可調(diào)節(jié)熱泵在工業(yè)應(yīng)用的研究

一、蒸汽噴射式熱泵

蒸汽噴射式熱泵或稱為蒸汽壓縮機(jī)，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(zhuǎn)換的能量作為熱泵的工作動力，將低品位蒸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(kuò)壓器構(gòu)成，按蒸汽噴射式熱泵調(diào)節(jié)控制方式可以分為兩種類型。

(一) 蒸汽質(zhì)量調(diào)節(jié)熱泵

采用調(diào)節(jié)閥調(diào)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(zhì)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(zhì)量調(diào)節(jié)熱泵，其熱泵本身不帶調(diào)節(jié)裝置，通常習(xí)慣也稱為不可調(diào)式熱泵（見圖1）。

圖1 不可調(diào)節(jié)熱泵

質(zhì)量調(diào)節(jié)熱泵用于供熱系統(tǒng)中，當(dāng)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(diào)節(jié)閥開度變化，就會相應(yīng)改變進(jìn)入熱泵的工作蒸汽壓力，從而改變了熱泵進(jìn)口新蒸汽做功的能力。特別是當(dāng)熱用戶用汽負(fù)荷減少，蒸汽調(diào)節(jié)閥開度將減小，進(jìn)入熱泵的新蒸汽壓力亦降低，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(rèn)為蒸汽質(zhì)量調(diào)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(zhì)并非敏感的場合。

（二） 蒸汽流量調(diào)節(jié)熱泵

圖2 可調(diào)式熱泵

在熱泵進(jìn)口工作蒸汽干管上不設(shè)置調(diào)節(jié)閥，而由熱泵本體配置調(diào)節(jié)閥門及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)稱為蒸汽流量調(diào)節(jié)熱泵，通常稱為可調(diào)式熱泵。

當(dāng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)性能好、效率高。（見圖2）。

蒸汽流量調(diào)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(yīng)用。

二、應(yīng)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(chǎn)裝置全部工藝設(shè)備及工藝流程均從國外引進(jìn)，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(jìn)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(zhì)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的品位沒有得到合理匹配，新蒸汽能量品位產(chǎn)生了無效貶值，即新蒸汽產(chǎn)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10~15%，又造成了用能數(shù)量上的浪費。

根據(jù)蒸汽有效能的表達(dá)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(jìn)入汽水分離罐102，含氨廢水通過專門設(shè)計的分離板103進(jìn)行擴(kuò)容閃蒸，產(chǎn)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。

可調(diào)式熱泵是其關(guān)鍵設(shè)備，其控制方式，設(shè)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(diào)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(chǎn)負(fù)荷和用汽工況的變化。

（2）設(shè)備特性

按其熱力工況參數(shù)本臺熱泵采用縮擴(kuò)型噴嘴，圓柱型混合管。

按熱泵設(shè)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)μ。

熱泵的引射系數(shù)μ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(shè)計工況的節(jié)能效果為15%，熱泵引射系數(shù)的設(shè)計值μ>0.1765。

（二）紙機(jī)干燥部熱泵供熱系統(tǒng)

我們完成的造紙機(jī)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(jìn)步二等獎，已在全國造紙行業(yè)得到廣泛推廣應(yīng)用。

造紙機(jī)干燥部熱泵供熱系統(tǒng)以高品位蒸汽做為熱泵的動力，推動熱力系統(tǒng)循環(huán)。通過熱泵將各段汽水分離罐產(chǎn)生的二次蒸發(fā)汽增壓后供紙機(jī)相應(yīng)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(yīng)紙機(jī)各種生產(chǎn)負(fù)荷變化，滿足紙機(jī)車速、產(chǎn)量及產(chǎn)品克重變化對于負(fù)荷變化的要求。采用可調(diào)式熱泵替代不可調(diào)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(diào)式熱泵由于工況變化,在負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中,降低新蒸汽壓力導(dǎo)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(diào)式熱泵用于紙機(jī)干燥部

（1）現(xiàn)狀

某廠大型箱板紙機(jī)參數(shù)如下：

定 量 125～340g/m2

紙 種 牛皮箱板紙

設(shè)計最高車速 520m/min

產(chǎn) 量 550t/d（24h，當(dāng)前日均產(chǎn)量）

烘 缸 直 徑 φ1800

烘 缸 數(shù) 量 61只 （含冷缸一只）

采用可調(diào)式熱泵供熱系統(tǒng)用于紙機(jī)干燥部，其熱力流程見圖4。

（2）效益

在本臺紙機(jī)干燥部采用可調(diào)式蒸汽噴射式熱泵替代原不可調(diào)式熱泵，進(jìn)一步提高了紙機(jī)車速，增加產(chǎn)量，降低汽耗。運行數(shù)據(jù)已經(jīng)證明完成本頂目改造后，紙機(jī)產(chǎn)量提高了15－20%,噸紙汽耗降低了10%，列舉數(shù)據(jù)說明如下：

* 由于本臺紙機(jī)設(shè)計最高車速為520m/min，限制了200g/m2以下低克重產(chǎn)品產(chǎn)量提高。

（三）前景

蒸汽噴射式熱泵沒有運轉(zhuǎn)部件，運行可靠?？朔穗娔茯?qū)動的熱泵機(jī)械壓縮機(jī)密封系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備投資大等缺點。特別是由于可調(diào)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(jī)、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(jìn)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(diào)節(jié)熱泵，做為高效節(jié)能設(shè)備和能量品位、數(shù)量轉(zhuǎn)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(diào)式蒸汽噴射熱泵及其系列產(chǎn)品，已經(jīng)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。2100433B

構(gòu)造特點本文專門介紹可調(diào)式蒸汽噴射熱泵的研究成果。分析可調(diào)式熱泵和常規(guī)熱泵的構(gòu)造特點，介紹了采用可調(diào)式熱泵供熱系統(tǒng)改造國外引進(jìn)裝置的熱力流程和采用可調(diào)式熱泵供熱系統(tǒng)用于大型紙機(jī)的干燥部替代常規(guī)熱泵供熱運行的實例。

可調(diào)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(wǎng)絡(luò)，使蒸汽熱能數(shù)量和品位都得到充分合理的利用。

書結(jié)合大量實例，介紹了熱泵節(jié)能技術(shù)。全書共6章，其中第1章是熱泵及應(yīng)用概論；第2章介紹了熱泵在干燥工藝中的節(jié)能應(yīng)用；第3章介紹了熱泵在蒸發(fā)工藝中的節(jié)能應(yīng)用；第4章介紹了熱泵在蒸餾工藝中的節(jié)能應(yīng)用；第5章介紹了熱泵在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用；第6章介紹了熱泵在建筑節(jié)能中的應(yīng)用。本書技術(shù)先進(jìn)、取材新穎、數(shù)據(jù)翔實、實用性強。

本書可供熱泵設(shè)計、制造、使用、維修工程技術(shù)人員，以及工科院校相關(guān)專業(yè)的師生借鑒使用。

我國寒冷地區(qū)冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計算溫度基本在-5至-15℃，最冷月平均室外相對濕度基本在45%-65%之間。在這些地區(qū)選用空氣源熱泵，其結(jié)霜現(xiàn)象不太嚴(yán)重。因此說，結(jié)霜問題不是這些地區(qū)冬季使用空氣源熱泵的最大障礙。但卻存在下列一些制約空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的問題。

（1）當(dāng)需要的熱量比較大的時候，空氣源熱泵的制熱量不足。

（2）空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可靠性差。

（3）在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵的能效比（EER）會急速下降。