Энергосбережение является одним из приоритетных направлений развития государственной политики на протяжении всего времени, но особый статус оно приобрело в сегодняшнее нестабильное время. Из-за экономических и экологических волнений во всём мире Россия взяла курс на сокращение так называемых «лишних потерь» энергоресурсов. По различным данным, годовое потребление топлива на душу населения в нашей стране составляет 6,4–6,6 т.у.т. [1, 2]. В связи с этим Правительство РФ в небывалых масштабах начало поиск использования различных энергосберегающих мероприятий, особый статус в которых занимают тепловые насосы.

В этой работе рассмотрен совершенно другой взгляд на получение теплоты от сточных вод — бесконтактный способ, а именно использование принципа «труба в трубе» при реконструкции или создании новых канализационных сетей. Этот принцип применяется для различных водоводяных теплообменников, где в трубках протекает один теплоноситель, а в межтрубном пространстве — другой. Новый смысл заключается в том, что новая «труба-кожух» надевается поверх старой или реконструируемой трубы, а пространство между старой трубой и кожухом заполняется теплоносителем. Ввиду того, что канализационные сети прокладываются ниже глубины промерзания [3], мы имеем право в качестве данного теплоносителя использовать воду.

Во многих странах широкое распространение получили грунтовые тепловые насосы, у которых удельный теплосъём от одного метра трубы в среднем составляет 50 Вт/м. Конечно, для многих подземных источников он различен. Например, для сухих осадочных пород он составляет 20 Вт/м, для каменистой почвы и насыщенных водой осадочных пород — 50 Вт/м, каменные породы с высокой теплопроводностью характеризуются удельным теплосъёмом 70 Вт/м, подземные воды — 80 Вт/м. Но ни один производитель не учитывает влияния попеременного охлаждения и нагревания грунта на эксплуатируемое здание, которое может повлечь просадку или разрушение сооружения.

Теоретическая модель расчёта получена по методу подобия [4] с помощью чисел подобия. Общие случаи теплообмена при течении различных веществ в каналах были отражены в разработках В. П. Исаченко, В. А. Осипова и ряда других авторов [5–7].

Исходные данные

Характеристики расчётного участка канализационной трубы: температура сточных вод в трубе tст.вод = 15 °C; температура окружающего грунта tгр = 5 °C; условный диаметр трубопровода dусл = 300 мм; скорость сточных вод в трубе Vст.вод = 0,5 м/с; наполненность трубы жидкой фазой n = 0,5. В расчётах принимаем, что газовый слой в трубе движется попутно с жидкостным слоем, то есть примерно с той же скоростью.

Общий вид уравнения теплопередачи через цилиндрическую стенку (для граничных условий третьего рода при стационарном режиме):

Ql = Kπdyln(tвн – tн) = Kπ2Rгln(tвн – tн), Вт, (1)

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²⋅°C); Rг — гидравлический радиус, м; l — длина рассматриваемого отрезка по центру оси трубопровода, м; tвн — температура сточных вод внутри трубопровода [8], °C; tн — температура вторичного теплоносителя, °C.

Число Рейнольдса определяет режим течения жидкости:

Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети. 2/2018. Фото 1

где ω — скорость течения сточных вод в трубопроводе, м/с; ν — коэффициент кинематической вязкости [8], м²/с.

Общий случай критериального уравнения конвективного теплообмена:

Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети. 2/2018. Фото 2

где c, n, b и m — числовые показатели, определяемые опытным путём; Re — число Рейнольдса, определяет режим течения жидкости; Gr — число Грасгофа, характеризует соотношение подъёмной силы в жидкости; Pr — число Прандтля, определяется по таблицам; Prст — число Прандтля при данной температуре стенки, определяется по таблицам.

Средний коэффициент теплоотдачи:

Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети. 2/2018. Фото 3

где Nu — число Нуссельта; λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅°C).

Для данных условий получается, что теплосъём с одного метра такой трубы составит 120 Вт. Но это без учёта потерь теплоты вторичного теплоносителя (через кожух) в грунт.

Сама идея применения кожуха для трубы в городских канализационных сетях с использованием теплового насоса является уникальной и может быть реализована только в нынешнее время при современных технологиях.

Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети. 2/2018. Фото 4

На рис. 1 представлена предлагаемая схема трубы с кожухом в городской канализационной сети (ГКС). Внутри трубы движутся сточные воды с определённым режимом течения. Снаружи трубы (в пространстве между наружной поверхностью трубы и наружной поверхностью кожуха) течёт вторичный теплоноситель — в данном случае вода.

На рис. 2 представлена схема получения теплоты от сточных вод из городской канализационной сети.

Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети. 2/2018. Фото 5

К определённому участку канализационной сети присоединяется эксплуатационный узел с тепловым насосом, в который входят: 1 — индикатор кислотности теплоносителя; 2 — аварийная задвижка; 3 — блок теплового насоса; 4 — насосный блок. Иногда, ввиду различных проектных решений, такое присоединение к сети невозможно, поэтому данная схема применима лишь на прямых участках трубопровода. Всё это оборудование необходимо для предотвращения попадания сточных вод в контур с вторичным теплоносителем — на случай разрушения трубы городской канализационной сети. 

Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети. 2/2018. Фото 6

Выводы

1. Городская канализационная труба является самым мощным источником теплосъёма в сравнении с грунтовыми источниками теплоты.

2. С экологической точки зрения грунтовые тепловые насосы также проигрывают данному типу получения теплоты.