Способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод

Изобретение относится к области энергетики. Способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод и получения горячего теплоносителя путем утилизации теплоты сточной воды, с одной стороны, в результате нагрева промежуточного теплоносителя на 6-9°С в теплообменнике, погруженном в коллектор основного потока под уровень сточных вод, с другой стороны, в результате нагрева сетевой воды в конденсаторе теплового насоса до температуры, исходя из температурного графика, но не выше 50-55°С, при которой обеспечивается наибольший коэффициент преобразования (КОП) и более эффективная работа теплонасосной установки при совместной работе с традиционным источником теплоснабжения. При этом режим смывания поверхностей промежуточного теплообменника организуется таким образом, что расход сточной воды составляет в объеме, при котором происходит охлаждение сточной воды на уровне 1°С. Изобретение позволяет обеспечить повышение экономичности теплоснабжения за счет выбора оптимальных геометрических размеров модулей промежуточного теплообменника и их расположения в основном потоке сточных вод, обеспечивающих такой расход сточных вод через модули промежуточного теплообменника, при котором обеспечивается интенсивный подвод теплоты к промежуточному теплоносителю с нагревом его на 6-9°С. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики. Изобретение может быть использовано в системах теплоснабжения жилищно-коммунального и городского энергохозяйства.

Известна система теплоснабжения, состоящая из теплофикационной энергоустановки, включающей основной паросиловой контур, контур охлаждающей воды, контур первичной сетевой воды с водоподогревателями горячей воды и отопления и контур системы отопления с элеваторами, которая снабжена теплонасосной установкой, размещенной на тепловых пунктах, причем она по тракту обратной сетевой воды первичного контура подключена к входу-выходу испарителя, а по тракту обратной воды системы отопления - к входу-выходу конденсатора с установкой регулирующих задвижек на соответствующих трактах. По этой схеме достигается наибольшая эффективность утилизации теплоты отработавшего пара за счет захолаживания обратной первичной сетевой воды, что приводит к необходимости осуществлять увеличенный отбор пара на подогрев обратной сетевой воды и тем самым сокращать расход пара в конденсатор паровой турбины. В результате снижаются потери в холодном источнике, что приводит к увеличению тепловой эффективности работы ТЭЦ и ТЭС при совместной работе с тепловыми насосами, размещенными при тепловых пунктах (см. патент RU 2095581 С1, кл. 6 F01K 17/02, бюл. №31, 1997 г.).

Известен способ утилизации теплоты отработавшего пара во встроенных теплообменных пучках основного конденсатора паровой турбины, по которому поступающую от потребителей сетевую воду нагревают во встроенных дополнительных пучках и далее в штатных сетевых подогревателях и водогрейных котлах (в соответствии с температурным графиком отопительной нагрузки).

Недостатком указанных способов является зависимость от сезонных колебаний тепловых нагрузок, когда количество теплоты отработавшего пара становится минимальным в зимнее время года, а в летнее время избыточно, и по этой причине роль в утилизации теплоты отработавшего пара с помощью тепловых насосов сводится до минимума зимой и в ограниченных размерах летом, когда потребность в теплоте резко сокращается.

Вышеупомянутые патенты не могут быть применены для вовлечения сторонних внешних источников низкопотенциальной теплоты, каковыми являются сточные воды разного происхождения в системе городской канализации и водообеспечения.

Наиболее близким к данному техническому решению является способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод и получения горячего теплоносителя (см. патент RU 2249125, кл. F03D 9/00, 27.03.2005) путем охлаждения сточной воды, что происходит в результате нагрева промежуточного рабочего теплоносителя (в данном изобретении в качестве промежуточного теплоносителя указывается вода) в теплообменнике, погруженном в приемный колодец сточных вод сети канализации, при этом нагретая вода промежуточного контура поступает в испаритель теплового насоса, где происходит отбор теплоты от воды промежуточного контура к низкокипящему рабочему телу (НКРТ) теплонасоса, пары которого разогреваются в компрессоре и поступают далее в конденсатор, в котором происходит, с одной стороны, конденсация паров НКРТ, с другой стороны, нагрев сетевой воды для нужд отопления и горячего водоснабжения, реализуемой с использованием распределительной и сборной гребенок, последнее является аналогом соответствующих коллекторов.

Недостатками указанного способа являются несоответствие температур горячего водоснабжения (50-60°С) и отопления (95/105°С). В этом случае неизбежно возникает повышенный расход энергии на привод компрессора, поскольку температура сетевой воды, расходуемой для нужд горячего водоснабжения (ГВС), завышается по сравнению с требуемой для ГВС, что ведет к увеличенным энтропийным потерям и, как следствие, к снижению тепловой экономичности теплоснабжающей установки в целом.

Размещение погруженного теплообменника в колодец сточных вод является одним из способов расширения технической возможности вовлечения теплоты сточных вод с использованием теплонасосной технологии, однако проблема предотвращения загрязнений теплообменных поверхностей и обслуживание становится труднопреодолимой задачей и не всегда позволяют избавиться от отложений без проведения принудительной механической очистки поверхностей теплообмена. В результате биологических процессов происходит образование таких отложений на поверхностях теплообменника, которые приводят к повышенному коррозионному износу и преждевременному выходу теплообменников из эксплуатации.

При нагреве сетевой воды до 55-70°С при исходной температуре сточных вод 15-20°С невозможно получить коэффициент преобразования (КОП) в размере 5-6 и тем самым невозможно извлечь 4-5 кВт·ч низкопотенциальной теплоты из сточных. В лучшем случае, КОП составит 2.7-3.5, тогда извлекаемая низкопотенциальная теплота составит на уровне 1.7-2.5 кВт·ч (т).

Вышеотмеченные недостатки неизбежны при утилизации теплоты загрязненных сточных вод с помощью тепловых насосов. Поэтому изобретение направлено на повышение эффективности работы теплонасосной установки на сточных водах системы водоканала.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении экономичности теплоснабжения за счет размещения промежуточного теплообменника непосредственно в коллектор под уровень сточной воды. При этом температура сточной воды в результате смывания теплообменной поверхности охлаждается в пределах 0.5-1°С и практически при расчетах может приниматься постоянной, что не искажает показатели эффективности работы теплообменника. В этой связи основное внимание сосредоточено на выборе диапазона изменения параметров теплоносителя промежуточного контура и сетевой воды по тракту контура теплового потребителя, при которых использование тепловых насосов обеспечивает наибольший эффект от вовлечения низкопотенциальной теплоты сточных вод в технологический процесс теплоснабжения.

Указанный технический результат в предлагаемом способе утилизации теплоты сточных вод достигается за счет нагрева промежуточного теплоносителя на 6-9°С в теплообменнике, погруженном в коллектор под уровень основного потока сточных вод. При этом промежуточный теплоноситель охлаждается в испарителе теплонасоса на те же 6-9°С и возвращается на повторный нагрев в теплообменник. В свою очередь, сетевая вода нагревается в конденсаторе теплонасоса до 50-55°С и при необходимости с последующим догревом в сетевых подогревателях по традиционной схеме теплоснабжения.

Для обеспечения эффективной работы погруженного теплообменника перед ним устанавливается защитное устройство от загрязнений, например отбойные козырьки или механические гребенки. Очищенная от грубых механических загрязнений сточная вода омывает поверхности теплообменника, при этом за счет внешнего продольного винтового оребрения теплообменных трубок происходит закрутка водяного потока, что интенсифицирует теплообмен и тем самым позволяет обеспечить нагрев промежуточного теплоносителя на 6-9°С, и только уже затем нагретый промежуточный теплоноситель поступает в испаритель теплонасоса. В указанном интервале температур по трактам теплоносителей (сточная вода, промежуточный теплоноситель) достижим наибольший эффект утилизации теплоты канализационных сточных вод при использовании теплонасосных установок.

На чертеже представлена структурная схема установки для реализации способа утилизации теплоты неочищенных сточных вод и получения горячего теплоносителя с размещением промежуточного теплообменника в коллектор основного потока сточных вод под нижний его уровень.

Установка для реализации способа утилизации теплоты неочищенных сточных вод и получения горячего теплоносителя содержит защитное устройство 1 для предварительной очистки сточных вод (источника НПТ), промежуточный контур 2; насос 3 для прокачки промежуточного теплоносителя; промежуточный теплообменник 4; установочные проходки для циркуляционных труб промежуточного теплоносителя 5; тепловой насос 6, включающий испаритель И и конденсатор К; контур циркуляции сетевой воды теплового потребителя 7; насос сетевой воды 8; контур теплового потребителя 9; фрагмент коллектора сточной воды 10.

Способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод и получения горячего теплоносителя осуществляется следующим образом.

Сточная вода (из системы водоканала) проходит через устройство 1 и далее по основному руслу сточного коллектора, насосом 3 подает промежуточный теплоноситель в испаритель И теплонасоса 6 и возвращает для повторного нагрева в теплообменник 4.

В свою очередь, промежуточный теплоноситель насосом 3 после теплообменника 4 подается в испаритель (И) теплового насоса 6, где происходит подвод теплоты к низкокипящему рабочему теплоносителю (НКРТ). Охлажденный промежуточный теплоноситель после испарителя И теплового насоса 6 возвращается обратно в теплообменник 4 для повторного нагрева. Таким образом осуществляется циркуляция промежуточного теплоносителя по контуру 8 через испаритель И и теплообменник 4.

В испарителе И теплового насоса 6 образовавшийся пар НКРТ поступает в компрессор, где в результате сжатия паров НКРТ происходит их разогрев до температуры порядка 110°С (в зависимости от теплофизических свойств НКРТ). Разогретый пар НКРТ поступает в конденсатор К теплового насоса 6, где осуществляется подвод теплоты к сетевой воде контура теплового потребителя, конденсат НКРТ возвращается на повторный нагрев в испарителе И теплового насоса 6.

Тепловой потребитель 9 по тракту контура 7 рабочего теплоносителя (сетевой воды) подключен к выходу конденсатора К теплового насоса 6, а вход конденсатора К подключен к выходу потребителя 9.

Таким образом, осуществляется циркуляция сетевой воды по тракту рабочего теплоносителя теплового потребителя 9.

Сетевая вода, нагретая в конденсаторе ТНУ до 50-55°С, используется на нужды горячего водоснабжения. Для отопления она должна догреваться в традиционных бойлерах сетевой воды и после чего поступать к тепловому потребителю 9. Насосом 9 сетевая вода возвращается на повторный нагрев в теплонасос 6. По такой схеме достижим коэффициент преобразования (КОП) на уровне 4-5, т.е. утилизация теплоты сточных вод будет происходить с наибольшей термодинамической эффективностью. В принципе на выходе теплонасоса можно получить сетевую воду с температурой на уровне 80-90°С, но в этом случае КОП не превысит значений 2.5-3.5.

Конструктивно погруженный теплообменник 4 представляет собой устройство, выполненное из одного или более модулей, каждый состоящий из пучка гибких фторопластовых трубок с внешним продольным оребрением трубок винтовой формы при общей поверхности теплообмена модуля в пределах 5-10 м².

Рекомендуемые параметры теплообменника:

- число трубок до 100 шт;

- длина трубок до 4500 мм;

- внутренний диаметр трубок 4 мм с толщиной стенки 0,6 мм;

- поверхность теплообмена до 10 м²;

- коэффициент теплопередачи на уровне 200 Вт/м²°С.

Наиболее пригодное конструктивное решение теплообменника для такой среды является фторопластовый трубчатый теплообменник с внешним продольным оребрением теплообменной трубки винтовой формы. Трубчатые фторопластовые теплообменники можно применять в качестве охладителей, подогревателей, конденсаторов и т.п.

Антиадгезионные свойства фторопласта исключают зарастание рабочих поверхностей теплообменника, что позволяет вести процесс теплообмена с высоким коэффициентом теплопередачи. Допустимое внутреннее давление рабочей среды зависит от ее конечной температуры, но не выше 0.9 МПа.

Установочные проходки могут представлять из себя теплоизолированные опорные кольца по размерам не менее диаметра основных трубопроводов циркуляционного промежуточного контура сточных вод.

Вышеописанная схема утилизации низкопотенциальной теплоты сточных вод рекомендуется для всех случаев, где просто осуществить непосредственный отбор теплоты сточной воды в результате размещения теплообменника в основной поток под уровень сточной воды.

1. Способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод и получения горячей сетевой воды с температурой, исходя из отопительного графика, за счет охлаждения сточной воды в результате нагрева промежуточного теплоносителя в погруженном теплообменнике, отличающийся тем, что в коллекторе сточная вода, омывающая поверхность погруженного теплообменника под уровень сточных вод в коллектор через установочные проходки, охлаждается на 0,5-1°С, в котором, в свою очередь, промежуточный теплоноситель нагревается на 6-9°С и далее поступает в испаритель теплового насоса, где происходит его охлаждение на те же 6-9°С, при этом сетевая вода нагревается до 50-55°С в конденсаторе теплового насоса.

2. Способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод по п.1, отличающийся тем, что погруженный теплообменник выполнен в виде нескольких модулей, каждый состоящий из пучка тонкостенных гибких фторопластовых трубок с внешним продольным оребрением трубок винтовой формы при общей поверхности теплообмена модуля в пределах 5-10 м².

3. Способ утилизации теплоты неочищенных сточных вод по п.1, отличающийся тем, что установочные проходки представляют собой теплоизолированные опорные кольца по размерам не менее диаметра основных трубопроводов циркуляционного промежуточного контура сточных вод.