DE102008054833A1

DE102008054833A1 - Vorrichtung zur Wiedergewinnung und Speicherung von Wärmeenergie aus einem Abwasser

Info

Publication number: DE102008054833A1
Application number: DE102008054833A
Authority: DE
Inventors: Joachim Damrath
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01
Also published as: WO2010076109A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung und Speicherung von Wärmeenergie aus einem Abwasser, mit einem Abwasserbehälter (2) zur Aufnahme von erwärmtem Abwasser, mit einem Nutzwasserbehälter (6) zur Aufnahme von zu erwärmendem Nutzwaser, wobei der Abwasserbehälter (2) und der Nutzwasserbehälter (6) in einer eine Wärmeleitung ermöglichenden Verbindung (9) stehen, und mit einem Vorratsbehälter (10) zur Speicherung des erwärmten Nutzwassers. Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung für einen Prozesskreislauf anzugeben, die in der Lage ist, erwärmte Nutzwasser über einen längeren Zeitraum - auch während auftretender Prozesspausen - verlustarm zu speichern. Dazu umschließt der Nutzwasserbehälter (6) den Vorratsbehälter (10) zumindest teilweise und der Nutzwasserbehälter (6) und der Vorratsbehälter (10) stehen derart in Fließverbindung (11, 13), dass erwärmtes Nutzwasser aus dem Nutzwasserbehälter (6) in den Vorratsbehälter (10) gelangen kann, während dabei wärmeisolierend wirkendes Gas in den Nutzwasserbehälter (6) nachströmt.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Speicherung von Wärmeenergie in einem Nutzwasser, das für den Einsatz in einem Prozess, auch während längerer Prozesspausen, bereitgehalten wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung und Speicherung von Wärmeenergie aus einem Abwasser, mit einem Abwasserbehälter zur Aufnahme von erwärmtem Abwasser, mit einem Nutzwasserbehälter zur Aufnahme von zu erwärmendem Nutzwasser, wobei der Abwasserbehälter und der Nutzwasserbehälter in einer eine Wärmeleitung ermöglichenden Verbindung stehen, und mit einem Vorratsbehälter zur Speicherung des erwärmten Nutzwassers.
Unter dem Begriff Abwasser sind sämtliche Flüssigkeiten zu verstehen, die aus mindestens einem Prozessschritt hervorgehen und die entweder für eine Ableitung aus dem System oder für einen Einsatz in einem folgenden Prozessschritt vorgesehen sind. Unter dem Begriff Nutzwasser ist eine Flüssigkeit zu verstehen, die zu erwärmen ist, beispielsweise um in einem folgenden Prozessschritt eingesetzt zu werden.
Aus dem Stand der Technik (z. B. DE 20 2006 019 482 U1 ) sind Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, Wärmeenergie aus einem Abwasser auf Nutzwasser zu übertragen, indem ein Wärmeleitungsvorgang zwischen den beiden Flüssigkeiten ermöglicht wird. Durch eine solche Abwärmenutzung kann der Energiebedarf bei der Erwärmung des Nutzwassers deutlich reduziert werden.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art geht aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 022 890 A1 hervor, die auf ein wasserführendes Hausgerät, wie eine Geschirrspül- oder Waschmaschine, gerichtet ist, in dem mit Hilfe eines Wärmetauschers Wärmeenergie von einer warmen Altflüssigkeit auf eine kältere Nutzflüssigkeit übertragen wird. Die Übertragung der Wärmeenergie erfolgt durch Wärmeleitung über wenigstens eine Trennwand zwischen den beiden Flüssigkeiten.
Ferner ist bei der bekannten Vorrichtung ein Vorratsbehälter vorgesehen, der die erwärmte Nutzflüssigkeit aufnimmt und für nachfolgende Prozessschritte bereithält. Die Verwen dung eines Vorratsbehälters entkoppelt die Erwärmung der Nutzflüssigkeit zeitlich von den Arbeitsprozessen des Hausgeräts.
Diese Vorrichtung ist vom Aufbau und Platzbedarf relativ aufwendig und zielt auf die Speicherung der gewonnenen Wärmeenergie für die Dauer eines Arbeitszyklus, beispielsweise die Bereithaltung von erwärmtem Frischwasser für nachfolgende Betriebszustände während eines Waschgangs bei einer Waschmaschine bzw. Spülgangs bei einer Geschirrspülmaschine. Eine Speicherung der Wärmeenergie über einen längeren Zeitraum, beispielsweise über die Dauer einer Prozesspause zwischen zwei Waschgängen bzw. Spülgängen bei einem Hausgerät, ist mit der bekannten Vorrichtung womöglich nicht in jedem Fall völlig zufriedenstellend möglich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die mit einfacher und raumsparender Ausgestaltung erwärmtes Nutzwasser über einen längeren Zeitraum – d. h. auch während längerer Prozesspausen – verlustarm speichert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung und Speicherung von Wärmeenergie aus einem Abwasser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Demgemäß umschließt der Nutzwasserbehälter den Vorratsbehälter zumindest teilweise und der Nutzwasserbehälter und der Vorratsbehälter stehen derart in Fließverbindung, dass erwärmtes Nutzwasser aus dem Nutzwasserbehälter in den Vorratsbehälter gelangen kann, während dabei wärmeisolierend wirkendes Gas in den Nutzwasserbehälter nachströmt.
Das erwärmte Nutzwasser ist nach Einleitung in den Vorratsbehälter über das dann in dem Nutzwasserbehälter befindliche Gas gegenüber der Umwelt – quasi nach Art eines Thermobehälters – thermisch isoliert. Diese Isolation ist mit einfachen und raumsparenden Mitteln realisiert und gestattet auch über einen längeren Zeitraum – auch über eine Prozesspause hinweg – bei geringsten Wärmeverlusten, das erwärmte Nutzwasser abrufbereit bereit zu halten. Das Gas weist vorteilhafterweise eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Abwasser und das Nutzwasser auf.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, der Zeichnung und deren jeweiliger Beschreibung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Nutzwasserbehälter den Vorratsbehälter vollständig umhüllt. Die bereits beschriebene Befüllung des Nutzwasserbehälters mit Gas führt dabei zu einer vollständigen isolierenden Umhüllung des Vorratsbehälters und des erwärmten Nutzwassers, so dass Wärmeverluste an die Umwelt weiter reduziert werden.
Wärmetauscher sind üblicherweise so angeordnet, dass Wärmeenergie aus dem warmen Abwasser auf die kalte Nutzflüssigkeit, beispielsweise Frischwasser, übertragen wird. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung der Abwasserbehälter den Nutzwasserbehälter vollständig umhüllt. Abwasser- und Nutzwasserbehälter ermöglichen so einen besonders effizienten Wärmeaustausch zwischen den beiden beinhalteten Fluiden. Eine solche Wärmeleitung ist beispielsweise über eine dünne wärmeleitende Wandung realisierbar.
Die erwähnte Fließverbindung zwischen dem Nutzwasserbehälter und dem Vorratsbehälter ermöglicht es, das Nutzwasser in den Vorratsbehälter zu leiten. Vorteilhafterweise wird in der Fließverbindung eine Pumpe eingesetzt, durch die sich die Umleitung des Nutzwassers besonders gut steuern lässt und die diese Umleitung beschleunigt.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich eine Fließverbindung mittels eines Ventils zwischen Vorrats- und Nutzwasserbehälter vorgesehen. Wird das erwärmte Nutzwasser in den Vorratsbehälter geleitet, strömt aufgrund von dessen Verdrängungswirkung in dem Vorratsbehälter befindliches Gas über dieses Ventil in den Nutzwasserbehälter. Da der Nutzwasserbehälter den Vorratsbehälter zumindest teilweise umgibt, stellt sich ohne Verzögerung eine isolierende Wirkung der Gasschicht auf das Nutzwasser ein.
Wird warmes Nutzwasser im Prozess benötigt, wird dieses über eine Nutzwasserableitung aus der Vorrichtung abgeleitet. Weist das Nutzwasser nicht die erforderliche Temperatur auf, heitzt nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ein Heizelement das Nutzwasser (zusätzlich) auf. Das Heizelement kann bevorzugt im Innern des Vorratsbehälters oder an einer Nutzwasserableitung angeordnet und besonders bevorzugt ein Widerstandsheizelement sein.
Nachdem Wärmeenergie von dem Abwasser durch Wärmeleitung auf das Nutzwasser übertragen wurde und das Nutzwasser in den Vorratsbehälter gelangt ist, kann nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Wärmepumpe (die einen Kompressor, eine Drossel, einen Verdampfer und einen Kondensator umfasst), dem Nutzwasser weitere Wärme zuführen, die sie dem Abwasser entzieht. Vorteilhafterweise kann so u. a. Wärme, die unerwünschterweise von dem erwärmten Nutzwasser über das Gas an das Abwasser übergegangen ist, mit Hilfe der Wärmepumpe in das Nutzwasser zurückgelangen. Vor allem aber kann das Nutzwasser so bedarfsweise auf ein noch höheres Temperaturniveau gebracht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, in dem Vorratsbehälter Elemente zur latenten Wärmespeicherung anzuordnen. Diese haben die Eigenschaft, Wärmeenergie zu speichern, die sie ihrer unmittelbaren Umgebung bei einer Phasenumwandlung in den Elementen entziehen. Dies erhöht die Menge an speicherbarer Wärmeenergie im Vorratsbehälter.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Fassungsvermögen des Vorratsbehälters dem Fassungsvermögen des Nutzwasserbehälters entsprechend groß gewählt. Dies ermöglicht die vollständige Befüllung des Vorratsbehälters mit Nutzwasser, das vorher vollständig den Nutzwasserbehälter ausgefüllt hat. Die gleichzeitige Befüllung des Nutzwasserbehälters durch ein vorher im Vorratsbehälter befindliches Gas ist hierdurch einfach und kompressionslos möglich. Zusätzlich ist dies eine besonders geeignete Ausgestaltung, um den Gasfluss im System geschlossen – d. h. ohne Zu- und Abfuhr von Gas – zu realisieren.
Um Wärmeverluste weiter zu minimieren, ist der Abwasserbehälter nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung mit einer Isolierung umschlossen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
In der Figur der Zeichnung ist schematisch eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie aus einem Abwasser dargestellt, wobei das heiße oder warme Abwasser über eine Abwasserzuleitung 1 einen Abwasserbehälter 2 füllt. Außerdem ist am Abwasserbehälter 2 eine Abwasserableitung 3 vorgesehen. Die Befüllung bzw. und Entleerung des Abwasserbehälters ist mit Hilfe von Ventilen 4, 5 steuerbar.
Der Abwasserbehälter 2 umhüllt vollständig einen Nutzwasserbehälter 6, der über einen Nutzwasserzulauf 7 mit einem regelbaren Ventil 8 mit Nutzwasser gefüllt werden kann.
Der Abwasserbehälter 2 und der Nutzwasserbehälter 6 sind durch eine sehr dünne, sehr gut Wärme leitende Wand 9 voneinander separiert. Durch natürliche Wärmeleitung gelangt Wärme aus im Abwasserbehälter 2 befindlichen, erwärmten Abwasser zu dem Nutzwasser, das sich im Nutzwasserbehälter 6 befindet. Dieser Vorgang dauert maximal an, bis das Temperaturniveau beider Flüssigkeiten annähernd gleich ist. Der Nutzwasserbehälter 6 umhüllt einen Vorratsbehälter 10, dessen Volumen dem des Nutzwasserbehälters 6 entspricht und der mit einem Gas – z. B. mit Luft – gefüllt ist.
Über eine Fließverbindung 11 pumpt eine Pumpe 12 das erwärmte Nutzwasser aus dem Nutzwasserbehälter 6 in den Vorratsbehälter 10. Dabei strömt aufgrund der Verdrängung bei Eintritt des Nutzwassers das Gas, das zunächst in dem Vorratsbehälter 10 enthalten war, durch ein – in dieser Situation geöffnetes – Ventil 13 in den Nutzwasserbehälter 6. Dadurch ist schließlich der Vorratsbehälter 10 und damit das darin befindliche Nutzwasser von einer gasgefüllten Hohlwandung umgeben. Mit anderen Worten: Der Vorratsbehälter 10 ist temporär in Art eines Thermogefäßes ausgestaltet, indem das Gas ihn vollständig umgibt und so eine sehr gute thermische Isolierung des Nutzwassers bewirkt.
Ein Wärmepumpenkreislauf 14 mit einem Kompressor 15, einer Drossel 16, einem Verdampfer 17 und einem Kondensator 18 führt dem Nutzwasser im Vorratsbehälter 10 weitere Wärmeenergie aus dem Abwasser zu. Werden mit der Zeit etwaige geringe Wärmemengen über das Gas an das (sich nach außen abkühlende) Abwasser zurück übertragen, können diese Wärmeverluste über den Wärmepumpenkreislauf 14 weitgehend kompensiert werden.
Wird warmes Nutzwasser für einen folgenden Arbeitsprozess angefordert, öffnet sich ein Ventil 19 in der Nutzwasserableitung 20. Liegt die Temperatur des Nutzwassers unter einem gewünschten Wert, kann ein an oder in der Nutzwasserableitung 20 angeordnetes elektrisches Heizelement 21 das Nutzwasser auf das geforderte Temperaturniveau erhitzen.
Die Ableitung des erwärmten Nutzwassers kann gleichzeitig mit der erneuten Befüllung des Nutzwasserbehälters 6 mit Nutzwasser durch Öffnung des Ventils 8 und Einströmen des neuen Nutzwassers erfolgen. Das neu eintretende Nutzwasser verdrängt das im Nutzwasserbehälter 6 befindliche Gas, das über das Ventil 13 in den Vorratsbehälter 10 zurückströmt. Damit kann der beschriebene Wärmetausch- und Wärmespeicherungszyklus von Neuem beginnen.
Die im wesentlichen konzentrisch angeordneten Behälter 2, 6 und 10 sind nach außen zusätzlich dadurch thermisch isoliert, dass der Abwasserbehälter 2 mit einer Isolierschicht 22 umschlossen ist, um Wärmeverluste zu verringern. In dem Vorratsbehälter können an sich bekannte Elemente 23 zur Latentwärmespeicherung enthalten sein.

1: Abwasserzuleitung
2: Abwasserbehälter
3: Abwasserableitung
4: Ventil
5: Ventil
6: Nutzwasserbehälter
7: Nutzwasserzuleitung
8: Ventil
9: Wand
10: Vorratsbehälter
11: Fließverbindung
12: Pumpe
13: Ventil
14: Wärmepumpenkreislauf
15: Kompressor
16: Drossel
17: Verdampfer
18: Kondensator
19: Ventil
20: Nutzwasserableitung
21: Heizelement
22: Isolierung
23: Elemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202006019482 U1 [0004]
- DE 102008022890 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Wiedergewinnung und Speicherung von Wärmeenergie aus einem Abwasser, – mit einem Abwasserbehälter (2) zur Aufnahme von erwärmtem Abwasser, – mit einem Nutzwasserbehälter (6) zur Aufnahme von zu erwärmendem Nutzwasser, – wobei der Abwasserbehälter (2) und der Nutzwasserbehälter (6) in einer eine Wärmeleitung ermöglichenden Verbindung (9) stehen, – und mit einem Vorratsbehälter (10) zur Speicherung des erwärmten Nutzwassers, dadurch gekennzeichnet, dass – der Nutzwasserbehälter (6) den Vorratsbehälter (10) zumindest teilweise umschließt – und der Nutzwasserbehälter (6) und der Vorratsbehälter (10) derart in Fließverbindung (11, 13) stehen, dass erwärmtes Nutzwasser aus dem Nutzwasserbehälter (6) in den Vorratsbehälter (10) gelangen kann, während dabei wärmeisolierend wirkendes Gas in den Nutzwasserbehälter (6) nachströmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Nutzwasserbehälter (6) den Vorratsbehälter (10) vollständig umhüllt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Abwasserbehälter (2) den Nutzwasserbehälter (6) vollständig umhüllt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Fließverbindung (11) zwischen dem Nutzwasserbehälter (6) und dem Vorratsbehälter (10) eine Pumpe (12) enthält.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Nutzwasserbehälter (6) und der Vorratsbehälter (10) über ein Ventil (13) verbindbar sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Heizelement (21) das Nutzwasser bedarfsweise aufheizt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das Heizelement (21) im Bereich einer aus dem Vorratsbehälter (10) führenden Nutzwasserableitung (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Wärmepumpenkreislauf (14) dem Nutzwasser Wärme zuführt, die dem Abwasser entzogen ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Vorratsbehälter (10) Elemente (23) zur latenten Wärmespeicherung angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fassungsvermögen des Vorratsbehälters (10) gleich dem des Nutzwasserbehälters (6) ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Gasfluss in der Vorrichtung als geschlossenes System ausgeführt ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Abwasserbehälter (2) zumindest teilweise von einer Isolierung (22) umhüllt ist.