Способ утилизации низкопотенциального тепла сточных вод


 


Владельцы патента RU 2480683:

Учреждение Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН (ГИ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления и горячего водоснабжения небольших производственных помещений, индивидуальных жилых домов, отдельных сооружений при использовании низкопотенциальных природных источников тепла, хозбытовых стоков и других тепловых отходов. Способ утилизации низкопотенциального тепла сточных вод реализуют с использованием теплового насоса и выносного теплообменника, размещенного внутри погруженной в сточные воды полой колонны эрлифта. В колонне эрлифта создают зоны интенсивного образования воздушно-водяной смеси с регулируемой скоростью подъема. Воду, прошедшую через теплообменник, подают в испаритель теплового насоса через подогреватель с встречным потоком теплоносителя, например воды, нагретой тепловым насосом для нужд горячего водоснабжения. Частично охлажденный в подогревателе теплоноситель подают внутрь колонны эрлифта в зону образования воздушно-водяной смеси через сопло, направленное вверх. Изобретение направлено на повышение эффективности работы теплового насоса и, как следствие этого, повышение в конечном счете температуры воды в системе отопления в зимнее время года. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления и горячего водоснабжения небольших производственных помещений, индивидуальных жилых домов, отдельных сооружений при использовании низкопотенциальных природных источников тепла, хозбытовых стоков и других тепловых отходов.

Существующая возможность обеспечивать с помощью тепловых насосов потребность в воде, нагретой до температуры 50-70°С (для использования в системах отопления и горячего водоснабжения) позволяет утилизировать невостребованное до последнего времени низкопотенциальное тепло сточных вод, в огромных количествах непрерывно направляемых на очистку по канализационным сетям мегаполисов, небольших городов и рабочих поселков. При этом, благодаря такому свойству используемого в тепловых насосах хладагента, как его способность испаряться при температуре равной всего 0-3°С, они могут утилизировать тепло сточных вод с температурой, не превышающей 5-8°С.

Однако, как известно, эффективность работы теплового насоса, характеризующаяся коэффициентом преобразования затраченной электрической энергии в произведенную тепловую энергию (коэффициент φ), существенно зависит от температуры теплоносителя - воды, поступающей в испаритель теплового насоса.

Для примера можно привести данные по тепловым насосам АО "Энергия" (г.Новосибирск).

°С 5 10 15 20 25 30 35
φ 3,60 4,06 4,60 5,35 5,98 6,64 7,19

Известно также, что такие физические характеристики воды, как ее теплопроводность λ Вт/м2·°С, кинематическая вязкость ν м2/с и число Прандтля Рr (определяющие интенсивность передачи тепла от сточных вод воде, циркулирующей в контуре испарителя теплового насоса) тоже зависят от температуры воды (см. Теплотехнический справочник. М.: Энергия, 1976 г., том 2, стр.159) и при ее повышении будут изменяться в лучшую сторону.

В целом приведенные сведения ориентируют поиск путей совершенствования способов утилизации низкопотенциального тепла в направлении использования теплоносителей с максимально возможной повышенной температурой.

Известен способ утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод, согласно патенту РФ №2243460 (МПК F25B 30/00), позволяющий использовать с помощью теплового насоса тепло шахтной воды с температурой порядка 10°С, а также повышать эффективность работы теплового насоса за счет утилизации тепла сточных вод, например, банно-прачечного хозяйства угольной шахты, с температурой 30-35°С, которые перед сбросом в канализацию очищаются, аккумулируются в теплоизолированной емкости и затем, благодаря последующей многократной циркуляции в контуре испарителя теплового насоса, охлаждаются до 10°С.

Недостатком указанного способа, наряду с необходимостью очистки теплоносителя, является то обстоятельство, что при 4-сменном режиме работы шахты и соответствующим ему суточном графике работы бани (1-2 часа после каждой смены) поступление теплоносителя (при том в ограниченном количестве) носит неравномерный порционный характер и поэтому такой способ может быть целесообразным лишь для определенных конкретных условий, для которых очевидно он и был предложен.

Известен также способ утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод, согласно патенту РФ №2155302 (МПК F24D 17/02), с использованием теплового насоса и выносного теплообменника, связанного с испарителем теплового насоса промежуточным циркуляционным контуром, при этом в качестве источника тепла используется приемный колодец сточных вод городской канализационной сети, температура которых обычно колеблется в пределах 20-22°С.

Так как в течение часа через колодец проходят сотни кубометров сточных вод, движущихся со значительной скоростью, передача тепла воде, циркулирующей в контуре испарителя теплового насоса, происходит в целом при достаточно благоприятных условиях. Однако эффективно утилизировать таким способом тепло хозбытовых сточных вод, пребывающих в состоянии покоя или движения со скоростью, близкой к нулю, как это имеет место, например, при биологической очистке сточных вод в открытых аэротенках, невозможно в связи с тем, что именно скорость движения теплоносителя является одним из основных факторов, определяющих, наряду с температурным напором, интенсивность процесса теплопередачи.

Известен, принятый нами за прототип, способ утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод, согласно патенту РФ №2347145 (МПК F25B 30/00), с использованием теплового насоса и выносного теплообменника, размещенного внутри полой колонны эрлифта, погруженной в сточные воды, проходящие биологическую очистку в открытом аэротенке и пребывающие в состоянии покоя или движения со скоростью, близкой к нулю. При этом вокруг теплообменника создают, с помощью сжатого воздуха и щитов ограждения, зону интенсивного образования воздушно-водяной смеси, которая будучи менее плотной, чем окружающая эрлифт вода аэротенка, поднимается вверх по колонне с регулируемой скоростью, что и обеспечивает условия, необходимые для непрерывной передачи тепла воде, циркулирующей в контуре испарителя теплового насоса.

Недостаток указанного способа связан с тем, что в холодные снежные зимы, когда температура очищаемой в аэротенке воды опускается до 3-5°С, существенно снижается эффективность работы теплового насоса, что приводит к падению температуры воды в системе отопления объекта теплоснабжения.

Задачей настоящего изобретения является совершенствование способа утилизации тепла, содержащегося в проходящих биологическую очистку в открытых аэротенках хозбытовых сточных водах, как за счет повышения температурного напора и скорости движения сточных вод в зоне их контакта с выносным теплообменником, так и за счет дополнительного повышения температуры воды, циркулирующей в контуре испарителя, на входе ее в тепловой насос.

Технический результат - повышение эффективности работы теплового насоса и, как следствие этого, повышение в конечном счете температуры воды в системе отопления в зимнее время года.

Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе утилизации низкопотенциального тепла сточных вод с использованием теплового насоса и выносного теплообменника, размещенного внутри погруженной в сточные воды полой колонны эрлифта, и созданием в колонне эрлифта зоны интенсивного образования воздушно-водяной смеси с регулируемой скоростью подъема, согласно изобретению, что воду, прошедшую через теплообменник, подают в испаритель теплового насоса через подогреватель с встречным потоком теплоносителя, например воды, нагретой тепловым насосом для нужд горячего водоснабжения, при этом частично охлажденный в подогревателе теплоноситель подают внутрь колонны эрлифта в зону образования воздушно-водяной смеси через сопло, направленное вверх.

Технологическая схема заявленного способа утилизации низкопотенциального тепла сточных вод представлена на фиг.1.

Схема включает в себя следующие элементы: выносной теплообменник 1, подогреватель 2, испаритель 3 и конденсатор 4 теплового насоса, циркуляционные насосы 5, распределительную гребенку 6, сборную гребенку 7, систему отопления 8, водопровод 9, систему горячего водоснабжения 10, колонну эрлифта 11, аэротенк 12 и трубопровод подачи сжатого воздуха 13.

Утилизация тепла сточных вод согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Выносной теплообменник 1, задействованный в циркуляционном контуре испарителя 3 теплового насоса, размещают внутри полой колонны эрлифта 11, погруженной в сточные воды аэротенка 12. Воздушно-водяная смесь, образующаяся внутри колонны эрлифта за счет регулируемой подачи в нее сжатого воздуха и поднимающаяся вверх по колонне благодаря пониженной плотности, постоянно обтекая (омывая) теплообменник, передает проходящей через него воде низкопотенциальное тепло, содержащееся в сточных водах. Прошедшую через теплообменник 1 воду подают в испаритель 3 теплового насоса через подогреватель 2 с встречным потоком теплоносителя, например воды, нагретой тепловым насосом для нужд горячего водоснабжения, при этом частично охлажденный (примерно до 20-25°С) в подогревателе 2 теплоноситель подают внутрь колонны эрлифта 11 в зону образования воздушно-водяной смеси через сопло, направленное вверх (на фиг.1 это условно показано стрелочкой и делается с целью повышения скорости подъема воздушно-водяной смеси и ее температуры).

Вода, циркулирующая в контуре испарителя 3 под воздействием насоса 5, пройдя через кожухотрубный (труба в трубе) подогреватель 2 и повысив таким образом свою температуру до 25-35°С, направляется в испаритель 3, где ее тепло, полученное от сточных вод, а также - от воды, нагретой тепловым насосом для нужд горячего водоснабжения (см. фиг.1), обеспечивает испарение хладагента теплового насоса, например фреона R142b. Пройдя через компрессор теплового насоса и дополнительно повысив свое теплосодержание за счет сжатия, пары фреона под воздействием избыточного давления (порядка 15 кг/см2) направляются в конденсатор 4 теплового насоса, где переходя в жидкое состояние нагревают циркулирующую через него водопроводную воду, потребляемую как для нужд горячего водоснабжения, так и для отопления (см. на фиг.1 позиции 8, 9 и 10).

Заявленная совокупность существенных признаков позволяет, благодаря повышению температурного напора и скорости движения, повысить интенсивность процессов передачи тепла воде, поступающей в испаритель теплового насоса, что влечет за собой повышение эффективности его работы и, как следствие этого, появление возможности обеспечивать нормальную температуру в системе отопления объекта, что особенно важно в зимнее время года, когда температура очищаемой в открытом аэротенке воды опускается до 3-5°С.

Таким образом, запасы низкопотенциального тепла сточных вод, проходящих биологическую очистку в открытых аэротенках и пребывающих в состоянии покоя или движения со скоростью, близкой к нулю, могут быть с успехом востребованы и тогда, когда температура очищаемой воды не превышает 3-5°С.

Для реализации заявленного способа не требуется разработка и освоение производства сложного оборудования, так как основной элемент общей технологической схемы утилизации тепла (тепловой насос) уже много лет выпускается серийно.

Способ утилизации низкопотенциального тепла сточных вод с использованием теплового насоса и выносного теплообменника, размещенного внутри погруженной в сточные воды полой колонны эрлифта, и созданием в колонне эрлифта зоны интенсивного образования воздушно-водяной смеси с регулируемой скоростью подъема, отличающийся тем, что воду, прошедшую через теплообменник, подают в испаритель теплового насоса через подогреватель с встречным потоком теплоносителя, например воды, нагретой тепловым насосом для нужд горячего водоснабжения, при этом частично охлажденный в подогревателе теплоноситель подают внутрь колонны эрлифта в зону образования воздушно-водяной смеси через сопло, направленное вверх.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам и системам холодотеплоснабжения жилых и производственных помещений. .

Изобретение относится к технике отопления, вентиляции, горячего и холодного водоснабжения и теплоснабжения зданий. .

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах теплоснабжения. .

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах горячего водоснабжения жилых зданий. .

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления, горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, отдельных сооружений при использовании низкопотенциальных источников тепла, хозбытовых стоков и других тепловых отходов.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления, горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, отдельных сооружений при использовании низкопотенциальных источников тепла, хозбытовых стоков и других тепловых отходов.

Настоящее изобретение относится к замкнутой отопительной системе, содержащей по меньшей мере один замкнутый контур (14, 15) циркуляции текучей среды, по меньшей мере одно устройство (13, 31, 40), принимающее тепловую энергию, и по меньшей мере один потребитель (5, 6, 8, 11) тепла, отдающий тепловую энергию. В системе предусмотрен по меньшей мере один тепловой насос (23), имеющий низкотемпературную часть (22), передающий тепловую энергию от по меньшей мере одной первой части (22, 26) указанного контура (14, 15) циркуляции текучей среды к по меньшей мере одной второй части (24, 29) указанного контура (14, 15) циркуляции текучей среды. Причем имеется соединительный трубопровод (21), соединенный с низкотемпературной частью (22) теплового насоса (23) и с потребителем (5, 6, 8, 11) тепла. Технический результат заключается в повышении степени передачи тепловой энергии. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах горячего водоснабжения. Способ горячего водоснабжения, по которому воду, идущую на горячее водоснабжение, нагревают до необходимой температуры в конденсаторе теплонасосной установки за счет тепла, полученного от низкопотенциального источника в испарителе теплонасосной установки, и подают потребителям, при этом в неотопительный период, в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе используют сетевую воду, циркулирующую в замкнутом контуре системы отопления здания и нагреваемую за счет избыточного тепла помещений. Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является полное исключение тепловых потерь от трубопроводов абонентского ввода, независимость от централизованного источника тепла, а также утилизация избыточного тепла здания в неотопительный период. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, предназначено для отбора теплоты от поверхностного водотока и может применяться в составе теплонасосных установок для обеспечения их низкопотенциальной теплотой. Устройство содержит раму и присоединенные к ней изогнутую трубу с каналом для теплоносителя и грузы-якоря, труба скомпонована в трубную решетку с несколькими, по меньшей мере двумя, вертикальными рядами и несколькими, по меньшей мере двумя, горизонтальными рядами параллельных прямых участков, а рама снабжена поплавками, по меньшей мере одним, обеспечивающими раме с трубной решеткой плавучесть в воде, и соединена с грузами-якорями с помощью тросов. Технический результат - уменьшение температурных потерь в процессе передачи теплоты от водотока к теплоносителю, улучшение массогабаритных характеристик устройства, сокращение занимаемой площади, уменьшение объема теплоносителя в контуре. 3 ил.
Наверх