ТЕПЛООБМЕННИК - УТИЛИЗАТОР ТЕПЛА СЕРЫХ СТОКОВ
WASTEHEAT EXCHANGER OF GREY DRAINS

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к теплообменникам - утилизаторам тепла хозбытовых стоков и других тепловых отходов, и может использоваться в системах отопления и горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, производственных помещений, отдельных сооружений.
Известна установка отопления и горячего водоснабжения (RU №2155302 С1, кл. F24D 17/02, опубл. 2000), содержащая источник тепла низкого потенциала, циркуляционный контур, тепловой насос с испарителем и конденсатором, систему отопления, при этом в качестве источника тепла низкого потенциала она содержит приемный колодец сточных вод сети канализации, в котором размещены теплообменник и вибратор.
Известен способ утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых сточных вод (RU №2347145 С1, кл. F24D 11/02, опубл. 2009) с использованием теплового насоса и выносного теплообменного модуля, предусматривающий использование в качестве теплоносителя сточные воды, проходящие очистку в аэротенке и пребывающие в состоянии покоя или движения 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.
Известен способ утилизации тепла жидкости (RU №2349854 С1, кл. F24F 13/12, опубл. 2009), в котором увеличение скорости потока теплоносителя осуществляют путем введения дополнительной струи, при этом дополнительную струю направляют тангенциально каналу теплоносителя или под углом к плоскости сечения канала теплоносителя. Теплоутилизатор содержит канал жидкого теплоносителя с входом и выходом и канал нагреваемой среды с входом и выходом, канал теплоносителя и канал нагреваемой среды отделены друг от друга теплопроводящей стенкой, в канале теплоносителя для увеличения скорости потока теплоносителя выполнено входное сопло. Канал теплоносителя представляет собой металлическую трубу, а канал нагреваемой среды в виде пространственной спирали образован пространством между трубами, расположенными одна внутри другой.
Основными недостатками аналогов является сложность конструктивного исполнения и повышенные энергетические затраты.
Наиболее близким к заявленному изобретению является известное устройство для передачи тепла между сточными водами и жидким теплоносителем (DE №10 2006050922 А1, кл. С02F 1/00, опубл. 2008), содержащее резервуар со сточными водами, расположенный в нем теплообменник с жидким теплоносителем, а также приспособление, создающее конвекционный поток, например трубу-диффузор для подачи воздуха в объем сточных вод, мешалку или устройство для создания давления.
Недостатки данного технического решения связаны с повышенными энергозатратами, связанными с необходимостью применения барботажного компрессора или механической мешалки для создания конвективного теплообмена и аэрации серых стоков, а также низкая интенсивность теплообмена из-за перемешивающей конвекции во всем объеме бака-аккумулятора стоков.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение конвективного теплообмена и аэрации серых стоков за счет естественного напора сливаемых серых стоков без применения дополнительного оборудования (воздушных компрессоров, мешалок), а также обеспечение интенсификации и равномерности теплообмена по всей длине теплообменника за счет организации одинаковых гидродинамических условий.
Поставленная задача решена тем, что теплообменник - утилизатор тепла серых стоков содержит бак-аккумулятор стоков, трубопроводы подачи и отвода стоков, трубчатый теплообменник с жидким теплоносителем, устройство для подачи воздуха в сточные воды, при этом трубопроводы подачи стоков расположены над поверхностью серых стоков в баке-аккумуляторе и снабжены сливными насадками, оборудованными в качестве устройств для подачи воздуха эжекторами-аэраторами и расположенными над поверхностью серых стоков в баке-аккумуляторе на расстоянии 2-3 калибров ширины сливных насадков, трубки теплообменника размещены по вертикальной оси под сливными насадками на расстоянии 1 - 2 диаметров трубок теплообменника от поверхности серых стоков в баке-аккумуляторе, причем отвод стоков выполнен в виде двух трубопроводов - переливного трубопровода для отвода загрязненных стоков и трубопровода отвода очищенных стоков, размещенного под переливным трубопроводом.
Сущность изобретение поясняется подробнее чертежами и описанием к ним.
На фиг.1 схематично изображен узел ввода серых стоков в бак-аккумулятор; на фиг.2 - схема теплообменника - утилизатора серых стоков.
Теплообменник - утилизатор тепла серых стоков содержит бак-аккумулятор стоков 1, трубопроводы подачи стоков 2, трубчатый теплообменник с жидким теплоносителем 3, устройство для подачи воздуха в сточные воды 4, при этом трубопроводы подачи стоков 2 расположены над поверхностью серых стоков в баке-аккумуляторе 1 и снабжены сливными насадками 5, оборудованными в качестве устройств для подачи воздуха эжекторами-аэраторами 6 и расположенными над поверхностью серых стоков в баке-аккумуляторе на расстоянии 2-3 калибров ширины сливных насадков, трубки теплообменника 3 размещены по вертикальной оси под сливными насадками 5 на расстоянии 1-2 диаметров трубок теплообменника от поверхности серых стоков в баке-аккумуляторе 1, причем отвод стоков выполнен в виде двух трубопроводов - переливного трубопровода для отвода загрязненных стоков 7 и трубопровода отвода очищенных стоков 8, размещенного под переливным трубопроводом 7.
Теплообменник - утилизатор тепла серых стоков работает следующим образом.
Серые стоки (от умывальника, ванны, душа) по трубопроводу подачи стоков 2 через сливные насадки 5, локально увеличивающие скорость жидкости, поступают в бак-аккумулятор 1 с высоты, равной 2-3 калибрам ширины сливных насадков 5. Сливные насадки 5 оборудованы пластинами - эжекторами-аэраторами 6, с помощью которых происходит первичная аэрация стоков. Вторичная аэрация стоков на поверхности стоков в баке-аккумуляторе 1 осуществляется за счет вовлечения воздуха на границе входа сливаемых струй в бак-аккумулятор (показаны на фиг.1 и 2). Трубки змеевика теплообменника 3 размещены по вертикальной оси под сливными насадками 5 на расстоянии 1-2 диаметров трубок теплообменника от поверхности серых стоков в баке-аккумуляторе 1. Происходит интенсивный теплообмен между серыми стоками и жидким теплоносителем, который затем направляется, например, в автономные или комбинированные системы теплоснабжения. Трубки теплообменника расположены в зоне прямого воздействия сливных аэрированных струй на расстоянии, соответствующем максимальной скорости их омывания, что способствует значительной интенсификации теплообмена между серыми стоками и жидким теплоносителем, протекающим по трубкам теплообменника 3. Двойная аэрация стоков способствует интенсивному окислению примесей, растворенных в стоках, кислородом воздуха. Загрязненные стоки всплывают в верхнюю часть бака-аккумулятора 1 и удаляются из бака-аккумулятора через переливной трубопровод отвода загрязненных стоков. В нижней части бака-аккумулятора скапливаются очищенные стоки, которые удаляются через трубопровод отвода очищенных стоков 7, размещенный под переливным трубопроводом, и могут быть использованы в дальнейшем там, где не предъявляются высокие требования к степени очистки воды.
Расстояние между зеркалом серых стоков и сливными насадками, равное 2-3 калибрам ширины сливных насадков 5, получено экспериментальным путем и является оптимальным. При уменьшении данного размера снижается степень турбулизации течения в зоне теплообменной трубки и степень аэрации струй, что приводит к снижению теплообмена и эффективности очистки серых стоков. При увеличении - происходит расширение зоны входа струй со снижением скорости омывания теплообменных трубок и уменьшением интенсивности теплообмена.
Трубки змеевика теплообменника размещены по вертикальной оси под сливными насадками на расстоянии 1-2 диаметров трубок теплообменника от зеркала серых стоков, что является оптимальным размером формирования зоны максимальной скорости омывания и интенсивного теплообмена трубок с аэрированными струями серых стоков.
Уменьшение этого расстояния может привести к разбрызгиванию серых стоков при ударе струй об теплообменные трубки и возникновению эффекта адиабатического охлаждения, что снизит теплообмен, увеличение приведет к снижению скорости омывания трубок и также к снижению теплообмена.
Заявленное устройство позволяет в 1,5-2 раза интенсифицировать конвективный теплообмен по сравнению с ближайшим аналогом, за счет высокой скорости омывания теплообменника сливными струями серых стоков, а также за счет максимального температурного напора теплообмена, так как температура сливных струй выше температуры серых стоков в баке-аккумуляторе.
Теплообменник - утилизатор не требует дополнительной энергии на компрессионный барботаж или механическое перемешивание серых стоков в объеме бака-аккумулятора, энергозатраты снижаются в 2-3 раза. Конструктивные особенности установки обеспечивают высокую эффективность аэрации серых стоков за счет первичной аэрации с помощью пластин - эжекторов и вторичной - на границе входа сливных струй в бак-аккумулятор серых стоков.
В настоящее время проходит испытания опытный образец заявленного теплообменника - утилизатора тепла серых стоков, получены высокие показатели по утилизации низкопотенциального тепла сточных вод, намечено серийное производство.