Установка опалення і гарячого водопостачання

1. Установка опалення і гарячого водопостачання, що містить джерело низькопотенційного тепла, циркуляційний контур опалення, контур гарячого водопостачання, тепловий насос з випарником і вузлом фільтрації, а також конденсатором, що має контур циркуляції шахтної води через випарник і циркуляційний контур оборотної води через конденсатор, яка відрізняється тим, що установка додатково обладнана вузлом первинної C2 2 80292 1 3 котла з усіма негативними наслідками, що випливають з цього . Відомий також пристрій гарячого водопостачання й опалення, який утилізує низькопотенційне тепло міських каналізаційних стічних вод за допомогою теплового насоса і теплообмінного модуля. Як теплоносій використовується відкритий швидкісний потік, температура води в якому становить +18 - +20°С при годинній витраті вимірюваній сотнями м3 [див., наприклад, патент РФ №2186309, F28D1/046, 2002р.]. Недоліком цього пристрою є те, що при обмеженій кількості стічних господарсько-побутових вод, як це буває в умовах баннопрального господарства вугільної шахти, зазначений пристрій реалізує неощадливий спосіб утилізації низькопотенційного тепла. Найбільш близьким пристроєм того ж призначення, що і винахід, який заявляється, по сукупності ознак є установка опалення і гарячого водопостачання, що містить джерело низькопотенційного тепла, якими є шахтні води, що відкачуються, циркуляційний контур опалення, контур гарячого водопостачання, тепловий насос з випарником і вузлом фільтрації, який виконано у вигляді двох поперемінне працюючих фільтрів, а також конденсатором, що має контури циркуляції шахтної води через випарник та оборотної води через конденсатор [див., наприклад, патент РФ №2178542, F24D17/02, F24D3/18,2000p.]. Недоліком винаходу при використанні його на шахтних водах є відсутність можливості видалення розчинених газів таких як, метан, вуглекислий газ, сірководень, аміак та ін., що, знаходячись у шахтній воді, погіршують процес теплообміну, підсилюють корозію металів, а також створюють передумови до утворення вибухонебезпечних сумішей при наявності метану. Крім того, у випадках, коли з шахт подається вода з високим вмістом зважених речовин, різко погіршується ефективність процесу теплообміну. Задачею винаходу є підвищення ефективності утилізації низькопотенційного тепла шахтних вод шляхом диференційованого підходу до безпосереднього процесу добору тепла шахтних вод у залежності від їхніх фізико-хімічних показників (рівня температури, ступеня загазованості, наявності механічних домішок і т.д.), впливу магнітних полів і ультрафіолету, як на шахтну воду, що циркулює через випарник, так і на воду, що циркулює через конденсатор теплового насоса, а також інтенсифікація процесів теплообміну у випарнику і конденсаторі теплового насоса. Для вирішення зазначеної задачі установка опалення і гарячого водопостачання, що містить джерело низькопотенційного тепла, циркуляційний контур опалення, контур гарячого водопостачання, тепловий насос з випарником і вузлом фільтрації, а також конденсатором, що має контури циркуляції шахтної води через випарник та оборотної води через конденсатор, додатково обладнана вузлом первинної обробки шахтної води, а також магнітним та ультрафіолетовим блоками обробки шахтної води і зворотним клапаном. Крім того, вузол первинної обробки шахтної води може бути виконаним у вигляді теплоізольо 80292 4 ваного блоку дегазації і механічного очищення або у вигляді блоку теплообмінників із запірною арматурою, при цьому між тепловим насосом і блоком теплообмінників розміщений вторинний водяний контур, що містить вузол підживлення з водоміром, автоматичним клапаном і проміжною ємністю. Циркуляційний контур конденсатора теплового насоса може бути додатково обладнаний бакомакумулятором з вбудованим теплообмінником догріву водопровідної води, магнітним блоком обробки, сітчастим фільтром і блоком ультрафіолетової обробки оборотної води, а циркуляційний контур опалення може бути додатково обладнаний догрівачем води системи опалення і вузлом підживлення водопровідною водою з водоміром і автоматичним клапаном. На фігурі 1 зображена технологічна схема установки опалення і гарячого водопостачання при безпосередньому використанні у випарнику теплового насоса шахтної води, де вузол первинної обробки шахтної води виконаний у вигляді теплоізольованого блоку дегазації і механічного очищення. На фігурі 2 зображена технологічна схема установки опалення і гарячого водопостачання при використанні у випарнику теплового насоса оборотної води вторинного контуру, де вузол первинної обробки шахтної води виконаний у вигляді блоку теплообмінників. Технологічна схема згідно з фігурою 1 включає батареї опалення 1, теплообмінник попереднього нагріву водопровідної води 2, душові кабіни 3, запірні вентилі 4, 8, 10, 14, 16, 21, 27, 32, 51; теплообмінник 6, догрівач 7, насоси 9, 17, 31; зворотні клапани 11, 52; клапан підживлення свіжої води 12, водомір 13, бак-акумулятор 15 з покажчиком рівня 5, блоки магнітної обробки води 18,30, сітчасті фільтри 19, 29; блоки ультрафіолетової обробки води 20,28; тепловий насос 22 з випарником 25, компресором 24, конденсатором 23 і терморегулюючим вентилем 26; підземний резервуар 46, насос шахтної води 45, вузол первинної обробки шахтної води, що виконаний у вигляді теплоізольованого блоку дегазації та механічного очищення 50. Технологічна схема за фігурою 2 містить, в основному, ті ж елементи, що і в попередній схемі. Однак вузол первинної обробки шахтної води виконаний у вигляді блоку теплообмінників 37 із запірними вентилями 38, 41, 42, 43, 44, 47; зворотними клапанами 39, 40; манометрами 48, 49, а вторинний контур оборотної води має вузол підживлення свіжої води з клапаном 34, водоміром 35, вентилем 36 і проміжною ємністю 33. Теплообмінники 37 конструктивно виконуються у вигляді кожухотрубних теплообмінних апаратів і мають відмінність від традиційних апаратів у тім, що в них використовуються зібрані в щільний пучок типу "твелу" особливотонкостінні зі спеціальним профілем теплообмінні трубки малого еквівалентного діаметру, причому пучок розташовується в корпусі рухливо за рахунок трубних ґрат, що плавають. У цих теплообмінниках знижено гідравлічний опір, реалізується чистий протиток середовищ, що обмінюються теплом, та присутній 5 ефект самоочищення, що особливо важливо при використанні як теплоносія шахтної води з підвищеним вмістом зважених часток. Існують активні методи інтенсифікації процесів теплообміну, що включають: обертання, вібрацію, удари по поверхні, електростатичні поля та інше. Однак їхнє практичне застосування вкрай обмежене через труднощі надійного забезпечення зазначених впливів. Промисловістю освоєно кілька технологій, що модифікують поверхню теплообміну в трубах: витєві ребра, дротові вставки, спіральні канавки і спіральні вводи. Але ці поверхні найбільш ефективні для труб у прямоточних випарниках і конденсаторах. Застосування для цих апаратів спіральних труб забезпечує високі коефіцієнти теплопередачі і компактність, причому інтенсифікація підсилюється зі зменшенням діаметра спіралі. Саме тому в установці, що заявляється, випарник 25 і конденсатор 23 теплового насоса 22 пропонується виконувати у вигляді спіральних теплообмінників, причому усередині мідної труби, по який рухається холодоагент, установлюються з натягом згорнуті в спіраль сталеві дротові вставки, а на зовнішню поверхню цих труб намотується також згорнутий в спіраль сталевий дріт. Причому напрямки навивки внутрішньої і зовнішньої дротових спіралей протилежні один до одного. Діаметр дроту і крок між витками спіралей визначається експериментальне з урахуванням теплофізичних властивостей середовищ, що циркулюють протиточно в трубах цих апаратів. Таким чином конструкція випарника і конденсатора теплового насоса забезпечує як би подвійне обертання теплоносіїв у протилежному напрямку, підвищуючи коефіцієнт теплопередачі: по великому радіусу, по якому навиті мідна труба з холодоагентом і зовнішня труба з теплоносієм, а також завдяки дротовим спіралям усередині і зовні мідної труби, закручуються самі потоки по радіусах навивки дротових спіралей. З огляду на те, що теплові насоси, що працюють в установках опалення і гарячого водопостачання, мають температури теплоносіїв у діапазоні +4 - +60°С та тиск 0,3 - 1МПа, то з метою зменшення теплових втрат у навколишнє середовище, металоємності і корозійності установки та спрощення виготовлення, зовнішня труба спіральних випарника 25 і конденсатора 23 теплового насоса 22 виконується з гумових напірних рукавів відповідного діаметра. Установка опалення і гарячого водопостачання працює наступним чином. Процес утилізації низькопотенційного тепла починається з подання частини шахтної води з температурою +16 - +25°С у блок дегазації та механічного очищення 50, потім за допомогою насоса 31 при відкритому вентилі 32 і 27 очищена від механічних домішок і газів шахтна вода подається в блок магнітної обробки води 30, сітчастий фільтр 29, блок ультрафіолетової обробки води 28 і випарник 25 теплового насоса 22. Віддавши низькопотенційне тепло на випар фреону шахтна вода зі зниженою температурою через зворотний клапан 52 з'єднується з основним потоком шахтної води, що відкачується насосом 45 з підземних резервуа 80292 6 рів шахтної води 46 і подається у відкриті водойми. Холодоагент, що випарувався у тепловому насосі за рахунок тепла, отриманого від шахтної води, подається компресором 26 теплового насоса 22 у конденсатор 23, який взаємодіє з оборотною водою, що подається насосом 17 з бакаакумулятора 15. Стиснутий холодоагент, що віддав своє тепло оборотній воді, через терморегулюючий вентиль 26 знову подається у випарник 25 і цикл руху фреону в тепловому насосі 22 завершується. Нагріта до +55 - +60 °С в конденсаторі 23 теплового насоса 22 оборотна вода направляється в бак-акумулятор 15 і так повторюється постійно під час роботи теплового насоса. Причому вода, що циркулює в цьому контурі, при відкритих вентилях 16 і 21 також піддається магнітній обробці в блоці 18, проходить сітчастий фільтр 19 і блок ультрафіолетової обробки води 20. Контур гарячого водопостачання працює наступним чином. Водопровідна вода під напором від зовнішнього джерела проходить через теплообмінник, що змонтований усередині теплоізольованої ємності теплового акумулятора 2, де нагрівається за рахунок тепла стічних вод душових кабін 3, що мають температуру порядку +30 - +35°С, і подається через вентиль 4 у теплообмінник 6, вбудований у теплоізольований бак-акумулятор 15, догрівається в ньому до температури порядку +40 - +45°С та надходить для використання в душових кабінах 3, а потім потрапляє у теплоізольовану ємність теплового акумулятора 2 і надалі - в каналізацію. Контур опалення працює в такий спосіб. Нагріта до +50 - 55°С оборотна вода з бакаакумулятора 15 насосом 9 при відкритих вентилях 8 і 10 подається в батареї опалення 1, при цьому в залежності від температури навколишнього середовища оборотна вода може бути догріта догрівачем 7 до температур, що забезпечують необхідні режими опалення. Після батарей опалення 1 вода через зворотний клапан 11 повертається для нагрівання в бак-акумулятор 15 і цикл повторюється. Для компенсації витоків, несанкціонованих доборів гарячої води, а так само після аварій система опалення має вузол підживлення водопровідною водою, що спрацьовує за сигналом датчика рівня води 5 у баці-акумуляторі 15. Вода подається через автоматичний клапан 12, водомір 13 та вентиль 14. У тих випадках коли вода, яка подається із шахт, містить зважені частки понад 100 мг/л (по вазі), що різко погіршує ефективність роботи, у якості вузла первинної обробки шахтної води, використовується блок теплообмінників із запірною арматурою, а між тепловим насосом і блоком теплообмінників вводиться вторинний водяний контур з вузлом підживлення водопровідної води. Установка опалення і гарячого водопостачання в цьому випадку працює таким чином. Процес утилізації низькопотенційного тепла також починається з подачі шахтної води з температурою +16 - +25°С з підземного резервуара 46 насосом 45 в один з теплоізольованих теплооб 7 мінників блоку 37, де в просторі між трубами рухається шахтна вода, а протитоком у трубах рухається вода вторинного водяного контуру. Шахтна вода, віддавши своє низькопотенційне тепло воді вторинного водяного контуру, через зворотний клапан подається у відкриті водойми. Підігріта до +14 - +20°С вода вторинного водяного контуру з проміжної ємності 33 насосом 31 подається, як і по першій схемі, в тепловий насос 22, охолоджується і повертається в теплообмінники блоку теплообмінників 37. Цикл повторюється. В міру забруднення міжтрубного простору першого теплообмінника 14 механічними (зваженими) частками, що визначається з показань манометрів (48 і 49) за зростаючим перепадом тиску шахтної води на вході і виході з теплообмінника потік шахтної води шляхом відкриття вентилів 44, 47 переключають на другий теплообмінник. Туди ж переводиться потік води вторинного контуру шляхом переключення вентилів 38, 41, 42, 43, а перший теплообмінник промивається очищеною водою, й у такий спосіб очищається від небажаних відкладень у міжтрубному просторі теплообмінника, після чого він готовий до подальшої експлуатації. Обробка, як шахтної, так і оборотної води здійснюється магнітним полем, що створюється потужними постійними магнітами. Під впливом магнітного поля змінюються фізичні властивості води -речовини, що містяться в ній, (силікати, маг 80292 8 нієві і кальцієві солі) утрачають здатність формуватися у вигляді щільного каменю і виділяються у вигляді шламу, що легко видаляється, а розчинені у воді аніони гідрокарбонату утримуються в колоїдній формі, що викликає процес кристалізації безпосередньо в масі води, а не на стінках труб чи інших поверхнях. Магнітне поле активує водяні молекули, знижує при цьому поверхневий натяг води, стабілізує її рН і створює режим м'якої води, розчиняє накип і жорсткозв'язані мінеральні відкладення в трубах, міцний кристалічний кальцит формується у більш слабкий, більш м'який розчин, що виводиться з водою і може бути відфільтрований. Крім того магнітне поле уберігає труби від шкідливого відкладення накипу й електролітичної корозії, дозволяє зменшити кількість використовуваних в оборотній воді систем опалення, хімікалій, придушує розвиток бактерій і інших мікроорганізмів, з якими більш ефективно борються за допомогою ультрафіолетового опромінення, що на відміну від окисних типових технологій знезаражування, не змінює хімічного складу води. Під ультрафіолетовим випромінюванням з довжиною хвилі 255 - 275нм забезпечується максимум бактерицидної дії на припинення діяльності бактерій і вірусів, ріст яких у міжтрубному просторі конденсатора і випарника приводить до погіршення теплообмінних характеристик цих і інших апаратів установки. 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 80292 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601