Verfahren und Einrichtung zur Wärmerückgewinnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus einem umschlossenen flüssigkeitsdurchströmten Kanal, wie einem Abwasserkanal oder Kanalbecken, und eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Zur Wärmerückgewinnung aus der Flüssigkeit, wie Abwasser, in einem flüssigkeitsdurchströmten Kanal, wie einem Abwasserkanal, ist es bekannt, in aufwendiger Weise in die im Kanal befindliche Flüssigkeit einen Wärmeaustauscher einzubetten und die hierdurch der Flüssigkeit entzogene Wärmeenergie über ein Leitungssystem einer wärmetechnischen Nutzung zuzuführen. Auf diese Weise können erhebliche Wärmeressourcen ausgeschöpft werden, die sonst gänzlich ungenutzt bleiben und außerdem vielfach zu einer Umweltbelastung führen. Die bekannten Wärmerückgewinnungssysteme haben jedoch den Nachteil, daß der flüssigkeitsdurchströmte Kanal entsprechend modifiziert werden muß und an jeder Wärmeentnahmestelle geeignete Wärmeaustauscher einzubauen sind, die teils auch den Abfluß der Kanalflüssigkeit nachteilig beeinflussen können und aufwendig gewartet werden müssen. Außerdem besteht hierbei die Gefahr einer unzulässig starken Abkühlung der Flüssigkeit und

einer fehlenden Ausnutzung der Wärmeenergie in dem normalerweise zum Flüssigkeitsstrom entgegengerichteten - also bergauf - Gasstrom über der Flüssigkeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zu schaffen, womit es möglich ist, eine derartige Wärmerückgewinnung ohne aufwendige Kanalumbau- und Einbaumaßnahmen, ferner ohne Beeinflussung des Flüssigkeitsstroms im Kanal und ohne Gefahr einer unzulässig starken Abkühlung der Kanalflüssigkeit mit einfachen sowie preiswerten Maßnahmen durchzuführen und gleichzeitig auch eine Ausnutzung weiterer Wärmequellen zu ermöglichen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einem Verfahren der genannten erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß über der Flüssigkeit befindliches und an diese sowie an die Kanalwandung in direktem Wärmeaustauschkontakt angrenzendes Gas, wie Luft, aus dem Kanal abgesaugt, einer Wärmerückgewinnung unterworfen und dann an die Umgebung abgelassen oder wieder in den Kanal zurückgeleitet wird.

Dieses Verfahren nutzt den Vorgang aus, daß sich das über der normalerweise wärmeren Kanalflüssigkeit, wie Abwasser, befindliche und an die Kanalwandung angrenzende Gas, wie Luft, durch einen direkten Wärmeaustauschvorgang über die Grenzschichten mit der Flüssigkeit sowie der Kanalwandung erwärmt oder gegenüber einer latent innenwohnenden Grundwärme weiter erwärmt. Diese Wärmeenergie aus der Kanalflüssigkeit sowie dem den Kanal umgebenden Erdreich kann sehr leicht und einfach ohne besondere Umbaumaßnahmen genutzt werden, indem so erwärmtes Gas aus dem Kanal abgesaugt und extern einer Wärmerückgewinnung, wie einem Wärmeaustauscher oder einer Wärmepumpe, zugeführt wird. Zum Absaugen des Gases können im allgemeinen ohnehin bereits vorhandene Kanalanschlüsse genutzt werden. Weitere Vorteile bestehen darin, daß der Flüssigkeitsstrom im Kanal unge-

stört bleibt und im Kanal keine Verunreinigungen sowie Verstopfungen von Einbauaggregaten entstehen können, was sonst stets mit kostenaufwendigen Wartungsarbeiten verbunden wäre. Es besteht hierbei keine Gefahr einer zu starken Abkühlung der Kanalflüssigkeit, weil der Wärmeentzug indirekt über den Gasstrom erfolgt.

Gemäß der weiteren Ausbildung von Anspruch 2 kann das dem Kanal entnommene Gas nach dem Energieentzug und somit nach dem Abkühlen wieder in den Kanal rezirkuliert werden. Das sollte vorzugsweise in Bezug auf die in Kanalneigungsrichtung weisende Strömungsrichtung der Flüssigkeit stromauf der Entnahmestelle erfolgen, damit an dieser durch die Rezirkulation kein ungewolltes Vermischen mit bereits abgekühltem Gas entsteht.

Alternativ kann das dem Kanal entnommene Gas nach dem Energieentzug und somit nach dem Abkühlen an die Umgebung abgelassen werden. In diesem Fall sollte das Gas im Bedarfsfall vor dem Ablassen gereinigt, wie gefiltert, werden. Hierdurch kann eine Umweltbelastung durch schädliche oder störende Gasbestandteile vermieden oder reduziert werden.

In weiterer Ausgestaltung ist es gemäß Anspruch 4 zweckmäßig, das Gas aus einem flüssigkeitsnahen und/oder aus einem flüssigkeitsfernen Kanalbereich über der Flüssigkeit abzusaugen. Dann ist auch im Falle eines weitgehend laminaren bzw. weitgehend wirbelfreien Gaszustands gewährleistet, daß genügend Wärmeenergie überwiegend aus der oberflächennahen Grenzzone der Kanalflüssigkeit und/oder dem höchstgelegenen wandungsnahen Kanalbereich zur Verfügung steht. Im letzteren sammeln sich die unter natürlichem Einfluß aufsteigende Wärme aus der Kanalflüssigkeit sowie dem Gas und die über die Kanalwandung in den Kanal eintretende Erdwärme.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Einrichtung erfindungsgemäß dadurch aus, daß ein mit einem gasführenden Kanalbereich über der Flüssigkeit in Verbindung stehender absaugender erster Kanalanschluß mit einem Gaseingang eines Wärmerückgewinnungsaggregats verbunden ist, dessen Gasausgang mit der freien Umgebung oder mit einem zurückleitenden zweiten Kanalanschluß verbunden ist.

Eine solche Einrichtung ist besonders einfach sowie preiswert herstellbar und installierbar. Hierfür sind im allgemeinen keine Veränderungen eines vorhandenen Kanals erforderlich, und alle Wartungsarbeiten können kanalunabhängig extern erfolgen.

Die bevorzugte Weiterbildung von Anspruch 6 ermöglicht eine effiziente Ausnutzung der Wärmeenergie in dem von der Kanalflüssigkeit und von dem den Kanal umgebenden Erdreich erwärmten Gas, und zwar ohne störenden Einfluß von bei der Wärmerückgewinnung abgekühltem rezirkuliertem Gas.

In weiterer Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 dient eine Gaspumpe zum definierten wirksamen Absaugen des erwärmten Gases aus dem Kanal.

Ein Filterelement gemäß Anspruch 8 ermöglicht ein Reinigen des abgesaugten Gases, so daß dieses nach dem Wärmeentzug ohne Umweltbelastung auch direkt an die Umgebung abgelassen werden kann.

Das Wärmerückgewinnungsaggregat kann gemäß Anspruch 9 als Wärmepumpe oder insbesondere bei höheren Gastemperaturen gemäß Anspruch 10 als normaler Wärmeaustauscher ausgebildet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Gemäß der Zeichnung befindet sich in einem zumindest leicht geneigten umschlossenen Kanal 10, wie einem Abwasserkanal, oder einem entsprechenden Kanalbek- ken eine im vorliegenden Fall neigungsbedingt in Pfeilrichtung A strömende erwärmte Flüssigkeit 12, wie Abwasser. In dem Kanal 10 befindet sich über der Flüssigkeit 12 ein Gas 14, wie Luft, das durch natürlichen Wärmeaustausch über die Grenzschicht zur Flüssigkeit von dieser und über die Grenzschicht zur Kanalwandung von dem den Kanal 10 umgebenden Erdreich erwärmt wird. Dieses Gas 14 strömt normalerweise auf natürlichem Wege entgegen der Fließrichtung A der Kanalflüssigkeit 12 in Pfeilrichtung B.

An einem Absaugbereich 16, der beispielsweise als ein in den Kanal 10 eintauchender Kanalanschluß 18 ausgebildet ist, wird das erwärmte Gas abgesaugt und einem Wärmerückgewinnungsaggregat 20 zugeführt. Dieses kann als Wärmepumpe oder bei höherem Wärmeniveau gegebenenfalls auch als einfacher Wärmeaustauscher ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel ist dem Wärmerückgewinnungsaggregat 20 eine Gaspumpe 22 nachgeschaltet, die für ein definiertes hochwirksames Absaugen des Gases 14 aus dem Kanal 10 und für ein Hindurchleiten durch das Wärmerückgewinnungsaggregat 20 sorgt.

Bei der dargestellten Einrichtung ist der Gaspumpe 22 eine Weiche 24 zum Umschalten des nach dem Wärmeentzug abgekühlten Gases 14 nachgeschaltet. Die Weiche 24 ermöglicht es, daß das Gas 14 entweder über einen zweiten Kanalanschluß 26 in Bezug auf die Strömungsrichtung A der Flüssigkeit 12 stromauf vom ersten Kanalanschluß 18 wieder in den Kanal 10 zurückgeführt oder über ein gas- bzw. luftreinigendes Filterelement 28 an die Umgebung 30 abgelassen wird.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mündet der erste Kanalanschluß 18 in Strömungsrichtung A der Flüssigkeit 12 bzw. entgegen der Strömungsrichtung B des Gases 14. Hierdurch kann das Gas 14 im wesentlichen verwirbelungsfrei und widerstandsarm angesaugt werden. Der erste Kanalanschluß 18 mündet im vorliegenden Fall nahe dem oberen, nämlich flüssigkeitsfernen, Kanalbereich, in dem sich die aus der Flüssigkeit aufsteigende Wärmeenergie, ferner die über die Kanalwandung in den Kanal 10 gelangende Erdwärmeenergie und die dem Gas latent innewohnende Wärmeenergie sammeln. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, den ersten Kanalanschluß 18 flüssigkeitsnah anzuordnen oder sogar zu splitten, damit gleichzeitig ein oberflächennahes und ein oberflächenfernes Absaugen erfolgen.

Gemäß der beispielhaften Darstellung mündet der zweite Kanalanschluß 26 im vorliegenden Fall in Strömungsrichtung B des Gases 14 bzw. entgegen der Strömungsrichtung A der Flüssigkeit 12. Dadurch kann das abgekühlte Gas im wesentlichen verwirbelungsfrei und widerstandsarm rezirkuliert werden.

Die dargestellte Einrichtung ist anlagentechnisch vielfältig abwandelbar. Wichtig ist dabei stets, daß von der Flüssigkeit, wie Abwasser, und/oder von dem den Kanal umgebenden Erdreich erwärmtes Gas, wie Luft, aus einem geschlossenen Kanal bzw. Kanalbecken abgesaugt und einer das Gas abkühlenden Wärmerückgewinnung unterworfen wird.