CN102884390B - 从管道中流动的废液提取热量的方法、使用该方法的热交换器及设备 - Google Patents

Abstract

从在管道（2）、尤其是污水收集管中流动的废液提取热量的方法，其中，至少在管道底部安装浸在废液中的热交换器（E）；热交换器（E）通过用足够传导热量的材料包覆管（3）来形成，所述材料围绕所述管进行浇注和适于现场硬化，管（3）用于载热流体的循环，与管道的废液进行的热交换通过模制的包覆体而非附接的任何机械构件进行，浇注材料的上表面与在管道中流动的所述废液直接接触。包覆体以具有不同性能的多个材料层实现，该多个材料层即：绝热材料层（9），其在管（3）和管道（2）的壁之间；接触管的导热材料层（10），其在管和废液之间；以及在表面、与废液相接触的耐磨蚀材料层（11）。

Description

从管道中流动的废液提取热量的方法、使用该方法的热交换器及设备

技术领域

本发明涉及一种方法，用于从在管道中流动的废液提取热量，尤其用于从污水收集管提取热量，根据所述方法，至少在管道底部安装浸在废液中的热交换器。

背景技术

污水排放管道或收集管输送污水，污水是温热或温和的，这是因为污水来源于住宅或第三产业，或其来源于集体活动或工业活动：屠宰场、体育和休闲基础设施、游泳池、体育馆等。

这些水的显热是这样的能源：其可以有利地被回收，与热泵相配套，用以建筑物取暖、卫生热水生产或任何其它热力利用的需要。

DE 19719311C5描述一种允许使用从废液提取热量的方法的热交换器。热交换器的元件可为与管道底部贴合的金属板的形式，或者可呈与载热流体输入和输出管路连接的U形金属型材的形式。热交换器基本用金属构件、尤其不锈钢构件实现。这种热交换器生产成本和使用成本比较高。这些接触热交换器具有其平行于在管道中流动的废液流布置的表面。废液通路上没有障碍，热交换器表面阻塞的危险性很小。但是，在段部之间可能局部地产生残留沉积物。

由于废液的接触面积较小和温度较低，与在管道中流动的废液进行热交换的这种方式式需要较大的展开的接触长度。

热交换器构成附接在管道内部的设备；由于应强制性地密封的液压连接和由于应适应于管道的内部型廓的热交换器构件的形状，安装被复杂化，即便这些管道尺寸很大。

发明内容

本发明尤其旨在提供一种允许从在管道、尤其污水收集管中流动的废液有效地提取热量的方法，其实施快速、简单和经济。期望的是，用于实施本方法的设备仅需要很少维护，而使用寿命得到提高。

根据本发明，用于从在管道、尤其是污水收集管中流动的废液提取热量的方法，根据该方法，至少在管道底部安装浸在废液中的热交换器，所述热交换器通过用足够传导热量的材料包覆管来形成，所述材料围绕所述管进行浇注和适于现场硬化，所述管用于载热流体的循环，与管道的废液进行的热交换通过模制的包覆体进行，浇注材料的上表面与在管道中流动的废液直接接触，该方法的特征在于，所述包覆体以具有不同性能的多个材料层实现，该多个材料层即：

－绝热材料层，其在所述管和所述管道的壁之间，

－接触所述管的导热材料层，其在所述管和所述废液之间，

－以及在表面、与所述废液相接触的耐磨蚀材料层。

有利地，在管道的废液流动转向或暂时中断之后，通过如下方式直接在管道内部实现所述热交换器：

－在所述管道的底部布置用于载热流体回路的管，

－以及就地浇注包覆材料以将这些管埋置在该包覆材料中，所述包覆材料贴合所述管道的下部分的型廓。

包覆材料可由以下材料中的至少一种构成：合成树脂、导热水泥或导热混凝土、含有导热添加剂或导热助剂的复合材料。

可在所述管道的内表面和集成于该管道中的热交换器之间插置保护膜。

优选地，管布置成平行于管道的纵向方向。在浇注包覆材料之前，所述管可通过支架保持平行和间隔开。

在浇注包覆材料之前，可将为金属的或合成纤维制的中间网铺展在一管层的至少一部分上，以增强机械强度和/或提高传热性。

有利地，所述管呈柔性或半刚性，以便能以大长度、尤其是数十米的大长度被连续卷绕和展开。所述管可用柔性金属材料或用合成材料（聚丙烯、塑料）制成。可通过预制实施柔性管层；并且，使所述柔性管层卷绕在卷盘状支承件上，以便以后将其通过从卷盘展开来安装在废液管道中。

可沿着所述管道的横截面的整个轮廓布置用于载热流体的管；并且，在所述管道的横截面的整个轮廓上实施对这些管的包覆。

模制材料的内表面可以是水平的或向内凹的弧形。

本发明还涉及交换器，其用于从在管道、尤其是污水收集管中流动的废液提取热量，所述交换器被设置用于至少在所述管道的底部安装和浸在所述废液中，其特征在于，所述交换器由管构成，这些管埋置在足够传导热量的材料中，所述材料围绕用于载热流体循环的所述管浇注，

与所述管道的废液进行的热交换通过模制的包覆体而非附接的任何机械构件来进行，浇注材料的上表面与在所述管道中流动的废液直接接触，

热交换器按照前述方法实施。

浸在废液中的热交换器具有按均匀角度分布的至少五根平行的管。

本发明还涉及废液管道中、尤其是污水收集管中热量提取的设备，其特征在于，其在底部具有至少一根据前述方法实施的热交换器，所述热交换器浸在废液中。

所述设备可以在管道内壁的位于废液上方的区域上具有管，所述管暴露于在管道中存在的大气，由载热流体流经过，以回收水蒸汽冷凝的潜热和显热的一部分。

因此，本发明在于直接在管道内部实施一种表面接触式、平行流式的整体交换器，其由管构成，这些管埋置在就地浇注、贴合管道下部分型廓的材料中。

热交换通过模制壁、而不是通过附接的冷作（chaudronnée）机械构件进行。

附图说明

除上述布置以外，本发明还包括一定数量的其它布置，后面将就参照附图描述的一些非限制性实施例对其进行更明确地说明。附图中：

图1是污水管道的横向竖直剖面图，根据本发明的热交换器在下部分安装在该污水管道中。

图2是根据本发明的热交换器的一实施变型的更大比例的局部竖直横剖面图。

图3是用于实施根据本发明的热交换器的一层平行管的横向竖直剖面图，在该层平行管上方置有一网状物。

图4是管道的类似于图1的横向竖直剖面图，所述管道在下部分具有凹槽，用于接纳模制的热交换器。

图5是类似于图4的较小比例的横向竖直剖面图，示出弯月面状的热交换器。

图6是类似于图5的横向竖直剖面图，热交换器的管沿着管道内截面的整个周边分布，在整个该周边上有模制壁。

图7是两个管层及夹箍形支承件的更大比例的横剖面示意图，对于一管层，夹箍形支承件是在打开位置，而对于另一管层，夹箍形支承件则在封闭位置。

图8是可用于热交换器的环纹管的局部图。

图9是具有在下部分的热交换器且在上部分的载热流体管的设备的横剖面图，以及

图10-12是不同型廓的载热流体管及翅片的横剖面图。

具体实施方式

参照附图尤其是图1，可以看到，为从在管道2、特别是污水收集管中流动的废液1中提取热量，至少在管道底部安装浸在废液1中的热交换器E。废液的假定的最大液位1a用虚线示出。

该热交换器E由基本平行于管道纵向方向的柔性管或半刚性管3构成。这些管3按层布置，用足够传导热量的材料4包覆，该材料围绕管浇注和适于硬化。管3用于载热流体的循环，与管道的废液1进行的热交换通过模制的包覆体而非附接的任何机械构件进行。浇注材料的上表面5与在管道中流动的废液1直接接触。

包覆材料4可由合成树脂构成，或者由导热水泥或导热混凝土构成，或者由必要时含有导热添加剂或导热助剂的复合材料构成。

在炉中使用的基于碳化硅的导热水泥或导热砖成本比较高。含有铁素体碳钢或金属针的水泥非常适于实施根据本发明的热交换器。

包覆材料4特别是含导热材料的水泥，尤其被选择以具有大于5W/m.°K的导热率。

有利地，热电偶***包覆材料4的层中，以控制载热流体的循环和热交换。

不同管3之间的液压连接取决于载热流体的流量。在几何上平行布置的管3可以或者串联或者并联地进行液力连接。

优选地，能以如下方式将热交换器E直接在管道2内实施：在管道底部中布置管3，和就地浇注包覆材料4以将这些管埋置在该包覆材料中，所述包覆材料贴合管道下部分的型廓。在这些操作之前，管道1中的废液流动转向或暂时中断。在变型中，热交换器E可被预制；在这种情况下，其长度受引入管道中的条件限制。

管3可预先被固定在支架6上（图7），所述支架由两个半壳体6a、6b形成，所述两个半壳体装配在一起，以按照均匀间隔束持这些管3（图7），以便保持各管之间的间距。这些管可由夹具固定在管道1的壁的内表面上。

在管道中安置好管层3之后，围绕管浇注包覆材料4，包覆材料当场硬化，以保持和保护管层3。包覆材料4在废液2和流经每个管的载热流体之间形成光滑的热交换壁5。

保护膜7（图2），尤其是塑料材料片，可布置在管道2的内表面与集成在该管道中的热交换器E之间。

有利地，在浇注包覆材料之前，在一管3层的至少一部分上展开（图2和3）中间网8、尤其是金属的或合成纤维制的中间网，以便在该网具有导热性能时、尤其是在该网是金属的时，加强机械强度和/或提高传热性。

管3的包覆体可按不同性能的多个材料层来实现，该多个材料层即：

－绝热材料层9（图2），其在管3和管道2的壁之间，或者在使用膜7时则在管3和这种膜之间；

－接触管的导热材料层10，其在管和废液之间；以及

－在表面的耐侵蚀材料层11。

有利地，柔性或半刚性的管3被选择成能按很大长度、尤其是数十米的很大长度在卷盘上卷绕和展开。因此，可根据废液流量实施热交换器E，其长度足以允许获得所需的效能，虽然材料4的包覆体通常具有的导热率低于金属的导热率。

管3可用柔性金属材料（铜、铝）或合成材料（聚丙烯、柔性塑料材料）制成。

管的型面可以是光滑的，或者可以如图8上的型面12所示呈环纹状。环纹状型面允许增大与包覆体的接触交换面积，允许确保对管3和刚性包覆材料4之间的不均匀膨胀的一定补偿。

优选地，在一个热交换器E中存在的管3的数量至少等于五个，这些管均匀地间隔开。

管3的横截面可根据所用的材料和制造方式呈圆形或椭圆形。

柔性管3的管层可被预制和卷绕在卷盘状支承件上，以便以后通过从卷盘展开将它们安置在管道1中。

也可以在工厂预制交换器板，所述交换器板通过粘接被固定在格栅形支承件上或柔性膜上。

根据图4，管道2在下部分具有凹槽13，通过围绕管3浇注材料4而获得的交换器E被安装在该凹槽中。凹槽13例如具有矩形横截面，由交换器E填充，交换器的上表面5保持水平。

根据图2和5的实施例，管3沿着管道2的截面的弧形段分布，模制材料的内表面5a呈向内凹的圆弧形。

根据图6的实施例，管3沿着管道横截面的整个轮廓布置，在所示的实施例中沿圆周布置，包覆体也完全围绕管道的内表面设置，以致交换器E的一部分位于废液上方。该上部分与管道1的内部大气进行热交换。

根据图9的实施例，用于从废液1中提取热量的设备除浸在废液中的交换器E之外，还具有热交换管14，这些管14布置成层，置于管道2的内部和上部分中，在废液1的流通区域之外。管14固定在管道内壁的位于废液上方的区域上，暴露于存在于管道2中的大气。管14由载热流体流经过，以回收来自废液的水蒸汽的冷凝的潜热和显热的一部分。在管上形成的冷凝水滴掉落在废液中，如箭头G所示。

管14平行于管道的纵向方向定向，它们并联或串联地连接，以形成流体回路，流体回路一般具有热泵。有利地，该流体回路与交换器E的流体回路相同。

管14在外部可以是光滑的，或可具有附接的翅片以增大交换面积。翅片可以是螺旋状的、纵向的、横向的，尤其是在与管的轴线正交的平面中，或者呈环纹状。根据图9和10，管14具有圆形截面，和具有圆环状翅片15。根据图11，管14具有圆形截面，带有长圆形翅片15a。根据图12，管14b具有长圆形截面，带有长圆形翅片15b。

管14可以是金属的、或者是合成材料或塑料材料制的。管14可为刚性的、半刚性的或柔性的。有利地，管14适于被卷绕在卷盘上，使得能将其以单一整体且无需接头以很长的长度、尤其是数十米的长度安置。

热交换器E在管道1内部的安置具有许多优越性。

热交换器适合于所有的管道型廓：椭圆形、曲线形和矩形，当其就地浇注时，其长度不受限制。

所用的管是成本较低的普通管，不需要制造特殊的冷作机械构件。

组成件的重量较轻，以致组成件无需操作装置即可***到管道2内。

热交换器在其长度上具有连续性，漏泄危险性有限，因为在大长度即数十米上仅需要极少的液压接头。管层的连接可用标准压缩密封垫圈进行。在管道内部的堵塞（encombrement）小。在废液特别是污水的通路上不会形成任何障碍。

现场修理仅需很少的操作装置和工具即可进行。在发生偶然断裂的情况下，可用套筒和护板进行快速修复。

大长度的柔性管状板可由狭孔、尤其是人孔引入。

合成材料或无机包覆体或复合树脂的腐蚀危险性低。

本发明可应用于从含料流体和/或腐蚀性流体、研磨流体回收热量，尤其在城市清洁卫生网中。

本发明还可用在化污池的上游和下游之间的净化站（STEP）中，因为所述装置是可逆式，可将热量传递给在处理前应被加热的废液。

本发明可应用于排放一种热废液或多种热废液的任何住宅、第三产业、工业设施：游泳池、校舍、大学、行政建筑物、食品工业、化学工业、石油化学工业。

设备密封性可通过压缩空气增压和压力保持来进行控制。

每个管3中流量的平衡可借助校准膜片进行。在管发生意外漏泄的情况下，可实施对该管的堵塞以将其与回路断开。

Claims (19)

1.从在管道(2)中流动的废液(1)提取热量的方法，根据所述方法，至少在所述管道的底部安装浸在所述废液中的热交换器(E)，所述热交换器(E)通过用足以传导热量的材料(4)包覆管(3)来形成，所述材料围绕所述管进行浇注和适于现场硬化，所述管用于载热流体的循环，与所述管道的废液进行的热交换通过具有所述材料的包覆体进行，具有所述材料的包覆体的上表面与在所述管道中流动的所述废液直接接触，

其特征在于，具有所述材料的包覆体以具有不同性能的多个材料层实现，该多个材料层即：

－绝热材料层(9)，其在所述管(3)和所述管道(2)的壁之间，

－接触所述管的导热材料层(10)，该导热材料层由所述足以传导热量的材料(4)形成，并且该导热材料层在所述管和所述废液之间，

－以及耐磨蚀材料层(11)，其构成具有所述材料的包覆体的与所述废液直接接触的上表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述管道的废液流动转向或暂时中断之后，通过如下方式直接在所述管道的内部实现所述热交换器(E)：

－在所述管道的底部布置用于载热流体回路的管，

－以及就地浇注用于包覆的所述材料以将所述管埋置在该材料中，所述材料贴合所述管道的下部分的型廓。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于包覆的所述材料(4)由以下材料中的至少一种构成：合成树脂、导热水泥或导热混凝土、含有导热添加剂或导热助剂的复合材料。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述管道(2)的内表面和集成于该管道中的所述热交换器(E)之间插置保护膜(7)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述管(3)平行于所述管道(2)的纵向方向布置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在浇注用于包覆的所述材料之前，所述管(3)通过支架(6)或在车间附接且粘接的网状物保持平行和间隔开。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在浇注用于包覆的所述材料之前，将为金属的或合成纤维制的中间网(8)铺展在管(3)层的至少一部分上，以增强机械强度和/或提高传热性。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述管(3)呈柔性或半刚性，以便能以数十米的大长度被连续卷绕和展开。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述管(3)用柔性金属材料或用合成材料制成。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过预制实施柔性管层；并且，使所述柔性管层卷绕在卷盘状支承件上，以便以后将其通过从所述卷盘状支承件展开来安置在所述废液的管道中。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，沿着所述管道的横截面的整个轮廓布置用于载热流体的管(3)；并且，在所述管道的横截面的整个轮廓上实施对这些管的包覆。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具有所述材料的包覆体的上表面(5)是水平的。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道是污水收集管。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合成材料是聚丙烯或塑料。

15.热交换器，其用于从在管道中流动的废液提取热量，所述热交换器被设置用于至少在所述管道的底部安装和浸在所述废液中，所述热交换器通过包覆在足以传导热量的材料(4)中的管(3)构成，所述材料围绕用于载热流体循环的所述管浇注，

与所述管道的废液进行的热交换通过具有所述材料的包覆体而非附接的任何机械构件来进行，具有所述材料的包覆体的上表面与在所述管道中流动的废液直接接触，

其特征在于，所述热交换器根据权利要求1至14中任一项所述的方法实施。

16.根据权利要求15所述的热交换器，其特征在于，所述管道是污水收集管。

17.用于废液管道中热量提取的设备，其特征在于，所述设备具有至少一根据权利要求1至14中任一项所述的方法实施的热交换器(E)，所述热交换器在底部，浸在废液中。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述设备在所述废液管道的内壁的位于所述废液上方的区域上具有管(14)，所述设备的所述管暴露于在所述废液管道中存在的大气，所述设备的所述管由载热流体流经过，以回收水蒸汽冷凝的潜热和显热的一部分。

19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述废液管道是污水收集管。