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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Abwasserwärmetauscher mit einer Tauscherwand,
die einen inneren Bereich von einem äußeren Bereich trennt, wobei
die dem äußeren Bereich
zugewandte Oberfläche
der Tauscherwand im wesentlichen rotationssymmetrisch ist.
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Bei
Abwasserwärmetauschern
wird versucht, die Wärme
von Abwässern,
beispielsweise Haushaltsabwässern,
zu nützen,
um Frischwasser vorzuwärmen.
Dabei erfolgt die Wärmeübertragung durch
eine Tauscherwand, die zwischen dem Abwasser und dem Frischwasser
angeordnet ist. Grundsätzlich
kann die Wärme
auch auf andere nutzbare Flüssigkeiten
als Frischwasser übertragen
werden. Abwasserwärmetauscher
besitzen den Nachteil, dass der im Abwasser enthaltene Schmutz,
wie Fusseln, Flusen, Fasern, Flocken, Körner, Haare, Waschmittelrückstände, Chemikalien,
u.dgl., sich an der Tauscherwand anlegt und dauerhaft daran haften bleibt
und dadurch als thermische Barriere die Effizienz der Wärmeübertragung
zwischen dem Abwasser und dem zu wärmenden Wasser stark beeinträchtigt.
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Die
Rückgewinnung
von Wärme
aus Haushaltsabwässern
hat zu einer Reihe von Entwicklungen geführt, die entweder hohen Reinigungsaufwand vom
Betreiber erfordern oder einen Gutteil des möglichen Nutzens verschenken,
indem die Rückgewinnung
in den kommunalen Teil der Kanalisation verlegt wird, wo aufgrund
der besseren Strömungsverhältnisse
zwar ein wirkungsvoller Wärmeaustausch
und eine ausreichende Selbstreinigung der Tauscherflächen vorliegt,
jedoch nur mehr ein Bruchteil der eigentlich im Haushaltsabwasser – speziell
im Dusch- und Badewasser vorhandenen Energie vorliegt. Reinigungssysteme, die
den Anforderungen an den Dauerbetrieb und eine wirtschaftliche Fertigung
genügen,
gibt es bisher nicht.
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Ziel
der Erfindung ist es, einen Abwasserwärmetauscher zu schaffen, bei
dem die oben beschriebenen Nachteile nicht auftreten und dessen
Effizienz während
seiner gesamten Lebensdauer aufrecht erhalten werden kann.
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Der
Wärmetauscher
sollte mit dem diskontinuierlichen Anfall von warmem Abwasser und
kalten Reinwasser zurechtkommen, und dessen Tauscherflächen dürfen keine
zusätzliche
manuelle Reinigung erfordern. Insbesondere soll ein einfaches, wirkungsvolles,
energiesparendes System zur Reinhaltung der Wärmetauscherfläche(n) gefunden
werden.
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Diese
Ziele werden mit einem Abwasserwärmetauscher
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein mechanisches
Reinigungselement vorgesehen ist, das im äußeren Bereich um die Tauscherwand
drehbar angeordnet und zur Reinigung der dem äußeren Bereich zugewandten Oberfläche der
Tauscherwand vorgesehen ist.
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Wird
das mechanische Reinigungselement in Drehung versetzt, entfernt
es den Schmutz, der sich an der Tauscherwand abgesetzt hat. Das
mechanische Reinigungselement wird vorzugsweise von einem Motor
angetrieben, der in regelmäßigen Anständen in
Betrieb genommen wird (instationärer Betrieb),
um den sich ständig
ansetzenden Schmutz von der Tauscherwand zu entfernen. Nur bei einer derart
gereinigten Tauscherwand erfolgt eine effiziente Wärmeübertragung
zwischen dem im äußeren Bereich
strömenden
Medium und dem im inneren strömenden
Medium in effizienter Weise.
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Als
Reinigungselement kommen vorzugsweise Schaber, Bürsten und Bänder in Frage. Diese berühren die
Außenfläche der
Tauscherwand oder sind in geringfügigem Abstand von ihr angeordnet, sodass
sie den abgelagerten Schmutz beseitigen, wenn sie in Drehung versetzt
werden, indem sie den Schmutz abschaben, abkratzen, abbürsten bzw.
einfach mitreißen.
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In
einer Variante werden die sich durch den Schmutz bildenden Ablagerungen
von einem schraubenförmig
um die Tauscherfläche
gewundenen, sich durch die Reibungskräfte selbst spannenden Band kontinuierlich
oder in Intervallen abgeschabt. Diese Art von Wärmetauscher erscheint insbesondere
für die
Rückgewinnung
von Wärme
aus Haushaltsabwässern
geeignet.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe indem die Tauscherfläche
an die einfachste motorisch realisierbare Bewegung – eine Rotation
angepasst ist. Die Problematik der Verformungen und Toleranzen,
die es bisher sehr schwierig erscheinen ließ, einen mechanischen Putzkörper gegen
die Tauscherfläche
zu stellen, wird umgangen, indem ein unter geringer Vorspannung
befindliches oder elastisches Reinigungselement, beispielsweise
ein elastisches Spannband, sich selbsttätig an die Tauscherfläche anlegt.
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Das
Anliegen eines elastischen Spannbandes wird also erreicht, ohne
die Nachteile anderer elastischer Systeme aufzuweisen – nämlich entweder
hohe Vorspannkräfte
zu benötigen,
oder bei erhöhtem
Widerstand von der Fläche
abzuheben. Dadurch wird der Energieaufwand zur Reinigung minimiert
und der erforderliche Bauaufwand gesenkt.
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Mögliche Abwandlungen
der Bauform inkludieren mehrere Bänder am Umfang und/oder mehrere
Bänder
entlang der Rotationsachse.
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Durch
diese Geometrievariation kann die sich einstellende Bandspannung
und der Auflagedruck an die Reibungsverhältnisse angepasst werden.
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Es
kann über
einen im oder auf dem Reinigungselement verlaufenden Kanal, z.B.
in Form eines Rohres mit Öffnungen
oder einer Rille, auch ein chemisches Reinigungsmittel auf die Tauscheroberfläche aufgebracht
werden.
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Um
die Ausbeute bei der Wärmerückgewinnung
zu verbessern kann der Wärmeinhalt
des Außenbehälters durch
eine temperaturgeführte
Zulaufsteuerung maximiert werden. Der Reibungswiderstand und Materialverschleiß beim Reinigen
kann durch Profilierung und Materialwahl der Reinigungselemente,
z.B. Bänder,
und der Tauscherflächen
optimiert werden. Für
größere Anlagen
ist es sinnvoll mehrere Tauscherflächen in einem gemeinsamen Außenbehälter anzuordnen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 einen
erfindungsgemäßen Abwasserwärmetauscher
im Querschnitt, wobei an den Abwasserwärmetauscher ein Heizkessel
nachgeschaltet ist,
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2 einen
Abwasserwärmetauscher
im Querschnitt normal zur Rotationsachse,
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3 einen
Abwasserwärmetauscher
in detaillierter Darstellung mit zwei mechanischen Reinigungselementen,
und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
mit Bändern.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Abwasserwärmetauscher
im Querschnitt. Eine im wesentlichen rotationssymmetrische Tauscherwand 8 trennt
einen inneren Bereich 1 von einem äußeren Bereich 2. Die
Tauscherwand 1 ist Bestandteil eines inneren Behälters, der
in seinem unteren Bereich einen Zulauf 3 für das zu
erwärmende
Medium, z.B. Frischwasser, aufweist. Durch einen Ablauf 4 gelangt das
im Wärmetauscher
vorgewärmte
Frischwasser in einen Heizbehälter 13,
z.B. einen Boiler, in dem es durch eine Heizspirale 14 weiter
erhitzt wird. Der Ablauf 4 in Form eines Ablaufrohres reicht
bis knapp unter die obere Wand des inneren Behälters, sodass das zulaufende
Frischwasser von unten entlang der gesamten Tauscherwand 8 aufwärts strömen muss, um
die durch die Tauscherwand 8 übertragene Wärme des
Abwassers bestmöglich
aufnehmen zu können.
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Das
warme schmutzbeladene Abwasser wird in einem oberen Bereich des
Abwasserwärmetauschers
durch einen Zulauf 5 in den äußeren Bereich 2 zugeführt, wobei
die größeren Schmutzpartikel
in einem Grobfilter 6 zurückgehalten werden. Der Abwasserwärmetauscher
bzw. der äußere Bereich 2 wird
von einem äußeren Behälter 11 umschlossen, sodass
sich das Abwasser zwischen äußerem und innerem
Behälter
befindet.
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Das
Abwasser verlässt
den Wärmetauscher in
einem Ablauf 7 im unteren Bereich des Wärmetauschers und gibt auf dem
Weg dorthin seine Wärme entlang
der Tauscherwand 8 an das Frischwasser im inneren Behälter ab.
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Erfindungsgemäß ist nun
im äußeren Bereich 2 ein
mechanisches Reinigungselement 9 vorgesehen, das um die
rotationssymmetrische Tauscherwand 8 drehbar gelagert ist.
Wenn das Reinigungselement in Drehung versetzt wird, ist es geeignet,
den auf der Tauscherwand abgelagerten Schmutz mechanisch zu entfernen.
Im Ausführungsbeispiel
von 1 ist dieses Reinigungselement ein Schaber, der
mit einer seiner Seiten oder Kanten an der Tauscherwand 8 anliegt
oder gegen diese gedrückt
wird. Der Schaber hat in 1 die Form einer länglichen,
sich entlang der Tauscherfläche 8 von oben
nach unten erstreckenden Leiste, die im wesentlichen parallel zur
Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Tauscherwand 8 verläuft und
bei Drehung die äußere Oberfläche der
Tauscherwand 8 abschabt. Der Schaber wird durch einen über dem
Wärmetauscher
angeordneten Motor 10 in Drehung versetzt und ist mit diesem über eine
Welle 12 und einen radialen Arm 15 verbunden,
wobei der Arm 15 den Schaber radial von der Rotationsachse
beabstandet. Dementsprechend könnte
auch unterhalb des inneren Behälters
ein drehbar um die Rotationsachse gelagerter radialer Arm vorgesehen
sein, um die Stabilität
zu erhöhen
und die Führung
des Reinigungsmittels zu erleichtern.
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Für das Funktionieren
der Erfindung muss nicht die Tauscherwand als Gesamtheit rotationssymmetrisch
sein, es reicht aus, dass die äußere Oberfläche im wesentlichen
rotationssymmetrisch ist. So können
beispielsweise von der inneren Oberfläche der Tauscherwand 8 Rippen
oder Vorsprünge in
den inneren Bereich 1 ragen, um den Wärmeübergang zu verbessern. Unter
dem Ausdruck im wesentlichen rotationssymmetrisch ist zu verstehen,
dass Abweichungen wie Beulen, Schweißnahten, kleine Vertiefungen,
Vorsprünge,
usw. das Funktionieren der Erfindung nicht beeinträchtigen.
Insbesondere bei elastischen oder elastisch vorgespannten Reinigungselementen
spielen geringe Abweichungen von der Rotationssymmetrie keine Rolle.
Die Tauscherwand kann Teil eines abgeschlossenen Behälters sein,
wie in den Fig. gezeigt, es ist aber auch denkbar, dass die Tauscherwand
ein Rohr bildet, durch dass die zu wärmende Flüssigkeit strömt.
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Weiters
ist in 1 eine Wartungsklappe 18 zu sehen, die
Teil des Außenbehälters 11 ist
und nach oben geschwenkt werden kann (Pfeil), um den äußeren Bereich 2 zu
Reinigungszwecken zugänglich
zu machen. Mit 17 ist ein Sicherheitsüberlauf bezeichnet, der den
Abfluss überschüssigen Abwassers
aus dem Wärmetauscher
ermöglicht.
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Im
Schnitt von 2 ist zu sehen, dass drei Schaber
an der Welle 12 des Motors befestigt sind, wobei die drei
Schaber in einem Winkel von jeweils etwa 120 Grad zueinander angeordnet
sind. Die Rotationsachse der Motorwelle entspricht im wesentlichen
der Symmetrie- bzw. Längsachse
der rotationssymmetrischen Tauscherwand 8.
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Anstelle
von drei Reinigungselementen 9 können selbstverständlich auch
nur ein einziges, zwei oder mehr als drei vorgesehen sein. Ein Beispiel mit
zwei gegenüberliegenden
Reinigungselementen 9 in Form von Schabern ist ist 3 gezeigt.
Alle übrigen
Merkmale entsprechen im wesentlichen jenen des linken Bereichs der 1
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Der
Schaber in Form einer länglichen
Leiste, berührt
die Außenfläche der
Tauscherwand 8 oder ist in geringfügigem Abstand von ihr angeordnet.
Der Schaber steht in 1 normal auf die Tangentiallinie der
Tauscherwand 8, jedoch ist es nicht unbedingt notwendig,
dass der Reinigungsschaber normal auf die Tangentiallinie steht,
es wäre
auch möglich,
dass er mit dieser einen spitzen Winkel einschließt. Dadurch
kann der Schaber teilweise unter den Schmutz fahren und diesen gleichsam
abkratzen.
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Die
der Tauscherwand 8 zugewandte Seite bzw. Kante des Schabers
kann auch in Form einer Klinge bzw. in spitzem Winkel zulaufende
Kante ausgebildet sein, um den Schmutz besser abkratzen zu können.
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Anstelle
einer zylindrischen Tauscherwand 8 kann selbstverständlich auch
eine kegelförmige,
kugelförmige
oder anders ausgebildete, aber im wesentlichen rotationssymmetrische
Tauscherwand vorgesehen sein. Das Reinigungselement umfasst jeweils
eine der Kontur der Tauscherfläche
angepasste Form.
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In
einer Variante kann das mechanische Reinigungselement auch eine
Bürste
sein, die in Drehung versetzt wird und mit an der Tauscherwand 8 anliegenden
Borsten die Tauscherwand reinigt.
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In
einer bevorzugten Variante sind die mechanischen Reinigungselemente
lösbar
mit der Antriebswelle 12 verbunden, um die Reinigungselemente
austauschen bzw. in regelmäßigen Abständen einfach
reinigen zu können.
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Um
einen Druck auf die äußere Oberfläche der
Tauscherwand ausüben
zu können
und dadurch den Schmutz besser entfernen zu können, sind die Reinigungselemente
vorzugsweise gegenüber
der Tauscherwand vorgespannt, beispielsweise mittels Federn, oder
aber die Reinigungselemente selbst besitzen elastische Eigenschaften,
sodass der der Tauscherwand zugewandte Teil des Reinigungselements gegen
die Tauscherwand gedrückt
wird.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung, die in 4 dargestellt
ist, ist das Reinigungselement 9 ein elastisches Band.
Die durch den Schmutz gebildeten Ablagerungen werden von dem schraubenförmig um
die Tauscherfläche
gewundenen, sich durch die Reibungskräfte selbst spannenden Band
kontinuierlich oder in Intervallen abgeschabt. Der Antrieb kann
wiederum ein Motor sein und das eine Ende des Bandes radial beabstandet
von der Rotationsachse angeordnet sein. Um eine zumindest im wesentlichen
schraubenförmige
Anordnung des Bandes zu gewährleisten,
ist an einem Ende des inneren Behälters ein von der Welle 12 radial
abragender Arm 5 und eine ebenfalls radial von der Welle 12 beabstandete,
entlang der Tauscherwand 8 im wesentlichen parallel zur
Rotationsachse verlaufende Leiste 16 vorgesehen. Das elastische
Band erstreckt sich zwischen dem Ende der Leiste 16 und
dem Ende des radialen Armes 15 und wird durch die Form
der Tauscherwand vorgespannt.
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In
einer bevorzugten Variante ist eine temperaturgeführte Zulaufsteuerung
vorgesehen, die die Menge des in den Wärmetauscher strömenden Abwassers
in Abhängigkeit
von der Temperatur regelt.
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In
einer weiteren Variante ist eine Überhitzungseinrichtung zur
Sterilisation des inneren Bereichs 1 vorgesehen.