PL236110B1

PL236110B1 - Heat exchanger with movable displacement element for recovery of heat from drain water

Info

Publication number: PL236110B1
Application number: PL425745A
Authority: PL
Inventors: Łukasz Bartela; Wojciech Uchman
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2020-12-14
Also published as: PL425745A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest wymiennik ciepła z ruchomym elementem wyporowym do odzysku ciepła z wody ściekowej, mający zastosowanie zwłaszcza w gospodarstwach domowych do odbioru ciepła z tzw. ścieków szarych, tj. wody odprowadzanej do kanalizacji z takich urządzeń jak: umywalki, wanny, prysznice, pralki, zmywarki oraz w przemysłowych systemach odzysku ciepła, w szczególności w przypadkach, gdzie zrzut cieczy gorącej następuje okresowo (np. odmuliny lub odsoliny uzyskiwane w procesach obróbki termicznej wody).The subject of the invention is a heat exchanger with a movable displacement element for heat recovery from wastewater, which is used especially in households to receive heat from the so-called gray wastewater, i.e. water discharged into the sewage system from devices such as washbasins, bathtubs, showers, washing machines, dishwashers and in industrial heat recovery systems, in particular in cases where hot liquid is discharged periodically (e.g. blow-downs or blowdowns obtained in thermal water treatment).

Systemy umożliwiające odzysk ciepła z wody ściekowej nie są powszechnie stosowane, co decyduje o bardzo dużych ilościach ciepła bezpowrotnie traconego na drodze rozproszenia w elementach konstrukcyjnych budynku, gruncie, atmosferze.Systems that enable heat recovery from wastewater are not commonly used, which results in very large amounts of heat that is irretrievably lost through dispersion into the building's structural elements, soil and atmosphere.

Znanych jest wiele rozwiązań urządzeń umożliwiających odzysk ciepła. Liczną grupę takich rozwiązań stanowią urządzenia przewidziane dla liniowego przekazywania ciepła ze ścieków do zimnej wody użytkowej, gdzie możliwości odzysku ciepła ograniczone są do przypadków, w których zrzutowi ścieku towarzyszyć musi pobór wody użytkowej. Tym sposobem rozwiązania te są eliminowane dla odzysku ciepła z wody zrzucanej do kanalizacji z wanien, pralek oraz zmywarek.There are many solutions of devices enabling heat recovery. A large group of such solutions are devices intended for linear heat transfer from sewage to cold utility water, where the possibilities of heat recovery are limited to cases in which the discharge of sewage must be accompanied by utility water intake. In this way, these solutions are eliminated for the recovery of heat from water discharged into the sewage system from bathtubs, washing machines and dishwashers.

Najszerzej rozpowszechnionym na świecie urządzeniem do odzysku ciepła wydaje się być wymiennik typu GFX (Gravity Film Xchange) opracowany w ramach programu finansowanego przez Departament Energetyki Stanów Zjednoczonych (U.S. Department of Energy). Wymiennik stanowi prostą rurę kanalizacyjną z nawiniętą na nią spiralnie rurą przewidzianą dla przeciwprądowo przemieszczającej się wody zimnej. W rozwiązaniu wykorzystane zostało zjawisko biofilmu umożliwiające spowolnienie ścieku grawitacyjnie przemieszczającego się po wewnętrznej ściance rury kanalizacyjnej. Niedogodnością rozwiązania jest potrzeba precyzyjnego montażu wymiennika w pozycji pionowej, co przy stosowaniu długich odcinków rur kanalizacyjnych pozwala na montaż urządzenia wyłącznie na kondygnacjach usytuowanych niżej w stosunku do kondygnacji, na których zachodzi zrzut ścieku.The most widely used heat recovery device in the world seems to be the GFX (Gravity Film Xchange) type exchanger, developed under a program financed by the U.S. Department of Energy. The exchanger is a simple sewage pipe with a spiral wound on it, intended for cold water moving countercurrently. The solution uses the biofilm phenomenon to slow down the sewage that moves by gravity along the inner wall of the sewer pipe. The inconvenience of the solution is the need to precisely install the exchanger in a vertical position, which, when using long sections of sewer pipes, allows the device to be installed only on the storeys lower in relation to the storeys on which the waste discharge takes place.

Innym, znanym rozwiązaniem jest tzw. odzyskwa ściekowa, czyli wymiennik ciepła stanowiący umieszczoną w rurze ściekowej, spiralnie zwiniętą, nierdzewną rurę karbowaną, którą w przeciwprądzie do strumienia ścieków przepływa zimna woda użytkowa. Zasadniczą niedogodnością rozwiązania jest skłonność rury karbowanej do osadzania zanieczyszczeń stałych oraz trudność w jej czyszczeniu.Another well-known solution is the so-called sewage recovery, i.e. a heat exchanger constituting a spiral-wound, stainless steel corrugated pipe placed in a sewage pipe, which cold utility water flows in counter-current to the sewage stream. The main disadvantage of this solution is the tendency of the corrugated pipe to deposit solid impurities and the difficulty in cleaning it.

Z polskiego opisu patentowego PL196379 znany jest absorber ciepła, który stanowi monoblok do przeciwprądowego przepływu czynnika ciepłego oraz czynnika zimnego za pomocą równoległych kanałów wewnętrznie ożebrowanych.A heat absorber is known from the Polish patent description PL196379, which is a monoblock for countercurrent flow of a hot medium and a cold medium by means of parallel internally ribbed channels.

Ponadto, poza wymiennikami liniowymi, znane są rozwiązania techniczne umożliwiające akumulację ciepła na drodze wyhamowania ścieku do czasu przejęcia od niego ciepła przez zimną wodę użytkową.Moreover, apart from linear heat exchangers, there are known technical solutions enabling heat accumulation by slowing down the sewage until the heat is transferred from it by cold utility water.

W rozwiązaniu ujawnionym w polskim opisie patentowym PL198134 funkcję elementu wyhamowującego przepływ pełni automatyczny zawór ciśnieniowo-temperaturowy, który umożliwia wypełnienie zbiornika akumulacyjnego ściekami do czasu ich wychłodzenia przez wodę zimną, po czym następuje zrzut ścieku do kanalizacji. Powyższe rozwiązanie umożliwia częściowy odzysk ciepła ze ścieku zrzucanego z wanny, pralki lub zmywarki.In the solution disclosed in the Polish patent specification PL198134, the function of the flow-slowing element is performed by an automatic pressure-temperature valve, which enables the accumulation tank to be filled with sewage until it is cooled by cold water, followed by discharge of the sewage to the sewage system. The above solution enables partial heat recovery from the waste water discharged from the bathtub, washing machine or dishwasher.

Z opisu patentowego WO0198714A1 znane jest rozwiązanie wymiennika ciepła, który zbudowany jest z cylindrycznego, pionowego zbiornika na wodę ściekową, wewnątrz którego zamontowana jest rura spiralna dla transportu wody czystej, któremu towarzyszy wymiana ciepła między wodą ściekową, a wodą czystą i osadzony jest system ruchomy, składający się z elementu wyporowego oraz grzybka zaworu, połączonych sztywno trzpieniem. Po osiągnięciu odpowiedniego poziomu wypełnienia zbiornika wodą ściekową na element wyporowy działa siła wyporowa, dzięki której dochodzi do uwolnienia grzybka z gniazda zaworu, co skutkuje wypływem wody ze zbiornika i ponownym zamknięciem zaworu.From the patent description WO0198714A1 a heat exchanger solution is known, which is made of a cylindrical, vertical tank for waste water, inside which a spiral pipe is mounted for the transport of clean water, accompanied by heat exchange between waste water and clean water, and a movable system is mounted, consisting of a displacement element and a valve plug, rigidly connected by a stem. After reaching the appropriate level of filling the tank with sewage water, the displacement force acts on the displacement element, thanks to which the plug is released from the valve seat, which results in the outflow of water from the tank and the valve closes again.

Niedogodnością dwóch ostatnich rozwiązań jest brak możliwości utrzymania gradientowego profilu temperatur w przestrzeni zbiornika ściekowego, co przy zasilaniu wymienników wodą zimną umożliwiłoby przybliżenie procesu wymiany ciepła do takiego, który jest znamienny dla wymienników przeciwprądowych, gdzie temperatura czynnika podgrzewanego może osiągać poziomy bliskie temperatury czynnika ciepłego zasilającego wymiennik. Ponadto w przypadku rozwiązania ujawnionego w opisie patentowym PL198134 niedogodnością jest potrzeba stosowania automatycznego zaworu, co istotnie komplikuje konstrukcję urządzenia.The disadvantage of the last two solutions is the inability to maintain a gradient temperature profile in the space of the sump, which, when supplying the exchangers with cold water, would make it possible to bring the heat transfer process closer to that characteristic of counter-current exchangers, where the temperature of the heated medium may reach levels close to the temperature of the heat medium supplying the exchanger . Moreover, in the case of the solution disclosed in the patent description PL198134, the disadvantage is the need to use an automatic valve, which significantly complicates the construction of the device.

PL 236 110 B1PL 236 110 B1

Celem wynalazku jest uzyskanie wysokoefektywnego odzysku ciepła z wody ściekowej na drodze podgrzewu zimnej wody użytkowej, zarówno przy towarzyszącym zrzutowi wody ściekowej bieżącym zapotrzebowaniu na wodę użytkową (liniowy przepływ ciepła), jak również przy przesuniętym w czasie zrzucie wody ściekowej względem takiego zapotrzebowania na wodę użytkową, co umożliwia odzysk ciepła zarówno ze ścieku zrzucanego do kanalizacji w ramach takich urządzeń jak umywalka oraz prysznic, jak również wanna, pralka oraz zmywarka.The aim of the invention is to obtain highly effective heat recovery from wastewater by heating cold tap water, both with the current domestic water demand accompanying the waste water discharge (linear heat flow), as well as with the waste water discharge delayed in time relative to such domestic water demand, which enables heat recovery from the sewage discharged into the sewage system in devices such as a washbasin and a shower, as well as a bathtub, washing machine and dishwasher.

Cel ten osiągnięto poprzez zastosowanie w przestrzeni zbiornika zasobnikowego wymiennika ciepła ruchomego elementu, stanowiącego sztywne połączenie elementu wyporowego z grzybkiem zaworu, który w dolnym położeniu umożliwia zamknięcie przepływu dla wody ściekowej, co skutkuje utrzymaniem odpowiedniego, ciągłego wypełnienia zbiornika zasobnikowego. Cel osiągnięto również dzięki zastosowaniu przegród przelewowych, na sztywno umieszczonych na trzpieniu elementu ruchomego, uniemożliwiających mieszanie się wody ściekowej zasilającej wymiennik ciepła z wodą ściekową zgromadzoną w zbiorniku zasobnikowym, która częściowo została już wychłodzona przez wodę zimną przepływającą w przeciwprądzie przez rurę spiralnie nawiniętą na zbiornik zasobnikowy.This aim was achieved by providing a movable element in the storage tank space of the heat exchanger, constituting a rigid connection of the displacement element with the valve head, which in the lower position allows closing the flow for waste water, which results in maintaining an adequate, continuous filling of the storage tank. The goal was also achieved thanks to the use of overflow partitions, rigidly placed on the mandrel of the movable element, preventing the mixing of the waste water supplying the heat exchanger with the waste water accumulated in the reservoir tank, which has already been partially cooled by cold water flowing in counterflow through a pipe spirally wound onto the reservoir tank .

Wymiennik ciepła z ruchomym elementem wyporowym zbudowany z cylindrycznego, pionowego zbiornika zasobnikowego na wodę ściekową, który ma nawiniętą rurę spiralną, wewnątrz którego osadzony jest ruchomy system składający się z elementu wyporowego, umieszczonego w górnej części wymiennika ciepła oraz grzybka zaworu, umieszczonego w dolnej części wymiennika ciepła, sztywno połączonych trzpieniem, w górnej części wymiennika ciepła zaopatrzony jest we wlot czynnika wysokotemperaturowego (A), u podstawy zaopatrzony jest w wylot czynnika wysokotemperaturowego (B) oraz w gniazdo zaworu, w dolnej części wymiennika ciepła usytuowany jest wlot czynnika niskotemperaturowego (C) oraz w górnej części wymiennika usytuowany jest wylot czynnika niskotemperaturowego (D) charakteryzuje się tym, że zbiornik zasobnikowy ma zewnętrznie nawiniętą rurę spiralną, natomiast na trzpieniu, na całej wysokości zbiornika zasobnikowego, sztywno zamontowana jest co najmniej jedna walcowa przegroda przelewowa.Heat exchanger with a movable displacement element made of a cylindrical, vertical storage tank for sewage water, which has a wound spiral pipe, inside which a movable system is mounted, consisting of a displacement element located in the upper part of the heat exchanger and a valve head located in the lower part of the exchanger heat exchanger, rigidly connected with a pin, in the upper part of the heat exchanger is equipped with an inlet of high-temperature medium (A), at the base it is equipped with an outlet for high-temperature medium (B) and a valve seat, in the lower part of the heat exchanger there is a low-temperature medium inlet (C) and in the upper part of the exchanger there is an outlet for the low-temperature medium (D), characterized in that the storage tank has an externally wound spiral pipe, while at least one cylindrical overflow baffle is rigidly mounted on the spindle along the entire height of the storage tank.

Korzystnie wymiennik ciepła według wynalazku ma walcowe przegrody przelewowe, które tworzą przy wewnętrznej ściance zbiornika zasobnikowego szczeliny przelewowe dla wody ściekowej.Preferably, the heat exchanger according to the invention has cylindrical overflow baffles which form overflow slots for waste water at the inner wall of the reservoir tank.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość zastosowania wymiennika dla odzysku ciepła z wody ściekowej zarówno przy równolegle odbywającym się przepływie przez wymiennik wody ściekowej oraz wody użytkowej (liniowa wymiana ciepła), jak również w sytuacji, w której występuje okresowy brak ciągłości w przepływie któregoś z czynników lub obu czynników wymieniających ciepło. Intensywność wymiany ciepła w ramach wymiennika o określonej konstrukcji jest warunkowana natężeniami przepływów oraz temperaturami czynników wymieniających ciepło, przy czym warunkiem koniecznym dla realizacji wymiany ciepła jest różnica temperatur. W sytuacji braku przepływu któregoś z czynników lub braku przepływu obu czynników wymiana ciepła zachodzi, aż do ustalenia równowagi termicznej pomiędzy dwoma płynami. Przegrody przelewowe, które ograniczają mieszanie się cieczy wprowadzanej do zbiornika z płynem w nim zgromadzonym, umożliwiają utrzymywanie gradientu temperatury wychładzanej wody ściekowej na wysokości zbiornika zasobnikowego i tym samym zapewnienie konstrukcji o zaletach wymiennika przeciwprądowego. Ponadto jest możliwość uzyskania lokalnej intensyfikacji wymiany ciepła w przestrzeni zbiornika zasobnikowego, dzięki uzyskiwanym lokalnie wysokim prędkościom przepływu wody ściekowej w szczelinach (oraz w ich sąsiedztwie) utworzonych pomiędzy powierzchniami walcowymi przegród przelewowych, a powierzchnią wewnętrzną zbiornika zasobnikowego. Zaletą wynalazku jest także niski stopień skomplikowania konstrukcji, co sprzyja jego niezawodności oraz obniża uciążliwość eksploatacji oraz koszty produkcji. Możliwość skalowania urządzenia w szerokim zakresie wydajności, umożliwia jego stosowanie zarówno w ramach gospodarstw domowych, jak również w przemyśle. Możliwe jest również stosowanie wymienników ciepła dla odzysku ciepła z wody ściekowej trafiającej do wymiennika z większej liczby źródeł.The advantage of the solution according to the invention is the possibility of using an exchanger for heat recovery from wastewater both with a parallel flow through the exchanger of sewage water and utility water (linear heat exchange), as well as in a situation where there is a periodic lack of continuity in the flow of one of the factors or both heat exchange factors. The intensity of heat exchange within an exchanger of a specific design is conditioned by the flow rates and temperatures of the heat exchanging media, with the necessary condition for the heat exchange being the temperature difference. In the case of no flow of any of the factors or the lack of flow of both factors, heat exchange takes place until the thermal equilibrium between the two fluids is established. The overflow partitions, which limit the mixing of the liquid entering the tank with the liquid therein, make it possible to maintain a temperature gradient of the cooled waste water at the height of the reservoir tank and thus provide a structure with the advantages of a counter-flow exchanger. Moreover, it is possible to obtain a local intensification of heat exchange in the space of the reservoir tank, thanks to the locally obtained high velocities of sewage water flow in the slots (and in their vicinity) formed between the cylindrical surfaces of the overflow partitions and the internal surface of the reservoir tank. The advantage of the invention is also a low degree of structure complexity, which contributes to its reliability and reduces the operating nuisance and production costs. The possibility of scaling the device in a wide range of performance enables its use both in households and in industry. It is also possible to use heat exchangers for heat recovery from waste water reaching the exchanger from more sources.

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, który przedstawia przekrój przez wymiennik ciepła w płaszczyźnie wyznaczonej jego osią.The subject matter of the invention is explained in an embodiment in the attached drawing, which shows a cross-section through a heat exchanger in a plane defined by its axis.

Wymiennik ciepła według wynalazku zbudowany jest z pionowego, cylindrycznego zbiornika zasobnikowego (1) na wodę ściekową z wlotem czynnika wysokotemperaturowego (A) zlokalizowanym w górnej jego części oraz wylotem czynnika wysokotemperaturowego (B) zlokalizowanym w dolnej części zbiornika, gdzie zamontowane jest gniazdo zaworu (6). Na zbiornik zasobnikowy (1) nawinięta jest rura spiralna (7) umożliwiająca przeciwprądowy, względem wody ściekowej, przepływ zimnej wody użytkowej wprowadzanej do wymiennika ciepła wlotem czynnika niskotemperaturowego (C) oraz opuszczaThe heat exchanger according to the invention is made of a vertical, cylindrical storage tank (1) for waste water with an inlet of a high-temperature medium (A) located in its upper part and an outlet of a high-temperature medium (B) located in the lower part of the tank, where the valve seat (6) is mounted. ). A spiral pipe (7) is wound on the reservoir tank (1), which enables the flow of cold utility water introduced to the heat exchanger through the low-temperature medium (C) in

PL 236 110 B1 jącej wymiennik ciepła wylotem czynnika niskotemperaturowego (D). W przestrzeni zbiornika zasobnikowego (1) zabudowany jest element ruchomy stanowiący trzpień (3), łączący element wyporowy (2) umieszczony w górnej części wymiennika ciepła z grzybkiem zaworu (5) umieszczonym w dolnej części wymiennika ciepła, z zamontowanymi na długości trzpienia cylindrycznymi przegrodami przelewowymi (4), które nie stykają się ze ścianką zbiornika zasobnikowego (1), ale organizują w przestrzeni zbiornika zasobnikowego, w sąsiedztwie ścianki zbiornika, szczeliny przelewowe o odpowiedniej szerokości oraz wysokości, które umożliwiają grawitacyjny przepływ wody ściekowej do kolejnych przestrzeni zbiornika zasobnikowego (1) zorganizowanych pomiędzy kolejnymi przegrodami przelewowymi (4). Zawór, stanowiący grzybek zaworu (5) oraz gniazdo zaworu (6), umożliwia okresowy wypływ cieczy przy zachowaniu odpowiedniego wypełnienia przestrzeni zasobnikowej wymiennika wodą ściekową. Ciepło w wymienniku przekazywane jest na drodze przewodzenia ciepła przez przegrodę od wody ściekowej zgromadzonej w zbiorniku zasobnikowym (1) do zimnej wody użytkowej przepływającej przez rurę spiralną (7). Zawór otwierany jest w momencie osiągnięcia przez ciecz zgromadzoną w zbiorniku zasobnikowym (1) ustalonego poziomu maksymalnego. Zawór otwierany jest przez podniesienie grzybka zaworu (5) na drodze działania na element wyporowy (2), częściowo zanurzony w wodzie ściekowej, siły wyporowej. Przy otwartym zaworze wychłodzona woda ściekowa opuszcza zbiornik zasobnikowy (1) w dolnej części wymiennika ciepła, co prowadzi do stopniowego obniżania poziomu zgromadzonej w zbiorniku wody ściekowej. Towarzyszy temu zmiana lokalizacji elementu ruchomego wymiennika ciepła, aż do osiągnięcia przez grzybek zaworowy (5) poziomu gniazda zaworowego (6) i tym samym zamknięcia przepływu wody ściekowej przez zawór. Przy ciągłym napływie wody ściekowej do wymiennika ciepła poziom wody w zbiorniku podnosi się, aż do osiągnięcia poziomu maksymalnego, w którym następuje ponowne otwarcie zaworu. Konstrukcja zaworu musi umożliwić wypływ wody ściekowej ze zbiornika zasobnikowego (1) przy większym strumieniu niż strumień wody ściekowej wprowadzanej do zbiornika zasobnikowego.The heat exchanger through the outlet of the low-temperature medium (D). In the space of the reservoir tank (1) there is a movable element, constituting a pin (3), connecting the displacement element (2) located in the upper part of the heat exchanger with the valve plug (5) in the lower part of the heat exchanger, with cylindrical overflow partitions mounted along the length of the spindle (4), which do not come into contact with the reservoir tank wall (1), but organize overflow slots of appropriate width and height in the reservoir tank space in the vicinity of the reservoir wall, which allow gravitational flow of waste water to the subsequent spaces of the reservoir tank (1) organized between successive overflow partitions (4). The valve, constituting the valve plug (5) and the valve seat (6), enables periodical outflow of liquid while maintaining the appropriate filling of the storage space of the exchanger with waste water. The heat in the exchanger is transferred by heat conduction through the partition from the waste water accumulated in the storage tank (1) to the cold usable water flowing through the spiral pipe (7). The valve is opened when the liquid collected in the reservoir tank (1) reaches a predetermined maximum level. The valve is opened by lifting the valve cone (5) by acting on the displacement element (2), partially immersed in the waste water, with a displacement force. When the valve is open, the cooled waste water leaves the reservoir tank (1) in the lower part of the heat exchanger, which leads to a gradual decrease in the level of waste water stored in the tank. This is accompanied by a change in the location of the moving element of the heat exchanger until the valve head (5) reaches the level of the valve seat (6) and thus the waste water flow through the valve is closed. With the continuous inflow of waste water to the heat exchanger, the water level in the tank rises until it reaches the maximum level, at which the valve opens again. The design of the valve must enable the outflow of waste water from the reservoir tank (1) with a stream greater than that of the waste water introduced into the reservoir tank.

Wymiennik ciepła według wynalazku pełni rolę syfonu dla instalacji kanalizacyjnej, co umożliwia rezygnację z wyposażania instalacji w tego typu dedykowane urządzenia. Zastosowanie przegród przelewowych (4), które są na sztywno połączone z trzpieniem (3) elementu ruchomego wymiennika ciepła, przeciwdziała intensywnemu mieszaniu się wody wprowadzanej do zbiornika zasobnikowego (1) z wodą wcześniej zgromadzoną w zbiorniku. Zastosowanie przegród przelewowych (4) umożliwia tym samym ustalenie odpowiedniego gradientu temperatur wody ściekowej na wysokości zbiornika. Woda ściekowa przy zasilaniu nią wymiennika ciepła stopniowo przemieszcza się do kolejnych stref zbiornika zasobnikowego (1), stanowiących przestrzenie zorganizowane pomiędzy kolejnymi przegrodami przelewowymi (4), oddając stopniowo ciepło wodzie zimnej. Dzięki temu, przy równoczesnym zasilaniu wymiennika wodą zimną, efektywnej wymianie ciepła sprzyja poprawna, z punktu widzenia teorii wymiany ciepła, wzajemna relacja profili temperatur na ścieżkach przepływu czynników wymieniających ciepło. Kształt przegród przelewowych (4) umożliwia dodatkowo uzyskanie odpowiednich, z punktu widzenia teorii wymiany ciepła, profili prędkości wody ściekowej przemieszczającej się grawitacyjnie w bliskim otoczeniu ścianki zbiornika zasobnikowego (1), która stanowi przegrodę dla wymienianego ciepła. Wyższe prędkości wody sprzyjają intensyfikacji procesu wymiany ciepła. Dobrany kształt (średnica oraz wysokość) stosowanych przegród przelewowych powinien umożliwić właściwy transport grawitacyjny wody ściekowej przy równoczesnej maksymalizacji strumienia przekazywanego ciepła. Przy zrzucie wody ściekowej, przy równocześnie występującym braku zapotrzebowania na wodę użytkową (brak przepływu wody zimnej przez rurę spiralną) zbiornik zasobnikowy (1) zostaje wypełniony wodą ściekową w ilości odpowiadającej ilości zrzucanej do wymiennika ciepła wody ściekowej. W trakcie zrzutu ciepło przekazywane jest od wody ściekowej, przemieszczającej się grawitacyjnie w dół zbiornika zasobnikowego, do wody zgromadzonej w przestrzeni rury spiralnej. Po zrzucie wody ściekowej, tj. po zaprzestaniu zasilania wymiennika wodą ściekową, przy równoczesnym braku poboru wody użytkowej, w ramach wymiennika realizowana jest wymiana ciepła o charakterze w pełni swobodnym. Ma ona miejsce do momentu wystąpienia zrzutu wody ściekowej i/lub wystąpienia poboru wody użytkowej. Po odpowiednio długim czasie, po dwóch stronach przegrody, ustalone zostaną zbliżone poziomy temperatur dwóch czynników, tj. wody świeżej oraz wody ściekowej.The heat exchanger according to the invention acts as a siphon for the sewage system, which makes it possible to resign from equipping the installation with such dedicated devices. The use of overflow partitions (4), which are rigidly connected to the mandrel (3) of the moving element of the heat exchanger, prevents the intensive mixing of the water introduced into the reservoir tank (1) with the water previously collected in the reservoir. The use of overflow partitions (4) thus enables the determination of an appropriate temperature gradient of waste water at the height of the tank. When the waste water is fed to the heat exchanger, it gradually moves to successive zones of the reservoir tank (1), which are organized spaces between successive overflow partitions (4), gradually giving up heat to the cold water. Thanks to this, while simultaneously supplying the exchanger with cold water, effective heat exchange is favored by the correct, from the point of view of heat exchange theory, mutual relation of temperature profiles on the flow paths of heat exchange factors. The shape of the overflow partitions (4) additionally makes it possible to obtain appropriate, from the point of view of the theory of heat exchange, velocity profiles of wastewater moving by gravity in the vicinity of the wall of the reservoir tank (1), which is a barrier for the exchanged heat. Higher water speeds favor the intensification of the heat exchange process. The selected shape (diameter and height) of the overflow partitions used should enable the proper gravity transport of wastewater while maximizing the heat transfer flux. When discharging sewage water, with the simultaneous lack of domestic water demand (no cold water flow through the spiral pipe), the storage tank (1) is filled with sewage water in an amount corresponding to the amount of sewage water discharged to the heat exchanger. During discharge, heat is transferred from the waste water, moving by gravity down the reservoir tank, to the water accumulated in the space of the spiral pipe. After the discharge of sewage water, i.e. after the heat exchanger is no longer supplied with sewage water, with the simultaneous lack of utility water consumption, a completely free heat exchange is performed within the exchanger. It takes place until the discharge of waste water and / or the consumption of utility water. After a sufficiently long time, on both sides of the partition, similar temperature levels of two factors, i.e. fresh water and sewage water, will be established.

Korzystne jest, aby oś zbiornika zasobnikowego (1), stanowiącego element wymiennika ciepła usytuowana była w pozycji pionowej, przy czym możliwe jest zastosowanie pochyłu osi, ale nie na tyle dużego, aby zaburzone zostało wyporowe oddziaływanie elementu wyporowego (2) na grzybek zaworowy (5). Korzystne jest zastosowanie izolacji cieplnej minimalizującej stratę ciepła do otoczenia oraz do elementów systemu mocowania wymiennika. Korzystne jest zastosowanie odpowiedniej pojemnościIt is preferable that the axis of the reservoir tank (1), which is part of the heat exchanger, is vertical, and it is possible to use an inclined axis, but not so much that the displacement effect of the displacement element (2) on the valve plug (5) is disturbed. ). It is advantageous to use thermal insulation that minimizes heat loss to the environment and to the elements of the exchanger mounting system. It is advantageous to use an appropriate capacity

PL 236 110 B1 zbiornika zasobnikowego (1), dostosowanej do maksymalnych ilości zrzucanej do kanalizacji wody ściekowej, z takich urządzeń jak wanna, pralka, zmywarka, co dla takich zastosowań pozwoli maksymalizować stopień odzysku ciepła, przy czym równocześnie korzystne jest zachowanie wysokiej, wzajemnej relacji wysokości oraz średnicy zbiornika zasobnikowego. Korzystne jest zastosowanie elementu filtrującego wodę ściekową wprowadzaną do wymiennika ciepła celem wyeliminowania z wody zanieczyszczeń stałych, co może być korzystne z uwagi na szczelność zaworu. Korzystne jest zastosowanie takiej konstrukcji wymiennika (np. na drodze zastosowania odpowiedniej średnicy wlotu dla wody ściekowej), która umożliwi wyciągnięcie elementu ruchomego urządzenia celem przeprowadzania okresowego oczyszczania elementów wymiennika mających styczność z wodą ściekową z zanieczyszczeń.PL 236 110 B1 of the reservoir tank (1), adapted to the maximum amounts of waste water discharged into the sewage system, from such devices as a bathtub, washing machine, dishwasher, which for such applications will allow to maximize the degree of heat recovery, while at the same time maintaining a high mutual relation height and diameter of the reservoir tank. It is preferable to use a filter element for the waste water entering the heat exchanger to eliminate solid contaminants from the water, which may be advantageous in view of the tightness of the valve. It is advantageous to use such a design of the exchanger (e.g. by using a suitable diameter of the inlet for waste water) that will allow the movable element of the device to be withdrawn in order to periodically clean the elements of the exchanger in contact with the waste water from contamination.

Na rysunku uwidoczniony jest stan wymiennika reprezentujący etap, w którym zawór urządzenia jest zamknięty, tj. grzybek zaworu (5) jest osadzony w gnieździe zaworu (6). Woda ściekowa kierowana jest do zbiornika zasobnikowego (1) wymiennika ciepła wlotem czynnika wysokotemperaturowego (A). Poziom wody w zbiorniku wzrasta, co przyczynia się do zwiększania objętości elementu wyporowego (2) znajdującego się pod lustrem wody. Element wyporowy (2) jest połączony trzpieniem (3) z grzybkiem zaworu (5). Na trzpieniu (3) umieszczonych jest osiem przegród przelewowych (4), których rzut poprzeczny w odpowiednim stopniu wypełnia przekrój poprzeczny zbiornika zasobnikowego (1). Przegrody przelewowe (4) równocześnie nie stykają się z powierzchnią zbiornika zasobnikowego (1), tworząc w ten sposób szczeliny przelewowe dla wody ściekowej. Przegrody przelewowe (4) posiadają powierzchnię walcową, zlokalizowaną równolegle względem powierzchni ścianki zbiornika zasobnikowego (1). W miarę zwiększania stopnia wypełnienia zbiornika na element wyporowy (2) działa coraz większa siła wyporowa, co w pewnym momencie skutkuje uwolnieniem grzybka zaworu (5) z gniazda zaworu (6). Po otwarciu zaworu woda ściekowa opuszcza zbiornik zasobnikowy (1) przez wylot czynnika wysokotemperaturowego (B). Na tym etapie, na skutek działania siły wyporu, element ruchomy przemieszcza się w górę zbiornika, a woda ściekowa zgromadzona w objętości zbiornika zasobnikowego (1) grawitacyjnie przemieszcza się przez kolejne szczeliny przelewowe (4), zasilając kolejne przestrzenie zbiornika, które zorganizowane są pomiędzy kolejnymi przegrodami przelewowymi (4). Po osiągnięciu odpowiedniego stopnia wynurzenia elementu wyporowego z wody ściekowej siła wyporu zostaje zrównoważona przez siłę grawitacji, skutkiem czego jest przemieszczanie elementu ruchomego wymiennika ciepła wraz z lustrem wody ściekowej w dół zbiornika, aż do momentu osadzenia grzybka zaworu (5) w gnieździe zaworu (6). Od tego momentu, na skutek zwiększania objętości wody ściekowej w zbiorniku zasobnikowym (1), na element wyporowy (2) zaczyna działać coraz większa siła wyporowa, skutkiem czego, po przekroczeniu jej odpowiedniej wartości, grzybek zaworu (5) zostaje ponownie uwolniony z gniazda zaworu (6). Woda ściekowa zarówno na etapie akumulacji, tj. przy zamkniętym zaworze, jak również na etapie transportu grawitacyjnego jest chłodzona przez czystą wodę użytkową przepływającą w górę zbiornika (1) przez rurę spiralni (7), nawiniętą na zbiornik zasobnikowy (1). Woda zimna wprowadzona jest do wymiennika ciepła wlotem czynnika niskotemperaturowego (C) i po odbiorze ciepła opuszcza wymiennik wylotem czynnika niskotemperaturowego (D).The figure shows the condition of the exchanger representing the stage in which the valve of the device is closed, i.e. the valve plug (5) is seated in the valve seat (6). The waste water is directed to the reservoir tank (1) of the heat exchanger through the inlet of the high-temperature medium (A). The water level in the tank increases, which contributes to an increase in the volume of the displacement element (2) located below the water surface. The displacement element (2) is connected by a pin (3) to the valve plug (5). Eight overflow partitions (4) are placed on the spindle (3), the cross-section of which fills the cross-section of the reservoir tank (1) to an appropriate degree. The overflow partitions (4) do not simultaneously touch the surface of the reservoir tank (1), thus creating overflow gaps for the waste water. The overflow partitions (4) have a cylindrical surface, located parallel to the wall surface of the reservoir tank (1). As the degree of filling of the reservoir increases, the displacement force (2) acts on the displacement force, which at some point results in the release of the valve plug (5) from the valve seat (6). After opening the valve, the waste water leaves the reservoir tank (1) through the high-temperature medium outlet (B). At this stage, as a result of the buoyancy force, the movable element moves up the tank, and the waste water collected in the volume of the reservoir tank (1) by gravity moves through successive overflow gaps (4), supplying successive spaces of the tank, which are organized between successive spaces. overflow partitions (4). After reaching the appropriate level of displacement of the displacement element from the waste water, the buoyancy force is balanced by the force of gravity, as a result of which the moving element of the heat exchanger along with the waste water surface is moved down the tank until the valve plug (5) is seated in the valve seat (6) . From that moment on, as a result of increasing the volume of waste water in the reservoir tank (1), the displacement element (2) begins to be subjected to an increasing displacement force, so that, after exceeding its appropriate value, the valve plug (5) is released again from the valve seat. (6). The waste water, both in the accumulation stage, i.e. with the valve closed, as well as in the gravity transport stage, is cooled by clean tap water flowing up the tank (1) through the spiral pipe (7), wound on the reservoir tank (1). Cold water enters the heat exchanger through the low-temperature medium inlet (C) and, after receiving the heat, leaves the exchanger with the low-temperature medium outlet (D).

Claims

Patent claims

1. A heat exchanger with a movable displacement element consisting of a cylindrical, vertical storage tank (1) for waste water, which has a wound spiral pipe (7) inside which a movable system consisting of a displacement element (2) is mounted. located in the upper part of the heat exchanger and the valve disc (5), located in the lower part of the heat exchanger, rigidly connected with a pin (3), in the upper part of the heat exchanger it is equipped with an inlet of high-temperature medium (A), at the base it is equipped with an outlet for high-temperature medium (B) and in the valve seat (6), the low-temperature medium inlet (C) is located in the lower part of the heat exchanger and the low-temperature medium outlet (D) is located in the upper part of the exchanger, characterized in that the storage tank (1) has an externally wound a spiral pipe (7), while at least one cylindrical overflow barrier (4) is rigidly mounted on the spindle (3) along the entire height of the reservoir (1).

2. Heat exchanger according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the cylindrical overflow baffles (4) form overflow slots for waste water at the inner wall of the reservoir tank (1).