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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung, eine Verwendung einer Wärmetauschervorrichtung zur Ausbildung einer Wärmetauscheranordnung und eine Wärmetauscheranordnung.
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Energiegewinnung aus Abwasser durch nachträglich in die Abwasserrohrleitung eingebaute Wärmetauschervorrichtungen ist beispielsweise aus der
DE 20 2004 018 084 U1 bekannt.
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Die Druckschrift
DE 100 62 337 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Entsorgen von Abwasser in Form eines abwasserführenden Grundleitungsrohres bestehend aus Werkstoffen, wie Beton, Steinzeug, Kunststoff, Glas, Metall oder Verbundwerkstoffen, wobei dem Grundleitungsrohr ein oder mehrere Wärmetauscher zugeordnet sind.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 013 013 A1 offenbart ein wärmeübertragendes Rohr mit einem glatten Innenrohr, das bezüglich der Rohrlängsachse wendelförmig verlaufende Kanäle aufweist. Die Kanäle können eine sich um die Rohrlängsachse windende Mehrfachhelix, insbesondere eine Doppelhelix, aus einem Vorlaufkanal und einem Rücklaufkanal ausbilden.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 035 271 B3 offenbart einen Wärmetauscher für eine Abwasserrohrleitung, wobei der Vorlauf und der Rücklauf des Wärmetauschers einstückig mit den Wandungen des Wärmetauschers ausgebildet ist, die zum Wärmetausch dienen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscheranordnung und eine darin verwendbare Wärmetauschervorrichtung bereitzustellen, welche einen verbesserten Wirkungsgrad und einen verminderten Wartungsaufwand aufweist. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Wärmetauschervorrichtung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung zum Einbringen in eine sich entlang einer Längsrichtung L erstreckende Abwasserrohrleitung umfassend:
- – eine Wärmetauscherwandung aus einem starren, wärmeleitenden Material mit
- – einer Abwasserseite, welche ausgelegt ist, mit Abwasser zu kontaktieren und
- – einer Innenseite, die ausgelegt ist, zumindest bereichsweise mit einem Wärmetauschmedium zu kontaktieren, und
- – eine Wärmetauscherkammerwandung mit
- – einer Innenseite, die ausgelegt ist, zumindest bereichsweise mit dem Wärmetauschmedium zu kontaktieren,
- – einer Außenseite, die ausgelegt ist, der Abwasserrohrleitungsinnenwand zugewandt und zumindest bereichsweise mit der Abwasserrohrleitungsinnenwand kontaktierend angeordnet zu sein,
wobei die Wärmetauscherwandung die Innenwandung eines rohrförmigen Körpers ausbildet,
wobei die Wärmetauscherwandung und die Wärmetauscherkammerwandung zumindest bereichsweise derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass zwischen der Wärmetauscherwandung und der Wärmetauscherkammerwandung bereichsweise eine Wärmetauscherkammer ausgebildet wird,
wobei die Wärmetauscherkammer mittels eines Vorlaufs und eines Rücklaufs mit dem Äußeren verbunden ist und
wobei die Wärmetauscherkammer von dem Vorlauf zum Rücklauf spiralförmig um die Längsrichtung L drehend ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung ist ausgelegt, in eine Abwasserrohrleitung einbringbar zu sein, wobei sich die Abwasserrohrleitung im wesentlichen entlang der Längsrichtung L erstreckt und wobei das Abwasser in der Abwasserrohrleitung im wesentlichen entlang der Längsrichtung L fließt. Für den Fall, dass die Abwasserrohrleitung einen zylindrischen Querschnitt aufweist, ist die Längsrichtung L parallel zur Zylinderachse.
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Vorteilhafterweise wird in dieser Konfiguration eine gleichmäßig verteilte Wärmeaufnahme durch das Wärmetauschmedium über die Wärmetauscherwandung erreicht. Da das Wärmetauschermedium vorteilhafterweise in einer Spirale um die Längsrichtung L vom Vorlauf zum Rücklauf geführt ist, kann die Kontaktfläche und die Kontaktzeit in welcher das Wärmetauschermedium mit der Wärmetauscherwandung thermisch kontaktiert, gegenüber einem direkten Fließweg vom Vorlauf zum Rücklauf hin verlängert werden, so dass der Wärmeenergieübergang verbessert wird.
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Einbringen im Sinne der Erfindung umfasst sowohl das nachträgliche Einbringen entlang der Längsrichtung L in eine bestehende Abwasserrohrleitung als auch das Herstellen bzw. Ausbilden einer Abwasserrohrleitung bzw. eines Abwasserrohrleitungselements einschließlich der Wärmetauschervorrichtung. Bevorzugt kann die Wärmetauschervorrichtung zumindest bereichsweise von dem Material der Abwasserrohrleitung umgeben sein. Insbesondere wenn die Abwasserrohrleitung bzw. das Abwasserrohrleitungselement aus Beton gegossen wird, kann die Wärmetauschervorrichtung zumindest bereichsweise einbetoniert sein, wobei die Abwasserseite, welche ausgelegt ist, mit Abwasser zu kontaktieren, im wesentlichen frei von Beton bleibt.
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Einbringen im Sinne der Erfindung umfasst ebenfalls den Fall, dass die Wärmetauschervorrichtung mittels des durch die Wärmetauscherwandung ausgebildete Innenwandung des rohrförmigen Körpers selbst zumindest bereichsweise die Abwasserrohrleitung bzw. die Abwasserrohrleitungsinnenwand ausbildet. Insbesondere ist der ausgebildete rohrförmige Körper der Innenwandung und/oder die Wärmetauscherkammerwandung druckdicht ausgebildet. So kann die Wärmetauschervorrichtung vorteilhafterweise in unmittelbarem Kontakt zum umgebenden Erdreich positioniert sein, wobei sich stromaufwärts und stromabwärts die weitere Abwasserrohrleitung erstreckt. Vorteilhafterweise kann eine Abwasserrohrleitung zumindest bereichsweise durch die Wärmetauschervorrichtung ersetzt werden, wodurch beispielsweise in einfacher Weise schadhafter Abwasserrohrleitungen ersetzt und damit saniert werden können.
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Die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung ist ferner ausgelegt, dass das Abwasser in Kontakt, d. h. zumindest in thermischem Kontakt, mit der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung ist, welche aus einem wärmeleitenden starren Material, vorzugsweise einem Metall und insbesondere einem korrosionsbeständigen Edelstahl, ausgebildet ist. Der thermische Kontakt bezeichnet den Übergang von Wärmeenergie aus dem Abwasser in die Wärmetauscherwandung und umgekehrt. Der Kontakt kann neben einem thermischen Kontakt insbesondere ein direktes Benetzen der Wärmetauscherwandung durch Abwasser umfassen.
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Die Wärmetauscherwandung bildet die Innenwandung eines rohrförmigen Körpers aus, d. h. das Abwasser kann durch den geschlossenen rohrförmigen Körper geleitet werden. Mit anderen Worten ist die Wärmetauschervorrichtung ausgelegt, mittels der Wärmetauscherwandung eine innere Wärmetauscherrohrleitung innerhalb der Abwasserrohrleitung auszubilden, durch welche das Abwasser dann hindurch geleitet wird.
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An der der Abwasserseite entgegengesetzten Innenseite der Wärmetauscherwandung ist die, insbesondere starre, Wärmetauscherkammerwandung angeordnet und mittelbar und/oder unmittelbar an der Wärmetauscherwandung befestigt. Die Wärmetauscherwandung und die Wärmetauscherkammerwandung sind bevorzugt derart voneinander beabstandet angeordnet, dass die Innenseite der Wärmetauscherwandung gegenüber der Innenseite der Wärmetauscherkammerwandung liegt. Zwischen den Innenseiten der Wärmetauscherwandung und der Wärmetauscherkammerwandung ist die Wärmetauscherkammer ausgebildet. Die Wärmetauscherkammer ist über den Vorlauf mit einem Wärmetauschmedium (beispielsweise Wasser) beschickbar und über den Rücklauf entleerbar. Das heißt, die Wärmetauscherkammer ist mittels des Vorlaufs und des Rücklaufs mit dem Äußeren hydraulisch verbindbar und ansonsten im wesentlichen fluiddicht bzw. wasserdicht gegenüber dem Äußeren. Das Äußere kann beispielsweise die umgebende Atmosphäre sein. Bei betriebsgemäßem Gebrauch kann das Äußere die Volumina umfassen, welche von Leitungen, weiteren Wärmetauschern bzw. Wärmepumpen umschlossen werden. Insbesondere kann das Äußere ein über den Vorlauf bzw. Rücklauf mit dem Volumen der Wärmetauscherkammer hydraulisch kommunizierendes externes Volumen sein, wobei das externe Volumen die Wärmetauscherkammerwandung nicht kontaktiert bzw. nicht zumindest teilweise von der Wärmetauscherkammerwandung umschlossen ist.
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Die Innenseite der Wärmetauscherwandung ist ausgelegt, zumindest bereichsweise mit dem Wärmetauschmedium zu kontaktieren, d. h. zumindest thermisch zu kontaktieren, so dass das Abwasser mittelbar über die Wärmetauscherwandung mit dem Wärmetauschmedium in thermischen Kontakt bringbar ist. Dagegen ist das Abwasser bevorzugt nicht mittels der Wärmetauscherkammerwandung mit dem Wärmetauschmedium thermisch kontaktierbar. Daher kann die Wärmetauscherkammerwandung bevorzugt aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist das Wärmetauschmedium mittels einer thermisch isolierenden Wärmetauscherkammerwandung gegenüber der Abwasserrohrleitung thermisch isolierbar. Die Wärmetauscherkammerwandung ist zumindest bereichsweise von der Abwasserrohrleitung beabstandet anordenbar, so dass das Wärmetauschmedium und die Abwasserrohrleitung vorteilhafterweise weiter thermisch entkoppelt sind.
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Der Begriff „im wesentlichen” kann eine Abweichung von einer Sollrichtung beschreiben, insbesondere eine Abweichung im Rahmen der Herstellungsgenauigkeit und/oder im Rahmen der notwendigen Genauigkeit, so dass ein Effekt beibehalten wird, wie er bei der Sollrichtung vorhanden ist. Der Begriff „im wesentlichen” kann daher bei Richtungsangaben eine Abweichung von weniger als etwa 20 Grad, weniger als etwa 10 Grad, weniger als etwa 5 Grad, bevorzugt weniger als etwa 1 Grad von einer Sollrichtung beinhalten. Der Begriff „im wesentlichen” umfasst den Begriff „identisch”, d. h. „ohne Abweichung von einer Sollrichtung sein”.
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Vorzugsweise sind der Vorlauf und der Rücklauf im Bereich des Abwasserrohrleitungsfirstes angeordnet. Vorteilhafterweise wird durch diese Anordnung eine bessere Entlüftung gewährleistet. Insbesondere können Gase, welche innerhalb der Wärmetauscherkammern aus dem Wärmetauschermedium austreten und sich ansonsten in den Wärmetauscherkammern ansammeln, aufsteigen und durch den im Abwasserrohrleitungsfirst angeordneten Rücklauf gesammelt und abtransportiert werden. Vorteilhafterweise wird damit die Effizienz der Wärmetauschervorrichtung erhöht, da die schlecht wärmeleitenden Gase zuverlässig aus der Wärmetauschervorrichtung entfernt werden können.
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Vorzugsweise sind der Vorlauf und/oder der Rücklauf an der Wärmetauscherkammerwandung angeordnet. Bevorzugt sind dann in der betriebsmäßigen Position eine am Vorlauf angeschlossene Vorlaufleitung und eine am Rücklauf angeschlossene Rücklaufleitung in dem Bereich zwischen der Wärmetauscherkammerwandung und einer Abwasserrohrinnenwandung anordenbar. In dieser Anordnung sind die Vorlauf- und Rücklaufleitung durch die rohrförmige Wärmetauscherwandung und die Wärmetauscherkammerwandung räumlich vom Abwasser getrennt. Vorteilhafterweise können deshalb im Abwasser enthaltene korrosive Chemikalien die Vorlauf- und Rücklaufleitung nicht korrodieren und im Abwasser mitgeführte Gegenstände sich nicht an diesen Leitungen verfangen. Weiter bevorzugt ist die Wärmetauscherkammerwandung bereichsweise eben ausgebildet und dient bevorzugt als Auflager der Vorlaufleitung und/oder der Rücklaufleitung.
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Für den Fall, dass die Wärmetauschervorrichtung beim Herstellen der Abwasserrohrleitung bzw. des Abwasserrohrleitungselements aus Beton mit der Abwasserrohrleitung verbunden wird, können der Vorlauf und/oder der Rücklauf von der Wärmetauscherkammerwandung beabstandet angeordnet sein. Weiter bevorzugt können der Vorlauf und/oder der Rücklauf im wesentlichen vollständig von dem Material (z. B. Beton) umschlossen sein, aus welchem die Abwasserrohrleitung ausgebildet wird. Vorteilhafterweise können die Wärmetauscherkammerwandung und die Wärmetauscherwandung im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind der Vorlauf und der Rücklauf an der Wärmetauscherwandung angeordnet. Insbesondere ist die Wärmetauscherwandung im wesentlichen als zylindrisches Rohr ausgebildet. Dadurch können die am Vorlauf angeschlossene Vorlaufleitung und die am Rücklauf angeschlossene Rücklaufleitung von dem Abwasser benetzt werden, welches in der durch die Wärmetauscherwandung ausgebildete Röhre fließt. Besonders bevorzugt sind die Leitungen deshalb aus einem korrosionsbeständigem Werkstoff ausgebildet, beispielsweise Edelstahl oder Kunststoff.
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Vorzugsweise umfasst die Wärmetauschervorrichtung weiter ein Schutzelement, wobei das Schutzelement mit zwei seiner entgegengesetzten Enden mit der Wärmetauscherwandung kontaktiert, so dass Vorlauf und Rücklauf zwischen dem Schutzelement und der Wärmetauscherwandung angeordnet sind.
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Das Schutzelement ist bevorzugt als wasserundurchlässige Platte ausgebildet, wodurch das Schutzelement vorteilhafterweise verhindert, dass mit dem Abwasser mitgeführte korrosive Chemikalien und/oder Gegenstände die Leitungen angreifen bzw. sich daran festsetzen. Weiter bevorzugt kann das Schutzelement als Siebplatte bzw. Gitter ausgebildet sein, so dass Partikel mit einem vorbestimmbaren maximalen Partikeldurchmesser die Siebplatte bzw. das Gitter nicht passieren können. Vorteilhafterweise steht dem Abwasser mehr Platz innerhalb der Wärmetauschervorrichtung zur Verfügung, wobei die Leitungen vor Gegenständen geschützt sind, die mit dem Abwasser mitgeführt werden, so dass diese Gegenstände sich nicht an den Leitungen festsetzen können. Besonders bevorzugt ist das Schutzelement aus einem korrosionsbeständigem Material, beispielsweise Edelstahl oder Kunststoff, ausgebildet und insbesondere mit zwei entgegengesetzten Enden an der Wärmetauscherwandung befestigt, beispielsweise durch Verschweißen.
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Vorzugsweise ist der Rücklauf in Längsrichtung L von dem Vorlauf beabstandet angeordnet. Dadurch kann ein Wärmetauschmedium entlang der Längsrichtung auf einem möglichst langen Weg durch die Wärmetauscherkammer fließen.
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Vorzugsweise umfasst die Wärmetauschervorrichtung ein spiralförmiges Distanzelement, welches zwischen der Wärmetauscherwandung und der Wärmetauscherkammerwandung angeordnet ist. Das Distanzelement bewirkt einen im wesentlichen konstanten Abstand zwischen den beiden Wandungen. Vorteilhafterweise bildet das spiralförmige Distanzelement in einfacher Weise einen bevorzugten spiralförmigen Fließweg von dem Vorlauf zu dem Rücklauf hin aus. Bevorzugt ist das Distanzelement im wesentlichen in Form einer Spiralfeder ausgebildet, wobei das Distanzelement entlang seiner Längserstreckung einen im wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist.
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Bevorzugt kann das Distanzelement aus einem Draht mit einem Durchmesser von etwa 1 mm bis etwa 5 mm Durchmesser oder einem schmalen Blechstreifen mit einer Breite von etwa 5 mm 10 mm und einer Dicke von etwa 1 mm bis 2 mm ausgebildet sein. Besonders bevorzugt besteht das Distanzelement aus Edelstahl. Alternativ kann das Distanzelement auch aus einem unedleren Metall oder einem Kunststoff bestehen. Um der Korrosion eines unedlen Metalls vorzubeugen kann dem Wärmetauschmedium ein Korrosionsschutzmittel beigemischt sein.
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Vorzugsweise umschließt die Wärmetauscherkammer im wesentlichen vollständig die Wärmetauscherwandung.
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Vorzugsweise weist die Wärmetauschervorrichtung in den Endbereichen Anschlusskonfigurationen zum druckdichten und zugfesten Anschluss einer oder mehrerer weiterer Wärmetauschervorrichtungen aufweist.
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Die Endbereiche der Wärmetauschervorrichtung, insbesondere der Wärmetauscherwandung, können bevorzugt Klemm-, Steck und/oder Schraubverbindungen aufweisen, um eine feste Verbindung zwischen zwei gleichartigen Wärmetauschervorrichtungen auszubilden.
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Bevorzugt sind Vorlauf und/oder Rücklauf jeweils mit einem Teilstück einer Vorlaufleitung bzw. einer Rücklaufleitung verbunden. Weiter bevorzugt ist das Teilstück der Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung als Rohrleitung ausgebildet, wobei die Rohrleitung an der Wärmetauschervorrichtung befestigt ist. Insbesondere kann das Teilstück der Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung an der Außenseite der Wärmetauscherkammerwandung befestigt sein, wobei die Länge des Teilstückes entlang der Längserstreckung L bevorzugt im wesentlichen gleich der Länge der Wärmetauscherwandung entlang dieser Richtung ist. Die Endbereiche der Teilstücke der Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung der Wärmetauschervorrichtung können Muffen und/oder Rohrverbinder aufweisen, so dass zum einen eine hydraulische Verbindung zwischen den Teilstücken der Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung zweier gleichartiger Wärmetauschervorrichtungen herstellbar ist und zum anderen eine feste mechanische Verbindung ausbildbar ist.
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Die Druckdichtigkeit wird dabei so ausgelegt, dass der in den Zu- und Rücklaufleitungen anstehende Druck die Verbindung zwischen einzelnen Wärmetauschervorrichtungen nicht lösen kann. Zugfestigkeit zwischen den Wärmetauschervorrichtungen soll deshalb vorteilhafterweise hergestellt werden, um sicherzustellen, dass im Reparatur- oder Austauschfall die Möglichkeit besteht, die einzelnen, miteinander verbundenen Wärmetauschervorrichtungen, ohne dass sich diese voneinander lösen, in der Abwasserrohrleitung beispielsweise in Richtung eines Kanaleinstiegs ziehen zu können.
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Vorzugsweise umfasst die Wärmetauschervorrichtung ein Entlüftungsventil, bevorzugt ein Überdruckventil (61), mittels dessen die Wärmetauscherkammer mit dem Äußeren hydraulisch verbindbar ist.
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Bevorzugt kann das Entlüftungsventil als Schraube oder Verschluss ausgebildet sein, die/der eine Entlüftungsöffnung verschließt. Vorteilhafterweise kann mittels eines Entlüftungsventils die Wärmetauscherkammer manuell, insbesondere bei der Erstinstallation, entlüftet werden. Bevorzugt das Entlüftungsventil ein Überdruckventil ist, so dass ein in der Wärmetauscherkammer vorhandenes Fluid (Gas und/oder Flüssigkeit) entweicht, wenn der Fluiddruck in der Wärmetauscherkammer einen vorbestimmbaren Schwellwert überschreitet. Vorteilhafterweise ist die Wärmetauscherkammer dadurch automatisch und/oder ferngesteuert entlüftbar, in dem über den Vorlauf ein Überdruck in der Wärmetauscherkammer angelegt wird.
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Vorzugsweise sind auf der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung zumindest bereichsweise Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente angeordnet sind, deren Kontur entlang einer Konturrichtung K verläuft, die im wesentlichen verschieden von der Längsrichtung L ist, um eine laminare Abwasserströmung entlang der Längsrichtung L zu stören.
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In einer Abwasserrohrleitung haftet das Abwasser am Rand und strömt in der Mitte der Abwasserrohrleitung am schnellsten. Am Rand der Abwasserrohrleitung bildet sich eine laminare Strömung aus, so dass in geringer Entfernung zum Rand (unterhalb der Prandtl-Grenzschicht) beliebig dünne Abwasserschichten übereinander hinströmen, ohne miteinander zu vermischen. Vorteilhafterweise wird eine laminare Strömung von Abwasser in der Abwasserrohrleitung im Bereich der Wärmetauscherwandung durch die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente durch eine lokale Variation der Abwasserfließgeschwindigkeit gestört, so dass dort vorteilhafterweise ein turbulente Strömung vorliegt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine bessere Durchmischung des Abwassers im Bereich der Wärmetauscherwandung erreicht, so dass ein verbesserter Austausch zwischen dem Wasser, welchem bereits Wärme mittels der Wärmetauscherwandung entzogen wurde, und dem relativ dazu wärmeren Abwasser stattfindet.
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Weiter vorteilhafterweise wird die Bildung einer Sielhaut auf der Wärmetauscherwandung durch die lokale Variation der Fließgeschwindigkeit vermindert. Insbesondere beim langsamen laminaren Überströmen der Wärmetauscherwandung mit nährstoffreichem Abwasser können Mikroorganismen die Wärmetauscherwandung schnell besiedeln und eine Sielhaut ausbilden, welche die Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscherwandung reduziert und dadurch den Wirkungsgrad der Wärmetauschervorrichtung mindert. Vorteilhafterweise wird die Besiedlung der Wärmetäuscherwandung durch Mikroorganismen durch die bereichsweise Ausbildung von Vertiefungselementen und/oder Erhebungselementen minimiert, da in den Bereichen mit erhöhter Abwasserfließgeschwindigkeit die Mikroorganismen keinen Halt finden und in den Bereichen verringerter Abwasserfließgeschwindigkeit die Versorgung mit Nährstoffen vermindert ist. Folglich ist die Besiedlung der Wärmetauscherwandung durch Mikroorganismen dauerhaft minimiert, wodurch der Wartungs- bzw. Reinigungsaufwand verringert ist, und der Wirkungsgrad der Wärmetauschervorrichtung ist dauerhaft maximiert, wodurch die Wirtschaftlichkeit erhöht wird.
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Vorteilhafterweise bewirken die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente eine lokale Versteifung der Wärmetauscherwandung, so dass zum Erreichen einer vorbestimmten Verwindungs- bzw. Biegefestigkeit eine geringere Materialstärke des Wandungsmaterials notwendig ist im Vergleich zu einem plattenförmigen Wandungsmaterial ohne Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente. Weiter vorteilhafterweise führte die eine geringere Materialstärke des Wandungsmaterials zu einem verbesserten thermischen Kontakt bzw. einer verbesserten Wärmeübertragung.
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Auf der Abwasserseite sind zumindest bereichsweise Vertiefungselemente (beispielsweise Sicken) und/oder Erhebungselemente (beispielsweise Sicken oder aufgeschweisstes Material) angeordnet. Die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente bilden mit der Oberfläche der Wärmetauscherwandung eine geschlossene Kontur. Die Tangente an einem beliebigen Punkt der Kontur zeigt in Richtung der Konturrichtung K, wobei die Konturrichtung K im wesentlichen verschieden von der Längsrichtung L ist. Im wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zumindest 50%, bevorzugt zumindest 70%, besonders bevorzugt zumindest 85% der Kontur Punkte umfasst, deren Konturrichtung K von der Längsrichtung L verschieden ist, d. h. bevorzugt um mehr als 10 Grad, besonders bevorzugt um mehr als 45 Grad von der Längsrichtung L abweicht. Dadurch wirken die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente als Störkörper im Abwasserstrom, so dass Turbulenz erzeugt wird.
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Es versteht sich, dass sich dieses Prinzip der Verminderung der Sielhaut auch auf andere Ausführungsformen von Wärmetauschervorrichtungen anwenden lässt. Mit anderen Worten kann der vorteilhafter Effekt auch durch eine Wärmetauschervorrichtung zum Einbringen in eine sich entlang einer Längsrichtung L erstreckende Abwasserrohrleitung erzielt werden umfassend: eine Wärmetauscherwandung aus einem starren, wärmeleitenden Material mit einer Abwasserseite, welche ausgelegt ist, mit Abwasser zu kontaktieren und mit einer Innenseite, die ausgelegt ist, zumindest bereichsweise mit einem Wärmetauschmedium zu kontaktieren, und eine Wärmetauscherkammerwandung mit einer Innenseite, die ausgelegt ist, zumindest bereichsweise mit dem Wärmetauschmedium zu kontaktieren, und mit einer Außenseite, die ausgelegt ist, der Abwasserrohrleitungsinnenwand zugewandt und zumindest bereichsweise mit der Abwasserrohrleitungsinnenwand mittelbar oder unmittelbar kontaktierend angeordnet zu sein, wobei die Wärmetauscherwandung und die Wärmetauscherkammerwandung zumindest bereichsweise derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass zwischen der Wärmetauscherwandung und der Wärmetauscherkammerwandung bereichsweise eine Wärmetauscherkammer ausgebildet wird, und wobei auf der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung zumindest bereichsweise Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente angeordnet sind, deren Kontur entlang einer Konturrichtung K verläuft, die im wesentlichen verschieden von der Längsrichtung L ist, um eine laminare Abwasserströmung entlang der Längsrichtung L zu stören. Im weiteren kann eine solche Wärmetauschervorrichtung auch die im folgenden beschriebenen Merkmale bezüglich der Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente aufweisen. Es versteht sich weiter, dass eine solche Wärmetauschvorrichtung ebenfalls die in dieser Anmeldung beschriebenen weiteren Merkmale bezüglich des Vorlaufs, des Rücklaufs, des Distanzelements und der verwendeten Materialien aufweisen kann.
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Vorzugsweise weisen die Vertiefungselemente und/oder die Erhebungselemente jeweils eine Wandung auf, wobei die Wandung und die Abwasserseite zumindest bereichsweise im wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Vorteilhafterweise ist dadurch eine maximale Störung und Perturbation des Abwassers erreichbar.
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Vorzugsweise weisen die Vertiefungselemente und/oder die Erhebungselemente jeweils eine Wandung auf, wobei der Übergangsbereich zwischen der Wandung und der Abwasserseite einen Krümmungsradius von kleiner als 2 mm aufweist. Weiter bevorzugt ist der Krümmungsradius kleiner als 1 mm. Vorteilhafterweise wird durch einen geringen Krümmungsradius eine Kante ausgebildet, durch die eine laminare Strömung des Abwassers effektiv störbar ist.
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Vorzugsweise weisen die Vertiefungselemente und/oder die Erhebungselemente einen Boden bzw. ein Plateau auf, wobei sich der Boden bzw. das Plateau im wesentlichen parallel zu der Abwasserseite erstreckt. Die Begriffe Boden und Plateau werden in diesem Zusammenhang synonym verwendet und bezeichnen den von einer Wandung umgebenen – bevorzugt im wesentlichen flachen bzw. ebenen – Bereich einer Vertiefung oder Erhebung.
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Vorzugsweise ist der Betrag des Versatzes zwischen Boden bzw. Plateau und Abwasserseite entlang der Normalen N der Abwasserseite grösser als 2 mm. Weiter bevorzugt ist der Betrag des Versatzes grösser als 3 mm, grösser als 5 mm, aber insbesondere kleiner als 10 mm. Durch einen betragsmässig grösseren Versatz ist die lokale Störung vorteilhafterweise ebenfalls grösser, jedoch können in Vertiefungen tiefer als 10 mm Partikel sedimentieren und sich an Erhebungen höher als 10 mm mitströmende Gegenstände verfangen und festsetzen.
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Vorzugsweise sind die Vertiefungselemente auf der Abwasserseite der Wärmetauscherwandung derart, z. B. als Sicken, ausgebildet, dass die Innenseite der Wärmetauscherwandung im Bereich der Vertiefungselemente die Innenseite der Wärmetauscherkammerwandung zumindest bereichsweise kontaktiert.
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Vorteilhafterweise ist die Wärmetauscherkammer mittels der Wärmetauscherwandung und der daran angeordneten Wärmetauscherkammerwandung ausgebildet, wobei die zumindest bereichsweise Beabstandung der Innenwand der Wärmetauscherwandung von der Innenwand der Wärmetauscherkammerwandung mittels der Vertiefungen erfolgt. Weiter bevorzugt kann die Beabstandung ebenfalls durch stegartige oder spiralförmige Trennelemente bzw. Stege bzw. Schikanen erfolgen. Die stegartigen Trennelemente müssen dabei nicht zwangsläufig in Längsrichtung L angeordnet sein, sondern können auch schräg oder quer dazu ausgebildet sein. Insbesondere kann ein einziges Trennelement ist Form einer Spiralfeder vorgesehen sein, welche zwischen der Wärmetauscherwandung und der Wärmetauscherkammerwandung angeordnet ist und vorzugsweise damit befestigt ist, so dass vorteilhafterweise in einfacher Weise das Wärmetauschmedium auf einem spiralförmigen Fließweg vom Vorlauf zum Rücklauf leitbar ist.
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Weiter vorteilhafterweise ist der Fließweg des Wärmetauschmediums vom Vorlauf zum Rücklauf hin innerhalb der Wärmetauscherkammern durch die Vertiefungen lokal gestört, so dass ein Fließen des Wärmetauschmediums turbulent erfolgen kann, wodurch der thermische Kontakt zwischen Wärmetauschmedium und Innenwand der Wärmetauscherwandung verbessert und der Wirkungsgrad der Wärmetauschervorrichtung erhöht wird.
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Vorzugsweise sind die Vertiefungselemente und/oder Erhebungselemente kreisförmig mit einem Mittelpunkt M und einem Durchmesser D ausgebildet. Bevorzugt liegt der Durchmesser D zwischen 20 mm und 50 mm, besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 40 mm.
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Vorzugsweise ist der Abstand der Mittelpunkte M benachbarter Vertiefungselemente zueinander grösser ist als das zweifache des Durchmessers (2·D) und kleiner ist als das fünffache des Durchmessers (5·D). Demnach liegt der Abstand benachbarter Mittelpunkte M zwischen 40 mm und 250 mm, weiter bevorzugt zwischen 50 mm und 200 mm, besonders bevorzugt zwischen 40 mm und 100 mm, weiter besonders bevorzugt zwischen 100 mm und 250 mm. Vorteilhafterweise wird bei den oben genannten geometrischen Verhältnissen verhindert, dass sich lokal eine laminare Strömung ausbildet.
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Verwendung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung zumindest einer erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung zur Ausbildung einer Wärmetauscheranordnung,
- – wobei die Wärmetauschervorrichtung nachträglich in eine bestehende Abwasserrohrleitung eingeführt wird,
- – wobei der Vorlauf der Wärmetauscherkammer mit einer Vorlaufleitung verbunden wird,
- – wobei der Rücklauf der Wärmetauscherkammer mit einer Rücklaufleitung verbunden wird und
- – wobei der Vorlauf und der Rücklauf mit einer Wärmepumpe hydraulisch verbunden wird.
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Vorzugsweise kann die Längs- bzw. Quererstreckung der starren Wärmetauschervorrichtung so gewählt werden, dass es durch einen oberirdischen Kanaleinstieg der betreffenden Abwasserrohrleitung einbringbar ist. Entsprechend der üblichen lichten Weite von Kanaleinstiegen soll dabei vorzugsweise eine Längs- bzw. Quererstreckung von etwa 80 cm, besonders bevorzugt von 62,5 cm nicht überschritten sein. Vorteilhafterweise besteht so die Möglichkeit, die einzelnen Wärmetauschervorrichtungen nachträglich in Abwasserrohrleitungen einzubringen, ohne dabei über eine Baugrube Zugang zu den Abwasserrohrleitungen schaffen zu müssen, da die einzelnen Wärmetauschervorrichtungen durch die zahlreich vorhandenen Kanaleinstiege in die Abwasserrohrleitung eingebracht werden können. Somit ist es problemlos möglich, eine oder mehrere Wärmetauschervorrichtungen durch den Kanaleinstieg einzubringen, um sie anschließend in der Abwasserrohrleitung zu verlegen. Bevorzugt werden zum Erlangen eines erforderlichen Wirkungsgrades mehrere einzelne Wärmetauschervorrichtungen in die Abwasserrohrleitung eingebracht und miteinander verbunden.
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Da der äußere Durchmesser der Wärmetauschervorrichtung kleiner ist als der Innendurchmesser der Abwasserrohrleitung, ist zwischen der inneren Wandung der Abwasserrohrleitung und der Außenseite der Wärmetauschervorrichtung ein Spalt ausgebildet. Bevorzugt liegt die Wärmetauschervorrichtung unmittelbar bereichsweise an der Abwasserrohrinnenwandung auf. Um die Wärmetauschervorrichtung lagesicher in der Abwasserrohrleitung anzuordnen, ist weiter bevorzugt zumindest bereichsweise ein Füllmittel zwischen der Wärmetauschervorrichtung und der Innenwand der Abwasserrohrleitung angeordnet. Das Füllmittel ist vorzugsweise thermisch isolierend, um die Wärmetauschervorrichtung gegenüber dem kalten Erdreich thermisch zu isolieren. Alternativ kann das Füllmittel thermisch leitfähig sein, um zusätzlich die thermische Energie eines warmen Erdreichs mittels der Wärmetauschervorrichtung zu nutzen.
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Die Verwendung der vorgeschlagenen Wärmetauschervorrichtungen bietet sich insbesondere im innerstädtischen Bereich an, wo ein Aufgraben zum Erreichen der Abwasserrohrleitung im Regelfall nicht möglich ist. Jedoch sind gerade im innerstädtischen Bereich genügend Kanaleinstiege vorhanden, die ein Einbringen der Wärmetauschervorrichtungen in die Abwasserrohrleitung ermöglichen.
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Es versteht sich dabei, dass in bekannter Weise die Wärmetauscherkammern der einzelnen Wärmetauschervorrichtungen mit den Vorlauf- und Rücklaufleitungen verbunden sind, so dass das kalte Wärmetauschmedium von der Wärmepumpe über die Vorlaufleitung, durch die vorgenannten Wärmetauscherkammern und schließlich in erwärmtem Zustand über die Rücklaufleitung zurück zur Wärmepumpe strömen kann. Bei der Konfiguration der Wärmetauscherkammern und auch der Auslegungen der Leitungen für den Vorlauf, Rücklauf und die Verteilung des Wärmetauschermediums kann dabei vorteilhafterweise auf das bekannte Tichelmann-System zurückgegriffen werden, um den Wirkungsgrad der Wärmetauschervorrichtungen zu optimieren.
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Zweckmäßigerweise kann eine Wärmetauschervorrichtung auch als End- oder Anfangselement ausgebildet sein und dazu an einem seiner freien Enden einen trichterförmig ausgebildeten Bereich aufweisen, so dass sich der vom Abwasser durchflossene Querschnitt der Abwasserrohrleitung kontinuierlich zum Wärmetauscher hin verengt. Somit wird am Anfangsbereich einer Wärmetauschervorrichtung eine Stufe in der Abwasserrohrleitung vermieden, an welcher sich im Abwasser mitgeführte Gegenstände bzw. Partikel ablagern könnten. Je nach den Erfordernissen kann die rampenartige Ausbildung kürzer oder länger sein, um die Steigung entsprechend flacher oder größer auszubilden.
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Wärmetauscheranordnung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung für Abwasser umfassend:
- – eine Abwasserrohrleitung
- – zumindest zwei miteinander verbundene erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtungen, die ein Gerinne zur Leitung des Abwassers ausbilden, um Abwasserwärme zu nutzen,
- – eine Wärmepumpe mit einem Rücklauf für kaltes Wärmetauschermedium und einem Vorlauf für erwärmtes Wärmetauschermedium,
- – eine Vorlaufleitung, welche den Rücklauf der Wärmepumpe mit den Vorläufen der zumindest zwei Wärmetauschervorrichtungen verbindet und
- – eine Rücklaufleitung, welche den Vorlauf der Wärmepumpe mit den Rückläufen der zumindest zwei Wärmetauschervorrichtungen verbindet.
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Vorzugsweise sind bei einer Wärmetauscheranordnung mehrere Strecken aus miteinander verbundenen Wärmetauschervorrichtungen vorgesehen, da das Abwasser nur über eine bestimmte Strecke hinweg hinsichtlich seiner Temperatur wirtschaftlich ausgenutzt werden kann. Es können deshalb nicht mit Wärmetauschervorrichtungen versehene Bereiche der Abwasserrohrleitung freigelassen werden, in welchen sich neues Abwasser ansammeln kann, welches erst danach wiederum einer neuen Strecke von Wärmetauschervorrichtungen zur Energiegewinnung zugeführt wird.
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Vorzugsweise ist zwischen zwei Wärmetauschervorrichtungen ein Hausanschlussmodul vorgesehen, um eine Abwasserzuleitung aus einem Abwasserzulauf zu ermöglichen. Das Hausanschlussmodul umfasst eine Wandung, an welcher die Vorlauf-, Rücklauf- und Verteilerleitung befestigt sind. Die Wandung ist analog zur Wärmetauscherkammerwandung ausgebildet und weist insbesondere deren Außendurchmesser auf. Ferner umfasst das Hausanschlussmodul eine Öffnung, welche in der Wandung derart ausgebildet ist, um mit einer Abwasserzulaufleitung verbunden zu werden. Das Hausanschlussmodul weist hingegen keine Wärmetauscherkammer auf.
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Vorzugsweise umfasst die Wärmetauscheranordnung zumindest einen Spül- bzw. Schwallschieber, der, entlang der Fließrichtung L des Abwassers gesehen, von dem eingebrachten Wärmetauschervorrichtungen beabstandet angeordnet ist. Der Spül- bzw. Schwallschieber dient zum zeitweisen Unterbrechen des Abwasserflusses. Bevorzugt ist der Spülschieber im Bereich eines Kanaleinstiegs angeordnet, da dort mehr freier Raum zum Einbau gegeben ist. Ein solcher Spülschieber kann in kurzen Intervallen das Abwasser aufstauen, um es anschließend schwallartig über die Abwasserseiten der Wärmetauschervorrichtungen hinwegströmen zu lassen.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Bildung einer Sielhaut weiter vermindert werden, da das schwallartige Abfließen des Abwassers turbulent erfolgt, so dass die Ausbildung einer Sielhaut verringert werden kann. Weiter vorteilhafterweise kann die fließende Abwassermenge gesteuert werden, so dass die zeitlich variabel anfallende Abwassermenge in konstanter Weise über die Wärmetauschervorrichtungen hinweggeführt werden kann. So kann beispielsweise, weil in der Nacht die Abwassermenge gering ist, das Abwasser bei höherem Anfall, beispielsweise am frühen Abend, mittels des betreffenden Schiebers aufgestaut und über Nacht bei abklingendem Abwasseranfall kontinuierlich den Wärmetauschervorrichtungen zugeführt werden. Selbstverständlich bedingt ein solcher Schieber aufgrund des erzeugten Schwalls auch einen Reinigungseffekt durch Abführen schwererer Gegenstände, die sich auf den Wärmetauschervorrichtungen ablagern können.
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Die vorangehende Beschreibung der Aspekte der Erfindung ist nicht auf die jeweiligen Aspekte beschränkt. Vielmehr gelten die Ausführungen zu den jeweiligen Aspekten sinngemäss für die weiteren Aspekte der Erfindung. Insbesondere gelten die Ausführungen in Hinsicht auf die Wärmetauschervorrichtung auch für die Verwendung und die Wärmetauscheranordnung bzw. bevorzugte Ausführungsformen bzw. Ausführungsvarianten hiervon.
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Figurenbeschreibung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand begleitender Figuren beispielhaft beschrieben. Einzelne Elemente der beschriebenen Ausführungsformen sind nicht auf die jeweilige Ausführungsform beschränkt. Vielmehr können Elemente der Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden und neue Ausführungsformen dadurch erstellt werden. Es zeigt
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1: ein schematisches Blockschaltbild einer Wärmetauscheranordnung,
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2: einen Querschnitt durch eine Abwasserrohrleitung mit einer Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung,
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3: einen Querschnitt durch eine Abwasserrohrleitung mit einer Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung,
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4a: eine Draufsicht auf eine Wärmetauscherwandung mit kreisförmigen Vertiefungselementen,
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4b: einen Querschnitt durch eine Wärmetauscherwandung mit kreisförmigen Vertiefungselementen,
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5a: eine Draufsicht auf eine Anordnung von kreisförmigen Vertiefungselementen und
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5b: eine Draufsicht auf eine Anordnung von rechteckigen Vertiefungselementen.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Wärmetauscheranordnung 1 mit einer Wärmetauschervorrichtung 3a in einer Abwasserrohrleitung 5. Dargestellt sind eine Vorlaufleitung 15, eine Rücklaufleitung 17 und eine Verteilerleitung 19, die an den Wärmetauscherelementen 3a–c angeordnet sind. Die Vorlaufleitung 15 ist an den Vorläufen 21 und die Rücklaufleitung 17 an den Rückläufen 23 der Wärmetauscherelemente 3a–c angeschlossen. Bevorzugt sind die Verteilerleitung 19 und die Rücklaufleitung 17 durch einen Kanaleinstieg (nicht gezeigt) aus der Abwasserrohrleitung heraus geführt, um an ein im Regelfall oberirdisch angeordnetes Wärmetauschersystem 25 mit einer Wärmepumpe 27 angeschlossen zu sein.
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Ein Wärmetauschmedium 29 wird nach dem Prinzip von Tichelmann durch die entsprechenden Leitungen geführt. Dabei wird das kalte Wärmetauschmedium 29 von der Wärmepumpe 27 über die Verteilerleitung 19 zum von der Wärmepumpe 27 fernsten Punkt des Leitungssystems geleitet und von dort mittels der Vorlaufleitung 15 zu den Vorläufen 21 der einzelnen Wärmetauschervorrichtungen 3a–c verteilt. Das kalte Wärmetauschmedium 29 strömt dann durch die Wärmetauscherkammern 31a–c der einzelnen Wärmetauschervorrichtungen 3a–c und schließlich in erwärmten Zustand über die Rücklaufleitung 17 zurück zur Wärmepumpe 27.
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Wie in der 1 dargestellt, kann das Wärmetauschmedium 29 auf verschiedene Art und Weise durch die Wärmetauscherkammern 31a–c strömen. Beispielsweise strömt das Wärmetauschmedium 29, insbesondere laminar, auf direktem Weg vom Vorlauf 21 zum Rücklauf 23 der Wärmetauscherkammer 31a. Dagegen sind die Wärmetauscherkammern 31b und 31c derart ausgebildet, dass das Wärmetauschmedium 29, insbesondere turbulent, auf einem verlängerten Weg vom Vorlauf 21 zum Rücklauf 23 strömt. Diese Wegverlängerung kann beispielsweise, wie in der Wärmetauscherkammer 31c, mittels geradliniger Trennelemente bzw. Stege bzw. Schikanen 33 oder, wie in der Wärmetauscherkammer 31b, mittels Störkörpern 35 erfolgen.
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Bei der Konfiguration der Wärmetauscheranordnung 1 nach dem an sich bekannten Tichelmann-System wird ein hydraulischer Kurzschluss sicher vermieden, so dass der Wirkungsgrad der Wärmetauscheranordnung 1 maximal ist. Der gewünschte Wirkungsgrad der Wärmetauscheranordnung 1 sowie die anfallende Abwassermenge und deren Temperatur sowie die entsprechenden Abwasserrohrleitungsquerschnitte und somit auch die Abmessungen der Wärmetauschervorrichtungen 3a–c bestimmten schließlich die Gesamtanzahl der hintereinander angeordneten Wärmetauschervorrichtungen 3a–c.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Wärmetauscheranordnung 1 mit einer Wärmetauschervorrichtung 3a in einer Abwasserrohrleitung 5. Eine Wärmetauscherkammerwandung 47 umfasst eine Außenseite 49, die ausgelegt ist, der Innenwand 13 der Abwasserrohrleitung 5 zugewandt und zumindest bereichsweise von der Innenwand 13 beabstandet angeordnet zu sein. Zwischen der inneren Wandung 13 der Abwasserrohrleitung 5 und der Außenseite 49 der Wärmetauschervorrichtung 3a ist ein Spalt 7 ausgebildet, da der äußere Durchmesser der Wärmetauschervorrichtung 3a kleiner ist als der Innendurchmesser der Abwasserrohrleitung 5. Der Spalt 7 kann zumindest bereichsweise mit einem Füllmittel 9 verfüllt sein. Das Füllmittel 9 kann thermisch isolierend sein, um die Wärmetauschervorrichtung 3a gegenüber dem Erdreich zu isolieren. Alternativ kann das Füllmittel 9 thermisch leitend sein, um zusätzlich die Erdwärme mittels der Wärmetauschervorrichtung 3a zu nutzen. Bevorzugt kann das Füllmittel 9 als Auflager der Wärmetauschervorrichtung 3a dienen. Weiter bevorzugt kann die Wärmetauschervorrichtung 3a aber auch unmittelbar bereichsweise an der Abwasserrohrinnenwandung 13 aufliegen.
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Die Wärmetauscherkammerwandung 47 der Wärmetauschervorrichtung 3a ist jedoch immer zumindest bereichsweise von der Abwasserrohrleitung 5 beabstandet angeordnet, so dass die Vorlaufleitung 15 und die Rücklaufleitung 17 in dem Bereich zwischen der Wärmetauscherkammerwandung 47 und der Abwasserrohrinnenwandung 13 anordenbar sind. Die Aussenseite 49 der Wärmetauscherkammerwandung 47 ist der Abwasserrohrinnenwandung 13 zugewandt. Im Bereich des Abwasserrohrleitungsfirstes 11 der Abwasserrohrleitung 5 ist die Wärmetauscherkammerwandung 47 bereichsweise eben ausgebildet und dient bevorzugt bereichsweise als Auflager der Vorlaufleitung 15, der Rücklaufleitung 17 und/oder der Verteilerleitung 19, welche zwischen der Wärmetauscherkammerwandung 47 und der inneren Wandung 13 der Abwasserrohrleitung 5 angeordnet sind. Vorteilhafterweise sind die Leitungen dadurch vor mechanischen Einwirkungen aus Richtung des Abwasserrohrleitungsinneren geschützt.
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Eine Wärmetauscherwandung 43 ist aus einem starren, wärmeleitenden Material ausgebildet, wobei die Abwasserseite 41 ausgelegt ist, zumindest bereichsweise Abwasser 45 thermisch zu kontaktieren bzw. von Abwasser 45 benetzt zu sein. Auf der Abwasserseite 41 können zumindest bereichsweise Vertiefungselemente (nicht gezeigt) angeordnet sein, deren Kontur entlang einer Konturrichtung K verläuft, die im wesentlichen verschieden von der Längsrichtung L ist, um eine laminare Abwasserströmung entlang der Längsrichtung L zu stören. Die Längsrichtung L steht in dieser Figur senkrecht zur Blattebene und ist zum Betrachter gerichtet.
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Die Wärmetauscherwandung 43 und die Wärmetauscherkammerwandung 47 sind vorzugsweise durch einen oder mehrere Steg(e) (nicht gezeigt) voneinander beabstandet miteinander verbunden. Diese Verbindung kann vorzugsweise durch Verschweißen erfolgen.
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Die Wärmetauscherwandung 43 und die Wärmetauscherkammerwandung 47 sind voneinander beabstandet angeordnet, um zwischen der Wärmetauscherwandung 43 und der Wärmetauscherkammerwandung 47 bereichsweise eine Wärmetauscherkammer 31a auszubilden, die mittels eines Vorlaufs 21 bzw. einer Vorlaufleitung 15 und eines Rücklaufs 23 bzw. einer Rücklaufleitung 17 mit dem Äußeren hydraulisch verbunden ist. Die Vorlaufleitung 15, die Rücklaufleitung 17 und/oder die Verteilerleitung 19 sind im Bereich des Abwasserrohrleitungsfirst 11 anordenbar.
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Alternativ kann die Wärmetauschervorrichtung 3a derart in die Abwasserrohrleitung 5 eingebracht werden, dass die Vorlaufleitung 15, die Rücklaufleitung 17 und/oder die Verteilerleitung 19 im Bereich der Abwasserrohrleitungssohle 12 angeordnet sind. Bevorzugt können dann ebenfalls die Vorlaufleitung 15, die Rücklaufleitung 17 und/oder die Verteilerleitung 19 als Auflager der Wärmetauschervorrichtung 3a dienen und zwar mit dem Bereich, mit welchem sie die Abwasserrohrinnenwandung 13 berühren bzw. an dieser anliegen.
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Es versteht sich dabei, dass die Querschnittsausbildung der Wärmetauschervorrichtung 3a einschließlich der Lage der Vorlaufleitungen 15, der Rücklaufleitung 17 und der Verteilerleitung 19 so ausgelegt wird, dass sie an den jeweiligen Querschnitt der betreffenden Abwasserrohrleitung 5 angepasst werden können. Um die Wärmetauschervorrichtung 3a in die Abwasserrohrleitung 5 einzubringen, ohne dabei die freien Enden der Abwasserrohrleitung 5 mittels Baugruben freilegen zu müssen, sind ferner die Abmessungen der einzelnen Wärmetauschervorrichtungen 5 so ausgebildet, dass die Wärmetauschervorrichtungen 5 durch einen Kanaleinstieg in die Abwasserrohrleitung 5 und dann entlang bzw. entgegen der Längsrichtung L der Abwasserrohrleitung 5 in die Endposition gebracht werden kann.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Wärmetauscheranordnung 1 mit einer weiteren Ausführungsform einer Wärmetauschervorrichtung 3b in einer Abwasserrohrleitung 5. Die zu der 2 identischen Merkmale sind in der 3 mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine Wärmetauscherkammer 31b steht analog zu der oben beschriebenen Ausführungsform mittels eines Vorlaufs 21 bzw. einer Vorlaufleitung 15 und eines Rücklaufs 23 bzw. einer Rücklaufleitung 17 mit dem Äußeren hydraulisch in Verbindung. In dieser Ausführungsform sind der Vorlauf 21 und der Rücklauf 23 jedoch an der Wärmetauscherwandung 43 angeordnet.
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Ein Schutzelement 37 ist derart an der Wärmetauscherwandung 43 angeordnet bzw. befestigt, dass zwei entgegengesetzte Enden 39a, 39b des Schutzelementes mit der Wärmetauscherwandung 43 verbunden sind, so dass Vorlauf 21 und Rücklauf 23 zwischen dem Schutzelement 37 und der Wärmetauscherwandung 43 angeordnet bzw. eingeschlossen sind. Bevorzugt kann ebenfalls die Verteilerleitung 19 zwischen dem Schutzelement 37 und der Wärmetauscherwandung 43 angeordnet sein. Durch das Schutzelement 37 wird verhindert, dass sich mit dem Abwasser 45 mitgeführte Gegenstände an der Verrohrung verfangen bzw. festsetzen können, wodurch unvorteilhafterweise der für das Abwasser verfügbare Leitungsquerschnitt verringert würde. Das Schutzelement 37 kann als wasserundurchlässige Platte 37 ausgebildet sein, wodurch die Vorlaufleitung 15, die Rücklaufleitung 17 und die Verteilerleitung 19 vor dem Abwasser geschützt sind bzw. davon getrennt sind. Vorteilhafterweise sind die Leitungen dann auch vor dem korrosiven Abwasser 45 geschützt. Das Schutzelement 37 kann bevorzugt als Siebplatte 37 ausgebildet sein, so dass Partikel mit einem vorbestimmbaren maximalen Partikeldurchmesser die Siebplatte 37 nicht passieren können. Vorteilhafterweise steht dem Abwasser 45 mehr Platz innerhalb der Wärmetauschervorrichtung 3b zur Verfügung, wobei die Leitungen, Vor- und Rücklauf sowie deren Befestigungseinrichtungen vor Gegenständen geschützt sind, die mit dem Abwasser 45 mitgeführt werden und sich daran festsetzen können. Bevorzugt ist das Schutzelement 37 aus einem korrosionsbeständigem Material, beispielsweise Edelstahl oder Kunststoff, hergestellt.
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Die Vorlaufleitung 15, die Rücklaufleitung 17 und/oder die Verteilerleitung 19 sind zweckmäßigerweise im Bereich des Abwasserrohrleitungsfirst 11 anordenbar bzw. in betriebsgemäßem Gebrauch der Wärmetauschervorrichtung 3b im Bereich des Abwasserrohrleitungsfirstes 11 angeordnet, da das Schutzelement 37 nicht als Wärmetauschfläche fungiert und deshalb bevorzugt nicht mit dem Abwasser 45 kontaktieren soll.
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Die 4a zeigt eine Draufsicht auf eine Wärmetauscherwandung 43 in entrolltem bzw. noch nicht gekrümmten Zustand mit kreisförmigen Vertiefungselementen 53. Ein Querschnitt durch die Wärmetauscherwandung 43 entlang der Strecke A-B ist in 4b gezeigt.
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Die Wärmetauscherwandung 43 ist aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet, wobei die Abwasserseite 41 ausgelegt ist, zumindest bereichsweise Abwasser thermisch zu kontaktieren bzw. von Abwasser benetzt zu sein. Auf der Abwasserseite 41 sind zumindest bereichsweise Vertiefungselemente 53 angeordnet, deren Kontur entlang einer Konturrichtung K verläuft, die im wesentlichen verschieden von der Längsrichtung L ist, um eine laminare Abwasserströmung entlang der Längsrichtung L zu stören.
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Bevorzugt sind die Vertiefungselemente 53 als kreisförmige Sicken bzw. Einpressungen ausgebildet, die eine umlaufende Wandung 55 und einen Boden 57 aufweisen. Die Wandung 55 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zum umliegenden Bereich der Abwasserseite 41, während sich der Boden 57 im wesentlichen parallel dazu erstreckt. Der Betrag des Versatzes zwischen Boden 57 und umliegender Abwasserseite 41 ist vorzugsweise grösser als 2 mm, weiter bevorzugt grösser als 3 mm, insbesondere grösser als 5 mm, aber bevorzugt kleiner als 10 mm. Der Durchmesser der Vertiefungselemente 53 liegt vorzugsweise zwischen 20 mm und 50 mm, wobei der Abstand der Mittelpunkte M benachbarter Vertiefungselemente 53 zueinander grösser ist als das zweifache des Durchmessers (2·D) und kleiner ist als das fünffache des Durchmessers (5·D).
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Die Wärmetauscherwandung 43 und die Wärmetauscherkammerwandung 47 sind voneinander bereichsweise beabstandet angeordnet, um zwischen der Wärmetauscherwandung 43 und der Wärmetauscherkammerwandung 47 bereichsweise eine Wärmetauscherkammer 31b auszubilden, die mittels eines Vorlaufs und eines Rücklaufs mit dem Äußeren hydraulisch verbunden ist. Bevorzugt kontaktieren die Wärmetauscherwandung 43 und die Wärmetauscherkammerwandung 47 bereichsweise einander im Bereich der Böden 57 der Wärmetauscherwandung 43. Weiter vorzugsweise können die Wärmetauscherwandung 43 und die Wärmetauscherkammerwandung 47 im Bereich der Böden 57 durch eine oder mehrere Schweißpunkte 58 miteinander verbunden sein.
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Vorteilhafterweise wird die Bildung einer Sielhaut auf der Wärmetauscherwandung 43 mittels der lokalen Variation der Fließgeschwindigkeit des Abwassers vermindert, wobei die lokale Variation durch die Vertiefungselemente 53 erzeugt wird. Weiter vorteilhafterweise bewirken die Vertiefungselemente 53 eine Versteifung der Wärmetauscherwandung 43, so dass gegenüber einer ebenen Wandung die gleiche Verwindungs- bzw. Biegefestigkeit mit einer geringeren Materialstärke des Wandungsmaterials erreicht werden kann, wodurch ein verbesserter thermischer Kontakt bzw. eine verbesserte Wärmeübertragung erreicht wird.
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Die Wärmetauscherwandung 43 und die Wärmetauscherkammerwandung 47 sind vorzugsweise an den bzw. entlang der freien Enden 51 der Wärmetauscherwandung 43 miteinander verbunden. Diese Verbindung kann vorzugsweise durch Verschweißen und/oder durch Bördeln erfolgen.
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Die in der 4a gezeigte Wärmetauscherwandung 43 weist in den Endbereichen eine Anschlusskonfiguration 59 zum zugfesten Anschluss bzw. zur Befestigung einer weiteren Wärmetauscherwandung (nicht gezeigt) auf. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise durch Verschrauben, wobei die Anschlusskonfiguration 59 vorzugsweise Löcher 59 mit oder ohne Innengewinde sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Anschlusskonfiguration 59 Klemm- und/oder Steckverbindungen aufweisen.
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Die Wärmetauscherwandung 43 umfasst weiter vorzugsweise ein Entlüftungsventil 61, so dass die Wärmertauscherkammer 31b mittels des Entlüftungsventils hydraulisch mit dem Äußeren verbindbar ist. Das Entlüftungsventil 61 kann vorzugsweise ein Überdruckventil oder eine Dichtschraube sein.
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5a zeigt eine Draufsicht einer Anordnung von kreisförmigen Vertiefungselementen 53. Die Vertiefungselemente 53 bilden mit der Oberfläche der Wärmetauscherwandung 43 bzw. mit der Abwasserseite 41 eine geschlossene Kontur 63. Die Tangente an einem beliebigen Punkt der Kontur 63 zeigt in Richtung der Konturrichtung K. Die Konturrichtung K ist an zumindest 50%, bevorzugt zumindest 70%, besonders bevorzugt zumindest 85% der Punkte der Kontur von der Längsrichtung L verschieden, wobei die Richtungsdifferenz zwischen der Konturrichtung K und der Längsrichtung L an diesen Punkten bevorzugt größer als 10 Grad, besonders bevorzugt größer als 45 Grad ist. Dadurch wirken die Vertiefungselemente 53 als Störkörper im Abwasserstrom, so dass Turbulenz erzeugt wird.
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Der Durchmesser der kreisförmigen Vertiefungselemente 53 liegt vorzugsweise zwischen 20 mm und 50 mm, wobei der Abstand der Mittelpunkte M benachbarter Vertiefungselemente 53 zueinander größer ist als das zweifache des Durchmessers (2·D) und kleiner ist als das fünffache des Durchmessers (5·D).
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5b zeigt eine Draufsicht einer Anordnung von rechteckigen Erhebungselementen 53. Die Tangente an einem beliebigen Punkt der geschlossenen Kontur 63 mit der Konturrichtung K ist ebenfalls an zumindest 50%, bevorzugt zumindest 70%, besonders bevorzugt zumindest 85% der Punkte der Kontur von der Längsrichtung L verschieden, wobei die Richtungsdifferenz zwischen der Konturrichtung K und der Längsrichtung L an diesen Punkten bevorzugt größer als 10 Grad, besonders bevorzugt größer als 45 Grad ist. Dadurch wirken die Erhebungselementen 53 als Störkörper im Abwasserstrom, so dass Turbulenz erzeugt wird.
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Die Breite der Erhebungselemente 53 liegt vorzugsweise zwischen 2 mm und 20 mm, wobei der Abstand zwischen benachbarten Erhebungselementen 53 zueinander größer ist als das zweifache der Breite und kleiner ist als das fünffache der Breite.
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Es versteht sich, dass die Vertiefungs- bzw. Erhebungselemente 53 insbesondere auch eine Kontur 63 aufweisen können, die im wesentlichen dreieckig, quadratisch, sechseckig, oval und/oder gewellt sein ist. Ferner können die einzelnen Vertiefungs- bzw. Erhebungselemente 53 zueinander regellos, trigonal, quadratisch, rechteckig, oder hexagonal angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscheranordnung
- 3a–c
- Wärmetauschervorrichtung
- 5
- Abwasserrohrleitung
- 7
- Spalt
- 9
- Füllmittel
- 11
- Abwasserrohrleitungsfirst
- 12
- Abwasserrohrleitungssohle
- 13
- innere Wandung der Abwasserrohrleitung 5
- 15
- Vorlaufleitung
- 17
- Rücklaufleitung
- 19
- Verteilerleitung
- 21
- Vorlauf
- 23
- Rücklauf
- 25
- Wärmetauschersystem
- 27
- Wärmepumpe
- 29
- Wärmetauschmedium
- 31a–c
- Wärmetauscherkammer
- 33
- Steg bzw. Schikane
- 35
- Störkörper
- 37
- Schutzelement
- 39
- freier Enden des Schutzelementes 37
- 41
- Abwasserseite 41 der Wärmetauscherwandung 43
- 43
- Wärmetauscherwandung
- 45
- Abwasser
- 47
- Wärmetauscherkammerwandung
- 49
- Außenseite der Wärmetauscherkammerwandung 47
- 51
- freies Ende der Wärmetauscherwandung 43
- 53
- Vertiefungselement
- 55
- Wandung
- 57
- Boden
- 58
- Schweißpunkt
- 59
- Anschlusskonfiguration
- 61
- Entlüftungsventil
- 63
- Kontur
- L
- Längsrichtung
- K
- Konturrichtung
- M
- Mittelpunkt
- D
- Durchmesser
