DE19719311A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Bauwesens und betrifft eine Instal­ lation für Abwasser und ein Verfahren zur Montage dieser Installation. Diese Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.

Installationen für Abwasser werden in häusliche oder ähnliche örtliche Ver­ sorgungen und in öffentliche oder ähnliche Hauptversorgungen unterschieden. Sie betreffen unterschiedliche Gebiete wie beispielsweise den Kanalisations­ bau zur Frischwasserversorgung, zur Gewinnung und Sammlung von Regen­ wasser sowie zur Sammlung von Abwasser.

Diese Installationen für Abwasser sollen einerseits eine lange Haltbarkeit von 15-50 Jahren gewährleisten und sie sollen andererseits eine hohe Resistenz gegen beispielsweise aggressive und korrosive Medien aufweisen. Sie kenn­ zeichnen sich durch Verwendung bewährter Baustoffe. Als Beispiel sei die Verwendung von Steinzeugschalen im Kanalisationsbau erwähnt. Diese Stein­ zeugschalen werden als glatte, widerstandsarme Einbauten für den direkten Kontakt mit dem Abwasser verwendet. Sie sind lange haltbar und sowohl gegen Korrosion als auch gegen Erosion resistent. Die Korrosion wird bei­ spielsweise durch Säuren im Abwasser vermittelt, Steinzeugschalen werden durch Säuren wenig oder nicht angegriffen. Die Erosion wird beispielsweise durch Ablagerungen, Sedimente und Schwemmstoffe im Abwasser vermittelt. Die Ablagerungen und Sedimente werden mechanisch entfernt, was zu einem mehr oder weniger starken Abrieb der Steinzeugschalen führt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Installation für Abwasser bereit­ zustellen, welche einen integrierten Wärmetauscher aufweist. Dieser Wärme­ tauscher soll im direkten Kontakt mit dem Abwasser stehen. Diese Installa­ tion soll den oben aufgeführten Bedingungen der Haltbarkeit und Resistenz genügen und sie soll mit bekannten Materialien und Verfahren ausführbar sein.

Diese Aufgabe löst die in den Patentansprüchen definierte Erfindung.

Die Idee der Erfindung darin, Wärme aus Abwasser zu gewinnen und für diesen Zweck einen Wärmetauscher in eine Installation von Abwasser zu integrieren, um so dem Abwasser von beispielsweise öffentlichen oder ähn­ lichen Hauptversorgungen Wärme zu entziehen.

Unter Zugrundelegung bekannter Installationen für Abwasser stellt der Ein­ bau eines Wärmetauschers, welcher im direkten Kontakt mit dem Abwasser steht, ein völlig fremdes Bauelement dar. Diese erfindungsgemäße Integration eines Wärmetauschers in eine Installation für Abwasser stellt ein Novum dar, insbesondere ist sie für die Fachwelt nicht naheliegend, ja sie wird aus den folgenden nachteiligen Gründen nicht in Betracht gezogen.

• - Dieses Bauelement bedingt konstruktive Änderungen normierter Bauele­ mente und somit Mehrkosten.
• - Dieses Bauelement bedingt die Verwendung wärmeleitfähiger Materia­ lien, was insbesondere die Verwendung der oben erwähnten Steinzeug­ schalen ausschließt. Steinzeugschalen sind thermische Isolatoren und eignen sich nicht zur Verwendung für mit dem Abwasser im direkten Kontakt stehende Wärmetauscher.
• - Dieses Bauelement aus wärmeleitfähigen Materialien ist schwerlich lange haltbar und sie genügt schwerlich den Bedingungen nach hoher Resistenz gegenüber Korrosion und Erosion.
• - Dieses Bauelement stellt prinzipiell eine Abweichung von der glatten Wasserleitungsstruktur dar. An solchen Kanten und Ecken sammeln sich beispielsweise Verunreinigungen aus dem Abwasser, was einen Mehr­ aufwand beim Unterhalt und somit Mehrkosten bedingt.

Die Erfindung löst die Aufgabe und überwindet die technischen Vorurteile, indem die erfindungsgemäße Installation für Abwasser substituierte Stein­ zeugschalen aufweist. Die Steinzeugschalen sind durch erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente ersetzt. Diese Wärmetauscherelemente erfüllen die Normen der Bauelemente für den Kanalisationsbau, sie sind haltbar und resistent gegen Korrosion und Erosion und sie stellen keine Abweichung von der widerstandsarmen Wasserleitungsstruktur dar.

Die bisherigen Funktionen der Steinzeugschalen werden beibehalten. Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bilden Teile von Wasserleitun­ gen und stehen im direkten Kontakt mit dem Abwasser. Vorteilhafterweise bestehen diese Wasserleitungen zumindestens in Teilbereichen aus lange haltbaren, gegen Korrosion und sowie Erosion resistenten Tauschflächen aus Edelstahl. Zusätzlich zu diesen bisherigen Funktionen sind diese Tauschflä­ chen wärmeleitfähig und nehmen Wärme aus dem Abwasser auf. Die Wärme­ tauscherelemente weisen einen Kreislauf mit einem vom Abwasser getrennten Wärmetauschmedium auf.

Anhand der folgenden Figuren wird die Erfindung in mehreren Ausführungs­ formen im Detail erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer ersten vorteilhaf­ ten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Installation für Abwasser mit gebogenen plattenförmigen Wärmetauscher­ elementen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer weiteren vorteil­ haften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Installation für Abwasser mit U-profilförmigen Wärmetauscherelementen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Oberfläche eines Teils eines Wär­ metauscherelements gemäß Fig. 1.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Oberfläche von Teilen von mitein­ ander zu einer Wärmetauschereinheit verbundenen Wärmetau­ scherelementen gemäß den Fig. 1 und 3.

Fig. 5 zeigt in Draufsicht und Querschnitt den Aufbau einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements aus punktgeschweißten Blechen.

Fig. 6 zeigt im Schnitt den Aufbau einer weiteren beispielhaften Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements aus einer Kühldecke.

Zwei bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Installationen für Abwasser mit Trockenwasserrinnen 1 sind in schematisier­ ten Querschnitten in den Fig. 1 und 2 in dargestellt. Diese Teile von erfindungsgemäßen Installationen für Abwasser weisen in Fig. 1 plattenför­ mige Wärmetauscherelemente 2 und in Fig. 2 U-profilförmige Wärmetau­ scherelemente 2 auf. Die Wasserleitungen 1 sind beispielsweise normierte Kanalisationsröhren- bzw. Kanalisationsröhrenelemente 5 eines Kanalisations­ baus. Diese Kanalisationsröhren- bzw. Kanalisationsröhrenelemente 5 beste­ hen vorteilhafterweise aus Beton. Der Kanalisationsbau weist ferner ein Bett 6 und Versorgungsröhren 7, 7′, 7′′ für das Wärmetauschersystem auf. Dem Fach­ mann steht es bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei, diese Installation für Abwasser auch in anderen Anwendungen, beispielsweise ohne Einbau in normierten Kanalisationsröhren- bzw. Kanalisationsröhrenelementen 5 eines Kanalisationsbaus zu verwenden. In den vorliegenden beispielhaften Ausfüh­ rungsformen entzieht die erfindungsgemäße Installation dem Abwasser 11 Wärme. Es liegt natürlich vollkommen im Rahmen des Erfindungsgedankens, mittels der erfindungsgemäßen Installation auch Wärme aus großen Kanali­ sationsröhren ohne Trochenwasserrinne zu entziehen. Ferner ist die erfin­ dungsgemäße Installation gleichermaßen bei häuslichen oder ähnlichen örtli­ chen Versorgungen und bei öffentlichen oder ähnlichen Hauptversorgungen einsetzbar, d. h. überall dort wo im Abwasser Wärme anfällt, die mit Wärme­ tauschersystemen nutzbar ist.

Ein Wärmetauscherelement 2 steht in einem Teilbereich der Trockenwasser­ rinne 1 in direktem Kontakt mit dem Abwasser 11. Die Schnitte durch die Oberfläche eines Teils eines Wärmetauscherelements 2 gemäß den Fig. 3 und 4 zeigen, daß jedes der Wärmetauschelemente 2 einen Kreislauf 3 für ein vom Abwasser 11 getrenntes Wärmetauschmedium 31 aufweist, so daß Wärme über eine wärmeleitende Tauschfläche 20 aus dem Abwasser 11 auf­ genommen und an ein Wärmetauschmedium 31 weitergegeben und über den Kreislauf 3 einer Wärmepumpe 4 zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird ein, dem Fachmann bekanntes, Wärmetauschmedium 31 wie z. B. Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch verwendet. Die Wärmeaustauschelemente 2 und die Kreisläufe 3 sind aneinander koppelbar.

Vorteilhafterweise bestehen die Wärmetauschelemente 2 zumindestens teil­ weise aus Edelstahl. Edelstahl weist eine lange Haltbarkeit sowie eine hohe Resistenz gegenüber Korrosion und Erosion auf. Edelstahl besitzt einen genügend hohen Wärmeleitkoeffizienten, um als Tauschflächen 20 Verwen­ dung zu finden. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung sind natürlich auch andere wärmeleitfähige, haltbare und gegen Korrosion und Erosion resistente Materialien einsetzbar, z.B dem Fachmann bekannte Materialien mit korro­ sions- und abriebfesten Beschichtungen mit guten Wärmedurchgangskoeffi­ zienten. Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 zeigen beispiel­ hafte Tauschflächen 20, weiche aus einer dünnen, mehrere Millimeter dicken Edelstahlplatte bestehen. Vorteilhafterweise sind die Tauschflächen 20 eine 4 Millimeter dicke Edelstahlplatte. Diese Dicke garantiert zum einen eine guten Wärmeaustausch zum Wärmetauschmedium 31, und sie garantiert zum ande­ ren eine Resistenz gegen Abrieb beim mechanischen Entfernen von Ablage­ rungen und Sedimenten.

Die Tauschflächen 20 der Wärmetauschelemente 2 bedecken einen Teil oder den ganzen Bereich der rinnenförmigen Trockenwasserrinnen 1 gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2. Der Radius solcher Trockenwasser­ rinnen 1 liegt im Zentimeter- und Meterbereich. Als Beispiel sei ein Radius einer Trockenwasserrinne 1 bzw. Tauschfläche 20 von 0,3 Metern erwähnt. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann natürlich auch Trockenwasserrinnen mit kleineren und größeren Radien realisieren. Die Länge der Tauschflächen 20 der Wärmetauschelemente 2 kann beliebig sein. Zum Zweck einer einfachen Montage der Trockenwasserrinnen 1 durch Kopplung von Wärmetauschelementen 2 sind Längen von 3 Metern vorteil­ haft. Auf diese Weise lassen sich im Kanalisationsbau unter Tage beispiels­ weise 3 Meter große Wärmetauschelemente 2 montieren. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann natürlich auch Wasserleitungen, bestehend aus Wärmetauschelementen mit kleineren und größeren Längen realisieren.

Die Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 zeigt beispielhafte Wärme­ tauschelemente 2 mit einem Kreislauf 3 für ein Wärmetauschmedium 31, wobei der Kreislauf 3 Schikanen 32 zum Erzeugen einer hohen Fließge­ schwindigkeit für eine hohe Wärmeaufnahme aufweist. Die Fließrichtung des Wärmetauschmediums 31 zwischen den Schikanen 32 ist durch Fließpfeile angedeutet. Beispielsweise fließt das Wärmetauschmedium 31 in einer Ebene mäanderförmig von einem Einfluß 33 zu einem Ausfluß 34. Einfluß 33 und Ausfluß 34 verbinden das Wärmetauschmedium 31 in einem vorteilhafterwei­ se geschlossenen Umwälzkreislauf mit einer Wärmepumpe 4. Die Verbindung von der Wärmepumpe 4 erfolgt beispielsweise über eine Versorgungsröhre 7, die Verbindungen zu der Wärmepumpe 4 erfolgt beispielsweise über eine oder zwei Versorgungsröhren 7′, 7′′.

Aus konstruktiven Gründen sind die Tauschflächen 2 und der Kreislauf 3 der Wärmetauscherelemente 2 vorteilhafterweise aus dem gleichen Material und beispielsweise aus Edelstahl hergestellt. Natürlich kann der Fachmann bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung auch andere wärmeleitende, haltbare und gegen Korrosion und Erosion resistente Materialien verwenden.

Die erste Ausführungsform gemäß Fig. 1 zeigt ein Wärmetauscherelement 2, welches zwei gerundete Edelstahlplatten 20, 35 aufweist. Diese Edelstahl­ platten 20, 35 sind durch Edelstahlschikanen 32 beabstandet. Die eine Edel­ stahlplatte 20 dient als Tauschfläche 20 zwischen Abwasser 11 und Wärmetau­ schmedium 31, die andere Edelstahlplatte 35 dient als Basis 35 zur Auflage und Befestigung des Wärmetauscherelements 2 auf ein Bett 6 einer Kanalisa­ tion. Die Edelstahlschikanen 32 dienen zum Erzeugen einer hohen Fließge­ schwindigkeit für eine hohe Wärmeaufnahme des Wärmetauschmediums 31.

Die weitere Ausführungsform gemäß Fig. 2 zeigt ein Wärmetauscher­ element 2, welches eine gerundete Edelstahlplatte 20 als Tauschfläche 20 mit U-Profilen 35 aus Edelstahl aufweist. Die Edelstahlplatte 20 dient als Wärme­ tauscher 20 zwischen Abwasser 11 und dem Wärmetauschmedium 31 und das U-Profil 35 dient zum einen als Schikane 31 zum Erzeugen einer hohen Fließ­ geschwindigkeit für eine hohe Wärmeaufnahme des Wärmetauschmediums 31 und es dient zum anderen als Basis 35 zur Auflage und Befestigung des Wärmetauscherelements 2 auf ein Bett 6 einer Kanalisation.

Die weitere Ausführungsform gemäß Fig. 5 zeigt ein Wärmetauscherele­ ment 2, welches zwei Edelstahlplatten 20, 35 aufweist, welche in Bereichen 32 punktverschweißt sind. Die eine Edelstahlplatte 20 dient als Tauschfläche 20 zwischen Abwasser 11 und dem Wärmetauschmedium 31. Die andere Edel­ stahlplatte 35 dient als Basis 35 zur Auflage und Befestigung des Wärmetau­ scherelements 2 auf ein Bett 6 einer Kanalisation gemäß den Ausführungsfor­ men der Fig. 1 und 2. Die Bereiche 32 dienen als Schikanen 32 zum Er­ zeugen einer hohen Fließgeschwindigkeit für eine hohe Wärmeaufnahme des Wärmetauschmediums 31.

Dem Fachmann stehen bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung vielfältige Möglichkeiten der Wärmetauschelemente zur Verfügung. Beispielsweise zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 6 eine handelsübliche Kühldecke zur Ver­ wendung als erfindungsgemäßes Wärmetauscherelement 2. Diese Kühldecke weist integrierte Schikanen auf und sie weist mindestens einen Einfluß 33 und mindestens einen Ausfluß 34 zum Verbinden des Wärmetauschmediums 31 mit einer Wärmepumpe 4 auf.

Die Kopplung von Wärmetauschelementen 2 erfolgt beispielsweise durch Aneinanderfügen und durch mechanisches Verbinden von Wärmetauschele­ menten 2. Die Ausführungsformen gemäß der Fig. 3 und 4 zeigen eine in Verlegerichtung VV′ verlegte erfindungsgemäße Installation für Abwasser. Die einzelnen Wärmetauschelemente 2 grenzen in Bereichen SS′ aneinander. Zum Zweck einer glatten Verbindung der Edelstahlbereiche aneinandergren­ zender Wärmetauschelemente 2 lassen sich diese Stoßflächen aus Edelstahl in Bereichen SS′ verbinden und beispielsweise aneinanderpressen oder verschweißen. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann natürlich auch Verbindungstechniken wie Verkleben, Verputzen, usw. realisie­ ren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage der Installation für Abwasser mit erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementen 2 besteht vorteilhafterweise darin, die Wärmetauscherelemente 2 sequentiell zu montieren. Die Wärme­ tauscherelemente 2 sind Einheiten, die vor Ort, d. h. beispielsweise in der Kanalisation miteinander verbunden werden. Die Wärmetauscherelemente 2 können z. B. einzeln montiert werden. D.h. Wärmetauscherelemente 2 werden beispielsweise vor Ort im Bett 6 einer Kanalisationsröhre 5 befestigt, Einlässe 33 und Auslässe 34 von Kreisläufen 3 werden vor Ort mit Versorgungsrohren 7, 7′, 7′′ verbunden und Kreisläufe 3 aneinandergrenzender Wärmetauscherele­ mente 2 werden in Bereichen (SS′) vor Ort miteinander verschweißt. Die Wärmetauscherelemente 2 können aber auch als fabrikmäßig vormontierte Wasserleitungseinheiten montiert werden. Diese Wasserleitungseinheiten sind Zwischenprodukte für den Bau von Wasserleitungen. D.h. Wärmetauscher­ elemente 2 werden fabrikmäßig im Bett 6 eines Kanalisationsröhrenelements 5 befestigt, Einlässe 33 und Auslässe 34 von Kreisläufen 3 werden fabrikmäßig mit Versorgungsröhren 7, 7′, 7′′ dieses Kanalisationsröhrenelements 5 ver­ bunden und vor Ort werden Versorgungsröhren 7, 7′, 7′′ aneinandergrenzender Kanalisationsröhrenelemente 5 Ort miteinander verbunden und Kreisläufe 3 aneinandergrenzender Kanalisationsröhrenelemente 5 werden vor Ort in Be­ reichen SS′ miteinander verschweißt. Solche Einheiten lassen sich beispiels­ weise im Kanalisationsbau auch automatisiert verlegen.

Claims (11)

1. Installation für Abwasser (11), mit einer Trockenwasserrinne (1) zur Leitung von Abwasser (11),
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Trockenwasserrinne (1) mindestens ein Wärmetauscherele­ ment (2) aufweisen,
   welches mindestens eine Wärmetauscherelement (2) in direktem Kontakt mit dem Abwasser (11) steht und
   über mindestens eine wärmeleitende Tauschfläche (20) Wärme aus dem Abwasser (11) aufnimmt,
   und welches mindestens eine Wärmetauscherelement (2) einen Kreis­ lauf (3) für ein vom Abwasser (11) getrenntes Wärmetauschmedium (31) aufweist
   und über die mindestens eine wärmeleitende Tauschfläche (20) Wär­ me aus dem Abwasser (11) an das Wärmetauschmedium (31) abgibt.
2. 2. Installation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschmedium (31) über den Kreislauf (3) mit mindestens einer Wärmepumpe (4) verbunden ist und daß das Wärmetauschme­ dium (31) aufgenommene Wärme an die Wärmepumpe (4) abgibt.
3. 3. Installation gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (3) mindestens einen Einlaß (33) und mindestens einen Auslaß (34) aufweist und daß mindestens ein Einlaß (33) über eine Versorgungsröhre (7) mit der Wärmepumpe (4) und daß mindestens ein Auslaß (34) über mindestens eine oder zwei Versorgungsröhren (7′, 7′′) mit der Wärmepumpe (4) verbunden sind.
4. 4. Installation gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (3) mindestens eine Schikane (32) zum Erzeugen einer ho­ hen Fließgeschwindigkeit für eine hohe Wärmeaufnahme des Wär­ metauschermediums (31) aufweist.
5. 5. Installation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Wärmetauschelement (2) zumindestens teilweise aus Edel­ stahl besteht.
6. 6. Installation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Wärmetauschelement (2) glatte, widerstandsarme Tausch­ flächen (20) für den Kontakt zum Abwasser (11) aufweist.
7. 7. Installation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Wärmetauschelement (2) gewellte Tauschflächen (20) für den Kontakt zum Abwasser (11) aufweist.
8. 8. Installation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Wärmetauschelement (2) über eine Basis (35) auf einem Bett (6) einer Kanalisation aufliegt und damit verbunden ist.
9. 9. Verfahren zur Montage einer Installation für Abwasser gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherelemente (2) in einem Bett (6) befestigt werden, daß Einlässe (33) und Aus­ lässe (34) von Kreisläufen (3) mit Versorgungsröhren (7, 7′, 7′′) ver­ bunden werden und daß Kreisläufe (3) in Bereichen (SS′) mitein­ ander verbunden werden.
10. 10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme­ tauscherelemente (2) vor Ort im Bett (6) einer Kanalisationsröhre (5) befestigt werden, daß Einlässe (33) und Auslässe (34) von Kreisläu­ fen (3) vor Ort mit Versorgungsröhren (7, 7′, 7′′) einer Kanalisations­ röhre (5) verbunden werden und daß Kreisläufe (3) aneinandergren­ zender Wärmetauscherelemente (2) vor Ort miteinander verbunden werden.
11. 11. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme­ tauscherelemente (2) im Bett (6) eines Kanalisationsröhrenelements (5) befestigt werden, daß Einlässe (33) und Auslässe (34) von Kreis­ läufen (3) mit Versorgungsröhren (7, 7′, 7′′) dieses Kanalisationsröh­ renelements (5) verbunden werden, daß Versorgungsröhren (7, 7′, 7′′) aneinandergrenzender Kanalisationsröhrenelemente (5) vor Ort mit­ einander verbunden werden und daß Kreisläufe (3) aneinandergren­ zender Kanalisationsröhrenelemente (5) vor Ort miteinander ver­ bunden werden.