Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод
В работе рассмотрена возможность извлечения теплового потенциала сточных канализационных вод для теплообеспечения зданий. Представлен пример конструкторского расчета рекуперативного теплообменного аппарата, который может извлекать теплоту сточных вод канализационного коллектора. Получено что с увели...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Промышленная теплотехника |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142318 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод / Б.И. Басок, М.П. Новицкая, Ю.Н. Литвинюк // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 6. — С. 65-70. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142318 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1423182025-02-23T18:18:40Z Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод Characteristic of heat exchanger calculation for wastewater heat recovery Басок, Б.И. Новицкая, М.П. Литвинюк, Ю.Н. Энергосбережение В работе рассмотрена возможность извлечения теплового потенциала сточных канализационных вод для теплообеспечения зданий. Представлен пример конструкторского расчета рекуперативного теплообменного аппарата, который может извлекать теплоту сточных вод канализационного коллектора. Получено что с увеличением скорости сточных вод при прочих равных условиях увеличивается средний коэффициент теплопередачи. В роботі розглянуто можливість вилучення теплового потенціалу стічної каналізаційної води для теплозабезпечення будівель. Представлено приклад конструкторського розрахунку рекуперативного теплообмінного апарату, який може вилучати теплоту стічної води каналізаційного колектору. В результаті одержано, що з збільшенням швидкості стічної води за умови рівності інших показників збільшується середній коефіцієнт теплопередачі. At this article the possibility of energy recuperation from waste water is considered. Example of calculation wastewater heat exchanger is represented. Decrease of the average heat transfer coefficient along with velocity reduction on assumption all other constant rates is obtained. 2016 Article Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод / Б.И. Басок, М.П. Новицкая, Ю.Н. Литвинюк // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 6. — С. 65-70. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 DOI https://doi.org/10.31472/ihe.6.2016.09 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142318 536.27 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Энергосбережение Энергосбережение |
| spellingShingle |
Энергосбережение Энергосбережение Басок, Б.И. Новицкая, М.П. Литвинюк, Ю.Н. Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод Промышленная теплотехника |
| description |
В работе рассмотрена возможность извлечения теплового потенциала сточных канализационных вод для теплообеспечения зданий. Представлен пример конструкторского расчета рекуперативного теплообменного аппарата, который может извлекать теплоту сточных вод канализационного коллектора. Получено что с увеличением скорости сточных вод при прочих равных условиях увеличивается средний коэффициент теплопередачи. |
| format |
Article |
| author |
Басок, Б.И. Новицкая, М.П. Литвинюк, Ю.Н. |
| author_facet |
Басок, Б.И. Новицкая, М.П. Литвинюк, Ю.Н. |
| author_sort |
Басок, Б.И. |
| title |
Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод |
| title_short |
Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод |
| title_full |
Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод |
| title_fullStr |
Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод |
| title_full_unstemmed |
Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод |
| title_sort |
особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Энергосбережение |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142318 |
| citation_txt |
Особенности расчета теплообменного аппарата для утилизации теплоты сточных вод / Б.И. Басок, М.П. Новицкая, Ю.Н. Литвинюк // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 6. — С. 65-70. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT basokbi osobennostirasčetateploobmennogoapparatadlâutilizaciiteplotystočnyhvod AT novickaâmp osobennostirasčetateploobmennogoapparatadlâutilizaciiteplotystočnyhvod AT litvinûkûn osobennostirasčetateploobmennogoapparatadlâutilizaciiteplotystočnyhvod AT basokbi characteristicofheatexchangercalculationforwastewaterheatrecovery AT novickaâmp characteristicofheatexchangercalculationforwastewaterheatrecovery AT litvinûkûn characteristicofheatexchangercalculationforwastewaterheatrecovery |
| first_indexed |
2025-11-24T06:28:24Z |
| last_indexed |
2025-11-24T06:28:24Z |
| _version_ |
1849652102529286144 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №6 65
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 536.27
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ДЛЯ
УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ СТОЧНЫХ ВОД
Басок Б.И.1, Новицкая М.П.1, Литвинюк Ю.Н.2
1 Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03057, Украина
2 ООО «Прогресс-XXI», ул. Василия Касияна 2/1, оф. 378 г. Киев, 03121, Украина
В роботі розглянуто можливість
вилучення теплового потенціалу
стічної каналізаційної води для
теплозабезпечення будівель.
Представлено приклад конструк-
торського розрахунку рекупера-
тивного теплообмінного апара-
ту, який може вилучати теплоту
стічної води каналізаційного колек-
тору. В результаті одержано, що з
збільшенням швидкості стічної води
за умови рівності інших показників
збільшується середній коефіцієнт
теплопередачі.
В работе рассмотрена возмож-
ность извлечения теплового потен-
циала сточных канализационных
вод для теплообеспечения зданий.
Представлен пример конструктор-
ского расчета рекуперативного те-
плообменного аппарата, который
может извлекать теплоту сточных
вод канализационного коллектора.
Получено что с увеличением скоро-
сти сточных вод при прочих равных
условиях увеличивается средний ко-
эффициент теплопередачи.
At this article the possibility
of energy recuperation from waste
water is considered. Example of
calculation wastewater heat exchanger
is represented. Decrease of the average
heat transfer coefficient along with
velocity reduction on assumption all
other constant rates is obtained.
Библ. 6., табл. 2., рис. 2.
Ключевые слова: теплообменный аппарат, сточные воды, утилизация теплоты.
Введение
Значительную часть энергопотребления
Украины (около 40 %) составляет потребление
тепловой и электрической энергии в зданиях и
сооружениях. Говоря об энергосбережении в зда-
ниях, обычно имеют ввиду их утепление либо
увеличение термического сопротивления окон-
ных конструкций, что позволяет существенно
уменьшить затраты на отопление зданий. При
этом часть затрат, которая приходится на горячее
водоснабжение, рассматривается гораздо реже.
А при современных требованиях человека к ком-
фортному проживанию, эта часть не ограничи-
вается только централизованным горячим водо-
снабжением. В современном жилье существует
множество бытовых приборов генерирующих
теплую воду (стиральные машины, посудомоеч-
ные машины, бойлеры горячей воды, газовые ко-
лонки и т.д.). Все это затраты тепловой энергии,
прямые потери которой выбрасываются в систе-
му канализационного водоотвода. В настоящее
время возрастает интерес к системам сбора и по-
вторного использования этой сбросной тепловой
энергии. [1-6]
Сточные канализационные воды могут слу-
жить источником энергии для теплообеспечения
зданий при помощи тепловых насосов. Эта тех-
нология проста и уже достаточно опробована в
мире. Исследования, проведенные в Германии
и Швейцарии, показали, что около 3 % от всех
зданий могут быть отоплены при помощи тепла
сточных вод [1].
Системы и виды существующих систем
утилизации теплоты сточных вод
Существуют разные возможности для извле-
чения теплового потенциала сточных вод. Во-
первых, это системы, которые могут быть уста-
новлены непосредственно в домах [6]. Также
теплота сточных вод может быть отобрана в кана-
лизационных коллекторах, ведущих к очистным
станциям [2,6]. И в конечном итоге на очистных
сооружениях, вариант из возможных проектных
решений подобных систем представлен, напри-
мер, в [3].
Одним из основных элементов в таких си-
стемах является теплообменный аппарат. Как
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №666
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
правило, в системах такого типа используются
теплообменные аппараты рекуперативного типа,
т.е. аппараты в которых две жидкости с различ-
ными температурами текут в пространстве, раз-
деленном твердой стенкой. Такие теплообменные
аппараты могут быть классифицированы по мно-
гим критериям, таким как геометрия аппарата,
направление движения жидкости, преобладаю-
щий вид теплообмена и т.д. Расчетными параме-
трами таких теплообменных аппаратов являются
температура и расход сточных вод, разница тем-
ператур между сточными водами и отводящей
теплоту жидкостью, геометрические параметры
сточной трубы и теплообменного аппарата, на-
полненность трубы сточных вод, скорости дви-
жения обоих жидкостей и т.д.
Характеристики сточных вод,
как источника энергии
Сточные воды достаточно редко использу-
ются как теплоноситель, в связи с этим в науч-
ной литературе можно найти лишь небольшое
количество публикаций на эту тему. При проек-
тировании систем энергосбережения, в первую
очередь интерес представляют данные о темпера-
туре и расходах воды в коллекторах сбора сброс-
ных вод, а также данные об их теплофизических
свойствах.
В работе [4] приведены подробные экспери-
ментальные данные о температуре и расходах си-
стемы сточных вод г. Болонья, Италия с октября
2005 г. по март 2006 г. Авторы приводят данные
об изменениях температуры и расходах сточный
вод, их суточных и сезонных колебаниях. Сред-
няя температура сбросных вод в г. Болонья со-
ставляет 20,9 ºС в октябре и 13,5 ºС в декабре
месяце. Авторы экспериментально подтвердили
тот факт, что температура сбросных вод суще-
ственно зависит от расхода сточных вод и в го-
раздо меньшей степени зависит от температуры
окружающей среды. Существенное же снижение
температуры сточных вод было отмечено в се-
зон дождей, т.к. в г. Болонья система сточных вод
объединена с ливневой системой сбора и отвода
дождевой воды.
При проектировании теплообменного аппа-
рата в [2] использовались данные о температуре
сточных вод в Северном Китае, расчетное значе-
ние температуры составляло 12 ºС, при этом было
отмечено, что минимальное значение в зимний
период может достигать значений ниже 10 ºС.
В [6] высказано мнение о том, что минималь-
ная температура сточных вод должна быть не
менее 12 ºС. Также приведены данные о том, что
биопленка, образующаяся на стенках трубы сточ-
ных вод, снижает коэффициент теплопередачи на
50 %, что в свою очередь становится причиной
необходимости увеличить поверхность теплооб-
мена теплообменного аппарата.
Описание исследуемого теплообменного
аппарата
В данной работе рассматривается проект ре-
куперативного теплообменного аппарата, кото-
рый может использовать теплоту сточных вод ка-
нализационного коллектора большого диаметра,
№
п/п Наименование Величина Значение
1 Q Тепловая мощность кВт 130
2 t'1
Рабочая температура со стороны
сточных вод °С 15
3 Теплоноситель 30 % раствор воды и пропиленгликоля.
4 t'2
Температура 30 % раствора воды и
пропиленгликоля на входе в
теплообменный аппарат
°С 5
5 t''2
Температура раствора воды и пропи-
ленгликоля на выходе из
теплообменного аппарата
°С 10
Табл. 1
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №6 67
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
схема которого представлена на рис. 1. Особенно-
стью данной модели теплообменного аппарата явля-
ется возможность его установки на существующую
сточную трубу путем приваривания двух секций
теплообменного аппарата с последующим проведе-
нием гидравлических испытаний. Рассматриваемый
теплообменный аппарат относится к типу аппаратов
«труба в трубе». В аппарате сточные воды движутся
внутри трубы меньшего диаметра, а охлаждающая
их жидкость в межтрубном пространстве – между
трубами большего и меньшего диаметров. Жидкости
движутся в противоположных направлениях, поэто-
му аппарат следует относить к противоточному типу.
Некоторые технические характеристики рассматри-
ваемого аппарата приведены в табл. 1.
Для увеличения коэффициента теплопередачи
от стенок металлической трубы, по которой прохо-
дит нагревающая жидкость к тепловоспринимаю-
щей жидкости, на поверхность трубы приваривается
металлическая спираль, которая образует n витков
для движения водного раствора пропиленликоля в
заданном направлении. Для подключения теплооб-
менника предусмотрены металлические фланцы
(см. рис. 1. А и Б).
Рис. 1. Общий вид и размеры секции теплообменника.
А – штуцер подвода теплоносителя, Б – штуцер отвода теплоносителя,
Г – сточные воды, І – теплообменник.
Расчетные формулы
При расчете теплообменного аппарата такого
типа, основными уравнениями являются уравне-
ния теплопередачи и теплового баланса.
Q = K∙F(t1 – t2),
Q1 = Q2 + ΔQ,
Где Q = (Gcp)jδtj,
G – расход теплоносителя, cр – его теплоемкость,
F – искомая площадь теплообменного аппарата,
K – коэффициент теплопередачи.
Одной из особенностей расчета можно счи-
тать определение коэффициента теплопередачи.
В данной работе рассчитывался ее осредненный
вариант:
,
11
1
2ст
ст
1
K
где коэффициенты теплоотдачи α1 – от сточных
вод к стенке трубы, и α2 – от трубы к нагреваемо-
му 30 % раствору воды и пропиленгликоля могут
быть определены из уравнений, полученных на
основе теории подобия, а более точные значения
осредненного коэффициента теплопередачи мо-
гут быть получены на основе прямого численно-
го теплофизического моделирования.
В рассматриваемом случае при турбулентном
режиме движения в трубах некруглого сечения
можно применить следующую формулу:
21
25,0
ст
43,08,0
Pr
Pr
PrRe021,0Nu
i
ii
i
эквii
i
d .
Эквивалентный диаметр трубы рассчитывается
по формуле
где Fi – площадь поперечного сечения; Pi – его
смачиваемый периметр; ε1 – поправка, учитыва-
ющая изменения среднего коэффициента тепло-
i
i
эквi P
F
d
4
,
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №668
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
отдачи по длине трубы; ε2– поправка, учитыва-
ющая центробежные силы.
При этом следует отметить следующую осо-
бенность: в связи с тем, что труба сточных вод
проектируется таким образом, что ее наполнен-
ность варьируется от 0,3 до 0,8 (см. рис. 2.) пло-
щадь поперечного сечения трубы сточных вод
необходимо рассчитывать с учётом этого факта.
В нижеприведенных таблицах даны основные
расчетные данные конструкторского расчета теп-
лообменного аппарата такого типа при различ-
ных скоростях движения сточных вод и средней
наполненности трубы 0,6 (табл. 2) в трубе диа-
метром 1,62 м.
Рис. 2. Сечение трубы сточных вод.
H – высота наполненности трубы;
h – высота пустой части сегмента;
R – внутренний радиус трубы;
a – длина хорды.
Наименование Обозна-
чение
Вели-
чина H/D=0.6
Скорость v м/с 0,5 0,7 0,9 1,2 1,5
Осредненная температура
стенки со стороны сточных вод tcт1 ºС 12,3 13,2 13,4 13,7 13,9
Число Нуссельта Nu1 2384 3129 3832 4834 5788
Коэффициент теплоотдачи
со стороны сточных вод α1 Вт/м2К 1132 1487 1821 2297 2750
Осредненная температура стенки
со стороны тепловоспринимающей
жидкости
tcт2 ºС 6,9 7,1 7,2 7,3 7,4
Число Нуссельта Nu2 127 127 127 127 127
Средний коэффициент теплоотдачи
стороны тепловоспринимающей
жидкости
α2 Вт/м2К 1229 1234 1233 1234 1236
Коэффициент теплопередачи K м2К/ Вт 341 368 386 408 416
Площадь поверхности
теплообмена F м2 53 49 46 45 43
Табл. 2. Данные расчета теплообменного аппарата
Выводы
1. Увеличение скорости сточных вод при
прочих равных условиях увеличивает средний
коэффициент теплопередачи, и, в свою очередь,
уменьшает расчетную площадь теплообмена,
необходимую для получения заданной тепловой
мощности теплообменного аппарата.
2. Оценочный расчет площади теплообмен-
ного аппарата необходимо проводить, основыва-
ясь на минимальной скорости сточных вод.
3. Более точные значения осредненного
коэффициента теплопередачи могут быть
получены на основе численного теплофизичес-
кого моделирования, например, с помощью
коммерческих компьютерных пакетов.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №6 69
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
1. F. Schmid. Sewage water: interesting heat
source for heat pumps and chillers, Energy-engineer
FH, Swiss Energy Agency for Infrastructure Plants,
Zurich, Switzerland, 2009.
2. Z. Zhuang, D.Sun. Design and calculation
of the sewage heat exchanger based on SCILAB.
2009 IEEE International Workshop on Open-source
Software for Scientific Computation.(OSSC), 2009,
Р. 148–152.
3. Басок Б.І. Аналіз технічних характери-
стик теплонасосної станції, що використовує
низькопотенційну теплоту стічних вод
Бортницької станції аерації для теплопостачання
житлових мікрорайонів «Осокорки» і «Позняки»
м. Києва. Б. І. Басок, М. Ю. Швець, А. А. Барило
[та ін.]. Промышленная теплотехника. – 2011. –
Т. 33, № 6. – С.58–63.
4. S.Sipolla., M. Maglionico. Heat Recovery
from Urban Wastewater: Analysis of the Variability
of Flow Rate and Temperature in the Sewer of
Bologna, Italy. Energy and Buildings 69 (2014),
рр. 122–130.
5. L. Postrioti, G. Baldinelli, F. Bianchi,
G. Buitoni, F. Di Maria, F. Asdrubali. An experimental
setup for the analysis of an energy recovery system
from wastewater for heat pumps in civil buildings.
Applied Thermal Engineering 102 (2016), Р. 961–
971
6. D. Stransky I. Kabelkova, V. Bares, G.
Stastna, Z. Suchorab. Suitability of combined sewers
for the installation of heat exchangers. Ecological
Chemistry and Engineering Volume 23, Issue 1,
Р. 87–98.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №670
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
CHARACTERISTIC OF HEAT EXCHANGER
CALCULATION FOR WASTEWATER
HEAT RECOVERY
Basok B.I.1, Novitska М.P.1, Litvinuk Y.N.2
1 Institute of Engineering Thermophysics of
the National Academy of Sciences of Ukraine,
2a, Zhelyabova str., Kyiv, 03057, Ukraine
2 ООО «Прогресс-XXI», 2/1. Basil Kasiyan st,
Kyiv, 03121, Ukraine
At this article the possibility of energy recuperation
from waste water is considered. Example
of calculation wastewater heat exchanger is
represented. The heat balance and heat transfer
equation was used to calculate counter flow heat
exchanger. The heat transfer coefficient was
fined with empirical correlation equation for heat
transfer. On assumption all other constant rate the
decrease of the average heat transfer coefficient
along with velocity reduction was obtained.
References 6, tables 2, figures 2.
Key words: heat exchanger, wastewater, heat
recovery.
1. F. Schmid. Sewage water: interesting heat
source for heat pumps and chillers, Energy-engineer
FH, Swiss Energy Agency for Infrastructure Plants,
Zurich, Switzerland, 2009.
2. Z. Zhuang, D. Sun. Design and calculation
of the sewage heat exchanger based on SCILAB.
2009 IEEE International Workshop on Open-source
Software for Scientific Computation.(OSSC), 2009,
Р.148–152.
3. Basok B.I. Technical parameters analysis
of a heat-pump unit based on low-potential sewage
waters utilization at Bortnychi aeration plant for heat
supply in Osokorky and Poznyaky regions of Kyiv.
Basok B.I. at all. Promyshlennaya teplotekhnika. –
2011. – V. 33, № 6. – P.58–63. (Ukr.)
4. S. Sipolla., M. Maglionico. Heat Recovery
from Urban Wastewater: Analysis of the Variability
of Flow Rate and Temperature in the Sewer of
Bologna, Italy. Energy and Buildings 69 (2014).
Р. 122–130
5. L. Postrioti, G. Baldinelli, F. Bianchi, G.
Buitoni, F. Di Maria, F. Asdrubali. An experimental
setup for the analysis of an energy recovery system
from wastewater for heat pumps in civil buildings.
Applied Thermal Engineering 102 (2016). Р. 961–
971
6. D. Stransky I. Kabelkova, V. Bares, G.
Stastna, Z. Suchorab. Suitability of combined sewers
for the installation of heat exchangers. Ecological
Chemistry and Engineering Volume 23, Issue 1,
Р. 87–98.
Получено 19.10.2016
Received 19.10.2016
|