References

probener

Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

Power engineering: research, equipment, technology

1998-99032658-5456

Kazan State Power Engineering University

10.30724/1998-9903-2024-26-2-176-186

probener-3032

Research Article

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

THEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERING

Характеристики теплообменника для локальной утилизации теплоты сточных вод при различных условиях эксплуатации

The characteristics of heat exchanger for local utilization of wastewater heat under different operating conditions

Куницкий

В. А.

Kunitskiy

V. A.

Куницкий Вячеслав Андреевич – преподаватель и аспирант кафедры теплогазоводоснабжения

г. Вологда

Vyacheslav A. Kunitskiy

Vologda

globee@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-3002-1078

Лукин

С. В.

Lukin

S. V.

Лукин Сергей Владимирович – д-р. техн. наук, профессор кафедры теплогазоводоснабжения

г. Вологда

Sergey V. Lukin

Vologda

s.v.luk@yandex.ru

Вологодский государственный университетРоссияVologda State UniversityRussian Federation

2024

03062024

262176186

2024

Куницкий В.А., Лукин С.В.

Kunitskiy V.A., Lukin S.V.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.energyret.ru/jour/article/view/3032

АКТУАЛЬНОСТЬ. Авторами исследуется локальная утилизация теплоты сточных вод (в непосредственной близости к месту их образования) на основе теплообменного аппарата. Для подбора рациональных характеристик теплообменника и корректной оценки потенциального энергетического эффекта необходимо учитывать влияние условий эксплуатации устройства (длительность отдельного использования душевой, массовый расход сред, температура нагреваемой воды на входе в теплообменник, температура сред в момент включения устройства).ЦЕЛЬ. Цель работы заключается в исследовании зависимости эффективности утилизации теплоты сточных вод от условий эксплуатации теплообменника и выявлении параметров, оказывающих наибольшее влияние на эффект от энергосберегающего мероприятия.МЕТОДЫ. На основе верифицированной математической модели тепловой работы утилизационного теплообменника вычисляется распределение температуры внутри потоков нагреваемой и греющей среды во времени (с момента включения и до достижения стационарного режима работы). На основе полученных данных (температуры нагреваемой воды на выходе из теплообменника в каждый момент времени) определяется абсолютная и относительная экономия теплоты при различных условиях эксплуатации.РЕЗУЛЬТАТЫ. Рассмотрено влияние нестационарной фазы работы теплообменника на его энергетическую эффективность. Для конкретной конфигурации теплообменника определено время, за которое устройство достигает стационарного режима тепловой работы. Выявлено, что наибольшее влияние на относительную и абсолютную экономию тепловой энергии оказывают такие условия эксплуатации, как массовый расход и температура нагреваемой воды на входе в теплообменник. Наименьшее влияние на энергетический эффект оказывает температура сред в начальный момент времени.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Определены условия эксплуатации, оказывающие наибольшее влияние на эффект от локальной утилизации теплоты сточных вод. Подтверждена необходимость учета данных условий при проектировании теплообменника и выборе его оптимальных параметров.

RELEVANCE. The authors research the local utilization of wastewater heat (in close proximity to the place of their formation) based on a heat exchanger. To select rational characteristics of the heat exchanger and correctly assess the potential energy effect, it is necessary to take into account the influence of the operating conditions of the device (duration of individual use of the shower, mass flow of heated and heating water, temperature of heated water at the inlet to the heat exchanger, temperature of the flow at the moment the device is turned on).THE PURPOSE. The purpose of the work is to research the dependence of the efficiency of wastewater heat utilization on the operating conditions of the heat exchanger and to identify the parameters that have the greatest impact on the effect of energy-saving measures.METHODS. Based on a verified mathematical model of the thermal operation of a recovery heat exchanger, the temperature distribution inside the flows of the heated and heating water in time is calculated (from the moment of switching on until reaching a stationary operating mode). Based on the data obtained (the temperature of the heated water at the outlet of the heat exchanger at each point in time), the absolute and relative heat savings are determined under various operating conditions.RESULTS. The influence of the non-stationary phase of the heat exchanger operation on its energy efficiency is considered. For a specific heat exchanger configuration, the time required for the device to reach a steady state of thermal operation is determined. It was revealed that the greatest influence on the relative and absolute savings of thermal energy is exerted by such operating conditions as mass flow and temperature of heated water at the entrance to the heat exchanger. The temperature of the flow at the initial moment of time has the least influence on the energy effect.CONCLUSION. The operating conditions that have the greatest impact on the effect of local wastewater heat recovery are determined. The need to take these conditions into account when designing a heat exchanger and choosing its optimal parameters has been confirmed.

утилизационный теплообменник для сточных водутилизация теплоты водыэнергоэффективность систем ГВСэкспериментальное испытание теплообменного аппарата

utilization heat exchanger for wastewaterutilization of water heatenergy efficiency of hot water systemsexperimental testing of a heat exchanger

References1

Королев В. И., Зверева Э.Р. Российский опыт применения отходов химводоподготовки в хозяйственной деятельности: перспективы использования при обработке осадков сточных вод (обзорная статья) // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т. 24. № 6. С. 47-62.

Korolev V.I., Zvereva E.R. Russian experience in the use of chemical water treatment waste in economic activity: prospects for use in the treatment of sewage sludge (review article). Power engineering: research, equipment, technology. 2022; 24(6):47-62. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-6-47-62

Выборнов Д.В., Удовиченко З.В., Долгов Н.В. Исследование проблем утилизации теплоты канализационных стоков жилых зданий // Энергетические системы. 2021. Т. 6. № 1. С. 70-80.

Vybornov D.V., Udovichenko Z.V., Dolgov N.V. Research of the problems of heat recovery of sewerage flows in residential buildings. Energy Systems. 2021; 6(1):70-80. (In Russ.) https://doi.org/10.34031/es.2021.1.006

Куницкий В. А., Лукин С.В. Исследование нестационарных режимов работы утилизационного теплообменного устройства на основе математического моделирования // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 4(56). С. 69-79.

Kunitskiy VA, Lukin SV. Research of non-stationary operation modes of utilization heat exchanger on the basis of mathematical modeling. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022; 14(55):69-79. (In Russ.)

Бежан А.В. Оценка потенциала тепла сточных вод в многоквартирных жилых зданиях (на примере города Апатиты) // Труды Кольского научного центра РАН. 2013. №2(15). С. 33-40.

Bezhan A.V. Assessing the potential of sewage heat in apartment buildings (for example Apatity). Transactions Kola Science Centre. 2013; 2(15):33-40. (In Russ.)

Васильев Г.П., Дмитриев А.Н., Абуев И.М. и др. Квартирная утилизация теплоты сточных вод // Энергетик. 2013. № 12. С. 30-33.

Vasil'ev G.P., Dmitriev A.N., Abuev I.M., et al. Kvartirnaya utilizatsiya teploty stochnykh vod. Energetik. 2013; 12:30-33. (In Russ.)

Кобылкин М.В., Кобылкина А.В., Риккер Ю.О. Разработка эффективного бытового малогабаритного рекуператора теплоты сточных вод // Материалы ХХ Международной научнопрактической конференции «Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов»; В 3-х частях, Чита, 30 ноября 2020 г., Чита: Забайкальский государственный университет, 2020. С. 128-132.

Kobylkin M.V., Kobylkina A.V., Rikker Yu.O. Razrabotka effektivnogo bytovogo malogabaritnogo rekuperatora teploty stochnykh vod. In: Kulaginskie chteniya: tekhnika i tekhnologii proizvodstvennykh protsessov: Materialy XX Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. 30 Nov 2020; Chita, Russia. Chita: Zabaikal'skii gosudarstvennyi universitet, 2020. pp. 128-132. (In Russ.)

Владыкина А. Н. Повышение энергетической эффективности жилых домов // Устойчивое развитие науки и образования. 2019. № 7. С. 121-126.

Vladykina A. N. Povyshenie energeticheskoi effektivnosti zhilykh domov. Ustoichivoe razvitie nauki i obrazovaniya. 2019; 7:121-126. (In Russ.)

Файзуллин А. А., Мамлеев А.Р. Теплонасосная установка для утилизации теплоты городских сточных вод // Наука молодых - будущее России: сборник научных статей 4-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых. В 8-ми томах; 10–11 декабря 2019 г., Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. Т. 7. С. 100-101.

Faizullin A. A., Mamleev A.R. Teplonasosnaya ustanovka dlya utilizatsii teploty gorodskikh stochnykh vod. in: sbornik nauchnykh statei 4-i Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii perspektivnykh razrabotok molodykh uchenykh. 10–11 Dec 2019; Kursk, Russia. Kursk: Yugo-Zapadnyi gosudarstvennyi universitet, 2019; 7. pp. 100-101. (In Russ.)

Юсупов Р.Д., Зиганшин Ш.Г., Политова Т.О. и др. Применение солнечной энергии для нужд горячего водоснабжения в городе Казань // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 2(54). С. 48-58.

Yusupov R.D., Ziganshin S.G., Politova T.O., et al. Application of solar energy for the needs of hot water supply in the city of Kazan. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022; 14; 2(54):48-58. (In Russ.)

Запольская И.Н. Влияние индивидуальных водо-водяных подогревателей на потребление тепловой энергии многоквартирными домами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 3(51). С. 146-155.

Zapol'skaya I.N. Transfer of the hot water preparation function to the consumer by installation iwwh as a way to reduce heat consumption. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2021; 13; 3(51):146-155. (In Russ.)

Shahmohammadi S., Steinmann Z., King H. et al. The influence of consumer behavior on energy, greenhouse gas and water footprints of showering. Journal of Industrial Ecology. 2019. Vol. 23, N5. pp. 1186-1195.

Новицкая М. П. Теплообменный аппарат для утилизации теплоты сточных вод домохозяйства // Комунальна та промислова енергетика. 2018. Т.40(№1). С. 56-60.

Novitskaya M. P. Teploobmennyi apparat dlya utilizatsii teploty stochnykh vod domokhozyaistva. Komunal'na ta promislova energetika. 2018; 40(1):56-60.

Ziwen L., Qingxu H., Chunyang H. et al. Water-energy nexus within urban agglomeration: An assessment framework combining the multiregional input-output model, virtual water, and embodied energy // Resources, Conservation and Recycling, 2021. Vol. 164, pp. 105-113.

Ziwen L., Qingxu H., Chunyang H. et al. Water-energy nexus within urban agglomeration: An assessment framework combining the multiregional input-output model, virtual water, and embodied energy. Resources, Conservation and Recycling, 2021. 164:105-113. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.105113

Sitzenfrei R., Hillebrand S., Rauch W. Investigating the interactions of decentralized and centralized wastewater heat recovery systems // Water Science and Technology. 2017. Vol.75 N5-6. pp. 1243-1250.

Sitzenfrei R., Hillebrand S., Rauch W. Investigating the interactions of decentralized and centralized wastewater heat recovery systems. Water Science and Technology. 2017; 75; (5-6):1243-1250. https://doi.org/10.2166/wst.2016.598

Feike F., Oltmanns J., Dammel F. et al. Evaluation of the waste heat utilization from a hot-watercooled high performance computer via a heat pump // Energy reports. 2021. Vol. 7. pp. 70-78.

Feike F., Oltmanns J., Dammel F. et al. Evaluation of the waste heat utilization from a hot-watercooled high performance computer via a heat pump. Energy reports. 2021. (7):70-78. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.09.038

Meireles I., Sousa V., Bleys B. et al. Domestic hot water consumption pattern: Relation with total water consumption and air temperature // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022, Vol. 157.

Meireles I., Sousa V., Bleys B. et al. Domestic hot water consumption pattern: Relation with total water consumption and air temperature. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022, 157. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.112035

Pomianowski M.Z., Johra H., Marszal-Pomianowska A. et al. Sustainable and energy-efficient domestic hot water systems: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. Vol. 128.

Pomianowski M.Z., Johra H., Marszal-Pomianowska A. et al. Sustainable and energy-efficient domestic hot water systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020; 128. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109900

Ivanko D., Sоrensen A.L., Nord N. Selecting the model and influencing variables for DHW heat use prediction in hotels in Norway // Energy and Buildings. 2020. Vol. 228.

Ivanko D., Sorensen A.L., Nord N. Selecting the model and influencing variables for DHW heat use prediction in hotels in Norway. Energy and Buildings. 2020. 228. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110441

Куницкий В. А., Лукин С.В. Верификация нестационарной математической модели тепловой работы утилизационного теплообменного аппарата на основе экспериментального испытания // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2023. Т. 15. № 3(59). С. 57-69.

Kunitskii V. A., Lukin S.V. Verification of the non-stationary mathematical model of the utilization heat exchanger thermal operation by experimental testing. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2023; 15; 3(59). 57-69. (In Russ.)

Soloveva O., Solovev S., Kunitsky V. et al. Determination of the optimal heat exchanger configuration for wastewater heat recovery // E3S Web of Conferences. International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Environmental Technologies (EMMFT-2023); 9-13 October 2023; Voronezh, Russia. Vol. 458.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.