http://www.eprussia.ru/teploenergetika/9/133.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 06 (09) декабрь 2013 года
Струйная утилизация тепла сточных вод
Генерация/сети
Василий НИКИТИН
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.
Отправить на Email
Также читайте в номере № 06 (09) декабрь 2013 года:
-
Инвесторам поставили барьеры 
Одна из ключевых проблем российской теплоэнергетики – правила игры, не столько привлекающие, сколько настораживающие потенциальных инвесторов.
-
В постели на ондоле 
Южная Корея – одна из многих стран мира, бытовые традиции которой могут быть понятны не всем, однако именно в этом их уникальность.
-
Силовое равновесие насосов КС (КС 5055, КС 50110 и КС 80155) На предприятиях энергетического и теплоэнергетического комплекса России и стран бывшего СССР часто встречаются насосы КС 5055, КС 50110 и КС 80155. Это семейство центробежных горизонтальных секционных насосов предназначено для перекачивания воды и водного конденсата в различных схемах теплосиловых и отопительных установок.
-
Струйная утилизация тепла сточных вод
Устройство утилизации (рекуперации) тепла сточных вод – изобретение, относящееся к теплоэнергетике.
-
Тепловая энергетика страны: итоги за год 
Существующая модель отечественной теплоэнергетики закончит свое существование в ближайшие два года. Об этом говорит курирующий ТЭК вице-премьер Аркадий Дворкович.