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

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

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

6. 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.

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

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.