Устройство рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания
DEVICE FOR HEAT RECOVERY OF DOMESTIC WASTE WATER OF BUILDING

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно, к устройству для рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод. Устройство предназначено для полезного использования тепла хозяйственно-бытовых сточных вод жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий предприятий в районах Арктики, Антарктиды, крайнего Севера и Дальнего Востока, в районах с вечномерзлыми грунтами. Приоритетными областями применения изобретения являются расположенные и проектируемые в районах с вечномерзлыми грунтами предприятия добывающих, промысловых, перерабатывающих, научных и оборонных организаций, министерств и ведомств. Именно в этих районах проблема максимальной утилизации тепла и минимального нанесения ущерба экологии стоит наиболее остро.
Известен ряд технических решений, направленных на решение этой проблемы. Так из уровня техники известен способ отопления и кондиционирования здания, путем использования теплоисточников и тепловых насосов, содержащих внутренние и наружные блоки, согласно которому наружные блоки тепловых насосов размещают в помещениях, отапливаемых теплоисточниками, а внутренние блоки размещают в кондиционируемых помещениях, автоматически поддерживают нормируемую температуру воздуха во всех помещениях путем передачи тепла из помещений, которые отапливают теплоисточниками, в кондиционируемые помещения посредством внутренних блоков тепловых насосов, а в случае избытков тепла в кондиционируемых помещениях внутренние блоки автоматически переключают в режим охлаждения, а отводимое ими тепло передают при необходимости в другие кондиционируемые помещения или тепло передают через наружные блоки в помещения с наружными блоками, обеспечивая уменьшение нагрузки на теплоисточники и снижая расход топлива и/или электроэнергии, причем в помещениях с наружными блоками в летний период поддерживают оптимальную температуру путем применения системы вентиляции с регулируемой кратностью воздухообмена с помощью воздушных автоматических клапанов, степень открытия которых изменяют в зависимости от температуры наружного воздуха, что позволяет использовать тепловые насосы для отопления здания за счет теплоты окружающей среды (патент RU 2 725 127 С1, МПК F24D 3/18, F24F 1/00, F24F 7/00, опубл. 29.06.2020).
Недостатком этого способа отопления и кондиционирования здания является ограниченный перечень источников тепла: нагреватели воздуха, работающие на углеводородном топливе или на электроэнергии, и наружные блоки кондиционеров, работающие в режиме охлаждения в летний период времени.
Из уровня техники также известно устройство рекуперации тепла сточных вод для нагревания воды в системах теплоснабжения здания с 58°С до 88°С с применением двухступенчатых тепловых насосов (Султангузин И.А., Потапова А.А., «Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения» // «Новости теплоснабжения» №10 (122), октябрь 2010 г.). Утилизируемым источником тепла являются сточные воды, которые охлаждают в испарителе на 6°С (с +16°С до +10°С). В статье дано описание устройства рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания, содержащее холодильную установку с компрессорно-конденсаторным блоком и испарительным блоком. При этом удельный теплосъем при охлаждении сточных вод составляет 25,2 кДж/кг.
Данное устройство по совокупности признаков является прототипом заявленного устройства для рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод.
Недостатками прототипа являются:
- низкий удельный теплосъем при охлаждении сточных вод,
- сложность технического исполнения прототипа: двухступенчатые холодильные машины существенно сложнее в производстве и эксплуатации, чем широко применяемые одноступенчатые холодильные машины,
- невозможность применения прототипа в условиях Арктической зоны России в районах с вечномерзлыми грунтами.
Технической задачей предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом заявленного устройства является:
- рекуперация тепла хозяйственно-бытовых сточных вод в условиях Арктической зоны России, в районах с вечномерзлыми грунтами,
- использование для рекуперации сточных вод серийно выпускаемого оборудования с одноступенчатыми холодильными машинами,
- существенное повышение удельного теплосъема от хозяйственно-бытовых сточных вод (до 438 кДж/кг),
- снижение потребления энергоресурсов на отопление здания с одновременным снижением вредных выбросов в окружающую среду (тепловой энергии, углекислого газа, окислов азота).
Решение поставленной технической задачи и достижение требуемого результата обеспечиваются тем, что в устройстве рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания, содержащем холодильную установку с компрессорно-конденсаторным блоком и испарительным блоком, компрессорно-конденсаторный блок размещен в отапливаемом помещении, снабженным системой отопления, а испарительный блок размещен в технологическом помещении и выполнен в виде льдогенераторной установки, в которую подают очищенные сточные воды, а лед за льдогенераторной установкой удаляют из технологического помещения. При этом льдогенераторная установка может быть выполнена в виде установки по производству блочного льда или в виде установки по производству гранулированного или чешуйчатого льда, который затем прессуют в блоки. Для регулирования температуры в отапливаемом помещении применяется система автоматического регулирования, обеспечивающая заданный температурный режим путем изменения теплопроизводительности системы отопления. На подводящем к льдогенераторной установке трубопроводе очищенных сточных вод установлено переключающее устройство для отвода сточных вод в летний период в канализацию с надземной или наземной прокладкой трубопроводов.
Система отопления может быть снабжена воздушным или водяным контуром передачи тела в отапливаемое помещение и содержать котлы на углеводородных видах топлива, водяные или электрические воздухонагреватели. Отапливаемое помещение может иметь наружные блоки систем кондиционирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой.
На фигуре представлена схема предлагаемого устройства рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания.
В технологическом помещении 1, имеющем выход наружу через отгрузочный накопитель - шлюз 2, размещена станция 3 очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, испарительный блок 4 в виде льдогенератора и пресс 5 чешуйчатого льда. При использовании льдогенератора блочного льда необходимости в применении пресса 5 нет. В отапливаемом помещении 6 размещен компрессорно-конденсаторный блок 7. Помещение 6 также снабжено традиционной системой отопления содержащей генератор тепла, например отопительный котел 8, теплопровод 9, насос 10, тепловентилятор (воздухонагреватель) 11 и систему регулирования температуры воздуха в помещении за счет изменения теплопроизводительности генератора тепла. Возможно применение водяной системы отопления для передачи тепла от котла 8 в помещение. Трубопроводная линия 12 служит для байпассирования испарительного блока 4 в летний период года. В помещении 1 также размещен транспортер 13 для перемещения прессованного льда в отгрузочный накопитель - шлюз 2.
Предлагаемое устройство рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания функционирует следующим образом.
Во время отопительного сезона (холодный период года с отрицательной температурой наружного воздуха) в отапливаемом помещении 6 поддерживают автоматически нормируемую температуру воздуха, например, 20-22°С по СанПиН 2.1.2.1002-00. 2.1.2. (ред. от 21.08.2007) в результате использования тепла от генератора 8 и тепла, отводимого от компрессорно-конденсаторного блока 7. При этом генератор 8 является основным источником тепла, а компрессорно-конденсаторный блок 7 - дополнительным. Это дополнительное тепло получают от хозяйственно-бытовых сточных вод, очистку которых производят на станции 3. Очищенную сточную воду подают в испарительный блок 4, где она отдает тепло хладагенту и замораживается в виде чешуйчатого льда. Чешуйчатый лет сжимают прессом 5 в брикеты, которые затем по транспортеру 13 перемещают в отгрузочный накопитель - шлюз 2 для дальнейшей утилизации вне здания.
Тепло от компрессорно-конденсаторного блока 7, являющегося дополнительным тепловым источником в отапливаемом помещении 6, снижает тепловую нагрузку на систему отопления и, следовательно, приводит к снижению расхода не возобновляемого источника энергии - органического топлива. В результате этого происходит снижение экологической нагрузки на окружающую среду.
В летний период года при положительной температуре наружного воздуха, когда система отопления отключена, и надобность в дополнительных источниках тепла отсутствует, очищенные сточные воды могут быть удалены из здания в обход испарительного блока 4 по трубопроводной линии 12, выполненной по технологии надземной или наземной прокладки трубопроводов, что является большим преимуществом для районов вечномерзлых грунтов по соображениям экономии капитальных и эксплуатационных затрат и повышения экологической эффективности.
Экономический эффект применения предложенного устройства рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод иллюстрируется примером.
Пример
Хозяйственно-бытовые сточные воды с температурой 20°С с расходом 10 м/сут (0,1157 кг/с), прошедшие очистку в блочно-модульной станции очистки хозяйственно-бытовых сточных вод модели СТОВ БИО-10, направляют в двухблочный льдогенератор чешуйчатого льда модели FF10AS, где охлаждают до 0°С, затем замораживают, после чего лед переохлаждают до минус 10°С, прессуют в блоки, например, массой по 5 кг, перемещают блоки на транспортере 5 в отгрузочный накопитель-шлюз 2 и удаляют из здания для транспортировки на пункт хранения или утилизации.
Компрессорно-конденсаторный агрегат с воздушным охлаждением размещен в отапливаемом помещении хозяйственного назначения здания (объекта), например, в помещении ремонтно-механического цеха, гаража, склада и т.п., в которых поддерживается постоянная температура, например, +20°С. Наиболее экономичным и эффективным является размещение компрессорно-конденсаторного агрегата в машинном зале согласно патенту RU 2725127 С1.
В данном примере отапливаемое помещение снабжено системой отопления с регулируемой теплопроизводительностью до 200 кВт.
лг
Количество тепла Q, кДж, отведенное за сутки от 10 м воды в результате ее охлаждения, замораживания и переохлаждения льда, составит:
лг
вд
вд
лд
лд
лд
Q=G⋅(C⋅t+C⋅t+q)=4380000 кДж/сут (50,694 кВт)
где
лг
лг
Q - количество тепла Q, кДж/сут,
G=10000 кг/сут - расход замораживаемой воды,
вд
С=4200 Дж/(кгК) - удельная теплоемкость воды,
лд
С=2100 Дж/(кг К) - удельная теплоемкость льда,
m
q=333000 Дж/кг - удельная теплота плавления льда,
вд
t=20°С - температурный перепад при охлаждении воды,
лд
t=10°С - температурный перепад при переохлаждении льда.
Потребляемая компрессорно-конденсаторным агрегатом мощность равна 48 кВт (по техническому паспорту).
Следовательно, при непрерывной работе устройства система отопления получит дополнительную мощность, равную 98,7 кВт, и снизит энергопотребление на отопление помещений почти вдвое (на 49%).
Приведенные расчеты показывают промышленную применимость предлагаемого устройства рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания.