СПОСОБ И СИСТЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СБРОСНОГО ТЕПЛА МЕТРОПОЛИТЕНА Российский патент 2002 года по МПК H01F27/20 H01F27/10 E21F7/00 E21F17/16 

Изобретение относится к низкотемпературной теплоэнергетике и может быть использовано предпочтительно для метрополитенов.

Известна система использования сбросного тепла силовых трансформаторов /1/ (см. авторское свидетельство 1688292 по классу Н 01 F 27/22, опубл. в БИ 40 за 1991 г.), содержащая комбинацию из тепловых труб, испарительная часть которых установлена в герметических камерах с отверстиями для входа и выхода воздуха и клапанами у отверстий, управляемыми от блока управления. Эта система непригодна для метрополитена, использующего силовые трансформаторы с воздушным охлаждением.

Известна автономная система /2/ отопления служебных помещений Минского метрополитена, содержащая два тепловых насоса, которые позволяют утилизировать тепло трансформаторного зала (см. журнал "Метро" за 1997г., 3-4, с. 32). Из-за суточных колебаний нагрузки трансформаторов и сезонных изменений в потребности отопления помещений сбросное тепло трансформаторов используется неэффективно.

Известен способ /3/ использования сбросного тепла трансформаторов с комбинированным охлаждением (см. журнал "Дэнки кекай дзаса, J. Japan Electric Association" за 1986г., 750, с. 23-32), по которому осуществляют циркуляцию нагретого масла трансформатора через теплообменник, размещенный в вентиляционной трубе. Через трубу пропускают воздух, с помощью которого отбирают тепло из циркулирующего масла. Нагретый воздух направляют в теплонасосную установку, с помощью которой извлекают тепловую энергию из воздуха и используют ее для нагрева воды до большей температуры и отводят воду в резервуар. Эту воду и применяют для отопления. Одновременно с помощью теплонаcосной установки получают холодную воду, которую накапливают в другом резервуаре и используют в системе кондиционирования.

Однако в случае утечки масла и смешивании его паров с охлаждаемым воздухом может возникнуть взрывоопасная смесь.

Известна также система использования сбросного тепла воздуха /4/ из тоннелей метрополитена (см. журнал "Soc. of Heating, Air Сonditioning and Sanitary Engineering of Japan" 1999 г., 64 11, с. 921-925). Эта система принята в качестве прототипа настоящего изобретения и содержит теплообменник, смонтированный на отводящем воздухопроводе. Радиатор теплообменника через компрессор сообщен со вторым теплообменникам, внутри которого размещен змеевик, сообщенный трубопроводами с таким же змеевиком замкнутой схемы циркуляции воды. Второй змеевик, в свою очередь, размещен внутри цилиндрического баллона, сообщенного через второй компрессор со вторым цилиндрическим баллоном, снабженным змеевиком схемы циркуляции воды, используемой для отопления помещений и выдачи кипятка. Турбинные приводы компрессоров приводят в действие паром из перового котла, обогреваемого газом городской газовой сети. Отработанный пар в виде теплого конденсата через третий цилиндрический баллон возвращают в котел, дополнительно нагревая воду. В схему теплоснабжения включен змеевик горячей (конденсационной) секции теплового насоса, а схема охлаждения кондиционера помещения включена в змеевик холодной (испарительной) части секции теплового насоса. Система автоматического регулирования (CAP) управляет работой системы, которая использует тепло сбросного воздуха тоннелей.

Однако из-за жестких требований к качеству воздуха в метрополитене обмен воздуха должен осуществляться с большой скоростью, что приводит к выносу большой массы воздуха, обладающего тепловой энергией, несмотря на многоступенчатость извлечения тепла известной системой. Все это ограничивает объем отапливаемых помещений метрополитена, не говоря уже о коммерческом предложении избытка тепловой энергии городу.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности извлечения энергии из сбросного тепла низкопотенциальных и высокопотенциальных источников в метрополитене, как например воздуха внутри тоннелей и силовых трансформаторов.

Указанная цель достигается тем, что трансформатор охлаждают воздухом с помощью вентилятора в закрытом помещении и осуществляют термический контакт циркулирующего воздуха с водой, проходящей через радиатор теплообменника, из которого нагретую воду сливают в регенеративный резервуар. В этот резервуар поступает самотеком через первый трубопровод вода из тоннелей метрополитена, которая имеет температуру 18-20^oC и используется в качестве низкопотенциального источника энергии. При движении поездов в тоннелях метрополитенов вследствие термодинамического эффекта нагревается воздух, передающий свое тепло воде, скапливающейся в лотках из-за проникания внутрь через неплотности обшивки тоннелей из грунта. Смешивая воды от двух источников тепла: трансформатора и тоннеля метрополитена увеличивают общий объем тепловой энергии, которую можно извлечь с помощью теплового насоса. Нагретую воду из регенеративного резервуара по второму трубопроводу подают на вход теплового насоса, охлажденную воду с его выхода - в радиатор теплообменника трансформатора, а змеевиком конденсаторного выхода теплового насоса нагревают змеевик системы отопления служебных помещений. В случае возникновения излишков тепловой энергии горячую воду направляют в аккумулирующий резервуар, откуда извлекают по мере надобности.

На прилагаемом чертеже изображена система для осуществления способа использования сбросного тепла метрополитена.

Система содержит тепловой насос 1 с электроприводом и первым теплообменником 2, нагревательные батареи 3 в служебных помещениях и второй теплообменник 4 в закрытом помещении подстанции, регенеративный резервуар 5, аккумулирующий резервуар 6, водяные насосы 7 и 8, вентиляторы 9 и 10 с электроприводами, а также вентили 11-17, управляемые системой автоматического регулирования (CAP) (не изображена).

Лоток 18 для накопления воды, проникающей через неплотности обделки тоннеля из грунта, сообщен первым трубопроводом 19 с регенеративным резервуаром 5, который размещен ниже ходового рельса тоннеля метрополитена. Регенеративный резервуар 5 через вентиль 12 вторым трубопроводом сообщен с входом теплового насоса 1, охлаждающий выход которого сообщен с радиатором 20 теплообменника 4, заведенным в закрытое помещение 21 подстанции с трансформатором 22. Выходной конец второго теплообменника 4 через третий трубопровод 23 выведен в регенеративный резервуар 5, а конденсаторный выход теплового насоса 1 сообщен со змеевиком 24 первого теплообменника 2, в котором размещен змеевик 25, включенный в систему водяного отопления служебных помещений.

Аккумулирующий резервуар 6 предназначен для хранения излишней тепловой энергии про запас и размещен ниже регенеративного резервуара 5, сообщенного четвертым трубопроводом с вентилем 15 для поступления самотеком воды из регенеративного резервуара 5 в аккумулирующий резервуар 6, причем резервуары 5 и 6 параллельно сообщены между собой системой перекачки воды через змеевик 26, размещенный также в первом теплообменнике 2 теплового насоса 1, снабженную отдельным насосом 7 на пятом трубопроводе с вентилем 11. Аккумулирующий резервуар 6 сообщен шестым трубопроводом с входом теплового насоса 1 через общий со вторым трубопроводом вентиль 12. Выходной конец змеевика 26 через трубопровод 28 введен в аккумулирующий резервуар 6. Регенерирующий и аккумулирующий резервуары снабжены седьмым трубопроводом с вентилем 16 и восьмым трубопроводом 29 с вентилем 17 для сброса излишней воды в городской водосток.

Использование изобретения
Вода, нагретая воздухом тоннеля метрополитена вследствие термодинамического эффекта, возникающего при движении поездов, из лотка 18 самотеком поступает через первый трубопровод 19 с температурой 18-20^oС в регенеративный резервуар 5, откуда ее через второй трубопровод при открытом вентиле 12 забирают тепловым насосом 1, с помощью которого извлекают тепловую энергию, охлаждая воду до температуры + 5-6^oС. Охлажденную воду с испарительного выхода теплового насоса 1 пропускают через изогнутый в форме петли радиатор 20 второго теплообменника 4. Посредством вентилятора 10 создают циркуляцию воздуха вокруг трансформатора 22 и внутри теплообменника 4 (как это изображено стрелками). Нагретую сбросным теплом трансформатора 22 воду до температуры 20-25^oС по третьему трубопроводу 23 возвращают в регенеративный резервуар 5, где смешивают с водой из лотка 18.

Тепло конденсации рабочего тела из змеевика 24 теплового насоса 1 передают змеевикам 25 и 26, размещенным в общем теплообменнике 2, нагревая воду внутри змеевиков до температуры 50-60^oС. Змеевик 25 является элементом замкнутой системы водяного отопления служебных помещений, содержащей радиаторы 3, через которые посредством насоса 8 прогоняют нагретую воду. Змеевик 26 включен в систему перекачки воды и нагретую воду из него сливают по трубопроводу 28 в аккумулирующий резервуар 6. Система автоматического регулирования (CAP) задает темп работы насосов 7 и 8 в соответствии с требованиями поддержания заданной температуры в служебных помещениях. Если нет потребности в обогреве служебных помещений, то насос 8 выключают и вся тепловая энергия передается на змеевик 26, из которого горячую воду с температурой 60^oС сливают в аккумулирующий резервуар 6.

При возрастании потребности в горячей воде переключают вентиль 12 и через четвертый трубопровод 27 подают на вход теплового насоса 1 воду из аккумулирующего резервуара 6 с температурой выше 50^oС, что значительно увеличивает эффективность работы теплового насоса и позволяет повысить температуру в отапливаемых помещениях или передать часть горячей воды новому потребителю.

При открытых вентилях 16 и/или 17 излишки воды сбрасывают в городской водосток.

Преимуществами предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы теплового насоса, позволяя ему одновременно и параллельно извлекать тепловую энергию от движения поездов и сбросную энергию от охлаждения силовых трансформаторов. Экономия затрат на отопление многочисленных служебных помещений может быть значительной.

Использование: для метрополитенов. Технический результат заключается в повышении эффективности извлечения энергии из тепла воздуха внутри тоннелей и от силового трансформатора. В качестве рабочего вещества, аккумулирующего тепловую энергию воздуха, нагретого от движения поездов по тоннелю, используют воду, скапливающую в тоннеле и нагретую до температуры 18-20^oС. С помощью теплового насоса извлекают энергию из воды и используют для отопления помещений, а охлажденную тепловым насосом воду используют для охлаждения воздуха, циркулирующего в камере, где установлен силовой трансформатор, и забирают его сбросное тепло. Нагретую до температуры 20-25^oС воду из камеры трансформатора смешивают в регенеративном резервуаре с водой из тоннеля и используют для более высокой эффективности выделения тепловой энергии тепловым насосом. Предусмотрена система аккумулирования излишков тепла и их использование при возрастании потребности в отоплении помещений. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ использования сбросного тепла метрополитена, согласно которому силовой трансформатор охлаждают воздухом с помощью вентилятора в закрытом помещении и нагревают этим воздухом теплообменник с водой, нагретую воду, из которого сливают в регенеративный резервуар, из которого нагретую воду подают в тепловой насос для увлечения тепловой энергии, которую передают другому теплоносителю, в качестве которого используют воду отопительной системы помещений, отличающийся тем, что в качестве первичного теплоносителя используют воду из тоннеля метрополитена, нагретую от движения поездов, и самотеком направляют в регенеративный резервуар, где она смешивается с водой, нагретой при охлаждении силового трансформатора, полученную смесь забирают в тепловой насос, из которого охлажденную воду пропускают через указанный теплообменник, нагретую воду от змеевика теплового насоса направляют в замкнутую систему водяного отопления служебных помещений. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанную смесь из регенеративного резервуара подают с помощью насоса в змеевик, нагреваемый от змеевика теплового насоса, и спускают в аккумулирующий резервуар. 3. Система для осуществления способа использования сбросного тепла метрополитена, отличающаяся тем, что содержит тепловой насос с первым теплообменником, регенеративный резервуар, который размещен ниже ходового рельса в тоннеле метрополитена и сообщен первым трубопроводом с лотком первичного теплоносителя, в качестве которого используется вода из тоннеля метрополитена, нагреваемая от движения поездов по туннелю, а вторым трубопроводом - с входом теплового насоса, охлаждающий выход которого сообщен с радиатором второго теплообменника в закрытом помещении, где установлен силовой трансформатор, подлежащий охлаждению, выходной конец указанного второго теплообменника через третий трубопровод выведен в регенеративный резервуар, а конденсаторный выход теплового насоса сообщен со змеевиком первого теплообменника, в котором размещен змеевик, включенный в систему водяного отопления служебных помещений. 4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что содержит аккумулирующий резервуар, размещенный ниже регенеративного резервуара, сообщенного четвертым трубопроводом с вентилем для поступления самотеком воды из регенеративного резервуара в аккумулирующий резервуар, и систему перекачки воды из регенеративного резервуара в аккумулирующий резервуар через змеевик, размещенный также в первом теплообменнике теплового насоса, снабженную отдельным насосом на пятом трубопроводе, сообщенным одним концом через вентиль с регенеративным резервуаром, а другим - с аккумулирующим резервуаром, который сообщен шестым трубопроводом с входом теплового насоса через общий со вторым трубопроводом вентиль. 5. Система по п.3 или 4, отличающаяся тем, что регенеративный и аккумулирующий резервуары снабжены седьмым и восьмым трубопроводами с вентилями для сброса излишней воды в городской водосток.