DE3119855A1

DE3119855A1 - Waermetauscher zur rueckgewinnung von abwaerme

Info

Publication number: DE3119855A1
Application number: DE19813119855
Authority: DE
Inventors: Ernst 8908 Krumbach Spielvogel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE3119855C2

Description

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Wärmetauscher zur
Rückgewinnung von Abwärme

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Abwärme mit einer ersten und einer in Wärmeaustauschbeziehung stehenden, daneben angeordneten zweiten Kammer.

Ein nicht unbeträchtlicher Anteil beim Energiebedarf, z. B.in einem Haushalt, ergibt sich im Brauchwassersystem. Gerade hier ist bedeutsam, daß die im Brauchwassersystem erzeugte Wärmemenge · nur bedingt ausgenutzt werden kann, wie z. B. beim Badewasser, das größtenteils noch warm in die Kanalisation abfließt.

Im Gegensatz zu der Industrie, wo solche Wärmeenergie in Prozeßwärme umgewandelt wird, dient die aus dem Brauchwasser stammende Wärmemenge im Haushalt lediglich einem gewissen Komfort. Die vielfältige Energieverwendung im täglichen Bedarf ist bereits zu einem gewichtigen Kostenfaktor geworden, welcher die Industrie und breite Bevölkerungsschichten erfaßt hat.Es ist deshalb allgemein das Ziel, Einsparung an Energie dort vorzunehmen, wo mengenmäßig am schnellsten Erfolg zu erwarten ist. Während die durch das Heizungssystem erzeugte Wärmemenge nur jeweils ein halbes Jahr lang mehr oder weniger gut wiedergewonnen werden könnte, hält der Brauchwasserbedarf das ganze Jahr über an.

D*ie meisten Anlagen zur Wärmegewinnung, sei es die Wärmepumpe

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oder die Solaranlagen, amortisieren sich immer noch in recht langen Zeiträumen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer einfachen, schnell wirksamen und wirtschaftlichen Einrichtung, um Energie auf billige Weise bereitzustellen.

Bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die von dem die Abwärme heranführenden Fließmittel durchströmte erste Kammer in einer Brauchwasserabflußleitung angebracht ist und die zweite Kammer als Speicher ausgebildet ist. Durch die Erfindung kann also Wärme aus dem Brauchwasser nach dessen Verwmidumj gewonnen werden, indem die Wärme des Brauchwassers diesem beim Abströmen direkt entzogen wird. Die Abführung des Brauchwassers ist beispielsweise in einem Gebäude im Prinzip immer gleich. Mehrere Abflußleitungen werden zu einem gemeinsamen Abflußrohr geführt und über dieses in die Kanalisation geleitet. Es ist daher vorteilhaft, den Wärmetauscher gemäß der Erfindung in eben diese Sammelleitung zu verlegen, so daß an geeigneter Stelle dieser Abflußleitung mittels des neuen Wärmetauschers die mit dem noch warm ankommenden Brauchwasser zugeführte Wärme abgenommen werden kann.

Durch die Ausbildung der zweiten Kammer als Speicher hat man den Vorteil, daß man dem abfließenden Brauchwasser zu jeder Zeit die später benötigte Wärme entziehen kann, zumal der Wärmebedarf und der Wärmeanfall selten zur gleichen Zeit auftreten.

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Bei vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Speieherkammer als Wärmetauscher ausgebildet und steht mit einer dritten Kammer in Wärmeaustauschbeziehung, wobei die dritte Kammer in einer Brauchwasserzuflußleitung angeschlossen ist. Auf diese Weise erfolgt die Rückführung der mit dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung gewonnenen Wärme in einfacher Weise dadurch, daß z. B. das Frischwasser zur Speisung des Warmwasserboilers und Erzeugung des Brauchwassers durch den Speicherteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers geführt wird. Das Kaltwasser erwärmt sich dann auf die Temperatur der zweiten Kammer bzw. der Speicherkammer, die vorzugsweise mit Wasser gefüllt sein kann. Nach dem Wärmeaustausch fließt das frische Brauchwasser dann erst zu den Boilern, den Wärmeverbrauchern usw. Das Kaltwasser wird im Gegenstrom zu dem die Abwärme heranführenden Fließmittel durch die Speicherkammer geführt, so daß einerseits das nachströmende Frischwasser, welches sich im Wärmetauscher, insbesondere in der Speicherkammer, d. h. der zweiten Kammer, erwärmt hat, diese Speicherkammer annähernd mit der gleichen Temperatur verläßt, wie sie im Wärmekopf des erfindungsgemäßen Wärmetauschers vorherrscht; andererseits den unteren Teil der Speicherkammer auf die Frischwassertemperatur abkühlt und so. ein optimales Wärmegefälle erzeugt.

Zweckmäßig ist es gemäß der Erfindung auch, wenn in Strömungsrichtung des abfließenden Brauchwassers eine Beipaßleitung vor und hinter der ersten Kammer angeschlossen ist, in der aufstromigen Anschlußstelle eine Steuerklappe und aufstromig von dieser ein Temperaturfühler angeordnet ist, dessen Signale der

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Einstellung der Steuerklappe dienen. Damit wird ein Umkehreffekt vermieden, daß nämlich dem Wärmetauscher zuströmendes kaltes Brauchwasser sich unter Verringerung der im Wärmetauscher befindlichen Wärmemenge erwärmt. Der Temperaturfühler tastet die Temperatur des vorbeiströmenden Brauchwassers in der Abflußleitung ab und schließt oder öffnet die Steuerklappe zur ersten Kammer des Wärmetauschers hin, je nachdem ob die dann von .dem Brauchwasser mitgeführte Wärmemenge an die als Speicher ausgebildete zweite Kammer abgeführt werden kann. Eine elektrische Schaltung sorgt für die richtige Verarbeitung der elektrischen Signale aus dem Temperaturfühler unter Berücksichtigung der Temperaturdifferenz zwischen zuströmendem Brauchwasser und in der Speicherkammer befindlicher Temperatur mit dem Vorzeichen des hierbei gemessenen Temperaturgefälles. Die Steuerklappe öffnet und führt das Brauchwasser dem Wärmetauscher zu, wenn die Temperatur des Brauchwassers höher als die des Mediums, insbesondere Wassers, in der Speicherkammer ist. Anderenfalls wird die Steuerklappe umgelegt und leitet das Brauchwasser am Wärmetauscher durch die Beipaßleitung vorbei in den Abfluß.

Vorteilhaft ist es gemäß der Erfindung auch, wenn die erste Kammer mit mehreren Zuflußanschlüssen verbunden ist. Zum Beispiel kann unterschiedlich warmes Abflußwasser durch unterschiedliche Zuflußstellen dem jeweils ausgewählten Wärmetauscherabschnitt zugeführt werden, welcher noch ein gewisses Temperaturgefälle zu dem ankommenden Brauchwasser aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, Brauchwasser auch niedrigerer Temperatur als am Kopf des Wärmetauschers noch auszunutzen, so daß auch dieses mittel-

mäßig warme Brauchwasser praktisch bis an die Temperatur des nachfließenden kalten Frischwassers für neues Brauchwasser abgekühlt wird. Man erkennt, daß das Aufheizen frisch zugeführten Brauchwassers in einem Wasserboiler wesentlich wirtschaftlicher durch Ausnutzung der im Wärmetauscher gemäß der Erfindung gewonnenen Wärme erfolgen kann. Sogar bei verhältnismäßig niedrigen Wassertemperaturen im Brauchwasserabfluß, wie man solche häufig in der Praxis anfindet, kann die noch vorhandene Wärme bzw. Abwärme ausgenutzt werden, unter anderem durch die oben erwähnte Mehrzahl von Zuflußanschlüssen.

Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung wird ohne zusätzlichen Energieeinsatz bzw. unter Einsparung erheblicher Energiemengen eine Rückführung und Wiedergewinnung der im Brauchwasser stekkenden Wärme erreicht. Mit anderen Worten kann man den Wärmeinhalt in den Wasserboilern für die Aufbereitung von neuem Brauchwasser strecken. Durch die Erfindung beginnt man mit Vorteil ferner in der Aufheizungsperiode des frischen Brauchwassers auf einem wesentlich höheren Temperaturniveau. Das zugeführte Frischwasser hat z. B. nicht mehr 6° oder 8⁰C sondern gegebenenfalls 25 - 30°C. Der Wirkungsgrad der Brauchwassererwärmungsanlage steigt also beträchtlich, und man kommt entweder mit einer kürzeren Aufheizzeit aus oder aber kann die Gerätegröße bzw. Nennleistung verkleinern.

Wird die Kapazität des Speichers in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher richtig ausgelegt, dann befindet sich die Wassertempera-

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tür im unteren Teil des Wärmetauschers auf dem Niveau des kalten Frischwassers, welches für die Aufbereitung neuen Brauchwassers in die dritte Kammer des Wärmetauschers zugeführt wird. Somit ist die vom abfließenden Brauchwasser mitgeführte Abwärme nahezu vollständig wiedergewonnen.

Günstig ist es gemäß der Erfindung weiterhin, wenn in der Speicherkammer der Verdampferteil einer Wärmepumpe angeordnet ist. Hierdurch läßt sich das Wärmeniveau in der Speicherkammer weiterhin anheben und die Wärme schneller zurückführen. In diesem Falle käme man auch mit kleineren Wärmepumpen aus, weil von einem relativ hohen Wärmeniveau ausgegangen werden kann.

An den Wärmetauscher gemäß der Erfindung, der in der Brauchwasserabflußleitung angeschlossen ist, werden naturgemäß eine Reihe unterschiedlichster Anforderungen gestellt, wobei die Anlagekosten und Korrosionsfestigkeit sowie das Langzeitverhalten von großer Bedeutung sind. Es ist daher gemäß der Erfindung ferner vorteilhaft, wenn mindestens einige Wandungen der ersten Kammer aus kermaischem Material, z. B. Hartsteingut, bestehen. Das Hartsteingut wird z. B. bei der Herstellung von Abflußleitungen angesetzt. Solche keramischen Materialien sind nicht nur preisgünstig und seit Jahrzehnten im Abwasserbereich bewährt. Die glasierte glatte Oberfläche von aus solchen Materialien hergestellten Rohren hält außerdem den Schmutz nicht zurück und ist chemisch der Beanspruchung voll gewachsen. Auch die Energiebilanz dürfte bereits nach kurzer Zeit positiv sein. Für keramische Bauteile spricht auch die Tatsache, daß solche naturgemäß eine größere

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Masse aufweisen und schon deshalb eine Speicherfunktion übernehmen können. Selbstverständlich sind metallische Materialien in gleicher Weise denkbar.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung .ist dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Kammer Kegel und Kegelstumpfteile mit großem Winkel abwechselnd übereinander angeordnet sind. Man kann den Wärmetauscher gemäß der Erfindung auch mit trichterförmigen und kegelförmigen Teilen abwechselnd geschichtet aufbauen. Aus solchen einheitlichen Bauteilen lassen sich dann beliebig große Wärmetauschereinheiten bilden. Größere Einheiten können aus Transportgründen gegebenenfalls an Ort und Stelle zusammengebaut werden. Die einzelnen Teile werden mit Zugankern zusammen-, geschraubt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglxchkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der einzigen Zeichnung.

Diese zeigt einen Wärmetauscher 1 mit einer ersten Kammer 1a, welche von dem Brauchwasser nach der Verwendung durchströmt wird; einer um die erste Kammer 1a herum angeordneten zweiten Kammer 1b? und einer in Form von Rohrschlangen 9 ausgebildeten dritten Kammer. Der Wärmetauscher ist insgesamt in einer Brauchwasserabflußleitung 10 angeschlossen. In Strömungsrichtung des die Abwärme heranführenden Fließmittels, d. h. des Brauchwassers, die durch

die Pfeile 11 dargestellt ist, vor dem ersten Zuflußanschluß 12, d. h. aufstromig vor der ersten Kammer 1a, ist eine allgemein mit 13 bezeichnete aufstromige Anschlußstelle sowie hinter der ersten Kammer 1a eine mit 14 bezeichnete abstromige Anschlußstelle einer Beipaßleitung 15 vorgesehen, die somit den Fluß des Brauchwassers parallel zum Wärmetauscher 1 führen kann.

Aufstromig vor der ersten Anschlußstelle 13 ist ein Temperaturfühler 4 angeordnet, dessen Meßgrößen zu einer nicht dargestellten elektronischen Verarbeitungsschaltung geführt werden. In der aufstromigen Anschlußstelle 13 ist ferner eine Steuerklappe 5 beweglich angeordnet, die von einer durch die vorgenannte elektronische Schaltung betätigte Mechanik bewegt wird. In der Figur ist diejenige Position der Steuerklappe 5 gezeigt, in welcher das Brauchwasser gemäß Pfeilen 11 nicht durch die Beipaßleitung 15 sondern durch die Leitung 10 und den Wärmetauscher 1 geführt wird.

Im Wärmetauscher 1 befinden sich aus keramischem Material hergestellte trichterförmige Teile 2, die sich in Strömungsrichtung des Brauchwassers - in der Figur von oben nach unten - mit aus dem gleichen Material hergestellten kegelförmigen Teilen 3 abwechseln, so daß hierdurch zweckmäßig gestaltete Schikanen entstehen, die einen günstigen Aufenthalt des die Abwärme führenden Strömungsmittels erlauben. Hierdurch wird die erste Kammer 1a des Wärmetauschers 1 gebildet, deren Außenumfang damit zylindrisch ist.

Diesen Zylindermantel 16 umgibt in Hohlzylinderform die zweite

Kammer 1b, die als Speicher 7 ausgebildet ist und in welcher ebenfalls in der Gestalt eines Zylindermantels, eine Wendel von Rohrschlangen 9.unter Bildung einer dritten Wärmetauscherkammer aigeordnet ist. Die gesamte Anordnung ist nach außen hin durch einen Isoliermantel 8 gegen Wärmeverluste nach außen geschützt.

Die Rohrwendel· 9 hat unten einen Zuflußanschluß 17 und am Kopf des Wärmetauschers 1 einen Abflußanschluß 18, so daß entsprechend der Pfeile 19 Frischwasser die Rohrwendel 9 von unten nach oben durchströmen kann.

Die Speicherkammer 7 ist mit Wasser gefüllt, denn Wasser ist ein zweckmäßiges Speichermedium. In der in der Figur dargestellten Position der Steuerklappe 5 strömt warmes Brauchwasser 11 nach seiner Verwendung am Temperaturfühler 4 vorbei und zeigt an, daß die Temperatur des oben zuströmenden Brauchwassers höher ist als die in der Speicherkammer 7. Damit bleibt die Steuerklappe 5 in der dargestellten Position, und das Brauchwasser strömt über die trichterförmigen Teile 2 und die kegelförmigen Teile 3 von oben nach unten hinweg. Man erkennt, daß die jeweiligen Spitzen der kegelförmigen Teile 3 in der Mitte oben derart angeordnet sind, daß sich die Kegel nach unten erweitern, während die daneben angeordneten trichterförmigen oder kegelstumpfförmigen Teile mit dem Loch in der Mitte umgekehrt derart angeordnet sind, daß sie sich nach oben erweitern. Beide Teile aus keramischem Material haben große öffnungswinkel.

Nach dem Durchströmen des Brauchwassers durch die erste Wärmetaus ehe rkammer 1a wird dieses an der abstromigen Anschlußstelle 14 der Beipaßleitung 15 vorbei nach unten in Richtunq dos P Teiles 11 in die Kanalisation abgeführt. Es konnte sich inzwischen das Wasser in der Speicherkammer 7 erwärmen, so daß in dieser zweiten Kammer 1b nunmehr eine gewisse Wärmemenge zum Abruf bereitsteht. Wenn die Brauchwasseraufbereitungsanlage neues Frischwasser für die Aufwärmung im Wärmeboiler benötigt, strömt Frischwasser gemäß Pfeilen 19 in den Zufluß 17 hinein, die Rohrwendel 9 nach oben, erwärmt sich hierbei unter Aufnahme der in der Speicherkammer 7 gespeicherten Wärme und verläßt den Wärmetauscher 1 oben am Abfluß 18 auf einem Temperaturniveau von beispielsweise 25°C. Es versteht sich, daß der Wärmeboiler für die Aufbereitung des frischen Brauchwassers damit weniger Heizenergie benötigt.

Sollte kaltes Brauchwasser oben am Temperaturfühler 4 vorbeiströmen, dann wird die Steuerklappe 5 in die andere Position derart umgestellt, daß das Brauchwasser gemäß der Strömungspfeile 11 nicht durch den Wärmetauscher 1 sondern an diesem vorbei durch die Beipaßleitung 15 geführt wird.

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Claims

Dr. Dieter¹ -Weber·' Klaus Seiffert

Dlpl-Cbem. Dr. Dieter Weber ■ DlpL-Phys. Klaus Seiffert Poi5tiaoh Θ148 . 6200 Wiesbaden

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Deutsche Patentamt

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8000 München 2

Ernst Spielvogel 8908 Krumbach 2

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l'OBtsclieck : I'ronkfurt/Mulii O7 03-602 Bmlk: Dresdnor Iliiiik ΛΠ, WloBbncloii. Koillo-Nr. 2VOHl)T (III .V. OIOHCKXKH

18. Mai 19 81 S/dl

Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Abwärme

Patentansprüche

[1.1 Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Abwärme mit einer ersten und einer in Wärmeaustauschbeziehung stehenden, daneben angeordneten zweiten Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem die Abwärme heranführenden Fließmittel durchströmte erste Kammer (1a) in einer Brauchwasserabflußleitung (10) angebracht ist und die zweite Kammer (7) als Speicher ausgebildet ist.

"2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkammer (7) als Wärmetauscher ausgebildet ist und mit einer dritten Kammer (9) in Wärmeaustauschbeziehung steht und daß die dritte Kammer (9) in einer Brauchwasserzuflußleitung (17, 18) angeschlossen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des abfließenden Brauchwassers eine Beipaßleitung (15) vor und hinter der ersten Kammer (1a) angeschlossen ist, in der aufstromigen Anschlußstelle (13) eine Steuerklappe (5) und aufstromig von dieser ein Temperaturfühler (4) angeordnet sind, dessen Signale der Einstellung der Steuerklappe (5) dienen.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (1a) mit mehreren Zuflußanschlüssen verbunden ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speicherkammer (7) der Verdampferteil einer Wärmepumpe angeordnet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der.Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Wandungen (2, 3) der ersten Kammer (1a) aus keramischem Material, z. B. Hartsteingut, bestehen.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-

kennzeichnet, daß in der ersten Kammer (1a) Kegel (3) und Kegelstumpfteile (2) mit großem Winkel abwechselnd übereinander angeordnet sind.