PL B1. POLITECHNIKA RZESZOWSKA IM. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA, Rzeszów, PL BUP 13/18

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. F28D 7/02 ( ) F28D 7/10 ( ) F24D 17/00 ( ) (54) Pionowy spiralny wymiennik ciepła (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA RZESZOWSKA IM. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA, Rzeszów, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ALEKSANDRA MAZUR, Rzeszów, PL AGNIESZKA STEC, Grodzisko Dolne, PL DANIEL SŁYŚ, Krosno, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Henryk Pisiński PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest pionowy spiralny wymiennik ciepła, przeznaczony do odbioru ciepła ze ścieków szarych powstających w instalacjach kanalizacyjnych w budynkach. Malejące zasoby paliw kopalnych, stale rosnące ceny energii oraz wzrost zanieczyszczenia środowiska naturalnego stanowią główne problemy współczesnej polityki energetycznej na świecie. W celu ich rozwiązania podejmowane są działania zmierzające do poszukiwania i rozwoju nowoczesnych technologii pozyskiwania i przetwarzania energii oraz racjonalnego jej wykorzystania. Jedną z takich technologii jest wykorzystanie ciepła ze źródeł odpadowych, w szczególności ze ścieków szarych. Ścieki szare mogą stanowić cenne źródło energii, która obecnie, poprzez bezpośrednie odprowadzanie ścieków do systemu kanalizacyjnego jest najczęściej bezpowrotnie tracona. Ścieki szare powstające codziennie w budynkach mieszkalnych i usługowych oraz w zakładach produkcyjnych, charakteryzują się na ogół dość wysoką temperaturą, co pozwala na ich wykorzystanie jako dodatkowego źródła energii wspomagającego proces przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynku. Wykorzystanie ciepła odpadowego ze ścieków zmniejsza zapotrzebowanie na energię zewnętrzną dostarczaną do budynku, która przede wszystkim pochodzi ze spalania paliw kopalnych. Wpływa to tym samym, nie tylko na ograniczenie eksploatacji zasobów nieodnawialnych, ale także na zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. W celu odzyskania energii niesionej wraz ze ściekami zastosowanie znajdują głównie wymienniki i pompy ciepła. Znane są rozwiązania poziomych i pionowych wymienników ciepła, które stosowane są w instalacjach kanalizacyjnych do odbioru energii niesionej wraz z odprowadzanymi ściekami. Z opisu patentowego nr US A znany jest pionowy przeciwprądowy wymiennik ciepła, który posiada przewód kanalizacyjny wewnątrz którego umieszczony jest przewód o mniejszej średnicy. Przewodem o mniejszej średnicy przepływają ścieki szare, natomiast przestrzenią pomiędzy dwoma przewodami przeciwprądowo prowadzona jest woda. Wadą tego urządzenia jest jego znaczna długość, która jest konieczna do uzyskania wysokiej efektywności procesu odzysku ciepła oraz nierównomierne obmywanie ściekami wewnętrznej powierzchni ścianek przewodu kanalizacyjnego, co ogranicza proces wymiany ciepła, a także możliwości ocieplenia pionu kanalizacyjnego, a przez to może powodować straty ciepła do otoczenia. Z opisu zgłoszenia wynalazku PL A1 znany jest wymiennik ciepła, zawierający przewód spiralny umieszczony wewnątrz przewodu kanalizacyjnego, który instalowany jest w pionie kanalizacyjnym. Przez przewód w kształcie spirali przepływa, w przeciwnym do ścieków kierunku, woda. W opisie zgłoszenia wynalazku US A1 został ujawniony wymiennik ciepła mający postać przewodu kanalizacyjnego z owiniętym wokół niego, na jego zewnętrznej powierzchni, miedzianym przewodem spiralnym, przez który w przeciwnym do ścieków kierunku przepływa zimna woda. W tym rozwiązaniu proces wymiany ciepła pomiędzy dwoma mediami jest ograniczony grubością ścianek obu przewodów, a uzyskanie odpowiedniej efektywności wymiennika wiąże się z koniecznością zastosowania znacznych jego długości. Poza tym, drogi przepływu obu mediów znacznie różnią się pomiędzy sobą długością, przez co ścieki szare przepływają krótszym odcinkiem i nie jest możliwe pełne odzyskanie z nich energii. Z opisu patentowego nr US A znane jest rozwiązanie, w którym urządzenie do odzysku ciepła ma postać pionowego zbiornika z dwoma umieszczonymi wewnątrz wężownicami, przez które przepływa ogrzewana woda. Znaczna średnica urządzenia powoduje konieczność posiadania sporej ilości miejsca na zamontowanie wymiennika, a ponadto urządzenie posiada wewnątrz pusty, zabudowany rdzeń, który nie jest wykorzystywany w procesie wymiany ciepła. Duża objętość przewodu miedzianego z zimną wodą w stosunku do niewielkiej przestrzeni na ścieki szare powoduje, że woda może nie zostać podgrzana do zadowalającej temperatury, co może utrudniać późniejsze wykorzystanie wody wstępnie podgrzanej. Z opisu zgłoszeniowego wynalazku nr KR A znane jest rozwiązanie wymiennika ciepła przeznaczonego zwłaszcza do instalacji przemysłowych. Czynnik grzewczy oraz czynnik ogrzewany pobierane są ze zbiorników, przez co rozwiązanie to nie znajduje zastosowania w budynkach mieszkalnych, ponieważ ścieki będące czynnikiem grzewczym w domowych wymiennikach ciepła uległyby ochłodzeniu przed pobraniem, a zbiorniki na świeżą wodę przeznaczone do jej przechowywania są, z uwagi na zagrożenie bakteriologiczne, nie wskazane do stosowania. Ponadto w budynkach mieszkalnych są zbyt małe ilości wody pobieranej, jak i wody zużytej ścieków, które są odprowadzane do

3 PL B1 3 kanalizacji. Zastosowanie tego znanego rozwiązania w budynkach mieszkalnych wymaga wygospodarowania dużej przestrzeni. Zastosowana w tym znanym rozwiązaniu spiralna półka ma łódkowaty przekrój, z dużymi odstępami pomiędzy jej ścianami, natomiast zastosowane na jej powierzchni wypustki nakierowują ścieki i zwiększają kontrakcję. Zastosowane w technologii zawory odcinające pozwalają na sterowanie procesem odzysku ciepła, oraz retencję czynnika w oczekiwanym zakresie. W celu eliminacji istniejących wad dotychczasowych rozwiązań opracowano nową konstrukcję pionowego spiralnego wymiennika ciepła. Pionowy spiralny wymiennik ciepła z przeciwprądowym przepływem ścieków i wody zimnej, zawierający przewód kanalizacyjny z otworem wpustowym i otworem wylotowym dla ścieków, a wewnątrz przewodu kanalizacyjnego spiralny szczelny kanał wewnętrzny na wodę zimną, zakończony otworem wprowadzającym dla wody zimnej i otworem wyprowadzającym dla wody wstępnie ogrzanej, kanał wewnętrzny mający postać co najmniej jednej półki mającej kształt helisy ułożonej wokół osi pionowej wymiennika ciepła, mającej szerokość równą promieniowi przewodu kanalizacyjnego i położonej zasadniczo na całej wysokości przewodu kanalizacyjnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że półka ułożona jest pod kątem ostrym w stosunku do podstawy wymiennika ciepła, przy czym półka jest z materiału dobrze przewodzącego ciepło, a na przewodzie kanalizacyjnym jest warstwa izolacyjna. Korzystnie powierzchnia półki jest gładka albo pofalowana albo na powierzchni półki są ukształtowane rowki lub powierzchnia półki jest łamana, a ponadto półka jest z miedzi albo ze stali. Zaletą zastosowania w pionowym spiralnym wymienniku ciepła kanału wewnętrznego mającego postać co najmniej jednej półki spiralnie ułożonej wokół osi pionowej wymiennika ciepła, jest spowolnienie przepływu ścieków i uzyskanie bardzo dużej powierzchni wymiany ciepła zdeponowanego w odpływających ściekach, co z kolei powoduje znaczne skrócenie wymaganej długości wymiennika bez obniżenia efektywności jego działania. Umożliwia to łatwiejsze jego sytuowanie w różnych warunkach montażowych. Dzięki zastosowaniu półki o gładkiej powierzchni nie zbierają się na niej osady z mydła mogące obniżać efektywność działania wymiennika, a w przypadku przedostania się wraz ze ściekami zanieczyszczeń, w łatwy sposób mogą z niego odpłynąć. W uzasadnionych przypadkach, w szczególności w przypadku braku wystarczającej wysokości pionu kanalizacyjnego, wymaganą efektywność wymiennika, pomimo konieczności zmniejszenia jego wysokości, można uzyskać poprzez dodatkowe zwiększenie powierzchni wymiany ciepła w wyniku zastosowania półki o pofalowanej lub łamanej powierzchni albo poprzez zwiększenie odpowiednio średnicy urządzenia. Urządzenie przeznaczone jest do montażu, na pionowych odcinkach instalacji kanalizacyjnej, w budynkach zarówno nowo projektowanych jak i już istniejących. Wymiennik można zastosować bezpośrednio przy przyborze sanitarnym, zwłaszcza pod natryskiem gdzie powstaje duża ilość ścieków szarych o znacznej temperaturze lub, w przypadku gdy obiekt posiada dualną instalację kanalizacyjną, na zbiorczym odpływie ścieków szarych do systemu kanalizacyjnego, co pozwoli na odzysk ciepła ze ścieków z dowolnej liczby przyborów sanitarnych. Charakterystycznymi cechami rozwiązania jest to, że będzie działać każdorazowo przy korzystaniu z instalacji, samoczynnie i w sposób przepływowy. Przedmiot wynalazku jest bliżej wyjaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pionowy spiralny wymiennik ciepła, z półką o gładkiej powierzchni w przekroju pionowym wzdłuż linii A-A pokazanej na fig. 2, fig. 2 ten sam wymiennik ciepła w przekroju poprzecznym wzdłuż linii B-B pokazanej na fig. 1, fig. 3 pionowy spiralny wymiennik ciepła, z półką o powierzchni łamanej, w przekroju pionowym wzdłuż linii C-C pokazanej na fig. 4, natomiast fig. 4 ten sam wymiennik ciepła w przekroju poprzecznym wzdłuż linii D-D pokazanej na fig. 3. Pionowy spiralny wymiennik ciepła w pierwszym przykładzie wykonania, pokazany na fig. 1, wykonany jest z miedzi i posiada przewód kanalizacyjny 1, na którym osadzona jest warstwa izolacyjna 2. W górnej części przewodu kanalizacyjnego 1 jest otwór wpustowy 3 dla ścieków szarych, natomiast w dolnej części przewodu kanalizacyjnego 1 jest otwór wylotowy 4 dla ochłodzonych ścieków szarych. Wewnątrz przewodu kanalizacyjnego 1 umiejscowiony jest szczelny spiralny kanał wewnętrzny 5, który w dolnej części zakończony jest otworem wprowadzającym 6 dla wody zimnej, natomiast w górnej części zakończony jest otworem wyprowadzającym 7 dla wody wstępnie ogrzanej. Kanał wewnętrzny 5 wykonany jest z miedzi i ma postać półki 8 mającej kształt helisy ułożonej wokół osi pionowej wymiennika ciepła. Półka 8 ma gładką powierzchnię, a szerokość półki 8 jest równa szerokości promienia przewodu kanalizacyjnego 1 oraz jest położona zasadniczo na całej wysokości przewodu kanalizacyjnego 1. Ponadto półka 8 jest ułożona, w stosunku do podstawy wymiennika ciepła, pod kątem ostrym. Ścieki szare doprowadzane są do przewodu kanalizacyjnego 1 wymiennika ciepła otworem wpustowym 3

4 4 PL B1 i prowadzone są, półką 8, w dół przewodu kanalizacyjnego 1. Zimna woda natomiast, jest doprowadzana do wymiennika ciepła otworem wprowadzającym 6 i prowadzona jest, przeciwprądowo w stosunku do ścieków szarych, w górę wymiennika ciepła kanałem wewnętrznym 5. W czasie przeciwprądowego przepływu wody zimnej i ścieków szarych zachodzi ogrzanie wody i ochłodzenie ścieków. Ogrzana woda jest odprowadzania otworem wyprowadzającym 7 i jest kierowana do dalszego użycia, natomiast ochłodzone ścieki szare są odprowadzane do kanalizacji otworem wylotowym 4. Pionowy spiralny wymiennik ciepła w drugim przykładzie wykonania, pokazany na fig. 3, wykonany jest ze stali i posiada przewód kanalizacyjny 1, na którym osadzona jest warstwa izolacyjna 2. W górnej części przewodu kanalizacyjnego 1 jest otwór wpustowy 3 dla ścieków szarych, natomiast w dolnej części przewodu kanalizacyjnego 1 jest otwór wylotowy 4 dla ochłodzonych ścieków szarych. Wewnątrz przewodu kanalizacyjnego 1 umiejscowiony jest szczelny spiralny kanał wewnętrzny 5, który w dolnej części zakończony jest otworem wprowadzającym 6 dla wody zimnej, natomiast w górnej części zakończony jest otworem wyprowadzającym 7 dla wody wstępnie ogrzanej. Kanał wewnętrzny 5 jest wykonany jest ze stali i ma postać półki 8 mającej kształt helisy ułożonej wokół osi pionowej wymiennika ciepła. Półka 8 ma łamaną powierzchnię w przekroju promieniowym, a ponadto półka 8 ma szerokość równą promieniowi przewodu kanalizacyjnego 1 oraz położona jest zasadniczo na całej wysokości przewodu kanalizacyjnego 1. Ponadto półka 8 jest ułożona, w stosunku do podstawy wymiennika ciepła, pod kątem ostrym. Ścieki szare doprowadzane są do przewodu kanalizacyjnego 1 wymiennika ciepła otworem wpustowym 3 i prowadzone są, przez półkę 8, w dół przewodu kanalizacyjnego 1. Zimna woda natomiast, jest doprowadzana do wymiennika ciepła otworem wprowadzającym 6 i prowadzona jest, przeciwprądowo w stosunku do ścieków szarych, w górę wymiennika ciepła kanałem wewnętrznym 5. W czasie przeciwprądowego przepływu wody zimnej i ścieków szarych zachodzi ogrzanie wody i ochłodzenie ścieków. Ogrzana woda jest odprowadzania otworem wyprowadzającym 7 i jest kierowana do dalszego użycia, natomiast ochłodzone ścieki szare są odprowadzane do kanalizacji otworem wylotowym 4. Pionowy spiralny wymiennik ciepła będący przedmiotem wynalazku wykorzystywany jest zwłaszcza do odzysku ciepła odpadowego ze ścieków szarych. 1 przewód kanalizacyjny 2 warstwa izolacyjna 3 otwór wpustowy 4 otwór wylotowy 5 kanał wewnętrzny 6 otwór wprowadzający 7 otwór wyprowadzający 8 półka Wykaz oznaczeń rysunkowych Zastrzeżenia patentowe 1. Pionowy spiralny wymiennik ciepła z przeciwprądowym przepływem ścieków i wody zimnej, zawierający przewód kanalizacyjny z otworem wpustowym i otworem wylotowym dla ścieków, a wewnątrz przewodu kanalizacyjnego spiralny szczelny kanał wewnętrzny na wodę zimną, zakończony otworem wprowadzającym dla wody zimnej i otworem wyprowadzającym dla wody wstępnie ogrzanej, kanał wewnętrzny mający postać co najmniej jednej półki mającej kształt helisy ułożonej wokół osi pionowej wymiennika ciepła, mającej szerokość równą promieniowi przewodu kanalizacyjnego i położonej zasadniczo na całej wysokości przewodu kanalizacyjnego, znamienny tym, że półka (8) ułożona jest pod kątem ostrym w stosunku do podstawy wymiennika ciepła, przy czym półka (8) jest z materiału dobrze przewodzącego ciepło, a na przewodzie kanalizacyjnym (1) jest warstwa izolacyjna (2). 2. Pionowy spiralny wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia półki (8) jest gładka. 3. Pionowy spiralny wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia półki (8) jest pofalowana.

5 PL B Pionowy spiralny wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że na powierzchni półki (8) są ukształtowane rowki. 5. Pionowy spiralny wymiennik ciepła według zastrz. 4, znamienny tym, że powierzchnia półki (8) jest łamana. 6. Pionowy spiralny wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5, znamienny tym, że półka (8) jest z miedzi. 7. Pionowy spiralny wymiennik ciepła według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5, znamienny tym, że półka (8) jest ze stali. Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)