RU2347145C1

RU2347145C1 - Method of low-temperature heat utilisation

Info

Publication number: RU2347145C1
Application number: RU2007123035/06A
Authority: RU
Inventors: Игорь Иванович Боринских (RU); Игорь Иванович Боринских; Анатолий Николаевич Голубков (RU); Анатолий Николаевич Голубков; Данир Галимз нович Закиров (RU); Данир Галимзянович Закиров; Виктор Леонидович Кожевников (RU); Виктор Леонидович Кожевников; Мансур Альтафович Мухамедшин (RU); Мансур Альтафович Мухамедшин; Анатолий Михайлович Турчанинов (RU); Анатолий Михайлович Турчанинов
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2009-02-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention is aimed at using effluent water heat and can be applied in heating engineering. The method implies using effluent water being purified in the aerotank, resting or moving with the speed close to zero as a heat transfer medium. The remote heat exchanging unit which is placed in the airlift immersed within the effluent water at the total depth of the aerotank is surrounded by a zone of intensive air-water mixture production with the help of, for example, plastic enclosure shields; velocity of the mixture upward flow is regulated by a gate valve mounted at the heat insulated pipe for supplying compressed air to the airlift.

EFFECT: simplicity and efficiency of effluent water heat utilisation.

2 dwg

Description

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.The invention relates to a power system, in particular, to installations for heating and hot water supply of small industrial premises, individual residential buildings, individual buildings using low-potential natural sources of heat, domestic waste water and other thermal waste.

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.It is known that the low-grade heat contained in the wastewater has not been utilized until recently, as a rule. Meanwhile, there is a constant need for water heated to a temperature of about 50-70 ° C, which can be fully achieved with the help of heat pumps, which allow efficiently transforming low-grade heat to higher temperatures. However, their direct interaction with untreated wastewater is unacceptable, which requires the use of intermediate heat exchangers, for example remote heat exchange modules, in which the heated medium is pure water circulating in the heat pump evaporator circuit. Another specific feature of the utilization of low-grade wastewater heat is the specific (actual) state in which the coolant is located both in terms of its temperature and in terms of its speed, if it is not at all in a state of rest inherent, for example, in settling tanks, aeration tanks and other treatment facilities similar to them, which also have significant, but so far unclaimed, low-grade heat reserves.

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.A known method of utilizing low-grade heat (RF patent No. 2155302, IPC F24D 17/02) using a heat pump with an external heat exchanger connected to the heat pump evaporator by an intermediate circulation circuit, as well as the heating system itself. At the same time, a waste sewage well of the city sewer network is used as a heat source of low potential, in which, along with the heat exchanger, a vibrator is placed, designed to destroy the layer of contaminants deposited on the working surfaces of the heat exchanger. Obviously, in this case, heat transfer from wastewater to water circulating in the heat pump evaporator circuit occurs under very favorable conditions, since hundreds of cubic meters of fairly warm domestic wastewater pass through the well within an hour, moving at a considerable speed.

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.There is also known a method of utilization of low-grade heat of wastewater (see description of RF patent No. 2186309 IPC F28D 1/047), adopted by us as a prototype, using a heat pump equipped with an external heat-exchange module, actively interacting with an open thin-layer high-speed flow, the water temperature in which is about 18-20 ° C, at an hourly flow rate also measured by hundreds of cubic meters, which is typical, for example, for rake sections of urban sewage pumping stations.

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.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known methods described above include the fact that they cannot efficiently utilize the heat of domestic wastewater that is at rest or moving at a speed close to zero, especially in winter, when the temperature water in the aeration tank does not exceed 8-12 ° C, i.e. in the absence of the necessary conditions for heat transfer to the water circulating inside the heat exchange module and sent after heating to the heat pump evaporator. As you know, it is the velocity of the coolant that is one of the main factors that determine, along with the temperature head, the efficiency of the heat transfer process.

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.The objective of the present invention is to provide a simple, effective method of utilizing the heat of domestic wastewater in a state of rest or movement at a speed close to zero due to a change in external conditions in the contact zone of the external heat exchange module with said water.

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.The technical result is the utilization of heat of large volumes of relatively cold wastewater, which has significant reserves of low potential heat, which will allow to abandon the boiler room and, as a result, reduce emissions of harmful flue gases into the atmosphere, worsening the environmental situation in settlements.

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.To solve the problem in the proposed method for the utilization of low potential heat of domestic wastewater using a heat pump and an external heat exchanger module, according to the invention, wastewater is used as a heat carrier, which are treated in an aeration tank and are at rest or moving at a speed close to zero, while around a remote heat exchange module placed in an airlift, immersed in wastewater to the entire depth of the aeration tank, create a zone of intense formation of air-drop water minutes the mixture, e.g., with plastic enclosure shields upstream rate which is controlled latch, mounted on the heat-insulated pipe supplying compressed air into the airlift.

Заявленная совокупность существенных признаков создает благоприятные условия для эффективной передачи тепла воде, циркулирующей внутри теплообменного модуля и направляемой после подогрева в испаритель теплового насоса.The claimed combination of essential features creates favorable conditions for efficient heat transfer to water circulating inside the heat exchange module and sent after heating to the heat pump evaporator.

Регулирование скорости восходящего потока воздушно-водяной смеси позволяет влиять на эффективность процесса теплопередачи за счет изменения расхода сжатого воздуха задвижкой.The regulation of the speed of the upward flow of the air-water mixture allows you to influence the efficiency of the heat transfer process by changing the flow rate of compressed air valve.

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.Thus, due to changes in the external conditions in the contact zone of the remote heat-exchange module with domestic wastewater at rest or moving at a speed close to zero, which occurs, for example, in settling tanks, aeration tanks or other similar treatment facilities, low-potential heat reserves may be in demand with a simultaneous decrease in the environmental load due to the exclusion of the boiler room.

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".In the patent and scientific and technical literature, technical solutions are not known that contain features similar to those claimed, therefore, the proposal meets the criterion of "novelty." Also, for the first time, on the basis of the developed method, efficient heat transfer from a coolant that is at rest or moving at a speed close to zero was achieved due to a change in the external conditions in the contact zone of the heat exchange module with household wastewater being cleaned in settling tanks, aeration tanks or other similar them treatment facilities, i.e. The claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 представлена технологическая схема заявленного способа; на фиг.2 показан вид сверху эрлифта с размещенными в нем теплообменным модулем и щитами ограждения.Figure 1 presents the technological scheme of the claimed method; figure 2 shows a top view of the airlift with the heat exchange module and the guard panels placed therein.

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.The technological scheme includes a remote heat exchange module 1, which is involved in the heat pump evaporator circuit (not shown in the diagram), airlift 2, aeration tank 3, plastic shields 4, 5 and 6, a valve 7, an insulated pipeline 8. Aeration tank is a horizontal settling tank with a depth of 2, 5-3 m filled with household wastewater to be biologically treated using aerobic microorganisms. Aeration tank capacity is measured in thousands of cubic meters.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

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.In the airlift 2, immersed in the wastewater of the aeration tank 3, at rest or moving at a speed close to zero, a blower (not shown in FIG. 1) supplies compressed air.

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.As a result, a zone of intense formation of an air-water mixture is created around the external heat exchange module 1, which is involved in the heat pump evaporator circuit, located inside the airlift 2, enclosed by plastic shields 4, 5 and 6. The air-water mixture (emulsion), being less dense than the aeration tank water surrounding the airlift, is set in motion according to the law of communicating vessels, which, as you know, is the principle of airlift operation. The speed of the upward flow of the air-water mixture is regulated by a valve 7 mounted on a thermally insulated pipe 8 for supplying compressed air to the airlift.

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.The compressed air supplied by the blower can have a temperature of about 50 ° C, which, in combination with the movement of the air-water mixture along the working surface of the remote heat exchange module, creates favorable conditions for more efficient heat transfer to the water circulating inside the remote heat exchange module and sent after heating by 3-5 ° C to the heat pump evaporator.

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.Although the active flow of air-water mixture around the heat exchanger module creates some prerequisites for counteracting the accumulation of contaminants contained in the water to be cleaned on the working surface of the module, it must be periodically serviced - lifting and treating with clean water from the pressure hose.

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.Due to the fact that treatment facilities, in particular those intended for biological treatment of domestic wastewater, are usually quite remote from urban settlements, the supply of heat and hot water to their production facilities is not centralized (from urban heating systems), but from individual boiler houses using coal as a fuel, as a rule, the combustion of which has a negative impact on the environment. Therefore, the use of low-grade heat of wastewater will not only provide a certain saving of coal due to a decrease in the boiler room productivity (up to its conservation for the spring-summer period), but also significantly reduce the emission of harmful flue gases into the atmosphere.

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.Thus, it becomes possible to utilize the heat of large volumes of wastewater at rest or having a speed of movement close to zero and having significant reserves of low potential heat.

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.To implement the claimed method does not require the development and development of the production of sophisticated equipment, since the main element of the general technological scheme of heat recovery (heat pump) for many years has been mass-produced.

Таким образом, запасы низкопотенциального тепла от сточных вод, находящихся в покое или движущихся со скоростью близкой к нулю, становятся востребованными.Thus, the reserves of low-grade heat from wastewater that are at rest or moving at a speed close to zero become popular.

Claims

A method of utilizing low potential heat of domestic wastewater using a heat pump and an external heat exchange module, characterized in that the heat carrier uses wastewater that is treated in an aeration tank and is at rest or moving at a speed close to zero, while around the external heat transfer a module placed in an airlift, immersed in wastewater to the entire depth of the aeration tank, create a zone of intensive formation of an air-water mixture, for example, using plastic shields fencing, the upward flow rate of which is regulated by a valve installed on a thermally insulated pipeline for supplying compressed air to the airlift.