способ подогрева воды для отопления и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ подогрева воды для отопления, включающий формирование потока с циркулирующим первичным теплоносителем, например, нагретой подземной термальной водой, а также потока с циркулирующим по замкнутому контуру вторичным теплоносителем, например, сетевой водой, теплопередачу между этими потоками, подачу подогретой сетевой воды вторичного теплоносителя к отопительным приборам системы отопления, отличающийся тем, что вначале сетевую воду подогревают до температуры 40-45°С от нагретой подземной термальной воды в скважинных теплообменниках, а затем подогретую сетевую воду подают на всас теплового насоса, где ее температуру доводят до 70°С, и с помощью сетевого насоса подогретую сетевую воду подают на приборы - радиаторы системы отопления.

2. Установка подогрева воды для осуществления способа по п.1, включающая теплообменники, расположенные в верхних частях нагнетательной и добычной геотермальных скважин до глубины 150 м от поверхности, трубопроводы с насосами для обратной закачки термальной воды в пласт и для обеспечения циркуляции подогреваемой воды по системе отопления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тепловой и сетевой насосы, подключенные к системе скважинных теплообменников и системе отопления, а на теплопередающих поверхностях внутрискважинных теплообменников для интенсификации процесса и увеличения поверхности теплообмена предусмотрены по всей длине теплообменников продольные ребра, количество n, толщину _р и высоту h_p которых выбирают из условия получения необходимой температуры подогреваемой сетевой воды на входе в тепловой насос, при этом для снижения тепловых потерь от подогреваемой воды в теплообменниках между ее потоками на входе и на выходе установлены внутренние коаксиальные цилиндры, заполненные теплоизоляционным материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к устройствам приготовления воды для отопления, и может быть использовано в системах, работающих на основе теплоты нагретых подземных термальных вод при отоплении зданий и сооружений децентрализованным образом.

Известны способ подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения, установка для его осуществления и газовый генератор тепла для установки (Патент №20118771, бюл. №04/2004 от 02.10.2004 г.). Данный способ включает в себя формирование в контуре потока циркулирующей жидкости, например воды, а также нагретого газового потока, например продуктов сгорания, теплопередачу между этими потоками, подачу внешнего потока воды, например, для горячего водоснабжения и осуществление теплопередачи от потока циркулирующей жидкости к внешнему потоку воды, разделение потока циркулирующей жидкости после передачи тепла внешнему потоку на два потока с регулированием расхода между ними. Один из разделенных потоков циркулирующей жидкости охлаждают внешним потоком, а затем ко второму разделенному потоку по принципу противотока осуществляют передачу тепла внутри конечной по течению части нагретого газового потока, после чего разделенные потоки циркулирующей жидкости объединяют, причем в средней по течению части нагретого газового потока осуществляют теплопередачу к объединенному потоку циркулирующей жидкости, а в начальной по течению части нагретого газового потока организуют передачу тепла к объединенному потоку циркулирующей жидкости при прямотоке, при этом передачу тепла от потока циркулирующей жидкости к внешнему потоку воды осуществляют сначала от одного из разделенных потоков, а затем от объединенного потока циркулирующей жидкости после прохождения им начальной по течению части нагретого газового потока.

Этот способ подогрева воды осуществляют при помощи установки, содержащей газовый генератор тепла, сообщенные с ним газоход и дымовую трубу, выполненную в газоходе систему теплообменников, включающую, например, начальный, средний и конечный теплообменники, конденсатосборник и водо-водяной теплообменник, сообщенный по нагреваемой среде с источником внешнего потока воды и по греющей среде - с контуром циркулирующей по теплообменникам жидкости, при этом установка снабжена дополнительным водо-водяным теплообменником и регулируемым разделителем потока циркулирующей жидкости, вход разделителя сообщен с выходом водо-водяного теплообменника, один выход - с входом дополнительного водо-водяного теплообменника, выход которого сообщен с входом конечного теплообменника, второй выход разделителя и выход конечного теплообменника сообщены с входом среднего теплообменника, выход которого - с входом начального теплообменника, выход которого сообщен с входом водо-водяного теплообменника, дополнительный водо-водяной теплообменник по нагреваемой среде сообщен входом с источником внешнего потока воды, а выходом - с входом водо-водяного теплообменника. Кроме того, установка содержит дополнительный регулируемый разделитель потока циркулирующей жидкости, вход которого сообщен с выходом начального теплообменника, а выходы - с входом водо-водяного теплообменника, при этом один из них - через тепловую нагрузку, например отопительную батарею, второй газовый генератор с дымовой трубой и газоходом, в котором предусмотрены вторая система теплообменников (например, вторые начальный, средний и конечный теплообменники), вторым дополнительным водо-водяным и водо-водяным теплообменниками, соединенными с системой теплообменников, размещенных в газоходе, и с регулируемым вторым разделителем потока циркулирующей жидкости.

Известна также установка подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения (см. авторское свидетельство СССР №1557417, Кл. F24D 3/08, 1982 г.), в котором создают поток циркулирующей жидкости, например воды, и нагретый газовый поток, например, продуктов сгорания топлива, осуществляют передачу тепла, включая скрытую теплоту конденсации паров воды, от нагретого газового потока к циркулирующей жидкости, отводят из газового потока конденсат, подают внешний поток воды, например, для горячего водоснабжения и осуществляют передачу тепла от потока циркулирующей жидкости к внешнему потоку воды.

Недостатками известных изобретений являются сложность конструктивного решения установки для реализации способа подогрева вследствие наличия большого количества теплообменников как основных, так дополнительных и вторых, наличие второго газового генератора тепла, второго разделителя потока циркулирующей жидкости, выполнение теплообменников в виде коллекторов с пакетами пластин, снабженных клапанами для протока циркулирующей жидкости, что снижает надежность и увеличивает массу и габариты установки и материальные затраты на изготовление и эксплуатацию, а также использование для получения тепловой энергии газового генератора тепла с принудительной организацией процесса горения органического топлива, что связано с выбросом вредных продуктов сгорания в атмосферу.

Общим недостатком приведенных выше аналогов является невозможность использования в них энергии нагретых подземных термальных вод, обеспечивающих экологическую чистоту окружающей среды.

Из известных способов подогрева воды и установок для его осуществления наиболее близким по технической сущности является способ и устройство для их осуществления, описанные (А.Б.Алхасов, М.И.Исрапилов «Использование геотермальной энергии для подогрева подпиточной воды» - см. жн. «Водоснабжение и санитарная техника». - М.: Стройиздат, 1996, №4, с.25-26).

Сущность изобретения, описанного в прототипе, заключается в том, что с помощью теплообменников, установленных в верхних частях добычной и нагнетательной скважин на глубине 100-150 м от поверхности земли и выполненных по принципу «труба в трубе», вначале подпиточную воду нагревают от нагретых подземных термальных вод в теплообменнике, установленном в нагнетательной скважине, а затем - в теплообменнике, установленном в добычной скважине. При такой технологической схеме исходная подпиточная вода опускается по наружному межтрубному кольцевому пространству теплообменника, устроенного в нагнетательной скважине, и далее поднимается по внутреннему кольцевому межтрубному пространству. В процессе подъема подпиточной воды происходит ее нагрев за счет передачи остаточной теплоты от закачиваемой термальной воды. На поверхности подпиточная вода направляется на блок химводоочистки и далее к теплообменнику, установленному в добычной скважине. При опускании по внутреннему межтрубному кольцевому пространству происходит догрев подпиточной воды до более высокой температуры. Далее нагретая вода поднимается по наружному межтрубному кольцевому пространству и на поверхности направляется в деаэратор для удаления растворенных в ней газов и в парогенератор энергетической установки.

Таким образом, термальная вода циркулирует по замкнутому контуру «пласт - добычная скважина - наземный трубопровод - нагнетательный насос - нагнетательная скважина - пласт».

Недостатками известного способа подогрева подпиточной воды и установки для его осуществления являются низкая температура подогретой воды, что снижает эффективность его использования в системах отопления, а также сложность конструктивного оформления устройства вследствие необходимости предусмотрения блока химводоочистки и деаэратора.

Задача предлагаемого изобретения - повышение температуры подогреваемой воды за счет интенсификации процесса теплообмена на теплопередающих поверхностях скважинных теплообменников и создание установки, конструктивное решение которой позволило бы упростить реализацию способа, а именно, повысить температуру циркулирующей жидкости (сетевой воды) для использования в системах отопления до более высокой температуры (например, до 70°С).

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности теплоснабжения зданий и сооружений при одновременном упрощении конструктивного оформления установки для осуществления способа.

Сущность способа подогрева воды для отопления и установки для его осуществления заключается в формировании потока с циркулирующим первичным теплоносителем, например, нагретой подземной термальной водой, а также потока с циркулирующим по замкнутому контуру вторичным теплоносителем, например, сетевой водой, теплопередаче между этими потоками, подаче подогретой сетевой воды (вторичного теплоносителя) к отопительным приборам системы отопления. При этом вначале сетевая вода, опускаясь по наружному межтрубному кольцевому пространству в теплообменнике, установленном в нагнетательной скважине, и поднимаясь по внутреннему межтрубному пространству с продольными ребрами, предусмотренными на теплопередающей поверхности трубопровода, внутри которого циркулирует нагретая термальная вода, отбирает остаточную теплоту. На поверхности подогретая сетевая вода снова направляется в теплообменник добычной скважины, где также делает два захода, опускаясь по межтрубному пространству с продольными ребрами на теплопередающей поверхности, отбирая тепло от более нагретой термальной воды, а затем, поднимаясь по внешнему кольцевому пространству, нагревается до температуры 40-45°С и направляется на вход теплового насоса, в котором температура воды доводится до 70°С, и с помощью сетевого насоса подается на приборы (радиаторы) системы отопления.

Для реализации способа подогрева воды для отопления используют установку, схема которой приведена на фиг.1 и 2. На фиг.1 приведена принципиальная схема установки для подогрева воды, а на фиг.2 - схема теплопередающей поверхности теплообменников с продольными ребрами.

Установка содержит добычную (1) и нагнетательную (2) скважины, внутрискважинные теплообменники (3), в корпусах которых предусмотрены внутренние коаксиальные цилиндры (4) с теплоизоляционным материалом для исключения потерь тепла от подогреваемой воды, трубопроводы (5), внутри которых циркулирует первичный теплоноситель (нагретая термальная вода), а на внешних поверхностях по всей длине теплообменников предусмотрены продольные ребра (см. фиг.2), нагнетательный насос (6), трубопровод с регулятором (7) для подпитки системы отопления, тепловой насос (8), сетевой насос (9), отопительные приборы (10), водоносный пласт (11).

Конкретный пример выполнения.

После заполнения системы отопления сетевой водой от трубопровода подпитки с регулятором (7) включают нагнетательный (6), тепловой (8) и сетевой (9) насосы. Термальная вода подогревает сетевую воду в нагнетательной (2) и добычной (1) скважинах, а сетевой насос (9) обеспечивает циркуляцию воды по замкнутому контуру «сетевой насос - отопительные приборы -трубопроводы - тепловой насос - теплообменник нагнетательной скважины - теплообменник добычной скважины - тепловой насос». Учитывая, что поверхность теплообмена на теплопередающих поверхностях теплообменников увеличена за счет продольных ребер, то на входе сетевой воды в тепловой насос (8) ее температура Т _сет повышается до 40-45°С.

Для обоснования в предлагаемом изобретении диапазона температур 40-45°С на входе в тепловой насос и для выбора количества ребер на теплопередающих поверхностях теплообменников был проведен ряд опытов.

Опыты проводились при наличии на теплопередающих поверхностях 8; 16 и 32 продольных ребер толщиной _р=3 мм каждое и высотой h _p соответственно 10; 20; и 30 мм, внутренний трубопровод имеет диаметр d₁=51 мм, на внешней теплопередающей поверхности которого предусмотрены продольные ребра (фиг.2), наружный диаметр без учета ребер d_н=57 мм, живое сечение внутреннего трубопровода составляет F ₁=0,002 м², а внешнего F ₂ с учетом эквивалентного диаметра d_экв =69 мм составляет 0,0038 м². Поверхности теплообмена со стороны циркулирующей термальной воды S ₁=0,160 м², а со стороны сетевой воды (внешней стороны) - S₂=0,179 м. Площадь S₂ при наличии ребер на поверхности равна S₂=S_м+S _р (где S_м - площадь межреберной поверхности, м²; S_p - площадь поверхности ребра, м²). Скорость движения термальной воды при дебите скважины 2500 м³ /сут составляет 0,18 м/с, а скорость сетевой воды - 0,1 м/с. Режим движения теплоносителей устойчиво турбулентный. Коэффициент теплоотдачи со стороны термальной воды к внутренней стенке трубопровода ₁=1406 Вт/(м² ·град), а от стенки к сетевой воде ₂=560 Вт/(м² ·град). По каждой из указанных величин проводилось по три опыта, результаты которых усреднялись и анализировались. Результаты экспериментального исследования эффективности способа подогрева воды и устройства для его осуществления ( t=t_ж1 ^опр-t _ж2 ^опр=30°С, t _ж1 ^опр и t_ж2 ^опр - соответственно определяющие температуры первичного и вторичного теплоносителей) приведены в таблице 1.

Таблица 1
Количество ребер n, шт	Высота ребра р, мм	Площадь теплопередающей поверхности, м2		Тепловой поток на 1 погон, м поверхности, Вт/м		Температура сетевой воды Тсет, °С
		S1	S2	q	qр
0	0	0,160	0,179	1929	2082	35
	10	-	0,339	-	3102	37
8	20	-	0,499	-	3765	39
	30	-	0,659	-	4224	40
	10	-	0,499	-	3765	40
16	20	-	0,819	-	4581	41
	30	-	1,139	-	5025	42
	10	-	0,819	-	4581	41
32	20	-	1,459	-	5337	43
	30	-	1,938	-	5640	45

Анализ результатов, приведенных в табл.1, позволил установить:

1) использование скважинных теплообменников с продольными ребрами на теплопередающих поверхностях высотой соответственно 10; 20 и 30 мм позволит увеличить тепловой поток от первичного теплоносителя ко вторичному (сетевой воде) от 1,6 до 2,92 раза, а температуру подогреваемой воды от 40 до 45°С;

2) наиболее оптимальным количеством продольных ребер на теплопередающих поверхностях при диаметрах, приведенных выше, является 32 шт. высотой 30 мм. Дальнейшее увеличение количества ребер неоправдано, так как связано с большими трудностями и усложняет изготовление теплопередающей поверхности.

Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в

простоте конструкции и удобстве эксплуатации в связи с отсутствием блока химводоочистки и деаэратора;

возможности использования энергии широкораспространенных нагретых геотермальных вод для подготовки воды в системах отопления различных по назначению объектов.

В качестве перспективы возможности использования предлагаемого изобретения рассмотрим конкретный регион Северного Кавказа, а именно Республику Дагестан (г.Махачкала). Под городом Махачкала термальные воды с температурой от 60 до 80°С залегают на глубинах 1000-1400 м, минерализация воды составляет от 2 до 15 г/л. Для добычи термальной воды используются скважины, ранее пробуренные для добычи нефти, а также специально пробуренные на термальные воды.

В табл.2 приведены характеристики термальных скважин и их параметры.

Таблица 2
Характеристики и параметры скважин термальных вод
Параметры	ТЭЦ	Места расположения районных котельных
		Завод Дагэлектромаш	Торговый центр	Северный район города	Сепараторный завод	Ул. Мира
Глубина залегания пласта, м	1400	1200	1200	1200	1000	1000
Температура пласта, °С	70	65	65	80	60	60
Дебит циркуляционной системы, м3/сут	2514	1466	733	2622	3120	1560
Расстояние между скважинами, м	560	490	320	566	670	480
Давление нагнетания, МПа	5,2	2,4	0,92	4,86	6,6	2,4
Мощность нагнетательного насоса, кВт	160	44	9,3	148	233	47
Объем замещаемого природного газа, млн. м3/год	4,45	2,23	1,1	5,6	3,8	1,9

Из табл.2 видно, что использование энергии нагретой термальной воды для подогрева сетевой воды в системах отопления позволит сэкономить более 19 млн м³/год природного газа. Кроме того, расстояния между скважинами малы, что приводит к снижению потерь тепла от добычной до нагнетательной скважин.