JP2012530891A - 排水から熱を回収するための装置、前記装置を含む熱システム、及び方法 - Google Patents

排水から熱を回収するための装置、前記装置を含む熱システム、及び方法 Download PDF

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Abstract

本熱回収装置（６）は、排水を保持するためのタンク（１８）と、互いに反対向きの面（６２）を有するとともに、その２つの面（６２）の間に伝熱流体を循環させるための内管（６４）を有する少なくとも１つの熱交換プレート（６０）を含む熱交換器（２０）とを備えるタイプの装置である。本発明の一態様によれば、タンク（１８）の熱交換区画（４６）内においてプレート（６０）は、下部に設置される熱交換区画（４６）の入口（５４）と上部に設置される熱交換区画（４６）の出口（４０）との間で排水がプレート（６０）の２つの対向する面（６２）に沿って底部から上向きに略垂直に循環するように、配置される。熱ポンプを有する熱システムに適用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、排水を保持するためのタンクと、互いに反対向きの２つの面を有するとともに、その２つの面の間に伝熱流体を循環させるための内管を有する少なくとも１つの熱交換プレートを含む熱交換器とを備えるタイプの、排水から熱を回収するための装置に関する。
前記熱回収装置は、例えば、排水から回収された熱を熱ポンプの冷媒に送り、それにより熱の収率を向上させる熱ポンプを含む熱システムにおいて使用される。
独国特許第３２１４３５７号明細書では、複数の円筒形の熱交換プレートを備えるこのタイプの装置について記載しており、この装置では、排水がプレートの上下を交互に通り内部から外部に放射状に循環するように、同心円状にプレートが配置される。
本発明の１つの目的は、排水の流れを乱すことなく効率的な熱回収を可能にする簡素な熱回収装置を提案することである。
本目的のため、本発明は上述のタイプの熱回収装置を提案するものであり、本装置では、タンクの熱交換区画内において熱交換プレートは、下部に設置される熱交換区画の入口と上部に設置される熱交換区画の出口との間で排水が当該熱交換プレートにおける互いに反対向きの２つの面に沿って底部から上向きに略垂直に循環するように、配置される。
他の実施形態によると、熱回収装置は、単独で又は任意の可能性のある技術的な組み合わせで用いられる以下の特徴の１つ又は複数を含む。
熱交換器は、タンクの１つの同一の熱交換区画内に配置される、複数のプレートからなる少なくとも１つのプレート群を備える。
１つの同一の熱交換区画内に配置される１つのプレート群における複数のプレートの内管は、伝熱流体を供給されることができるよう、並列の流体接続状態にある。
１つのプレート群における複数のプレートは、互いに平行に配置され、隣り合うプレートの対のそれぞれが、対向する面間に排水を循環させるための経路を画成している。
タンクは、各熱交換区画の入口に向かって下向きに排水を強制的に循環させるバッフルを備える。
タンクは、熱交換区画の上流に、サイフォンを形成する少なくとも２つのバッフルを有する少なくとも１つのデカント（ｄｅｃａｎｔｉｎｇ：流体を静かに移動させる）区画を備える。
タンクは、略平坦で互いに平行な２つの側壁を備え、２つの側壁はそれらの間でタンクの入口と出口の間に長手方向に沿って広がる内部容積部を定め、プレートは２つの側壁の間に横方向に延びる。
タンクは略平行六面体の形状である。
本発明はさらに、冷媒を循環させるための熱ポンプ回路を介して直列に接続されたコンプレッサ、コンデンサ、減圧器及び蒸発器を含む熱ポンプを備える熱システムに関し、蒸発器はまた、排水から回収される熱を熱ポンプの冷媒の方に伝達するために、上述のいずれかによる熱回収装置にも接続される。
本発明はさらに、排水から熱を回収するための方法に関し、本方法では、排水を熱交換プレートの互いに反対向きの２つの面に沿って底部から上向きに略垂直に循環させ、熱交換プレートは、当該熱交換プレートの互いに反対向きの２つの面の間に伝熱流体を循環させるための内管を備える。
一実施形態によれば、排水を、複数の熱交換プレートからなる１つのプレート群における各熱交換プレートの互いに反対向きの２つの面に沿って底部から上向きに略垂直に循環させ、各熱交換プレートは、熱交換プレートの互いに反対向きの２つの面の間に伝熱流体を循環させるための内管を備え、複数の熱交換プレートは伝熱流体を内管に供給するために並列の流体接続状態を有する。
本発明及びその利点については、単に例として与えられる以下の説明を読むことにより、かつ添付の図面を参照することにより、より良く理解されるであろう。
本発明による、熱回収装置と一体の熱ポンプを有する加熱システムの概略図である。 図３の線II−IIに沿った熱回収装置の長手方向の断面図である。 図２の線III−IIIに沿った熱回収装置の断面図である。
図１に例示する熱システム２は、熱ポンプ４及び排水から熱を回収するための熱回収装置６、並びに熱回収装置により回収される熱を熱ポンプ４に伝達するための伝達回路７を備える。
熱ポンプ４は、居住施設の加熱システム、水泳プールの加熱システム、家庭用水を加熱するためのシステム等の熱の供給を必要とする用途に対して、熱回収装置６を用いて回収された熱の伝達を可能にする。
熱ポンプ４は、冷媒を循環させるための熱ポンプ回路１６を介して接続されたコンプレッサ８、コンデンサ１０、減圧器１２、及び蒸発器１４を備える。熱ポンプ回路１６は、コンプレッサ８、コンデンサ１０、減圧器１２、及び蒸発器１４を連続的に通り、そしてコンプレッサ８に戻る冷媒循環の閉ループを形成する。
熱回収装置６は、排水を保持するタンク１８と、タンク１８内に配置される熱交換器２０とを備える。
タンク１８は、排水排出回路内に設置され、例えば集合住宅又は個人住宅からの排水Ｅがこれを通る。
伝達回路２２は、伝熱流体を循環させる。伝達回路は、交換器２０を熱ポンプ４の蒸発器と接続する導管を備え、熱交換器２０及び蒸発器１４、並びにポンプ２４を連続的に通る閉ループ２３を形成して、交換器２０と蒸発器１４との間の閉ループ２３内に流される伝熱流体を強制的に循環させるようにする。
伝達回路２２は、蒸発器１４と交換器２０との間の閉ループ２３内に設けられ交換器２０とポンプ２４との間につながる、交換器２０を迂回するバイパス２６と、交換器２０及び／又はバイパス２６における伝熱流体の循環を制御する３方向制御バルブ２７とをさらに備える。
伝達回路２２は、蒸発器１４の入口に配置されて蒸発器１４に入る伝熱流体の温度を検出する温度センサ２８を備える。センサ２８は、センサ２８が提供する測定信号に関連して伝熱流体を制御する制御バルブ２７に接続される。
伝達回路２２は、制御バルブ２７とポンプ２４との間でループ２３に接続される調整貯水槽２９を備える。
図示の例において、熱ポンプ４のコンデンサ１０には、住宅の加熱システムの加熱回路３０が通され、加熱回路３０には、水などの伝熱流体が循環する。他の用途において、コンデンサ１０には、熱い空気の強制的な循環を使用する加熱システム用の空気などの気体が通される。
通常の操作において、熱ポンプ４の冷媒はコンプレッサ８の動作の下、熱ポンプ回路１６内を循環する。冷媒は、冷媒が圧縮されることにより加熱されるコンプレッサ８、冷媒が熱源（この場合は加熱回路３０の伝熱流体）に熱量を伝達するコンデンサ１０、冷媒が冷却により膨張する減圧器１２、そして、冷媒が冷却源からの熱量（ここでは、熱回収装置６により回収され、伝達回路２２により伝達される熱量）を集める蒸発器１４を連続的に通る。
通常の操作において（バイパスが閉じている）、熱回収回路２２の伝熱流体は、ポンプ２４の作用の下、伝熱流体が排水から熱量を取る熱交換器２０、そして伝熱流体が熱ポンプ回路１６の冷媒に熱量を伝達する蒸発器１４を連続的に通って循環する。加熱回路３０の伝熱流体は、コンデンサ１０内を循環して、熱ポンプ回路１６の冷媒から熱量を奪う。
制御バルブ２７は、蒸発器１４の入口温度に関連して命令を受け、伝熱流体の一部が交換器２０を迂回して、蒸発器１４への入口における伝熱流体の温度を、熱ポンプ１４を十分機能させることができる温度範囲、例えば、２３℃〜２５℃の温度に維持するようにする。
図２及び図３に示すように、タンク１８は略平行六面体の形状である。タンク１８は、長手方向Ｌに沿って離間し横方向に延びる２つの端壁３２（図２）と、横方向に離間し長手方向に略平行となっている２つの側壁３４（図３）と、タンク１８の内部容積部を定める底部３６とを備える。
以下の記載において、用語「上部」「下部」及び「垂直」は、図２及び図３に示す使用位置にあるタンクに関連して解釈すべきものである。長手方向Ｌは略水平である。
タンク１８は、一方の端壁３２に配置される排水用の入口３８と、他方の端壁３２に配置される排水用の出口４０とを備える。入口３８及び出口４０は、タンク１８の上部、すなわち、端壁３２の上部の端部に近接して、設置される。
タンク１８は、２つの側壁３４の間に横方向に配置されタンク１８内で排水用のデカント区画を定めるバッフル４２と、熱交換区画４６とを備え、排水は熱交換区画を連続的に通る。熱交換区画４６は、入口３８と出口４０との間の排水の循環方向のデカント区画４４の下流に配置される。
デカント区画４４は、入口３８から底部３６に向かって延びる下向き部分４８と、底部３６からタンク１８の上部に向かって上昇する上向き部分５０とを定める２つのバッフル４２から形成されるデカントサイフォンを備える。
デカント区画４４は、第３のバッフル４２により形成される出口部分５２を備え、出口部分５２は、サイフォンの上向き部分５０から、底部３６に隣接して下部に設置された熱交換区画４４の入口５４に向かって降下する。
タンク１８は、サイフォンの上向き部分５０を通して、上向き部分５０の上部の端に近接して広がるフィルタ５６を備える。
交換器２０は、熱交換区画４６内に配置される。交換器２０は、それぞれが略平坦で平行六面体である、複数の交換プレート６０からなる１つのプレート群を備える。各プレート６０は、互いに反対向きの２つの面６２（図２）と、互いに反対向きの２つの面６２の間に経路を形成して伝熱流体を循環させるための内管６４（図３）とを備える。
各交換プレート６０は、底部３６から離間する下部端部６６と、該プレートを通して排水を循環させるための上部開口６８とを有する。
各交換プレート６０は、側壁３４の間に略垂直に且つ横方向に延びる。図３に示すように、各交換プレート６０は、その側方の端が側壁３４と接触している。
交換プレート６０は、互いに離間し、端壁３２及び熱交換区画４６を定めるバッフル４２と共に、熱交換区画４６の入口５４から、上部に設置される熱交換区間４６の出口までの排水用の平行な循環経路を画成する。なお、ここではその出口はタンク１８の出口４０である。
交換器２０は、伝熱流体を中に導く供給管７０と、伝熱流体を外に出す排出管７２とを備える。同一の熱交換区画４６内に配置される各交換プレート６０の内管６４は、供給管７０により供給され、排出管７２に通じる。従って、同一の熱交換区画４６内に配置される複数の交換プレート６０の内管６４は、伝熱流体を循環させるために並列の流体接続状態にある。
底部３６は、排水開口７４を備え、排水開口７４の一方はデカント区画４４の底にあり、他方は熱交換区画４６の底にある。
タンク１８は排水回路７５を備え、この排水回路７５は、タンク１８の底の何らかの沈殿物を、排水開口７４を介して回収するためのものであり、沈殿物と共に集められた排水をタンク１８の下流に再度注入するためのものである。排水回路は、各排水開口７４を制御するバルブ７６と、排出開口７４を貯蔵タンク８０に接続させる排出管７８と、貯蔵タンクを出口４０に接続させる戻り管と、戻り管８２に配置されるポンプ８４とを備える。
操作時に、排水は正規の流量より大きい又は小さい流量でタンク１８にその入口３８を介して導かれる。排水は、バッフル４２によるサイフォン作用の下、タンクを循環する。排水は、最初にデカント区画４４内を循環し、そこでは乱流を、温度が均一になるようにし、かつ排水から懸濁液中の成分を遊離させるようにする。これらの成分は、下向き部４８と上向き部５０との間に形成される屈曲部に、重力のため沈殿物の形で底部３６上に残る。フィルタ５６は、何らかの残留成分のフィルタリングを可能にする。
出口部分５２は、排水を底部３６に向かって下方に戻し、交換プレート６０全体に亘って底部から上向きに流れるようにする。
交換区画４６において、排水は、各交換プレート６０の互いに反対向きの２つの面に沿って底部から上向きに略垂直に循環し、開口６８を通して出口４０に向かって循環することによりタンク１８から出る。
通常は、排水回路７５のバルブ７６の開口により、底部３６、主にデカント区画４４の底部、また、場合によっては交換区画４６の底部に形成される沈殿物を排出する。沈殿物は、貯蔵タンク８０に集められ、排水はタンク１８の下流に再注入される。
熱回収装置６は、わずかな圧力損失で、流れを乱すことなく排水を循環させることができ、また、排水と交換プレート６０内を循環する伝熱流体との間の効率的な熱交換を可能にする。
デカント区画は、排水の均一化及び懸濁液内の成分の除去を可能にし、後に続く熱交換を促進する。
交換プレート６０の内管６４による供給、及び各交換プレート６０の２つの面に沿った同一の方向での排水の循環により、交換器２０の有効性が向上する。
タンク１８の形状及び交換プレート６０の配置が、小さな容積部での効率的な熱交換を可能にする。側壁３４間の測定されるタンクの幅は、９０ｃｍより小さい、特に６０ｃｍより小さいことが好ましい。これにより、個人住宅における設置が容易となり、特に出入り口を介してタンクを通すことが容易となる。
選択的に、タンクには、平行又は連続して配置されるいくつかの交換区画を備えてもよく、熱交換器には各交換区画内に浸される１つのグループの交換プレートを備える。
この熱回収装置を使用して、熱ポンプ、又は任意の他のタイプの熱を生成するためのシステムに熱を供給することができる。

Claims (11)

  1. 排水を保持するタンク（１８）と、互いに反対向きの２つの面（６２）を有するとともに、前記２つの面（６２）の間に伝熱流体を循環させるための内管（６４）を有する少なくとも１つの熱交換プレート（６０）を含む熱交換器（２０）とを備えるタイプの、排水から熱を回収するための熱回収装置（６）において、
    前記タンク（１８）の熱交換区画（４６）内にて前記熱交換プレート（６０）は、下部に設置される前記熱交換区画（４６）の入口（５４）と上部に設置される前記熱交換区画（４６）の出口（４０）との間で排水が前記熱交換プレート（６０）の前記互いに反対向きの２つの面（６２）に沿って底部から上向きに略垂直に循環するように、配置されることを特徴とする、熱回収装置。
  2. 前記熱交換器（２０）は、前記タンク（１８）の１つの同一の熱交換区画（４６）内に配置される、複数の熱交換プレート（６０）からなる少なくとも１つのプレート群を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱回収装置。
  3. １つの同一の熱交換区画（４６）内に配置される１つのプレート群における複数の前記熱交換プレート（６０）の前記内管（６４）は、前記内管（６４）に伝熱流体を供給するために並列の流体接続状態にあることを特徴とする、請求項２に記載の熱回収装置。
  4. １つのプレート群における複数の前記熱交換プレート（６０）は、互いに平行に配置され、隣り合う熱交換プレートの対のそれぞれが、これらの対向する面（６２）の間に排水を循環させるための経路を画成することを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱回収装置。
  5. 前記タンク（１８）は、前記熱交換区画（４６）の前記入口（５４）に向かって下向きに排水を強制的に循環させるバッフル（４２）備え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熱回収装置。
  6. 前記熱交換区画（４６）の上流に、サイフォンを形成する少なくとも２つのバッフル（４２）を有する少なくとも１つのデカント区画（４４）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱回収装置。
  7. 前記タンク（１８）は、側壁間で前記タンクの入口と出口との間に長手方向（Ｌ）に広がる内部容積部を定める略平坦で互いに平行な２つの側壁（３４）を備え、前記熱交換プレート（６０）は前記２つの側壁（３４）の間に横方向に延び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熱回収装置。
  8. 前記タンク（１８）は略平行六面体の形状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熱回収装置。
  9. 冷媒を循環させるための熱ポンプ回路（１６）により直列に接続されたコンプレッサ（８）と、コンデンサ（１０）と、減圧器（１２）と、蒸発器（１４）とを備える熱ポンプ（４）を含む熱システムであって、
    前記蒸発器（１４）は、排水から回収される熱を前記熱ポンプ（４）の冷媒に向かって伝達するために、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱回収装置（１４）に接続される、熱システム。
  10. 排水から熱を回収するための方法であって、
    排水を熱交換プレートの互いに反対向きの２つの面に沿って底部から上向きに略垂直に循環させ、前記熱交換プレートは、前記熱交換プレートの前記互いに反対向きの２つの面の間に伝熱流体を循環させるための内管を備える、方法。
  11. 複数の熱交換プレートからなる１つのプレート群における各熱交換プレートの互いに反対向きの２つの面に沿って、排水を底部から上向きに垂直に循環させ、前記熱交換プレートの各々は、当該熱交換プレートの前記互いに反対向きの２つの面の間に伝熱流体を循環させるための内管を備え、複数の前記熱交換プレートは、伝熱流体を前記内管に供給するために並列の流体接続状態にある、請求項１０に記載の方法。
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