可調節(jié)熱泵在工業(yè)應用的研究

1、可調節(jié)熱泵在工業(yè)應用的研究閻爾平、羅正芳、張曉弟（國家環(huán)境保護總局南京環(huán)境科學研究所）摘 要本文專門介紹可調式蒸汽噴射熱泵的研究成果。分析可調式熱泵和常規(guī)熱泵的構造特點，介紹了采用可調式熱泵供熱系統(tǒng)改造國外引進裝置的熱力流程和采用可調式熱泵供熱系統(tǒng)用于大型紙機的干燥部替代常規(guī)熱泵供熱運行的實例?？烧{式蒸汽噴射熱泵可以廣泛的用于供熱系統(tǒng)和工藝流程中，替代傳統(tǒng)的常規(guī)供熱系統(tǒng)，替代蒸汽節(jié)流減壓回收廢熱蒸汽，優(yōu)化換熱網絡，使蒸汽熱能數(shù)量和品位都得到充分合理的利用。一、蒸汽噴射式熱泵蒸汽噴射式熱泵或稱為蒸汽壓縮機，它利用熱電站或鍋爐供出高品位蒸汽和熱用戶用汽壓力差轉換的能量作為熱泵的工作動力，將低品位蒸

2、汽增壓提高能量品位后，一并供給熱用戶用汽。各種噴射式熱泵均由引射室、噴嘴、混合室及擴壓器構成，按蒸汽噴射式熱泵調節(jié)控制方式可以分為兩種類型。(一) 蒸汽質量調節(jié)熱泵采用調節(jié)閥調節(jié)熱泵入口新蒸汽的壓力和流量，通過改變工作蒸汽的質量即能量品位的方式，來滿足熱用戶用汽參數(shù)要求，稱為蒸汽質量調節(jié)熱泵，其熱泵本身不帶調節(jié)裝置，通常習慣也稱為不可調式熱泵（見圖1）。圖1 不可調節(jié)熱泵質量調節(jié)熱泵用于供熱系統(tǒng)中，當熱用戶用汽工況和新蒸汽參數(shù)發(fā)生變化時，由于蒸汽調節(jié)閥開度變化，就會相應改變進入熱泵的工作蒸汽壓力，從而改變了熱泵進口新蒸汽做功的能力。特別是當熱用戶用汽負荷減少，蒸汽調節(jié)閥開度將減小，進入熱泵的新

3、蒸汽壓力亦降低，新蒸汽和熱用戶用汽壓力差隨之減少，新蒸汽做功能力降低，致使熱泵工作效率明顯降低。通常認為蒸汽質量調節(jié)熱泵適合用于工作蒸汽及熱用戶用汽工況相對穩(wěn)定、用汽性質并非敏感的場合。（二） 蒸汽流量調節(jié)熱泵圖2 可調式熱泵在熱泵進口工作蒸汽干管上不設置調節(jié)閥，而由熱泵本體配置調節(jié)閥門及調節(jié)機構稱為蒸汽流量調節(jié)熱泵，通常稱為可調式熱泵。當熱用戶用汽工況和新蒸汽參數(shù)發(fā)生變化時，通過熱泵自身調節(jié)機構調節(jié)通過蒸汽的噴嘴有效斷面積，通過改變新蒸汽流量來滿足熱用戶用汽參數(shù)要求。這種型式熱泵在運行工況調節(jié)過程中，熱泵入口新蒸汽壓力不變，即新蒸汽單位流量做功能力不變，只是改變了通過噴嘴的蒸汽流量，熱泵的調

4、節(jié)性能好、效率高。（見圖2）。蒸汽流量調節(jié)熱泵適合于熱用戶用汽工況和新蒸汽參數(shù)變化及各種可變的工藝條件下應用。二、應用實例（一）蒸發(fā)塔釜熱泵供熱1、蒸氨塔釜供熱流程某化工生產裝置全部工藝設備及工藝流程均從國外引進，其中蒸氨工段的蒸氨塔釜直接通入P=0.7MPa, t=2100C的過熱蒸汽用于塔釜直接加熱，塔釜壓力為0.039MPa ,t=1080C。由塔釜排出溫度t=1080C汽水混合物進入汽水分離罐。蒸氨塔釜采用P=0.7MPa, t=2100C的過熱蒸汽加熱氨的水溶液，實質上只利用了蒸汽汽化潛熱和新蒸汽同塔釜用汽參數(shù)的蒸汽焓降，由于供給的新蒸汽及塔釜用汽兩者能級相差較大，則新蒸汽和用汽能量

5、的品位沒有得到合理匹配，新蒸汽能量品位產生了無效貶值，即新蒸汽產生了有效能損失，同時實測數(shù)據(jù)說明：由蒸氨塔釜排出的含氨汽水混合物夾帶著蒸汽，其含汽量約為1015%，又造成了用能數(shù)量上的浪費。根據(jù)蒸汽有效能的表達式計算得出：P=0.7MPa, t=2100C和P=0.039MPa, t=1080C干蒸汽有效能，分別為e1 = 851.594 kJ/kg和e2 = 567.089 kJ/kg，新蒸汽在加熱過程中，有效能損失e=e1-e2=284.505 kJ/kg，其損失率為e / e1=284.505/851.594=33.41%。通過上述分析得出，新蒸汽和塔釜用蒸汽的差值，即為理論計算熱泵做功

6、的動力，其含氨廢水兩相流中含汽量即為理論計算熱泵供熱的余熱資源。1、蒸氨塔釜熱泵供熱系統(tǒng)利用新蒸汽和塔釜蒸汽有效能的能級差做為熱泵的動力，回收塔釜排出的含氨汽水混合物中分離出的二次蒸發(fā)汽，利用熱泵將其增壓后，一并供給塔釜加熱用汽，熱泵供熱系統(tǒng)流程請見圖3。由蒸氨塔101排出的含氨廢水進入汽水分離罐102，含氨廢水通過專門設計的分離板103進行擴容閃蒸，產生二次蒸發(fā)汽，由熱泵104將其增壓后一并供塔釜加熱用汽?？烧{式熱泵是其關鍵設備，其控制方式，設備特性說明如下：（1）控制方式由蒸氨塔釜的工藝用汽量FICQ-101通過熱泵本身的調節(jié)裝置控制熱泵HP-104的供汽壓力和供汽量，滿足工藝生產負荷和用

7、汽工況的變化。（2）設備特性按其熱力工況參數(shù)本臺熱泵采用縮擴型噴嘴，圓柱型混合管。按熱泵設計工況的供汽量、供汽壓力及蒸汽絕熱指數(shù)、蒸汽臨界速度、氣體動力函數(shù)等，通過計算和工程試驗數(shù)據(jù)對比分析，得出熱泵噴嘴喉部直徑dpx和熱泵引射系數(shù)。熱泵的引射系數(shù)即1kg新蒸汽引射二次蒸發(fā)汽的流量比值，即熱泵供熱系統(tǒng)的節(jié)能能力。該熱泵供熱系統(tǒng)設計工況的節(jié)能效果為15%，熱泵引射系數(shù)的設計值0.1765。（二）紙機干燥部熱泵供熱系統(tǒng)我們完成的造紙機干燥部熱泵供熱系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的三段通汽研究成果榮獲中國輕工業(yè)科技進步二等獎，已在全國造紙行業(yè)得到廣泛推廣應用。造紙機干燥部熱泵供熱系統(tǒng)以高品位蒸汽做為熱泵的動力，推動熱

8、力系統(tǒng)循環(huán)。通過熱泵將各段汽水分離罐產生的二次蒸發(fā)汽增壓后供紙機相應各段烘缸用汽，同時降低了各段烘缸汽水分離罐壓力，保證了烘缸排水壓差。但是高效的熱泵供熱系統(tǒng)，必須充分發(fā)揮新蒸汽作功能力，適應紙機各種生產負荷變化，滿足紙機車速、產量及產品克重變化對于負荷變化的要求。采用可調式熱泵替代不可調式熱泵用于紙干燥部可以穩(wěn)定的保證熱泵高效運行,克服不可調式熱泵由于工況變化,在負荷調節(jié)過程中,降低新蒸汽壓力導致工作蒸汽作功能力降低,蒸汽作功能力不足的缺點。1、可調式熱泵用于紙機干燥部（1）現(xiàn)狀某廠大型箱板紙機參數(shù)如下：定 量 125340g/m2紙 種 牛皮箱板紙設計最高車速 520m/min產 量 55

9、0t/d（24h，當前日均產量） 烘 缸 直 徑 1800 烘 缸 數(shù) 量 61只 （含冷缸一只）采用可調式熱泵供熱系統(tǒng)用于紙機干燥部，其熱力流程見圖4。（2）效益在本臺紙機干燥部采用可調式蒸汽噴射式熱泵替代原不可調式熱泵，進一步提高了紙機車速，增加產量，降低汽耗。運行數(shù)據(jù)已經證明完成本頂目改造后，紙機產量提高了1520%,噸紙汽耗降低了10%，列舉數(shù)據(jù)說明如下：序號產品克重紙機車速 (m/min)提高比例%備注技術改造前技術改造后1200g/m2480520*1.08*2230 g/m24305001.163250 g/m23804601.21* 由于本臺紙機設計最高車速為520m/min，

10、限制了200g/m2以下低克重產品產量提高。（三）前景蒸汽噴射式熱泵沒有運轉部件，運行可靠?？朔穗娔茯寗拥臒岜脵C械壓縮機密封系統(tǒng)復雜、設備投資大等缺點。特別是由于可調式熱泵可以充分的發(fā)揮高品位蒸汽的作功能力和熱力系統(tǒng)工況發(fā)生變化，并不改變新蒸汽作功能力，熱泵具有熱效率高的優(yōu)點，它可以廣泛的用于蒸發(fā)蒸餾以及作為熱力壓縮機、引射式蒸汽減壓器和工業(yè)企業(yè)供熱，蒸發(fā)及余熱回收系統(tǒng)中。國外引進的大型化工裝置中，較為普遍的采用工業(yè)透平實現(xiàn)熱能的梯級利用。蒸汽噴射式熱泵特別是流量調節(jié)熱泵，做為高效節(jié)能設備和能量品位、數(shù)量轉換手段，可以靈活地實現(xiàn)能級的梯級利用和能量平衡。我們專門研究的可調式蒸汽噴射熱泵及其系列產品，已經成功的用于化工、輕工、造紙等很多行業(yè)，為節(jié)能及熱力系統(tǒng)優(yōu)化開辟出一條新路。作者簡介：閻爾平, 男,1937年2月生，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學供熱與通風專業(yè)?，F(xiàn)任職于國家環(huán)境保護總局南京環(huán)境科學研究所，研究員，享受國務院頒發(fā)的政府特殊津貼。主要科研究成果：重點研究工業(yè)節(jié)能，工業(yè)企業(yè)清潔生產，能源綜合和有效利用與環(huán)境保護技術。該同志主持完成的蒸汽噴射式熱泵供熱系統(tǒng)及廢熱資源化，造紙機紙頁熱泵干燥技術，熱網絡及綜合用能技術等多項研究課題先后獲國家科學技術進步三等獎，國家環(huán)境保護（部級）科學技術進步二等獎，中國輕工