УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА СТОЧНЫХ ВОД

Агишева Ирина Рафаилевна

студентка 4 курса, кафедра теплоэнергетики ОГУ, г Оренбург

Е-mail: t.o.c.h.k.a@list.ru

Наумов Сергей Александрович

научный руководитель, канд. техн. наук, доцент ОГУ, г. Оренбург

На сегодняшний день, когда возрастает спрос на энергоресурсы, увеличивается рост тарифов на них, и сокращаются запасы традиционных источников энергии, особое значение приобретает вопрос об энергосбережении. Многие страны мира разрабатывают и реализуют стратегии повышения эффективности использования энергетических ресурсов.

Одним из перспективных направлений в области энергосбережения является внедрение теплонасосных установок (ТНУ). Данная технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм. [3, с. 12]

Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих технологий и получает всё большее распространение в мире. Данная технология, по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями, относится к технологиям XXI века.

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В основу принципа действия наиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены два физических явления:

• поглощение и выделение тепла веществом при изменении агрегатного состояния — испарении и конденсации соответственно;
• изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

Схема теплового насоса представлена на рис.1. В испарителе рабочее тело, обычно хладон, находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая теплоту низкопотенциального источника. Затем рабочее тело сжимается в компрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, и поступает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая теплоту испарения приёмнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. Из конденсатора рабочее тело через дроссель вновь поступает в испаритель, где его давление снижается, и снова начинается процесс кипения.

Рис.1 Схема теплового насоса.

1 — конденсатор (К), 2 — дроссель, 3 — испаритель (И),
4- компрессор (К.Р.).

Существуют следующие виды природных источников низкопотенциального тепла, от которых возможен отбор накопленной тепловой энергии, это:

• грунт (тепло земли);
• водоемы и реки (тепло воды);
• воздух (тепло окружающего воздуха или тепло вентиляционных выбросов);
• сточные воды.

На сегодняшний день одними из наиболее эффективных технологий энергосбережения в области тепло-хладоснабжения с помощью теплового насоса являются рекуперация  теплоты сточных вод и воздуха, выбрасываемого вентиляционными системами.

Тепловые насосы, использующие тепло вентиляционных выбросов приточно-вытяжной вентиляции, температура которых составляет около

 +20 °С и мало изменяется в течение года, могут быть установлены в многоквартирных и индивидуальных зданиях. Это позволяет получить более высокий коэффициент преобразования тепла по сравнению с другими источниками низкопотенциального тепла. С другой стороны, вентиляционный воздух является сравнительно ограниченным источником тепла, и экономически невыгодно увеличивать воздушный вентиляционный поток, так как в результате это приведет к увеличению потребности в теплоснабжении.

Сточные воды так же, как и воздух вентиляционных выбросов, являются низкопотенциальными источниками тепла, удобные для использования тепловыми насосами. Сточные воды при температуре около +20 °С летом и редко менее +8 °С зимой имеются, как правило, во всех городских застройках. Различают следующие виды сточных вод:

• к бытовым стокам относят хозяйственные сточные воды, поступающие с жилых зданий и промышленных предприятий: кухонь, ванных, бань, прачечных, туалетов, больниц и т. п. По происхождению они могут быть хозяйственные, загрязненные хозяйственными отходами, и фекальные, загрязненные физиологическими отходами;
• в категорию производственных стоков попадают различные технологические отходы, которые перестают отвечать определенным критериям качества и подлежат удалению с территории, а также отходы, попадающие на поверхность вследствие добычи нефти, руды, угля и других полезных ископаемых;
• атмосферный вид сточных вод включает в себя дождевые и талые воды, выпадение которых отличается, как известно, эпизодичностью и неравномерностью. Кроме этого, сюда относят также воды от поливки улиц, фонтанов и дренажных систем, так как по содержанию и характеристике загрязняющих веществ они наиболее близки к дождевым водам.
• Обычная схема утилизации тепла сточных вод включает в себя тепловой насос и систему теплообменных устройств, которые устанавливаются на очищенных стоках. Тепловой насос, отбирая от стоков низкопотенциальную энергию, повышает температуру теплоносителя в выходном контуре. Главным недостатком такого решения является проблема ретранспортировки полученной энергии. Недостаток возможно устранить, если данную систему установить на канализационно-насосной станции (КНС). [2, с. 51]

Схема внедрения ТНУ на КНС представлена на рис. 1.

На чертеже изображена схема системы горячего водоснабжения здания и воздушного отопления. На канализационно-насосной станции установлена система очистки, включающая механическую, биологическую и физико-химическую очистку. На этапе механической очистки сточных вод происходит осаждение механических, нерастворимых в воде крупных и мелких примесей и взвешенных частиц. Применяются решетки, песколовки и отстойники. В ходе биологической очистки сточные воды очищаются от микроорганизмов, в нашей схеме применяется биофильтр. Физико-химическая очистка включает в себя хлорирование. [4, с. 67]

Рис. 1 Внедрение теплонасосной установки на канализационно-насосной станции.

1—решетки, 2—дробилки, 3—песколовки, 4—жироуловители,
5—маслоотделители, 6—перичные отстойники, 7—биологические фильтры, 8—вторичные отстойники, 9—хлораторная, 10—контактный резервуар,
11—испаритель, 12—компрессор, 13—дроссель, 14—конденсатор,
15— теплообменный аппарат, 16—индивидуальный тепловой пункт,
17— помещение.

Очищенные сточные воды направляют в испаритель 11 теплового насоса, где используют их теплоту для подогрева холодной питьевой воды перед индивидуальным тепловым пунктом 16 в конденсаторе 14. Охлажденные использованные сточные воды после испарителя 11 сливают в канализацию. Полезно используется воздух рециркуляции в пластинчатом теплообменном аппарате 15 для предварительного подогрева теплоносителя. [1, с. 2]

В среднем температура воды на выходе из очистных сооружений г. Оренбурга составляет летом от 14 до 18 °С, зимой от 8 до 12 °С. Охлаждать данную воду, т. е. отбирать ее тепловую энергию для системы ГВС или отопления можно максимум до 2°С. Отсюда средняя разница температур составляет летом от 12 до 16 °С, а зимой – от 6 до 10°С. С 1 м³ воды, охладив ее на 1 °С, можно отобрать 1 КВт тепловой энергии. Внедрение теплонасосной установки на канализационно-насосной станции дает возможность получения большего потенциала.

Количество получаемой полезной тепловой энергии среднего потенциала, за исключением потерь, равно сумме тепловых энергий низкого и высокого потенциалов, что обуславливает энергетическую и, как следствие, экономическую и экологическую эффективность тепловых насосов.

Идея возврата части тепловой энергии, уходящей в канализацию с горячей водой не нова, но в силу разных причин широкого распространения в России не получила. Внедрение теплонасосных станций, рекуперирующих тепло низкопотенциальных источников, внесет существенный вклад в развитие теплосберегающей политики, где основными целями являются экономия энергетических ресурсов, повышение надежности и эффективности функционирования, снижение воздействия на окружающую среду и обеспечение растущей электрической нагрузки

Список литературы:

1.      Патент РФ № 2178542, кл. F24D17/02,2002.
2.     Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. – М.:Энергоиздат, 1982. — 224 с., ил.
3.     Шилкин Н. В. Сантехника // Утилизация тепла канализационных стоков. — 2003. — № 1. — С. 12—13.
4.  Яковлев С. В., Карелин Я. А., Жуков А. И., Колобанов С. К. Канализация — М.:Стройиздат, 1975. — 633 с., ил.