumpe
14: Speicherprogrammierbare Steuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005048689 B3 [0008]
EP 1591740 B1 [0009]
DE 102006023375 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zur Entnahme von Wärme aus flüssigen Medien in einem Medienkanal, die zu einem biologischen Bewuchs neigen, bestehend aus einem in den Medienkanal und/oder in mindestens einen Teilstrom des Medienkanals integrierbaren, frei durchfließbaren Wärmetauscherelement mit um das Wärmetauscherelement angeordneten Wärmetauscherleitungen (3), wobei in den Wärmetauscherleitungen (3) ein Wärmetauschermedium zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement oder mindestens ein Teil dessen Oberfläche, die den flüssigen Medien ausgesetzt ist, aus einem Material besteht, welches superhydrophobe und/oder superhydrophile Eigenschaften aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Wärmetauscherelementes, die den flüssigen Medien ausgesetzt ist, eine Nanobeschichtung aufweist, die einen Lotuseffekt bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement aus Edelstahl besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement aus Nanomaterial besteht, dessen Oberfläche einen Lotuseffekt bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscherelement oder zwischen dem Wärmetauscherelement und der Beschichtung Sensoren der MEMS-Technik angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement ein separater Behälter ist, über den mindestens ein Teilstrom des Medienkanals leitbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement einen Teil des Medienkanals bildet.