DE3047742A1

DE3047742A1 - Vorrichtung zum erwaermen von brauchwasser

Info

Publication number: DE3047742A1
Application number: DE19803047742
Authority: DE
Inventors: Manfred 2000 Hamburg Diehn; Helmut Schimonek; Dieter 2082 Uetersen Schwonberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1982-07-22

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Brauchwasser unter Ausnutzung der Wärme von Abwasser, die einen Hohlraum für Abwasser, einen mit diesem verbundenen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf eine Flüssigkeit, eine Wärmepumpe mit Verdampfer, Kompressor und Kondensator für ihr Arbeitsmedium zum Erwärmen von Brauchwasser unter Abkühlung der Flüssigkeit, und einen isolierten Speicherbehälter für das erwärmte Brauchwasser aufweist.

Eine vorbekannte Vorrichtung dieser Art (DE-OS 27 15 045) hat einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau. In einem Behälter, der vom Abwasser durchströmt wird, wird Wärme über einen Wärmeaustauscher auf eine Flüssigkeit übertragen. Durch diese Flüssigkeit wird dann die Wärme über einen weiteren Wärmeaustauscher auf den Verdampfer einer Wärmepumpe übertragen. Mit dem Kondensator dieser Wärmepumpe wird dann die durch die Wärmepumpe übertragene Wärme auf Brauchwasser übertragen, das wiederum in einem separaten Speicherbehälter aufbewahrt werden kann.

Diese Vorrichtung ist nicht nur wegen der großen Zahl von Teilen sehr aufwendig. Es besteht vielmehr auch die Gefahr, daß sich im Abwasserbehälter feste Bestandteile des Abwassers festsetzen, wodurch allmählich eine Verstopfung eintreten kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die

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zuverlässig arbeitet, billig herzustellen ist und auch nachträglich ohne große Schwierigkeiten in vorhandene Abwasser-System* bzw. Brauchwassererhitzungs-Systeme eingebaut werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Zufluß

für das Brauchwasser in den Speicherbehälter unten an demselben angeordnet ist, daß der Hohlraum für das Abwasser als Abwasserleitung ausgebildet ist, die im unteren Bereich des Speicherbehälters oberhalb des Zuflusses für das Brauchwasser angeordnet ist, daß der Wärmetauscher die äußere Oberfläche der Abwasserleitung ist, daß der Verdampfer der Wärmepumpe im Speicher oberhalb der Abwasserleitung und der Kondensator der Wärmepumpe im Speicher oberhalb des Verdampfers angeordnet ist, und daß der Abfluß für das erwärmte Brauchwasser im oberen Bereich des Speicherbehälters vorgesehen ist.

Die ganze Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Stück, nämlich dem Speicherbehälter mit den darin angeordneten Bestandteilen. Dieser Behälter kann in der Fabrik fertig montiert werden; er braucht nur noch an die Systeme für Abwasser, Brauchwasser und eine Energiequelle, normalerweise das elektrische Netz angeschlossen zu werden. Für das Abwasser ist kein besonderer Behälter vorgesehen; es läuft vielmehr durch eine normale Leitung * durch die Vorrichtung hindurch. Es können sich daher keine festen Bestandteile des Abwassers festsetzen oder verklemmen. Die Gefahr einer Verstopfung ist so auf wirkungsvolle Weise vermieden.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet auf die folgende Weise. Die Abwasser z.B. eines Hauses, das mit erwärmtem Brauchwasser versorgt werden soll, die eine beträchtliche Temperatur haben können, werden durch die Abwasserleitung der Vorrichtung geleitet. Sie geben dabei wenigstens teilweise ihre Wärme über die Oberfläche der Abwasserleitung an frisch von unten in den Speicher nachströmendes, verhältnismäßig kaltes Brauchwasser ab, das dadurch erwärmt wird und nach oben steigt. Dadurch erwärmt dieses Brauchwasser auch den Verdampfer einer Wärmepumpe, der sich knapp oberhalb der Abwasserleitung befindet. Die so von der Wärmepumpe aufgenommene Wärme wird vom Kondensator der Wärmepumpe, der sich eine gewisse Strecke oberhalb des Verdampfers der Wärmepumpe befindet, wieder an das Brauchwasser abgegeben, und zwar bei einer höheren Temperatur. Dadurch wird das Brauchwasser hier auf eine höhere Temperatur als die Abwassertemperatur erwärmt. Das so erwärmte Brauchwasser sammelt sich dann im oberen Teil des Speicherbehälters, von wo es im erwärmten Zustand abgenommen wird. Da das Brauchwasser im unteren Teil des Behälters gleichzeitig abgekühlt ist, kann es bei neu nachströmendem, warmem Abwasser erneut Wärme aufnehmen.

Damit die Wärme des Abwassers möglichst gut an das Brauchwasser im unteren Bereich des Speicherbehälters übertragen wird, kann die Abwasserleiter schlangenförmig im Speicherbehälter angeordnet sein. Um irgendwelche unnötigen Verwinkelungen der Abwasserleitung zu vermeiden, die zu Verstopfungsgefahr führen könnte, kann auch vorgesehen sein, daß die Abwasserleitung gerade ist. Wird sie durch den Speicherbehälter horizontal an einer Stelle großer Abstände gegenüberliegender Wandung desselben hindurchge-

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führt, so wird sie trotzdem die größtmögliche Länge haben, um so die Abgabe von Wärme zu verbessern. Insbesondere kann der Speicherbehälter zylindrisch mit vertikaler Achse sein und die Abwasserleitung in Richtung eines Zylinderdurchmessers durch denselben hindurchgeführt sein.

Um den Wärmeübergang von dem Abwasser an das Brauchwasser zu verbessern, kann die äußere Oberfläche der Abwasserleitung mit Rippen und/oder Flossen versehen sein.

Der Verdampfer und/oder der Kondensator der Wärmepumpe können besonders leicht ein- und ausgebaut werden, wenn der Speicherbehälter mit öffnungen zum Ein-/Ausbau von Verdampfer und/oder Kondensator der Wärmepumpe versehen ist. Dabei können Verdampfer und Kondensator auf geeigneten Flanschen befestigt sein.

In vielen Fällen wird es nötig sein, eine elektrische Zusatzheizung vorzusehen. Diese wird oberhalb des Kondensators angeordnet. Auch diese Zusatzheizung kann wieder besonders leicht demontiert werden, wenn der Speicherbehälter mit einer öffnung zum Einsetzen derselben über dem Kondensator versehen ist. Auch diese Zusatzheizung kann ähnlich wie Verdampfer und Kondensator an einem geeigneten Flansch befestigt sein.

Die Vorrichtung dient der Erwärmung von Brauchwasser. In vielen Fällen wird man nur verhältnismäßig wenig erwärmtes Brauchwasser benötigen, während warmes Abwasser (z.B. Kühlwasser bei industriellen Vorgängen) in ausreichender Menge zur Verfügung steht. In diesem Falle kann der Speicherbehälter oberhalb des Kondensators der Wärmepumpe mit einem Wärmeaustauscher zum Erwärmen eines

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weiteren Fluids. insbesondere des Betriebsfluids einer Heizungsanlage versehen sein. Auf diese Weise kann die Abwärme auch zur Heizung von Räumen verwendet werden.

Da warmes Wasser nach oben steigt und ein verhältnismäßig guter Isolator ist, wird die vorhandene Temperatürschichtung normalerweise verhältnismäßig wenig durchmischt, so daß sich im oberen Teil befindliches warmes Wasser verhältnismäßig warm hält. Die Isolation zwischen oben befindlicher warmer Wasserschicht und unten befindlicher kalter Wasserschicht kann aber dadurch noch verbessert werden, daß der Speicherbehälter durch eine wasserdurchlässige, isolierende Zwischenwand unterteilt ist, die zwischen Verdampfer und Kondensator der Wärmepumpe angeordnet ist.

Die Abwasserleitung der Vorrichtung kann arysich an beliebiger Stelle eines Abwasserleitungsnetzes eingebaut werden. Wenn diese Abwasserleitung horizontal gelagert ist, hat das Abwasser jedoch möglicherweise nur eine verhältnismäßig geringe Höhe in dieser Leitung und fließt durch dieselbe schnell- hindurch, so daß die Wärme in unzureichendem Ausmaß an das Brauchwasser abgegeben wird. Durch eine Rohrbiegung am Auslaß der Abwasserleitung, durch die die Leitung um mehr als ihren Durchmesser nach oben geführt ist, wird die Leitung innerhalb des Speicherbehälters immer mit Abwasser gefüllt sein, da auch die Zuleitung normalerweise höher liegt. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers verringert. Bei nicht neu zugeführtem Abwasser steht das Abwasser sogar auf eine gewisse Weise still, so daß in jedem Falle der Wärmeübergang besser ist.

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Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist um so besser, je höher die Abwassertemperatur ist. Daher kann vorgesehen sein, daß nur die Abwasser solcher Abwasserquellen durch die Vorrichtung hindurchgeleitet werden, die warmes Wasser abgeben, wie z.B. Duschen, Bäder, Geschirrspülmaschinen, Waschmaschinen. Beim nachträglichen Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorhandene Abwassersysteme ist eine solche Auswahl warmer Abwässer nicht möglich. In diesem Falle kann vorgesehen sein, daß die Abwasserleitung an ihrem Einlaß mit einem temperaturempfindlichen selbständigen Ventil und einer ümwegleitung zum Vorbeileiten kalten Abwassers versehen ist. Hierdurch kann bewirkt werden, daß nur warmes Abwasser durch die Vorrichtung geleitet wird. Trifft kaltes Abwasser ein, wie z.B. bei Betätigung einer Toilettenspülung, so wird dieses um die Vorrichtung herumgeleitet und kann das möglicherweise bereits ein wenig erwärmte Brauchwasser nicht wieder abkühlen .

Wenn der Speicherbehälter aus Chrom-Nickelstahl oder Kupfer besteht, hat er eine besonders große Lebensdauer. Es ist auch nicht notwendig, sogenannte "Opferanoden" zur Verhinderung von Korrosion vorzusehen. Der Rauminhalt des Speicherbehälters kann ungefähr 250 Liter betragen. Bei zylindrischer Form kann er etwa 1,60 m hoch sein und einen Durchmesser von 60 cm haben, so daß er leicht durch 70 cm breite Türen zum Installationsort gebracht werden kann.

Je größer der Abstand zwischen Verdampfer und Kondensator der Wärmepumpe ist, um so weniger wird ein Temperaturausgleich zwischem warmem und kaltem Wasser stattfinden. Andererseits sollte der Kondensator aber möglichst niedrig

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angeordnet sein, damit über ihm noch ausreichend Volumen zum Speichern warmen Wassers bleibt.

Es hat sich gezeigt, daß ein Abstand zwischen Kondensator und Verdampfer von ungefähr 40 cm besonders günstig ist. Für den Hausgebrauch und den genannten Rauminhalt des Speicherbehälters von ungefähr 250 Liter hat sich eine Wärmeleistung der Wärmepumpe von" ungefähr 600 bis 2.000 Watt als günstig und ausreichend erwiesen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die schematise! eine vorteilhafte Ausführungsform zeigt.

Über dem Fußboden 1 insbesondere des Kellergeschosses eines Hauses wird durch Stützen 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 gehalten. Der Speicherbehälter 4 hat im wesentlichen zylindrische Form mit vertikaler Achse und isolierten Wänden. An der tiefsten Stelle des Zylinders befindet sich der Zulauf 5 für kaltes Brauchwasser, das eine Temperatur von ungefähr 10⁰Chat, während an der höchsten Stelle der Ablauf für das erwärmte Brauchwasser mit Temperaturen (für den Hausgebrauch) von 45° bis 55° C vorgesehen ist. Im unteren Teil des Speicherbehälters 4 ist die Abwasserleitung 7 zum Hindurchleiten von Abwasser angeordnet, die in der Zeichnung links durch die von oben kommende Abwasserleitung 8 mit Abwasser beschickt wird. Das Abwasser läuft in der Figur rechts durch eine Leitung 9 in das SieL Durch eine nach oben gerichtete Rohrbiegung 10 am Ausfluß des Abwassers aus der Vorrichtung wird sichergestellt, daß das Abwasser die Abwasserleitung innerhalb der Vorrichtung immer ganz füllt. Die Befestigung zwischen hausseitigen Abwasser-

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leitungen und der Abwasserleitung der Vorrichtung erfolgt über Flansche 11.

Um den Wärmeübergang zwischen Abwasserleitung 7 und dem dieselbe umströmenden Brauchwasser zu verbessern, weist die Abwasserleitung 7 an ihrer äußeren Oberfläche Rippen 12 auf.

Unmittelbar oberhalb der Abwasserleitung 7 befindet sich der Verdampfer 13, wiederum eberhalb desselben der Kondensator 14 einer Wärmepumpe. Diese beiden Elemente sind Über entsprechende Leitungen mit einem Kompressor 15 verbunden, der z.B. elektrisch angetrieben wird. Zwischen Verdampfer 13 und Kondensator 14 kann noch eine wasserdurchlässige, isolierende Wand 16 vorgesehen sein, die in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist.

Oberhalb des Kondensators 14 ist noch eine elektrische Zusatzheizung 17 im Behälter angeordnet, die bei Bedarf eingeschaltet werden kann. Verdampfer 13, Kondensator 14 und Zusatzheizung 17 sind dabei auf Flanschen 18 befestigt, die in entsprechende öffnungen des Speicherbehälters eingeführt werden und dort befestigt werden können, so daß die Elemente leicht ausgewechselt werden können. Oberhalb der elektrischen Zusatzheizung 17 ist schließlich noch eine Wärmeaustauscherschlage 19 gestrichelt dargestellt, die zur Erwärmung eines anderen Mediums z.B. für eine Heizungsanlage dienen kann.

Vorteilhaft wird die Vorrichtung natürlich mit warmen Abwässern beschickt. Ist eine Auswahl nur warmer Abwasserquellen wegen bereits vorhandenem Rohrleitungssystem nicht

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möglich, so können kalte Abwässer über ein selbsttätiges temperaturempfindliches Ventil, das bei 20 angedeutet ist, über eine Leitung 21 um die Vorrichtung herum direkt ins Siel geleitet werden.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in ihrem einfachen und kompakten Aufbau. Dabei tritt überraschenderweise eine gute Funktion und ein guter Wirkungsgrad auf, obwohl dasselbe Brauchwasser erst gekühlt und anschließend wieder erwärmt wird. Diese Kühlung wird jedoch durch gleichzeitige erneute Erwärmung durch das Abwasser mindestens teilweise rückgängig gemacht .

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Erwärmen von Brauchwasser unter Ausnutzung der Wärme von Abwasser, die einen Hohlraum für Abwasser, einen mit diesem verbundenen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf eine Flüssigkeit, eine Wärmepumpe mit Verdampfer, Kompressor und Kondensator für ihr Arbeitsmedium zum Erwärmen von Brauchwasser unter Abkühlung der Flüssigkeit, und einen isolierten Speicherbehälter für das erwärmte Brauchwasser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß (5) für das Brauchwasser in den Speicherbehälter (4) unten an demselben angeordnet ist, daß der Hohlraum (7) für das Abwasser als Abwasserleitung ausgebildet ist, die im unteren Bereich des Speicherbehälters (4) oberhalb des Zuflusses (5) für das Brauchwasser angeordnet ist, daß der Wärmetauscher (12) die äußere Oberfläche der Abwasserleitung ist, daß der Verdampfer (13) der Wärmepumpe

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im Speicher (4) oberhalb der Abwasserleitung (7) und der Kondensator (14) der Wärmepumpe im Speicher (4) oberhalb des Verdampfers (13) angeordnet ist, und daß der Abfluß (6) für das erwärmte Brauchwasser im oberen Bereich des Speicherbehälters (4) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung (7) im Speicherbehälter (4) schlangenförmig angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung (7) gerade ist und durch den Speicherbehälter (4) horizontal an einer Stelle großer Abstände gegenüberliegender Wandungen desselben hindurchgeführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (4) zylindrisch mit vertikaler Achse ist und die Abwasserleitung (7) in Richtung eines Zylinderdurchmessers durch denselben hindurchgeführt ist. -·
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der Abwasserleitung (7) mit Rippen und/oder Flossen (12) versehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (4) mit öffnungen zum Ein-/Ausbau von Verdampfer (13) und/oder Kondensator (14) der Wärmepumpe versehen ist.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (4) mit einer öffnung zum Einsetzen einer Zusatzheizung (17) über dem Kondensator (14) versehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (4) oberhalb des Kondensators (14) der Wärmepumpe mit einem Wärmeaustauscher (19) zum Erwärmen eines weiteren Fluids, insbesondere des Betriebsfluids einer Heizungsanlage versehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (4) durch eine wasserdurchlässige, isolierende Zwischenwand (16) unterteilt ist, die zwischen Verdampfer (13) und Kondensator (14) der Wärmepumpe angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung (7) an ihrem Auslaß mit einer Rohrbiegung (10) um mehr als ihren Durchmesser nach oben geführt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung (7) an ihrem Einlaß mit einem temperaturempfindlichen, selbststätigen Ventil (20) und einer Umwegleitung (21) zum Vorbeileiten kalten Abwassers versehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (4) aus Chromnickelstahl oder Kupfer besteht.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauminhalt des Speicherbehälters (4) ungefähr 250 Liter beträgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (14) ungefähr 40 cm über dem Verdampfer (13) angebracht ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleistung der Wärmepumpe ungefähr 600 bis 2.000 Watt beträgt.