申请日2007.09.12
公开(公告)日2009.09.09
IPC分类号F28D7/00; F28D21/00; F28G13/00
摘要
本发明涉及一种方法，用于借助于由液体流过的热交换器(46)来进行在容器内的废水和液体之间的热传递，所述热交换器具有被废水接触的外表面(48)，其中在废水中将产生对流，该对流使得废水沿着外表面(48)运动。在此，废水流过容器，并且所产生的对流用作清洁废水的辅助措施，同时也用于清洁热交换器(46)的外表面(48)。本发明还涉及一种装置，用于借助于由液体流通的热交换器(46)来传递在处于容器中的废水和液体之间的热量，所述热交换器具有被废水接触的外表面(48)，其中在废水中设置有用于压入空气的扩散管道(34)和/或搅拌机，它们都将产生对流，该对流使得废水沿着外表面运动。容器是废水处理设施的由废水流过的水处理池。
权利要求书
1.一种方法，所述方法用于借助于由液体流过的热交换器(46) 来进行在容器内的废水和液体之间的热传递，所述热交换器具有被所 述废水接触的外表面(48)，其中在所述废水中将产生对流，所述对 流使得所述废水沿着外表面(48)运动，其特征在于，所述废水流过 所述容器，并且所产生的对流用作清洁废水的辅助措施，同时也用于 清洁所述热交换器(46)的外表面(48)。
2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述容器中 的对流通过压缩通风装置来产生。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所 述容器中的对流通过表面通风装置来产生。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述 废水在容器中，例如一个分沙器(1)中通过压缩空气来通风并且逐渐 上升的气泡(38、216)产生所述废水的一个翻滚式的流动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所 述容器中产生废水的一种环形的流动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所 述容器中的对流通过搅拌机产生。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述 废水在分沙器(1)中被清洁。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述 废水被有机地清洁。
9.一种装置，用于借助于由液体流通的热交换器(46)来传递在 处于容器中的废水和液体之间的热量，所述热交换器具有被所述废水 接触的外表面(48)，其中在所述废水中设置有用于压入空气的扩散 管道(34)和/或搅拌机，它们都将产生对流，所述对流使得所述废水 沿着外表面运动，其特征在于，所述容器是一种废水处理设施的由废 水流过的水处理池。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述水处理池(2)是活化装置的一种通风水处理池(200)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述水处理池(2)是一个分沙器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述分沙器(1)是一种圆形分沙器(100)，在其中心设置有一个能产 生环形流动的搅拌机。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述分沙器(1)是一种长形分沙器，所述长形分沙器具有一个侧壁(14、 16)以及至少一个沿着所述侧壁(14、16)设置的扩散管道(34)， 用于吹入空气并且产生翻滚的流动。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述热交换器(46)具有用于液体的进水口(4、222)和排水口(6、224)， 其通过至少一个流通通道(220)相互连接，并且所述流通通道(220) 的外表面构成了所述热交换器(46)的外表面(48)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述流通通道(220)是由具有圆形的、四边形的或正方形的横截面的管 道部段构成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述管道部段基本上是水平朝向的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述管道部段基本上是垂直朝向的。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述管道部段平行地设置并且具有端部，其在液体端这样相互连接，即 液体在多个各自相邻的管道部段中以相反的方向流动。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述流通通道(220)通过至少一个以螺旋形式设置的空心型材构成，其 中螺旋具有一个垂直轴(102、202)。
20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述热交换器(46)的外表面(48)基本上平行于对流并且是平整的或 起波纹的。
21.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述热交换器(46)的外表面(48)同时是容器壁的内表面。
22.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述热交换器(46)的流通通道(220)通过在容器壁和其上安装的型材 之间的空心腔(262)构成。
23.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述热交换器(46)的外表面(48)借助于可运行的刷子(308)来清洁。
24.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所 述热交换器(46)的外表面(48)借助于可运行的喷嘴来清洁。
说明书
用于在容器内的废水和液体之间进行热量传递的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种方法，该方法用于借助于由液体流过的热交换 器来进行在容器内的废水和液体之间的热量传递，该热交换器具有被 废水接触的外表面，其中在废水中将产生对流，该对流使得废水沿着 外表面运动，本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。
背景技术
废水可以是居民废水、市政废水、商用废水或工业废水。液体 可能例如会是水、一种水状溶剂、酒精或油。或者是废水的热量传递 给液体，以使得废水被冷却或液体被加热。特别是，被加热的液体可 以在循环中通过热泵来引导，以便于可以利用到用于加热的废水热 量。反之，热量也可以从液体传递给废水，以便于加热该废水并且由 此而能够更好地操作。
容器可以是一种密封的罐子或是一种开放的水处理池。容器可 以由废水持续地流通，或者废水通过容器批量地输入或排出、
热交换器是一种空心体，其内部流通液体并且其外表面与废水 接触。当液体和废水具有温差时，将通过热交换器的至少一个优选由 良导热的金属片构成的壁来传递热量。热交换器的热传递功率与接触 废水的外表面、两种液体的温差和热传递系数(k值)成比例。k值 是热传递阻尼的逆值。这种阻尼是对于从液体到壁上的热传入的阻 尼、对于通过壁的热传导的阻尼以及对于从壁到废水上的热传入的阻 尼的总和。对于通过壁的热传导的阻尼与壁的强度成比例并且反之与 壁材料的导热能力成比例，也就是说由热交换器的类型来决定。对于 将液体热量传递到壁上的阻尼及反之将壁热量传递到液体上的阻尼 相反不仅仅关系到流体属性(尤其是其导热能力、黏度和热容)，而 尤其也关系到其流动比例。内部和外部热传递阻尼的逆值是热传递系 数(Alpha值)。
当流体处于静止时，Alpha值很小，这就表示热传递很差。然后， 热传送要依赖于由扩散和自然对流产生的普通热传导，对流是一种流 动，这种流动当流体在壁上遇热或冷却时由流体的所变化的密度产 生。事实上更好的，也就是更高的Alpha值可以通过强制的对流来实 现，该对流是在壁上人造产生的流动。这些流动通过其雷诺数(Re) 来表征，该雷诺数与流动速度和所表现出的几何长度(例如管的直径) 成比例，并且反之与流体的运动黏度成比例。
在较小的Re数时，流动是层流的，在超过一个临界的Re数时， 流动突变成一种急剧流动并且Alpha值跳跃式地上升。因此，在使用 热交换器时将力求，两种流体急剧地流动。在由热交换器泵出的液体 时将轻易地产生一种急剧流动，在此期间可以选择出足够高的流量以 及由此而得到的流动速度。很少使用到k值，当外部的Alpha值保持 较低时，内部的Alpha值将持续变高。随后，所要求的热传递功率仅 通过热交换器的足够大的外表面来实现，其缺点是，热交换器较大且 更为昂贵。为了避免这种情况，必须在废水中产生一种对流的流动， 优选是一种沿着热交换器外表面的急剧流动。
这种流动可以优选在外表面上掠过，也就是说，其可以具有一 个几乎平行于外表面的方向。通过在热交换器外表面上所限定的并且 较高的流动速度提高了Alpha值并且冲洗了外表面的妨碍固体和附 着物，由此而可以使外表面的几何尺寸变小并且降低热交换器的成 本。
在现有技术中，热交换器安装到废水管或排水管中，以便于传 递废水和流过热交换器的液体的热量。在管道和排水管中，废水流过 热交换器的外表面。当然，流动速度要决定于通过管道或排水管的废 水流量和液面高度。或者流量还有液面高度都是一定的，从而将不存 在受限的流动。通常，流动是层流式的。当流量，例如在降雨发生之 后被突然增大时，将造成急剧的流动行为。因为在热交换器外表面上 的Alpha值较小，该外表面必须要有较大的面积。尤其是当外表面安 装在废水管到中时，其容易被污染。
由公开出版物DE 101 56 253 A1已知一种集成在工业用水罐中 的热交换器，用于能够在其他地方继续利用到在工业用水中存在的热 量。在此，工业用水必须缓冲存放在罐中，其中该工业用水优选通过 吹入空气来进行循环。通过这种循环，工业用水流过热交换器外表面， 由此而改善了热交换并且同时可以清除热交换器外表面的污垢。
由公开出版物DE 36 05 585 A1也已知一种安装在废水容器中 的热交换器，在该热交换器的外表面上会产生对流。在这种情况下， 这种流动通过废水容器的活动护壁的运动来产生。
由欧洲专利EP 0 174 554 B1也已知一种安装在用于污水的容 器中的热交换器，其中在水中的热交换器的下方吹入清洁气体，以便 于热交换器外表面得到清洁并且改善热传递。
根据该出版物，将有利地在热交换器的外表面上产生对流，改 善热交换并且清洁外表面的污垢。在此，热交换器始终安装在一个出 于该目的设置的外部容器上，其中水必须缓冲存放地或者通过相对复 杂的流通管道导入，该流通管道也由多个热交换板构成。这种装置当 然显著地提高了热交换器的投入及运营成本。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种方式以及一种执行该方法的装置， 该方法和装置都没有现有技术中提到的缺点并且能够轻易且成本合 理地利用在废水中存在的热量。本发明的目的尤其是，例如现有装置 额外用于热交换，从而能够进一步地改善能源支配。
该目的通过符合独立权利要求的特征的方法和装置来实现。
根据本发明，废水流过容器，在该容器中有热交换器，其中将 产生对流，该对流一方面用作清洁废水的辅助措施，同时也用于清洁 热交换器的外表面以及改善热交换器上的热传递。
被流通的容器都几乎是每种废水处理设施的构件并且可以通过 简单的方式额外用于废水和工业用水之间的热传递。在这种容器中通 常存在用于产生对流的装置，该对流用作清洁废水的辅助措施。这种 流动例如可以通过搅拌机或通过在废水中吹入气体(例如空气)来产 生。例如这种用于清洁废水的对流可以例如避免底部沉积物，即彻底 混合废水，即化学物品混入到废水中，即加快沉淀或絮凝或为废水散 热。因此在废水处理设施的不同位置上业已存在流动性为，其可以额 外用于改善在热交换器上的热传递或用于清洁热交换器表面。
前提条件是，从而能够以简单的方式实现，即通过热交换器安装 到废水处理设施的流通容器的合理位置上能够额外地例如废水的热 量。待消耗的能量在此仅限于已存在的泵设备的驱动，该泵设备起到 将液体传送通过热交换器的作用以及尽可能地驱动额外存在的热泵。 因为对流不仅用于清洁废水还用于回收热量，所以从而一次性地降低 了成本。还有就是，废水不必以繁复的方式缓存到罐中。热交换器不 如安装在被流通的、用于清洁废水的容器中，因为由此能够进一步地 降低投入及能源成本。
在此，废水清洁可以在工业处理或市政污水处理站中进行。尤其 也可以是一种在酒店、住宅或办公楼宇、娱乐场所或其它区域中的分 散的废水清洁。这种分散的废水处理尤其适用于该目的，即废水热量 借助于热泵加热来利用，因为在这种情况下，废水相对而言是热的并 且本地在加热量上有较大的需求。
根据本发明方法的一个特别有利的实施例，在废水容器中的对流 通过压缩通风装置来产生。在这种压缩通风装置中，空气被吹入到废 水中，以便于通过氧气来供养微生物并且去除气体形式的新陈代谢产 物，例如二氧化碳或氮气。当空气压缩到废水中时，废水中的气泡上 升并且携带所包围的废水。在容器的区域中被压入空气，形成一个强 劲的上向流并且在其他位置上形成相应的向下流。在通风装置的合理 布置中可以通过较少的能量消耗在容器中产生所呈现的流动翻滚，其 具有每秒几米的流动速度。空气优选从下方或倾斜地输送到热交换器 的下方，从而向上流通过搅流包围着上升的气泡而叠加。当然也可以 是流动在就地设置的热交换器上方向向下。热交换器外表面可以在两 种情况下具有一个几乎垂直的指向，从而废水以较小的流动阻尼在外 表面上流动。接下来在设置于该位置上的热交换器上的流动也可以具 有一个水平的分量，其中外表面优选平行于流动方向。
有利地并且对于其他措施也是可选或附加地，在容器中的对流通 过表面通风装置来产生。表面鼓风机或者是具有垂直轴的回旋装置或 者具有水平轴的滚筒，其将废水和活性污泥的混合物通过空气进行脱 水或者在混合物中进行鼓风，以便于通风。在此，表面鼓风机在通风 水处理池中产生所需的强烈对流。
在本发明的另一有利设计方案中提出，废水在容器中，例如一个 分沙器(其将在下文中详细说明)中通过压缩空气来通风并且逐渐上 升的气泡产生废水的一个翻滚式的流动。翻滚的流动尤其是在长形的 容器中通过吹入空气在容器的侧壁周围产生。但是，在宽的容器中也 可以产生一个双重的流动翻滚，在此期间空气被压入到容器的中心纵 轴周围。优选地，热交换器设置在被吹入的气泡向上升起并且产生废 水的向上流动的区域中。当然热交换器也可以安装在废水向下回流的 位置上。
根据本发明的一个特别有利的变体，在容器中产生废水的一种环 形的流动。环形的流动优选在容器中通过圆形或近似正方形的基本面 产生。大多数情况下，废水在中心向上流动并且周边向下流动。但是， 流动也可以具有相反的方向。
在根据本发明的方法的另一设计方案中，在容器中的对流有利地 通过搅拌机产生。在此，其可以是一种能产生轴向或径向流动的搅拌 机。搅拌机的类型和其布置尤其是取决于容器的形状。在长四边形容 器中优选使用水平的螺旋桨搅拌机，其将产生沿着容器的纵轴的流动。 在圆形或正方形的容器中优选将搅拌机设置在垂直的中心轴上。该搅 拌机或者具有产生螺旋流动的搅动叶轮，或者具有在容器中产生环形 流动或环形翻滚流动的朝上的螺旋桨。在所有的情况下，热交换器优 选这样设置，即其外表面平行于流动。
另外，当废水在分沙器中被清洁时是有利的。分沙器用于分离特 别高密度的固体，也就是，例如沙、分裂物和石块。在分沙器中产生 对流，其这样来测量，即一方面有机物保持悬浮，另一方面不会阻碍 矿物质下沉。这样的对流可以额外用于，提高设置在分沙器中的热交 换器外表面的Alpha值。在分沙器中用于区分沙子产生的对流是非常 强烈的并且是很明显的。因此，其能够以特别有效的方式利用热交换 器上的流动。分沙器容器通常由钢制成并且提供了完整的装配。因此 特别经济耐用，热交换器能够在工厂中集成在分沙器容器中。
根据本发明的另一有利的变体，废水被有机地清洁。有机的清洁 大多数情况下在废水处理设施的通风水处理池中进行。每个废水处理 设施的一部分都是通风水处理池，其中由废水和活性污泥构成的混合 物被通风，以便于为活性污泥中的微生物提供氧气并且剔除新城代谢 产物二氧化碳和氮气。通常，通风水处理池装备有压缩通风装置，通 过该装置空气被吹入到废水中。特别有利的是，热交换器安装在被压 入空气的位置上。在将热交换器安装到具有压缩通风装置的通风水处 理池中时可以使用到已经存在的对流，而无需对于热交换的额外成本。 但是，废水处理设施的通风水处理池也可以配备有表面通风机，其将 产生对流。
为了执行该方法，提出一种装置，用于借助于由液体流通的热交 换器来传递在处于容器中的废水和液体之间的热量，该热交换器具有 被废水接触的外表面，其中在废水中设置有用于压入空气的扩散管道 和/或搅拌机，它们都将产生对流，该对流使得废水沿着外表面运动。 根据本发明，在此容器是一种废水处理设施的由废水流过的水处理池。 这种水处理池通常具有用于产生对流的装置，该装置促进了机械、生 物和/或化学清洁阶段的效果。为了尽可能地降低对于热交换所需要的 能量而建议，热交换器集成在这种由废水流过的容器中，因为在该容 器中已经存在了合理用于热传递的流动性为。此外，这样的对流可以 用于清洁热交换器表面。根据本发明的装置由此通过废水清洁和热回 收的组合而保证了特别合理的能源支出。另外可以显著地节省投入成 本，因为通常对于热回收不仅需要额外的容器，还需要用于产生流动 的装置。
由废水流过的水处理池是具有进水口和排水口的容器。它们实际 上都是每个废水处理设施的构件。水处理池可以在上方打开或关闭。 扩散管道是一种水平设置的管道，其将输入压缩空气并且具有开口， 通过该开口空气以粗气泡的形式压入到废水中。扩散管道可以可选地 具有多孔或开槽的通风机部件，通过该部件空气以大量或少量的细气 泡的形式压入到废水中。
有利地是，流通的水处理池是活化装置的一种通风水处理池，该 活化装置用于生物废水处理并且在其中通过通风装置产生对流。在活 化装置中，废水中的有机成分通过微生物来新陈代谢并且在此转化为 生物量。在后续处理中，例如后续水处理池中，生物量被分离为所谓 的活性污泥并且回送到通风水处理池中。过量的生物量在后续处理中 作为所谓的过剩污泥被提取。
根据特别有利的实施例，水处理池是一个分沙器。在分沙器中通 过分离过重的颗粒下沉物质来进行废水的机械预清洁。在此产生这样 强度的对流，即该对流能将特别少量的浓密有机物保持悬浮。
在另一设计方案中，分沙器有利地是一种圆形分沙器，在其中心 设置有一个能产生环形流动的搅拌机。在多种圆形分沙器都通常安装 有搅拌机，以便于产生螺旋的且环形的流动，从而废水通过分沙器的 底部流动到对于中心的螺旋形轨道上。通过这种流动，矿物质向中心 的方向移动并且例如通过环形的缝隙下沉到处于底部下方的收集室 中。可以建议，热交换器设置在圆形分沙器的周边，在该周边处废水 向下流动。可选地，这些热交换器可以环形地设置在搅拌机周围，其 中废水在该区域中向上流动。
可选地，当分沙器是一种长形分沙器时是有利的，该长形分沙器 具有一个侧壁以及至少一个临近且沿着侧壁设置的扩散管道，用于吹 入空气并且产生翻滚的流动。在长形分沙器中通常产生一种通过吹入 压缩空气沿着一个长壁的翻滚流动。这种翻滚流动根据本发明额外被 利用，以便于改善设置在通风分沙器中的热交换器的热传递。
在本发明的另一实施例中，热交换器以有利的方式具有用于液体 的进水口和排水口，其通过至少一个流通通道相互连接，其中流通通 道的外表面构成了热交换器的外表面。液体优选环形地通过流通通道 从进水口流到排水口。为了保持流量较小并且进水口和排水口之间的 温差较高，流通通道可以具有一种小液压的直径并且是长形的。流通 通道由多个壁来限定，其至少一个外表面构成热交换器的外表面。液 体沿着壁的内表面流动，废水沿着壁的外表面流动。
此外，当流通通道是由具有圆形的、四边形的或正方形的横截面 的管道部段构成时是特别有利的。流动通道也可以通过一系列通用的 管道型材制成，其外层表面构成热交换器的外表面。
在一个特别有利的实施例中，管道部段基本上是水平朝向的。当 其中设置有热交换器的容器是平滑的时，这种朝向随后是特别有利的。 在这种情况下，管道被横向流入。
在特殊情况下，例如在较深的容器中，当管道部段基本上是垂直 朝向的时也会是有利的。在这种情况下，管道被纵向地流入，其优点 在于，管道将产生很小的流动阻尼并且由此仅仅是极小地影响到在水 处理池中的对流。
有利的是，管道部段平行地设置并且具有端部，其在液体端这样 相互连接，即液体在多个各自相邻的管道部段中以相反的方向流动。 液体也就是在平行设置的管道部段中流进和流出。在此以简单的方式 实现了，即热交换器在极小的范围中还具有较长的流通通道。邻近管 道部段之间的连接可以通过垂直的连接管实现。当四边形或正方形的 管道部段无间距地彼此平行设置时，其端部可以通过多个开口，例如 钻孔相互连接。
根据本发明的另一有利的变体，流通通道通过至少一个以螺旋形 式设置的空心型材构成，其中螺旋具有一个垂直轴。空心型材可以例 如是一种圆形或四边形的管道型材。在该变体中，管道也平行地设置， 以便于构成长形的流通通道。由于缺乏急剧的弯折，所以液体端的流 动阻尼非常小。这种变体特别适合于圆形的容器。
在另一有利的设计方案中，热交换器的外表面基本上平行于对流 并且是平整的或起波纹的。热交换器对于对流具有一个尽可能小的流 动阻尼。因此，其外表面平行于流动，从而废水可以畅通无阻地在外 表面上流动。当四边形型材无间距或极小间距地平行设置时，这些型 材形成了对于流动平滑的外表面。当成型的钢板这样例如在近代的加 热体中相互连接时，这些钢板具有一种起波纹的外表面。当圆形的管 道也平行地设置时，也就是当管道之间存在一个间距时，其大致构成 一个起波纹的外表面。然后，其是一种假设折叠的外表面。
同样的，当热交换器的外表面同时是容器壁的内表面时，也是有 利的。在该实施例中，热交换器是容器壁的完整构件。其具有优点， 即热交换器不产生或仅产生极少的对于对流的额外阻尼。
当热交换器的流通通道通过在容器壁和其上安装的型材之间的空 心腔构成时也带来了优点。型材是例如半管道、U型材或L型材的部分 型材。型材可以安装到容器壁的内侧。但是在金属容器中，型材也可 以安装到容器壁的内侧，从而容器壁构成了热交换器的热传递外表面。
在另一有利的设计方案中，装置具有可运行的刷子，用于清洁热 交换器的外表面。在此，刷子通过一个驱动装置在热交换器的外表面 上运动，以便于去除依附的固体和附着物。
可选地，热交换器的外表面有利地通过可运行的喷嘴来清洁。喷 射水优选通过废水处理设施的排水口排放，从而进一步地使之无固体 并且喷嘴不会堵塞。
