ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ РЕГЕНЕРАТОР ТЕПЛОТЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
TWO-STAGE HEAT REGENERATOR FOR HOT WATER SUPPLY SYSTEM

Двухступенчатый регенератор теплоты может быть использован в централизованных и автономных системах горячего водоснабжения жилых и общественных помещений.
Известно устройство для регенерации теплоты сточной воды, содержащее один рекуперативный теплообменник, предназначенный для передачи теплоты от сточной воды к водопроводной воде, вход которого подключен к сети холодной воды, а выход подключен к входу нагревателя для горячей воды [1].
Возможности регенерации теплоты в таком устройстве ограничены теплоемкостью воды, питающей нагреватель для горячей воды, так как за счет теплоты сточной воды возможно нагреть только воду, питающую нагреватель для горячей воды и только до температуры, меньшей температуры сточной воды.
Известно устройство для регенерации теплоты сточной воды, содержащее один рекуперативный теплообменник, предназначенный для передачи теплоты от сточной воды к водопроводной воде, вход которого подключен к сети холодной воды, а выход подключен к входу нагревателя, в котором вода нагревается до нужной пользователю температуры [2].
Такое устройство позволяет получить существенную экономию энергии на нагрев воды, однако имеет другие ограничения. Такая система регенерации теплоты, в отличие от остальных, может быть использована только с одним комплектом водоразборной арматуры.
Известно устройство для регенерации теплоты сточной воды, содержащее один рекуперативный теплообменник, предназначенный для передачи теплоты от сточной воды к водопроводной воде, вход которого подключен к сети холодной воды, а выход соединен с линией подачи холодной воды на водоразборную арматуру [3].
Возможности регенерации теплоты в таком устройстве также ограничены теплоемкостью воды, поступающей в линию подачи холодной воды на водоразборную арматуру, так как за счет теплоты сточной воды возможно нагреть только воду, поступающую в линию подачи холодной воды на водоразборную арматуру и только до температуры, меньшей температуры сточной воды. Однако такое устройство имеет еще один, куда более существенный недостаток, который требует подробного рассмотрения.
Температура подогрева воды в теплообменнике сильно зависит от температуры воды, используемой пользователем, что создает серьезные проблемы при регулировании температуры воды пользователем. На фиг.2 изображена примерная зависимость температуры подогрева водопроводной воды в теплообменнике от температуры воды, используемой пользователем (см. Фиг.2, зависимость 10). Например, если пользователь, воздействуя на регулирующий орган водоразборной арматуры, изменит температуру воды на 14°С (с 33°С до 47°С), то температура подогрева воды изменится на 11°С, что приведет к увеличению температуры воды, используемой пользователем, примерно на 8°С. Далее процесс повторяется и в итоге через некоторое время температура воды, используемой пользователем, увеличится примерно на 16°С и будет равна 63°С.
В результате при использовании такой системы пользователь будет вынужден периодически воздействовать на регулирующий орган водоразборной арматуры, чтобы поправить температуру воды.
Также нужно отметить, что при использовании такой системы эту проблему невозможно эффективно решить путем установки нагревателя. Допустим, после теплообменника мы установим нагреватель для холодной воды, который будет автоматически нагревать воду до заданной температуры, прежде чем отпустить воду в линию подачи холодной воды на водоразборную арматуру, чтобы температура воды в линии подачи холодной воды на водоразборную арматуру была постоянной. Заданная температура в линии подачи холодной воды не может быть выше 25°С, потому что диапазон регулирования температуры будет неудобным для пользователя. Очевидно, что даже при установке нагревателя систему использовать будет невозможно (см. Фиг.2, зависимость 10), так как необходимо, чтобы температура подогрева воды в теплообменнике была меньше заданной температуры (например, 22°С) во всем диапазоне изменения температуры используемой воды (22÷57°С). Если же изменить условия теплообмена (например, уменьшить площадь поверхности нагрева теплообменника) таким образом, чтобы при максимальной температуре воды (около 57°С) температура подогрева воды в теплообменнике не превышала 22°С (см. Фиг.2, зависимость 11), то в основном режиме (при температуре используемой воды 37°С) экономия энергии будет совсем небольшой - порядка 6% от всего расхода энергии на нагрева воды.
В качестве ближайшего аналога изобретения выбрано последнее устройство [3].
На фиг.1 схематично изображен регенератор теплоты для системы горячего водоснабжения, состоящий из двух рекуперативных теплообменников, включенных последовательно в линию удаления сточной воды 1, к которой подключены приемники сточной воды 2. Первый теплообменник 3 предназначен для передачи теплоты от сточной воды к водопроводной воде, питающий нагреватель для горячей воды 4. Второй теплообменник 5 предназначен для передачи теплоты от сточной воды к водопроводной воде, питающей нагреватель для холодной воды 6. Выход нагревателя для горячей воды подключен к линии подачи горячей воды на водоразборную арматуру 7, а выход нагревателя для холодной воды подключен к линии подачи холодной воды на водоразборную арматуру 8. На линии удаления сточной воды установлена сетчатая фильтрующая перегородка 9 перед первым теплообменником по ходу сточной воды.
На фиг.2 изображено несколько приблизительных зависимостей с целью проиллюстрировать отличия заявляемого изобретения от ближайшего аналога [3].
в
По оси абсцисс - температура используемой воды (t, °C).
Зависимость 10 - температура подогрева водопроводной воды в теплообменнике при использовании устройства [3]. Условия теплообмена при расчете кривой подобраны таким образом, чтобы при температуре используемой воды 37°С температура подогрева воды в теплообменнике достигала 22°С.
Зависимость 11 - также температура подогрева водопроводной воды в теплообменнике при использовании устройства [3], но в других условиях. В этом случае условия теплообмена при расчете кривой подобраны таким образом, что при температуре используемой воды 57°С температура подогрева воды в теплообменнике была равна 22°С.
Зависимость 12 - температура подогрева водопроводной воды во втором теплообменнике заявляемого изобретения при условиях теплообмена, подобранных таким образом, что при температуре используемой воды 37°С температура подогрева воды в теплообменнике достигает 22°С.
Зависимость 13 - также температура используемой потребителем воды (только для наглядности).
Зависимость 14 - температура водопроводной воды в сети холодной воды (только для наглядности).
Предлагаемый регенератор теплоты для системы горячего водоснабжения (см. Фиг.1), состоит из двух рекуперативных теплообменников, включенных последовательно в линию удаления сточной воды 1, к которой подключен хотя бы один приемник сточной воды 2, и предназначенных для передачи теплоты от сточной воды к водопроводной воде, причем вход второго теплообменника 5, который расположен последним по ходу сточной воды, подключен к сети холодной воды, а выход этого теплообменника подключен к входу нагревателя для холодной воды 6, который автоматически нагревает воду до некоторой заданной температуры, которая выше чем в сети холодной воды, прежде чем отпустить воду в линию подачи холодной воды на водоразборную арматуру 8, вход первого теплообменника 3, который расположен первым по ходу сточной воды, подключен к сети холодной воды, а выход подключен к входу нагревателя для горячей воды 4, который автоматически нагревает воду до некоторой заданной температуры, которая выше чем в нагревателе для холодной воды, прежде чем отпустить воду в линию подачи горячей воды на водоразборную арматуру 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Когда пользователь открывает кран, вода изливается в приемник сточной воды и через водосливную арматуру попадает в линию сточной воды и омывает поверхности нагрева сначала первого, а потом второго теплообменника. В то же время с другой стороны поверхностей нагрева движется водопроводная вода, которая нагревается за счет теплоты сточной воды. Подогретая вода из первого теплообменника поступает в нагреватель для горячей воды, где автоматически нагревается до заданной температуры (60÷90°С). Подогретая вода из второго теплообменника поступает в нагреватель для холодной воды, где автоматически нагревается до заданной температуры (20-25°С). За счет увеличения температуры воды, питающей нагреватели, уменьшается расход энергии на нагрев воды.
Можно получить аналогичный технический результат, если соединить вход первого теплообменника не с сетью холодной воды, а с выходом второго теплообменника. В таком случае водопроводная вода, прежде чем попасть в первый теплообменник будет подогреваться во втором теплообменнике. Расход воды через второй теплообменник и его тепловая мощность увеличатся, но технический результат останется прежним.
Для предотвращения засорения труб или загрязнения поверхностей нагрева перед первым теплообменником по ходу сточной воды может быть установлена сетчатая фильтрующая перегородка 9 (см. Фиг.1).
Температура воды, используемой пользователями при принятии душа, мытье рук и других водных процедурах, составляет в среднем около 37°С, причем непосредственно при использовании температура воды уменьшается незначительно. Таким образом, сточная вода несет в себе большое количество тепловой энергии низкого потенциала, которая полезно не используется.
Если подогревать воду, питающую нагреватель для горячей воды, за счет сточной воды, то можно достичь уменьшения расхода энергии на нагрев воды. Температура в сети холодной воды слишком низкая. Вода с такой низкой температурой пользователю не требуется, пользователю требуется вода с температурой от 22°С до 55°С и, следовательно, существует возможность нагревать холодную воду за счет сточной воды. За счет подогрева холодной воды можно достичь уменьшения расхода горячей воды и, следовательно, уменьшения расхода энергии на нагрев воды.
Основным техническим результатом является экономия энергии на нагрев воды.
Для достижения технического результата необходимо, чтобы в линию удаления сточной воды были последовательно включены два рекуперативных теплообменника, вход первого теплообменника был подключен к сети холодной воды или к выходу второго теплообменника, а выход - к нагревателю для горячей воды, вход второго теплообменника был подключен к сети холодной воды, а выход - к линии подачи холодной воды на водоразборную арматуру, причем линия удаления сточной воды должна быть подключена хотя бы к одному приемнику сточной воды (умывальник, душевой поддон, ванна).
Теплообменники должны быть включены последовательно, причем первый теплообменник должен быть включен первым по ходу сточной воды.
Такое расположение теплообменников позволяет решить главную проблему, присущую ближайшему аналогу [3]. Этот вопрос требует более подробного рассмотрения.
Например, если пользователь установит среднюю температуру воды (около 37°С), то часть расхода используемой воды (около 30%) будет обеспечивать нагреватель для горячей воды и водопроводная вода будет омывать поверхности нагрева первого теплообменника, охлаждая сточную воду. Чем выше будет установлена температура используемой воды, тем больше будет расход воды через первый теплообменник и тем сильнее будет охлаждаться сточная вода в первом теплообменнике, и наоборот. За счет этого эффекта и достигается снижение зависимости температуры подогрева воды во втором теплообменнике от температуры используемой воды. Зависимость температуры подогрева воды во втором теплообменнике от температуры используемой воды (см. Фиг.2, зависимость 12) будет существенно меньше, чем у указанного ближайшего аналога [3] (см. Фиг.2, зависимость 10).
Нагреватель для горячей воды может быть как проточного, так или накопительного типа. Источник энергии для нагрева воды не влияет на достижение технического результата. Единственное условие - нагреватель должен выполнять свою функцию, а именно автоматически нагревать воду до заданной температуры, которая выше, чем в сети холодной воды, прежде чем отпустить воду в линию подачи горячей воды на водоразборную арматуру.
Вышеперечисленных признаков достаточно для получения основного технического результата - экономии энергии на нагрев воды. От ближайшего аналога [3], устройство отличается наличием еще одного рекуперативного теплообменника, включенного первым по ходу сточной воды, вход которого подключен к сети холодной воды, а выход подключен к нагревателю для горячей воды.
Помимо экономии энергии существенно увеличится производительность нагревательной системы, так как теперь при той же мощности источника энергии система способна отпускать больший расход воды заданной температуры.
Однако, в таком случае температура в линии подачи холодной воды на водоразборную арматуру будет зависеть от температуры используемой воды, а систему нагрева воды можно считать работоспособной, только если система способна обеспечивать стабильную температуру холодной и горячей воды в линиях подачи воды на водоразборную арматуру, поэтому выход второго теплообменника должен быть подключен к линии подачи холодной воды на водоразборную арматуру через нагреватель для холодной воды.
Зависимость температуры подогрева воды во втором теплообменнике от температуры используемой воды (см. Фиг.2, зависимость 12) позволяет получить существенную экономию энергии. Например, если заданная температура в нагревателе для холодной воды будет равна 22°С, то во всем диапазоне изменения температуры используемой воды температура подогрева воды во втором теплообменнике будет изменяться в небольших пределах (22÷24°С, см. Фиг.2, зависимость 12), причем в основном режиме (при температуре используемой воды 37°С) экономия энергии будет максимально возможной. Очевидно, что достичь такого эффекта при использовании ближайшего аналога [3] нельзя (см. Фиг.2, зависимость 10, 11) по причинам, которые уже были изложены при описании ближайшего аналога.
Нагреватель для холодной воды может быть как проточного, так или накопительного типа. Источник энергии для нагрева воды не влияет на достижение технического результата. Единственное условие - нагреватель должен выполнять свою функцию, а именно автоматически нагревать воду до заданной температуры, которая выше чем в сети холодной воды, но ниже чем в нагревателе для горячей воды, прежде чем отпустить воду в линию подачи холодной воды на водоразборную арматуру.
Разница между заданными температурами нагревателя для горячей воды и нагревателя для холодной воды определяет диапазон регулирования температуры воды.
Следует отметить, что при использовании заявляемого изобретения может быть получена большая экономия энергии в основном режиме (при температуре используемой воды 37°С) в сравнении с аналогами [1] и [3] при одинаковой площади поверхностей теплообмена за счет большего расхода водопроводной воды, охлаждающей сточную воду. Допустим, тепловая мощность осталась бы прежней, тогда при увеличении расхода водопроводной воды, охлаждающей сточную воду, вода должна меньше нагреваться при прохождении поверхностей нагрева, что приведет к увеличению температурного напора. Так как с увеличением температурного напора теплообмен должен происходить интенсивнее, значит, тепловая мощность поверхностей нагрева не может остаться прежней и должна увеличиться.
Список литературы
1. Патент US 2010139579 A1 (Water heater special for bathroom), изобретатели - SU SHAOHUA, TAN QING, дата публикации - 10.06.2010.
2. Патент CN 1686037 A (Energy saving bath room capable of self heating water), изобретатели - CHEN FEI, HE BO, LI FENGQUAN, дата публикации - 26.10.2005.
3. Патент US 4372372 A (Shower bath economizer), изобретатели - RAYMOND HUNTER, дата публикации - 08.02.1983.