DD230630A3 - Verfahren zum betreiben von waermeuebertragern und zugehoerige waermeuebertragungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Waermeuebertragern und eine zugehoerige Waermeuebertragungsvorrichtung mit vorrangiger Anwendbarkeit in Waermequellenmedien mit relativ grossem biologischem, physikalischem und teilweise chemischem Verschmutzungsgrad, beispielsweise Sanitaer- und Kuechenabwaessern, unterschiedlichsten Industrieabwaessern, natuerlichen Fliessgewaessern u. a. Ziel der Erfindung ist es, mit sehr einfachen und zuverlaessigen Mitteln eine effektive Waermeuebertragungsmoeglichkeit zu gewaehrleisten, die sich sowohl durch stabile als auch verbesserte Waermeuebertragungsleistungen sowie durch wesentlich geringere Fertigungs-, Material- und Instandhaltungskosten auszeichnen. Aufgabe ist es im wesentlichen, Verstopfungen im Durchflussbereich des Waermequellenmediums sowie Zusetzungen der Kontaktflaechen zu vermeiden. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass diese Kontaktflaechen des Waermeuebertragers einer voellig selbstaendigen, von den Stroemungsverhaeltnissen abhaengigen, freien Bewegung innerhalb des Durchflussbereiches des Waermequellenmediums unterworfen werden. Die dazu erforderlichen erfindungsgemaessen Waermeuebertragungselemente bestehen aus frei beweglichen, schlauchartigen, elastischen Materialien. Fig. 1

Description

herbeizuführen. Die wesentlichste Realisierungsforderung besteht dabei darin, die durch die Wärmeübertragungsvorrichtung hervorgerufenen Druckverluste im Durchflußkanal des Wärmequellenmediums durch die entsprechende Gestaltung von Wärmeübertragungselementen so gering wie möglich zu halten.

Erfindungsgemäß wird die verfahrenstechnische Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kontaktflächen der Wärmeübertragungsvorrichtung einer völlig selbständigen, von den Strömungsverhältnissen abhängigen, freien Bewegung innerhalb eines Strömungskanals bzw. Durchflußbereiches des Wärmequellenmediums unterworfen werden. Die Wärmeübertragungsvorrichtung wird dazu erfindungsgemäß aus Wärmeübertragungselementen gebildet, welche aus einem einzelnen oder einer Vielzahl von langgestreckten, schlauchartigen und unterschiedlich profilierbaren Strömungskanälen elastischen Materials bestehen. In einer ersten prinzipiellen Auslegungsvariante, ist das Wärmeübertragungselement, das nur einen elastischen Strömungskanal mit an beiden freien Enden befindlichen Anschlußstücken besitzt, einmal an einen zentralen Vorlaufverteiler sowie zum anderen an einen Rücklaufverteiler angeschlossen. Vor- und Rücklaufverteiler für das Wärmequellenmedium sind hierbei innerhalb oder außerhalb des das Wärmequellenmedium beinhaltenden Durchflußkanales angeordnet und als komplexer Bestandteil eines einfach vorfertigbaren Wärmeübertragungsaggregates ausgeführt. Die zweite grundsätzliche Auslegungsvariante, bei der das flexible Wärmeübertragungselement mehrere elastische, zu einem Kanalbündel bzw. -verband zusammengesetzte Strömungskanäle enthält, weist an einem freien Ende Anschlußstücken und am anderen Ende miteinander kurzgeschlossene Strömungskanäle für Wärmeträgervorlauf und -rücklauf des Wärmenutzungssystems auf. Die Strömungskanäle sind vorteilhafterweise in aneinandergereihter Anordnung, vorzugsweise in einer vertikalen bzw. horizontalen Ebene, als einheitliches sowie materialseitig homogenes Element gestaltet und sind zur Erzielung hoher Lebensdauern aus Plastwerkstoffen mit verschiedenartigen Gewebeeinlagen hergestellt. Hauptsächlich kommen dabei in einer Ebene nebeneinander, bandähnlich angeordnete zwei-, drei- oder vierkanälige Wärmeübertragungselemente infrage. Besonders im Hinblick auf eine beabsichtigte Wärmerückgewinnung aus Wärmequellenmedien veränderlichen Pegelstandes oder geringer Strömungsaktivität ist jedoch vorzugsweise ein dreikanäliges Wärmeübertragungselement mit zwischen Vor- und Rücklauf eingeschlossenem Blindkanal, der ein dem Wärmequellen- und Wärmeträgermedium angepaßtes Medium mit bestimmter Dichte enthält, eingesetzt. Die somit erzielbare Schwebefähigkeit, bei stets gleichbleibendem Ausgangsmaterial der Wärmeübertragungselemente, und der gleichzeitig als Schutzmaßnahme gegenüber einer wärmeenergetischen Beeinflussung von Wärmeträgervor- und -rücklauf fungierende Medieneinschluß, stellen wesentliche Mittel für konstante und allgemein verbesserte Wärmeübertragungsverhältnisse dar. Es ist aber auch als zweckmäßig anzusehen, eine Schwebefähigkeit innerhalb voll mit Wärmequellenmedium ausgefüllter Strömungskanäle anzustreben, um übermäßige Reibungskraftkomponenten, infolge sonst zusätzlich wirkender Auftriebskräfte, zwischen Kanalwänden und Wärmeübertragungselementen, zu vermeiden.

Neben dem aus der Flexibilität und speziellen Ausbildung der Wärmeübertragungselemente resultierenden, freien Bewegungsverhalten und dem damit verbundenen, optimalen Selbstreinigungseffekt der Kontaktflächen der Wärmeübertragungselemente, sowohl wärmequellenseitig als auch wärmenutzungsseitig, ist außerdem auf nachfolgende Vorzüge hinzuweisen:

— Aufgrund der freien Bewegung der Wärmeübertragungselemente bzw. dem Ausweichen dieser Elemente in Richtung des geringsten Widerstandes ergeben sich geringste hydraulische Widerstände bzw. Druckverluste.

— Der Reinigungseffekt kann durch Oberflächenveränderung, infolge kurzzeitiger Druchverringerung oder -erhöhung, vorrangig in den Strömungskanälen des Wärmeträgers, weiterhin erheblich verbessert werden. Mittels dieser Maßnahme wird mitunter auch eine Abtrennung von Kleinstpartikeln, zwischen denen relativ große Kohäsionskräfte wirken und die im Zusammenhang mit dem Material der Wärmeübertragungselemente ebenfalls sehr hohe Adhäsionskräfte entwickeln, ermöglicht.

— Die durch Temperaturdifferenzen entstehenden Wärmespannungen und die sich aus den strömungsbedingten Belastungen - ableitenden Normal- und Tangentialspannungen können wegen der freien Beweglichkeit der flexiblen Wärmeübertragungselemente optimal abgebaut werden.

— Bei Auswahl entsprechend beständiger Materialien für die Wärmeübertragungselemente sind auch intensive Nutzungsmöglichkeiten von aggressiven, chemisch verunreinigten Wärmequellenmedien durchführbar.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung anhand detaillierter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit längs im Strömungskanal angeordneten Wärmeübertragungselementen freien Endes

Fig. 2: Die Schnittansicht eines Wärmeübertragungselementes nach Linie l-l entsprechend Fig. 1 Fig. 3: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit radial im Strömungskanal angeordneten Wärmeübertragungselementen freien Endes

Fig. 4: Die Schnittansicht des Strömungskanales nach Linie H-Il entsprechend Fig.3 Fig. 5: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit radial und haarnadelförmig im Strömungskanal

angeordneten Wärmeübertragungselementen ohne freies Ende Fig. 6: Die Schnittansicht des Strömungskanales nach Linie Ill-Ill entsprechend Fig.5 Fig. 7: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit kreisbogenförmig im Strömungskanal angeordneten Wärmeübertragungselementen ohne freies Ende

Fig. 8: Die Schnittansicht des Strömungskanales nach Linie IV-IV entsprechend Fig.7 Fig. 9: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit längs des Strömungskanals angeordneten Wärmeübertragungselementen ohne freies Ende

Fig. 10: Die Schnittansicht des Strömungskanales nach Linie V-V entsprechend Fig. 9 Fig. 11: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit längs eines geteilten Strömungskanales angeordneten Wärmeübertragungselementen freien Endes

Fig. 12: Die Schnittansicht des Strömungskanales nach Linie Vl-Vl entsprechend Fig. 11 Fig. 13: Die Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit in einem Klär- bzw. Speicherbehälter vertikal angeordneten Wärmeübertragungselementen freien Endes

Fig. 14: Ein erfindungsgemäßes zweikanäliges Wärmeübertragungselement freien Endes Fig. 15: Ein erfindungsgemäßes dreikanäliges Wärmeübertragungselement freien Endes Fig. 16: Ein erfindungsgemäßes vierkanäliges Wärmeübertragungselement freien Endes Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung besteht im einzelnen aus mehreren Wärmeübertragungselementen 1, welche ihrerseits Strömungskanäle für Wärmerücklauf und -vorlauf 2; 3 sowie z. B. einen Blindkanal 4 mit eingeschlossener Luft enthalten, einem Schutzrohr 5 zur Verhinderung großer strömungsbedingter Biegebelastungen, Anschlußstücken 6 zur. Schaffung der Verbindung zwischen den Strömungskanälen für Wärmeträgerrücklauf und -vorlauf 2; 3 und den am Halteflansch 9 umlaufend angebrachten Ringkanälen für Wärmeträgerrücklauf und -vorlauf 7; 8 und entsprechenden Flanschverschraubungen 10 zur Befestigung des Halteflansches 9 im Durchflußkanal für Wärmequellenmedien 11. Die Wärmeübertragungselemente 1 mit einem freien Ende und mit am anderen Ende angebrachten Anschlußstücken 6 werden gemäß Fig. 2,14,15 und 16 vorzugsweise als bandähnliche Zwei-, Drei-oder Vierkanalelemente eingesetzt, wobei die zu wählende Elementgeometrie auf maximale Wärmeübertragungsflächen auszurichten ist. Die Benutzung zentrisch oder konzentrisch ineinandergeführter Kanäle stellt hierzu eine ebenfalls realisierbare Möglichkeit dar. Einige weitere vorteilhafte Anordnungsmöglichkeiten derartiger Wärmeübertragungselemente, 1 werden in Fig. 3,11 und 13 näher charakterisiert, wobei anstelle der in den Klär- bzw. Speicherbehälter vertikal von oben nach unten führenden Wärmeübertragungselemente 1 auch verschiedene, nicht aufgezeichnete horizontale oder räumliche Befestigungsvarianten denkbar sind. Eine gleichfalls nicht skizzierte Anordnungsart zeichnet sich durch das Merkmal aus, daß die Wärmeübertragungselemente 1 über, beispielsweise in Abwasserkanälen ohnehin vorhandene Reinigungsstutzen bzw. -öffnungen eingeführt werden und dann im wesentlichen parallel zum Abwasserkanal schwimmend ihre Funktion erfüllen können.

Die Wärmeübertragungselemente 12 mit an beiden Enden befindlichen Anschlußstücken 6 sind gemäß Fig. 5,7 und 9 als Einkanalelement oder bandähnliches Mehrkanalelement installiert. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist auch eine um 90° gedreht ausführbare Anordnung der Wärmeübertragungselemente 12 möglich. Ebenso können diese Elemente grundsätzlich in einem, in Fig. 13 dargestelltem Klär- bzw. Speicherbehälter 13 ein entsprechendes Einsatzfeld finden. Wird die Y-Form des in Fig. 11 abgebildeten Strömungskanales 11 in eine X-Form umgestaltet, so kann dann auch mittels Wärmeübertragungselementen 12 eine durchgehende, waagerechte Anordnung im Strömungskanal 11 erreicht werden. Abschließend ist hinsichtlich der aufgezeigten Beispielvarianten mit Wärmeübertragungselementen 1 zu bemerken, daß der maximal mögliche Biegeradius der flexiblen Elemente kleiner als der des vorliegenden offenen Strömungsquerschnittes gestaltet ist, da es sonst bei ungünstigen, turbulenten Strömungen eventuell zu Verknotungen der Einzelelemente kommen kann. In kritischen Einsatzfällen ist ggf. die Verwendung, beispielsweise von schnur- bzw. seilartigen oder sonstigen geeigneten Abstandhaltern, zu empfehlen.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zum Betreiben von Wärmeübertragern, die insbesondere für den Einsatz in stark verschmutzten, strömenden Wärmequellenmedien vorgesehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Kontaktflächen des Wärmeübertragers einer völlig selbständigen, von den Strömungsverhältnissen abhängigen, freien Bewegung innerhalb eines Strömungskanals bzw. Durchflußbereiches des Wärmequellenmediums unterworfen werden.
2. 2. Wärmeübertragungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 mit Anschlußstücken für die Wärmeübertragungselemente bzw. kurzgeschlossenen Strömungskanälen, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmeübertragungselemente {1,12) jeweils aus einzelnen oder einer Vielzahl von schlauchartigen, unterschiedlich profilierbaren Strömungskanälen elastischen Materials gebildet werden, wobei einerseits ein aus einem einzelnen oder mehreren Strömungskanälen zusammengefügten Wärmeübertragungselement (12) an seinen beiden Enden ein entsprechendes Anschlußstück (6) aufweist und zum anderen ein aus mehreren Strömungskanälen (2,3) zusammengefügtes Wärmeübertragungselement (Dan einem Ende ebenfalls mit einem oder mehreren Anschlußstücken (6) ausgestattet ist und auf der anderen Seite miteinander kurzgeschlossene Strömungskanäle für den Durchfluß von Wärmeträgermedien besitzt.
3. 3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Strömungskänäle der Wärmeübertragungselemente (1,12) entweder in aneinandergereihter Anordnung, vorzugsweise in einer vertikalen bzw. horizontalen Ebene, als einheitliches sowie materialseitig homogenes Element gestaltet oder mit mechanischen Hilfsmitteln, z. B. Klebe-, Schweiß- oder Klemmverbindungen, zu einem Strömungskanalbündel bzw. -verband zusammengesetzt sind.
4. 4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Punkt 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmeübertragungselemente (1, 12) zwischen mehreren Strömungskanälen (2,3) einzelne, mit Medien, vorzugsweise Luft, unterschiedlicher Dichte gefüllte Kanäle (4) enthalten.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Wärmeübertragern und die zugehörige Wärmeübertragungsvorrichtung mit vorrangiger Anwendbarkeit für diejenigen Fälle, wo mittels bisher bekannter konventioneller Wärmetauschereinrichtungen bzw. Rekuperatoren ein Einsatz in Wärmequellenmedien mit relativ großen biologischem, physikalischem und teilweise chemischem Verschmutzungsgrad nicht oder nur mit sehr schlechter Wärmeübertragungsleistung sowie erhöhtem Herstellungs- und Betriebsaufwand möglich war. Neben der grundsätzlich vorteilhaften Anwendbarkeit des Verfahrens und der Vorrichtung in Verbindung mit allen strömenden bzw. bewegten Wärmequellenmedien erstreckt sich jedoch der Vorzugsanwendungsbereich auf die energetische Nutzung von Sanitär- und Küchenabwässern, unterschiedlichsten schmutzbehafteten Industrieabwässern oder natürlichen Fließgewässern.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Es sind eine Vielzahl von indirekt wirkenden Wärmetauschern, d. h. rekuperativen Wärmeübertragungssystemen bekannt, bei denen die Energieübertragung durch stationäre Wände bzw. unbewegliche Übertragungsflächen erfolgt. Diese Systeme eignen sich uneingeschränkt für eine Benutzung in nicht oder nur geringfügig verschmutzten Wärmequellenmedien. Dagegen treten bereits erhebliche Probleme bei der Rückgewinnung von Wärmeenergie aus mäßig oder stark feststoffhaltigen sowie dickstoffangereichertem Medien, wie z. B. Fäkalien- und Küchenabwasser, auf. Wegen der groben Schmutzbestandteile in solchen Medien ist nahezu in allen praktischen Einsatzfällen ein schnelles Zusetzen der Kontaktflächen zu erwarten, was dann unvermeidbar mit einer sprunghaften Verminderung der Wärmeübertragungsleistung und erhöhten Druckverlusten, wobei auch völlige Verstopfungen der Strömungskanäle keine Seltenheit darstellen, verbunden ist. Zur Verhinderung dieser nachteiligen Erscheinungen wurden bereits zahlreiche spezielle Lösungen vorgestellt, die durch kosten- und instandhaltungsaufwendige Verfahren bzw. Wärmetauschersystemen mit mechanisch sowie anderen Hilfsmitteln bewegten Kontaktflächen, Vorrichtungsteilen zur selbsttätigen Durchführung von Reinigungsarbeiten oder mit dem Erfordernis zur Durchführung zeitintensiver, manueller Säuberungszyklen, gekennzeichnet sind. Häufig führen die genannten Faktoren zu der Entscheidung, auf eine rekuperative Energierückgewinnung aus verschmutzten Wärmequellenmedien zu verzichten und Verlustwärmemengen in Kauf zu nehmen. Das heißt, eine zufriedenstellende, technisch-ökonomisch vertretbare Lösungsvariante für eine allgemeingültige Anwendbarkeit gehört gegenwärtig noch nicht zum Stand der Technik.

   Ziel der Erfindung

   Die Erfindung hat den Zweck, ein Verfahren zum Betreiben von Wärmeübertragern anzugeben und eine entsprechende •Wärmeübertragungsvorrichtung zu entwickeln, damit der Wärmeübertrager beim Einsatz in fließfähigen, stark schmutzbehafteten Wärmequellenmedien ständig voll funktionsfähig gehalten wird und im Gegensatz zu bisher bekannten Prinziplösungen mit sehr einfachen sowie zuverlässigen Mitteln effektive Anwendungsmöglichkeiten gewährleistet, die sich sowohl durch stabile als auch verbesserte Wärmeübertragungsleistungen sowie durch wesentlich geringere Fertigungs-, Material- und Instandhaltungskosten auszeichnen.

   Darstellung des Wesens der Erfindung

   Der Erfindung liegt gemäß vorgenannter Zielstellungen die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für Wärmeübertrager zu finden und eine dazu notwendige Wärmeübertragungsvorrichtung so auszugestalten, damit einerseits Verstopfungen im Strömungskanal bzw. Durchflußbereich des Wärmequellenmediums sowie Verkrustungen oder Zusetzungen der Kontaktflächen derWärmeübertra.gungsvorrichtung, infolge grober Verunreinigungen, nahezu ausgeschlossen und andererseits auch durch Kleinstpartikel keine langzeitigen Anlagerungen zu verzeichnen sind. Weiterhin soll eine allgemeine Einsatzmöglichkeit in nicht, mäßig und stark schmutzbehafteten Wärmequellenmedien, unter der Voraussetzung der Erreichung großer Wärmeübertragungsleistungen geschaffen werden, um vor allem auch trotz häufig schwankender Pegelstände in Durchflußkanälen des Wärmequellenmediums, beispielsweise Abwasserrohren, konstante Übertragungsverhältnisse