СПОСОБ И КОНТУРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОТБОРА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ОТРАБОТАННЫХ ВОД
METHOD AND LOOP SYSTEM FOR THERMAL POWER OUTFEED FROM SPENT WATERS

Область техники
Изобретение относится к способу отбора тепловой энергии от отработанных (сбросных) вод и к контурной системе для отбора тепловой энергии от отработанных (сбросных) вод, содержащей контур сбросной воды, основной контур и дополнительный контур, связанные между собой с возможностью теплопередачи.
Уровень техники
В связи с тем, что интенсивность эксплуатации ресурсов нефти и природного газа постоянно повышается, а негативное влияние сжигания ископаемых топлив на долгосрочные изменения климата все более очевидно, важными факторами становятся энергоэффективность и расширение использования возобновляемых источников энергии. Возобновляемыми являются такие источники, которые легкодоступны и пополняются естественным образом, и энергия из которых может извлекаться в течение продолжительного времени. Использование возобновляемых источников энергии согласуется с концепцией устойчивого развития и не наносит ущерба окружающей среде. Извлечение (отбор) тепловой энергии из (от) сбросных вод - экономически выгодный вариант использования возобновляемой энергии без ухудшения качества жизни. Температура коммунальных домашних сточных вод внутри подземной системы канализации составляет 10-20°C, тогда как температура промышленных сбросных вод может быть еще более высокой. Температура сбросной (сточной) воды в канализационных коллекторах в составе систем канализации не падает ниже 10°C даже зимой. Поэтому сбросные воды могут эффективно использоваться для подачи тепловой энергии в здания, особенно с применением тепловых насосов.
Были предложены различные технические решения для извлечения тепловой энергии (тепла) из сбросных вод. Тепло может извлекаться из очищенной сбросной воды, прошедшей обработку на станциях очистки сточных вод. Однако в процессе обработки теряется значительная часть тепла, содержавшегося в необработанной сточной воде. Поэтому эффективность отбора тепловой энергии, достижимая в подобных методах, является низкой.
Согласно другому решению тепло может быть извлечено из сточной воды, которая транспортируется по канализационному коллектору к станции очистки. Согласно известному решению сточная вода подается в теплообменник, который подключен к теплопотребителю через тепловой насос. Недостаток этого способа состоит в том, что неочищенная сточная вода проходит через теплообменник, имеющий узкие трубчатые каналы, которые быстро забиваются крупными фракциями материала, присутствующими в неочищенной сточной воде. Применение измельчающих насосов может решить эту проблему только частично, причем при существенном повышении затрат. Еще одним недостатком этого решения является то, что теплообменник и тепловой насос (а в некоторых случаях и теплопотребитель) должны находиться в одном объеме, так что в случае некачественной герметизации или неисправности неизбежно распространение неприятных запахов.
Венгерский патент HU 205988 относится к контурной системе для извлечения тепла из необработанной сточной воды. Контурная система содержит теплообменник, связанный, с возможностью теплопередачи, со сточной водой и с теплопотребителем, который подключен к теплообменнику через тепловой насос. Теплообменник выполнен в виде системы труб, установленных в канализационном коллекторе в плоскости, параллельной направлению потока. Одним из недостатков данного решения является то, что теплообменник погружен в необработанную сточную воду, поэтому небольшие зазоры между трубами могут забиваться, что ухудшит теплопередачу. Крупные фракции материала, переносимые сбросными водами, могут задерживаться на теплообменнике, что приведет к закупориванию коллектора. Кроме того, очистка труб теплообменника, погруженного в сточные воды, является сложной операцией с высокой вероятностью неполадок. Еще одним недостатком решения, описанного в HU 205988, является (как это имело место в предыдущем решении) нахождение теплообменника и канализационного коллектора в общем пространстве.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в простом и экономически эффективном извлечении тепла из сбросных (сточных) вод, постоянно присутствующих в системах канализации при обеспечении охраны окружающей среды от запахов и других загрязнений.
Данная задача решена использованием признаков изобретения, включенных в пункты 1 и 3 прилагаемой формулы. Усовершенствованные (предпочтительные) варианты изобретения раскрыты в зависимых пунктах.
В способе согласно изобретению тепло отбирается от сбросной воды в контуре сбросной воды, основном и дополнительном контурах, которые связаны между собой с возможностью теплопередачи, тогда как ни теплообменник, ни какой-либо иной теплопотребляющий компонент не находится в канализационном коллекторе. В контуре сбросной воды по меньшей мере часть необработанной сточной воды, транспортируемой по канализационному коллектору, подается по линии отвода необработанной сточной воды к фильтрующему блоку, установленному в колонне забора сточной воды. Профильтрованная сточная вода, вытекающая из фильтрующего блока в колонну забора сточной воды, подается к первой стороне теплообменника, а после того как из нее будет извлечено тепло, прошедшая обработку (использованная) сточная вода возвращается в канализационный коллектор через линию возврата использованной сточной воды.
Основная часть твердых примесей, присутствующих в сточных водах, захватывается фильтрующим блоком. Благодаря фильтрации в колонну забора сточной воды, а затем в теплообменники поступает только профильтрованная сточная вода, которая, в основном, свободна от крупных частиц. Тем самым предотвращается забивание теплообменников, что позволяет использовать теплообменники более простых конструкций, например кожухотрубчатого типа. Применимы теплообменники и других типов. Так, в предпочтительном варианте изобретения можно использовать пластинчатый теплообменник.
Удалитель крупных фракций материала, установленный в колонне забора сточной воды, служит для удаления крупных фракций материала, захваченных фильтрующим блоком. В экологическом аспекте важной характеристикой изобретения является то, что оно не требует выведения из системы, хранения и транспортирования захваченных крупных фракций материала (которые рассматриваются как вредные или опасные вещества), поскольку крупные фракции, удаленные из сточной воды, возвращаются в нее по линии возврата использованной сточной воды, выходящей в канализационный коллектор. Другая важная характеристика способа состоит в том, что после отбора от нее тепловой энергии использованная сточная вода возвращается по линии возврата использованной сточной воды. При этом она смывает в канализационный коллектор крупные фракции, ранее удаленные из сточной воды.
Использованная сточная вода повторно вводится в канализационный коллектор при температуре, согласованной с организацией, обеспечивающей эксплуатацию канализационной системы. Температура возвращаемой сточной воды может регулироваться путем настройки операционного режима теплового насоса. В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению в зимнем режиме функционирования профильтрованная сточная вода повторно вводится в канализационную систему при температуре не менее 10°C. Термин "зимний режим функционирования" в контексте изобретения указывает, что на своей конечной стадии способ применяется для осуществления нагрева. В летнем режиме функционирования, когда способ используется для охлаждения, температура отфильтрованной сточной воды не может упасть ниже 10°C.
В основном контуре рабочая среда, циркулирующая по другой стороне теплообменника в составе контура сбросной воды, подается к тепловому насосу. Из уровня техники известны различные тепловые насосы. Из уровня техники известно также, что рабочая среда в таких насосах может подаваться к испарителю или компрессору теплового насоса в зависимости от того, какой операционный режим - охлаждения или нагрева - используется. Поэтому нет необходимости подробно рассматривать эту операцию в данном описании.
На следующей операции способа теплонесущую рабочую среду, циркулирующую в тепловом насосе, подают по меньшей мере в один накопительный бак, установленный в дополнительном контуре. Затем из накопительного бака теплонесущую рабочую среду подают по меньшей мере одному теплопотребителю. Теплопотребителем может являться, например, система центрального отопления известного типа, в которой для нагрева или охлаждения комнат используются радиаторы, распределенные по всему зданию.
Изобретение относится также к контурной системе для отбора тепловой энергии из сбросных вод, содержащей:
- контур сбросной воды, содержащий колонну забора сточной воды, связанную с канализационным коллектором посредством линии отвода необработанной сточной воды, и по меньшей мере один теплообменник, связанный с колонной забора сточной воды,
- основной контур, содержащий по меньшей мере один тепловой насос, и
- дополнительный контур, содержащий по меньшей мере один накопительный бак и по меньшей мере одного теплопотребителя, причем контур сбросной воды, основной контур и дополнительный контур связаны между собой с возможностью теплопередачи между ними.
При этом система по изобретению выполнена с возможностью подачи сточной воды к одной стороне теплообменника, установленного в контуре сбросной воды, рабочей среды теплового насоса, установленного в основном контуре, к другой стороне указанного теплообменника, а теплонесущей рабочей среды теплового насоса в накопительный бак дополнительного контура, связанного по меньшей мере с одним теплопотребителем.
Система по изобретению обладает следующими существенными отличительными признаками:
- контур сбросной воды пространственно отделен от основного контура и от дополнительного контура, а
- в колонне забора сточной воды контура сбросной воды установлен фильтрующий блок, причем линия отвода необработанной сточной воды, связывающая канализационный коллектор с колонной забора сточной воды, завершается в фильтрующем блоке, один конец удалителя крупных фракций материала выступает в фильтрующий блок, а другой его конец подсоединен к линии возврата использованной сточной воды, которая соединяет колонну забора сточной воды и канализационный коллектор.
При этом система выполнена с возможностью подачи профильтрованной сточной воды из колонны забора сточной воды к одной стороне теплообменника и подачи сточной воды, выходящей из теплообменника, в линию возврата использованной сточной воды со смыванием использованной сточной водой ранее удаленных удалителем крупных фракций материала в линию возврата использованной сточной воды.
Согласно предпочтительному варианту изобретения фильтрующий блок выполнен в форме корзины с перфорированными стенками и дном, при этом один конец удалителя крупных фракций материала выполнен в виде вертикального винтового скребка, заходящего в корзину. Теплообменники, применяемые в различных вариантах изобретения, могут различаться по количеству и типам. В предпочтительном варианте системы используются три кожухотрубчатых теплообменника.
Согласно еще одному предпочтительному варианту в основном контуре имеются два тепловых насоса, включенных последовательно.
В другом предпочтительном варианте дополнительный контур содержит два накопительных бака, которые подключены через распределительные/коллекторные средства к нагревательному/охлаждающему контуру. При этом накопительные баки включены по параллельной схеме.
В контурной системе используются также вспомогательные компоненты, такие как насосы, клапаны, делители и коллекторы, которые сами по себе известны и поэтому не требуют подробного рассмотрения. При этом необходимо подчеркнуть, что переключения направлений циркуляции позволяет использовать одни и те же компоненты системы для нагрева зимой и для охлаждения летом.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение поясняется со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично показана контурная система согласно изобретению.
На фиг.2 схематично проиллюстрирована колонна забора сточной воды, связанная с канализационным коллектором.
На фиг.3 в увеличенном масштабе показаны фильтрующий блок и один конец удалителя крупных фракций материала.
На фиг.4 схематично, на виде в плане, показан контур сбросной воды.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично показана контурная система согласно изобретению. Контурная система предназначена для отбора тепловой энергии от сбросных вод, текущих в канализационном коллекторе 1 системы канализации. Система по изобретению состоит из контура сбросной воды, основного контура и дополнительного контура, которые пространственно разделены, но связаны между собой с возможностью теплопередачи. Выполнение контура сбросной воды пространственно отделенным является достоинством системы, поскольку ее компоненты, находящиеся в контакте со сточными водами, могут быть размещены в отдельном здании на станции фильтрации, тогда как компоненты основного и дополнительного контуров, как и вспомогательные компоненты, контактирующие только с чистыми веществами, могут быть размещены в главном здании. Установка компонентов контура сбросной воды в отдельном здании, благодаря чему они пространственно отделены от основного и дополнительного контуров, важна в аспектах защиты окружающей среды и комфортности, поскольку в этом случае теплопотребитель, например центральная отопительная система жилых, торговых или общественных зданий, будет заполняться только чистой водой или иным теплоносителем, так что будет отсутствовать неприятный запах или иное загрязнение. Кроме того, отделение контуров, содержащих чистые вещества (т.е. основного и дополнительного контуров), от контура сбросной воды облегчает операции по обслуживанию и ремонту.
Вспомогательные компоненты, такие как распределительные устройства, коллекторы, трубы, затворы, насосы и т.д., хорошо известны специалистам, так что включение таких компонентов в схему контурной системы - это очевидная инженерная работа. Поэтому подобные компоненты не показаны на чертежах.
Как более подробно показано на фиг.2, в контуре сбросной воды канализационный коллектор 1 соединен с линией 2 отвода необработанной сточной воды и, через удалитель 6 крупных фракций, с линией 3 возврата использованной сточной воды. Линия 2 отвода необработанной сточной воды завершается в фильтрующем блоке 5, находящемся в колонне 4 забора сточной воды. Фильтрующий блок 5 в виде корзины с перфорированными стенками и дном рассчитан для захватывания основной части твердых компонентов сточных вод. Профильтрованные сточные воды поступают из фильтрующего блока 5 в колонну 4 забора сточной воды. К фильтрующему блоку 5 присоединен удалитель 6 крупных фракций, причем к концу удалителя 6, дистальному по отношению к фильтрующему блоку 5, подсоединена линия 3 возврата использованной сточной воды.
Как показано на фиг.2 и, более подробно, на фиг.3, удалитель 6 крупных фракций материала имеет цилиндрический корпус, прикрепленный к фильтрующему блоку 5. Внутри этого корпуса установлен, с возможностью вращения, винтовой скребок 10. У винтового скребка 10 имеются лопасти 11, которые могут контактировать с внутренней стенкой корпуса удалителя 6 крупных фракций материала, а также с внутренней стенкой фильтрующего блока 5. В предпочтительном варианте изобретения кромки лопастей 11, находящиеся в контакте со стенками фильтрующего блока 5, снабжены гибкой лентой или щеткой, обеспечивающей очистку стенки фильтрующего блока 5. Лопасти 11 винтового скребка 10 удаляют основную часть твердой составляющей необработанной сточной воды, транспортируя удаленный материал вверх, в цилиндрический корпус. Затем твердые вещества подаются через выходное отверстие в линию 3 возврата использованной сточной воды. Применение замкнутого контура сбросной воды позволяет отбирать тепло от сточных вод экологически приемлемым способом, поскольку сточные воды и переносимые ими крупные фракции не покидают замкнутого контура сбросной воды и полностью возвращаются в канализационный коллектор. Поэтому не возникает необходимости в отдельном хранении, транспортировании или обработке экологически нежелательных веществ. Поскольку лопасти 11 удалителя 6 крупных фракций материала удаляют загрязнения, удерживающиеся на стенке корпуса, фильтрующий блок 5 и удалитель 6 крупных фракций материала автоматически очищаются в процессе нормального функционирования, так что не требуется никакой ручной чистки.
Механическая конструкция фильтрующего блока и/или удалителя крупных фракций материала может отличаться от описанной конструкции, соответствующей предпочтительному варианту. Фильтрующий блок может иметь овальное или многоугольное поперечное сечение и быть изготовленным из металлической или пластиковой сетки. В ряде вариантов дно фильтрующего блока может быть сделано водонепроницаемым. Удалитель крупных фракций материала может быть выполнен в виде резьбового (шнекового) вала или вала с расположенными по спирали штифтами. Фильтрующий блок и корпус удалителя крупных фракций могут быть выполнены в виде единой детали или как отдельные компоненты, соединенные друг с другом.
Из колонны 4 забора сточной воды профильтрованная сточная вода поступает в трубы кожухотрубчатого теплообменника 7, в котором содержавшееся в ней тепло передается рабочей среде, циркулирующей снаружи труб теплообменника, и используется летом для поглощения тепла, а зимой для его доставки. После завершения отбора тепловой энергии в теплообменнике 7 использованная сточная вода подается в линию 3 возврата использованной сточной воды, подсоединенную к удалителю 6 крупных фракций, установленному в колонне 4 забора сточной воды. Текущая в обратном направлении сточная вода смывает в канализационный коллектор 1 через линию 3 возврата использованной сточной воды крупные фракции материала, поступающие из удалителя 6 крупных фракций. На фиг.1 линии, по которым текут сточные воды, и направления их течения проиллюстрированы сплошными линиями и стрелками на них.
На фиг.4 схематично, на виде в плане, показан контур сбросной воды. В представленном варианте колонна 4 забора сточной воды и теплообменник 7 контура сбросной воды установлены в одном здании, таком как станция 12 фильтрации. Альтернативно, колонна забора сточной воды и теплообменники могут быть установлены в отдельных зданиях и соединены трубами. Для большей наглядности на чертеже показан только один теплообменник 7. Однако изобретение охватывает и варианты, в которых на станции 12 фильтрации установлено несколько теплообменников. В этом случае теплообменники 7 предпочтительно соединены по параллельной схеме. Такая схема соединения теплообменников позволяет осуществлять их обслуживание в процессе работы системы. Как и на фиг.1, направления течения сточной воды показаны на фиг.4 стрелками на сплошных линиях. Отверстия, связывающие линию 2 отвода необработанной сточной воды и линию 3 возврата использованной сточной воды с канализационным коллектором 1, расположены на расстоянии одно от другого. Достаточно большое расстояние между указанными отверстиями для двух труб необходимо, чтобы возврат использованной сточной воды не приводил к повышению или понижению температуры необработанной сточной воды, так как это могло бы понизить эффективность отбора тепловой энергии. Таким образом, использованная сточная вода возвращается в канализационный коллектор 1 в таком месте, что ее нагрев или охлаждение, по существу, не изменяет температуру необработанной сточной воды.
Возвращаясь к фиг.1, рабочую среду, циркулирующую по другой стороне теплообменника 7, направляют в тепловой насос 8. Направление движения рабочей среды показано стрелками на штриховых линиях. Представленный на чертеже вариант содержит единственный тепловой насос 8, но изобретение охватывает и варианты с двумя или более тепловыми насосами. Тепловые насосы предпочтительно соединяют последовательно. В случае использования группы последовательно соединенных испарителей только часть отобранной тепловой энергии используют для испарения промежуточной рабочей среды при температуре, которая ниже выходной температуры текучей среды, причем это происходит только в последнем испарителе. В то же время в предыдущих испарителях испарение производят при более высоких температурах, так что только часть промежуточной рабочей среды должна сжиматься компрессором от самого низкого используемого давления до выходного давления, тогда как остальную ее часть требуется сжимать от постоянно повышающегося давления. В результате эффективность цикла, реализуемого рабочей средой, которую испаряют при более высокой температуре, будет повышена, а это улучшит эффективность системы в целом.
В контурной системе согласно изобретению рабочая среда, выходящая с другой стороны теплообменника 7, может подаваться к испарителю или к компрессору теплового насоса 8 в зависимости от того, требуется ли реализовать режим охлаждения или нагрева. Два возможных направления движения рабочей среды в основном контуре проиллюстрированы на чертеже стрелками на штриховых линиях, которые соответствуют основному контуру.
В дополнительном контуре системы по изобретению имеется накопительный бак 9. В предпочтительном варианте используется единственный накопительный бак, но в случае необходимости их количество может быть увеличено. В таком случае накопительные баки предпочтительно соединены по параллельной схеме. В наиболее предпочтительном варианте контурная система содержит два накопительных бака, соединенных параллельно через распределительные/коллекторные средства. Теплонесущая среда дополнительного контура проиллюстрирована на фиг.1 двойными линиями со стрелками. Эту среду подают из накопительного бака 9 теплопотребителю по известной схеме (на чертеже не изображена). Теплопотребителем может являться система центрального отопления зданий, управление которой может осуществляться под компьютерным контролем, т.е. с автоматическим управлением в режиме нагрева или охлаждения в зависимости от режима функционирования теплового насоса 8.
Главным преимуществом способа и контурной системы согласно изобретению является возможность их быстрой и легкой реализации. Индивидуальные компоненты системы сами по себе известны и коммерчески доступны. В частности, сами по себе известны и коммерчески доступны как трубные элементы, служащие для соединения компонентов системы, так и устройства, устанавливаемые в трубы. Для автоматического открывания, перекрывания и секционирования трубных систем и для изменения режима работы могут быть применены механизированные клапаны с дистанционным управлением. Еще одно преимущество изобретения связано с тем, что его применение не зависит от размеров канализационного коллектора. Путем подбора количества используемых теплообменников, тепловых насосов и накопительных баков производительность системы можно гибко варьировать применительно к широкому кругу применений, связанных с отбором тепловой энергии.
Еще одно преимущество способа по изобретению состоит в том, что он позволяет, используя единственную систему, обслуживать большое количество потребителей.
Перечень использованных цифровых обозначений
1 - канализационный коллектор
2 - линия отвода необработанной сточной воды
3 - линия возврата использованной сточной воды
4 - колонна забора сточной воды
5 - фильтрующий блок
6 - удалитель крупных фракций материала
7 - теплообменник
8 - тепловой насос
9 - накопительный бак
10 - винтовой скребок
11 - лопасть винтового скребка
12 - станция фильтрации