СИСТЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СБРОСНОГО ТЕПЛА МЕТРОПОЛИТЕНА

Полезная модель относится к метрополитену, а именно к установкам использования сбросного тепла метрополитена для получения горячей воды и ее использования в системах обогрева и горячего водоснабжения зданий на коммерческой основе и/или для собственных нужд метрополитена.
Известна система использования сбросного тепла метрополитена содержащая тепловой насос (патент РФ №219440, МПК: H01F 27/20, опубл. 20.10.2002 г) - прототип.
Технический результат, на достижение которого направлено известное решение, заключается в повышении эффективности извлечения энергии из тепла воздуха внутри тоннелей и от силового трансформатора. В качестве источника низкопотенциального тепла, аккумулирующего тепловую энергию воздуха, нагретого от движения поездов по тоннелю, используют воду, скапливающуюся в тоннеле и нагретую до температуры 18-20°C. С помощью теплового насоса извлекают энергию из воды и используют для отопления помещений, а охлажденную тепловым насосом воду используют для охлаждения воздуха, циркулирующего в камере, где установлен силовой трансформатор, и забирают его сбросное тепло. Нагретую до температуры 20-25°C воду из камеры трансформатора смешивают в регенеративном резервуаре с водой из тоннеля и используют для более высокой эффективности выделения тепловой энергии тепловым насосом. Предусмотрена система аккумулирования излишков тепла и их использование при возрастании потребности в отоплении помещений.
Недостатком известного решения является ограничение практического применения изобретения в силу того, что в качестве источника низкопотенциального тепла для испарителя теплового насоса предлагается использовать просачивающуюся через неплотности ограждения туннелей грунтовую воду, скапливающуюся в нем лишь в незначительном количестве мест. При этом данный источник в ряде случаев является нестабильным и ограниченно подвижным, что препятствует эффективному извлечению из него тепловой энергии.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение надежности и эффективности извлечения тепловой энергии из более стабильного источника низкопотенциального тепла - воздуха вытяжных шахт метрополитена, при одновременном сохранении расчетной производительности вытяжной шахты.
Указанный технический результат достигается тем, что система использования сбросного тепла метрополитена содержащая тепловой насос, содержит конденсатор, посредством компрессора и дроссельного устройства связанный с расположенным в вытяжной шахте метрополитена испарителем теплового насоса, теплообменная поверхность которого выполнена и размещена в вытяжной шахте, с возможностью сохранения номинальных параметров работы вытяжной шахты, зависящих от ее глубины.
Система, характеризующаяся тем, что теплообменная поверхность испарителя теплового насоса может быть расположена по высоте вытяжной шахты.
Система, характеризующаяся тем, что теплообменная поверхность испарителя теплового насоса может быть расположена поперек вытяжной шахты.
Система, в которой теплообменная поверхность испарителя теплового насоса состоит из двух частей, одна из которых расположена по высоте вытяжной шахты, а вторая - по поперечному сечению вытяжной шахты.
Система, в которой конденсатор размещен на поверхности земли.
Система, в которой номинальный параметр работы вытяжной шахты - расчетный объем воздуха, удаляемого из вытяжной шахты в единицу времени (расчетная производительность).
Заявляемая система конкретизирована на фиг.1-4, где на фиг.1 - общий вид системы использования сбросного тепла, на фиг.2 - система с испарителем, теплообменная поверхность которого размещена вдоль шахты, на фиг.3 - система с испарителем, теплообменная поверхность которого размещена поперек шахты, на фиг.4 - система в которой теплообменная поверхность испарителя теплового насоса состоит из двух частей, одна из которых расположена по высоте вытяжной шахты, а вторая - по поперечному сечению (поперек) вытяжной шахты.
Поперек, в данном случае, не только поперечное сечение шахты, но и любое другое расположение, которое не вдоль шахты.
Система использования сбросного тепла метрополитена содержит тепловой насос 1 с испарителем 2, теплообменная поверхность 3 которого размещена в шахте 4 метрополитена. Испаритель 2 посредством компрессора 5, регулирующего вентиля 6, конденсатора 7 и теплоаккумулирующей емкости с водяным контуром 8 связан с системами отопления и горячего водоснабжения зданий, для использования полученной горячей воды в системе обогрева и горячего водоснабжения зданий 9 на коммерческой основе и/или для собственных нужд метрополитена 10.
Заявляемая система характеризуется использованием стабильного источника низкопотенциального тепла в виде вентиляционного воздуха, удаляемого из тоннелей и вестибюлей метрополитена вентилятором 11, с возможностью сохранения номинальных параметров вытяжной шахты, зависящих от ее глубины.
Испаритель 2 может быть размещен в вытяжной шахте 4 таким образом, чтобы его теплообменная поверхность 3 располагалась по высоте (вдоль) вытяжной шахты.
Это целесообразно в тех случаях, когда дополнительное гидравлическое сопротивление от поверхности теплообмена испарителя необходимо минимизировать для сохранения расчетных параметров работы шахты, т.е. перепад давления, величина которого зависит от сопротивления поверхности испарителя потоку проходящего через нее воздуха, ограничен мощностью установленного в шахте вентилятора, и ее глубина достаточна для размещения расчетной поверхности испарителя по высоте (вдоль) вытяжной шахты.
Испаритель 2 может быть размещен в вытяжной шахте 4 таким образом, чтобы его теплообменная поверхность 3 располагалась поперек вытяжной шахты (примерно в поперечном сечении шахты).
Это целесообразно в тех случаях, когда пропускная способность шахты значительно превышает ее расчетную производительность, т.е. когда возникающий при установке поверхности испарителя перепад давления ограничен мощностью установленного в шахте вентилятора, но имеет достаточно большой запас.
Теплообменная поверхность 3 испарителя 2 теплового насоса может быть выполнена состоящей из двух частей, одна из которых расположена по высоте вытяжной шахты, а вторая - по поперечному сечению вытяжной шахты.
Это применимо в тех случаях, когда перепад давления имеет существенные ограничения, позволяющие только частичное размещение поверхности испарителя поперек выходящего из шахты воздушного потока с целью сохранения установленной мощности вентилятора.
Общим правилом расположения испарителя 2 в вытяжной шахте 4 является то, что его теплообменная поверхность 3 выполнена и размещена в вытяжной шахте с возможностью сохранения номинальных параметров работы вытяжной шахты (расчетного объема воздуха, удаляемого из шахты, расчетной производительности вытяжной шахты), зависящих от ее глубины. Нарушение указанного параметра приведет к сбоям в работе метрополитена и является недопустимым. Для оптимизации технического результата испаритель должен быть расположен с максимальным приближением к периметру поверхности шахты для минимизации аэродинамического сопротивления выходящего из метро через вытяжную шахту воздуха.
Система работает следующим образом.
При прохождении воздушного потока создаваемого вентилятором 11 через теплообменную поверхность 3 испарителя 2, воздух отдает свое тепло циркулирующему в ней по обратимому контуру рабочему веществу, которое за счет полученного тепла начинает кипеть внутри теплообменной поверхности с образованием пара. Образуемый пар поступает в рабочую полость компрессора 5, где сжимается до температуры 100-130°C и затем направляется в конденсатор 7 для отдачи полученного тепла через теплообменную поверхность конденсатора 7 воде, находящейся в емкости с теплоаккумулирующем водяным контуром 8. Нагретая, таким образом, находящаяся в емкости водяного контура вода поступает в систему горячего водоснабжения зданий, где посредством использования известных теплотехнических устройств доводится до нормативных параметров, после чего направляется на коммерческой основе в системы обогрева и горячего водоснабжения зданий 9 или, непосредственно после емкости передается в аналогичные системы метрополитена для собственных нужд 10. При этом само рабочее вещество, находящееся в контуре теплового насоса, охлаждается, преобразуясь в жидкость в конденсаторе 7 и через регулирующий вентиль 6, способствующий понижению давления в системе и преобразованию рабочего вещества в паро-жидкостную смесь, направляется опять в испаритель 2, после чего процесс повторяется.
Примеры конкретного выполнения при расчетной теплопроизводительности теплонасосной установки 400 кВт и среднем коэффициенте преобразования энергии - 3,7.
Пример 1. (вдоль шахты)
2
Вытяжная шахта: диаметр - 2,5 м, площадь - 4,9 м, глубина - 20 м.
2
Расположение теплообменного контура испарителя (min расстояние от шахты) - 200 мм с площадью теплообмена 3200 м.
2
Параметры конденсатора - 200 м, компрессор мощностью - 108 кВт.
Температура и объем нагретой воды при этих параметрах составит 65°C и 3000 л/час, соответственно.
Пример 2. (поперек шахты)
2
Вытяжная шахта (ширина, глубина) диаметр - 2,5 м, площадь - 4,9 м, глубина - 20 м.
2
Расположение теплообменного контура испарителя (min расстояние от шахты) - 200 мм с площадью теплообмена 1800 м.
2
Параметры конденсатора - 200 м, компрессор мощностью - 108 кВт. Температура и объем нагретой воды при этих параметрах составит 65°C и 3000 л/час, соответственно.
Пример 3. (вдоль и поперек шахты)
2
Вытяжная шахта (ширина, глубина) Вытяжная шахта (ширина, глубина) диаметр - 2,5 м, площадь - 4,9 м, глубина - 20 м.
2
2
2
Расположение теплообменного контура испарителя (min расстояние от шахты) - 200 мм с площадью теплообмена 2500 м. состоящей из поперечной поверхности площадью 1500 м и поверхностью, расположенной вдоль шахты площадью 1000 м.
2
Параметры конденсатора - 200 м, компрессор мощностью - 108 кВт. Температура и объем нагретой воды при этих параметрах составит 65°C и 3000 л/час, соответственно.