JP2013525729A - ダクトを流れる廃水から熱を取り出すための方法、熱交換器、及び該方法を実施するためのシステム - Google Patents

Abstract

【解決手段】特に下水の本管であるダクト（２）を流れる廃水（１）から熱を取り出すために、熱交換器（Ｅ）が、少なくとも前記ダクトの底部に設置され、該熱交換器が、前記廃水（１）に浸され、該熱交換器（Ｅ）は、充分に熱伝導性でありかつその場での硬化に適している材料（４）を管（３）の周囲に注いで該管をコーティングすることによって形成され、該管が、熱伝達流体を流すように設計されており、前記ダクトの廃水との熱交換が、前記形成されたコーティングを介して行われ、前記注がれた材料の上面が、前記ダクトを流れる廃水に直接接触する方法であって、前記コーティングが、異なる特性を有するいくつかの材料層、すなわち前記管（３）と前記ダクト（２）の壁面との間の熱絶縁材料の層（９）、
前記管と前記廃水との間に位置し、前記管に接触している熱伝導材料の層（１０）、及び表面に位置して前記廃水に接触する耐摩耗材料の層（１１）にて行われることを特徴とする方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に下水の本管であるダクトを流れる廃水から熱を取り出すための方法であって、廃水に浸される熱交換器が、少なくとも前記ダクトの底部に設置される該方法に関する。

廃水を排出するための下水の本管又はダクトは、生ぬるい又は暖かな汚水を運ぶ。生ぬるい又は暖かい汚水である理由は、汚水が、汚水住居地又は第３次産業施設に由来するため、あるいは、集団活動又は工業活動施設：屠畜場、スポーツ及びレジャーの基盤施設、スイミングプール、ジム等に由来するためである。

これらの汚水の顕著な熱は、建物を加熱するため、家庭で使用する高い温度の水を供給するため、又は熱ポンプと組み合わせた他のあらゆる熱利用のための、エネルギー源を表している。

特許文献１には、廃水から熱を取り出す方法を実施するために使用される熱交換器が開示されている。該熱交換器の要素は、ダクトの底にぴったりと沿って延びる金属板の形態であるか、熱伝達流体の流入及び流出のためのパイプに接続されたＵ形状の金属片である。該熱交換器は、本質的には金属部品で構成されており、特にステンレス鋼で構成されている。該熱交換器は製造して使用するには比較的コストがかかる。接触したこれらの熱交換器は、ダクト内を流れる廃水の流れに対して平行に配置された表面を有する。廃水が通るルート上に障害はなく、熱交換器の表面が詰まるリスクは低くなっている。

しかしながら、残積堆積物は区域間において局在的に生じるおそれがある。

ダクト内を流れる廃水との熱交換するこの方法は、接触の表面積が比較的小さく、また、廃水の温度が比較的低いため、比較的大きな広げられた接触の長さを必要とする。

前記熱交換器は、ダクト内に取り付けた１つの装備品である。これらのダクトは大きな寸法であるが、設置された装置は複雑である。その理由は、水圧式接続が完全に防水されている必要があり、及び熱交換器の部品の形状が、ダクトの内部の外形に適合している必要があるためである。

DE 197 19311 C5

本発明に係る熱交換器を底部に設置する廃水のダクトの縦断面図である。 本発明に係る交換器の異なる態様についての拡大した縦断面図である。 本発明に係る交換器を製造するため、帯によって平行に置かれた管の集団の縦断面図である。 形成された交換器を受け入れるために、底部に溝をもつダクトの図１に類似した縦断面図である。 半月板の形態の交換器を示す、図４に類似した小さい尺度の縦断面図である。 ダクトの内部の周囲全体に沿って交換器の管が分布し、この周囲全体にわたって壁が形成されている、図５に類似した縦断面図である。 １つの集団は開いた状態、他方の集団は閉じた状態にある、管及びくびき状の支持部の２つの集団の拡大した断面略図である。 交換器に役に立つ輪状管の部分図である。 底部に交換器及び上部に熱伝達流体のためのパイプを備えた設備の断面図である。 フィンを備えた熱伝達流体のためのパイプの異なる外形の断面図である。 フィンを備えた熱伝達流体のためのパイプの異なる外形の断面図である。 フィンを備えた熱伝達流体のためのパイプの異なる外形の断面図である。

本発明の目的は、特に下水の本管であるダクトを流れる廃水から熱を効率的に取り出すことを可能にする、実施が迅速、簡便で、経済的な方法を提供することである。該方法を適用するための設備は、改善された耐用年数に対し、低減された管理のみが必要であることが望ましい。

本発明の方法は、特に下水の本管であるダクトを流れる廃水から熱を取り出すために、熱交換器が、少なくとも前記ダクトの底部に設置され、該熱交換器が、前記廃水に浸され、該熱交換器は、充分に熱伝導性でありかつその場での硬化に適している材料を管の周囲に注いで該管をコーティングすることによって形成され、該管が、熱伝達流体を流すように設計されており、前記ダクトの廃水との熱交換が、前記形成されたコーティングを介して行われ、前記注がれた材料の上面が、前記ダクトを流れる廃水に直接接触する方法であって、
前記コーティングが、異なる特性を有するいくつかの材料層、すなわち
前記管と前記ダクトの壁面との間の熱絶縁材料の層、
前記管と前記廃水との間に位置し、前記管に接触している熱伝導材料の層、及び
表面に位置して前記廃水に接触する耐摩耗材料の層にて行われることを特徴とする方法である。

好ましくは、パイプの廃水の流れを迂回させ、又は一時的に停止させた後で、前記交換器が、前記ダクトの底部に熱伝達流体の回路のための管を配置し、その場に前記コーティング材料を前記管を浸すように注ぐことによって前記ダクトの内部に直接実施され、前記材料が、前記ダクトの底部の外形にぴったりと一致する。

前記コーティング材料は、以下の材料、すなわち合成樹脂、熱伝導セメント又はコンクリート、熱伝導性の付加物又は添加物を含んだ複合材料のうちの少なくとも１つからなることができる。

前記ダクトの内面と該ダクトへと組み込まれる前記交換器との間に保護フィルムを挿入することが可能である。

前記管は、前記ダクトの長手方向に平行に配置されることが好ましい。前記管は、前記コーティング材料を注ぐ前に、工場において装着及び接着されたラック又は帯によって平行かつ間隔を空けた状態に保つことができる。

金属又は合成繊維で作られた介在する帯を、機械強度の向上及び／又は熱伝達の改善のために、前記管の集団の少なくとも一部分の上方に、前記コーティング材料を注ぐ前に配置することができる。

前記管は、かなりの長さ、特に数十メートルの長さの連続的な巻き取り及び繰り出しが可能であるよう、可撓性又は半剛性であることが好ましい。
前記管は、可撓性の金属材料又は合成材料（ポリプロピレン、プラスチック）で作ることができる。可撓性の管の集団を、あらかじめ製造し、リール状の支持体に巻き取り、後にリールからの繰り出しによって前記廃水のダクトに配置させることが可能である。

熱伝達流体のための管は、前記ダクトの断面の外形の全体にわたって配置され、前記管のコーティングが、前記ダクトの断面の外形の全体にわたって行われることとすることができる。

前記形成された材料の内面は、水平であるか、又は内部に向かって凹曲面の円弧とすることができる。

また、本発明は、特に下水の本管であるダクトを流れる廃水から熱を取り出すために、少なくとも前記ダクトの底部に設置され、廃水に浸されるように設計されており、熱伝達流体を流すように意図された管を該管の周囲に注がれた充分に熱伝導性の材料に埋め込んで形成され、前記ダクトの廃水との熱交換を、取り付けられた機械的な部品を除き、前記形成されたコーティングを介して行い、前記注がれた材料の上面が、前記ダクトを流れる廃水に直接接触する交換器であって、
前述した方法に従って製造されることを特徴とする、交換器である。

廃水に浸される前記熱交換器は、通常の角分布における少なくとも５つの平行な管を含む。

また、本発明は、特に下水の本管である廃水ダクトにおいて熱を取り出すための設備であって、前述した方法に従って製造された少なくとも１つの熱交換器を、底部に、廃水に浸して備えていることを特徴とするものである。

前記設備は、前記ダクトの内壁のうちの廃水よりも上方に位置する領域に、ダクト内の大気に曝されたパイプを備えており、顕熱及び水蒸気の凝縮からの潜熱の一部を回収するために、前記パイプを通って熱伝達流体が移動するようにすることができる。

このように、本発明は、決まった場所に注がれた材料に埋め込まれた管からなる、ダクトの底部の外形によく合った、一体型、表面接触、並行流の交換器をダクト内に直接形成することからなる。

熱交換は、取り付けられた窪んだ機械的な部品ではなく、形成された壁を通じて行われる。

上記の構成以外に、本発明は、添付図面を参照しつつ詳細に後述される他の構成からなるが、本発明はそれらに限定されるものではない。

図１は、本発明に係る熱交換器を底部に設置する廃水のダクトの縦断面図である。

図２は、本発明に係る交換器の異なる態様についての拡大した縦断面図である。

図３は、本発明に係る交換器を製造するため、帯によって平行に置かれた管の集団の縦断面図である。

図４は、形成された交換器を受け入れるために、底部に溝をもつダクトの図１に類似した縦断面図である。

図５は、半月板の形態の交換器を示す、図４に類似した小さい尺度の縦断面図である。

図６は、ダクトの内部の周囲全体に沿って交換器の管が分布し、この周囲全体にわたって壁が形成されている、図５に類似した縦断面図である。

図７は、１つの集団は開いた状態、他方の集団は閉じた状態にある、管及びくびき状の支持部の２つの集団の拡大した断面略図である。

図８は、交換器に役に立つ輪状管の部分図である。

図９は、底部に交換器及び上部に熱伝達流体のためのパイプを備えた設備の断面図である。

図１０〜１２は、フィンを備えた熱伝達流体のためのパイプの異なる外形の断面図である。

図面、特に図１を参照すると、ダクト２、特に下水の本管を流れる廃水１から熱を取り出すために、廃水１に浸される熱交換器Ｅが、少なくとも前記ダクトの底部に設置されていることがわかる。推定される廃水の最大レベル１ａは破線で表されている。

この熱交換器Ｅは、可撓性又は半剛性の管３からなり、本質的には、前記ダクトの長手方向に平行に配置される。管３は集団で配置され、該管の周囲に注がれた、硬化可能な熱伝達材料４で十分にコーティングされる。管３は熱伝達流体の流れを目的としたものであり、前記ダクトの廃水１との熱交換は、取り付けられた機械的な部品を除き、形成されたコーティングを通じて行われる。前記注がれた材料の上面は前記ダクト内を流れる廃水１と直接接触する。

コーティング材料４は、合成樹脂又は熱伝導セメント又はコンクリート、又は場合により熱伝導性の付加物又は添加物を含んだ複合材料からなる。

炉において使用される、シリコンカーバイドをベースとする伝導セメント又はレンガは、比較的コストがかかる。フェライト炭素鋼又は金属針を含んだセメントは本発明に係る交換器の製造に非常に適している。

コーティング材料４、特に含有セメントは、５Ｗ／ｍ・°Ｋより大きい熱伝導率を有するものが特に選択される。

前記熱伝達流体の熱交換又は流れの制御のため、熱電対をコーティング材料４の集団の中に挿入することが好ましい。

種々の管３の間の水圧式接続は熱伝達流体の流量に依存する。幾何学的に平行に配置された管３は、直列に又は並列に水圧式接続をすることができる。

熱交換器Ｅは、ダクトの底部に管３を配置し、ダクトの底部の外形にぴったりと一致する材料であるコーティング材料４を決まった位置に注ぎ込み、該管をそこに埋め込むことにより、直接ダクト２内に形成することが好ましい。これらの作業の前に、廃水の流れを一時的に迂回させるか、停止させる。異なる態様として、熱交換器Ｅは、あらかじめ製造されていてもよい。この場合、その長さは、前記ダクト内に挿入する条件によって制限される。

等しい空間配置で管３を閉じ込めるために組み立てられた２つの半殻６ａ、６ｂで構成されたラック６（図７）に、管３を前もって取り付けることで、各管間の空間を維持することができる。前記管はダクト１の壁の内部表面に抗してクリップにより取り付けることができる。

管３の集団がダクト内に設置された後、コーティング材料４は前記管の周囲に注ぎ込まれ、その場で固化し、管３の集団を維持、保護する。コーティング材料４は、廃水２と管を移動する熱伝達流体との間に滑らかな交換壁５を形成する。

保護フィルム７（図２）、特にプラスチックフィルムのシートを、ダクト２の内部表面とこのダクトに組み込まれる熱交換器Ｅの間に設けることができる。

少なくとも管３の集団にコーティング材料を注ぎ込む前に、介在する帯８、特には金属又は合成繊維でできた帯を用いて、特にこの帯が金属である場合に、この帯が熱伝導特性を有している場合に、機械的強度及び／又は熱移動を向上させることが好ましい（図２、３）。

管３のコーティングは異なる特性をもつ材料からなるいくつかの層によって実施することができる。すなわち、
― 管３とダクト２の壁、又はフィルム７を設けた場合には該フィルムの間の、熱絶縁性材料からなる１つの層９（図２）、
― 前記管と廃水との間の、前記管と接触する熱伝導性材料１０からなる１つの層、
― 表面に、耐摩耗性材料からなる層１１

可撓性又は半剛性の管３は、リールに巻き取られ、かなりの長さ、特には数十メートル繰り出されることができるように選択されることが好ましい。これにより、材料４のコーティングは通常、金属よりも低い熱伝導性をもつものの、廃水の流れに応じて、所望する効率を獲得することを可能にする十分な長さをもった熱交換器Ｅを製造することが可能となる。

管３は、可撓性の金属材料（銅、アルミニウム）又は合成材料（ポリプロピレン、可撓性プラスチック）で形成することができる。

前記管の外形は滑らか又は図８の外形１２に示したように輪状（annulated）にすることができる。外形を輪状にすることにより、コーティングに接触する交換表面積を増大させ、管３と剛性コーティング材料４の間の伸びの違いをある程度埋め合わせることが可能となる。

熱交換器Ｅに存在する管３の数は、好ましくは少なくとも５つであり、これらの管は等しく間隔を空けていることが好ましい。

管３の断面は製造方法及び使用材料に応じて円形又は卵形とすることができる。

可撓性管３の集合はあらかじめ作製しておき、リール形状の支持体に巻き取られ、後にリールからの繰り出しによりダクト１に配置させることができる。

グリッド様の支持体又は可撓性のフィルムに接着することにより取り付けられた交換器パネルを工場で前もって製造することも可能である。

図４において、ダクト２は底部に溝１３を含んでおり、この溝内の管３の周囲に材料４を注ぐことによって得られた熱交換器Ｅが設置される。例えば、断面矩形の溝１３は、熱交換器Ｅで充填され、その上面は水平となる。

図２及び５において、管３はダクト２の円弧部分に分布している。形成された材料の内部表面５ａは内部に向かって凹である円弧である。

図６において、管３は前記ダクトの断面の外形の全体にわたって、示された例では円周上に配置されている。また、コーティングが、前記ダクトの内面の全体にわたって設けられており、その結果、熱交換器Ｅの部分は廃水よりも上に位置する。この上部はダクト１の内部の雰囲気と熱を交換する。

図９において、廃水１から熱を取り出すための設備には、廃水に浸される熱交換器Ｅに加えて、ダクト２の内部及び上部、液体廃水１が流れる領域の外に集団で配置された熱交換管１４が含まれる。管１４は、廃水の上に位置し、ダクト２内に存在する雰囲気に曝されるダクトの内部壁に取り付けられる。廃水からの顕熱及び水蒸気の凝縮からの潜熱の一部を回収するために、前記管１４を通って熱伝達流体が移動する。前記管に形成されている凝縮した水滴は矢印Ｇで示しているように廃水内に落下する。

管１４は前記ダクトの長手方向と平行に配向しており、通常熱ポンプを含む流体回路を形成するために並列又は直列に接続されている。この流体回路は熱交換器Ｅのそれと同様であることが好ましい。

管１４は、外面上を滑らかにすることができ、あるいは、交換表面積を増加させるために、適したフィンを含めることができる。該フィンは、らせん状、長手方向、横断方向（特には該管の軸に直交する面に対して）、又は輪状に設けることができる。図９及び１０において、管１４は円形の断面を有し、円形の輪の形態をもつフィン１５を含む。図１２においては、管１４ｂは楕円のフィン１５ｂを有し、楕円の断面をもつ。

管１４は金属製又は合成若しくはプラスチック材料で作製することができる。該管は剛性、半剛性又は可撓性とすることができる。コネクタを要せずに単一体で、かなりの長さ、特に数十メートルの長さを設置できるように、管１４はリールへの巻き取りに適したものであることが好ましい。

ダクト１の内部に熱交換器Ｅを設置することには多数の利点がある。

該交換器はダクトの全ての外形（卵形、曲線、矩形）に適合し、決まった位置に注がれる場合にその長さには制限がない。

使用される該管は低コストの通常の管であり、特別な機械的又は凹面の部品の製造を必要とはしない。

構成部品の重量は非常に小さいため、ハンドリング手段を用いることなく、ダクト２内に挿入することができる。

該交換器は、大きな長さ、すなわち、数十メートルにわたって、ごく少数の水圧式コネクタを必要とするため、漏れのリスクが限定され、その長さにわたって一続きである。前記管の集団は標準的な圧縮シールで接続することができる。前記管内の空間必要度は低下する。廃水、特に汚水の路に障害は発生しない。

現場での修理は、ごく少数のハンドリング手段及び工具類を要して行うことができる。偶発的な故障の場合は、スリーブとブレストプレートにより、迅速な修理を行うことができる。

非常に長い可撓性の管状パネルを小さなオリフィス、特にマンホールを通じて挿入することができる。

合成材料又は金属コーティング又は複合樹脂の腐食のリスクは低い。

本発明は、特に都市の下水システムにおいて、負荷された及び／又は腐食性、研磨性の流体からの熱の回収に適用することができる。

本発明は、また、廃水処理施設（ＳＴＥＰ）において、汚泥消化装置の上流端及び下流端の間で利用することができる。該装置はリバーシブルであり、処理前に加熱する必要がある廃水に熱を送ることができるからである。

本発明は、廃水又は暖かい廃水を排出するあらゆる住居、第３次産業施設、又は工業施設：スイミングプール、学校、大学、行政機関、食品、化学又は石油化学工業に適用しうる。

本設備のシーリングについては、圧縮空気で圧力を加え、圧力を維持することにより検出することができる。

各管３の流量のバランスは、目盛り付きダイアフラムを用いて実施することができる。管からの偶発的な漏れの場合に、回路からこの管を取り除くためにこの管を封鎖することができる。

Claims (15)

1. 特に下水の本管であるダクト（２）を流れる廃水（１）から熱を取り出すために、熱交換器（Ｅ）が、少なくとも前記ダクトの底部に設置され、該熱交換器が、前記廃水（１）に浸され、該熱交換器（Ｅ）は、充分に熱伝導性でありかつその場での硬化に適している材料（４）を管（３）の周囲に注いで該管をコーティングすることによって形成され、該管が、熱伝達流体を流すように設計されており、前記ダクトの廃水との熱交換が、前記形成されたコーティングを介して行われ、前記注がれた材料の上面が、前記ダクトを流れる廃水に直接接触する方法であって、
   前記コーティングが、異なる特性を有するいくつかの材料層、すなわち
   前記管（３）と前記ダクト（２）の壁面との間の熱絶縁材料の層（９）、
   前記管と前記廃水との間に位置し、前記管に接触している熱伝導材料の層（１０）、及び
   表面に位置して前記廃水に接触する耐摩耗材料の層（１１）
   にて行われることを特徴とする方法。
2. パイプの廃水の流れを迂回させ、又は一時的に停止させた後で、前記交換器（Ｅ）が、
   前記ダクトの底部に熱伝達流体の回路のための管を配置し、
   その場に前記コーティング材料を前記管を浸すように注ぐ
   ことによって前記ダクトの内部に直接実施され、
   前記材料が、前記ダクトの底部の外形にぴったりと一致することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記コーティング材料（４）が、以下の材料、すなわち合成樹脂、熱伝導セメント又はコンクリート、場合により熱伝導性の付加物又は添加物を含んだ複合材料のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一項に記載の方法。
4. 保護フィルム（７）が、前記ダクト（２）の内面と該ダクトへと組み込まれる前記交換器（Ｅ）との間に挿入されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記管（３）が、前記ダクト（２）の長手方向に平行に配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記管（３）が、前記コーティング材料を注ぐ前に、工場において装着及び接着されたラック（６）又は帯によって平行かつ間隔を空けた状態に保たれることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 金属又は合成繊維で作られた介在する帯（８）が、機械強度の向上及び／又は熱伝達の改善のために、前記管（３）の集団の少なくとも一部分の上方に、前記コーティング材料を注ぐ前に配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記管（３）が、かなりの長さ、特に数十メートルの長さの連続的な巻き取り及び繰り出しが可能であるよう、可撓性又は半剛性であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記管（３）が、可撓性の金属材料又は合成材料（ポリプロピレン、プラスチック）で作られていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 可撓性の管の集団が、あらかじめ製造され、リール状の支持体に巻き取られ、後にリールからの繰り出しによって前記廃水のダクトに配置されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 熱伝達流体のための管（３）が、前記ダクトの断面の外形の全体にわたって配置され、前記管のコーティングが、前記ダクトの断面の外形の全体にわたって行われることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記形成された材料の内面（５）が、水平であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 特に下水の本管であるダクトを流れる廃水から熱を取り出すために、少なくとも前記ダクトの底部に設置され、廃水に浸されるように設計されており、熱伝達流体を流すように意図された管（３）を該管の周囲に注がれた充分に熱伝導性の材料（４）に埋め込んで形成され、前記ダクトの廃水との熱交換を、取り付けられた機械的な部品を除き、前記形成されたコーティングを介して行い、前記注がれた材料の上面が、前記ダクトを流れる廃水に直接接触する交換器であって、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法に従って製造されることを特徴とする、交換器。
14. 特に下水の本管である廃水ダクトにおいて熱を取り出すための設備であって、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法に従って製造された少なくとも１つの熱交換器（Ｅ）を、底部に、廃水に浸して備えていることを特徴とする、設備。
15. 前記ダクトの内壁のうちの廃水よりも上方に位置する領域に、ダクト内の大気に曝されたパイプ（１４）を備えており、顕熱及び水蒸気の凝縮からの潜熱の一部を回収するために、前記パイプを通って熱伝達流体が移動することを特徴とする、請求項１４に記載の設備。
    
    
    
    
    

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