СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА Российский патент 2009 года по МПК F24D11/02 C02F11/02 

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.

Известно, что содержащееся в сточных водах низкопотенциальное тепло до последнего времени, как правило, не утилизировалось. Между тем, существует постоянная потребность в воде нагретой до температуры порядка 50-70°С, что вполне можно обеспечить с помощью тепловых насосов, позволяющих эффективно трансформировать низкопотенциальное тепло до более высоких температур. Однако их непосредственное взаимодействие с неочищенной сточной водой недопустимо, что требует использования промежуточных теплообменников, например выносных теплообменных модулей, в которых нагреваемой средой является чистая вода, циркулирующая в контуре испарителя теплового насоса. Другой специфической особенностью утилизации низкопотенциального тепла сточных вод является то конкретное (фактическое) состояние, в котором находится теплоноситель как в части величины его температуры, так и в части скорости его движения, если он не находится вообще в состоянии покоя, присущего, например, отстойникам, аэротенкам и другим подобным им очистным сооружениям, также обладающим значительными, но пока невостребованными запасами низкопотенциального тепла.

Известен способ утилизации низкопотенциального тепла (патент РФ №2155302, МПК F24D 17/02) с использованием теплового насоса с выносным теплообменником, связанным с испарителем теплового насоса промежуточным циркуляционным контуром, а также собственно систему отопления. При этом в качестве источника тепла низкого потенциала используется приемный колодец сточных вод городской канализационной сети, в котором вместе с теплообменником размещен вибратор, предназначенный для разрушения слоя загрязнений, осевших на рабочих поверхностях теплообменника. Очевидно, что в данном случае передача тепла от сточных вод к воде, циркулирующей в контуре испарителя теплового насоса, происходит при весьма благоприятных условиях, так как в течение часа через колодец проходят сотни кубометров достаточно теплых хозбытовых сточных вод, движущихся со значительной скоростью.

Известен также способ утилизации низкопотенциального тепла сточных вод (см. описание к патенту РФ №2186309 МПК F28D 1/047), принятый нами за прототип, с помощью теплового насоса, снабженного выносным теплообменным модулем, активно взаимодействующим с открытым тонкослойным скоростным потоком, температура воды в котором составляет порядка 18-20°С, при часовом расходе также измеряемом сотнями кубометров, что характерно, например, для грабельных отделений городских канализационных насосных станций.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных вышеприведенных способов, относится то обстоятельство, что они не могут эффективно утилизировать тепло хозбытовых сточных вод, пребывающих в состоянии покоя или движения со скоростью близкой к нулю, тем более в зимнее время, когда температура воды в аэротенке не превышает 8-12°С, т.е. при отсутствии необходимых условий для передачи тепла воде, циркулирующей внутри теплообменного модуля и направляемой после подогрева в испаритель теплового насоса. Как известно, именно скорость движения теплоносителя является одним из основных факторов, определяющих наряду с температурным напором эффективность процесса теплопередачи.

Задачей настоящего изобретения является создание простого, эффективного способа утилизации тепла хозбытовых сточных вод, пребывающих в состоянии покоя или движения со скоростью близкой к нулю, за счет изменения внешних условий в зоне контакта выносного теплообменного модуля с указанными водами.

Технический результат - утилизация тепла больших объемов относительно холодных сточных вод, обладающих значительными запасами низкопотенциального тепла, что позволит отказаться от котельной и, как следствие этого, сократить выбросы в атмосферу вредных дымовых газов, ухудшающих экологическую обстановку в населенных пунктах.

Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод с использованием теплового насоса и выносного теплообменного модуля, согласно изобретению в качестве теплоносителя используют сточные воды, проходящие очистку в аэротенке и пребывающие в состоянии покоя или движении со скоростью близкой к нулю, при этом вокруг выносного теплообменного модуля, помещенного в эрлифт, погруженный в сточные воды на всю глубину аэротенка, создают зону интенсивного образования воздушно-водяной смеси, например, с помощью пластмассовых щитов ограждения, скорость восходящего потока которой регулируют задвижкой, установленной на теплоизолированном трубопроводе подачи сжатого воздуха в эрлифт.

Заявленная совокупность существенных признаков создает благоприятные условия для эффективной передачи тепла воде, циркулирующей внутри теплообменного модуля и направляемой после подогрева в испаритель теплового насоса.

Регулирование скорости восходящего потока воздушно-водяной смеси позволяет влиять на эффективность процесса теплопередачи за счет изменения расхода сжатого воздуха задвижкой.

Таким образом, за счет изменения внешних условий в зоне контакта выносного теплообменного модуля с хозбытовыми сточными водами, находящимися в покое или движущимися со скоростью близкой к нулю, что имеет место, например, в отстойниках, аэротенках или других подобных им очистных сооружениях, запасы низкопотенциального тепла могут быть востребованы с одновременным уменьшением нагрузки на окружающую среду за счет исключения котельной.

В патентной и научно-технической литературе не известны технические решения, содержащие признаки, аналогичные заявляемым, следовательно, предложение соответствует критерию "новизна". Также впервые, на основе разработанного способа достигнута эффективная передача тепла от теплоносителя, пребывающего в состоянии покоя или движения со скоростью близкой к нулю, за счет изменения внешних условий в зоне контакта теплообменного модуля с хозбытовыми сточными водами, проходящими очистку в отстойниках, аэротенках или других подобных им очистных сооружениях, т.е. заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена технологическая схема заявленного способа; на фиг.2 показан вид сверху эрлифта с размещенными в нем теплообменным модулем и щитами ограждения.

Технологическая схема включает выносной теплообменный модуль 1, задействованный в контуре испарителя теплового насоса (на схеме не показан), эрлифт 2, аэротенк 3, пластмассовые щиты 4, 5 и 6, задвижку 7, теплоизолированный трубопровод 8. Аэротенк представляет собой горизонтальный отстойник глубиной 2,5-3 м, заполненный хозбытовыми сточными водами, подлежащими биологической очистке с помощью аэробных микроорганизмов. Емкость аэротенка измеряется тысячами кубометров.

Способ осуществляется следующим образом.

В эрлифт 2, погруженный в сточные воды аэротенка 3, находящиеся в состоянии покоя или движущиеся со скоростью близкой к нулю, воздуходувкой (на фиг.1 она не показана) подают сжатый воздух.

В результате чего вокруг выносного теплообменного модуля 1, задействованного в контуре испарителя теплового насоса, размещенного внутри эрлифта 2, огражденного пластмассовыми щитами 4, 5 и 6, создается зона интенсивного образования воздушно-водяной смеси. Воздушно-водяная смесь (эмульсия), будучи менее плотной, чем окружающая эрлифт вода аэротенка, приводится в движение согласно закону сообщающихся сосудов, в чем, как известно, и заключается принцип действия эрлифта. Скорость восходящего потока воздушно-водяной смеси регулируют задвижкой 7, установленной на теплоизолированном трубопроводе 8 подачи в эрлифт сжатого воздуха.

Подаваемый воздуходувкой сжатый воздух может иметь температуру порядка 50°С, что в сочетании с движением воздушно-водяной смеси вдоль рабочей поверхности выносного теплообменного модуля создает благоприятные условия для более эффективной передачи тепла воде, циркулирующей внутри выносного теплообменного модуля и направляемой после подогрева на 3-5°С в испаритель теплового насоса.

Хотя активное обтекание теплообменного модуля воздушно-водяной смесью и создает некоторые предпосылки для противодействия оседанию содержащихся в очищаемой воде загрязнений на рабочей поверхности модуля, периодически он должен подвергаться техническому обслуживанию - подъему и обработке чистой водой из напорного шланга.

В связи с тем, что очистные сооружения, в частности те, которые предназначены для биологической очистки хозбытовых сточных вод, обычно достаточно удалены от городских поселений, снабжение теплом и горячей водой их производственных помещений осуществляется не централизовано (от городских теплосетей), а от индивидуальных котельных, использующих в качестве топлива, как правило, каменный уголь, сжигание которого оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Поэтому использование низкопотенциальной теплоты сточных вод не только обеспечит определенную экономию угля за счет снижения производительности котельной (вплоть до ее консервации на весенне-летний период), но и существенно сократит выброс в атмосферу вредных дымовых газов.

Таким образом, становится возможной утилизация тепла больших объемов сточных вод, находящихся в покое или имеющих скорость движения близкую к нулю, и обладающих значительными запасами низкопотенциального тепла.

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.

Таким образом, запасы низкопотенциального тепла от сточных вод, находящихся в покое или движущихся со скоростью близкой к нулю, становятся востребованными.

Изобретение предназначено для использования тепла сточных вод и может быть использовано в теплоэнергетике. Способ предусматривает использование в качестве теплоносителя сточные воды, проходящие очистку в аэротенке и пребывающие в состоянии покоя или движения со скоростью близкой к нулю. При этом вокруг выносного теплообменного модуля, помещенного в эрлифт, погруженный в сточные воды на всю глубину аэротенка, создают зону интенсивного образования воздушно-водяной смеси, например, с помощью пластмассовых щитов ограждения, скорость восходящего потока которой регулируют задвижкой, установленной на теплоизолированном трубопроводе подачи сжатого воздуха в эрлифт. Изобретение обеспечивает простоту и эффективность утилизации тепла сточных вод. 2 ил.

Способ утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод с использованием теплового насоса и выносного теплообменного модуля, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют сточные воды, проходящие очистку в аэротенке и пребывающие в состоянии покоя или движения со скоростью, близкой к нулю, при этом вокруг выносного теплообменного модуля, помещенного в эрлифт, погруженный в сточные воды на всю глубину аэротенка, создают зону интенсивного образования воздушно-водяной смеси, например, с помощью пластмассовых щитов ограждения, скорость восходящего потока которой регулируют задвижкой, установленной на теплоизолированном трубопроводе подачи сжатого воздуха в эрлифт.