从管道中流动的流出物特别是废水中提取热量的方法、以及实施该方法的热交换器和材料的制作方法
【专利摘要】从在管道（1）尤其是废水收集器中流动的流出物（2）中提取热量的方法，根据该方法，至少在管道底部安装浸在流出物中的热交换器（E），热交换器（E）通过用具有足够导热性的导热混凝土包覆管子（3）而形成，导热混凝土围绕用于使载热流体流动的管子（3）浇注，与管道流出物的热交换穿过浇注的包覆体进行，包覆体的混凝土包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度导热材料的针状装填物、粘合剂以及氧化铝、金属粉末或碳的补充物。
【专利说明】从管道中流动的流出物特别是废水中提取热量的方法、以及实施该方法的热交换器和材料
【技术领域】
[0001]本发明涉及从管道中尤其是废水收集器中流动的流出物提取热量的方法，根据该方法，至少在管道底部安装浸在流出物中的热交换器，该热交换器通过用具有足够导热性的混凝土包覆管子而形成，混凝土浇注在用于载热流体流动的管子周围，与管道排出物的热交换穿过混凝土层进行。
【背景技术】
[0002]废水的收集器或排泄管道输送废水，由于来自居民或第三产业，或来自团体或工业活动，这些废水是温热的。其温度一般包括在15°C至20°C之间。
[0003]这些水的明显的热量是一种可回收的能源，用于通过与热泵结合满足建筑物加热、卫生热水的生广或各种其它热需求。
[0004]DE3521285和EP1215460示出了废水收集器和埋在收集器的混凝土壁中的热交换器。从制造和使用的观点看，这种交换器的成本相比于金属零件形成的热交换器是有利的。但是，穿过混凝土的热传递需要改进，同样该交换器的机械强度也需要改进，它要能够承受操作人员的踩踏。
【发明内容】
[0005]本发明的目的尤其在于提出可以得到此类交换器的方法，其中同时提高导热效果和交换器的坚固性。
[0006]根据本发明，用于从管道尤其是前面确定的废水收集器中流动的流出物中提取热量的方法的特征在于，包覆体的混凝土包括至少50%质量的碳化硅、和高机械强度的导热材料制成的针状装填物、粘合剂和氧化铝、金属粉末或碳的补充剂。
[0007]针状装填物优选大于2%的质量。针状装填物的针可以是金属的，特别是碳钢或铝制成的，或者可以由碳制成。针的直径优选小于0.5毫米，针的长度优选小于10_。
[0008]有利地，绝热材料层置于管子与管道的壁之间；导热混凝土层与管子接触，置于管子与流出物之间；以及，在表面，耐磨材料层被置于与流出物接触。
[0009]在浇注包覆材料前，在交换器的一部分的整个伸展范围上在管子上方可以展开金属的或合成纤维制成的中间网，以便加强机械强度和/或者改善热传递。
[0010]管子可以是波纹管。有利地，管子由塑料制成。这些管子优选是柔性的。
[0011]本发明还涉及用于利用在管道尤其废水收集器中流动的流出物提取热量的交换器，该交换器至少安装在管道的底部，以便浸在流出物中，交换器由埋在导热混凝土中的管子构成，导热混凝土围绕用于载热流体流动的管子浇注，与管道的流出物的热交换穿过浇注的包覆体进行，其特征在于，包覆体的混凝土包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度导热材料的针状装填物、粘合剂以及氧化铝、金属粉末或碳的补充物。
[0012]埋在混凝土中的管子优选是波纹管。埋在混凝土中的管子可以是塑料制成的。这些管子可以是柔性的。
[0013]有利地，针状的混凝土装填物至少为2%的质量，针状装填物的针优选是金属针，特别由碳钢、铝或碳制成，或者由碳制成。粘合剂一般由水泥构成。
[0014]交换器最好按照前面所述的方法形成。
[0015]本发明还涉及用于实施上述方法的材料，该材料的特征在于，所述材料是由包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度的导热材料制成的针状装填物、粘合剂以及氧化铝、金属粉末或碳的补充物的混合物构成的。
[0016]有利地，针状装填物至少为2%的质量。针可以是金属的，特别是碳钢或铝制成的，或者碳制成的。
[0017]由于具有高导热性的碳化硅，根据本发明的包覆材料的导热率明显提高。与氧化铝和粘合剂结合的碳化硅形成便于使用的混凝土类型。
[0018]根据本发明的包覆体的混凝土由可以得到具有附着性和机械强度的复合物的组合形成。氧化铝的导热性比传统混凝土的导热性更高，这样可以得到比包含常用混凝土的混合物的导热性更高的复合物导热性。
[0019]加入到碳化硅和氧化铝的组合中的针状装填物可以提高碳化硅-氧化铝混合物的机械强度，但还通过产生便于热流通过的热桥而提高它的热传导率。
[0020]得到的混合物的机械性能，尤其是它的大的机械强度可以使其在承受强应力的环境中使用，例如穿着带有鞋钉靴子的操作者通过，或者工具从人的高度掉落。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]除了上述设置外，本发明还在于一些其它设置，下面针对参照非限定性附图描述的实施例更清楚地涉及这些设置:
[0022]图1是下部装有根据本发明的交换器的废水收集器的垂直剖面。
[0023]图2是在根据本发明的交换器就位前，具有被损坏的下部的废水收集器的垂直剖面。
[0024]图3是一实施变型的局部放大剖面，以及
[0025]图4是根据本发明的交换器的包覆用波纹管的示意性局部纵向剖面。
【具体实施方式】
[0026]参照附图尤其是图1，可以看到管道1，该管道形成具有自由表面的流动的废水2的收集器。在管道I的下部安装有浸在废水2构成的流出物中的热交换器E。
[0027]交换器E是浇注的，并由可弯曲的、柔韧的、优选波纹的、或在需要时光滑的管子3的层构成，管子在管道的纵向上互相平行地布置。现场在管子3上浇注导热混凝土 4，混凝土固化后保证机械保护和热交换的双重功能。管子3可以是半刚性的，金属的。
[0028]管子3不需要具有内在机械强度；它们应允许使载热流体5无泄漏危险地流动，并有优化的热交换。对此，塑料(聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE或其他)制成的波纹管可以同时增加交换面积(约20%)，并且由于波纹管的剖面导致的涡流状态，该波纹管尤其可增加内表面交换系数，如图4所示。
[0029]包覆管子的混凝土 4包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度导热材料的针状装填物、粘合剂以及氧化铝补充物。粘合剂一般由水泥构成。
[0030]碳化娃的含量可达90%的质量。针状装填物优选至少为2%的质量。
[0031 ] 针状装填物优选是金属的，或由碳形成。金属的针有利地由碳钢或铝制成。
[0032]针的直径一般小于0.5毫米,长度一般小于10mm。
[0033]根据本发明的混凝土的导热性比传统混凝土的导热性明显提高，同时，由于针的存在，混凝土的机械强度、尤其表面的机械强度大大提高。
[0034]根据本发明的导热混凝土 4具有非常好的耐压和耐腐蚀性、良好的导热性，并增加流体一侧和废水一侧的面积交换系数。
[0035]废水的热交换器在管道的下部使用，并且通过图1所示的废水的具有自由表面的
流动被覆盖。
[0036]热交换器系统由两个不同的部分构成:
[0037]—碳化硅、氧化铝和针，尤其是铁针的导热混合物层4，该层覆盖管道I的底部并与底部形状吻合，
[0038]一被禁锢在该导热材料层4内的管3的网，特别是塑料制成的波纹管的网。
[0039]因此，包含在废水2中的热量通过导热材料4和管子3传递给在管子3中流动的载热流体5。
[0040]使用波纹管子3不仅允许增加导热材料4与管子3之间的交换面积，还可在管子3中流动的载热流体5中产生涡流T (图4)，这改善了管子3内壁上的交换条件。
[0041]由于管子3的一系列环形，导热混凝土和埋在导热混凝土中的波纹管3的结合可以得到混凝土与管子之间的良好机械连接。另外，不仅通过混凝土的特性，还通过增加交换面积和对载热流体5产生涡流状态的波纹管的作用，促进热交换。
[0042]热交换器E按照废水的流动方向分为几部分，其中尺寸将被调节，以使载热流体5大约被加热4°C，尤其是4°C至8°C。对于交换器的每个部分，收集器(未出示)为管子3提供冷的载热流体。在热交换器E中经过后，被加热的载热流体通过其它收集器(未出示)被导向热泵。载热流体在封闭线路中流动。借助Tichlmann环有利地实现整体的水力平衡。
[0043]符合本发明的导热混凝土可以通过向管道I的内壁喷射来实施，与实施不锈钢制成的交换器的方法相比，这显著减少了安装时间和操作的复杂性。
[0044]本发明的方法适用于各种形状的管道，并且可以由具有使用传统混凝土所必需能力的施工队实施。
[0045]除了废水的成分外，管道承受一些应力，这些应力对浸没的下部产生特别明显的磨损。
[0046]除了可以产生对废水的热交换方法外，根据本发明的新材料具有可以修理下部6被破坏的管道Ia (图2)的优点。在管道Ia的下部放置根据本发明的热交换器E，而不是更换磨损管道，这样可以借助将覆盖管道底部的导热混凝土来修理该管道。
[0047]混合物的高机械强度保护热交换系统，防止任何损坏，并且可以使其具有与各种废水收集器的刮除方法的兼容性。
[0048]为了形成交换器，通过各种适当方法使管子3靠着管道I的壁的内表面预先被固定。然后将用于包覆的混凝土 4围绕管子3浇注、优选喷射，以便就地硬化。
[0049]可以在管道I的内表面与包括在该管道中的交换器E之间设置保护膜6，尤其是塑料制成的片材。
[0050]另外，按照废水的流动方向，在交换器E的每个部分的整个长度上在管子3上方有利地展开中间网7，尤其是金属的或合成纤维的中间网，覆盖整个管子3的层。网7加强机械强度。当该网由导热材料尤其是金属的导热材料制成时，该网7有助于热传递。
[0051]如图3的变型所示，管子3的包覆体可以由多个不同性质的材料层实施，SP:
[0052]一在管子3与管道I的壁之间、或当设有薄膜时在管子3与薄膜6之间的绝热材料层8;
[0053]—在管子3与流出物之间的与管子接触的根据本发明的导热混凝土4层，以及
[0054]一在表面，耐腐蚀材料层9。
[0055]要指出的是，导热混凝土的机械强度的增加可以减小管子3与废水之间的混凝土层厚度，这也有利于热交换，并与改善热传导性结合。
[0056]为了根据运行参数:热功率、温度、载热流体与流出物的流量和温度、管道尺寸、横截面、展开面积、管子数量和间距、流体速度等等确定浇注的交换器的物理特征，将对每个项目形成热与流体力学模型。
[0057]投入使用后，现场运行试验可以使计算参数精细化，以便优化以后的设施。
[0058]交换器投入运行是迅速的，不需要很大的搬运工具。
[0059]一管道I被排空，用高压喷枪清洗(在需要时附加砂子)，并在接受交换器的表面喷涂挂漆。
[0060]一使缠绕在柱形卷筒上的柔韧的管子3的层进入到管道底部，并固定在管子3的间隔架件处。
[0061]一在管子3的层就位结束后的压缩空气或水的试验可以检测可能的泄漏，并进行快速修理(连接套筒)。
[0062]一在管道外(根据量使用陀螺或搅拌机)实现导热混凝土的制备:水泥+SiC+水+添加剂。
[0063]一在管子上浇注制备成膏状(几乎为液体)的导热水泥，然后振动，以装填所有间隙空腔和管子3的环形。
[0064]一可以在浇注前或浇注后使连接收集器就位在位于浇注的交换器的端部的管子上。
[0065]一为了加速水泥的凝固，可以在制备时加入添加剂。
[0066]一为了增加表面硬度，也可在表面层混合物中加入硬化树脂。
[0067]比较例子
[0068]与不锈钢制成的模块构成的废水热交换器相比，根据本发明的导热混凝土所需的交换面积大约相等。但是，实施的难度和为形成交换器而不运行收集器的时间大大减小。
[0069]与使用传统混凝土来包覆管子的方法相比，使用根据本发明的导热混凝土的方法所需的交换面积减少约四分之一。
[0070]根据本发明的导热混凝土进行的试验，对于90%质量的碳化硅(SiC)，给出的导热率为72W/m.° k。对传统的混凝土，导热率约为1.4W/m.° k。对不锈钢制成的交换器，导热率约为16W/m.° k。因此，本发明的方法带来的改进是显著的。
[0071]本发明的材料(碳化硅、氧化铝和针的导热混合物)可以用于各种同时需要热传递和良好机械性能的应用。
[0072]本发明的浇注的交换器的设计满足以下主要的技术和经济标准:
[0073]—在废水管道中流动的水与连接热泵的蒸发器的封闭线路的载热流体之间的热交换最大化。
[0074]一装置的制造和实施成本最小化。
[0075]一使设备可靠，避免任何泄漏危险，并且在局部事故情况下允许迅速修理。
[0076]一减少就地安装的干预时间。
[0077]对于管子3的选择可以在用于种菜温室的环境加热的热应用中使用的波纹软管中进行。也可使用地板加热软管。
[0078]浇注的交换器的卓越性能服从于包覆材料的导热性和载热管3与材料之间的交换面积，该面积大于平面表面的面积，因为热流通过导热率传递给管子表面，其中包括它们的下表面。
[0079]管子的包覆材料的机械强度允许限制它的厚度，并且可以在多年使用后具有腐蚀的区域进行表面修复。
[0080]浇注的交换器与废水接触的表面优选具有弯曲剖面，使得水流量小时流动速度保持最大。
[0081]在浇注的交换器的未浸没表面上的热交换将是明显的，因为热将被回收到废水管道中的饱和温和空气中。空气冷凝的潜热提高废水低流量期的热效率。
[0082]浇注的交换器的可靠性与在居住领域、第三产业和工业部门中安装的百万平方米加热地板的可靠性是同一量级的。
[0083]浇注的交换器的制造成本大大低于机械组装的不锈钢模块构成的交换器的制造成本。现场实施的成本大约为一半，并且实施期限也减少。
[0084]维护成本将最小，因为材料是防腐的，并在多年使用之后可考虑交换器的表面修理。
[0085]建造和拆卸的环境影响是有限的，因为该技术要求基本可循环使用的材料:管子、研磨的SiC等。
[0086]柔性波纹管与基于SiC的导热材料的结合可以形成性能又好又经济的热交换器。
【权利要求】
1.用于从管道(I)尤其是废水收集器中流动的流出物(2)中提取热量的方法，根据该方法，至少在管道的底部安装浸在流出物中的热交换器(E)，热交换器(E)通过用具有足够导热性的导热混凝土包覆管子(3)而形成，导热混凝土围绕用于载热流体流动的管子(3)浇注，与管道的流出物的热交换穿过浇注的包覆体进行， 其特征在于，包覆体的混凝土包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度的导热材料制成的针状装填物、粘合剂以及氧化铝、金属粉末或碳的补充物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，针状装填物大于2%的质量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针状装填物的针是金属的，特别是碳钢或招制成的，或者由碳制成。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,针的直径小于0.5毫米,长度一般小于10_。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针为铁针。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于: 一绝热材料层(8)置于管子(3)与管道(I)的壁之间， 一导热混凝土层(4)与管子接触，置于管子与流出物之间， 一以及，在表面，耐磨材料层(9)被置于与流出物接触。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在浇注包覆材料前，在交换器的一部分的整个伸展范围上在管子(3)上方展开金属的或合成纤维制成的中间网(7)，以便加强机械强度和/或者改善热传递。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，管子(3)为波纹管。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，管子(3)由塑料制成。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，管子(3)是柔性的。
11.用于利用在管道尤其废水收集器中流动的流出物提取热量的交换器，该交换器至少安装在管道的底部，以便浸在流出物中，交换器由埋在导热混凝土中的管子(3)构成，导热混凝土围绕用于载热流体流动的管子浇注，与管道的流出物的热交换穿过浇注的包覆体进行， 其特征在于，包覆体的混凝土(4)包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度的导热材料制成的针状装填物、粘合剂以及氧化铝、金属粉末或碳的补充物。
12.如权利要求11所述的交换器，其特征在于，埋在混凝土中的管子(3)是波纹管。
13.如权利要求11或12所述的交换器，其特征在于，波纹管(3)由塑料制成。
14.如权利要求11至13中任一项所述的交换器，其特征在于，管子(3)是柔性的。
15.用于实施如权利要求1至10中任一项所述方法的材料，其特征在于，所述材料是由包括至少50%质量的碳化硅、高机械强度的导热材料制成的针状装填物、粘合剂以及氧化铝、金属粉末或碳的补充物的混合物构成的。
16.如权利要求15所述的材料，其特征在于，针状装填物至少为2%的质量。
17.如权利要求15或16所述的材料，其特征在于，针状装填物的针是金属的，特别是碳钢或招制成的，或者由碳制成。
【文档编号】F16L9/08GK103688124SQ201280033385
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2011年7月6日
【发明者】F·迪昂 申请人:里昂水务法国公司