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Ein Großteil der weltweit verbrauchten Primärenergieträger wird zurzeit zu Heiz- und Kühlzwecken eingesetzt. Da diese Ressourcen insgesamt als endlich einzustufen sind, kommt Ansätzen zur Reduktion des Bedarfs an Primärenergie beziehungsweise zur verstärkten Nutzung von Sekundärenergiequellen eine stetig wachsende Bedeutung zu.
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Eine für die Zukunft weiter an Relevanz zunehmende Sekundärenergiequelle stellen dabei insbesondere Abwässer, zum Beispiel aus Privathaushalten, aus industriellen Prozessen oder im Bereich kommunaler Kanalsysteme, dar. Die in entsprechenden Kanälen oder Rohren durch das jeweilige Fluid transportierten Wärmemengen werden derzeit zumeist ungenutzt in die Umwelt freigesetzt. Zusätzlich zur Nichtnutzung dieser Sekundärenergiequellen kommt es dabei teilweise sogar noch zu unerwünschten Veränderungen des jeweiligen Mikroklimas der lokalen Umwelt, insbesondere wenn zum Beispiel hohe Abwärmeleistungen aufgrund industrieller Prozesse abzuführen sind.
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Über den Einsatz als Sekundärenergiequelle, beispielsweise für Heizzwecke, hinaus bleibt zudem in der Regel die Möglichkeit ungenutzt, mittels des Fluids überschüssige Wärmemengen aus einem System zu entfernen und dadurch beispielsweise zu Zwecken der Gebäudeklimatisierung Kühlleistung zur Verfügung stellen zu können.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Wärmetauschvorrichtungen in Abwasserkanälen zum Energieaustausch mit Abwasser bekannt. So wird bereits in der
DE 35 21 585 A1 eine Vorrichtung zur Gewinnung der Abwärme aus Schmutzwasser in einem Kanalnetz, das aus Abwasserrohren und Kontrollschächten besteht, beschrieben. Dort ist vorgesehen, dass jedes Abwasserrohr selbst Mittel zur Aufnahme der Abwärme (gemäß Beschreibung eine Rohranordnung) des Schmutzwassers aufweist. Diese bereits bekannte Lösung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Insbesondere sind Abwasserrohre in der Regel aus z. B. Beton oder anderen sehr schlecht wärmeleitenden Materialien gefertigt, so dass der Wärmeübertrag vom Abwasser zu der Rohranordnung in der Regel sehr stark behindert wird, zudem ist ein nachträglicher Einbau sehr schwierig umsetzbar beziehungsweise zu wettbewerbsfähigen Kosten in der Regel nicht machbar.
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In der
DE 10 2009 035 271 B9 werden eine Wärmetauschervorrichtung und deren Verwendung beschrieben. Nachteilig bei der dortigen Wärmetauschervorrichtung ist jedoch, dass sie zwei getrennte Wandungsabschnitte aufweist, wobei vorgesehen ist, dass nur einer der beiden Wandungsabschnitte mit Abwasser kontaktiert und der zweite Wandungsabschnitt mit einer Abwasserrohrleitung kontaktiert. Dadurch ergibt sich unter anderem auf besonders nachteilige Weise zum einen nur eine geringe Kontaktfläche zum Austausch von Wärmeenergie mit dem Abwasser und zum zweiten besteht das Risiko, dass durch den dort erfindungsgemäß vorgesehenen Kontakt des zweiten Wandungsabschnitts mit der Abwasserrohrleitung ein Verlust wertvoller Wärmeenergie droht, insbesondere wenn ein Entzug von Wärmeenergie aus dem Abwasser mit der Anordnung erzielt werden soll.
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Ähnliche Nachteile ergeben sich auch aus der aus
DE 10 2005 048 689 B3 ergebenden Anordnung, insbesondere der Nachteil, dass ein Wärmeaustausch nur über eine Oberseite einer wärmeleitenden Tauschfläche vorgesehen ist. Darüber erschwert der Einsatz einer solchen Tauschfläche einen nachträglichen Einbau auf besonders nachteilige Weise, da diese in der Regel starr ausgebildet sind und daher gerade in verwinkelten Kanalsystemen oftmals nur unter hohem Aufwand beziehungsweise – wenn das Kanalsystem zu engere Durchmesser oder stärkere Verwinkelungen aufweist, überhaupt nicht nachträglich einbringbar sind.
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Auch die aus der
DE 197 19 311 C5 bekannte Abwärme-Installation für Abwasser mit einer Trockenwasserrinne zur Leitung von Abwasser ermöglicht nur eine geringe Kontaktfläche zum Abwasser, wodurch daher in besonders nachteiliger Weise der Wärmeaustausch mit dem Abwasser deutlich reduziert ist. Ferner ist bei der dortigen Abwärme-Installation ebenfalls nachteilig, dass diese Installation sehr aufwändige Einbauten in den Abwasserkanal erfordert, so dass ein nachträglicher Einbau des beschriebenen Systems sehr erschwert und mit äußerst hohen Kosten verbunden ist.
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Ferner sind sogenannte „Heatliner” im Stand der Technik beschrieben. Diese stellen kunststoffbasierte Auskleidungen für Kanalrohre dar, die zum Beispiel im Rahmen von Kanalreparaturen in einen Kanal eingebracht werden können und die Kanalwandung vollflächig abdecken und dadurch einen Kanal zum Beispiel nachträglich abdichten können, wobei in der Ausführung als „Heatliner” vorgesehen ist, dass diese Auskleidungen auch innenliegend Schlauchsysteme beinhalten. Solche Heatliner sind zwar durch ihre kunststoffbasierte Ausgestaltung flexibel und dadurch auch zum Beispiel in enge oder verwinkelte Kanalsysteme einbringbar, allerdings weisen sie in der Regel einen sehr schlechten Wärmeübertrag auf, da sowohl das Auskleidungsmaterial als auch das Schlauchmaterial nahezu als Wärmeisolatoren wirken. Zudem sind die Schlauchsysteme längs verlaufend, wodurch sich an beiden Seiten der Anordnung die zusätzliche Schwierigkeit ergibt, dauerhaft dichte, aber dennoch flexibel biegbare Abschlüsse auszubilden.
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Aus der
DE 10 2009 037 118 A1 ist eine Vorrichtung zum Wärmeentzug mit einem schwimmenden Wärmetauscher bekannt. Diese weist einen schwimmenden Hohlkörper auf, wobei die Unterseite des Hohlkörpers aus doppelwandigen Edelstahlblechen mit einem verrippten Zwischenraum besteht, durch den Wärmetauschflüssigkeit fließt. Zwar könnten durch die Verrippungen Mikrokanäle gebildet werden, da diese aber dennoch durch großflächige Edelstahlbleche überspannt werden und daher nicht vereinzelt sind, bleibt die Abwasser-Kontaktfläche auf die äußeren Seiten der Edelstahlbleche begrenzt. Dadurch ergeben sich auch hier in sehr nachteiliger Weise nur ein geringer Wärmeaustausch und somit ein geringer Wirkungsgrad des Systems. Da die Vorrichtung aufgrund der Verwendung von Edelstahl in Längsrichtung starr ausgebildet ist, bleibt auch bei der aus dieser Schrift bekannten Vorrichtung eine Einbringung in enge Kanalsysteme deutlich erschwert beziehungsweise – sofern die Kanäle in entsprechend engen Kurvenradien verlegt sind – sogar unmöglich. Da alle Komponenten dieses Systems starr und groß und dadurch ein hohes Gewicht aufweisen, bleiben zudem der Transport und eine Vor-Ort-Montage zumindest deutlich erschwert.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement zum Einsatz in einem Kanal sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage eines Wärmetauschers mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 hat demgegenüber den Vorteil, dass das Wärmetauscherelement wenigstens zwei Mikrokanäle aufweist, die vereinzelt ausgebildet und parallel angeordnet sind und sowohl mit der Zuleitung als auch mit der Ableitung Verbindungen bilden und wobei sich die Zuleitung und die Ableitung gegenüber liegen. Die Verwendung von Mikrokanälen, die Verbindungen mit der Zu- und der Ableitung bilden, ergibt dabei den besonderen Vorteil, dass ein hoher Standardisierungsgrad bei der Herstellung solcher Mikrokanäle erzielt werden kann und dadurch die Herstellkosten des Gesamtsystems in besonders vorteilhafter Weise gesenkt werden können. Zudem ergibt sich der besondere Vorteil, dass eine Montage eines Wärmetauschers, bestehend aus einem oder mehreren der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente einfach und flexibel erfolgen kann, wodurch weitere vorteilhafte Kostenersparnisse realisiert werden können. Besonders vorteilhaft ist ferner, dass – wenn ein Fluid derartige Mikrokanäle in etwa quer anströmt – starke Verwirbelungen des Fluids ausgelöst werden, so dass zum einen der Wärmeübertrag durch Konvektion aus dem Inneren beziehungsweise in das Innere des Fluids an die Oberfläche der Mikrokanäle verbessert wird. Ferner unterstützen derartige Verwirbelungen in besonders vorteilhafter Weise eine Selbstreinigung der Oberflächen, wodurch eine Bildung von Biofilmen (so genannte Siehlhäute) auf der Oberfläche des Wärmetauschers verringert wird. Hierdurch können notwendige Wartungsintervalle zur Reinigung der Wärmetauschersysteme beträchtlich verlängert werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Erfindungsgegenstandes gegeben.
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Bildet man die Zuleitung oder die Ableitung aus verformbarem Material aus, so ermöglicht dies auf besonders vorteilhafte Weise, einerseits Wärmetauscherelemente nicht nur in geradlinig und eben verlaufenden Kanalabschnitten, sondern auch in unebenen und/oder ungeradlinig verlaufenden Kanälen zu verbauen. Da üblicherweise Zugänge zu Kanälen eng gehalten und in der Regel quer zum Kanalverlauf angeordnet sind, wird der Einbau eines Wärmetauscherelements wesentlich erleichtert, da das Wärmetauscherelement aufgrund des verformbaren Materials der Zu- oder Ableitung mit einem kleineren Krümmungsradius in den Kanal eingebracht und verlegt werden kann. Dadurch wird auch die maximal mögliche Länge der in den Kanal einbringbaren Wärmetauscherelemente erhöht, wodurch auf besonders vorteilhafte Weise der Kostenaufwand während des Montageprozesses deutlich reduziert werden kann.
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Kontaktiert wenigstens ein Mikrokanal die Innenwandung des Kanals nicht direkt, so ermöglicht dies, dass das im Kanal strömende Fluid den Mikrokanal sowohl ober- als auch unterseitig umströmen kann. Dies bewirkt, beispielsweise im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten, nur einseitig vom Fluid überströmbaren, auf Platten basierenden Wärmetauscherelementen, eine deutliche Vergrößerung der für den Wärmeübertrag nutzbaren Oberfläche. Dies ermöglicht wiederum bei ansonsten gleicher Länge des Wärmetauschers eine deutliche Steigerung der thermischen Übertragungsleistung oder umgekehrt bei gleicher gewünschter thermischer Übertragungsleistung eine deutliche Verkürzung der erforderlichen Gesamtlänge und somit eine wesentliche Kostenreduktion des Gesamtsystems.
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Kontaktiert wenigstens ein Mikrokanal die Innenwandung des Kanals nur mit einem oder mehreren, jeweils vereinzelt angeordneten Auflagepunkten, so lassen sich weiterhin die Vorteile einer erhöhten Umströmungsoberfläche nutzen und gleichzeitig können diese Auflagepunkte in vorteilhafter Weise die Standfestigkeit und Stabilität des Gesamtsystems, z. B. im Hinblick auf mögliche Auswirkungen schweren Schwemmguts auf das Wärmetauscherelement, weiter verbessern.
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Bilden die Zuleitung, die Ableitung und gegebenenfalls die zuvor genannten jeweils vereinzelt angeordneten Auflagepunkte die einzigen Kontaktpunkte des Wärmetauscherelements mit der Innenwandung des Kanals, so ergibt sich eine sehr stabile Positionierung des Wärmetauscherelements im Kanal. Darüber hinaus wird es wesentlich erleichtert, insbesondere zu Zwecken der Montage, das Wärmetauscherelement im Kanal verschieben zu können oder – bei zu hoher Haft- oder Gleitreibung zwischen den Kontaktpunkten und der Innenwandung – gezielt an den entstehenden Reibpunkten durch Gleitmittel, Gleitfolien, Zusatzräder oder dergleichen die Reibung herabzusetzen und so ein einfaches Verschieben zu ermöglichen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine der Verbindungen eines Mikrokanals mit der Zu- oder der Ableitung als Schraub-, Steck- oder Klebeverbindung ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache, sehr schnelle und dadurch sehr kostengünstige Verbindung der Hauptkomponenten des Wärmetauscherelements. Gleichzeitig kann durch solche Verbindungen eine lang andauernde Haltbarkeit und Dichtheit, auch trotz der in Kanälen üblicherweise zu erwartenden hohen Materialbeanspruchungen erreicht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung ergibt sich, wenn eine solche Verbindung eine Buchse aufweist, da mittels einer Buchse der Mikrokanal besonders schnell und einfach mit Zu- oder Ableitung verbunden werden kann, wobei gleichzeitig vorteilhafterweise die Dichtheit der Verbindung, auch unter Druck einfach sicher gestellt werden kann.
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Wird ein Mikrokanal in etwa mittig mit der Zuleitung oder der Ableitung verbunden, so ergeben sich unter anderem die besonderen Vorteile, dass die Verbindung einfacher, insbesondere auch druckdicht, hergestellt werden kann und dass bei Verschieben des Wärmetauscherelements die Verbindung nicht an der Innenwandung des Kanals schleift und somit Schaden nehmen könnte. Zudem wird hierdurch im Betrieb ein vollflächiges Umströmen des Fluids um den Mikrokanal weiter erleichtert.
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Die Mikrokanäle weisen eine Krümmung auf, die diese in Flussrichtung oder entgegen der Flussrichtung des Abwassers krümmen. Dies ermöglicht, die Weglänge zwischen Zuleitung und Ableitung zu vergrößern, wodurch der Wärmeaustausch mit dem umströmenden Fluid weiter verbessert werden kann.
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Im Stand der Technik ist ein Aufbau einer Wärmenutzungsanlage, insbesondere in Abwasserkanälen, mit einem sehr hohen zeitlichen und technischen Aufwand verbunden. Diese Aufwände können durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage eines Wärmetauschers deutlich gesenkt werden, wodurch sich beträchtliche Wettbewerbsvorteile realisieren lassen. So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oftmals auf eine sehr aufwändige, bislang aber stets erforderliche Wasserhaltung verzichtet werden. Zudem kann der Automatisierungsgrad für Montage und Verlegung gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert werden, was weitere Kostenreduktionen ermöglicht. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren zudem schwierige, zeit- und kostenaufwändige Schweißarbeiten innerhalb des Kanals zur Verbindung einzelner Wärmetauscherelemente oftmals obsolet werden, können mittels des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements beziehungsweise des Verfahrens zur Montage auch engere Kanäle mit Wärmetauscherelementen belegt werden, die ein Betreten und damit ein Verrichten von Schweißarbeiten nicht zulassen. Über die hierdurch realisierbaren Kostenvorteile hinaus ist es dabei besonders vorteilhaft, auch engere Kanäle belegen zu können, da die in solchen Kanälen fließenden Fluide oftmals höhere Temperaturen aufweisen als – in der Regel als Sammelkanäle fungierende – größere Kanäle.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmetauscherelement für einen Kanal zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig hergestellt werden kann, eine einfache und kostengünstige Installation sowohl bei einer Ersterrichtung eines Kanals als auch bei einem nachträglichen Einbau ermöglicht und das einen effizienten Wärmeaustausch mit einem im Kanal fließenden Fluid vorsieht.
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Die Erfindung löst die oben genannte und weitere Aufgaben durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben. Die Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt an einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Querschnitt durch einen Kanal mit einem Wärmetauscherelement,
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2 zeigt an einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Aufsicht auf ein Wärmetauscherelement, bei der mehrere Mikrokanäle eine Krümmung entlang der Fließrichtung des im Kanal fließenden Fluids aufweisen,
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3 zeigt an einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mehrere Verbindungen zwischen einer Zuleitung und mehreren Mikrokanälen unter Verwendung einer Verteilleiste mit mehreren Buchsen und
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4 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage anhand eines Kanals im Längsschnitt sowie eines Wärmetauschersystems, das in den Kanal eingebracht wird, dar.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist es, Wärmetauscherelemente aus mehreren einfach herzustellenden, vorzugsweise standardisierten, Mikrokanälen zusammenzufügen. Dadurch wird eine Montage sowohl innerhalb eines Kanals als auch außerhalb eines Kanals, vor Ort in der Umgebung des Kanals oder auch in größerer Distanz zum Aufstellungsort, zum Beispiel in einem Montagegebäude, ermöglicht. Gleichzeitig wird im Rahmen des normalen Betriebs des Wärmetauschers der Strömungsverlauf eines im Kanal fließenden Fluids aufgrund gezielter, durch die Mikrokanäle ausgelöster Verwirbelungen bedeutend verbessert.
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Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement zeichnet sich dabei dadurch aus, dass es grundsätzlich in jeder Art Kanal beziehungsweise Rohrsystem einsetzbar ist, in dem ein Fluid transportiert wird, von oder zu welchem ein Wärmeübergang erreicht werden soll. Insbesondere ist es vorgesehen, das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement in Kanälen beziehungsweise Rohrsystemen zum Frisch- oder Abwassertransport als auch in Kanälen beziehungsweise Rohrsystemen zum Transport von sonstigen wasserhaltigen als auch nichtwasserhaltigen Fluiden einzusetzen.
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Ebenso ist es vorgesehen, das erfindungsgemäße Element in Kanälen beliebigen Querschnitts, beispielsweise rund oder rechteckigem Querschnitt oder veränderlichem Querschnitt, beliebiger Form, insbesondere in Kanalabschnitten mit geradlinigem oder ungeradlinigem Verlauf, und beliebigen Materials, beispielsweise gefertigt aus Beton, Stahl, Kupfer oder Kunststoff oder Kombinationen hieraus, einzusetzen.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen wird beispielhaft von einem unterirdisch verlaufenden, abwasserführenden Kanal ausgegangen, in den ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherelement integriert ist. Dieses Wärmetauscherelement ist dabei gleichzeitig auf an sich bekannte Weise in einen in den Figuren nicht weiter dargestellten, geschlossenen und von Kühlmittel durchflossenen Kreislauf eingebunden. Neben dem Wärmetauscherelement ist auch eine – ebenfalls nicht weiter dargestellte – elektrisch oder kraftstoffbetriebene Wärmepumpe integriert. Diese Wärmepumpe ist auf an sich bekannte Weise ausgebildet, dem Kühlmittel Wärme zu entziehen, um diese Wärme auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren oder – je nach Bedarf und Einsatzziel – dem Kühlmittel Wärme zuzuführen. Die Einheit aus Wärmetauscherelement, Kühlkreislauf und Wärmepumpe bildet eine so genannte Abwasserwärmenutzungsanlage.
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Vereinfachend sei für die weiteren Darstellungen angenommen, dass der Einsatzzweck der Abwasserwärmenutzungsanlage darin bestehe, Heizenergie zur Verfügung zu stellen und daher die Wärmepumpe eingerichtet ist, dem Kühlmittel Wärmeenergie zu entziehen. Eine alternative Nutzung der Abwasserwärmenutzungsanlage beziehungsweise des Wärmetauscherelements mit dem Einsatzzweck, Kühlleistung zur Verfügung zu stellen, stellt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar und erschließt sich dem Fachmann durch Umdrehen der Wärmeenergieübertragungsrichtungen.
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1 zeigt bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt einen solchen Abwasserkanal 2, der von Abwasser durchströmt wird. Das Abwasser weise dabei eine erhöhte Temperatur auf, so dass eine Nutzung als Sekundärenergiequelle angestrebt werden kann.
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Der Abwasserkanal 2 weist eine Innenwandung 13 auf, auf der entlang einem Auflagepunkt beziehungsweise einer Auflagelinie 10 eine Zuleitung 3 und an einem Auflagepunkt beziehungsweise einer Auflagelinie 11 eine Ableitung 4 eines Wärmetauscherelements 1 stabil auf der Innenwandung 13 beziehungsweise auf dem Kanal 2 aufliegen und zueinander ungefähr parallel angeordnet sind. Das Wärmetauscherelement 1 weist zusätzlich in ungefähr 1 bis 2 cm Abständen näherungsweise zueinander parallel verlaufende Mikrokanäle 7 auf, die über Verbindungen 5 mit der Zuleitung 3 und über Verbindungen 5 mit der Ableitung 4 verbunden sind. In dieser Ausgestaltung sind die Mikrokanäle rohrförmig mit Durchmessern von 1 cm ausgestaltet.
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Die Anzahl der verwendeten Mikrokanäle je Wärmetauscherelement, ihr Abstand zueinander sowie ihre Größe und Form sowie Art, Größe und Form der Zuleitung 3 als auch der Ableitung 4 können dabei in weiten Bereichen variiert werden, beispielsweise um individuelle Gegebenheiten des Kanals berücksichtigen oder um kostengünstige Standardkomponenten zur Herstellung der Mikrokanäle 7 oder der Zuleitung 3 beziehungsweise der Ableitung 4 verwenden zu können.
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In alternativen Ausführungen der Erfindung ist es ferner vorgesehen, zur weiteren Verbesserung der Stabilität die Zuleitung 3 und/oder die Ableitung 4 mit an sich bekannten Haltevorrichtungen zusätzlich im Kanal 2 zu verankern.
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Die Mikrokanäle 7 sind dabei aus an sich bekanntem Material hergestellt, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit erwarten lässt, beispielsweise aus Stahl oder aus Kupfer, um einen möglichst optimalen Wärmeübertrag von beziehungsweise zum Fluid zu ermöglichen.
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Die Mikrokanäle 7 verlaufen somit in etwa quer zur Fließrichtung des Abwassers beziehungsweise zur Verlaufsrichtung des Kanals 2. In der in 1 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung berührt der Mikrokanal 7 die Innenwandung 13 in einem weiteren Auflagepunkt 9. Hierdurch bilden die Auflagepunkte 9 sowie die Auflagelinien 10 und 11 Abstützpunkte des Wärmetauscherelements auf der Innenwandung 13 beziehungsweise auf dem Kanal 2, wodurch das Wärmetauscherelement 1 kipp- und rutschsicher auf der Innenwandung 13 aufliegt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass wenigstens einer der Mikrokanäle 7 zumindest entlang wenigstens eines Teilabschnitts abgeplattet ist, wodurch der Wärmeaustausch mit dem Fluid in diesem Teilabschnitt weiter optimiert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführung der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass die Ansatzpunkte der Verbindungen auf der Zu- beziehungsweise Ableitung derart in etwa mittig angeordnet sind, dass die Mikrokanäle 7 wenigstens nahe der Zuleitung 3 beziehungsweise der Ableitung 4 die Innenwand 13 beabstanden, wodurch das Fluid des Kanals 2 die Mikrokanäle 7 sowohl ober- als auch unterseitig umströmen kann. In alternativen Ausgestaltungen ist es zudem vorgesehen, auch Ausführungen der Erfindung auszubilden, bei denen die Mikrokanäle 7 die Innenwandung 13 nicht weiter berühren, sondern beispielsweise näherungsweise parallel zur Innenwandung 13 verlaufend geformt sind, wodurch sich zum einen eine einfachere und dadurch kostengünstigere Herstellung der Mikrokanäle ermöglichen lässt als auch gleichzeitig die Oberflächen der Mikrokanäle, die mit dem Fluid in Kontakt treten können, weiter vergrößert werden kann.
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In 2 ist eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, insbesondere eine alternative Ausgestaltung der Mikrokanäle. Wie in der Aufsicht 2 entnehmbar, weisen diese in dieser Ausgestaltung eine zusätzliche Krümmung 8 auf, dergestalt dass die Mikrokanäle 7 in Richtung des Kanalverlaufs gekrümmt werden, so dass die Weglängen der Mikrokanäle innerhalb des Fluids deutlich vergrößert werden und damit ein späterer Wärmeaustausch zwischen Fluid und dem Wärmetauscherelement weiter verbessert werden kann.
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Ferner ist es in alternativen Ausführungen vorgesehen, dass mehrere Mikrokanäle 7 in eine gemeinsame Zuführung münden, welche wiederum über eine Verbindung 5 beziehungsweise 6 mit der Zuleitung 3 beziehungsweise einer Ableitung 4 verbunden ist, wodurch die Anzahl benötigter Verbindungen 5, 6 herabgesetzt werden kann.
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Ebenso ist es in weiteren alternativen Ausführungen vorgesehen, dass die Mikrokanäle 7 Verengungen aufweisen, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Kühlmittels herabgesetzt wird und somit die Kontaktzeit des Kühlmittels mit den Innenwänden der Mikrokanäle 7 erhöht und somit der Wärmeaustausch mit dem Fluid verbessert wird.
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In einer besonders vorteilhaften weiteren Ausführung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, die Zuleitung 3 und/oder die Ableitung 4 aus verformbarem Material herzustellen. Dazu können beispielsweise an sich bekannte Kunststoffe wie PE, PP oder PVC, dünne Stähle oder ähnliche Materialien, die eine plastische oder elastische Verformbarkeit aufweisen, verwendet werden. Aufgrund der Verformbarkeit des Materials kann sich zum einen die Form des Wärmetauscherelements auf besonders einfache Weise an unterschiedlichste Kanalverläufe anpassen. Zudem ergibt sich dadurch die Möglichkeit, während des Einbaus das Wärmetauscherelement auch in engen Kurvenradien führen zu können.
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Weiterhin ergibt sich eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass Buchsen entlang der Zuleitung 3 und/oder der Ableitung 4 vorgesehen werden, an die auf an sich bekannte Weise Mikrokanäle 7 durch Schrauben, Stecken oder ähnliche Techniken druckdicht und sehr einfach befestigt werden können. Insbesondere ist es in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, entsprechend 3 mehrere Buchsen in einer Verteilleiste zusammenzufassen, die dann wiederum zum Beispiel thermisch oder durch Kleben mit der Zuleitung 3 beziehungsweise der Ableitung 4 auf einfache Weise je nach Bedarfssituation vor Einbringen in den Kanal oder nachträglich nach Einbringen verbunden werden können. Es ist zudem vorgesehen, dass mittels der Verteilleiste entsprechend 3 konsekutive Verbindungen zwischen mehreren Mikrokanälen geschaffen werden, so dass sich insgesamt die Weglänge des Kühlmittels gemäß den durch die jeweilige Situation gegebenen Erfordernissen oder Wünschen eines Errichters des Gesamtsystems oder sonstigen technischen oder nichttechnischen Parametern verlängert oder verkürzt und damit der Wärmeübertrag variiert werden kann. Ebenso ist es vorgesehen, zum Beispiel je nach geplantem Vorgehen zur Montage des Gesamtsystems, die Verteilleiste entweder in Form längerer Einzelelemente oder in Form jeweils wiederum zusammenfügbarer, vorzugsweise zusammensteckbarer, Einzelbauteile auszugestalten.
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Während des Betriebes eines solchen Wärmetauscherelements 1 über- und unterströmt das Fluid die Mikrokanäle 7, wobei sich zwischen den einzelnen Mikrokanälen eine Vielzahl von Verwirbelungen des Fluids bilden und somit Wärmeenergie sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion aus unterschiedlichen Schichten des Fluidstroms zu den Oberflächen der Mikrokanäle 7 gelangen und diese erwärmen kann. Durch den Kühlkreislauf fließendes Kühlmittel gelangt nun in die so erwärmten Mikrokanäle und nimmt diese Wärmeenergie auf. Anschließend gelangt der Kühlmittelstrom zur Wärmepumpe, wo die aus dem Abwasser aufgenommene Wärme wieder abgegeben und auf das gewünschte Temperaturniveau transformiert werden kann. Aufgrund der Verwirbelungen des Fluids werden Verschmutzungen, insbesondere der Mikrokanäle, vermieden und es ergibt sich durch die Bewegung des Fluids darüber hinaus eine besonders vorteilhafte Selbstreinigungswirkung. Im Fluid vorhandenes Geschiebe wird entweder über- oder unter den Mikrokanälen durchgeleitet, darüber hinaus fördert beziehungsweise ermöglichen die durch Krümmungen gebildeten Formen der Mikrokanäle auch eine seitliche Weiterleitung von Geschiebe.
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4 stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Montage eines Wärmetauscherelements dar. Wie der Figur entnehmbar, werden hierzu Wärmetauscherelemente 1 durch Verbinden der Mikrokanäle 7 mit der Zuleitung 3 und der Ableitung 4 vorgefertigt und, beispielsweise aufgerollt auf einer Rolle 14, oberirdisch in die Nähe des späteren Aufstellungsortes gebracht. Anschließend werden diese Wärmetauscherelemente 1 durch einen Schacht 16 in den Kanal 2 eingeschoben. Mit Hilfe eines am vorderen Ende angebrachten Zugseils 15 oder alternativ einer sonstigen Schub- oder Zugvorrichtung kann nun aufgrund der geringen Auflageflächen das Wärmetauscherelements 1 sehr einfach und kostengünstig an seine erwünschte endgültige Position gebracht werden und an den Kühlkreislauf auf an sich bekannte Weise angeschlossen werden. Eine separate Wasserhaltung während der Montage ist sowie Schweiß- oder ähnliche Montagearbeiten im Kanal 2, um die Wärmetauscherelemente zusammenzufügen, sind dabei nicht erforderlich.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist es dabei vorgesehen, zur weiteren Verbesserung der Verschiebbarkeit Gleitmittel, beispielsweise Gleitfolien, Schmiermittel, Räder oder Rollen, an das Wärmetauscherelement 1 zumindest für die Phase des Verschiebens anzubringen.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, in dem die Zuleitung 3 und die Ableitung 4 als Einzelteile in den Kanal 2 eingebracht und zueinander ungefähr parallel ausgerichtet werden. Mit Hilfe eines an sich auf bekannte Weise konstruierbaren Werkzeugs, das sich innerhalb des Kanals mit Hilfe von Rädern, schwimmend oder auf sonst an sich bekannte Weise innerhalb des Kanals bewegen kann, werden nun nacheinander manuell oder – in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahrens – teil- oder vollautomatisiert reißverschlussartig die Mikrokanäle 7 mit der Zuleitung 3 und der Ableitung 4 verbunden. Eine besonders einfache alternative Ausgestaltung ergibt sich dabei, wenn an der Zuleitung 3 und der Ableitung 4 Buchsen vorhanden sind, so dass die Mikrokanäle 7 durch einfaches Stecken druckdicht und dauerhaft haltbar mit der Zuleitung 3 und der Ableitung 4 verbunden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscherelement
- 2
- Kanal
- 3
- Zuleitung
- 4
- Ableitung
- 5, 6
- Verbindungen
- 7
- Mikrokanal
- 8
- Krümmung
- 9, 10, 11
- Auflagepunkte beziehungsweise Auflagelinien
- 12
- Abwasser/Fluid
- 13
- Innenwandung
- 14
- Rolle
- 15
- Zugseil
- 16, 17
- Schacht
