DE3639286A1 - Vorrichtung zur waermerueckgewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Art.

Um bei solchen Vorrichtungen einen hohen Wirkungsgrad zu errei­ chen, ist für die Steuerung der Strömungen ein hoher regeltechni­ scher und steuerungstechnischer Aufwand erforderlich, der die Vorrichtung spürbar verteuert und die Störungsanfälligkeit erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit geringem Steue­ rungs- und Regelungsaufwand ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Vorrichtung arbeitet automatisch und bedarf keiner Überwa­ chung. Enthält das erste Wärmeträgermedium genügend Wärmeener­ gie, so kann diese über den Sekundärkreis wirkungsvoll entzogen werden. Die Bypassleitung ist dabei abgesperrt. Sinkt die im er­ sten Wärmeträgermedium bereitgestellte Wärmeenergie unter einen eine Rückgewinnung ausschließenden Wert, wird der Wärmetauscher außer Funktion gesetzt und die Bypassleitung geöffnet. Damit wird vermieden, daß dem Sekundärkreis ggfs. Wärme entzogen oder der Wärmetauscher zu stark abgekühlt wird. Als weiterer, wichtiger Gesichtspunkt bei verschmutztem ersten Wärmeträgermedium wird der Wärmetauscher bei solchen Betriebsphasen, bei denen keine Wärmerückgewinnung möglich ist oder erwünscht ist, vor einer Verschmutzung geschützt. Erreicht wird diese wünschenswerte Funk­ tion mit geringem steuerungs- und regeltechnischem Aufwand, weil nur die beiden Temperaturfühlglieder und deren Anschluß an die mit dem Schaltglied verbundene Steuervorrichtung gebraucht wird. Die Vorrichtung arbeitet mit hohem Wirkungsgrad und ist störungs­ unanfällig. Der gute Wirkungsgrad wird mitbestimmt durch die Tatsache, daß der Wärmetauscher bei einem verschmutztem ersten Wärmeträgermedium dann nicht verschmutzt wird, wenn keine Wär­ merückgewinnung stattfindet. Dadurch werden die Abstände zwi­ schen den Reinigungszyklen des Wärmetauschers vergrößert. Ferner ist der Durchflußwiderstand über die Bypassleitung geringer als über den Primärkanal. Dabei ist es denkbar, bei starkem Anfall an erstem Wärmeträgermedium das Schaltglied in eine Zwischen­ stellung zu bringen, in der nur ein Teil des ersten Wärmeträger­ mediums durch den Primärkanal und ein anderer Teil gleichzeitig über den Bypasskanal abfließt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 2 wird da­ für Sorge getragen, daß das erste Wärmeträgermedium den Weg über den Bypasskanal nimmt, sobald es bis auf die Temperatur ab­ kühlt, die auch im Sekundärkreis in der Nähe des Einlaufs des Primärkanals in dem Wärmetauscher herrscht. Auf diese Weise wird vermieden, daß bereits rückgewonnene Wärme wieder verloren geht und wird auch sichergestellt, daß der Wärmetauscher nur soweit beansprucht und damit verschmutzt wird, wie dies für die Wärme­ rückgewinnung sinnvoll ist.

Vorteilhaft ist ferner die Ausführungsform gemäß Anspruch 3, weil auf diese Weise sichergestellt ist, daß das zweite Wärmeträgerme­ dium im Sekundärkreis erst dann zirkuliert und Wärme abtranspor­ tiert, wenn die Voraussetzungen eingetreten sind, daß tatsächlich Wärme rückgewonnen werden kann. Diese Maßnahme ist günstiger als die Zirkulationspumpe schon beim Absperren des Bypasskanals einzuschalten, weil zunächst eine bestimmte Anlage auf Dauer ge­ braucht wird, bis Wärme aus dem Wärmetauscher abgezogen werden kann.

Eine weitere, wichtige Maßnahme geht aus Anspruch 4 hervor. Diese Temperaturdifferenzen, die die Schaltkreis der Steuervorrich­ tung berücksichtigt, stellen sicher, daß die Schaltvorgänge erst dann stattfinden, wenn tatsächlich Wärme rückgewonnen und ab­ transportiert werden kann. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung positiv beeinflußt und auch vermieden, daß Se­ kundärenergie im Übermaß einzusetzen ist.

Wichtig ist auch die Maßnahme von Anspruch 5, weil unterhalb ei­ ner bestimmten Minimaltemperatur keine vernünftige Wärmerückge­ winnung möglich ist.

Die Standzeit und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung wird mit dem Merkmal von Anspruch 6 gesteigert, weil NCT-Widerstände sehr zuverlässige und robuste Bauelemente sind, die preiswert und in­ dividuell erhältlich sind.

Vorteilhaft ist ferner die Ausführungsform von Anspruch 7, da sol­ che Ventile handelsüblich, sehr zuverlässig und störungsunanfäl­ lig sind, sowie mit vernachlässigbaren Leckverlusten arbeiten.

Wichtig ist auch der Gedanke von Anspruch 8, weil auf diese Wei­ se das Brauchwasser für den Brauchwasserspeicher entweder schon bis auf die Brauchwassertemperatur erwärmt oder nur soweit vor­ gewärmt wird, so daß der zum endgültigen Erwärmen des Brauch­ wassers erforderliche Sekundärenergieaufwand so gering wie mög­ lich bleibt und trotzdem die gesamte nutzbare Wärmeenergie aus dem ersten Wärmeträgermedium rückgewonnen und eingesetzt wird.

Anhand der Zeichnung wird eine beispielhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Wärme­ rückgewinnung aus Abwasser und

Fig. 2 ein Diagramm der Temperaturverläufe über der Zeit, zu­ sammen mit den Signalkurven, die sich bei der Steuerung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei einem beispielsweise ausgewählten Betriebszustand ergeben.

Eine Vorrichtung 1 zum Rückgewinnen von Wärmeenergie aus Abwas­ ser weist wenigstens einen Wärmetauscher 2 auf, der parallel zu einem Pufferspeicher 3 geschaltet ist. Mit dem Pufferspeicher 3 ist in Reihe ein Brauchwasserspeicher 4 geschaltet, der wiederum pa­ rallel zu einer Heizeinrichtung 5 geschaltet ist.

Im Wärmetauscher 2 ist ein Primärkanalabschnitt 6 in Zick-Zack- Form vorgesehen, der von Sekundärkreisabschnitten 7 a und 7 b be­ grenzt wird. Zum Primärkanal gehört ein Primärkanalzulauf 8 , im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Abwasserzuleitung, in der in Strömungsrichtung zum Wärmetauscher 2 ein erstes Temperatur­ fühlglied 9 und dahinter ein Schaltglied 10 vor einem Einlaufstut­ zen 11 angeordnet sind. Auslaßseitig des Wärmetauschers 2 gehört zum Primärkanal ein Primärkanalauslaß 12, im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel eine Abwasserableitung ins weiterführende Kanal­ system. Das Schaltglied 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Drei-Wege/Zwei-Stellungs-Schaltventil mit elektromagnetischer Betätigung. Den Wärmetauscher 2 umgeht ein Bypasskanal 13, der an das Schaltglied 10 angeschlossen ist und zum Primärkanalaus­ laß 12 führt.

Alternativ könnte das Schaltglied 10 auch im unteren Anschluß des Bypasskanals (13) an dem Primärkanalauslaß 12 angeordnet sein.

Zum Sekundärkreis gehört eine Zuleitung 14 vom Pufferspeicher 3, die sich vor dem Wärmetauscher 2 in die Zuleitungen 14 a und 14 b verzweigt, vor denen eine Zirkulationspumpe 15 vorgesehen ist. Ferner gehören zum Sekundärkreis Zweigleitungen 14 c und 14 d, die oben aus dem Wärmetauscher 2 herausgeführt sind und sich in ei­ ner Rückleitung 16 zum Pufferspeicher 3 vereinigen. In der Zulei­ tung 14 ist ein Ausgleichsdruckspeicher 17 enthalten. Am Wärme­ tauscher 2 sind übliche Überdruck- oder Entlüftungsventile 18 an­ gebracht. Zum Sekundärkreis gehört schließlich eine Wärmetau­ scherstrecke 19 im Innenraum 20 des Pufferspeichers 3.

Der Innenraum 20 des Pufferspeichers 3 ist ferner an eine Brauch­ wasserzuleitung 21 angeschlossen. Oben führt aus dem Pufferspei­ cher 3 eine Brauchwasserzwischenleitung 22 zum Brauchwasserspei­ cher 4, in dessen Innenraum 28 sie mit einer Falleitung 22 a en­ det. Im Brauchwasserspeicher 4 ist ferner ein Wärmetauscher 23 enthalten, der über Zu- und Ableitungen 24, 25 und eine Zirkula­ tionspumpe 26 an die Heizung 5 geschlossen ist, die aus einem Brenner 27 oder einer ähnlichen Wärmequelle mit Wärmeenergie ver­ sorgt wird. Eine Brauchwasserablaufleitung 29 führt oben aus dem Brauchwasserspeicher 4 heraus.

Im Pufferspeicher 3 ist im Innenraum 20 ein drittes Temperatur­ fühlglied 30 angeordnet, das die Brauchwassertemperatur t 3 im Pufferspeicher 3 registriert und vorzugsweise ein NCT-Widerstand ist. Im Inneren des Wärmetauschers 2 ist im Sekundärkreisteil 7 a benachbart zum Einlaufstutzen 11 ein zweites Temperaturfühlglied 31 angebracht. Das erste Temperaturfühlglied 9 ist über eine Lei­ tung 32 mit einer zentralen Steuervorrichtung 37 signalübertragend verbunden. Vom Schaltglied 10 führt eine Leitung 33 zur Steuer­ vorrichtung 37. Die Temperaturfühlglieder 31 und 30 sind über Leitungen 34 und 36 an die zentrale Steuervorrichtung 37 ange­ schlossen. Eine Leitung 35 führt schließlich von der zentralen Steuervorrichtung 37 zur Zirkulationspumpe 15.

Das Schaltglied 10 ist zwischen einer Absperrstellung und einer Durchgangsstellung verstellbar. Gegebenenfalls ist ihm auch eine Zwischen­ stellung möglich. In der Absperrstellung ist der Bypasskanal 13 abgesperrt und der Primärkanalabschnitt 6 offen. In der Durch­ gangsstellung ist der Bypasskanal 13 offen und der Primärkanal­ abschnitt 6 abgesperrt. Bei erwärmtem Abwasser und in der Ab­ sperrstellung befindlichem Schaltglied 10 passiert das Abwasser den Primärkanalabschnitt 6 und überträgt Wärme an ein zweites Wärmeträgermedium im Sekundärkreis 7 a, 7 b. Bei laufender Zirku­ lationspumpe 15 wird diese Wärme über die Wärmetauscherstrecke 19 im Pufferspeicher 3 an das Brauchwasser im Innenraum 20 über­ tragen. Reicht die Brauchwassertemperatur im Brauchwasserspei­ cher 4 aus, so braucht die Heizung 5 nicht betätigt zu werden. Reicht die Brauchwassertemperatur noch nicht aus, dann stellt die Heizung 5 zusätzliche Wärme bereit, um das Brauchwasser für die Abgabeleitung 29 auf den erforderlichen Temperaturwert anzuheben.

Hat das Brauchwasser die erforderliche Temperatur oder ist das Abwasser nicht ausreichend erwärmt, so wird das Schaltglied 10 in die Durchgangsstellung geschaltet, in der das Abwasser durch den Bypasskanal 13 strömt. Auch die Zirkulationspumpe 15 ist ab­ geschaltet. Es findet keine Wärmerückgewinnung statt. Das Brauch­ wasser wird im Brauchwasserspeicher 4 durch die Heizung 5 auf die erforderliche Temperatur gebracht.

Anhand des Diagramms von Fig. 2 ist die Steuerung der Vorrich­ tung 1 erkennbar. Auf beiden horizontalen Achsen ist die Zeit T aufgetragen. Die obere, vertikale Achse repräsentiert die Tempe­ ratur t°K. Auf der unteren vertikalen Achse sind positive und ne­ gative Werte von Schaltsignalen angezeigt.

Im oberen Teil des Diagramms ist mit t 1 der Verlauf der Abwas­ sertemperatur am ersten Temperaturfühlglied 9 aufgetragen. Die strichlierte Kurve t 2 repräsentiert den Temperaturverlauf beim zweiten Temperaturfühlglied 31. Die strichpunktierte Kurve reprä­ sentiert die Temperatur t 3 beim Temperaturfühlglied 30 im Puffer­ speicher 3. Als maximale Temperatur sind 96°C angegeben. Unter­ halb einer vorgegebenen Minimaltemperatur t min von beispielswei­ se 6°C spricht die Steuerung nicht an.

Zunächst liegt am Schaltglied 10 ein Durchgangsschaltsignal 10+ vor, so daß das Abwasser über den Bypasskanal 13 abfließt. An der Zirkulationspumpe 15 liegt ein Abschaltsignal 15- vor, folglich steht die Pumpe. Sobald nun die Temperatur t 1 ansteigt und die Minimaltemperatur t min überschritten wird und sobald eine Tem­ peraturdifferenz dt zwischen der Minimaltemperatur und der Tem­ peratur t 1 erreicht ist, wird dem Schaltglied 10 ein Schaltsignal 10- übermittelt, durch das das Schaltglied 10 in die Absperrstel­ lung geht. Das Abwasser durchfließt unter Schwerkrafteinfluß oder ggfs. durch eine vorgesetzte Pumpe den Primärkanalabschnitt 6. Die Temperatur t 1 am Temperaturfühlglied 9 steigt weiter an. Auf der Zeitachse ist der Zeitpunkt des Signalwechsels für das Schalt­ glied 10 mit A angedeutet.

Die Temperatur t 2 am Temperaturfühlglied 31 steigt nun an. So­ bald sie die Minimaltemperatur t min überschritten hat, erhält die Zirkulationspumpe 15 ein Einschaltsignal 15+. Im Diagramm ist es Punkt B auf der Zeitachse T. Dieser Schaltvorgang erfolgt mit ei­ ner gewissen Verzögerung nach dem Punkt A auf der Zeitachse T. Die Temperatur t 3 am Temperaturfühlglied 30 steigt nun ebenfalls an.

Die Temperatur t 1 am Temperaturfühlglied 9 fällt nach einer ge­ wissen Zeitdauer bis unter die Minimaltemperatur ab. Sobald die Temperatur t 1 gleich ist wie die Temperatur t 2 wird das Schalt­ glied 10 umgeschaltet, d. h. es erhält am Punkt C auf der Zeit­ achse ein Schaltsignal 10+. Das Abwasser strömt wiederum durch den Bypasskanal 13 ab. Sobald die Temperatur t 2 in konsequenter Weise bis auf einen Wert absinkt, bei dem noch eine Differenz dt 1 zur Temperatur t 3 vorliegt, wird auch die Zirkulationspumpe 15 abgeschaltet (Punkt D auf der Zeitachse T). In weiterer Folge sinkt die Temperatur t 2 weiter ab, während die Temperatur t 1 schon unter die Minimaltemperatur t min abgesunken ist. Die Tem­ peratur t 3 sinkt beispielsweise langsamer ab als die vorhergenann­ ten Temperaturen.

Danach steigt die Temperatur t 1 wieder über die Minimaltemperatur t min an, d. h. das Abwasser hat wieder brauchbare Wärme. So­ bald t 1 über die Temperatur t 2 angestiegen ist und zwar um die Temperaturdifferenz dt, wird das Schaltglied 10 wieder umgeschal­ tet, d. h. es erhält sein Absperrsignal 10-. Das Abwasser strömt wiederum durch den Primärkanalabschnitt 6 (Punkt E auf der Zeit­ achse T). Die Zirkulationspumpe 15 wird erst dann wieder einge­ schaltet (Punkt F auf der Zeitachse T), wenn die Temperatur t 2 um die Temperaturdifferenz dt 1 über die Temperatur t 3 angestiegen ist.

Auf diese Weise wird sichergestellt, daß automatisch nur dann Wärme aus dem Abwasser in das Brauchwasser übertragen wird, wenn die thermischen Verhältnisse eine zufriedenstellende Wirkung gewährleisten.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einem ersten Wärme­ trägermedium, insbesondere Abwasser, mit einem einen Primärka­ nal für das erste Wärmeträgermedium aufweisenden Wärmetauscher, der in einem Sekundärkreis eines zweiten Wärmeträgermediums ge­ schaltet ist, mit einer Zirkulationspumpe im Sekundärkreis, mit einem ein drittes Wärmeträgermedium enthaltenden Pufferspeicher, den der Sekundärkreis durchsetzt und mit einer Steuervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß im Primärkanal (6, 8, 12) ein den Wärmetauscher (2) umgehender Bypasskanal (13) vorgesehen ist, daß bei einem Anschluß des Bypasskanals (13) an den Primärkanal (8, 6, 12) ein zwischen einer Absperrstellung, in der der Bypass­ kanal (13) abgesperrt und der Primärkanal (8, 6, 12) durch den Wärmetauscher (2) offen ist, und einer Durchgangsstellung, in der der Bypasskanal (13) offen und der Primärkanal (8, 6, 12) durch den Wärmetauscher (2) abgesperrt ist, feststellbares Schaltglied (10) angeordnet ist, daß ein erstes Temperaturfühlglied (9) im Primärkanal (8, 6, 12) in Strömungsrichtung zum Wärmetauscher (2) vor diesem und ein zweites Temperaturfühlglied (31) im Se­ kundärkreis (7 a, 7 b) benachbart zum Einlaß des Primärkanals (8, 6, 12) in dem Wärmetauscher (2) angeordnet ist, daß die Steuer­ vorrichtung (37) mit den Temperaturfühlgliedern (9, 31) und dem Schaltglied (10) in wechselseitiger signalübertragender Verbindung (32, 33, 34) steht, und daß die Steuervorrichtung (37) einen Ver­ gleich- und Steuer-Schaltkreis enthält, mit dem bei gegenüber der am zweiten Temperaturfühlglied (31) ermittelten Temperatur niedri­ gerer Temperatur (t 1) beim ersten Temperaturfühlglied (9) ein das Schaltglied (10) in die Durchgangsstellung schaltendes Schaltsig­ nal (10-) erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schaltkreis der Steuervorrichtung (37) ein das Schaltglied (10) in die Absperrstellung schaltendes Schaltsignal (10+) erzeug­ bar ist, sobald die Temperatur (t 2) beim zweiten Temperaturfühl­ glied (31) gleich oder höher ist als beim ersten Temperaturfühl­ glied (9).

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein drittes Temperaturfühlglied (30) im Pufferspei­ cher (3) angeordnet ist, daß die Steuervorrichtung (37) mit der Zirkulationspumpe (15) und dem dritten Temperaturfühlglied (30) in signalübertragender Verbindung (35, 36) steht, derart, daß mit dem Schaltkreis der Steuervorrichtung (37) für die Zirkulations­ pumpe (15) ein Einschaltsignal (15+) erzeugbar ist, sofern bei in der Absperrstellung stehendem Schaltglied (10) die am zweiten Temperaturfühlglied (31) ermittelte Temperatur (t 2) höher als die am dritten Temperaturfühlglied (30) ermittelte Temperatur (t 3) ist, und daß ein Abschaltsignal (15-) für die Zirkulationspumpe (15) erzeugbar ist, sofern beim ersten, zweiten und dritten Temperatur­ fühlglied (31, 30) die gleiche Temperatur (t 2, t 3) vorliegt.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis der Steuervorrichtung (37) auf eine vorgegebene Mindest-Temperaturdifferenz (dt, dt 1) von beispielsweise 1°K zwischen dem ersten und dem zweiten Tem­ peraturfühlglied (9, 31) bzw. zwischen dem zweiten und dem drit­ ten Temperaturfühlglied (31, 30) ausgelegt ist, um das Schaltsig­ nal (10-, 10+, 15-, 15+) für das Schaltglied (10) bzw. für die Zirkulationspumpe (15) zu erzeugen.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis der Steuervorrichtung (37) unterhalb einer vorbestimmten Minimaltemperatur (t 1 min.) von beispielsweise 8°C vom ersten Temperaturfühlglied (9) blockiert ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühlglieder (9, 30, 31) NCT-Widerstände sind.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (10) ein Zweistellungs/ Drei-Wege-Schaltventil mit elektromagnetischer Betätigung ist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Wärmeträgermedium erwärm­ tes Abwasser, das zweite Wärmeträgermedium Wasser und das drit­ te Wärmeträgermedium im Pufferspeicher (3) Brauchwasser für ei­ nen in Reihe dahinterliegenden Brauchwasserspeicher (4) ist.