Выработка тепловой энергии от городской канализационной сети

А. Г. Рымаров, к.т.н., доцент; М. А. Разаков, бакалавр; Рио-Рита В. Чернова, бакалавр, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ) 

Авторами предлагается совершенно новый способ получения теплоты от подземных инженерных сетей города, а именно — добыча полезной тепловой энергии из тепловых потерь трубы. В данной статье приведён пример расчёта количества теплоты от одного метра участка трубы безнапорной городской канализационной сети (ГКС) хозяйственно-бытового назначения. Также приводится схема кожуха со вторичным теплоносителями — принципиальная схема получения тепловой энергии от городских канализационных сетей с помощью теплового насоса. Приводится инженерная модель тепловых потерь от городской канализационной трубы со сточными водами. Кроме того, рассматривается сравнение различных тепловых потенциалов от одного метра трубы с различными грунтовыми источниками тепловой энергии. Проведён расчётный эксперимент, доказывающий эффективность получения теплоты от трубы безнапорной городской канализационной сети и последующее использование данной теплоты в инфраструктуре города.

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:

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

Общий случай критериального уравнения конвективного теплообмена:

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:

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.

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.

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.

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.


  1. Разаков М.А., Хроменкова А.А. Энергоёмкость и энергопотребление стран СНГ: Сб. мат. студ. науч.техн. семинара «Энергосбережение и рациональное использование ресурсов инженерных системах зданий и сооружений» / Отв. ред. А.П. Андрианов. 2017. С. 39–42.
  2. Гагарин В.Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы, 2010. №3. С. 8–16.
  3. Воронов Ю.В., Алексеев Е.В., Пугачёв Е.А., Саломеев В.П. Водоотведение: Учеб. изд. — М.: Изд-во «АСВ», 2014. 416 с.
  4. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. Изд. 2-е. — М.: Высшая школа, 1973. 296 с.
  5. Лариков Н.Н. Теплотехника: Учеб. для вузов. Изд. 3-е, расш. и доп. — М.: Стройиздат, 1985. 432-с.
  6. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учеб. для вузов. Изд. 3-е, расш. и доп. — М.: Энергия, 1975. 488 с.
  7. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляция и кондиционирования воздуха): Учеб. для вузов. Изд. 2-е, расш. и доп. — М.: Высшая школа, 1982. 415 с.
  8. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Хренов К.Е. Применение формулы (14) СНиП 2.04.03–85 для гидравлических расчётов канализационных трубопроводов из полимерных труб. Табл. 2 // Сантехника, 2008. №2. С. 38–43. Режим доступа: abok.ru. Дата обращ.: 02.02.2018.

По материалам: https://www.c-o-k.ru/