Система утилизации тепла сточных вод

Полезная модель относится к системам автономного энергообеспечения помещений в зданиях жилого, административного, торгового, промышленного и другого назначения, как для нового строительства, так и в реконструируемых объектах, с использованием в качестве источника энергии низкопотенциального тепла хозяйственных бытовых стоков, в частности, к установкам горячего водоснабжения и отопления, в том числе, в индивидуальных жилых домах и отдельных сооружениях.
Известно, что содержащееся в сточных водах низкопотенциальное тепло использованной воды от бытовых потребностей, гигиенических процедур, стиральных и посудомоечных машин или технологических процессов до последнего времени, как правило, не утилизировалось. Тепловая энергии, которая расходуется в процессе образования сточной воды, обычно теряется при сливе воды в канализацию. Существующая потребность в воде нагретой до температуры порядка 50-70°С может с частичным повторным использованием затраченной энергии обеспечиваться утилизацией сбросовой энергии с помощью тепловых насосов, позволяющих экономить энергоресурсы путем эффективной трансформации низкопотенциального тепла до более высоких температур или экономией энергии предварительным подогревом холодной воды для обеспечения горячего водоснабжения.
Из уровня техники известны системы, использующие тепло от сточных вод, например, система рекуперации тепла (пат. РФ №2575955, опубл. 27.02.2016). Известная теплообменная система содержит корпус, внутри которого расположена система теплообменника с входным коллектором для воды от системы водоснабжения в змеевик, установленный внутри пластмассовой трубы, по которой протекает сточная вода, поступающая из сливного устройства, причем указанный корпус скрыт под полом. Дополнительно указанная система рекуперации содержит фильтр, расположенный на входе и защищающий указанную систему от засорения, причем предусмотрены средства создания турбулентного потока и средства предотвращения слишком быстрого слива путем установки на конце трубы дроссельной заслонки.
К недостаткам известного технического решения можно отнести сложность изготовления, монтажа и эксплуатации системы и тот факт, что размещение спирального теплообменника внутри трубы, по которой протекает сточная вода, приводит к созданию дополнительного гидравлического сопротивления потоку сточных вод, отрицательно влияющему на пропускную способность и надежность работы самой канализации.
Известна система утилизации тепла сточных вод Power-Pipe DWHRSystem (журнал «Сантехника» №1/2013. стр. 45-48, рис. 1). Работа системы основана на физическом принципе, называемом «эффект падающей пленки». Он заключается в том, что падающая вертикально по трубе вода не будет находиться в центре трубы, а будет перемещаться тонкой пленкой по внутренней поверхности трубы, в которую она заключена. Поэтому система содержит центральную цилиндрическую трубу большого диаметра, транспортирования сточных вод, вертикального участка внутридомовой канализации и набор спирально обвиваемых трубопроводов меньшего диаметра для утилизации тепла.
К недостаткам известного технического решения, выбранного в качестве прототипа, можно отнести, что отбор тепла сточных вод в известном техническом решении осуществляется недостаточно эффективно, поскольку теплопередача осуществляется с поверхности центральной цилиндрической канализационной трубы через соприкасающиеся поверхности трубопроводов утилизирующих тепло, полностью не прилегающих своими поверхностями к теплоотдающей трубе. Дополнительно к этому, установка системы в существующие стандартные системы трубопроводов сточных вод требует затратной реконструкции канализаций.
Известна установка рекуперации тепла сточных вод (WO 2016094971 А1, опубл.23.06.2016), содержащая центральную цилиндрическую трубу транспортирования сточных вод с внешним оребрением, образованным обмоткой из медного или алюминиевого материала в виде катушки или отдельных ее сегментов, расположенная по центру во внешней трубе с образованием между трубами закрытого водонепроницаемого пространства, в котором расположена обмотка в виде катушки или ее отдельных сегментов, нижнюю и верхнюю герметизирующие крышки с отверстиями под центральную трубу, уплотнительные элементы и приспособление для стяжки.
Система утилизации тепла сточных вод (WO 2016094971) по техническому решению, по сути, является классическим утилизатором с коаксиальным размещением внутреннего теплоотдающего и внешнего теплопринимающего устройства, с некоторым отличием в повышении эффективности работы за счет создаваемой обмоткой из медного или алюминиевого материала турбулентности потока холодной воды во внешнем теплопринимающем устройстве. Турбулентность потока обеспечивается введенными накладным оребрением в виде сплошной разряженной катушечной обмотки или ее отдельными сегментами с обмоткой поверхности внутренней трубы, выполненной из медного или алюминиевого материала. При этом внутренняя труба выполнена двухслойной, с принудительной сваркой слоев. В свою очередь, возбуждение турбулентности, повышающей теплопередачу, за счет обмотки поверхности теплоотдающего устройства из-за неполного прижимного контакта материала обмотки одновременно уменьшает площадь теплообмена, тем самым снижая эффективность теплопередачи. Использование алюминиевого материала при контактном соединении с медью резко снижает надежность и способствует при ускоренном разрушении обмотки выводу из строя напорных элементов всей системы водоснабжения (http://aluminium-guide.ru/korroziya-alyuminiya-galvanicheskaya/). Альтернативный вариант, якобы базирующийся на ламинарном движении стоков и имеющий повышение эффективности за счет гофрированного исполнения внутренней поверхности двухстенной трубы за счет увеличения площади теплопередачи, при действительном движении стоков с «эффект падающей пленки» дает обратный результат. При увеличении скорости движения происходит на гребнях гофра отрыв пленки и снижается перекрытие площади теплопередачи. Кроме этого, двухслойная сварная медная труба, как по ценовой политике, так и по теплопередаче, не соответствует теплопроводности дорогой чистой электротехнической меди, равной 384 Вт/(м×град), так как наличие 10% примесей снижает ее до 117 Вт/ (м×град). (https://www.google.ru/url?sa=i&rct=i&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=0ahUKEwiZzK2imdrYAhXkE5oKHSPaBeQQiRwlBw&url=http%3A%2F%2Fthermalinfo.ru%2Fsvojstva-materialov%2Fmetally-i-splavy%2Fteploprovodnost-metallov-teploemkost-i-plotnost-splavov&psig=AOvVaw2WEV4aNfvTtxuhNkSVlk-k&ust=1516113551582164) Исходя из всего этого, цель указанной системы рекуперации тепла сточных вод (WO 2016094971) не соответствует заявленным параметрам, ввиду того, что система не является компактной, а вполне обычной, в принципе классической. Цена по сравнению с существующими системами идентична или даже выше, а по работе - не вполне эффективна.
Предлагаемая система утилизации тепла сточных вод принципиально отличается от системы (WO 2016094971), так как внутренняя труба выполнена с внешними литыми ребрами, образующими спиральную структуру, прилегающую к трубчатому кожуху этими ребрами, что создает герметичный спиральный канал, обвивающий центральную трубу с увеличенной контактной поверхностью, удлиняющий путь движения потока холодной воды и увеличивающий время контакта его с теплопередающей поверхностью, что в разы эффективнее, чем у противопоставляемой системы.
Дополнительно к этому, в альтернативной версии заявляемая система выполнена с образованием n смежных спиральных каналов, при n=1, 2, 3, увеличивающих проходное сечение утилизирующего внутреннего водопровода.
Кроме этого, в отличие от системы (WO 2016094971) у заявляемой внутренняя труба с внешними ребрами может быть изготовлена путем литья из чугуна и при этом, при пониженной теплопроводности чугуна, но при увеличенной теплопередающей поверхности заявляемой системы, остается высокая эффективность ее работы при удешевлении по материалам и производству, в связи с отработанной технологией изготовления широкого спектра подобных устройств, использующихся для канализации сточных вод и регистров систем отопления.
В свою очередь, трубчатый кожух с подводящим и отводящим патрубками, изготовленный из пластмассы, обеспечивает
энергетическую эффективность системы утилизации тепла сточных вод за счет снижения теплоотдачи во внешнюю среду из-за пониженного коэффициента теплопередачи пластмасс, представляя собой своеобразную теплоизоляцию всей системы утилизации тепла сточных вод заявляемого устройства.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи по созданию такой системы повторного применения тепла использованных подогретых вод, которая позволила бы повысить эффективность отбора тепла при возможности прямой замены предлагаемой системой утилизации тепла сточных вод существующих стандартных вертикальных участков внутридомовой канализации.
Технический результат, который может быть получен при реализации полезной модели, заключается в повышении эффективности теплопереноса за счет конфигурации, увеличения площади теплопередающей поверхности и использования трубчатого кожуха с более низким коэффициентом теплопроводности. Дополнительный технический результат может быть получен за счет упрощения технологии изготовления и снижения производственных и эксплуатационных расходов.
Для достижения указанного технического результата в системе утилизации тепла сточных вод, содержащей центральную цилиндрическую трубу транспортирования сточных вод вертикального участка внутридомовой канализации, выполненную с внешними ребрами, трубчатый кожух с подводящим и отводящим патрубками, нижнюю и верхнюю герметизирующие крышки с отверстиями под центральную трубу, уплотнительные элементы и приспособление для стяжки, внешние ребра центральной трубы образуют спиральную структуру и выполнены литыми, трубчатый кожух выполнен из материала с более низким коэффициентом теплопроводности и плотно прилегает внутренней поверхностью к внешним ребрам центральной трубы, выполненной в свою очередь с нижней и верхней отбортовками, перпендикулярными оси центральной трубы
Выполнение центральной трубы с внешними ребрами по всей внешней поверхности создает увеличение площади теплопередающей поверхности теплопередающего трубопровода за счет стенок ребер. Спиральная структура ребер обеспечивает увеличение турбулизации и времени теплопередачи, а выполнение центральной трубы с отбортовкой нижней и верхней стенками, перпендикулярными оси трубы, создает границы применения системы. Трубчатый кожух с подводящим и отводящим патрубками, прилегающий внутренней поверхностью к ребрам спиральной структуры и стенок центральной трубы, обеспечивает создание утилизирующего устройства внутреннего водопровода с патрубками подключения ее к внешней водопроводной сети. Нижняя и верхняя герметизирующие крышки с отверстиями необходимы для соединения центральной трубы с трубчатым кожухом и сборки устройства в единую систему. Уплотнительные элементы и приспособление для стяжки системы утилизации тепла сточных вод обеспечивают герметизацию внутреннего водопроводного пространства при подключении к внешней водопроводной сети.
Кроме того, спиральная структура внешних ребер центральной трубы, выполненная с образованием n смежных спиральных каналов, при n=1, 2, 3…, обеспечивает увеличение площади теплопередающей поверхности от теплопередающего трубопровода за счет увеличения количества стенок ребер, а с отверстиями подводящего и отводящего патрубков в трубчатом кожухе, соответственно перекрывающих 1, 2, 3… канала, увеличивают проходное сечение утилизирующего внутреннего водопровода.
Также, изготовление центральной трубы из меди с медной ленточной спиральной структурой (как вариант), прикрепленной к центральной трубе для устройства внешних ребер и нижней и верхней стенок, обеспечивают повышенную эффективность теплопередачи за счет высокого коэффициента теплопередачи меди.
Изготовление центральной трубы с внешними ребрами путем литья из чугуна упрощает изготовление и эксплуатацию, обеспечивает использование существующих технологий, применяемых для производства чугунных канализационных труб и регистров отопления.
Изготовление трубчатого кожуха с подводящим и отводящим патрубками из пластмассы повышает энергетическую эффективность системы утилизации тепла сточных вод за счет снижения теплоотдачи во внешнюю среду из-за пониженного коэффициента теплопередачи пластмасс.
Также, изготовление трубчатого кожуха разъемным, с продольными герметичными соединениями, повышает возможности применения при необходимости в процессе эксплуатации ремонтов инженерных систем.
Приспособление для стяжки, выполненное в виде шпилечного скрепления по периметру герметизирующих крышек, обеспечивает герметизацию с фиксацией всех элементов системы в рабочее состояние.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, представленным на фигуре
На фиг. представлен продольный разрез предлагаемой системы утилизации тепла сточных вод, с центральной трубой и внешними ребрами, изготовленной путем литья из чугуна.
Система утилизации тепла сточных вод, содержит центральную цилиндрическую трубу 1 транспортирования сточных вод, выполненную с внешними ребрами 2, образующими спиральную структуру 3, с отбортовкой нижней стенкой 4 и верхней стенкой 5, перпендикулярными оси 6 трубы 1. Трубчатый кожух 7, с подводящим патрубком 8 и отводящим патрубком 9 прилегает внутренней поверхностью к ребрам 2 спиральной структуры 3 и стенкам 4, 5 отбортовки центральной трубы 1. Соединение центральной трубы 1 с трубчатым кожухом 7 и сборка устройства в единую систему обеспечивается нижней герметизирующей крышкой 10 и верхней герметизирующей крышкой 11, с отверстиями 12 под центральную трубу 1 с уплотнительными элементами 13. Приспособление для стяжки, например шпильками 14, обеспечивает фиксацию всех элементов системы утилизации тепла сточных вод в рабочем состоянии.
Система утилизации тепла сточных вод с центральной трубой и внешними ребрами (на фиг. не показано), может быть изготовлена из меди с медной ленточной спиральной структурой, прикрепленной к центральной трубе для устройства внешних ребер и нижней и верхней стенок для обеспечения повышенной эффективности теплопередачи за счет высокого коэффициента теплопередачи меди.
Система утилизации тепла сточных вод с центральной трубой и внешними ребрами (на фиг. не показано) может быть изготовлена с образованием n смежных спиральных каналов, при n=1, 2, 3…, для обеспечения увеличения площади теплопередающей поверхности от теплопередающего трубопровода за счет увеличения количества стенок ребер, а с отверстиями подводящего и отводящего патрубков в трубчатом кожухе, соответственно перекрывающих 1, 2, 3… канала, увеличивающих проходное сечение утилизирующего внутреннего водопровода.
Система утилизации тепла сточных вод может быть изготовлена с разъемным трубчатым кожухом, с продольными герметичными соединениями, для повышения возможностей применения при необходимости в процессе эксплуатации ремонтов инженерных систем.
Система утилизации тепла сточных вод работает следующим образом. При прокладке новой сети канализации водных стоков или при встраивании в существующую сеть часть трубопровода вертикального участка внутридомовой канализации заменяется предлагаемой системой утилизации тепла сточных вод. По центральной цилиндрической трубе 1 системы проходит теплая сточная вода, нагревая трубу 1 и ее внешние ребра 2, образующие спиральную структуру 3, с отбортовкой нижней стенкой 4 и верхней стенкой 5. Трубчатый кожух 7, с подводящим патрубком 8 и отводящим патрубком 9, прилегающий внутренней поверхностью к ребрам 2 спиральной структуры 3 и стенок 4, 5 центральной трубы 1 образуют трубчатые спиральные каналы, в которые через патрубок 8 поступает сетевая холодная вода и, пройдя увеличенный путь за счет спиральной конструкции, с повышенной температурой через патрубок 9 поступает для дальнейшего использования.
В предпочтительном варианте полезной модели трубчатый кожух 2 выполнен из пластмассы, а сборка устройства в единую систему обеспечивается нижней герметизирующей крышкой 10 и верхней герметизирующей крышкой 11, с отверстиями 12 под центральную трубу 1 с уплотнительными элементами 13. Приспособление для стяжки шпильками 14, обеспечивает фиксацию всех элементов системы утилизации тепла сточных вод, в рабочем состояние.