ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, ПОЛУЧАЕМОЙ В ХОДЕ АЭРОБНОГО ПРОЦЕССА
POWER MODULE AND METHOD OF USING HEAT ENERGY OBTAINED DURING AEROBIC PROCESS

Область техники, к которой относится изобретение
Целью настоящего изобретения является использование тепловой энергии, вырабатываемой в ходе аэробных процессов, для подачи тепловой энергии, главным образом, на первичную сторону тепловых насосов, использующих теплоту воды, и для удовлетворения потребностей в тепловой энергии отопительных систем, работающих при низкой температуре, исключительно за счет тепла, выделяемого в ходе аэробных процессов. Использование энергетического модуля позволило устанавливать тепловые насосы, использующие теплоту воды, в таких местах, где это было невозможно сделать раньше (например, в деловых районах города). Другая возможность использования тепловой энергии заключается в управлении энергетическим модулем как независимым тепловым генератором для низкотемпературных отопительных систем соответствующих размеров путем замены другого оборудования (такого как котел, тепловой насос).
Уровень техники
Биогаз представляет собой все более широко используемую форму альтернативной энергии, извлекаемой из биомассы. Использование биомассы включает в себя анаэробный процесс, представляющий собой безвоздушный (т.е. протекающий в отсутствие кислорода) процесс разложения, сопровождаемый образованием газа. Получаемые в результате горючие газы используются для приведения в действие газовых двигателей. Тепловая кинетическая энергия, вырабатываемая двигателями, предназначена для дальнейшего использования. В отличие от этого, разработанные энергетический модуль и способ используют тепловую энергию, вырабатываемую при помощи процессов аэробного (т.е. происходящего в присутствии кислорода) преобразования.
Теплообменники выпускаются во множестве разнообразных исполнений. Все теплообменники представляют собой аппараты, созданные для эффективной передачи тепла из одной среды в другую. Тепло всегда передают из высокотемпературной среды в низкотемпературную, добиваясь выравнивания температур. При изготовлении теплообменников всегда учитывают свойства двух различных сред, поэтому варианты исполнения и конструкции теплообменников могут значительно отличаться друг от друга, однако их функции аналогичны.
С точки зрения конструкции жидкостно-жидкостные и газожидкостные теплообменники, как правило, представляют собой закрытые системы, поскольку процесс теплообмена в них не требует присутствия кислорода. Они могут быть и открытыми системами, в которых тепло, выделяемое при сгорании, испарении или парообразовании, восстанавливают и передают в другую среду (например, газовые котлы, камины и т.д.). Предлагаемые энергетический модуль и способ также основаны на этих критериях, т.е. являются частично открытыми, однако поток существует только во вторичном контуре/стороне. На стороне тепловыделения (первичного контура) мы используем такую постоянную среду, в которой, в ходе аэробного процесса разложения, выделяется большое количество тепла. Это получаемое тепло может использоваться энергетическим модулем и разработанным способом.
Раскрытие изобретения
Распространение тепловых насосов - особенно водо-водяного типа - ограничивается тем, что подача тепла на первичную сторону требует бурения (гидротермальной) скважины или значительного объема выполнения (геотермических) земляных сооружений, что ограничивает их применение, не позволяя использовать во многих местах (города, охраняемые территории, дома рядовой застройки и т.д.). Учитывая это обстоятельство, энергетический модуль и способ были разработаны, чтобы покрыть относительно небольшие потребности в тепловой энергии, используя аэробные процессы в аппарате, который может применяться в любом месте и легко устанавливается.
В случае применения энергетического модуля нет необходимости в дополнительных земляных сооружениях или бурении скважины для подачи тепловой энергии на первичную сторону тепловых насосов водо-водяного типа, поэтому тепловые насосы можно устанавливать в любом месте, где это было невозможно сделать раньше.
Энергетический модуль можно также использовать без тепловых насосов, при этом он может обеспечивать тепловой энергией регулируемые, имеющие надлежащие размеры отопительные устройства периодического действия, работающие при низкой температуре (30-40°C) (например, для подогрева пола или стен). Такой вариант применения обеспечивается постоянной, непрерывной выработкой тепла за счет аэробных процессов и возможностью последовательного подключения энергетических модулей. Для поддержания аэробных процессов необходимо обеспечить непрерывную подачу кислорода, при этом отвод тепла не может превышать 40-50% величины тепла, вырабатываемого в ходе этого процесса; альтернативно, можно прерывать ход процесса разложения, чтобы выработку тепла тоже можно было приостанавливать. Более конкретно, температура внутри преобразуемого органического вещества составляет 70-75°C, и, чтобы поддерживать ход процесса, ее нельзя уменьшать ниже 35-40°C. Непрерывная работа может поддерживаться за счет бактерий, способствующих аэробным процессам, и непрерывной подачи кислорода в достаточном количестве.
Аэробный процесс (аэробное разложение, аэробное сбраживание)
Это химическое преобразование, разложение (сбраживание) органических веществ, осуществляемое, главным образом, микроорганизмами (аэробными организмами) в присутствии воздуха, соответственно, кислорода. Аэробный процесс является характерным признаком природных преобразований (например, образования сухой гнили) и применения способов аэробной деструкции (например, изготовление компоста, биологическая очистка сточных вод). В результате аэробного разложения органические вещества преобразуются в диоксид углерода и воду, нитриты и нитраты, сульфиты и сульфаты, а также фосфаты (минерализация), со значительным тепловыделением, но без тяжелого запаха.
Краткое описание чертежей
На ФИГ. 1 показан вид энергетического модуля с частичным разрезом.
На ФИГ. 2 показано концептуальное представление внутреннего теплообменника.
Осуществление изобретения
Энергетический модуль и способ использования тепловой энергии, получаемой в ходе аэробного процесса, основаны на применении тепла, вырабатываемого в ходе управляемого аэробного процесса, происходящего в частично закрытом, теплоизолированном контейнере надлежащего размера. Способ извлечения тепла состоит в следующем: в теплоизолированном, частично закрытом управляемом контейнере (ФИГ. 1) необходимо осуществить процесс выработки тепла. Присутствие кислорода, необходимого для поддержания процесса, обеспечивается поступлением атмосферного воздуха через один или несколько входных воздушных патрубков (2). Внутренняя часть теплоизолированного контейнера заполняется органическим веществом и, вследствие аэробного процесса разложения, вырабатывается тепло. В качестве органического вещества могут использоваться, например, любые вещества растительного происхождения, из которых может изготавливаться компост, животное удобрение, древесные опилки, зеленые отходы, или их смесь. Для поддержания процесса и обеспечения максимально возможной эффективности требуется непрерывная подача и замена (при необходимости) органических веществ.
Тепло можно извлекать при помощи труб закрытого внутреннего теплообменника надлежащего размера (ФИГ. 2), расположенного в энергетическом модуле и изготовленного из материалов, способных передавать тепло. По этим трубам осуществляется циркуляция жидкости, при этом штуцеры (1) позволяют присоединять трубы к отопительным системам косвенным (через тепловой насос) или прямым способом. При большей тепловой нагрузке можно соединить несколько контейнеров. По сравнению со штуцерами соединительные трубы (8) теплообменника сужены и представляют собой многоходовые трубы. Использование большего количества труб меньшего диаметра обеспечивает большую поверхность теплопередачи, при этом скорость потока замедляется и, таким образом, жидкость, циркулирующая по трубам, дольше находится внутри энергетического модуля. Это означает, что жидкость контактирует с более теплой средой на большей поверхности. Благодаря этому обеспечивается надлежащее, своевременное повышение температуры жидкости.
Способы осуществления
Энергетический модуль имеет многослойную конструкцию, образованную внешним передающим и внутренним сохраняющим слоем. Теплоизоляция между двумя слоями создает сэндвичевую конструкцию (4). Система теплообменника (ФИГ. 2) размещается внутри контейнера и состоит из соединительных труб (9), разделительных труб (6) и теплообменных труб (8). Что касается конструкции и размера биоэнергетического модуля, следует учитывать, что его вес в состоянии, когда он заполнен, может оказаться значительным, что затрудняет транспортировку.
Штуцеры на контейнере размещаются в местах расположения впускных и выпускных патрубков (1) теплообменника (ФИГ. 2). Циркуляция в теплообменнике при использовании насосов осуществляется так, чтобы теплообмен происходил с замедлением циркуляции и увеличением поверхности теплопередачи. Отдельные блоки теплообменников стыкуются при помощи соединительных труб (9) большего диаметра, чем у теплообменных труб (8). Количество теплообменников в энергетическом модуле и, вследствие этого, величина поверхностей теплопередачи определяются требуемой температурой и свойствами наполнителей (5), применяемых в контейнере (т.е. температурой, достижимой для данного материала).
Определение трубы: труба представляет собой такое полое тело, в котором толщина стенки меньше, чем внутренний диаметр трубы. Соответственно, квадратные полые секции и другие полые секционные профили, позволяющие транспортировать жидкость, также представляют собой трубы.
Энергетический модуль имеет двухстеночную конструкцию с сэндвичевой конструкцией (4), где теплоизолирующий материал заполняет пространство между двумя стенками контейнера. Циркуляция жидкости, температуру которой необходимо повысить, осуществляется в блоке теплообменника (ФИГ. 2), размещенном в контейнере. Теплообменники стыкуются при помощи соединительных труб (9) и выполнены из необходимого количества элементов. Внутри контейнера теплообменники полностью закрыты органическими веществами (5), вырабатывающими достаточное количество тепла в ходе аэробных процессов и, таким образом, создающими требуемый уровень изменений положительной температуры в жидкости, циркулирующей в теплообменниках. Энергетический модуль имеет одно или несколько вентиляционных отверстий (2), благодаря своей конструкции формирующих неиспользуемое свободное пространство (3), за счет которого может покрываться потребность аэробных процессов в кислороде. Энергетический модуль снабжен также отверстиями, позволяющими восполнять расход преобразованного вещества (результат аэробных процессов) и производить возможную замену. Когда модуль не используется, эти отверстия можно также использовать для выполнения операций очистки. Энергетический модуль имеет по меньшей мере 4 ножки (7) или колеса для облегчения перемещения и транспортировки.
Типовой чертеж (ФИГ. 1)
Ниже перечислены преимущества энергетического модуля и способа использования тепловой энергии, вырабатываемой в ходе аэробных процессов.
Благодаря применению энергетического модуля водяные тепловые насосы можно устанавливать в любом месте, где это было невозможно сделать раньше (вследствие требования к созданию земляных сооружений или бурению скважины).
Энергетический модуль способен генерировать тепловую энергию самостоятельно, полностью обеспечивая правильно рассчитанную и изготовленную отопительную систему, работающую при низкой температуре. В этом случае он обеспечивает очень дешевую (бесплатную) тепловую энергию.
Не оказывает отрицательного воздействия на окружающую среду, так как основан на использовании тепла, вырабатываемого в ходе естественных биологических процессов.
Источник энергии (зеленые отходы), необходимый для реализации данного способа, доступен почти везде.