DE102012002706A1

DE102012002706A1 - System und Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102012002706A1
Application number: DE201210002706
Authority: DE
Inventors: Frank Schienle
Original assignee: Rena GmbH
Current assignee: Rena GmbH
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet von Wärmerückgewinnungsanlagen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wärmerückgewinnungsanlage zur Rückgewinnung von Wärme aus diskontinuierlich bereitstehendem Abwasser. Das erfindungsgemäße System zur Rückgewinnung von in einer Flüssigkeit (F) geführter Wärme weist einen Speicher (1) auf, der zur Aufnahme eines flüssigen Speichermediums (S) ausgelegt ist und einen ersten Wärmetauscher (2), der den Speicher (1) zur Durchleitung der Flüssigkeit (F) vertikal durchzieht, einen im oberen Bereich (7) angeordneten zweiten Wärmetauscher (6), sowie mindestens eine für das erwärmte Speichermedium (S) durchströmbare Öffnung (11) aufweist, welche durch eine den Innenraum des Speichers (1) in zwei Zonen (9, 10) unterteilende Kompartimentierung (8) und/oder durch den Raum zwischen zwei benachbarten Windungen einer spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers (2) gebildet ist. Die Erfindung offenbart ferner ein Verfahren zur Rückgewinnung von in einer Flüssigkeit (F) geführter Wärme unter bevorzugter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft das Gebiet von Wärmerückgewinnungsanlagen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wärmerückgewinnungsanlage zur Rückgewinnung von Wärme aus diskontinuierlich bereitstehendem Abwasser.
Stand der Technik und Nachteile
Zur Gewinnung von Wärme aus Fluiden, also Flüssigkeiten und Gasen, mit bestimmter Temperatur sind Wärmetauscher (auch Wärmeübertrager) und Wärmepumpen bekannt. Als Fluide kommen unter Anderem auch Abwässer aus privaten oder öffentlichen Gebäuden sowie aus Industrieanlagen in Betracht.
Wärmetauscher, bei denen der Wärmeaustausch durch eine von Wärme durchdringbare Wand erfolgt, werden auch Rekuperatoren genannt. Diese werden bevorzugt im Gegenstrom, im Kreuzstrom, oder weniger bevorzugt auch im Gleichstrom betrieben. Auch Mischformen sind möglich. Die Güte eines Wärmetausches wird unter anderem durch den Wirkungsgrad angegeben, der sich aus dem Verhältnis von aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener Energie auf der warmen Seite bestimmt. Eine optimale Wirkung entfaltet ein Wärmetauscher nur dann, wenn die Wärmekapazitätenströme auf beiden Seiten des Wärmeübertragers gleich groß sind, also beispielsweise gleiche Stoffmengen gleicher Wärmekapazität aneinander vorbei geführt werden. Dies ist in der Praxis nicht immer möglich. Insbesondere gilt dies für den Fall diskontinuierlich zur Verfügung stehender wärmeabgebender Medien wie Abwasser.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 007 726 A1 ist ein Wärmetauscher zum Einbau in das Abwasserrohr beispielsweise eines Gebäudes bekannt. Auch frei stehende Speicher, die einen Wärmetauscher beinhalten, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Durch die kurze Verweildauer des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher wird jedoch nur ein Bruchteil der Restwärme des wärmeabgebenden Mediums übertragen. Zudem arbeitet ein Wärmetauscher nur bei gleichzeitigem Fluss des zu entwärmenden und des aufzuwärmenden Mediums effektiv, was bei Abwasser von Gebäuden zumeist nicht der Fall ist.
Eine Lösung sieht daher einen möglichst großen Speicher vor, der aus dem diskontinuierlichen einen quasi-kontinuierlichen Strom herzustellen vermag. Nachteilig ist jedoch die große Bauform eines solchen Speichers.
Eine bessere Nutzung der Restwärme als mit Wärmetauschern ist mit Wärmepumpen möglich. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Fluidkreislauf, der einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Kondensator und eine Drossel umfasst. Unter niedrigem Druck und Wärmezufuhr verdampft das Fluid im Bereich des wärmeabgebenden Mediums (z. B. warmes Abwasser). Anschließend wird der Druck mittels des Verdichters erhöht, dabei erwärmt sich das Fluid weiter. Die Wärme wird dann im Bereich des wärmeaufnehmenden Mediums (z. B. einem Brauchwasserspeicher) unter Kondensation abgegeben. Eine wichtige Kenngröße von Wärmepumpen ist die so genannte Leistungszahl ε (engl. auch „COP”, Coefficient of Performance). Diese gibt das Verhältnis der nutzbaren Wärme zur eingesetzten Leistung an, die für den elektrisch angetriebenen Verdichter benötigt wird. Im Falle diskontinuierlich strömender wärmeabgebender Medien wird wiederum ein großer Speicher vorgesehen, der entsprechenden Bauraum benötigt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 037 161 A1 offenbart.
Aufgabe der Erfindung und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach in der Vermeidung der beschriebenen Nachteile. Insbesondere soll die Erfindung eine Vorrichtung bereitstellen, die einen im Vergleich zu bekannten Wärmerückgewinnungsanlagen für Abwasser geringen Platzbedarf aufweist und zugleich einen hohen Wirkungsgrad bzw. eine hohe Leistungszahl hat.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren zu entnehmen.
Beschreibung
Nachfolgend wird zunächst die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben. Alsdann erfolgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches besonders bevorzugt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
Das nachfolgend beschriebene System dient der Rückgewinnung von in einer Flüssigkeit geführter Wärme.
Erfindungsgemäß weist ein solches System einen Speicher auf, der zur Aufnahme eines flüssigen Speichermediums ausgelegt ist. Derartige Speicher sind aus dem Stand der Technik bekannt und zeichnen sich vor allem durch eine gute Isolierung aus, um die darin enthaltene Wärme nicht unkontrolliert in die Umgebung entweichen zu lassen. Dieser Speicher weist einen ersten Wärmetauscher, der den Speicher zur Durchleitung der Flüssigkeit vertikal durchzieht und rohrartig ausgebildet ist, einen im oberen Bereich des Speichers angeordneten zweiten Wärmetauscher, sowie mindestens eine für das erwärmte Speichermedium durchströmbare Öffnung mit einem Eingang und einem Ausgang, die zur Ausrichtung der Strömung des Speichermediums dient, auf. Diese Öffnung ist erfindungsgemäß entweder durch eine den Innenraum des Speichers in zwei Zonen unterteilende Kompartimentierung, und/oder durch den Raum zwischen zwei benachbarten Windungen einer spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers gebildet.
Die beiden Wärmetauscher sind dazu geeignet, von einem flüssigen Medium durchströmt zu werden. „Durchströmbar” bedeutet vorliegend immer den Durchtritt eines Fluids durch eine Öffnung, die sowohl eine Bohrung (wie bevorzugt im Bereich der vorstehend genannten mindestens einen Öffnung) als auch das Lumen eines Rohres (wie bevorzugt beim ersten oder zweiten Wärmetauscher) sein kann. Auch der Zwischenraum zwischen zwei voneinander beabstandeten Lamellen (s. u.) ist definitionsgemäß „durchströmbar”. Zur Durchströmbarkeit mit einem Fluid sind die Wärmetauscher demnach bevorzugt schlauch- oder rohrförmig ausgebildet. Der erste Wärmetauscher ist für die zu entwärmende Flüssigkeit vorgesehen, und der zweite Wärmetauscher dient der Aufnahme eines Transfermediums, mit welchem die zurückgewonnene Wärme aus dem Speicher abtransportierbar ist. Es ist klar, dass beide Wärmetauscher zum Anschluss an die bevorzugt flüssigen Medien entsprechende nach außerhalb des Speichers weisende Schnittstellen haben sollten. Als Transfermedium (Kältemittel) kommt beispielsweise Wasser oder ein, bevorzugt unter Druck stehendes, Medium wie Kohlendioxid, FCKW, Propan, Propylen oder Ammoniak in Betracht.
„Vertikal Durchziehen” meint vorliegend, dass der Weg vom funktionalen Beginn zum funktionalen Ende des ersten Wärmetauschers im Wesentlichen vertikal verläuft; dies schließt jedoch nicht aus, dass auch andere, insbesondere horizontale und/oder spiralförmig verlaufende Wegabschnitte zwischen diesen beiden funktionalen Orten vorhanden sein dürfen.
Erfindungsgemäß weist das erfindungsgemäße System ferner mindestens eine für das erwärmte Speichermedium durchströmbare Öffnung auf, welche nach einer bevorzugten Ausführungsform durch eine den Innenraum des Speichers in zwei Zonen unterteilende Kompartimentierung gebildet ist. Auch hier sei auf die Definition des Begriffs der „Durchströmbarkeit” hingewiesen. Trotz der Kompartimentierung sind die durch die Aufteilung gebildeten Zonen nach wie vor fluidisch miteinander verbunden. Dies ist einerseits aufgrund der erfindungsgemäßen Durchströmbarkeit derselben gegeben. Andererseits schließt die Kompartimentierung zumindest an ihrem oberen Ende nicht dicht mit dem Deckel des Speichers ab, sondern erlaubt ein Überfließen des Speichermediums zwischen zweiter und erster Zone. Bevorzugt schließt die Kompartimentierung auch am unteren Ende des Speichers nicht dicht mit dem Boden desselben ab, sondern erlaubt ebenfalls ein Übertreten des Speichermediums von der ersten in die zweite Zone.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit durch eine Lenkung des aufsteigenden Speichermediums in eine eigens dafür vorgesehene Zone, und eine Lenkung des wieder absinkenden Speichermediums in eine andere, ebenfalls dafür vorgesehene Zone gelöst. Die Strömung entsteht dabei durch natürliche Konvektion. Auf diese Weise ist ein schneller und gezielter Transport des aufgewärmten Speichermediums in ein diese Wärme aus dem System abführendes Transfermedium gewährleistet.
Nachfolgend wird die Erfindung zunächst anhand eines Systems beschrieben, welches die Kompartimentierung umfasst.
Wie aus vorstehender Beschreibung ersichtlich ist die erste der beiden Zonen durch Anwesenheit des ersten Wärmetauschers und die zweite Zone durch Abwesenheit dieses Wärmetauschers gekennzeichnet. Mit anderen Worten, die Zonen unterscheiden sich durch An- oder Abwesenheit des ersten Wärmetauschers.
Die erste Zone, in welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, dient der Aufnahme kalten oder (ggf. wieder) abgekühlten Speichermediums. In dieser Zone sinkt das Speichermedium ab, weshalb sie auch als „Zone zum Absinken” bezeichnet werden kann. Das Abkühlen erfolgt durch Kontaktieren des Speichermediums mit dem zweiten Wärmetauscher. Die zweite Zone dient der Aufnahme warmen oder (ggf. wieder) erwärmten Speichermediums. In dieser Zone steigt das Speichermedium auf, weshalb sie auch als „Zone zum Aufsteigen” bezeichnet werden kann. Die Erwärmung erfolgt aufgrund des Durchströmens des ersten Wärmetauschers mit zu entwärmender Flüssigkeit. Für weitere Erläuterungen zur Ausbildung der Strömung wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter unten verwiesen.
Ein nach obiger Beschreibung aufgebautes, erfindungsgemäßes System erlaubt die Verwendung eines verhältnismäßig kleinen Speichers, da aufgrund der gezielten Führung der Strömung der zweite Wärmetauscher laufend mit einem Strom maximal warmen Speichermediums kontaktiert und umströmt wird. In Speichern, die weder die erfindungsgemäße Kompartimentierung, noch gleichwirkende Mittel aufweisen, erfolgt der „Transport” der vom ersten Wärmetauscher auf das Speichermedium übertragenen Wärme vorwiegend durch Wärmeübertragung zwischen den übereinander liegenden Schichten des Speichermediums. Dieser Vorgang ist zeitaufwändig, weswegen ein solcher Speicher entsprechend groß sein muss, die Wärmeübertragung lang dauert, und eine nur unbefriedigende Rückgewinnungsrate erzielt werden kann. Im Gegensatz dazu kann der erfindungsgemäße Speicher kleiner ausfallen und erlaubt trotzdem eine hohe Rückgewinnungsrate von Wärme aus der zu entwärmenden Flüssigkeit.
Wie erwähnt ist nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems die mindestens eine für das erwärmte Speichermedium durchströmbare Öffnung durch eine Einrichtung zur Kompartimentierung, kurz Kompartimentierung, gebildet. Eine solche Einrichtung kann demnach als separates Bauteil im Speicher vorhanden sein und dient der baulichen Trennung der beiden vorstehend beschriebenen Zonen voneinander, sowie der Durchleitung erwärmten (aufsteigenden) Speichermediums von der ersten in die zweite Zone durch die Kompartimentierung hindurch.
Die Strömungsrichtung der zu entwärmenden Flüssigkeit innerhalb des Lumens des ersten Wärmetauschers verläuft bevorzugt von oben nach unten. Versuche und Berechnungen haben überraschenderweise gezeigt, dass die Wärmeausbeute der Vorrichtung trotz des Betriebs im Gleichstrom, bei welchem die Fließrichtungen des herabsinkenden, abgekühlten Speichermediums und der zu entwärmenden Flüssigkeit gleichgerichtet verlaufen, besonders gut ist.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die in der Kompartimentierung angeordnete mindestens eine durchströmbare Öffnung derart ausgestaltet, dass ihr Eingang dem ersten Bereich zugewandt, und ihr Ausgang dem zweiten Bereich zugewandt und höher als der Eingang angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Durchströmbarkeit wird durch (mindestens) eine „schräg nach oben” ausgerichtete Durchtrittsöffnung gegeben. Die aufwärts weisende Öffnung bewirkt eine verstärkte Ausrichtung des aufsteigenden, erwärmten Speichermediums von der ersten in die zweite Zone. Mit anderen Worten bewirkt die Ausrichtung einen „Transport” des Speichermediums von der Seite des niedriger liegenden Eingangs der Öffnung zu der Seite des im Verhältnis dazu höher liegenden Ausgangs derselben.
Der Transport von der ersten in die zweite Zone wird im einfachsten und bevorzugten Fall also durch Konvektion bewirkt. Zusätzlich kann der Speicher auch eine Pumpe umfassen, welche die beschriebene Strömung unterstützt oder insbesondere bei erst einsetzendem Wärmeaustausch in Gang bringt. Experimente haben allerdings gezeigt, dass die Strömung auch ohne eine derartige „aktive Strömungshilfe” in Gang kommt. Aus Gründen des geringen Energieverbrauchs und der Wartungsfreiheit ist der ausschließliche Transport mittels Konvektion besonders bevorzugt. Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber Systemen, die möglicherweise zwar eine Kompartimentierung aufweisen, bei denen der gerichtete Transport des Speichermediums durch eine solche Einrichtung hindurch jedoch nicht selbsttätig abläuft.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Kompartimentierung als spiralförmige Lamelle, oder in Form mehrerer übereinander angeordneter Lamellen bereitgestellt. Somit ist die mindestens eine durchströmbare Öffnung mittels des Zwischenraums einer durchgehenden spiralförmigen Lamelle, oder mittels der Zwischenräume mehrerer separater und parallel angeordneter Lamellen gebildet.
Eine „Lamelle” ist ein Gebilde, dessen Querschnitt deutlich breiter als höher ist. Es hat zudem eine Länge, die die Breite und Höhe des Querschnitts deutlich übersteigt, so dass es in der dritten Dimension eine flächige, lang gestreckte oder scheibenartige Form aufweist. Lamellen werden typischerweise in Stapeln bereitgestellt, wobei vorliegend zwischen den benachbarten Lamellen ein Zwischenraum vorhanden ist (hiervon sind die erste und letzte Lamelle eines Stapels ausgenommen). Alternativ kann ein Gebilde, welches vorstehendem Stapel ähnelt, auch durch eine einzelne, durchgehende Lamelle entstehen, die beispielsweise spiralförmig gewunden ist, wobei die einzelnen Windungen wiederum in der beschriebenen Art „benachbart” sind und sich ein (durchgehender) Zwischenraum und somit die oben genannte, mit dem Speichermedium durchströmbare Öffnung ergibt.
Neben einem rechteckigen Rohr(außen)wandungsquerschnitt kann dieser beispielsweise dreieckig, ellipsenförmig oder gebogen sein. Auf diese Weise kann ein Querschnitt bereitgestellt werden, der die erfindungsgemäße Strömungsausrichtung optimal erreicht. Auch ein Querschnitt, der in Abhängigkeit der vertikalen Höhenlage seiner im Speicher angeordneten Windungen variiert, ist denkbar, um den ggf. unterschiedlichen Strömungssituationen in den unterschiedlichen Höhenlagen des Speicherinneren Rechnung zu tragen.
Wie erwähnt ist besonders bevorzugt, dass die mindestens eine Öffnung aus Richtung der ersten in Richtung der zweiten Zone gesehen aufwärts verläuft. Auf diese Weise ist wieder der bereits beschriebene, aufwärts und von der ersten in die zweite Zone gerichtete Transport des Speichermediums gewährleistet.
Besonders bevorzugt sind der erste Wärmetauscher und der Bereich zur Ausrichtung der Strömung konzentrisch zueinander angeordnet und zylindrisch oder kegelförmig aufgebaut. Die Kegelform kann dabei sowohl von oben nach unten zu- als auch abnehmend ausgestaltet sein. Andere, z. B. quadratische Querschnitte des Speichers, des Wärmetauschers und/oder des Bereichs zur Ausrichtung der Strömung sind dann zu bevorzugen, wenn eine weitere Optimierung des Platzbedarfs erfolgen soll, da ein quadratischer Querschnitt bei gleicher Stellfläche ein größeres Innenvolumen hat und somit mehr Speichermedium aufnehmen kann, bzw. bei gleichem Innenvolumen kleiner (also schmaler und/oder niedriger) baut. Die zylindrische Bauform insbesondere des Speichergehäuses ist hingegen am kostengünstigsten herstellbar, da derartige Formen für Speicher seit langem Stand der Technik sind.
Ferner ist bevorzugt, dass die erste Zone zentral des ersten Wärmetauschers (also im vom ersten Wärmetauscher umschlossenen Volumen) und die zweite Zone peripher desselben angeordnet sind. Das bedeutet, dass das von den Windungen des ersten Wärmetauschers eingeschlossene Volumen des Speichers die o. g. Zone zum Absinken ist, wohingegen das außerhalb der äußeren Wandung der Kompartimentierung liegende Volumen des Speichers der o. g. Zone zum Aufsteigen entspricht.
Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich auch mit umgekehrten Anordnungen der beiden Zonen verwirklicht werden kann, wonach die zweite Zone zentral des ersten Wärmetauschers und die erste Zone peripher desselben angeordnet sind. Dann steigt das Speichermedium zentral in der durch den ersten Wärmetauscher umgrenzten Zone auf, und sinkt peripher desselben ab. Es ist klar, dass in diesem Fall auch die Ausrichtung der mindestens einen durchströmbaren Öffnung im Bereich zur Ausrichtung umzukehren ist, damit diese weiterhin von der ersten Zone (schräg) aufwärts in die zweite Zone verläuft.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wärmetauscher als Verdampfer einer Wärmepumpe ausgebildet. Diese Komponente einer Wärmepumpe dient der Aufnahme der abzuführenden Wärme. Die Anordnung des zweiten Wärmetauschers ist erfindungsgemäß so gewählt, dass dieser im oberen Bereich des Speichers, und somit im Bereich mit dem wärmsten Speichermedium, angeordnet ist. Somit ist die Effizienz, wenn der zweite Wärmetauscher einer Wärmepumpe (und nicht einem „passiven” System zum Abtransport der Wärme) zugehörig ist, besonders hoch.
Für den Fall, dass der zweite Wärmetauscher der Verdichter einer Wärmepumpe ist, ist ferner bevorzugt, dass das System außerdem weitere Komponenten einer Wärmepumpe umfasst. Dies sind insbesondere ein Verdichter, ein dritter Wärmetauscher zur Abgabe der Wärme (Verflüssiger), und eine Drossel. Außerdem kann das System einen Brauchwasserspeicher, in welchen die zurückgewonnene Wärme mittels des dritten Wärmetauschers abgegeben wird, umfassen.
Weitere Komponenten sind ein Filter zur Vorreinigung der ggf. mit verunreinigenden Feststoffen beladenen zu entwärmenden Flüssigkeit, eine temperaturgesteuerte Flüssigkeitsweiche, welche der Flüssigkeit nur dann den Eintritt in den ersten Wärmetauscher erlaubt, wenn sie eine bestimmte Mindesttemperatur aufweist, und/oder eine Temperatursteuerung für den ggf. vorhandenen Verdichter, so dass dieser in Abhängigkeit der Temperatur des Speichermediums, beispielsweise im oberen Bereich des Speichers, steuerbar ist. Bevorzugt sind die temperaturgesteuerte Flüssigkeitsweiche und der Filter zur Vorreinigung in einem Gerät zusammengefasst. Besonders bevorzugt umfasst ein solches Gerät auch eine eingebaute Pumpe und/oder einen Vorspeicher, in welchem ausreichend warme Flüssigkeit zunächst sammelbar, und von welchem sie dann in einer besser verwertbaren Menge in den ersten Wärmetauscher abgebbar ist.
Wenngleich das beschriebene System grundsätzlich für verschiedenste Flüssigkeiten und Speichermedien einsetzbar ist, ist es besonders bevorzugt, dass die Flüssigkeit Abwasser ist, und/oder dass das Speichermedium Wasser ist. Wasser als Speichermedium ist sicher und kostengünstig. Je nach Bedarf ist das Volumen des Speichers an die aufzunehmende Wärmemenge und die Leistung der verwendeten Wärmepumpe anzupassen, was den Fachmann jedoch vor keinerlei Schwierigkeiten stellt.
Wie bereits erwähnt ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Systems sein geringer Platzbedarf. Bevorzugt weist der Speicher ein möglichst kleines, der Nutzung angepasstes Volumen auf. Beispielsweise hat der Speicher im Falle eines Vierpersonenhaushaltes ein Volumen von bevorzugt nicht mehr als 150 Litern, und besonders bevorzugt von nicht mehr als 100 Litern.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Speicher, ggf. mit weiteren Komponenten des erfindungsgemäßen Systems, in einen herkömmlichen Wärmespeicher für Brauchwasser integriert. Auf diese Weise sind kürzestmögliche Leitungen verwendbar, und Wärmeverluste durch die Speicherwand gelangen nicht in die Umgebung.
Wie eingangs erwähnt, kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich die Bereitstellung eines Systems zur schnellen Wärmeabgabe einer zu entwärmenden Flüssigkeit an ein Speichermedium, sowie die zugrunde liegende Lösung, welche auf der Erzeugung einer gezielten Strömung durch die mindestens eine Öffnung (s. o.) beruht, nicht nur durch die oben beschriebene Kompartimentierung, sondern auch in Form einer nachfolgend als „integrierte” Ausführungsform bezeichneten Lösung erreicht werden.
Nach dieser anderen Ausführungsform werden die Funktionalitäten des ersten Wärmetauschers und der Kompartimentierung demnach durch eine beide Funktionen kombinierende Komponente bereitgestellt. Die erfindungsgemäße, mindestens eine Öffnung ist durch den Raum zwischen zwei benachbarten Windungen einer spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers gebildet. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße mindestens eine Öffnung wird durch den Zwischenraum zwischen den Windungen des ersten Wärmetauschers bereitgestellt.
Die Strömungsrichtung der zu entwärmenden Flüssigkeit innerhalb des Lumens des ersten Wärmetauschers verläuft bevorzugt von oben nach unten.
Es ist klar, dass es auch für die vorliegende „integrierte” Ausführungsform besonders bevorzugt ist, dass die mindestens eine Öffnung vom Eingang zum Ausgang gesehen aufwärts verläuft. Auf diese Weise ist wieder der bereits beschriebene, aufwärts durch die Öffnung gerichtete Transport des Speichermediums gewährleistet. Tatsächlich ist dies auf einfache Weise realisierbar.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist demnach die durch eine den Raum zwischen zwei benachbarten Windungen einer spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers gebildete, mindestens eine durchströmbare Öffnung derart ausgestaltet, dass ihr Eingang dem ersten Bereich zugewandt, und ihr Ausgang dem zweiten Bereich zugewandt und höher als der Eingang angeordnet ist. Da der erste Wärmetauscher den Speicher in ähnlicher Weise wie die vorstehend beschriebene Einrichtung zur Kompartimentierung vertikal durchzieht, kann die besonders bevorzugte Funktionalität des Ausrichtens der Strömung des Speichermediums durch geeignete Wahl der Geometrie des ersten Wärmetauschers wie insbesondere der Form seiner Rohrquerschnitte bzw. Rohr-Außenwandungen geschaffen werden.
Für die „integrierte” Ausführungsform besonders geeignet ist es, wenn der erste Wärmetauscher durch eine (endlose oder unterbrochene) Spirale, oder durch übereinander angeordnete Körper wie insbesondere Lamellen gebildet ist. Letztere sind dann selbstverständlich in geeigneter Weise fluidisch miteinander verbunden, beispielsweise über fluidisch durchströmbare Abstandhalter, oder durch einen zusätzlichen, einige oder alle Lamellen ver- und entsorgenden Zu- bzw. Abfluss.
Zur Definition des Begriffs der „Lamelle” sowie der bevorzugten Querschnittsformen sei auf obenstehende Ausführungen betreffend die „separate” Ausführungsform (Ausführungsformen mit Kompartimentierung) der Erfindung verwiesen. Selbstverständlich sind andere als die dort beschriebenen Lamellenformen auch im Rahmen der „integrierten” Ausführungsform verwendbar.
Die im Rahmen der eine Kompartimentierung aufweisenden Ausführungsform beschriebene Kegelform sowie Konzentrizität ist im Rahmen der „integrierten” Ausführungsform bevorzugt. Dabei ist klar, dass sich dann der durch die mindestens eine Öffnung bereitgestellte (funktionale) Bereich zur Ausrichtung der Strömung, der in Analogie zur „separaten” Ausführungsform ebenfalls der Kompartimentierung in die beiden Zonen dienen kann, und die funktionalen Bereiche einer „Einrichtung zur Abgabe der Wärme einer Flüssigkeit an ein Speichermedium” (= erster Wärmetauscher) zwangsläufig jedenfalls dort, wo sie baulich miteinander verschmolzen sind, auch konzentrisch zueinander befinden.
Es ist klar, dass auch nach der „integrierten” Ausführungsform die Verwendung einer Wärmepumpe, einer temperaturgesteuerten Flüssigkeitsweiche und/oder einer Temperatursteuerung vorteilhaft ist, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Ausführungsformen verwiesen wird.
Zusammengefasst weist auch die kombinierte (integrierte) Komponente sowohl Vorrichtungsmerkmale auf, welche ausschließlich der Funktion der Wärmeabgabe dienen (durchströmbare Vorrichtung, die den Speicher vertikal durchzieht), als auch solche, welche ausschließlich der Funktion der Strömungsausrichtung dienen (Bereitstellen der mindestens einen Öffnung zur Ausrichtung der Strömung unter Verbindung der zwei Zonen).
In allen Fällen ist die erfindungsgemäße Aufgabe, nämlich die Bereitstellung eines Systems zur Rückgewinnung der in einer Flüssigkeit geführten Wärme mit verbesserten Eigenschaften, identisch. Auch die Lösung erfolgt jeweils auf die gleiche Weise, nämlich durch Schaffung von zwei, beidseitig einer von Speichermedium durchströmbaren Öffnung angeordneten „Zonen” unter Trennung von absinkendem und aufsteigendem Speichermedium vermittels einer Ausrichtung der Strömung des aufsteigenden Speichermediums von der ersten (absinkenden) hin zur zweiten (aufsteigenden) Zone durch die mindestens eine Öffnung hindurch, mit der Folge einer schnellen und effektiven Abgabe der in der Flüssigkeit mitgeführten Wärme an das Speichermedium.
Nachfolgend wird nunmehr auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Rückgewinnung von in einer Flüssigkeit geführter Wärme eingegangen, welches besonders bevorzugt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems durchgeführt wird. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei daher auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Durchleiten der Flüssigkeit durch den ersten Wärmetauscher: Der erste Wärmetauscher wird, bevorzugt sofern die Temperatur der Flüssigkeit ausreichend hoch ist, mit der zu entwärmenden Flüssigkeit, die bevorzugt Abwasser ist, beschickt und durchflossen.
– Erwärmen des den ersten Wärmetauscher kontaktierenden Speichermediums: Die Flüssigkeit gibt während des vorstehend genannten Durchströmens Wärme über die (wärmedurchlässige) Wandung des ersten Wärmetauschers an das Speichermedium (bevorzugt Wasser) ab; dieses erwärmt sich seinerseits.
– Ausrichten der Strömung des erwärmten Speichermediums durch die mindestens eine Öffnung der Kompartimentierung und/oder der spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers zur Erzielung einer vertikal aufsteigenden Strömung des erwärmten Speichermediums: Da das Speichermedium nunmehr selber erwärmt wird, nimmt seine Dichte ab, und es sucht aufzusteigen. Dabei durchströmt es die mindestens eine Öffnung, was wiederum zu der besagten Ausrichtung der Strömung von der ersten hin zur zweiten Zone bzw. vom Eingang zum Ausgang der mindestens einen Öffnung führt.
– Weiteres Aufsteigen des erwärmten Speichermediums entlang der zweiten Zone bzw. jenseits des Ausgangs der mindestens einen Öffnung bis in den oberen Bereich des Speichers: Durch die bevorzugt in Vielzahl vorhandenen Öffnungen in der Kompartimentierung bzw. zwischen den Lamellen des Wärmetauschers strömt immer mehr erwärmtes Speichermedium durch die Öffnung(en). Das Speichermedium steigt bis in den oberen Bereich des Speichers auf, wo es von der vertikalen in eine zunächst horizontale Strömung umgelenkt wird.
– Kontaktieren des zweiten Wärmetauschers mit dem erwärmten Speichermedium: Im oberen Bereich ist der zweite Wärmetauscher angeordnet. Dieser wird nunmehr vom erwärmten Speichermedium kontaktiert und umströmt. Gleichzeitig befindet sich innerhalb des zweiten Wärmetauschers (also in seinen Rohrleitungen) ein Transfermedium (Kältemittel). Dieses nimmt die Wärme aus dem Speichermedium auf.
– Übertragen mindestens eines Teils der Wärme des erwärmten Speichermediums an den zweiten Wärmetauscher unter Abkühlung des Speichermediums: Aufgrund der fortlaufenden Abgabe der Wärme kühlt sich das Speichermedium nunmehr wieder ab. Durch fortlaufenden Austausch des abgekühlten Speichermediums durch „frisches”, warmes Speichermedium, sowie durch den Austausch bereits erwärmten Transfermediums durch ebenfalls „frisches”, kühles Transfermedium ist sichergestellt, dass laufend „neue” Wärme bereitsteht und abtransportiert werden kann. Es ist klar, dass dazu auch entsprechende Temperatursteuerungen zum Einsatz gelangen können.

Zur Ergänzung werden noch die folgenden Schritte aufgezählt, wobei diese nicht zum Kern der Erfindung gehören:

– Absinken des abgekühlten Speichermediums in die unterhalb des zweiten Wärmetauschers angeordnete, an den ersten Wärmetauscher angrenzende erste Zone: Da sich die Dichte des abkühlenden Speichermediums nunmehr wieder erhöht, sucht es abzusinken. Dies geschieht vorwiegend in der dafür vorgesehenen Zone zum Absinken (erste Zone).
– Abtransport der Wärme mittels Durchströmens des zweiten Wärmetauschers mit einem Transfermedium: Wie weiter oben erwähnt, ist der Austausch des die Wärme aufnehmenden Transfermediums wichtig für einen guten Wirkungsgrad des Systems. Zudem soll die Wärme typischerweise an anderer Stelle der Erwärmung eines weiteren, insbesondere flüssigen, Mediums wie beispielsweise Brauchwasser dienen. Auch daher ist es notwendig, den erwärmten Teil des Transfermediums abzutransportieren, da ein Abtransport der Wärme im Wege alleine des passiven, strömungslosen Wärmeausgleichs nicht praktikabel ist. Es ist klar, dass sich das Transfermedium besonders bevorzugt in einem geschlossenen fluidischen Kreislauf bewegt.

Erfindungsgemäß wird somit innerhalb des Speichers eine durch Konvektion vermittelte Strömung des Speichermediums etabliert, welche beidseitig der mindestens einen Öffnung in entgegengesetzten Richtungen verläuft. „Beiderseits” bedeutet auf der Seite des Eingangs und des Ausgangs der Öffnung. Es ist klar, dass nicht zwingend die gesamte Strömung in den gewünschten, entgegengesetzten Richtungen verlaufen muss, sondern dass in der Realität zumindest eine wesentliche Komponente der Strömung vertikal nach oben bzw. nach unten verläuft. Es ist ferner klar, dass sich innerhalb der Öffnung(en) die Strömung an deren Verlauf anpasst und somit typischerweise nicht „im Wesentlichen vertikal ausgerichtet” sein kann.
Wie erwähnt erfolgt das Durchströmen der mindestens einen Öffnung mindestens teilweise mittels Konvektion. Mit anderen Worten ist eine Einrichtung zur „aktiven” Förderung des Speichermediums wie beispielsweise eine Pumpe nicht nötig, was sich in günstigen Betriebs- und Wartungskosten niederschlägt. Dabei haben die besonders bevorzugt aufwärts gerichteten Öffnungen im Bereich zur Ausrichtung der Strömung (Kompartimentierung/Ausgestaltung der Außenwandungen der Windungen des ersten Wärmetauschers) einen vorteilhaften Einfluss auf das erfindungsgemäß gewünschte Ergebnis.
Versuche haben ergeben, dass sich die beschriebene Strömung praktisch spontan und selbsttätig etabliert, und dass sich die Strömung aufrecht erhält, solange eine Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Speichermedium vorhanden ist. Demnach erfolgt ein (vorteilhafterweise selbsttätiges) erneutes Kontaktieren, Erwärmen, Aufsteigen, Abkühlen und Absinken des Speichermediums bis zu einem Temperaturausgleich von Flüssigkeit und Speichermedium. Nötigenfalls kann dies jedoch durch Einbringen von mechanischen Sperren, Schließen von Ventilen oder dergleichen, die sich im Strömungspfad des Speichermediums befinden, unterbunden werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Ausrichtung und/oder Form der Öffnungen variabel. Somit kann auf unterschiedliche Strömungssituationen reagiert werden, und die Strömung kann (weitgehend) unterbunden werden, beispielsweise durch ein Ausrichten der Öffnungen dergestalt, dass sie von der zweiten in die erste Zone schräg aufwärts verlaufen, und/oder durch Schließen derselben.
Aufgrund der verhältnismäßig hohen Wärmeaustauschrate muss die Verweilzeit der zu entwärmenden Flüssigkeit im ersten Wärmetauscher nur relativ kurz sein. Bereits Verweildauern von 30 Sekunden oder weniger reichen typischerweise für eine zufriedenstellende Entwärmung aus. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für intermittierend als auch kontinuierlich durch den ersten Wärmetauscher strömende Flüssigkeit, und somit für kontinuierlich als auch intermittierend bereitgestellte (am System anliegende) Flüssigkeit. Somit ist das System sowohl bei Abwasseranlagen von kleinen Gebäuden, aber auch im Falle von Hallenbädern, Wäschereien, Hotels usw. vorteilhaft einsetzbar.
Für den Fall kleinerer Gebäude oder in anderen Fällen, in welchen ausreichend warme Flüssigkeit nicht über einen längeren Zeitraum oder nur sporadisch (intermittierend) zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, ihr Vorhandensein in einer zuführenden Leitung zunächst zu detektieren, um sie dann ggf. in einem Vorspeicher zu sammeln (puffern). Erst bei Vorliegen einer ausreichend großen Menge ausreichend warmer Flüssigkeit wird diese dann vom Vorspeicher in den ersten Wärmetauscher geleitet, z. B. gepumpt. Auf diese Weise wird die „Betriebszeit”, während der das System erfindungsgemäß arbeiten kann, auf Phasen mit optimalen Temperaturunterschieden zwischen Flüssigkeit und Speichermedium konzentriert.
Zusätzlich kann, nach dem Befüllen des ersten Wärmetauschers, die eingefüllte Flüssigkeit solange zum Stillstand gebracht werden, bis sie ausreichend stark entwärmt wurde. Somit lässt sich die Verweilzeit verlängern, was dann hilfreich ist, wenn andernfalls keine ausreichende Entwärmung möglich wäre. Dies kann beispielsweise eintreten, wenn ein eigentlich für kleinere Volumina oder Temperaturunterschiede ausgelegtes System wirtschaftlich auch mit größeren Volumina oder Temperaturunterschieden betrieben werden soll.
Nach einer anderen Ausführungsform wird die Durchflussmenge in Abhängigkeit des Temperaturunterschiedes von Flüssigkeit und Speichermedium eingestellt, und zwar bevorzugt so, dass bei größeren Temperaturunterschieden eine geringere Durchflussmenge durch den ersten Wärmetauscher geleitet wird, um so nicht über die anlagenspezifische maximale „Entwärmleistung” hinauszugehen und keine ungenügend entwärmte Flüssigkeit abzugeben.
Wie oben bereits erwähnt ist der zweite Wärmetauscher bevorzugt der Verdampfer einer Wärmepumpe. Somit lässt man im zweiten Wärmetauscher das unter Druck stehende Transfermedium verdampfen, transportiert die vom Transfermedium aufgenommene Wärme mittels desselben zu einem Brauchwasserspeicher und gibt sie dort ab. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei auf die Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen verwiesen. Zudem ist die Wirkungsweise von Wärmepumpen dem Fachmann wohlbekannt und bedarf daher keiner weitergehenden Erläuterung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Abtransport der Wärme mittels Betriebs des Verdichters bzw. einer entsprechenden Pumpe für das Transfermedium solange, bis die Differenz zwischen der Temperatur der zu entwärmenden Flüssigkeit und einer von einem Benutzer vorzuwählenden Solltemperatur kleiner oder gleich einem (bevorzugt von einem Benutzer einstellbaren) Grenzwert ist. Dieser Grenzwert kann beispielsweise Null sein. Das bedeutet, dass einerseits sämtliche Wärme aus dem Speichermedium abgezogen wird, andererseits der elektrische Energie verbrauchende Verdichter zum Stillstand kommt, wenn keine Wärme zum Abtransport mehr vorhanden ist. Selbstverständlich kann der Stillstand auch bei Unterschreiten eines beliebigen anderen Grenzwertes eintreten, da es sein kann, dass in der Praxis ein vollständiges Entwärmen des Speichermediums nicht wirtschaftlich ist.
Kann die Temperatursteuerung die Temperatur der zu entwärmenden Flüssigkeit messen, so erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Flüssigkeit auf eine gewünschte Temperatur herabgekühlt wird, bevor sie das System verlässt. Es ist jedoch klar, dass in diesem Fall ein entsprechend großes Volumen im ersten Wärmetauscher für die Flüssigkeit vorhanden sein muss, um eine ausreichend lange Verweilzeit zu erreichen.
Wie bereits angesprochen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere und ganz grundsätzlich für die Entwärmung von (warmem) Abwasser. Es ist jedoch auch denkbar, dass die vorstehend beschriebene Solltemperatur kleiner als die Zulauf- oder Einspeisetemperatur von in das Leitungssystem eines Gebäudes eingespeistem Kaltwasser ist. Daraus resultiert der Entzug nicht nur derjenigen Wärme, die dem (ursprünglich z. B. 8°C kalten) Brauchwasser im Wege seiner Verwendung zugefügt wurde, sondern auch (eines Teils) derjenigen Wärme, die das Brauchwasser vor der eigentlichen Verwendung hatte, wenn es nach der Entwärmung z. B. nur noch 4°C aufweist. Mit anderen Worten kann das Verfahren und das System vorteilhaft auch aus dem Brauchwasser, welches initial, beispielsweise einem Gebäude, zum Verbrauch zugeführt wird, Wärme entziehen, und/oder es kann kaltes Abwasser als Flüssigkeit verwenden. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad bzw. die Leistungszahl des Systems weiter.
Zusammengefasst stellt das erfindungsgemäße System zur Rückgewinnung der in einer Flüssigkeit geführten Wärme eine Vorrichtung bereit, die einen im Vergleich zu bekannten Wärmerückgewinnungsanlagen für Abwasser geringen Platzbedarf aufweist und zugleich einen hohen Wirkungsgrad bzw. eine hohe Leistungszahl hat. Das System ergänzt aus dem Stand der Technik bekannte und somit kostengünstige Komponenten mit einer weiteren Funktion (Ausrichten der Strömung des Speichermediums durch Bereitstellen der mindestens einen Öffnung), wodurch sich die gewünschten Vorteile ergeben. Das System verfügt bevorzugt über keinerlei bewegte Bauteile; es ist daher wartungsarm und benötigt zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile wenig oder keine externe Energie. Es eignet sich sowohl für kontinuierliche als auch intermittierende Strömungen von zu entwärmender Flüssigkeit.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
2 zeigt eine Ausführungsform, nach welcher die Einrichtung zur Kompartimentierung aus Lamellen besteht.
3 zeigt eine Ausführungsform, nach welcher der erste Wärmetauscher mit der Einrichtung zur Kompartimentierung integriert ausgebildet ist.
4 zeigt eine Variante der Ausführungsform nach 3.
In der 1 ist das erfindungsgemäße System in einer Schnittansicht dargestellt. Der Speicher 1 ist mit flüssigem Speichermedium S gefüllt.
Der erste Wärmetauscher 2 ist als spiralförmiges Rohr ausgebildet. Von ihm sind jeweils nur die hinter der Bildebene liegenden Windungen zu erkennen. Er ist hohl ausgebildet und weist einen runden Rohrquerschnitt 3 auf. Der erste Wärmetauscher 2 durchzieht den Speicher 1 in vertikaler Richtung. An seinem einen Ende 4 ist ein Zulauf, und an seinem anderen Ende 5 ein Ablauf angeordnet. Zu- und Ablauf erlauben die Befüllung und Entleerung des ersten Wärmetauschers mit der zu entwärmenden Flüssigkeit F. Der Strömungsweg der Flüssigkeit F ist durch die punktierten Pfeile symbolisiert. Der vor der Bildebene verlaufende, nicht sichtbare Strömungsweg ist durch die gestrichelte Linie dargestellt.
Der zweite Wärmetauscher 6 ist im oberen Bereich 7 des Speichers 1 angeordnet. Auch dieser weist einen Zu- und einen Ablauf auf (ohne Bezugszeichen). Im zweiten Wärmetauscher 6 strömt ein Transfermedium T (punktiert dargestellt), mit welchem Wärme des Speichermediums S aufgenommen und abtransportiert werden kann. Wenngleich der zweite Wärmetauscher 6 in der Zeichnung als Rohr mit geschlossenen Wandungen dargestellt ist, kann er auch eine andere Form aufweisen; insbesondere eine solche Form, die eine besonders gute Wärmeübertragung vom Speichermedium S auf das Transfermedium T erlaubt.
Außerdem befindet sich im Speicher 1 eine Mehrzahl von mit Speichermedium S durchströmbaren Öffnungen 11 (nur eine mit Bezugszeichen versehen), die vorliegend in der Einrichtung zur Kompartimentierung 8 des Speichers 1 angeordnet sind. Durch die Öffnungen 11 wird der Speicher 1 in zwei Zonen 9, 10 aufgeteilt. Die erste Zone 9 ist durch Anwesenheit des ersten Wärmetauschers 2 und die zweite Zone 10 durch Abwesenheit des ersten Wärmetauschers 2 gekennzeichnet. Vorliegend sind die Eingänge 12 der Öffnungen 11 der ersten Zone 9 zugewandt, und die Ausgänge 13 der zweiten Zone 10 zugewandt und höher als die jeweiligen Eingänge 12 angeordnet.
Vorliegend sind der erste Wärmetauscher 2 und die Einrichtung zur Kompartimentierung 8 konzentrisch zueinander angeordnet und zylindrisch aufgebaut. Die erste Zone 9 ist zentral des ersten Wärmetauschers 2, und die zweite Zone 10 ist peripher desselben und somit der Einrichtung zur Kompartimentierung 8 angeordnet. Nach einer nicht gezeigten Ausführungsform können Wärmetauscher 2 und Einrichtung zur Kompartimentierung 8 jedoch auch kegelförmig ausgestaltet sein, wobei sie weiterhin konzentrisch zueinander angeordnet sind. Neben der Kegelform sind noch andere Formen denkbar, welche durch ein nicht lineares, aber bevorzugt monotones Ansteigen und/oder Verringern des Durchmessers in Abhängigkeit der vertikalen Position gekennzeichnet sind, wie beispielsweise die Form der Rotation einer Hyperbel um ihre Y-Achse.
Wird der erste Wärmetauscher 2 mit warmer Flüssigkeit F wie z. B. warmem Abwasser durchströmt, erwärmen sich dessen Wandungen und geben die Wärme an das sie umgebende Speichermedium S ab. Aufgrund der Erwärmung sinkt die Dichte desselben, so dass es aufzusteigen beginnt. Aufgrund der vorstehenden Formgebung der durchströmbaren Öffnungen 11 der Einrichtung zur Kompartimentierung 8 strömt das aufsteigende Speichermedium S von der ersten Zone 9 in die zweite Zone 10. In dieser steigt es weiter auf, weswegen diese Zone auch „Zone zum Aufsteigen” genannt werden kann. Im oberen Bereich 7 des Speichers 1 wird die Strömung umgelenkt und umströmt dabei den zweiten Wärmetauscher 6. Dieser nimmt nunmehr seinerseits die Wärme des Speichermediums S auf. Dadurch kühlt sich dieses ab. Seine Dichte steigt wieder, und es beginnt, in der ersten Zone 9 abzusinken. Diese Zone kann daher auch „Zone zum Absinken” genannt werden. Die Strömungspfade sind durch die bezugszeichenlosen Pfeile in der 1 dargestellt. Durch Austausch des Transfermediums T kann laufend Wärme aus dem System abtransportiert werden.
In den nachfolgenden 2 und 3 sind die zum Verständnis nicht zwingend erforderlichen Zeichnungselemente aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
In der 2 ist eine Ausführungsform der Einrichtung zur Kompartimentierung 8 gezeigt, bei der die durchströmbaren Öffnungen 11 mittels der Zwischenräume mehrerer separater und parallel angeordneter Lamellen gebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die Querschnitte der Lamellen, nicht jedoch die vor oder hinter der Bildebene verlaufenden Kanten gezeigt. Eine solche Einrichtung 8 weist den Vorteil einer besonders effektiven Ausrichtung der Strömung von der ersten Zone 9 in die zweite Zone 10 auf.
Die 3 schließlich zeigt eine Ausführungsform, nach welcher der erste Wärmetauscher 2 gleichzeitig zur Ausrichtung der Strömung verwendet wird. Hierzu ist der Rohrquerschnitt 3 des ersten Wärmetauschers 2 nach Art einer spiralförmigen Lamelle flach und außerdem abgewinkelt ausgestaltet. Die sich dadurch ergebenden durchströmbaren Öffnungen 11 sind vom jeweiligen Eingang 12 zum jeweiligen Ausgang 13 hin aufwärts geneigt, was in der besonders bevorzugten Strömungsunterstützung resultiert. Die Funktionalität der Ausrichtung der Strömung ist demnach bei dieser Ausführungsform nicht durch ein separates Bauteil bereitgestellt. Dabei ist klar, dass die Ausrichtung der Strömung insbesondere von der Außenform der Windungen der spiralförmigen Lamelle abhängt, und nicht von der Gestaltung deren Lumens. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der besonders einfachen und Material sparenden Konstruktionsweise, sowie dem besonders guten, weil unmittelbaren Zusammenwirken der Funktionen des Wärmetauschers 2 und der mindestens einen Öffnung 11. Es ist klar, dass die gezeigte Ausführungsform nur schematisch ist und in der Praxis eine andere Form der Rohrquerschnitte und eine größere Anzahl bzw. enger beabstandete Windungen des ersten Wärmetauschers 2 bevorzugt sein können.
In dieser wie auch in den anderen Ausführungsformen ist denkbar, mehrere, beispielsweise ineinander verschachtelte erste Wärmetauscher vorzusehen, um eine längere Verweilzeit der Flüssigkeit F zu erzielen.
Die 4 zeigt eine Variation der Ausführungsform der 3, wonach der erste Wärmetauscher 2, der auch die mindestens eine Öffnung 11 bereitstellt, nicht durch eine einzelne spiralförmige durchgehende Lamelle, sondern durch übereinander gestapelte separate Lamellen gebildet ist. In diesem Fall muss dafür Sorge getragen werden, dass die Flüssigkeit, die im Inneren der Rohrquerschnitte 3 fließt, von einer zur nächsten Lamelle strömen kann. Hierzu sind an den mit gestrichelten senkrechten Linien bezeichneten Stellen beispielsweise fluidisch durchströmbare Abstandhalter vorzusehen (nicht gezeigt). Es ist dabei nicht zwingend vorgeschrieben, die Strömung jeweils von einer zur benachbarten Ebene zu führen, sondern es können auch mehrere Ebenen zugleich mit Flüssigkeit versorgt werden (gemeinsamer Zu- und Abfluss), und/oder die Strömung kann Ebenen auslassen, um sie später im Strömungspfad zu durchströmen.
Bezugszeichenliste

1: Speicher
2: erster Wärmetauscher
3: Rohrquerschnitt
4: ein Ende
5: anderes Ende
6: zweiter Wärmetauscher
7: oberer Bereich
8: Einrichtung zur Kompartimentierung, Kompartimentierung
9: erste Zone, Zone zum Absinken
10: zweite Zone, Zone zum Aufsteigen
11: durchströmbare Öffnung
12: Eingang
13: Ausgang
S: Speichermedium
F: Flüssigkeit
T: Transfermedium

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 102010007726 A1 [0004]
DE 102009037161 A1 [0006]

Claims

System zur Rückgewinnung von in einer Flüssigkeit (F) geführter Wärme mit einem Speicher (1), der zur Aufnahme eines flüssigen Speichermediums (S) ausgelegt ist und einen den Speicher (1) zur Durchleitung der Flüssigkeit (F) vertikal durchziehenden und rohrartig ausgebildeten ersten Wärmetauscher (2), einen im oberen Bereich (7) des Speichers (1) angeordneten zweiten Wärmetauscher (6), sowie mindestens eine für das erwärmte Speichermedium (S) durchströmbare Öffnung (11) aufweist, welche durch eine den Innenraum des Speichers (1) in zwei Zonen (9, 10) unterteilende Kompartimentierung (8) und/oder durch den Raum zwischen zwei benachbarten Windungen einer spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers (2) gebildet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine durchströmbare Öffnung (11) einen Eingang (12) und einen Ausgang (13) aufweist, wobei der Ausgang (13) höher als der Eingang (12) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompartimentierung (8) in Form einer spiralförmigen Lamelle, oder in Form mehrerer übereinander angeordneter Lamellen bereitgestellt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscher (2) und die Kompartimentierung (8) konzentrisch zueinander angeordnet und zylindrisch oder kegelförmig aufgebaut sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Wärmetauscher (6) als Verdampfer einer Wärmepumpe ausgebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine weitere Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Wärmepumpe, eines Filters, einer temperaturgesteuerten Flüssigkeitsweiche, und einer Temperatursteuerung umfasst.
Verfahren zur Rückgewinnung von in einer Flüssigkeit (F) geführter Wärme mittels eines Systems mit einem Speicher (1), der zur Aufnahme eines flüssigen Speichermediums (S) ausgelegt ist und einen den Speicher (1) zur Durchleitung der Flüssigkeit (F) vertikal durchziehenden und rohrartig ausgebildeten ersten Wärmetauscher (2), einen im oberen Bereich (7) des Speichers (1) angeordneten zweiten Wärmetauscher (6), sowie mindestens eine für das erwärmte Speichermedium (6) durchströmbare Öffnung (11) mit einem Eingang (12) und einem Ausgang (13) aufweist, welche durch eine den Innenraum den Speichers (1) in zwei Zonen (9, 10) unterteilende Kompartimentierung (8) und/oder durch den Raum zwischen zwei benachbarten Windungen einer spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers (2) gebildet ist, umfassend die folgenden Schritte: – Durchleiten der Flüssigkeit (F) durch den ersten Wärmetauscher (2); – Erwärmen des den ersten Wärmetauscher (2) kontaktierenden Speichermediums (S); – Ausrichten der Strömung des erwärmten Speichermediums (5) durch die mindestens eine Öffnung (11) der Kompartimentierung (8) und/oder der spiralförmig aufgewundenen Lamellenstruktur des ersten Wärmetauschers (2) zur Erzielung einer vertikal aufsteigenden Strömung des erwärmten Speichermediums (S); – Kontaktieren des zweiten Wärmetauschers (6) mit dem erwärmten Speichermedium (S); – Übertragen mindestens eines Teils der Wärme des erwärmten Speichermediums (S) an den zweiten Wärmetauscher (6) unter Abkühlung des Speichermediums; wodurch innerhalb des Speichers (1) eine durch Konvektion vermittelte Strömung des Speichermediums (S) etabliert wird, welche beidseitig der mindestens einen Öffnung (11) in entgegengesetzten Richtungen verläuft.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die etablierte Strömung bis zu einem Temperaturausgleich von Flüssigkeit (F) und Speichermedium (S) aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Flüssigkeit (F) intermittierend durch den ersten Wärmetauscher (2) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei man im zweiten Wärmetauscher (6) ein unter Druck stehendes Transfermedium (T) verdampfen lässt und die vom Transfermedium (T) aufgenommene Wärme mittels desselben zu einem Brauchwasserspeicher abtransportiert und dort abgibt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Abtransport der Wärme solange erfolgt, bis die Differenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit (F) und einer Solltemperatur kleiner oder gleich einem Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Flüssigkeit (F) Abwasser ist und/oder die Solltemperatur kleiner als die Zulauftemperatur von in das Leitungssystem eines Gebäudes eingespeisten Kaltwassers ist.