Спосіб підвищення температури рідини (води)

1. Спосіб підвищення температури технологічної рідини (води) шляхом використання вторинних і відновлюваних низькопотенційних енергетичних ресурсів, який відрізняється тим, що досягнення заданої температури забезпечується послідовно: спочатку температура рідини (води) підвищується на 70 % від необхідного перепаду за рахунок сприйняття вторинного тепла в конденсаторі; а решта - 30 %, у теплонасосному циклі внаслідок поглинання тепла перегрітої пари робо U 1 3 лообмінники у виді циліндричних спіралей виготовлені так, що спіральні, витки одного теплообмінника розміщуються між витками другого теплообмінника. Всередині спіралей теплообмінників встановлена циліндрична камера з піддоном і зрошувачем. Теплообмінник проміжного теплоносія підключений через насос до волого збирача, який нагнітає рідину до зрошувача з соплами, що роздають рідину. У нижній частині циліндричної камери розміщений вхід димових газів, який має пристрій, що закручує потік, а верхня частина камери сполучається з газоходом. Газ рухається спочатку уверх через циліндричну камеру із зрошувачем, а потім, омиваючи поверхню теплообмінників до низу і виходить - через краплеуловлювач у димосос. Установка, що запропонована для утилізації тепла димових газів забезпечує одночасний нагрів трьох теплоносіїв, який здійснюється, окрім двох теплообмінників, ще і в циліндричній камері. Потік димових газів, після пристрою, що закручує потік, поступає у циліндричну камеру де рухаючись по вниз по спіралі контактує з розпиленим проміжним теплоносієм, який поступає від стороннього джерела. При цьому димові гази охолоджуються, а проміжний теплоносій нагрівається і збирається у піддоні звідки направляється до споживача тепла. Використовується проміжний теплоносій з лужними компонентами. Далі, потік газу, змінюючи напрям руху охолоджується поверхнями теплообмінників всередині яких нагрівається проміжний теплоносій, що подається насосом до зрошувачів із соплами. У результаті гази зволожуються з подальшою конденсацією вологи із димових газів. Підігрітий проміжний теплоносій і вода поступають до споживачів, а очищені і охолоджені димові гази проходячи через краплеуловлювач забираються димососом. У роботі досягається високий коефіцієнт використання теплового потенціалу димових газів завдяки чому стало можливим нагрівати одночасно три види теплоносіїв. Але один із основних теплоносіїв, який зустрічає найгарячішій потік газів і набуває найвищої температури, одержує найбільшу масу забруднень частками димових газів, які відкладаючись на внутрішніх поверхнях теплосприймаючих апаратів значно погіршуючи ефективність тепловіддачі. А використання лужних компонентів у проміжному теплоносії обмежує його широке застосування у побутових умовах. З міркувань теплопередачі і аеродинаміки розміщення витків спіралей одного теплообмінника між витками другого є недоцільним. По-перше, щільне розміщення витків призводить до суцільного забруднення поверхні частками димових газів. Розміщенні у одному ряду витки утворюють тіньові зони для газу, що охолоджується, внаслідок чого тепловіддача погіршується. Раціональніше розміщувати витки спіралей у шаховому порядку, і на деякій відстані між ними, що забезпечить самоочищення поверхні. А.С. SU 110/628 F24 Н 1/08 (Бюл. №25, 07.07.84). ТЕПЛОПОСТАЧАЛЬНА УСТАНОВКА Мета - спрощення конструкції і підвищення надійності установки. До складу установки входять 60991 4 випарник з патрубками підводу холодної і гарячої води, а також підводу гріючого середовища у змійовик, змонтований у випарнику і патрубок для відведення пари із випарника. Установка оснащена конденсатором який виконаний заодно з мережевим насосом у вигляді парового змішувального інжектора з'єднаного з паропроводом від випарника. Рушійною силою яка забезпечує циркуляцію і рециркуляцію прямого, зворотного і допоміжного потоків є нескладні, енергомісткі і дорогоцінні насоси, а парові змішувальні інжектори. Пара, яка генерується у випарнику поступає до інжектора під тиском і витратою достатніми для нагнітання мережевої води із заданими параметрами. Установка оснащена також регуляторами, які керують подачею гріючого середовища у випарник, відведенням із нього гарячої води до зворотного трубопроводу, а також подачею води до випарника. Окрім роботи змішувального інжектора установка дозволяє, при високих навантаженнях, здійснювати частиною мережевої води подачу і нагрів всього потоку, без застосування механічної енергії, що підвищує надійність установки. Безумовно привабливим є відмова від складних енергоємних і дорогих електронасосів і заміна їх паровим змішувальним інжектором, який забезпечує рух рідини у системі. Але К.К.Д. інжектору у порівнянні з електронасосом (0,3...0,4 проти 0,7...0,8) вдвічі менше, тому витрати енергії в адекватних умовах у нього більше. Крім того, інжекторно-ежекторні пристрої дуже негативно реагують на зміну параметрів рушійної сили - пари, кількості і тиску речовини, що ежектується. Підтримання стабільності вказаних параметрів викликає необхідність оснащення системи складними і дорогоцінними приладами автоматики, яка потребує для обслуговування висококваліфікованого персоналу, що значно здорожує комплекс в цілому. У роботі не наведені параметри гріючого середовища, яке розігріває воду до інтенсивного пароутворення, а це енергія далека від низького викидного температурного рівня і потребує витрат електроенергії або згорання палива, що в загальному обсязі нівелює очікуваний ефект. A.C.SU 1620783 F24 Н 1/00 (Бюл. № 2 15.01.91) ПРИСТРІЙ ДЛЯ НАГРІВУ ВОДИ Мета - підвищення надійності при використанні високотемпературних агресивних забруднених газів. Пристрій для нагріву води включає циклонну топку і утилізаційну камера які зв'язані між собою пережимами. Камера обладнана вихідним, для охолоджених газів патрубком, і двома типами теплообмінної поверхні: високотемпературною і низькотемпературною, які обладнанні роз'єднувальними перегородками. Перегородки високотемпературної частини виготовлені у виді кожухів, що обрамляють теплообмінні поверхні, а поверхні теплообміну низькотемпературної частини відкритого типу. Високотемпературні агресивні забруднені гази із циклонної топки поступають з високою швидкістю через пережим в утилізаційну камеру, де проходячи крізь високотемпературну частину камери. Забруднення осідає на поверхні кожухів і стінах 5 камери. Далі частково очищені від бруду гази з меншою швидкістю поступають у низькотемпературну частину камери де обтікаючи відкриті теплообмінні поверхні віддають безпосередньо їм тепло. В результаті теплообміну поверхня високотемпературної частини сприймає тепло від газів через кожух, який обрамляє ці поверхні, а теплообмінні поверхні низькотемпературної частини камери сприймають тепло безпосередньо відкритою поверхнею. Тепло від усіх теплообмінних поверхонь передається воді, що тече у трубах. З точки зору теплопередачі нагрів поверхнею труб у високотемпературній частині камери малоефективний внаслідок того, що труби знаходяться у кожусі, що обрамляє ці труби. Незважаючи на високотемпературний рівень газів, які з високою швидкістю нагрівають кожух, тепло від його стінок до поверхні труб буде передаватись найгіршим шляхом - тільки за рахунок природної конвекції. Значно кращі умови теплообміну у низькотемпературній частині, де тепло від газів сприймається трубами безпосередньо. Але внаслідок низької температури і малої різниці температур між газом і поверхнею теплообмін також малоефективний. Для захисту труб високотемпературної частини від агресивних газів було б доцільним замість кожуха захистити труби тонким шаром із матеріалу, яким виготовляється кожух і перегородки. Тоді завдяки інтенсивній турбулізації потоку газів навколо труб значно підвищиться ефективність теплообміну і покращаться масогабаритні характеристики пристрою для нагріву води. А.С. SU 1613817 F24 Н1/24 (Бюл. №46, 15.12.90) НАГРІВАЛЬНА УСТАНОВКА Мета - підвищення експлуатаційної ефективності. Установка складається із циліндричного корпуса, всередині якого розміщена циліндрична обичайка, по осі якої встановлюється вал з ротором у вигляді крильчатки зв'язаної з приводом обертання. Обичайка прикріплена до нижнього днища і обладнана перфорацією у зоні ротора з крильчаткою. До зовнішньої поверхні корпуса примикає кільцева камера, яка обладнана розширювальним бачком і паровідвідним патрубком. Установка має декілька додаткових крильчаток, закріплених на осі з основною крильчаткою. Приводом служить вітряний двигун, зв'язаний з валом системою передачі, яка включає шестерні, муфти і коробку зміни передачі обертання валу, який встановлений на підшипниках. Робота здійснюється у такій послідовності. Вітряний двигун через систему передачі при участі коробки зміни передачі приводить вал на якому закріплені крильчатки. Під час обертання крильчатки рухають воду у нижньому напряму, підвищуючи тиск води. Під час руху води крізь стиснені перфорації в результаті тертя в кромках отворів вода нагрівається, крім цього нагрівання відбувається за рахунок тертя води з крильчатками. Внаслідок безпосередньої циркуляції вода поступово нагрівається і нагріває воду, яка знаходиться у кільцевій камері, звідки вона поступає у систему опалення. При надлишку тепла вода циркулює через бакакумулятор накопичуючи тепло. 60991 6 Підігрів води здійснюється за рахунок перетворення механічної енергії у теплову без будьяких сторонніх енергоджерел, що відповідає сучасній тенденції екологоенергетичних очікувань. Але підігрів води по двоконтурній схемі малоефективний внаслідок низької різниці температури між об'ємами води розділеними металевою стінкою, яка з обох сторін омивається повільними паралельними потоками. Очікуване підвищення тиску води між крильчатками не відбудеться, тому що вони обертаються з однаковою швидкістю і тиск перед перфорацією не підсумовується. Отже, внаслідок великого гідравлічного опору перфораційний ефект від неї буде малий, а основний підігрів води відбувається за рахунок інтенсивної турбулізації рідини крильчатками. Складна кінетика з великою кількістю вузлів, муфт, коробки зміни передачі все це поглинає значну частину енергії, що передається від вітродвигуна. Використання вітродвигуна, як рушійної сили значно зменшує можливості широкого застосування пристрою, внаслідок специфічних умов його розміщення. Розглянуті у попередніх роботах пристрої і способи для нагріву води шляхом використання тепла димових газів, або шляхом перетворення механічної енергії механічної енергії для нагріву води у теплову, шляхом використання теплової енергії пари у змішувальному інжекторі у механічну для переміщування рідини замість насосів мають позитивні і негативні ознаки які узгоджуються із способом, що заявляється, але найближчим до заявленого який використовується у якості прототипу є А.С. 485284 F24 Н1/10; 25.09.75 БЮЛ. №35 ТЕПЛОВИЙ НАСОС Мета - використання теплоти забруднених вод. Здійснюється спосіб підігріву рециркуляційного дистілята, у теплонасосному циклі, шляхом утилізації низько потенційного тепла пари від гарячої мінералізованої агресивної води. Пристрій, у якому здійснюється спосіб підігріву води складається з вакуумних камер випаровування, які сполучаються між собою жолобом через отвори для проходу води із камери в камеру. У кожній камері розміщується фреоновий випарник ( він же конденсатор пари) з коритами для збору дистиляту, а верхня частина кожної камери сполучається з вакуумним насосом для відсмоктування неконденсованих газів. До складу теплового насосу входить компресор, випарники (вони ж конденсатори пари води) конденсатор пари фреону він же нагрівач води, яка рециркулює. У теплофікаційному контурі споживачів тепла, регулюючі прилади, насоси рециркуляції системи опалення, подачі води із корит до конденсатора і відведення у каналізацію охолодженої у камерах води, система магістралей. Робота комплексу для підігрітої води: гаряча утилізаційна мінералізована вада із джерела подається у нижню частину вакуумних камер випаровування де, по нижньому жолобу перетікає через отвори із однієї камери в другу. Із останньої камери найбільш охолоджена випарена вода викидається насосом у каналізацію. 7 Внаслідок великої різниці температур між гарячою водою у камерах і поверхнею випарників, а також при наявності вакууму, відбувається інтенсивне пароутворення і пара конденсується на холодній поверхні випарників. Дистилят збирається у послідовно з'єднаних між собою коритах і насосом нагнітається у конденсатор-нагрівач, де вода поглинаючи тепло конденсації, нагрівається і поступає у систему теплопостачання. По окремій трубі вода після конденсатора подається до споживача. Під час роботи системи вакуумнасос постійно відсмоктує із кожної камери гази, що не конденсуються. Основним недоліком способу використання тепла низького потенціалу є невдалий приклад відведення газів, що не конденсуються, шляхом вакуумування. Температура газів значно нижча ніж у водяної пари, тому гази в першу чергу окутують холодну поверхню випарників. Крім цього парціальний тиск газів вище тиску пари, яка контактує з холодною поверхнею через шар газів. В результаті, під час вакуумування відсмоктуватись буде в першу чергу пара, яка повинна бути основним джерелом тепла у тепло насосному циклі. Існує багато способів позбавлення системи від неконденсованих газів. Найпростіший із них полягає у припиненні охолодження поверхні випарників, шляхом перекриття подачі в них фреону. Через короткий час гази накопичаться у верхній частині камери і їх можна відвести без участі вакуумнасосу. Але дана система послідовно живить одночасно всі випарники, тому реалізувати пропоноване неможливо. Живлення після регулюючого вентиля фреоном послідовно-розміщених випарників, починаючи з мінімального теплового навантаження до максимального призведе до повного википання фреону перед найбільш напруженою камерою з максимальним пароутворенням. Конденсація пари на поверхні першого по навантаженню випарника і останнього по мінімуму робочої речовини, може не здійснитися. Конструктивні недоліки і нераціональне використання теплового джерела низького потенціалу у способі підігріву теплофікаційної води не мають підстави для її реалізації. Технічна задача на вирішення якої спрямовано корисну модель полягає у максимально раціональному використанні відновлюємих джерел низького потенціалу, а саме: тепла довкілля, викидного повітря із приміщень підприємств, морської, озерної води, а також тепла стічних вод підприємства. При цьому, тепло довкілля доцільно використовувати на температурному рівні не нижче -20 °С, так як зниження температури, нижче вказаної, призведе до значного зниження енергетичних показників установки, що сприймає тепло; температура морської, озерної води, стічних вод, тощо, повинна бути не нижче 5 °С для запобігання розморожування установки. Джерелом тепла низького потенціалу може бути викидне тепло від технологічного обладнання. Наприклад, тепло стисненого повітря після компресорів повітряної мережі; тепло відняте від теплої води, що циркулює у замкненому контурі охолодження головок блоків аміачних компресорів, на великих холодокомбінатах, фабриках морозива, 60991 8 м'ясокомбінатах та інших технологічних установках. Теплу воду раціонально спрямувати у теплонасосний контур, де після охолодження вона знову поступатиме до компресорів машинного відділення чи іншого технологічного обладнання. Використання згаданих джерел низького потенціалу реалізується у теплонасосному циклі, який у порівнянні з традиційними способами нагріву рідини (води) шляхом згоряння палива або використання електронагрівачів, споживає значно менше енергії для одержання необхідного тепла для підігріву рідини. Перевага теплонасосного циклу у порівнянні з прямою витратою палива або електроенергії на підігрів рідини (води) полягає у тому, що (все тепло, що використовується - тепло низького потенціалу) при незначних витратах енергії циклу сприймається робочою речовиною цикла фреоном, який після компресора віддає все тепло, що генерується на підігрів технологічної речовини (води). Тобто, якщо середнє значення дійсного коефіцієнту трансформації циклу у межах 3,5...4,5 (відношення теплової енергії, що вироблена у теплонасосному циклі до витраченої енергії), то при витратах енергії в циклі в 1 кВт  г. одержуємо 3,5...4,5 кВт  г теплової енергії. Новизна і корисніть способу полягає у тому, що підігрів технологічної речовини (води) здійснюється послідовно, тобто, спочатку температура рідини (води) підвищується внаслідок внаслідок відведення і сприйняття тепла конденсації -70 %, а решта, внаслідок відведення і сприйняття тепла перегрітої пари фреону - 30 %. Розмежування кількості тепла і температурного діапазону на 70 % у конденсаторі і 30 % в утилізаторі прийнято з міркувань повного обмеження надходження перегрітої пари у конденсатор. В реальних умовах величина теплового потенціалу перегрітої пари складає 25...З5 % від загального теплового потоку конденсації. Новизна способу виявляється ще й у тому, що традиційні тепло насосні установки не оснащується утилізаторами тепла перегрітої пари, а наявність утилізатору значно розвантажить конденсатор від баластного тепла перегрітої пари, яка не конденсується до тих пір поки не охолоне до насищеного стану, а це перевитрата енергії циклу внаслідок підвищення тиску пари. Крім того, перегріта пара з високою температурою спонукає до відкладання водяного каменя на стінках труб, що погіршує теплопередачу. Наявність утилізатора тепла перегрітої пари обумовлює такі переваги: відсутність перегрітої пари покращує умови конденсації в конденсаторі, що забезпечує максимальне підвищення температури рідини (води); нагріта у конденсаторі вода сприймає більшу кількість тепла, внаслідок чого спрацьовується максимум необхідного перепаду температур, до 70 % В утилізаторі перегрітої пари рідина (вода) контактує з робочим тілом, що має максимальну температуру рівну температурі кінця стиснення у компресорі. Поглинаючитепло перегріву рідина (вода)сягає необхідної температури. У залежності від стану теплового джерела низького потенціалу конструкція теплосприймаючого апарату теплонасосної установки може бути у виді рідинної теплообмінної модифікації з циркуляційним насосом де 9 вторинне тепло рідини поглинається киплячим робочим тілом (фреоном), а відпрацьована рідина повертається в зовнішній теплообмінний пристрій для наступної теплогенерації. Якщо відведення тепла низького потенціалу здійснюється від повітря, то використовують ся повітряні апарати - повітроохолоджувачі, в яких всередині труб кипить робоче тіло вгаслі док поглинання тепла повітря що після охолодження викидається у довкілля. Враховуючи простоту і надійність конструкції, безпечність експлуатації і повну автоматизацію робочих режимів, пропонується використовувати повітроохолоджувачі з вентиляторами. Не відкидаються і комбіновані варіанти з повітроохолоджувачем і кожухотрубним випарником. Влітку віддається перевага повітроохолоджувачу; кожухотрубний випарник є доцільним як влітку, так і взимку. За робочу речовину можна використовувати екологічно безпечні холодоагенти, наприклад, R134a. На рисунку зображена схема пристрою в якому здійснюється спосіб, що заявляється. Основними елементами теплонасосної установки є два типа теплосприймаючих апаратів кожухотрубний випарник 1 і повітроохолоджувач 9, які забезпечують сприйняття теплоносієм низькопотенційного тепла. Основною рушійною силою теплонасосного циклу є компресор 11, який зв'язаний з утилізатором тепла 12 і конденсатором 13. Робота системи здійснюється у такій послідовності: теплоносій по лінії 4, сприйнявши тепло низького потенціалу подається відповідно насосом 3 до випарника 1 (або викидне повітря чи довкілля 8 направлене вентилятором до повітроохолоджувача 9), де кипить фреон установки). Проходячи через той чи інший апарат теплоносій або повітря віддають тепло кип'ячому фреону, який перетворюючись на пару засмоктується компресором 11. Після стиснення, перегріта пара нагнітається в утилізатор 12 і далі у конденсатор 13. Відпрацьований теплоносій направляється далі або на теплову регенерацію або викидається, а охолоджене повітря викидається у довкілля. У той же час технологічна рідина (вода) по лінії 6 поступає до конденсатора 13, де, поглинаючи тепло конденсації фреону, підігрівається до температури, яка забезпечує 70 % від необхідного перепаду підвищення температури, і далі поступає в утилізатор 12, у якому сприймає тепло перегрітої пари, догріваючись ще на 30 % від необхідного перепаду над початковою температурою. Технологічна рідина (вода) по лінії 14 направляється до споживача або в теплоізольовану накопичувальну ємність для акумулювання. Співвідношення 70 % і 30 % спрацювання перепаду підвищення температури рідини досягаються шляхом дотримання відповідної пропорції 60991 10 між теплообмінними поверхнями. В процесі експлуатації таке співвідношення підтримується шляхом регулювання витрат потоків від джерел низького потенціалу і технологічної рідини (води). Відомості які підтверджують можливість здійснення способу. Раціональне використання будь-яких енергоресурсів і екологічний стан довкілля дві взаємопов'язані проблеми. Величезна кількість підприємств України на сьогодні спалює тисячі тон твердого палива і мазуту тільки для підігріву води, або на опалення приміщень. Більшість молокозаводів, винозаводів тощо використовують для підігріву технологічної води багато витратні тепло- та електробойлери. У той же час існує простий спосіб підігріву води шляхом використання теплонасосного циклу, я якому викидне тепло низького температурного потенціалу перетворюється у джерело достатньо високого температурного потенціалу. Наприклад, для постійного підігріву 50...80 м. куб./добу води прямим підігрівом її у електробойлерах витрачається щорічно 360000 кВтт електроенергії. А при використанні тепло насосного циклу з раціональним підведенням вторинного тепла промислових викидів, енерговитрати можна зменшити до 100000 кВт  г/рік. Для реалізації способу, залежно від потужності об'єкта, можна вибрати звичайну серійну холодильну установку, яка оснащується теплосприймаючим апаратом тепла низького потенціалу. Таким апаратом може бути повітроохолоджувач або кожухотрубний і будь-якої іншої конструкції випарник. При необхідності можна оснащати комплекс одразу двома апаратами Специфіка монтажу, ремонту і експлуатації аналогічна звичайній холодильній установці, тому кадрове питання не викликає проблем. Основна проблема - кошти на придбання обладнання, яке при оперативних монтажно-налагоджувальних робіт окупиться за рік. Підрисуночні підписи 1 - Кожухотрубчастий випарник 2 - Регулюючий вентиль випарника 3 - Насос подачі теплоносія 4 - Лінія подачі теплоносія 5 - Лінія відведення відпрацьованого теплоносія 6 - Лінія підведення технологічної рідини (води) 7 - Регулюючий вентиль повітроохолоджувача 8 - Повітря довкілля (повітря приміщень) 9 - Повітроохолоджувач з вентилятором 10 - Теплообмінник рекуперативний 11 - Компресор 12 - Утилізатор тепла перегрітої пари 13 - Конденсатор 14 - Лінія відведення нагрітої технологічної рідини (води) 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 60991 Підписне 12 Тираж 23 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