СПОСОБ ПОДОГРЕВА ВОДЫ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F24D3/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к устройствам приготовления воды для отопления, и может быть использовано в системах, работающих на основе теплоты нагретых подземных термальных вод при отоплении зданий и сооружений децентрализованным образом.

Известны способ подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения, установка для его осуществления и газовый генератор тепла для установки (Патент №20118771, бюл. №04/2004 от 02.10.2004 г.). Данный способ включает в себя формирование в контуре потока циркулирующей жидкости, например воды, а также нагретого газового потока, например продуктов сгорания, теплопередачу между этими потоками, подачу внешнего потока воды, например, для горячего водоснабжения и осуществление теплопередачи от потока циркулирующей жидкости к внешнему потоку воды, разделение потока циркулирующей жидкости после передачи тепла внешнему потоку на два потока с регулированием расхода между ними. Один из разделенных потоков циркулирующей жидкости охлаждают внешним потоком, а затем ко второму разделенному потоку по принципу противотока осуществляют передачу тепла внутри конечной по течению части нагретого газового потока, после чего разделенные потоки циркулирующей жидкости объединяют, причем в средней по течению части нагретого газового потока осуществляют теплопередачу к объединенному потоку циркулирующей жидкости, а в начальной по течению части нагретого газового потока организуют передачу тепла к объединенному потоку циркулирующей жидкости при прямотоке, при этом передачу тепла от потока циркулирующей жидкости к внешнему потоку воды осуществляют сначала от одного из разделенных потоков, а затем от объединенного потока циркулирующей жидкости после прохождения им начальной по течению части нагретого газового потока.

Этот способ подогрева воды осуществляют при помощи установки, содержащей газовый генератор тепла, сообщенные с ним газоход и дымовую трубу, выполненную в газоходе систему теплообменников, включающую, например, начальный, средний и конечный теплообменники, конденсатосборник и водо-водяной теплообменник, сообщенный по нагреваемой среде с источником внешнего потока воды и по греющей среде - с контуром циркулирующей по теплообменникам жидкости, при этом установка снабжена дополнительным водо-водяным теплообменником и регулируемым разделителем потока циркулирующей жидкости, вход разделителя сообщен с выходом водо-водяного теплообменника, один выход - с входом дополнительного водо-водяного теплообменника, выход которого сообщен с входом конечного теплообменника, второй выход разделителя и выход конечного теплообменника сообщены с входом среднего теплообменника, выход которого - с входом начального теплообменника, выход которого сообщен с входом водо-водяного теплообменника, дополнительный водо-водяной теплообменник по нагреваемой среде сообщен входом с источником внешнего потока воды, а выходом - с входом водо-водяного теплообменника. Кроме того, установка содержит дополнительный регулируемый разделитель потока циркулирующей жидкости, вход которого сообщен с выходом начального теплообменника, а выходы - с входом водо-водяного теплообменника, при этом один из них - через тепловую нагрузку, например отопительную батарею, второй газовый генератор с дымовой трубой и газоходом, в котором предусмотрены вторая система теплообменников (например, вторые начальный, средний и конечный теплообменники), вторым дополнительным водо-водяным и водо-водяным теплообменниками, соединенными с системой теплообменников, размещенных в газоходе, и с регулируемым вторым разделителем потока циркулирующей жидкости.

Известна также установка подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения (см. авторское свидетельство СССР №1557417, Кл. F24D 3/08, 1982 г.), в котором создают поток циркулирующей жидкости, например воды, и нагретый газовый поток, например, продуктов сгорания топлива, осуществляют передачу тепла, включая скрытую теплоту конденсации паров воды, от нагретого газового потока к циркулирующей жидкости, отводят из газового потока конденсат, подают внешний поток воды, например, для горячего водоснабжения и осуществляют передачу тепла от потока циркулирующей жидкости к внешнему потоку воды.

Недостатками известных изобретений являются сложность конструктивного решения установки для реализации способа подогрева вследствие наличия большого количества теплообменников как основных, так дополнительных и вторых, наличие второго газового генератора тепла, второго разделителя потока циркулирующей жидкости, выполнение теплообменников в виде коллекторов с пакетами пластин, снабженных клапанами для протока циркулирующей жидкости, что снижает надежность и увеличивает массу и габариты установки и материальные затраты на изготовление и эксплуатацию, а также использование для получения тепловой энергии газового генератора тепла с принудительной организацией процесса горения органического топлива, что связано с выбросом вредных продуктов сгорания в атмосферу.

Общим недостатком приведенных выше аналогов является невозможность использования в них энергии нагретых подземных термальных вод, обеспечивающих экологическую чистоту окружающей среды.

Из известных способов подогрева воды и установок для его осуществления наиболее близким по технической сущности является способ и устройство для их осуществления, описанные (А.Б.Алхасов, М.И.Исрапилов «Использование геотермальной энергии для подогрева подпиточной воды» - см. жн. «Водоснабжение и санитарная техника». - М.: Стройиздат, 1996, №4, с.25-26).

Сущность изобретения, описанного в прототипе, заключается в том, что с помощью теплообменников, установленных в верхних частях добычной и нагнетательной скважин на глубине 100-150 м от поверхности земли и выполненных по принципу «труба в трубе», вначале подпиточную воду нагревают от нагретых подземных термальных вод в теплообменнике, установленном в нагнетательной скважине, а затем - в теплообменнике, установленном в добычной скважине. При такой технологической схеме исходная подпиточная вода опускается по наружному межтрубному кольцевому пространству теплообменника, устроенного в нагнетательной скважине, и далее поднимается по внутреннему кольцевому межтрубному пространству. В процессе подъема подпиточной воды происходит ее нагрев за счет передачи остаточной теплоты от закачиваемой термальной воды. На поверхности подпиточная вода направляется на блок химводоочистки и далее к теплообменнику, установленному в добычной скважине. При опускании по внутреннему межтрубному кольцевому пространству происходит догрев подпиточной воды до более высокой температуры. Далее нагретая вода поднимается по наружному межтрубному кольцевому пространству и на поверхности направляется в деаэратор для удаления растворенных в ней газов и в парогенератор энергетической установки.

Таким образом, термальная вода циркулирует по замкнутому контуру «пласт - добычная скважина - наземный трубопровод - нагнетательный насос - нагнетательная скважина - пласт».

Недостатками известного способа подогрева подпиточной воды и установки для его осуществления являются низкая температура подогретой воды, что снижает эффективность его использования в системах отопления, а также сложность конструктивного оформления устройства вследствие необходимости предусмотрения блока химводоочистки и деаэратора.

Задача предлагаемого изобретения - повышение температуры подогреваемой воды за счет интенсификации процесса теплообмена на теплопередающих поверхностях скважинных теплообменников и создание установки, конструктивное решение которой позволило бы упростить реализацию способа, а именно, повысить температуру циркулирующей жидкости (сетевой воды) для использования в системах отопления до более высокой температуры (например, до 70°С).

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности теплоснабжения зданий и сооружений при одновременном упрощении конструктивного оформления установки для осуществления способа.

Сущность способа подогрева воды для отопления и установки для его осуществления заключается в формировании потока с циркулирующим первичным теплоносителем, например, нагретой подземной термальной водой, а также потока с циркулирующим по замкнутому контуру вторичным теплоносителем, например, сетевой водой, теплопередаче между этими потоками, подаче подогретой сетевой воды (вторичного теплоносителя) к отопительным приборам системы отопления. При этом вначале сетевая вода, опускаясь по наружному межтрубному кольцевому пространству в теплообменнике, установленном в нагнетательной скважине, и поднимаясь по внутреннему межтрубному пространству с продольными ребрами, предусмотренными на теплопередающей поверхности трубопровода, внутри которого циркулирует нагретая термальная вода, отбирает остаточную теплоту. На поверхности подогретая сетевая вода снова направляется в теплообменник добычной скважины, где также делает два захода, опускаясь по межтрубному пространству с продольными ребрами на теплопередающей поверхности, отбирая тепло от более нагретой термальной воды, а затем, поднимаясь по внешнему кольцевому пространству, нагревается до температуры 40-45°С и направляется на вход теплового насоса, в котором температура воды доводится до 70°С, и с помощью сетевого насоса подается на приборы (радиаторы) системы отопления.

Для реализации способа подогрева воды для отопления используют установку, схема которой приведена на фиг.1 и 2. На фиг.1 приведена принципиальная схема установки для подогрева воды, а на фиг.2 - схема теплопередающей поверхности теплообменников с продольными ребрами.

Установка содержит добычную (1) и нагнетательную (2) скважины, внутрискважинные теплообменники (3), в корпусах которых предусмотрены внутренние коаксиальные цилиндры (4) с теплоизоляционным материалом для исключения потерь тепла от подогреваемой воды, трубопроводы (5), внутри которых циркулирует первичный теплоноситель (нагретая термальная вода), а на внешних поверхностях по всей длине теплообменников предусмотрены продольные ребра (см. фиг.2), нагнетательный насос (6), трубопровод с регулятором (7) для подпитки системы отопления, тепловой насос (8), сетевой насос (9), отопительные приборы (10), водоносный пласт (11).

Конкретный пример выполнения.

После заполнения системы отопления сетевой водой от трубопровода подпитки с регулятором (7) включают нагнетательный (6), тепловой (8) и сетевой (9) насосы. Термальная вода подогревает сетевую воду в нагнетательной (2) и добычной (1) скважинах, а сетевой насос (9) обеспечивает циркуляцию воды по замкнутому контуру «сетевой насос - отопительные приборы -трубопроводы - тепловой насос - теплообменник нагнетательной скважины - теплообменник добычной скважины - тепловой насос». Учитывая, что поверхность теплообмена на теплопередающих поверхностях теплообменников увеличена за счет продольных ребер, то на входе сетевой воды в тепловой насос (8) ее температура Т_сет повышается до 40-45°С.

Для обоснования в предлагаемом изобретении диапазона температур 40-45°С на входе в тепловой насос и для выбора количества ребер на теплопередающих поверхностях теплообменников был проведен ряд опытов.

Опыты проводились при наличии на теплопередающих поверхностях 8; 16 и 32 продольных ребер толщиной δ_р=3 мм каждое и высотой h_p соответственно 10; 20; и 30 мм, внутренний трубопровод имеет диаметр d₁=51 мм, на внешней теплопередающей поверхности которого предусмотрены продольные ребра (фиг.2), наружный диаметр без учета ребер d_н=57 мм, живое сечение внутреннего трубопровода составляет F₁=0,002 м², а внешнего F₂ с учетом эквивалентного диаметра d_экв=69 мм составляет 0,0038 м². Поверхности теплообмена со стороны циркулирующей термальной воды S₁=0,160 м², а со стороны сетевой воды (внешней стороны) - S₂=0,179 м. Площадь S₂ при наличии ребер на поверхности равна S₂=S_м+S_р (где S_м - площадь межреберной поверхности, м²; S_p - площадь поверхности ребра, м²). Скорость движения термальной воды при дебите скважины 2500 м³/сут составляет 0,18 м/с, а скорость сетевой воды - 0,1 м/с. Режим движения теплоносителей устойчиво турбулентный. Коэффициент теплоотдачи со стороны термальной воды к внутренней стенке трубопровода α₁=1406 Вт/(м²·град), а от стенки к сетевой воде α₂=560 Вт/(м²·град). По каждой из указанных величин проводилось по три опыта, результаты которых усреднялись и анализировались. Результаты экспериментального исследования эффективности способа подогрева воды и устройства для его осуществления (Δt=t_ж1 ^опр-t_ж2 ^опр=30°С, t_ж1 ^опр и t_ж2 ^опр - соответственно определяющие температуры первичного и вторичного теплоносителей) приведены в таблице 1.

Таблица 1Количество ребер n, штВысота ребра δ_р, ммПлощадь теплопередающей поверхности, м²Тепловой поток на 1 погон, м поверхности, Вт/мТемпература сетевой воды Т_сет, °СS₁S₂qq_р000,1600,1791929208235 10-0,339-310237820-0,499-376539 30-0,659-422440 10-0,499-3765401620-0,819-458141 30-1,139-502542 10-0,819-4581413220-1,459-533743 30-1,938-564045

Анализ результатов, приведенных в табл.1, позволил установить:

1) использование скважинных теплообменников с продольными ребрами на теплопередающих поверхностях высотой соответственно 10; 20 и 30 мм позволит увеличить тепловой поток от первичного теплоносителя ко вторичному (сетевой воде) от 1,6 до 2,92 раза, а температуру подогреваемой воды от 40 до 45°С;

2) наиболее оптимальным количеством продольных ребер на теплопередающих поверхностях при диаметрах, приведенных выше, является 32 шт. высотой 30 мм. Дальнейшее увеличение количества ребер неоправдано, так как связано с большими трудностями и усложняет изготовление теплопередающей поверхности.

Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в

простоте конструкции и удобстве эксплуатации в связи с отсутствием блока химводоочистки и деаэратора;

возможности использования энергии широкораспространенных нагретых геотермальных вод для подготовки воды в системах отопления различных по назначению объектов.

В качестве перспективы возможности использования предлагаемого изобретения рассмотрим конкретный регион Северного Кавказа, а именно Республику Дагестан (г.Махачкала). Под городом Махачкала термальные воды с температурой от 60 до 80°С залегают на глубинах 1000-1400 м, минерализация воды составляет от 2 до 15 г/л. Для добычи термальной воды используются скважины, ранее пробуренные для добычи нефти, а также специально пробуренные на термальные воды.

В табл.2 приведены характеристики термальных скважин и их параметры.

Таблица 2Характеристики и параметры скважин термальных водПараметрыТЭЦМеста расположения районных котельныхЗавод ДагэлектромашТорговый центрСеверный район городаСепараторный заводУл. МираГлубина залегания пласта, м140012001200120010001000Температура пласта, °С706565806060Дебит циркуляционной системы, м³/сут25141466733262231201560Расстояние между скважинами, м560490320566670480Давление нагнетания, МПа5,22,40,924,866,62,4Мощность нагнетательного насоса, кВт160449,314823347Объем замещаемого природного газа, млн. м³/год4,452,231,15,63,81,9

Из табл.2 видно, что использование энергии нагретой термальной воды для подогрева сетевой воды в системах отопления позволит сэкономить более 19 млн м³/год природного газа. Кроме того, расстояния между скважинами малы, что приводит к снижению потерь тепла от добычной до нагнетательной скважин.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к устройствам приготовления воды для отопления, и может быть использовано в системах, работающих на основе теплоты нагретых подземных термальных вод при отоплении зданий и сооружений децентрализованным образом. Технический результат: повышение эффективности теплоснабжения зданий и сооружений при одновременном упрощении конструктивного оформления установки для осуществления способа. Способ подогрева воды для отопления, включающий формирование потока с циркулирующим первичным теплоносителем, например, нагретой подземной термальной водой, а также потока с циркулирующим по замкнутому контуру вторичным теплоносителем, например, сетевой водой, теплопередачу между этими потоками, подачу подогретой сетевой воды вторичного теплоносителя к отопительным приборам системы отопления, заключается в том, что вначале сетевую воду подогревают до температуры 40-45°С от нагретой подземной термальной воды в скважинных теплообменниках, а затем подогретую сетевую воду подают на всас теплового насоса, где ее температуру доводят до 70°С и с помощью сетевого насоса подогретую сетевую воду подают на приборы - радиаторы системы отопления. Также описана установка для осуществления вышеописанного способа. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ подогрева воды для отопления, включающий формирование потока с циркулирующим первичным теплоносителем, например, нагретой подземной термальной водой, а также потока с циркулирующим по замкнутому контуру вторичным теплоносителем, например, сетевой водой, теплопередачу между этими потоками, подачу подогретой сетевой воды вторичного теплоносителя к отопительным приборам системы отопления, отличающийся тем, что вначале сетевую воду подогревают до температуры 40-45°С от нагретой подземной термальной воды в скважинных теплообменниках, а затем подогретую сетевую воду подают на всас теплового насоса, где ее температуру доводят до 70°С, и с помощью сетевого насоса подогретую сетевую воду подают на приборы - радиаторы системы отопления.2. Установка подогрева воды для осуществления способа по п.1, включающая теплообменники, расположенные в верхних частях нагнетательной и добычной геотермальных скважин до глубины 150 м от поверхности, трубопроводы с насосами для обратной закачки термальной воды в пласт и для обеспечения циркуляции подогреваемой воды по системе отопления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тепловой и сетевой насосы, подключенные к системе скважинных теплообменников и системе отопления, а на теплопередающих поверхностях внутрискважинных теплообменников для интенсификации процесса и увеличения поверхности теплообмена предусмотрены по всей длине теплообменников продольные ребра, количество n, толщину δ_р и высоту h_p которых выбирают из условия получения необходимой температуры подогреваемой сетевой воды на входе в тепловой насос, при этом для снижения тепловых потерь от подогреваемой воды в теплообменниках между ее потоками на входе и на выходе установлены внутренние коаксиальные цилиндры, заполненные теплоизоляционным материалом.