Сточные воды как источник низкопотенциальной энергии для тепловых насосов

Особенностью реализации технологических процессов в промышленности является температурный диапазон, в котором они протекают. При этом образуются сточные воды, температурный потенциал которых, как правило, недостаточен для их повторного использования. По этой причине сточные воды отводятся в канализационную систему и тем самым снижают энергетическую эффективность технологии в целом, а также создают дополнительную нагрузку на экологическую систему региона.

Задача проектировщиков заключается в разработке и использовании технических решений, реализация которых приведет к уменьшению влияния приведенных выше факторов и тем самым повысит энергоэффективность технологических процессов в целом.

Учитывая тот факт, что сточные воды характеризуются низкопотенциальной энергией, непосредственное использование которой невозможно, единственным способом вовлечение ее в технологический процесс заключается в повышении температуры сточных вод с помощью парокомпрессионных тепловых насосов.

Парокомпрессионные тепловые насосы, принципиальная схема и термодинамический цикл которых представлены на рисунке 1.

а)

Рисунок 1 – Парокомпрессионный тепловой насос; а – принципиальная схема, б – термодинамический цикл

б)

«Энергетическую эффективность теплового насоса можно оценивать с помощью p, h –диаграммы (рисунок 1 б). На этой диаграмме значения тепловых потоков в испарителе qu=h i-h 4

конденсаторе qk = h 2-h з и работа сжатия в компрессоре

¹ сж = h 2 - h 1

соответствуют размеру проекций соответствующих процессов на ось абсцисс.

Поэтому коэффициент трансформации теплоты будет равен отношению разностей энтальпий» [1]

_¿ q_{к =} h ₂ - h ₃ ^µ l_сж h ₂ - h ₁

Из рисунка 1б видно, что при уменьшении температуры конденсации (смещение вниз линии 2-3) величина ^l сж будет уменьшаться быстрее, чем величина ^q к ^{. Поэтому} коэффициент трансформации µ будет возрастать Можно сделать вывод, что работа теплового насоса тем эффективнее, чем меньше разность температур испарения и конденсации [1].

Создание на объекте теплоснабжения таких условий позволяет утверждать, что использование теплового насоса в качестве источника тепловой энергии является наиболее эффективным техническим решением для решения этих задач.

Виды природных источников низкотемпературной теплоты (ИНТ) для использования в тепловых насосах приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Виды природных источников

Их использование связано с определенными трудностями, которые выявляются как в процессе проектирования и строительства, так и в процессе эксплуатации.

Воздух, как источник теплоты, требует наименьших технических затрат. Воздух засасывается вентилятором, охлаждается в испарителе, отдавая тепло и выбрасывается обратно в окружающую среду. Воздух, как источник первичного тепла обладает двумя важнейшими свойствами, которые необходимо учитывать при проектировании. Во-первых, воздух летом значительно теплее, чем зимой, что существенно влияет на производительность теплового насоса. Во-вторых, вентиляторы создают сильный шум, который необходимо изолировать.

Использование теплоты грунта и грунтовых вод в качестве ИНТ требует больших затрат, связанных с размещением теплообменных поверхностей в грунте и скважинах. Кроме того, и грунт, и грунтовые воды, характеризуются относительно низкой температурой в течение всего периода работы теплового насоса, а этот фактор снижает эффективность его применения (см. рисунок 3) [2].

Рисунок 3 - Затраты энергии в тепловом насосе на единицу произведенного тепла

Учитывая выше изложенное, наиболее обоснованным техническим решением теплоснабжения автономных объектов является применение парокомпрессионных тепловых насосов с использованием источника низкопотенциальной энергии - теплоты очищенных сточных вод.

Такое решение позволяет утилизировать низкопотенциальную теплоту и снижает тепловое загрязнение окружающей среды. В малообслуживаемых объектах, к которым относятся сооружения для перекачки очищенных сточных вод, системы отопления и вентиляции могут быть переведены на пониженный график теплопотребления, что позволяет использовать тепловые насосы для покрытия всех нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение без дополнительного догрева воды

Рисунок 4 - Температура воды в выпускной камере Северной станции аэрации Санкт-Петербурга и температура наружного воздуха [3]

При использовании сточных вод как первичного источника теплоты (в том числе технологической охлаждающей воды) необходимо учитывать следующие требования:

• -    имеющийся расход охлаждающей воды должен быть не менее указанного минимального расхода.

• -    максимальная температура охлаждающей воды должна быть не более 25°C. Этого можно добиться регулированием температурного диапазона.

• -    для этого оптимально можно использовать создание промежуточного контура теплообмена

Схема теплоснабжения объекта, отвечающая выше перечисленным требованиям, приведена на рисунке 5 [4].

Рисунок 5 - Охлаждающая или сточная вода как источник теплоты

Заключение

• 1.    Применение тепловых насосов для охлаждения выпускаемых в водоемы очищенных производственных сточных вод позволяет снизить тепловое загрязнение водоема. При этом качественные показатели выпускаемых сточных вод не изменяются.

• 2.    Целесообразно создавать местные источники теплоты на основе тепловых насосов. Источники теплоты могут применяться как для нужд очистных сооружений, так и интегрироваться в действующие системы теплоснабжения