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DE3039505A1 - Verfahren und anlage zur rueckgewinnung von waerme aus abwasser - Google Patents

Verfahren und anlage zur rueckgewinnung von waerme aus abwasser

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Publication number
DE3039505A1
DE3039505A1 DE19803039505 DE3039505A DE3039505A1 DE 3039505 A1 DE3039505 A1 DE 3039505A1 DE 19803039505 DE19803039505 DE 19803039505 DE 3039505 A DE3039505 A DE 3039505A DE 3039505 A1 DE3039505 A1 DE 3039505A1
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DE
Germany
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heat
heat exchanger
line
cistern
exchanger unit
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Application number
DE19803039505
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English (en)
Inventor
Karl Lennart 11255 Stockholm Litzberg
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Original Assignee
Individual
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Description

PAT ENTAN VV Ä LTE 3033505
DR. A. VAN DER WERTH DR. FRANZ LEDERER R. F. MEYER-ROXLAU
DiPU-ING. (1934-1974. DIPL.-CHEM. D^.-ING.
8000 MÜNCHEN 80 LUC:LE-GBA-iN-STRASSE
TELEFON :: =5,472947 TELEX. 524c:^ LEDER D TELEGR. · LE3ERERPATENT
20. Ok-ober 19 M/Tr
Karl Lennart Litzberg, Stockholm (Schweden)
Runiusgatan 1
Verfahren und /anlage zur Rückgewinnung von Warne aus Abwasser.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zurückaewinnuno von Wärme aus Abwasser sowie auf eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
Grosse V'erte in Forrc von Wärmeenergie gehen mit dem Abwasser verloren. Diese Wärmeenergie hat ihren Ursprung in erster Linie in dem warmen Leitungswasser (Bad, Wäsche, Spülen, Putzen), aber auch in dem kalten Leitungswasser, das dadurch erwärmt wird, dass die Kaltwasserleitungen in temperierten Räumen liegen, in der Zubereitung des Essens (Abwasser) und in den Ausscheidungen des Menschen (Fäkalien und Urin). Dies trifft sowohl für Wohnhäuser, Industrieanlagen, Badehäuser und Krankenhäuser zu.
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Bisher wurde noch keine praktisch erprobte Lösung zur Ausnützung dieser Wärmeenergie entwickelt. Dies beruht in erster Linie darauf, dass das Abwasser stark verunreinigt ist, verhältnismässig niedrige Temperatur hat und dass sein Zufluss sich in hohem Grad mit der Zeit ändert, wobei Variationen von nahezu Null bis zu einem Maximalwert während des Tages auftreten.
Gemäss der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche ausgedrückt ist, ist es möglich, in praktisch zu verwirklichender Weise die im Arv/asser vorkommende Wärmeenergie zurückzugewinnen.
Die Erfindung wird nachstehend näher in Form von Beispielen im Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 zeigt im Grundriss, wie eine erfindungsgemässe Anlage an eine Abwasserleitung angeschlossen werden kann,
Figur 2 zeigt scherratisch die Anlage von der Seite im Schnitt, Figur 3 zeigt den Wfirmeaustauscher der Anlage im Schnitt,
Figur 4 zeigt den Wärmeaustauscher nach Fic. 3 vcr. oben gesehen,
Fig. 5 zeigt einen Teil einer Einzelheit des Wärmeaustauschers, und
Fig. 6 zeigt einen Teil der Anlage mit vier in Serie geschalteten Wärmeaustauschern.
In Fig. 1 bezeichnet ] ein ~?bäude, beispielsweise ein Krankenhaus, und 2 die von dort ausgehende Abwasserleitung. Von der Leitung 2 läuft eine Zweigleitung 3 zu einer Pumpstation 4,
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BAD ORIGINAL
die durch eine Leitung 5 das Abwasser der Wärmezurückgewinnungsanlage 6 gemäss der Erfindung zuführt. Von der Wärmezurückgewinnungsanlage 6 wird das von Wärme befreite Abwasser durch eine Leitung 7 wieder der Leitung 2 zugeführt. Der Teil der Abwasserleitung 2, der zwischen den Zweigleitungen 3 und 7 liegt, wirkt als Nebenschlussleitung und ist mit einem Ventil versehen, das während des Betriebes der Anlage normalerweise geschlossen ist. Die aus dem Abwasser gewonnene Wärmeenergie, beispielsweise in Form von warmem Wasser, wird dem Verbraucher, dem Krankerihausgebäude 1, durch Leitungen 8 zugeführt. ,
Zu der Wärmerückgewinnungsanlage, die schematisch in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Abwasser über die Pumpstation 4 durch die Leitung 5 oben in eine Abwasserzisterne 9 eingepumpt, die unten an die Leitung 7 zum Ableiten des gekühlten Abwassers durch die Abwasserleitung 2 angeschlossen ist. Unten in der Zisterne 9 ist ein Niveaurohr 10 angeschlossen, das mit der Leitung 7 verbunden ist, in der weiterhin zwischen der Zisterne und dem Niveaurohr ein Ventil 11 angeordnet ist. Wenn das Vennil 11 geschlossen ist, wird sich daher die Abwasseroberfläche in der Zisterne in der Höhe der Umbiegung des Niveaurohres befinden. Das Oberflächenniveau hat die Bezeichnung 37. Von dem oberen Teil der Zisterne 9 wird das zugeführte, "warme", Abwasser abgezogen, das eine Tmperatur haben kann, die während des Tages sich auf 30 - 40° C belaufen kann, und wird durch eine Leitung 12 einem Wärmeaustauscher 14 zugeführt, der weiter unten beschrieben wird. Die Wärmeenergie in dem Abwasser wird in dem Wärmeaustauscher 14 an darin vorgesehene Rohrschlangen 15 abgegeben, worauf das Abwasser von dem Wärmeaustauscher durch eine im Bodenbereich der Zisterne mündende Leitung 13 in die Zisterne 9 zurückströmt, wie dies in der Figur gezeigt ist. Um zu verhindern, dass feste Verunreinigungen in den Wärmeaustauscher 14 eingeführt werden, ist ein Sieb der Leitung 12 vorgeschaltet. Das Sieb 16 hat die Form eines zylindrischen Korbes, wobei die Zylinderfläche aus einem Siebnetz besteht, das sich bis oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 37 erstreckt.
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Mit 17 werden mit Mundstücken versehene Arme bezeichnet, die dazu bestimmt sind, um eine zentrale Achse zu rotieren. Zur Reinigung des Siebnetzes wird der Wasserstand in der Zisterne 9 dadurch gesenkt, dass das Ventil 11 geöffnet wird, worauf das Siebnetz mit Hilfe der mit Spülwasser durch die Leitung 18 gespeisten rotierenden Mundstücke reingespült wird. Die Verunreinigungen, die auf der Aussenseite des Siebnetzes hängen geblieben sind, werden dabei losgespült und sinken auf den Boden der Zisterne 9 ab. Dieses Reinspülen des Siebnetzes geschieht zweckmässigerweise mit regelmässigen Zeitzwischenräumen, beispielsweise alle 24 Stunden, wobei gleichzeitig eine Entleerung des auf dem Boden der Zisterne angesammelten Schlamms durch das Ventil 11 geschieht.
Als wärmeaufnehmendes Medium in den Rohrschlangen 15 des Wärmeaustauschers 14 wird in dem hier gezeigten Fall Wasser verwendet, das gemäss dem Beispiel in einem Wassermagazin 19 gelagert ist. Kaltes Wasser wird von dem Bodenbereich des Magazins durch Leitungen 20 dem Wärmeaustauscher 14 zugeführt, wo das Wasser durch das Abwasser erwärmt und wieder dem oberen Bereich des Magazines 19 durch die Leitung 21 zugeführt wird. An das Wassermagazin 19 ist weiterhin eine Wärmepumpe 22 mit Verdampfer 23 und Kondensor 24 angeschlossen, so dass das warme Wasser im oberen Teil des Magazines durch die Leiung 25 seine Wärmeenergie an den Verdampfer 23 abgibt, um dann anschliessend wieder in den Bodenbereich des Magazins zurückgeführt zu werden, wo sich das abgekühlte Wasser befindet. 43 bezeichnet eine Zirkulationspumpe, 26 einen Elektromotor mit Kompressor und 27 die ein- und ausgehenden Leitungen des Kreislaufs für den Wärmeträger der Wärmepumpe, d.h. das Medium, das durch das Abwasser (und die dem Kompressor zugeführte Energie) erwärmt wurde und das für Verbrauchs- und/oder Erwärmungszwecke verwendet werden soll. Dieses Medium kann beispielsweise Wasser sein.
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Um nicht die in der Zisterne und dem Magazin auftretende Schichtbildung mit kaltem Bodenwasser und warmem Oberflächenwasser zu stören, sind, wie aus Fig. 2 hervorgeht, die Auslässe der Leitungen 15, 21 und 26 mit Diffusoren 28 verlängert, durch die die Geschwindigkeit der ausströmenden Flüssigkeit in möglichst hohem Grad vermindert wird.
Das Magazin 19 bildet einen Puffer während der Zeit, wo die Energiezufuhr durch das Abwasser niedrig ist, beispielsweise der Nacht, dadurch dass das Magazin einen Rauminhalt hat, der ausreichend ist, um die Wärmepumpe während dieser Zeit mit Warmwasser zu versorgen.
Nach der vorstehenden Beschreibung des prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemässen Anlage, aus der auch die Wirkungsweise der Anlage klar hervorgeht, wird jetzt der Wärmeaustauscher 14 näher behandelt.
Ohne einen gut arbeitenden Wärmeaustauscher arbeitet auch die ganze Anlage nicht, so dass die Ausgestaltung des Wärmeaustauschers als ein kritischer Teil der gesamten Anlage anzusehen ist.
Der gezeigte Wärmeaustauscher 14 besteht aus einem Gehäuse 29 mit einem zentralen Kanal 30. Konzentrisch im Gehäuse und im Verhältnis zueinander sind eine Anzahl Wärmeaustauschflächen vorgesehen, die jede aus einer Anzahl parallelgeschalteter Rohrschlangen (in Fig. 3 und 5 werden 20 solche Schlangen gezeigt) besteht. Die Enden der ein solches "Oberflächenpaket" bildenden Rohre sind an einen gemeinsamen Verteiler 32 angeschlossen, mit dessen Hilfe das Wärmemedium, im vorliegenden Fall Wasser, in die Rohrschlangen 15 eingeführt wird, sowie an einen gemeinsamen Sammler 33, mit dessen Hilfe das Wasser gesammelt und aus dem Paket abgeführt wird. Wie aus den Figuren hervorgeht, wird mit der Zirkulationspumpe 34 das Wasser durch die Leitung 20 und den Verteiler 32 in die
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Rohrschlangen des ersten Paketes 15 eingepumpt. Ueber den Sammler 33 wird das Wasser von dem ersten Paket durch eine Anschlussleitung 35 dem Verteiler 32' (Fig. 4) des innerhalb liegenden Paketes zugeführt. Von dem Sammler 33' dieses Paketes wird das Wasser dem dritten Paket durch eine Leitung 35' und einen Verteiler 32" zugeführt. Von dem Sammler 33" dieses dritten Pakets fliesst das Wasser zu dem vierten Paket durch die Leitung 35" und den Verteiler "'. Von dem Sammler 33"' des vierten Paketes wird das Wasser durch die Leitung 21 dem oberen Teil des Magazins 19 zugeführt.
Zwischen den konzentrisch angeordneten Wärmeaustauscherpaketen 15 sind ebenso konzentrisch gelegene Zwischenwände 36 vorgesehen, die unten auf dem Boden des Wärmeaustauschergehäuses aufliegen und sich nach oben über das Niveau 37 des Abwassers in dem Wärmeaustauscher erstrecken. Die Leitung 12 von der Zisterne 9 mündet in dem innersten Fach des Wärmeaustauschers, d.h. zwischen der inneren Wand des Gehäuses (Kanalwand 30) und der am weitesten innen gelegenen Zwischenwand 36). Das Abwasser wird aus dem Wärmeaustauscher durch die Leitung 13 abgeführt, die an das äusserste Fach des Wärmeaustauschers angeschlossen ist, wie aus Fig. 3 und 4 hervorgeht Unten in den Zwischenwänden 36 sind Öffnungen 37 vorgesehen, in dem gezeigten Beispiel entlang eines Radius auf den Auslass 13 hin.
Aus Vorstehendem geht hervor, dass das Wärme aufnehmende Wasser durch die serie-geschalteten Wärmeaustauscherschlangen fliesst, und zwar von dem äussersten Paket bis zu dem innersten, während das Abwasser, dessen Wärme zurückgewonnen werden soll, von der innersten Kammer durch die Öffnungen 37 zu der äussersten Kammer hin fliesst. Die Energie entnahme geschieht somit nach dem Gegenstromprinzip, wobei die Temperatur des Abwassers schrittweise von Fach zu Fach sinkt, während die Wassertemperatur in den Schlangen gemäss einer Bogenkurve steigt.
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Oben in dem Wärmeaustauscher ist ein drehbarer Arm 38 angeordnet, der über eine Welle 40 von einem Motor 39 getrieben wird, wobei sich die Welle 40 durch den zentralen Kanal 30 in dem Gehäuse 29 erstreckt. Der Arm und die Welle sind in normaler, nicht näher gezeigter Weise gelagert. Der Arm 38 ist mit senkrecht gerichteten Bürsten 41, vgl. Fig. 3, versehen, deren Borsten bei der Rotation des Arms die Rohrschlangen 15 bestreichen. Hierdurch werden die Oberflächen der Rohrschlangen reingehalten. Wie deutlich aus Fig. 2 hervorgeht, ist die gezeigte Anlage völlig "offen" und die Oberfläche des Abwassers in der Zisterne 9 und in dem Wärmeaustauscher 14 liegt auf dem gleichen Niveau 37. Die für den Kreislauf des Abwassers durch den Wärmeaustauscher 14 erforderliche Pumpwirkung wird durch die Rotation des Armes und dadurch der Bewegung der Bürsten in den Kammern erzielt, wobei prinzipiell eine sehr langsam arbeitende Zirkulationspumpe vorliegt. Die Geschwindigkeit der Strömung des Abwassers durch den Wärmeaustauscher kann mit Hilfe der Umdrehungszahl des Arms 38 und/oder eines Ventils 42 im Auslass des Wärmeaustauschers (Fig. 4) geregelt werden.
Die Bürsten 41 sind austauschbar und von der Oberseite des Wärmeaustauschers leicht zugänglich.
Die Fig. 2 zeigt die Anlage in einfacher Aus führungsform, d.h. mit einer Zisterne 9, einem Wärmeaustauscher 14 und einem Magazin 19, aber es ist natürlich möglich, mehrere solche Anlagen parallelzuschalten oder statt eines Wärmeaustauschers mehrere solche an eine Zisterne und ein Magazin anzuschliessen.
Um die Grosse der Wärmeaustauscher zu vermindern, können mehrere kleinere Wärmeaustauscher hintereinandergeschaltet werden, wobei jedoch immer noch das Gegenstromprinzip beibehalten wird.
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In Fig. 6 werden vier Wärmeaustauscher gezeigt, die alle dem oben beschriebenen ähnlich sind. Die Wärmeaustauschflächen 44 der einzelnen Wärmeaustauscher 43 sind über Leitungen 45 in Serie miteinander und mit der Zuflussleitung 20 für das Wärmemedium und der Ablauf leitung 21 geschaltet. Das Abwasser strömt von der Zisterne 9 durch die Leitung 12 im Gegenstrom durch die Wärmeaustauscher, die somit aneinander durch die Leitungen 46 für das Abwasser angeschlossen sind.
In Fällen, in denen Abwasser ununterbrochen zufliesst, ist es
nicht notwendig, das Magazin 19 zu verwenden, sondern das wärmeaufnehmende Wasser kann direkt an den Verdampfer der Wärmepumpe angeschlossen werden. Statt Wasser als Wärmenedium können andere, in der Technik vorkommende und allgemein verwendete Wärmemedien angewandt werden.
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Claims (13)

  1. Karl Lennart Litzberg, Stockholm (Schweden)
    Verfahren und Anlage zur Rückgewinnung von Warms aus Abwasser.
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Abwasser, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser in einen Sammelteil (9) eingeführt wird, aus dessen oberem Teil einer Wärmeaustauschereifiheit (14) zugeführt wird, von wo das abgekühlte Abwasser in den unteren Teil des Sammelteils (9) eingeführt wird, um von dort abgeführt zu werden, dass das in der Wärmeaustauschereinheit (14) zirkulierende, durch das Abwasser erwärmte Wärmemedium dem Verdampfer (23) einer Wärmepumpe zugeführt wird und danach in die Wärmeaustauschereinheit (14) zurückgeführt wird.
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    -Z-
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmemedium von der Wärmeaustauschereinheit (14) dem oberen Teil eines Magazins (19) zugeführt wird und dass das Wärmemedium hinter dem Verdampfer (23) der Wärmepumpe in den unteren Teil des Magazins (19) eingeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t, dass das Wärmemedium in konzentrisch in der Wärmeaustauschereiriheit (14) innerhalb eins ^ er vorgesehenen, im wesentlichen zylinderförmigen Wärmeaustauschflächen (15) eingeführt wird, ausgehend von der äusseren Oberfläche, und dass das Wärmemedium von der innersten Fläche dem Verdampfer (23) zugeführt wird, und dass das Abwasser so geführt wird, dass es um die Wärmeaustauschflächen (15) herum fliesst ausgehend von der innersten Oberfläche und dass das Abwasser von dem Bereich der äusseren Oberfläche dem Sammelteil (9) zugeführt wird.
  4. 4.. Anlage zur Wärmerückgewinnung aus Abwasser, gekennzeichnet durch eine Zisterne (9) mit einer Zuflussleitung (5) für Abwasser und einem zum Anschluss des Abwassers an eine Ableitung (7) angeordneten Auslass am Boden der Zisterne (9), eine Wärmeaustauschereinheit (14), eine diese mit dem oberen Teil der Zisterne (9) verbindende Leitung (12) zum Transport warmen Abwassers zur Wärmeaustauschereiriheit (14) sowie eine die Wärmeaustauschereinheit mit der Zisterne verbindende Leitung (13) zum Transport des Abwassers von der Wärmeaustauschereiriheit zur Zisterne, in der Wärmeaustauschereiriheit (14) vorgesehene Schlangen (15) für ein darin zirkulierendes Wärmemedium zur Aufnahme der Wärme aus dem Abwasser, ein Leitungssystem (24, 25), das durch das Abwasser erwärmtes Wärmemedium einem Verdampfer (23) zuführt, sowie ein Leitungssystem (26, 20) für in dem Verdampfer abgekühltes Wärmemedium, das den Verdampfer (23) mit den Schlangen (15) verbindet, wobei
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    der Verdampfer einen Teil einer Wärmepumpe (22) darstellt.
  5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschereinheit (14) aus
    wenigstens einem Wärmeaustauscher besteht, der ein zylindrisches Gehäuse (29) umfasst mit darin konzentrisch und im Abstand voneinander angeordneten und miteinander verbundenen Zylindermantelförmigen Wärmeaustauscherflächen (15) und konzentrisch zwischen diesen angeordneten Wände (36),, wobei die Leitung (12) für den Transport von warmem Abwasser ^zum Wärmeaustauscher (14) im Bereich der innersten Wärmeaustauscherfläche in dem Gehäuse mündet und die Leitung (13) für den Transport des Abwassers zu der Zisterne (9) sich an den radial äussersten Teil des Gehäuses anschliesst und wobei das Leitungssystem (21, 25) für erwärmtes Wärmemedium an die innerste Wärmeaustauschfläche angeschlossen ist und das Leitungssystem (26, 20) für abgekühltes Wärmemedium an die äussere Wärmeaustauschfläche angeschlossen ist.
  6. 6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse (29) so angeordnet ist, dass seine Achse vertikal liegt und dass die Wärmeaustauschflächen (15) bestreichende Reinigungsorgane (41) vorgesehen sind, die sich in der axialen Richtung des Gehäuses von einem um die Achse drehbaren Trägerorgan (38) aus erstrecken.
  7. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zisterne (9) und die Wärmeaustauschereinheit (14) miteinander kommunizierende Gefässe bilden und dass die Zirkulation des Abwassers durch die Wärmeaustauschereinheit (14) durch die Bewegung der Reinigungsorgane erzielt wird.
  8. 8. Anlage nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Zisterne (9)
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    an ein Niveaurohr (10) angeschlossen ist, das in der Ablauf leitung (7) mündet, die zwischen dem Niveaurohr und dem Boden der Zisterne eine mit Ventil (11) ausgerüstete Nebenschlussleitung bildet.
  9. 9. Anlage nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichne t, dass das Leitungssystem für erwärmtes Wärmemedium aus einer ersten Leitung (21) besteht, die im oberen Teil eines Magazins (19) mündet, von wo eine zweite Leitung (25) zu dem Verdampfer (23) führt, und dass das Leitungssystem für abgekühltes Wärmemedium aus einer dritten Leitung (26) besteht, die von dem Verdampfer (23) her in dem unteren Teil des Magazins (19) mündet, von wo eine vierte Leitung (20) zu dem Wärmeaustauscheraggregat (14) führt.
  10. 10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Leitungen (21, 25) in einem ersten, gemeinsamen, nach oben gerichteten Diffusor (8) münden, dessen Mündung nahe dem Flüssigkeitsniveau in dem Magazin (19) liegt, und dass die dritten und vierten Leitungen (2$, 20) in einem anderen gemeinsamen, nach unten gerichteten Diffusor (28) münden, dessen Mündung in der Nähe des Bodens des Magazines (19) liegt.
  11. 11. Anlage nach einem der Ansprüche 4 - 10, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Leitung (12) für warmes Abwasser an einen im oberen Teil der Zisterne (9) vorgesehenen und sich oberhalb der Oberfläche des Abwassers erstreckenden Siebkorb (16) angeschlossen ist und dass die Leitung (13) für den Transport des Abwassers von der Wärmeaustauschereinheit (14) zur Zisterne (9) in einem nach unten gerichteten Diffusor (28) iründet, dessen Mündung nahe dem Boden der Zisterne liegt.
  12. 12. Anlage nach einem der Ansprüche 5 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschereinheit aus zwei oder mehreren Wärmeaustauschern (43) besteht, deren
    130019/074?
    - ς.
    Wärmeaustauschflächen (44) hintereinandergeschaltet sir.:! (45) und die bezüglich des Stromes des Abwassers durch die Wärmeaustauscher hintereinandergeschaltet sind (46).
  13. 13 0 0 19/0747
DE19803039505 1979-10-24 1980-10-20 Verfahren und anlage zur rueckgewinnung von waerme aus abwasser Ceased DE3039505A1 (de)

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