Способ утилизации низкопотенциального тепла сточных вод

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.