Струйная утилизация тепла сточных вод

Устройство утилизации (рекуперации) тепла сточных вод – изобретение, относящееся к теплоэнергетике.
Специалистам известны способы горячего водоснабжения жилых зданий (патенты № 2155302, № 2186309, № 2264585 и заявка на патент РФ № 2003134987), по которым воду нагревают в электроводонагревателе, а использованную горячую воду сливают в канализацию. Причем исходную холодную воду перед нагревателем подогревают с помощью теплового насоса, а в качестве низкопотенциального источника тепла для него применяют использованную горячую воду. Однако эти решения предполагают необходимость дорогостоящего теплового насоса.
Наиболее эффективными с точки зрения уменьшения финансовых вложений являются решения без использования дорогостоящего теплового насоса и предполагающие для интенсификации теплообмена турбулизацию теплоносителя (заявка на патент РФ № 93037911 «Способ интенсификации конвективного теплообмена и устройство для его реализации»). Но такие решения неэффективны в случае теплоносителя с механическими включениями из‑за заиливания стенок теплообменника.
Последнюю проблему решает, например, фильтровально-теплообменный аппарат (патент РФ № 2161763) или теплоутилизатор (патент РФ № 2042099), снабженный очистительным устройством. Однако они предполагают существенное дополнительное оборудование и периодическое обслуживание.
Преимущества авторской идеи
Утилизаторы тепла сточных вод, применяемые в РФ экспериментально, а в развитых странах почти массово, обладая большой эффективностью, в то же время имеют много минусов, а именно:
• в составе имеют дорогостоящий тепловой насос, нуждающийся в грамотной эксплуатации;
• из‑за малых скоростей сточных вод имеют большую площадь теплообменника;
• из‑за малых скоростей (ламинарности потока) сточных вод и илистых включений (отложений) теплообменники заиливаются, ухудшая теплообмен;
• из‑за высокой стоимости тепловых насосов и ввиду того, что возможны хищения цветных металлов, получить финансирование для их установки в странах с невысоким уровнем жизни проблематично;
• большие потери тепла при транспортировке (температура сточных вод понижается до 15 градусов).
Применение же утилизатора тепла на основе предлагаемой автором идеи позволяет, при уменьшении размеров теплообменника и существенном снижении его стоимости (более чем в двадцать раз), сохранить высокую эффективность без применения теплового насоса за счет близости к источнику тепла и к потребителю.
Теплоутилизатор на основе изобретения не заиливается, не нуждается в уходе, имеет срок службы до пятидесяти лет, не имеет движущихся частей. Невысокая стоимость позволит установить их в неохраняемых подвалах домов, близко к источнику тепла и к потребителю. Близость к источнику тепла позволяет рекупировать (утилизировать) тепло сточных вод без потерь при транспортировке, т. е. утилизатор отбирает то тепло, которое в случае с тепловыми насосами будет теряться при транспортировке.
Квартирный теплоутилизатор
Автором создан и испытан автономный компактный теплоутилизатор для установки (время установки 15 минут) в канализационную сеть внутри квартиры. Оригинальность идеи в том, что для интенсификации теплопередачи и препятствования заиливанию используется струя (в автономном случае струя создается напором водопроводной воды).
Струя жидкости (газа, пара), подаваемая тангенциально в канализационную трубу, выполняет сразу несколько функций:
• за счет сообщения струей тангенциальной скорости сточным водам и турбулизации потока увеличивается коэффициент теплопередачи от сточных вод к нагреваемой жидкости, что позволяет уменьшить габариты теплообменника;
• эта же струя не дает заиливаться стенкам теплообменника со временем (сточные воды текут по спиральной траектории с большой скоростью, тем самым очищая стенки теплообменника от ила) и избавляет от необходимости периодической чистки;
• эта же струя сообщает скорость сточным водам, которые омывают по спирали всю внутреннюю поверхность теплообменника, увеличивая площадь теплообмена без увеличения длины теплообменника.
При этом теплоутилизатор имеет такое же проходное сечение, что и канализационные трубы, не создает лишнего гидравлического сопротивления – за счет сообщения небольшой осевой составляющей скорости сточным водам в направлении течения.
Применение изобретения не ограничивается только нагревателями воды. Устройство может использоваться совместно с тепловыми насосами для повышения их эффективности (теплообменник станет компактнее и не будет заиливаться).
Потребность в устройстве
Создать устройство автора побудила любовь к комфорту, отсутствие на рынке аналогов изделия и ограниченная электрическая мощность в квартире (подводимая мощность ограничивается восемью кВт). При этом во многих городах практикуется отключение горячей воды на летнее время; существует также проблема плохого качества горячей воды (перепады давления и температуры, загрязнения, запахи).
В России из‑за ограниченной мощности и отсутствия трехфазной сети в квартирах среди производителей электрических проточных нагревателей процветали производители нагревателей до 6‑7 кВт («Atmor», «Edisson» и др.). Даже такие бренды, как «AEG», «Stiebel-Eltron», «Siemens», ранее производившие только трехфазные проточные нагреватели мощностью от 9 кВт и выше, сегодня выпускают однофазные нагреватели мощностью 4‑6 кВт, смирившись с тем, что этой мощности недостаточно для комфортного душа. И даже специальные насадки, дающие очень тонкие струи, никак не меняют их производительность (поток воды).
Теплоутилизатор, созданный на основе предлагаемого изобретения, позволяет вернуть до трети тепловой энергии сточных вод при использовании существующих проточных нагревателей. И до половины энергии – при изготовлении принципиально нового проточного нагревателя, нагревающего воду за счет электрической энергии и тепловой энергии сточных вод. Это позволит получить поток, сравнимый с потоком трехфазных проточных нагревателей мощностью от 9 кВт, при затратах электрической энергии около 6 кВт.
При площади теплообмена около 120 квадратных сантиметров (длина изделия – 200 миллиметров) и при использовании в качестве жидкости для струи водопроводной напорной воды (для автономности) удалось возвратить 2 кВт тепла при использовании нагревателя мощностью 6 кВт в теплое время года. В зимнее время года эффективность будет выше за счет увеличения разности температур между сточной и холодной водопроводной водами.
Ассортимент
Устройство утилизации тепла сточных вод может быть изготовлено под любые размеры канализационных труб при сохранении технологии и используемых материалов. Также возможно изготовление компактного теплоутилизатора и подогревателя воды в одном корпусе с рабочим давлением свыше 20 атмосфер с эффективностью в полтора раза большей, чем у обычных проточных водонагревателей. Возможно использование теплоутилизатора совместно с утилизаторами тепла на основе тепловых насосов – как для подогрева фреона, так и для подогрева воды в двухконтурных системах.
При использовании совместно с тепловыми насосами эффективнее утилизировать большую часть тепла на предлагаемом изобретении. При этом коэффициент производительности тепла СОР будет более десяти, так как на создание струи затрачивается электрической энергии менее одной десятой возвращаемой тепловой энергии. Оставшуюся часть тепла уже можно утилизировать и с помощью теплового насоса.
Конкурирующая продукция
Ближайшим аналогом теплоутилизатора на основе предлагаемого изобретения является продукция, производимая в Чехии. При равных потребительских свойствах чешский теплообменник имеет большие габариты (длина – 500 миллиметров против 200 миллиметров), заиливается (сточные воды в теплообменнике текут свободно – а значит с меньшей скоростью) и требует ремонтных работ при установке.
Проблема с заиливанием решена в аналоге, производимом в Японии. Японцы для очистки приспособили установленные внутри щетки, что существенно увеличивает стоимость теплообменника и габариты.
Утилизаторы тепла на основе тепловых насосов не являются конкурирующей продукцией ввиду огромной разницы в цене. Да и утилизатор на основе изобретения скорее повысит их потребительские свойства – производительность и надежность – при совместном использовании.
Для автономного утилизатора и утилизатора-нагревателя конкурирующей продукцией можно считать газовые колонки (но не везде есть возможность их установки) и электрические накопительные нагреватели воды, которые не могут обеспечить потребителя водой моментально (время готовности от 1 до 3 часов), а также имеют большие габариты. Но при совместном использовании авторского изобретения с накопительными нагревателями время готовности к использованию и стоимость подогрева воды у последних будет меньше.
Достоинства и недостатки
В качестве недостатков изобретения автор может указать следующие:
• по сравнению с тепловыми насосами часть энергии все же уходит со сточными водами;
• при наборе воды в ванну и другие емкости эффект отсутствует.
Кроме того, автор пока успешно тестировал только теплоутилизатор для квартиры. Подогреватель-утилизатор и утилизаторы других типоразмеров в тестах не участвовали в силу отсутствия опытных образцов.
Преимущество существующего образца в первую очередь обосновывается низкой себестоимостью – она составляет около 6 евро (в евро цена указана ввиду того, что материал приобретался немецкий и итальянский). Кроме того, изделие имеет высокую технологичность, нет необходимости в дорогом оборудовании.
Утилизатор может применяться в каждой квартире для уменьшения расхода более дорогой горячей воды (и более грязной) путем увеличения расхода более дешевой холодной воды (и более чистой).
Упомянем о таком свойстве утилизатора, как понятность принципа действия и простота монтажа. Эти два фактора, на наш взгляд, дают утилизатору огромное преимущество при использовании населением:
• простота конструкции – ломаться нечему;
• не требуется никаких специальных знаний для установки и эксплуатации;
• малое время монтажа-демонтажа без специальных знаний и навыков.
-
18.02.2015 11:33:23 К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИНЭкологическая безопасность теплоэнергетического комплекса
9907
«Безопасность – свойство объекта при... эксплуатации и в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды» (ГОСТ 27.002‑89).
Автоматизация в энергетике
18.02.2015 11:33:20 Венедикт СТРУГАЧЕВУправление тарифами и нагрузкой: французский опыт5964
Редакция газеты не раз обращалась к вопросам формирования тарифов на тепло и электроэнергию в России. А как это происходит в других странах?
Автоматизация в энергетике
18.02.2015 11:33:18 Елена НЕПОМЯЩАЯДецентрализация теплоснабжения – путь к энергосбережению8849
Напомним, что эта тема, поднятая в «ЭПР» № 19 (255), обрела актуальность в связи с разработкой законопроекта «О капитальном ремонте в Санкт-Петербурге» и концепции повышения энергоэффективности системы теплоснабжения.
Автоматизация в энергетике
18.02.2015 11:33:17 Олег ПОТАПОВ, ОАО «ЭНИН»Оптимальная технология использования горючих сланцев4242
По мере возрождения промышленного потенциала России будет изменяться топливный баланс. Вследствие постепенного исчерпания запасов нефти и газа возрастает роль углей и сланцев.
Автоматизация в энергетике
18.02.2015 11:33:14 Яна ЛИСИЦЫНАДля современного теплоснабжения нет нерешаемых задач4656
Отраслевая научно-практическая конференция «Теплоснабжение и когенерация-2014» стала эффективной площадкой для диалога участников отрасли, дискуссии с представителями федеральной власти, обмена идеями, развития делового партнерства и демонстрации успешного опыта.
Автоматизация в энергетике
-
17.12.2019 18:39:09 Ольга МАРИНИЧЕВАЕкатеринбургскую схему теплоснабжения упрекают в «потворстве монополисту»
2020
Участники публичных слушаний в администрации города одобрили проект актуализированной схемы теплоснабжения Екатеринбурга до 2030 года, который будет направлен на утверждение Минэнерго РФ.
Теплоснабжение, Тарифы на теплоэнергию
17.12.2019 18:28:13 Татьяна РЕЙТЕРТепловые насосы против неплатежей в ЖКХ2129
Оценка применения технологии гибридного теплоснабжения МКД на основе тепловых насосов выявила российские регионы и города, которые выиграли бы от этого больше остальных.
Теплоснабжение, Тепловые насосы
17.12.2019 18:15:54 Татьяна РЕЙТЕРОтопительный сезон неоднозначный старт1409
В этом году перед началом отопительного сезона готовность на местах к прохождению осенне-зимнего периода (ОЗП) была оценена очень высоко. Тем не менее при подготовке к новому ОЗП не обошлось без чрезвычайных ситуаций.
17.12.2019 17:53:28Почти юбилей. Российской теплофикации – 95 лет2038
25 ноября 1924 года в дом № 96 по набережной реки Фонтанки поступило тепло от 3‑й Ленинградской ГЭС – с этой даты ведется отсчет теплофикации России.
Тепловая энергетика
09.10.2019 17:29:46 Татьяна РЕЙТЕРЕще один шаг к цифровизации тепловых схем2306
Создана программа автоматической калибровки электронной модели системы теплоснабжения.
Цифровизация, Теплоснабжение
-
16.04.2018 00:12:27 Игорь ПРОХОРОВВозможна ли гравитационная электростанция?
4924
Придуман новый источник энергии: это… гравитационное поле Земли. Добывать энергию из него разработчик предлагает с помощью так называемой гравитационной электростанции (ГРАЭС).
Инновации
03.04.2019Вентиляторы «ВЕЗА» – большой ресурс в тяжёлых условиях4258
ВИР (вентиляторы индустриальные радиальные) — это высоконапорные вентиляторы, разработанные компанией «ВЕЗА» для тяжёлых условий работы в 2007–2016 годах.
03.04.2019 Татьяна РЕЙТЕРЭлектричество из мусора4252
Российские заводы по сжиганию мусора будут продавать полученную электроэнергию по завышенному «зеленому» тарифу, хотя не выглядят «зелеными» в глазах экологов и потребителей.
ТЭС, Экология, Электроэнергия, Электростанция
03.04.2019 Виолетта ВДОВЯКЗабайкальская энергетика с дальневосточной пропиской4206
В этом субъекте Российской Федерации за последние полгода многое изменилось. Решением главы государства Забайкальскому краю был назначен новый руководитель, Александр Осипов (на фото), а регион из Сибирского федерального округа переведен в Дальневосточный.
Энергетические системы
16.12.2018 21:15:58 Татьяна РЕЙТЕРРейтинг эффективности региональных систем теплоснабжения от Минэнерго РФ4175
В 2017‑2018 годах Министерство энергетики России совместно с субъектами Российской Федерации и экспертным сообществом продолжило практику формирования рейтинга эффективности систем теплоснабжения регионов.
Теплоснабжение, Энергоэффективность