DE19719311C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Bauwesens und betrifft eine Abwärme-Instal­ lation für Abwasser und ein Verfahren zur Montage dieser Installation gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes der Patentansprüche 1 und 9.

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 Errosion resistent. Die Korrosion wird bei­ spielsweise durch Säuren im Abwasser vermittelt, Steinzeugschalen werden durch Säuren wenig oder nicht angegriffen. Die Errosion 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.

Aus der DE 35 21 585 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung der Schmutzwasser-Abwärme bekannt, die eine Rohranordung besitzt, die im Innern des Mantels des Abwasserrohres oder in einer das Abwasserrohr lagernden Betonsohle liegt. Auf diese Weise wird die Abwärme indirekt durch das Abwasser-Rohrmaterial an ein Wärmeaustauschmedium abgegeben. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass die als Wärmetauscher dienende Rohranordung nicht mit dem Schmutzwasser in Verbindung steht und sich daher Probleme wie Korrosion, Erosion oder die Anlagerung von Verunreinigungen nicht stellen. Sie weist aber den gravierenden Nachteil auf, dass die Wärme durch das sehr schlecht wärmeleitende Rohrmaterial hindurchgeleitet werden muss. Sie hat deshalb eine unbefriedigende Wärmeausbeute und ist nicht wirtschaftlich.

Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, eine Abwärme-Installation für Abwasser bereitzustellen, welche einen integrierten Wärmetauscher aufweist, welcher eine im Vergleich zum Stand der Technik bessere Wärmeausbeute hat, dabei den oben aufgeführten Bedingungen der Haltbarkeit und Resistenz genügt und gleichzeitig mit bekannten Verfahren und Materialien ausführbar sein muss.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abwärme-Installation mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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 Errosion.
• - 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 Errosion 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 Errosion 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, sodass 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 Errosion 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 Errosion 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, welche 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 Trockenwasserrinnen 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 Trockenwasserrinnnen 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 Errosion 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 Flie­ ssgeschwindigkeit 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 Erzeugen 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 fabrikmäs­ sig mit Versorgungsröhren 7, 7', 7" dieses Kanalisationsröhrenelements S 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 (9)

1. Abwärme-Installation für Abwasser (11) mit einer Trockenwasserrinne (1) zur Leitung von Abwasser (11), wobei die Trockenwasserrinne (1) mindestens ein Wärmetauscherelement (2) mit einer wärmeleitenden Tauschfläche (20) und das Wärmetauscherelement (2) einen Kreislauf (3) für ein vom Abwasser (11) getrenntes Wärmetauschmedium (31) aufweisen, wobei das Wärmetauscherelement (2) Wärme aus dem Abwasser (11) an das Wärmetauschmedium (31) überträgt, dadurch gekennzeichnet,
dass die wärmeleitende Tauschfläche (20) plattenförmig oder profiliert ausgebildet ist und zumindest teilweise an der Innenwand der Trockenwasserrinne (1) anliegt, und
dass die Tauschfläche (20) in direktem Kontakt mit dem Abwasser (11) steht, wobei
das Wärmetauscherelement (2) über diese Tauschfläche (20) direkt Wärme aus dem Abwasser (11) aufnimmt.

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 Wärmetauschmedium (31) aufgenommene Wärme an die Wärmepumpe (4) abgibt.

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. 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. Installation gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass minde­ stens ein Wärmetauschelement (2) zumindestens teilweise aus Edel­ stahl besteht.

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. Installation gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass minde­ stens ein Wärmetauschelement (2) gewellte Tauschflächen (20) für den Kontakt zum Abwasser (11) aufweist.

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. Verfahren zur Montage einer Abwärme-Installation für Abwasser gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscherelemente (2) vor Ort im Bett (6) einer Kanalisationsröhre (5) befestigt werden, dass Einlässe (33) und Auslässe (34) von Kr­ eisläufen (3) vor Ort mit Versorgungsröhren (7, 7', 7") verbunden werden und dass Kreisläufe (3) aneinandergrenzender Wärmetauscherelemente (2) vor Ort miteinander verbunden werden.