Усвояване на топлина от отпадни води чрез гравитачен топлообменник

Топлата вода в жилищните, обществените и административните сградите има разнообразно приложение, но при всяко едно от тях отпадните води запазват значителна част от първоначалната си енергия – енергия, която може да бъде усвоена и използвана. Проучванията посочват, че годишно в каналите се изхвърлят 350 милиарда kWh от гореща вода и голяма част от тази енергия може да бъде усвоена и използвана повторно.

За усвояването на топлината от отпадните води произведени от всички източници в една сграда и за нейното използване е необходим топлообменник тип регенератор с двойни стени – такъв, който може да улови топлината от отпадните води, произведени от дадена инсталация или уред и да я използва за подпомагане на потреблението на топла вода в друг момент. Ако производството на отпадни води е успоредно с необходимостта от топла вода, може да бъде използван нерегенеративен, прав топлообменник.

Топлообменник с гравитационен филм (GFX)
GFX е обикновен топлообменник за усвояване на топлина. Този топлообменник е вертикален, с насрещен поток, като извлича топлината от канализационните води (които обикновено са топли) и я използва за затопляне на студената вода, която се подава в сградата.

Гравитационният топлообменник се инсталира на място близо до вертикалните щрангове в сградата. Устройството се състои от централна медна тръба 3 или 4 цола (която отвежда топлите отпадни води) и ½ - цол медна намотка около централната тръба. Топлината се предава от отпадните води, които преминават през голяма, централна тръба, към студената вода, която същевременно се придвижва нагоре през намотките от външната страна на тръбата. Намотките са сплескани там, където имат допир с тръбата, за да се увеличи контактната площ и да се подобри ефективността на топлообмена.

Основният принцип на действие на тази система се базира на поведението на отпадните води при изтичането им през отводната тръба. При проведени наблюдения е открито, че в резултат на гравитацията отпадните води се прилепват под формата на тънък филм към вътрешната стена на тръбата и този топъл, стичащ се филм предава топлина през стената на тръбата към входящата студена вода, която преминава през медната спирала, увита около тръбата.

GFX има следните предимства при усвояване на топлината от отпадни води: Здрав, няма подвижни части; Медна конструкция; Компактен, замества метър и половина от вертикалния щранг; може да бъде монтиран при тръбите, включително в преградни стени; Заварени връзки по спиралите там, където има линейно налягане; гумени конектори за закрепване на всеки край на медната тръба към отводнителната тръба; Предлага се с множество паралелни намотки от външната част на централната тръба, за да се намали понижаването на налягането.

Тъй като GFX има сравнително малка топлинна маса, той не може да съхранява много топлинна енергия за по-нататъшно използване. Следователно, гравитачният топлообменник е проектиран да работи най-добре тогава, когато отделянето на топли отпадни води и небоходимостта от студена вода до голяма степен се припокриват.

Така например, тази система не е особено подходяща за затопляне на вода за вана, но е идеална за душове, където използването на гореща или топла вода за душа и производството на отпадни води от душа настъпват по едно и също време. Гравитачните топлообменници са подходящи и за малки мивки, при които водата изтича едновременно от и към мивката.

Инсталация
За разработването на системния модел GFX са използвани експериментални данни. На база на системния модел се определя какво влияние върху работата на гравитачния топлообменник оказват различните тръбни конфигурации, които могат да бъдат монтирани към и от GFX, както и някои други фактори.

Балансиран срещу небалансиран поток. Тръбите на системата GFX могат да бъдат монтирани по три различни начина: балансиран поток, небалансиран поток за затопляне на студена вода и небалансиран поток за затопляне на водата към водния нагревател.

При балансирания поток цялата вода, която преминава през сградата преминава и през гравитачния топлообменник, преди да стане разделянето към водния нагревател. Така се гарантира, че влизащата вода е балансирана чрез същото количество поток канализационни води. При експерименталното проучване GFX е монтиран за балансиран поток като затопля водата за душа, включително потока към крана за студената вода, както и потока, който преминава през водния нагревател към крана за топла вода. Когато потоците от двете страни на топлообменника GFX са еднакви (балансирани), топлообменникът работи най-ефективно в сравнение с другите разпределения на потоците. При балансирания поток спадът на температурата на отпадните води винаги съответства на повишаването на температурата на входящата вода.

Влиянието на небалансирания поток върху работата на GFX е по-слабо забележимо. При конфигурациите с небалансиран поток, GFX затопля водата към студения кран или водата, която преминава през водния нагревател, но не и двете. В този случай, потокът на отпадните води през основната отводнителна тръба на GFX е по-голям от потока на водата, която преминава през тръбите от външната страна на GFX, защото отпадните води съдържат студена вода, която заобикаля топлообменника. Така при еднакви температура и поток на водата от канализционната система, покачването на температурата на пресната вода, преминаваща през GFX, е по-голямо от промяната на температурата на отпадните води, които преминават през GFX. Това очевидно предимство обаче отпада, защото потокът на чистата вода през GFX е по-малък при небалансирания поток отколкото при балансирания при даден дебит на отпадните води.

В случаите на небалансиран поток, енергията, спестена от GFX, зависи от крайната температура (при крайния потребител). При небалансирания поток спестяването варира от 30% до около 45% при набора от разумни температури на водата при потребление. Когато инсталирането на GFX за балансиран поток не е оправдано, разумната възможност е GFX да се използва за предварително затопляне на водата преди водния нагревател. Освен това, студената вода, достигаща до сградната инсталация, няма да се темперира.

Температура на отпадните води. На база на проведени експерименти е установено, че температурата на потока на отпадните води в един гравитачен топлообменник оказва голямо влияние върху работата му. Температурата на отпадните води, които влизат в него, например от душ със 45оС е по-ниска от температурата на водата при консуматора, което се дължи на загубите по тръбите. Ако имаше възможност тръбите между душа и GFX да се изолират, GFX щеше да работи по-добре. Ако се реализира случай, в който топлинните загуби от тръбите са пренебрежимо малки, спестената енергия за затопляне на вода с гравитационния топлообменник може да бъде няколко пъти по-голяма от посочената тук.

Като усвоява топлината от канализационните води и същевременно използва тази топлина за затопляне на водата към водния нагревател, GFX ефективно съкръщава времето необходимо за регенерацията на водния нагревател. Това е от значение, ако съществуващият воден нагревател е с малък размер или ако има повече потребители наблизо. Тъй като GFX извлича топлината от канализационните води, капацитетът на системата за затопляне на вода се увеличава. Това означава, че термостатът на системата за загряване на водата може да се настрои на по-ниски нива без това да оказва пряко влияние върху капацитета на водонагревателната система. Тези предимства, обаче, зависят от моделите на потребление на топла вода и частта от цялостното потребление на топла вода, чиято топлина може да бъде усвоена от гравитачния топлообменник.

Обобщение
GFX е лесен и ефективен метод за значително намаляване на енергията необходима за получаване на топла вода за битови нужди. Пестенето на енергия за затопляне на вода зависи от конкретната инсталация, моделите на потребление на топла вода и от това дали гравитачният топлообменник е инсталиран като балансиран или небалансиран поток. Според проведените изчисления се реализира икономия на 30 до 50% от енергията, необходима за загряване на водата за душа.

Балансираният поток и, ако е възможно, изолираните тръби към GFX, подобряват работата на устройството. Влиянието върху цялостното потребление на енергия за загряване на водата зависи от частта на общото потребление на топла вода, което същевременно произвежда топли отпадни води. Гравитачните топлообменници може да намерят благодатна ниша за приложение във обществения сектор – училища, общежития, здравни центрове и търговски и индустриални съоръжения, които произвеждат отпадна топлина, която иначе може да бъде използвана за загряване на вода.