PL186224B1

PL186224B1 - Heat pump in particular for sewage treatment plants

Info

Publication number: PL186224B1
Application number: PL97319233A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Wojtkowiak
Original assignee: Univ Gdanski
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2003-12-31
Also published as: PL319233A1

Abstract

Pompa ciepła, właszcza dla oczyszczalni ścieków, za57) wierajązz sprężarkę więcej jak jednoatopniową gzcu, sprzężoną c wymiennikiem zieplz rurowym orac c naccyniem cbiorzcym użytecznych skroplin, jak również cawierająza oaadcony w cbiorniku wody tezhnologizcnej wkład kozJeazenzyjny generatora drobno pęcherzykowego powietrza tezhnologizcnego, cnamiennz tym, że w otwartym cbiorniku (I) śzieków (2) lub innyzh wód prsemyyłowzzh, jest osadzona kolumna hermetyzcna eoaJescenczjnz (3), mzjąza otwarte od dołu obrzeże (4), oszdcone w becpośrednim sąsiedztwie dnz otwartego cbiornikz (I), w której pociom (hI) ścieków (2)jest wyżcy od pociomu (h2) śzieków w otwartym cbiorniku (1), 3^ι^ζ<;Ιι się pod ziśnienrem otozceniz (P2), prcy ccym przestrzeń cnajdująza się nzd lustrem ziezcy cnajdujązej w kolumnie koaJeyzenśyjnej (3), w której panuje ciśnienie (PI) mniejsce od ciśnienia otozceniz (P2), jest połącconz hermetyzcnie c wejśziem agregatu ssązo-tłoścązego sprężarkowego (5), najkorzystniej więcej jzk jednoytoeniowego, osadzonego w otulinie termoicolzśzjnej (6) 1 mającego wyjśeie cnzjduJązyśh się w nim sprężonych do ciśnienia (P3) pzr mających temperaturę (T2) więkscą od temperatury (TI) panującej w kolumnie eozleyzenzyjneJ (3), dołązcone do wejścia wymiennika ciepła lub chłodnizy- -promienmka (7) cwłasczca rurowego, którego spust skroplin jest dołąccony do hermetyccnyzh cbiorników kondensacyjnych (8) poscścególnyśh frakcji skroplin (9), mających każdy spusty skroplin odprowadzone poprcec cawór spustowy (I0) do jednego lub więcej otwartych cbiorników (I), prcy ccym każdy ce cbiorników kondensacyjnych (8), mz prcestr^eń cnajdującą się nzd lustrem cnajdującej się w nim ziezcy dołącconą prcewodem magistralnym (II) do generatora drobno pęcherzykowego (I2), cawierzjącego wkład eoaleycenczjny (13),Heat pump, especially for sewage treatment plants, za57) They are more like a single-stage gzcu, coupled compressor c with a heat exchanger with a tubular connection useful condensate, as well as having a good amount of water in the tezhnologizcnej water tank the goat's gasoline cartridge fine-bubble technological air, c, except that in an open container (I), (2) or other prsemyyłowzzh waters, there is a hermetic column eoaJescenczjnz (3), with a rim open at the bottom (4), in the immediate vicinity of the open tank from (I), in which the level (hI) of sewage (2) is higher than the level (h2) of flows in the open in the tank (1), 3 ^ ι ^ ζ <; Ιι under the snowdrop otozceniz (P2), that is located next to the mirror of the stranger in the lower pressure (PI) column (3) from the stage pressure (P2), it is hermetically linked c at the inlet of the suction compressor unit (5), most preferably more single-layered language, embedded in a thermal insulation cover (6) 1 which has an answer to the fact that it is compressed in it to a pressure (P3) pzr having a temperature (T2) greater than temperature (TI) in the eozleyzing column (3), connected to the inlet of a heat exchanger or cooler - radiant tube (7) tubular jacket, the drain of which is attached to hermetic condensing tanks (8) the individual condensate fractions (9) having each drain drain valve (I0) to one or more open tanks (I) operating each of the condensing tanks (8), which is located on the mirror c located in it, connected with a main conductor (II) to the fine bubble generator (I2), which is equipped with eoaleycene contribution (13),

Description

Przedmiotem wynalazku jest pompa ciepła, zwłaszcza dla oczyszczalni ścieków, realizująca zadanie utylizacji ciepła odpadowego z obiegów otwartych.The subject of the invention is a heat pump, especially for sewage treatment plants, which performs the task of utilizing waste heat from open circuits.

Wynalazek dotyczy budowy układów utylizacji ciepła odpadowego w oczyszczalniach ścieków, pracujących z obiegach otwartych, z odstojników wód przemysłowych oraz podobnych otwartych zbiorników cieczy.The invention relates to the construction of waste heat utilization systems in sewage treatment plants, operating with open circuits, from industrial water settling tanks and similar open liquid tanks.

Znane są i powszechnie stosowane w technice chłodniczej układy pomp ciepła, składające się z jedno lub wielostopniowej sprężarki gazu, najczęściej osiowej turbinowej, sprzężonej z wymiennikiem ciepła płytowym lub rurowym oraz z naczyniem zbiorczym skroplin, stanowiącym często naczynie zbiorcze wody technologicznej obiegowej.Heat pump systems are known and commonly used in refrigeration technology, consisting of a single or multi-stage gas compressor, most often axial turbine, coupled with a plate or tubular heat exchanger and with a condensate collecting vessel, often constituting a collecting vessel for circulating process water.

Znane są również i stosowane układy, w których przy zastosowaniu sprężarki par cieczy, realizuje się kondensację jej par w celach utylizacyjnych i w której zastosowana chłodnica płaszczowa, realizuje wyłącznie zadanie obniżenia temperatury czynnika w obiegu pierwotnym. W układach oczyszczalni ścieków otwartych, stosowane są generatory drobno pęcherzykowe powietrza, realizującego zadanie natleniania ścieków wspomagającego procesy biodegradacji i utleniania zanieczyszczeń organicznych i chemicznych.There are also known and used systems in which, with the use of a liquid vapor compressor, condensation of its vapors is carried out for disposal purposes and in which the used shell cooler performs only the task of lowering the temperature of the medium in the primary cycle. In open wastewater treatment plant systems, fine-bubble air generators are used, which perform the task of oxygenating the wastewater supporting the biodegradation and oxidation processes of organic and chemical pollutants.

Znane są układy pompy ciepła, pozwalające na częściową przynajmniej utylizację ciepła odpadowego ze zbiorników wodnych, będących odstojnikami - osadnikami wód zrzutowych technologicznych (na przykład wód obiegowych w cukrowniach, elektrociepłowniach, gorzelniach itp). Nie są znane układy, gdzie funkcja oczyszczania wód odpadowych łączy się z funkcją użytecznej utylizacji ciepła.There are known heat pump systems that allow at least partial utilization of waste heat from water reservoirs that are decanters - settling tanks for technological discharge waters (e.g. circulating waters in sugar factories, heat and power plants, distilleries, etc.). There are no known systems where the function of wastewater treatment is combined with the function of useful heat utilization.

Jednym ze znanych rozwiązań jest rozwiązanie sprzężarkowej pompy ciepła według polskiego opisu patentowego PL 181 466, składającej się z licznych wymienników ciepła.One of the known solutions is the solution of a coupling heat pump according to the Polish patent description PL 181 466, consisting of numerous heat exchangers.

186 224186 224

Każdy z wymienników ciepła ma przeponowo wydzielone trzy sekcje obiegu mediów, połączone w układach dwu stopni wymiany ciepła na roboczych sekcjach parownika i skraplacza. W wymienniku z sekcją skraplacza, pierwszy stopień wymiany ciepła stanowi dodatkowa sekcja górna małego obiegu, natomiast sekcja górna dużego obiegu jest włączona w nim w jego drugi stopień. W wymienniku z sekcją parownika na drugim stopniu występuje sekcja dochładzania, włączona w instalację układu roboczego pomiędzy sekcję skraplacza a zawór rozprężny. Sekcja zasilania połączona jest z dolnym źródłem ciepła.Each of the heat exchangers has three diaphragm sections of the media circulation, connected in two-stage heat exchange systems on the working sections of the evaporator and the condenser. In an exchanger with a condenser section, the first heat exchange stage is constituted by an additional upper section of the small circuit, while the upper section of the large circuit is incorporated therein into its second stage. In the exchanger with an evaporator section on the second stage, there is a subcooling section that is integrated into the working circuit installation between the condenser section and the expansion valve. The power section is connected to the lower heat source.

Rozwiązanie to nie nadaje się do aplikacji w układach odzysku ciepła z wód zrzutowych w instalacjach przemysłowych oraz ciepła parowania w odstojnikach oczyszczalni ścieków.This solution is not suitable for applications in the systems of heat recovery from discharge waters in industrial installations and the heat of vaporization in settling tanks of sewage treatment plants.

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie opracowania nowej konstrukcji pompy ciepła, zwłaszcza pompy dla oczyszczalni ścieków, realizującej funkcję utylizacji ciepła odpadowego z otwartych akwenów wód technologicznych lub wód stojących śródlądowych jednocześnie z funkcją oczyszczania (biologicznego i chemicznego) realizowaną przez natlenianie lub ogólnie nasączanie uzdatnianej cieczy gazem.The invention solves the problem of developing a new design of a heat pump, especially a pump for a wastewater treatment plant, performing the function of utilizing waste heat from open technological waters or standing inland waters simultaneously with the treatment function (biological and chemical) carried out by oxygenating or generally saturating the treated liquid with gas.

Pompa ciepła, zwłaszcza dla oczyszczalni ścieków, zawierająca znaną sprężarkę więcej jak jednostopniową gazu, sprzężoną ze znanym wymiennikiem ciepła rurowym oraz z naczyniem zbiorczym użytecznych skroplin, jak również zawierająca osadzony w zbiorniku wody technologicznej znany wkład koalescencyjny generatora drobno pęcherzykowego powietrza · technologicznego charakterystyczna tym według wynalazku, że w otwartym zbiorniku ścieków lub innych wód przemysłowych, jest osadzona hermetyczna kolumna koalescencyjna, mająca otwarte od dołu obrzeże, osadzone w bezpośrednim sąsiedztwie dna otwartego zbiornika. Poziom ścieków znajdujących się w tej kolumnie jest wyższy od poziomu ścieków w otwartym zbiorniku, znajdujących się pod ciśnieniem otoczenia. Przestrzeń znajdująca się nad lustrem cieczy znajdującej się w kolumnie koalescencyjnej, w której panuje ciśnienie mniejsze od ciśnienia otoczenia, jest połączona hermetycznie z wejściem agregatu ssąco-tłoczącego sprężarkowego, najkorzystniej więcej jak jednostopniowego. Jest on osadzony w otulinie termoizolacyjnej i ma wyjście znajdujących się w nim sprężonych par mających temperaturę większą od temperatury panującej w kolumnie koalescencyjnej, dołączone do wejścia wymiennika ciepła lub chłodnicy-promiennika, zwłaszcza rurowego. Spust skroplin z niego jest dołączony do hermetycznych zbiorników kondensacyjnych poszczególnych frakcji skroplin, mających każdy spusty skroplin odprowadzone poprzez zawór spustowy do jednego lub więcej otwartych zbiorników. Każdy ze zbiorników kondensacyjnych, ma przestrzeń znajdującą się nad lustrem znajdującej się w nim cieczy dołączoną przewodem magistralnym do generatora drobno pęcherzykowego, zawierającego wkład koalescencyjny, osadzonego w bezpośrednim sąsiedztwie dna zbiornika ścieków, w obrębie obrzeża kolumny koalescencyjnej.A heat pump, especially for a sewage treatment plant, comprising a known compressor, more like a single-stage gas, coupled to a known tubular heat exchanger and a useful condensate collecting vessel, as well as containing a known coalescing cartridge of a fine-bubble process air generator embedded in the process water tank that an airtight coalescing column is embedded in an open sewage or other industrial water tank having an open bottom rim, seated in the immediate vicinity of the open tank bottom. The level of waste water in this column is higher than the level of waste water in the open tank, under ambient pressure. The space above the surface of the liquid in the coalescing column, which is under pressure less than ambient pressure, is hermetically connected to the inlet of a compressor suction-delivery unit, preferably more than one stage. It is embedded in a heat-insulating casing and has an outlet of compressed vapors contained therein having a temperature higher than the temperature in the coalescing column, connected to the inlet of a heat exchanger or radiator-radiator, especially tubular. A condensate drain therefrom is connected to the airtight condensation tanks of the individual fraction of condensate having each condensate drain discharged through a drain valve to one or more open tanks. Each of the condensation tanks has a space located above the mirror of the liquid in it, connected by a trunk line to a fine-bubble generator containing a coalescing cartridge, installed in the immediate vicinity of the bottom of the sewage tank, within the rim of the coalescing column.

Dzięki zastosowaniu w pompie według wynalazku układu pompy ssąco-tłoczącej zwłaszcza więcej jak jednostopniowej, współpracującej na wejściu z kolumną koalescencyjną i na wyjściu z chłodnicą-wymiennikiem, oraz dzięki zastosowaniu generatora koalescencyjnego pęcherzyków gazów usytuowanego w bezpośrednim sąsiedztwie dna akwenu w obrębie kolumny koalescencyjnej, okazało się możliwe uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego odzysku ciepła dla celów utylitarnych, oraz selekcji i odzysku lub wyodrębnienia substancji szkodliwych z wód w oczyszczalniach ścieków. Dzięki zastosowaniu opisanych środków technicznych według wynalazku, pompa charakteryzuje się nadto dalszymi zaletami, takimi jak możliwość separacji substancji lotnych, możliwość destylacji niskotemperaturowej niektórych frakcji lotnych zawartych w wodach przemysłowych (w tym odzysku z nich substancji użytecznych), możliwość obróbki wód zrzutowych przemysłowych przy niskich nakładach energetycznych, jak również możliwość zastosowania obiegów zamkniętych w oczyszczalniach ścieków zarówno biologicznych, jak i chemicznych i mieszanych.Thanks to the use of a suction and pressure pump system in the pump according to the invention, especially more than a single-stage pump, cooperating at the inlet with the coalescing column and at the outlet with the cooler-exchanger, and thanks to the use of a gas bubble coalescing generator located in the immediate vicinity of the bottom of the reservoir within the coalescing column, it turned out possible to obtain a positive energy balance of heat recovery for utilitarian purposes, and the selection and recovery or isolation of harmful substances from water in sewage treatment plants. Thanks to the application of the technical measures described in accordance with the invention, the pump is characterized by further advantages, such as the possibility of volatile substances separation, the possibility of low-temperature distillation of some volatile fractions contained in industrial waters (including recovery of useful substances from them), the possibility of processing industrial discharge waters with low expenditure energy, as well as the possibility of using closed circuits in both biological, chemical and mixed wastewater treatment plants.

Wynalazek jest szczegółowo opisany na przykładzie jego wykonania i zobrazowany na rysunku, przedstawiającym schemat ideowy budowy układu pompy ciepła z dwoma zbiornikami kondensacyjnymi.The invention is described in detail in an exemplary embodiment thereof and illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of the construction of a heat pump system with two condensation tanks.

Jak pokazano na rysunku pompa ciepła, zwłaszcza dla oczyszczalni ścieków, zawierająca osadzoną w otwartym zbiorniku 1 ścieków 2 lub innych wód przemysłowych, kolumnę hermetyczną koalescencyjną 3. Kolumna ma otwarte od dołu obrzeże 4, osadzone w bezpo4As shown in the figure, a heat pump, especially for a sewage treatment plant, containing a hermetic coalescing column 3 embedded in an open tank 1 of sewage 2 or other industrial waters. The column has a rim 4 open at the bottom, embedded in

186 224 średnim sąsiedztwie dna otwartego zbiornika 1, w której poziom hl ścieków 2 jest wyższy od poziomu h2 ścieków w otwartym zbiorniku 1, znajdujących się pod ciśnieniem otoczenia P2. Przestrzeń znajdująca się nad lustrem cieczy znajdującej się w kolumnie koalescencyjnej 3, w której panuje ciśnienie Pl mniejsze od ciśnienia otoczenia P2, jest połączona hermetycznie z wejściem agregatu ssąco-tłoczącego sprężarkowego 5, najkorzystniej więcej jak jednostopniowego. Jest on osadzony w otulinie termoizolacyjnej 6 i ma wyjście znajdujących się w nim sprężonych do ciśnienia P3 par, mających temperaturę T2 większą od temperatury Tl panującej w kolumnie koalescencyjnej 3, dołączone do wejścia wymiennika ciepła lub chłodnicy-promiennika 7 zwłaszcza rurowego. Jego spust skroplin jest dołączony do kilku odrębnych hermetycznych zbiorników kondensacyjnych 8 poszczególnych frakcji skroplin 9, z których każdy ma spust skroplin odprowadzony poprzez zawór spustowy 10 do jednego lub więcej otwartych zbiorników 1. Każdy ze zbiorników kondensacyjnych 8, ma przestrzeń znajdującą się nad lustrem znajdującej się w nim cieczy dołączoną przewodem magistralnym 11 do generatora drobno pęcherzykowego 12, zawierającego wkład koalescencyjny 13, osadzonego w bezpośrednim sąsiedztwie dna zbiornika 1 ścieków 2, w obrębie obrzeża 4 kolumny koalescencyjnej 3. W obrębie obrzeża 4 kolumny koalescencyjnej 3, znajdują się liczne generatory drobno pęcherzykowe 12, a chłodnica-promiennik 7 stanowi element obiegu pierwotnego wymiennika ciepła cieczowego, realizującego funkcję akumulatora ciepła.186 224 medium adjacent to the bottom of the open tank 1, where the level hl of the sewage 2 is higher than the level h2 of the sewage in the open tank 1, under the ambient pressure P2. The space above the surface of the liquid in the coalescing column 3, in which the pressure P1 is lower than the ambient pressure P2, is hermetically connected to the inlet of the suction-delivery compressor unit 5, most preferably of a single stage. It is embedded in a heat-insulating cover 6 and has the output of vapors compressed to the pressure P3, having a temperature T2 higher than the temperature T1 prevailing in the coalescing column 3, connected to the input of the heat exchanger or radiator-radiator 7, especially tubular. Its condensate drain is connected to several separate hermetic condensation tanks 8 of individual condensate fractions 9, each of which has a condensate drain discharged through a drain valve 10 to one or more open tanks 1. Each of the condensation tanks 8 has a space above the mirror located in it connected by a main conduit 11 to a fine bubble generator 12, containing a coalescing cartridge 13, seated in the immediate vicinity of the bottom of the sewage tank 1 2, within the rim 4 of the coalescence column 3. Within the rim 4 of the coalescing column 3, there are numerous fine-bubble generators 12, and radiator-radiator 7 is part of the primary circuit of the liquid heat exchanger, which functions as a heat accumulator.

Opisana na przykładzie wykonania i zobrazowana na rysunku pompa ciepła zwłaszcza dla oczyszczalni ścieków działa następująco: uwolnione pęcherzyki gazu wielokrotnie zwiększają powierzchnię kontaktu z cieczą, pozwalając na zwiększenie efektywności parowania nawet poniżej temperatury parowania w danych warunkach. Pompa ssąco-tłocząca umożliwia skraplanie par cieczy pod wyższym ciśnieniem a więc i w wyższej temperaturze, pozwalając na wykorzystanie tak uzyskanego ciepła.The heat pump described in the exemplary embodiment and illustrated in the drawing, especially for a sewage treatment plant, works as follows: the released gas bubbles increase the contact surface with the liquid many times, allowing the evaporation efficiency to be increased even below the evaporation temperature under given conditions. The suction-pressure pump enables the condensation of liquid vapors at a higher pressure, and thus also at a higher temperature, allowing the use of the heat thus obtained.

186 224186 224

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies

Cena 2,00 zł.Price PLN 2.00.

Claims

Patent claim

A heat pump, especially for a sewage treatment plant, comprising a compressor more than a single-stage gas, coupled to a tubular heat exchanger and a useful condensate collecting vessel, as well as containing a coalescing cartridge of a fine-bubble process air generator embedded in the process water tank, characterized in that in an open tank (1) of sewage (2) or other industrial waters, a hermetic coalescing column (3) is embedded with a rim open at the bottom (4), seated in the immediate vicinity of the bottom of an open tank (1), in which the level (h1) of sewage (2) ) is higher than the level (h2) of wastewater in the open tank (1) under ambient pressure (P2), with the space above the surface of the liquid in the coalescing column (3) under pressure (P1) lower than ambient pressure (P2), it is hermetically connected to the inlet of the compressor suction-pressure unit (5), most preferably more k single-stage, embedded in the heat-insulating cover (6) and having the output of the vapors compressed to the pressure (P3) of the vapors (T2) higher than the temperature (T1) prevailing in the coalescing column (3), connected to the inlet of the heat exchanger or cooler - a radiator (7), in particular a tubular radiator, the drain of which is connected to hermetic condensation tanks (8) of individual condensate fractions (9) having each condensate drain discharged through a drain valve (10) to one or more open tanks (1), each of the condensation tanks (8) has a space located above the mirror of the liquid in it, connected by a main conduit (11) to a fine-bubble generator (12) containing a coalescing cartridge (13), located in the immediate vicinity of the bottom of the sewage tank (1) (2), within the periphery (4) of the coalescing column (3).