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大连理工大学 硕士学位论文 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 姓名：张程 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：沈胜强 20040601 摘要 我国是能源消耗的大国，尽管我国的能源生产发展的很快，但仍未满足 国民经济发展的需要，因此节能仍然是我国目前能源政策的基点之一。造纸 业也是能源消耗的大户，每年造纸业都要消耗大量的蒸汽来于燥纸张。目前 我国纸机的千燥部大多采用的是多段式通汽供热干燥系统，该系统存在着纸 机干燥部各段烘缸的供汽量和供汽压力调节困难，烘缸中蒸汽冷凝水难以通 畅排出等缺点。 本文针对纸机干燥部传统供热系统在实际生产中所出现的问题，提出了 采用蒸汽喷射式热泵对纸机干燥部传统供热系统改造的两种改造方案一开放 式热泵供热系统和封闭式热泵供热系统。建立了纸机干燥部供汽量的计算模 型。依据模型，采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 编程对传统供热系统与热泵 供热系统的供汽量进行了计算比较。 本文还分析了采用多段通汽供热系统的纸机干燥部烘缸的分段排布对干 燥部供汽量和成纸质量的影响，提出了干燥部烘缸优化排布的目标方程以及 优化条件，并采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 编程对干燥部烘缸的分段排布 进行优化计算。 关键词：蒸汽喷射式热泵：纸页干燥；供热系统；烘缸 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sr a p i dd e v e l o p m e n to fe n e r g yh a sb e e nw i t n e s s e di n c h i n a o n eo ft h eu r g e n tis s u e sw ea r ec o n f r o n t e dw i t hiss a y i n ge n e r g y s od o e sp a p e rm a k i n gi n d u s t r yi nw h i c hag r e a tl o to fs t e a misc o n s u m e d t od r yt h ep a p e r a tp r e s e n tm u l t i s t a g es t e a m h e a ts u p p l y i n gs y s t e m isw i d e l yu s e dp a p e rm a k i n gi n d u s t r y t h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e si n r e g u l a t i n gt h e s t e a mw a s t a g ea n ds t e a mp r e s s u r e m o r es e r i o u s l y ，i n s o m e c a s e s ，t h ec o n d e n s a t e i n d r y e ro y l i n d e rc o u l dn o tb er e m o v e d s m o o t h l y f o rs o l v i n gp r o b l e m se x i s t e di nt r a d i t i o n a lh e a ts u p p l y i n gs y s t e m o fd r y e rs e c t i o n ，s t e a me j e c t o r sa r ei n s t a l l e di nt h es y s t e m t h i sp a p e r b r i n g s f o r w a r dt w or e c o n s t r u c t i r es c h e m e s ，o n ei s o p e n c y e l e a n d a n o t h e ri sc l o s e d c y c l e t h ec o m p u t i n gm o d e li ss e tu pt oc o m p u t et h e s t e a mp e r f o r m a n c eo fd r y e rs e c t i o n a n da c c o r d i n gt oi t ，t h es t e a m w a s t a g e o ft r a d i t i o n a lh e a t s u p p l y i n gs y s t e m a n dt h a to ft h e s y s t e m 。d r i v e nb ye j e c t o rh e a tp u m pi sc o m p a r e da n da n a l y z e du s i n gt h e p r o g r a mo fm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 a tt h es a m et i m et h ep a p e ra n a l y s e st h ed r y e rd i s t r i b u t i o ni nd r y e r s e c t i o no fm u l t i s t a g eh e a t i n gs y s t e ma n dr e l e v a n ti n f l u e n c ei nt h e s t e a mw a s t a g ea n dt h ef i n i s h e dp a p e rq u a l i t i e s t h eo p t i m i z e de q u a t i o n a n do p t i m i z e dc o n d i t i o na r ep r e s e n t e d t h eo p t i m i z a t i o no fd r y e r s d i s t r i b u t i o na r ef i n i s h e dw i t hm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0a n di t s i n f l u e n c eo ns t e a mc o n s u m p t i o na r ec o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls y s t e m k e yw o r d s ：s t e a me j e c t o rh e a tp u m p ：p a p e rd r y i n g ：h e a t i n gs y s t e m ：d r y e r 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 1 绪论 1 1 课题研究目的和意义 我国是能源消耗的大国，尽管我国能源生产的发展很快，但仍未满足国民 经济发展的需要，因此节能仍然是我国目前能源政策的基点之一。造纸业是 能源消耗的大户，每年都要消耗大量能源。纸机干燥部是造纸过程中主要耗 汽工艺之一，蒸汽在烘缸中放出潜热凝结成水，供给烘缸干燥纸页所需的热 量。目前，我国造纸工业的能耗占造纸成本的1 5 左右，随着能源价格的不 断上涨和能源的短缺，该比值呈上升趋势。采用节能新技术，减少单产能耗， 成为目前增强企业产品竞争力的有效途径。 多段通汽是目前纸机干燥部普遍采用的供热方式，以两段和三段通汽为 多。与单段通汽供热系统相比，它可有效的减少蒸汽消耗，降低造纸成本。 但是，目前纸机干燥部的多段通汽供热系统在实际生产运行中还存在如下一 些问题【2 】： ( 1 ) 烘缸积水。影响纸张的质量，加大了传动系统能耗，降低工作效率。 ( 2 ) 能源利用不充分，造成能源浪费。 ( 3 ) 不利于调节纸机干燥部各段烘缸的供汽压力和用汽量。 ( 4 ) 锅炉供热蒸汽通常具有较大的过热度，其压力比纸机烘缸需要的压力 高，而冷凝闪蒸罐蒸汽达不到工艺要求，常常被放空于环境或没有得到充分 利用。 这些问题的存在，影响了多段通汽供热系统的运行效果，使得该系统的 先进性没有充分发挥，甚至对造纸工艺产生不良效果，与系统设置的初衷相 违。因此，开发新的供热系统替代传统供热传统很有必要。 蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机，它利用工作蒸汽减 压前后的能量差为动力，提高冷凝水二次蒸发汽或废热蒸汽的品位再供生产 使用。将蒸汽喷射式热泵引入到纸机干燥部多段通汽供热系统中，利用热泵 替代阀门节流减压向纸机各段烘缸提供所需品位和数量的蒸汽。采用该种方 法改进过的通汽系统彻底解决了原系统中存在着的诸如：纸机干燥部各段烘 缸的供汽量和供汽压力调节困难，烘缸中蒸汽冷凝水难以通畅排出，烘缸的 传热强度降低，排放出的冷凝水中所夹带的废热蒸汽污染环境等问题。采用 喷射式热泵，可提高了蒸汽的利用效率，节约了大量的能源和资金，改善了 纸张的质量。 由于蒸汽喷射式热泵供热系统较之传统供热系统所具有的明显优势，越 来越多的造纸企业利用蒸汽喷射式热泵供热系统替代目前造纸企业普遍采用 的单段、二段、三段等多段通汽供热系统来干燥纸页。随着蒸汽喷射式热泵 被广泛地应用于纸机干燥部供热系统中，蒸汽喷射式热泵供热系统的节能效 果成为了人们关注的焦点对其的研究己成为目前纸机节能研究的主要研究 方向之一。本文正是通过计算比较，分析热泵供热系统的节能效果。 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 1 2 国内外研究的发展与现状 1 2 1 喷射泵的研究 喷射泵是一种用高压流体吸收低压流体的装置，因其结构简单，运行可 靠而得到广泛应用。工作流体在收放喷嘴中加速形成高速喷射流，在吸收室 里形成低压，引射流体进入喷射器的吸收室后在工作流体的作用下加速，两 股流体在混合室里逐渐形成单一均匀的混合流体，经过扩压管减速压缩达到 一定的背压。根据流体的相位不同，通常可将喷射泵分为三类【3 】： ( 1 ) 水一水喷射泵，工作流体和引射流体均为水。 ( 2 ) 气一水喷射泵，工作流体为气体，引射流体为水。 ( 3 ) 气一气喷射泵，工作流体和引射流体均为气体，蒸汽喷射器是其中一 种，在某些场合应用又称蒸汽喷射式热泵。它能简单地解决提离废汽压力的 问题，是一种重要的节能装置，亦可用于凝结水回收中二次蒸汽的利用，因 而在机械、冶金、化工、石油等许多工业部门得到广泛的应用。 对于喷射泵的计算理论繁多，其中最为常用的是定压混合理论和定常面 积混合理论。定压混合理论假设工作流体与引射流体的混合过程是在压力不 变的情况下进行的【4 】。自从1 9 3 9 年德国的f l u g e l 5 l 制造出第一台公认的喷射 器以来，喷射器得到了广泛的应用，最初所有设计都是以实验结果为依据， k e e n a n 和e l r o d m 等人最先对喷射器作了比较全面的研究，认为喷射器的混合 过程是一种近似等压过程，第一次对喷射器给出了完整的理论分析和实验研 究，形成了喷射器的一维基本理论。所谓定常面积混合理论是指工作流体和 引射流体的混合过程是在截面积不变的情况下完成的，k e e n a n 等人在研究定 压混合理论的同时也研究了定常面积混合过程，它们的研究表明：利用定压 混合理论设计的喷射器具有较好的工作特性，正因为如此，定常面积混合理 论的研究在一段时间内处于停滞状态。f a b r i 和s i e s t r u n c k 7 1 的研究发现，一 般的喷射器在定常面积混合时，喷射器里流体的流动有时与背压无关，而有 时与背压有关。f a b r i 和s i e s t r u n c k 把混合过程与背压有关的区域叫混合区 域，而把混合过程与背压无关的区域叫超音速区域。为了更好地认识其机理， a d d y 和d u t t o n 8 1 在三维图上把它们表示出来，喷射器的运行工况由状态面上 的一点来决定。因而有了工作流体和引射流体的进口压力比和背压与引射流 体的压力比，就可以得到喷射系数。 一维定压混合理论和定常面积混合理论都是把喷射器里的流动看成一维 稳定的理想气体的无粘流动，并且不计壁面的摩擦影响，也不考虑热量损失。 尽管有不少学者对此加以改进使它更加接近于实际，但出发点都一样。两理 论不同之处在于前者认定混合过程是在等压下完成的，后者认为混合过程是 在截面积不变下完成的，这都是一种理想的情况。正是这关键的条件不同， 在对能量、动量和质量连续性三个守恒方程求解时，求得混合后气体的马赫 数、温度和压力的表现形式不同。实际设计中利用定压混合理论所设计的 喷射器被证明具有较好的工作性能。定常面积混合理论分析方法尽管很少应 用，但已被证明是设计定常面积混合喷射器的较为有效的方法。 蒸汽喷射，热泵在纸机干燥鄱的应用与分析 1 22 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部供热节能的研究 蒸汽喷射式热泵是一种高效的节能设备，在国外发达国家已经将其广泛 地应用于纸机干燥部供热系统中，我国在这方面的研究和应用才刚刚起步。 虽然我国在这方面的研究和应用起步晚，但发展很快。前人在这方面已经作 了大量的研究，积累了很多经验。 西安交通大学的费继友等人，针对美利纸业股份集团公司24 造纸机的特 点，提出了在24 纸机干燥部利用蒸汽喷射式热泵改造原有的三段通汽供热系 统，用热泵供热代替传统供热。并专门研制了三级闭式闪蒸热泵供热系统。 改造后系统的吨纸汽耗比改造前降低了2 6 2 ，系统节能效果明显，解决了烘 缸积存冷凝水这一国内外纸机技术改造的难点问题，改善了纸机烘缸温度曲 线，在实际应用中取得显著效果【9 】。 国家环境保护局南京环境科学研究所，针对齐齐哈尔造纸厂5 纸机传统 的二段通汽供热系统在运行生产中出现的诸多问题，提出了在5 。纸机干燥部 利用蒸汽喷射式热泵改造原有的二段通汽供热系统，用热泵供热代替传统供 热，并专门研制了两次闪蒸双级闭式热泵供热系统。在改造前因纸机烘缸排 水不畅等不利因素，吨纸平均汽耗4 0 2 t ，电耗平均5 3 7 8 4 k w h ，月平均产量 5 0 8 7 t 。改造后吨纸平均汽耗2 5 6 t ，电耗5 0 0 2 6 k w h ，月平均产量5 5 9 7 t 。单 位产品产量平均汽耗下降了3 4 0 7 ，平均电耗下降了6 9 8 。由于改造应用 热泵供热系统，使纸机烘缸连续排水畅通，解决了烘缸表面传熟强度低，纸 机系统晃动等不利因素，纸机达到稳定、高产。改造月均产量比改造前增加 了9 1 t 1 ” i q 。 大连理工大学的沈胜强等人，针对俄罗斯谢林金纸板厂4 2 0 0 1 8 0 纸机三 段通汽供热系统在运行生产中出现的诸多问题，提出了在纸机干燥部利用蒸 汽喷射式热泵改造原有的三段通汽供热系统，用热泵供热代替传统供热，并 专门研制了适用于该纸机的三级开放式热泵供热系统改造后系统的吨纸汽 耗比改造前降低了2 5 ，节能效果明显。各段压差即汽一水流动推动力分别提 高了8 3 3 、5 0 和6 0 ，使烘缸冷凝水通畅排出，解决了烘缸积存冷凝水 这一国内外纸机技术改造的难点问题。改善了纸机烘缸温度曲线，在实际应 用中取得显著效果【l m 。 大连理工大学的沈胜强等人，针对开原纸浆造纸有限责任公司6 。纸机二 段通汽供热系统在运行生产中出现的诸多问题，提出了在纸机干燥部利用蒸 汽喷射式热泵改造原有的二段通汽供热系统，用热泵供热代替传统供热，并 专门研制了适用于该纸机的二级开放式热泵供热系统，用热泵供热代替传统 供热。改造后系统的吨纸汽耗比改造前降低了2 3 ，备段压差即汽一水流动推 动力分别提高了6 6 7 和5 5 ，使烘缸冷凝水通畅排出，解决了烘缸积存冷 凝水这一国内外纸机技术改造的难点问题。改善了纸机烘缸温度曲线，在实 际应用中取得显著效果i | ”。 在实际生产中，不同生产条件下，纸机干燥部所采用的热泵供热系统也 是不同的。但就其热压缩器后蒸汽的走向来说可以分成两类，即开放式热泵 供热系统和封闭式热泵供热系统。 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 无论是开放式热泵供热系统还是封闭式热泵供热系统都有如下的特点： ( 1 ) 向各段烘缸提供所需品位和数量的蒸汽，利用蒸汽减压前后的能量差 使其工作蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸汽提高能级后再供生产使用。 ( 2 ) 在闪蒸罐中，将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后供给纸机烘缸使 用，同时降低了闪蒸罐的工作压力，增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差，有 利于蒸汽冷凝水通畅排出。 ( 3 ) 冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利用。在热泵供汽系统中，各段 纸机烘缸排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸，依次产生不同品位的二次蒸汽， 蒸汽冷凝水降低温度后，再排出冷凝水罐。 热泵供热系统是一项节约能源，改善环境，稳定生产，提高产品产量、 质量的新型适用技术。系统无需动力源，没有活动部件，工作性能可靠，操 作简单，管理方便。系统基本不需维修，投资见效快，可以安全稳定运行。 它被造纸行业广泛应用，利用热泵供热系统替代过去传统供热系统是造纸行 业纸页干燥供热系统的一项较大的技术突破。 1 3 论文主要研究内容 使用蒸汽喷射式热泵改造纸机干燥部供热系统是目前国内对纸机干燥部 供热系统改造常用的方法之一，但关于这项技术的理论研究做得不多。本文 从热力学和传热传质学理论出发，对纸机干燥部的传统供热系统与采用热泵 后的系统建立理论模型，分析热泵系统的节能效果，并对系统配置迸彳亍优化。 在保证纸机正常工作的情况下，将其能耗( 蒸汽消耗量) 降为最低。 文章主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了纸机干燥部供热系统的工艺流程和纸页干燥的过程及原理，建 立了纸机干燥部热力系统的计算模型。 ( 2 ) 依据纸机干燥部热力系统的计算模型，使用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 编制软件，计算纸机干燥部供热系统的供汽量。 ( 3 ) 并通过举例计算，对热泵供热系统的节能效果进行分析。 ( 4 ) 依据纸机干燥部热力系统的计算模型，使用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 编制软件，对纸机干燥部烘缸的分段排布进行优化设计计算。烘缸是对纸加 热和干燥的基本部件，纸机的干燥部是由多个烘缸构成的，若干个烘缸又构 成一段，完成特定的工作。因而在工作环境不变的情况下，烘缸的分段排布 对系统的能耗起了关键性的作用。 ( 5 ) 建立了蒸汽喷射式热泵最大喷射系数的计算模型。依据该模型，使用 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 编制软件，计算蒸汽喷射式热泵最大喷射系数。蒸汽 喷射式热泵的工作性能与参数、结构尺寸密切相，一个性能优良的喷射式热 泵必须根据给定工作环境和参数进行结构设计。随着引入喷射泵的系统不同， 喷射泵都要重新进行设计，以满足不同系统的工作要求。 ( 6 1 利用软件工程理论结合m i c r o s o f tv i s u a lc + + 集成开发环境对以上软件 进行功能分析，窗体设计，算法设计及存储设计，完成编码工作。 4 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 2 纸机干燥部热力系统的计算模型 2 1 纸机干燥部传统供热系统 目前，国内纸机的干燥部普遍采用单段、二段以及多段通汽方式的常规 供热干燥系统。 2 1 1 单段通汽供热系统 单段通汽供热系统是指纸机干燥部全部耗新蒸汽的热力系统( 见图2 1 ) 。 在每段或每只烘缸前采用阀门来调节进入烘缸的蒸汽压力和蒸汽量。每一个 烘缸的冷凝水排出管都连有一个疏水阀，因此进入烘缸的蒸汽，直至散失热 量变为冷凝水后才能排出。 单段通汽的优点是结构简单，但是存在的问题较多： 1 由于阻水排汽阀的数目很多，管理和维修很不方便。 2 当阻水排汽阀发生故障时，将会引起蒸汽的损失或是冷凝水充满整个 烘缸，大大降低了烘缸的蒸发能力。 图2 - 1 单段通汽供热干燥系统图 f i g u r e2 - 1t r a d i t i o n a lo n e s t a g es t e a ms y s t e mo f d r y e r s e c t i o n 段 氍 篙 却 州 2 1 2 多段通汽供热系统 多段通汽供热系统的特点是把多烘缸干燥部的烘缸分成几段，电厂来的 新蒸汽一般只通入第一段烘缸，第二段烘缸则利用第一段烘缸的乏汽，以及 第一段烘缸的蒸汽冷凝水减压再沸腾所产生的二次蒸汽联合供汽，因此第二 段的烘缸温度低于第一段。同样，第三段则利用第二段的乏汽，以此类推。 在二段以后每段均设有补汽管，当蒸汽供量不足时补入新蒸汽，以满足干燥 纸张的需要。 图2 2 是三段通汽供热干燥系统的示意图。来自电厂的新蒸汽直接通入第 一段烘缸和毯缸，没有冷凝的蒸汽连同冷凝水一起进入汽水分离器2 ( 闪蒸 罐) ，分离出来的冷凝水用泵送至闪蒸罐3 ，而原来未冷凝的蒸汽和汽水分离 器2 中的一段蒸汽冷凝水减压荐沸腾所产生的二次蒸汽则引入第二段烘缸作 为加热干燥纸张之用。第二段未用的蒸汽和汽水分离器3 中的二段蒸汽冷凝 水减压再沸腾所产生的二次蒸汽则引入第三段作为加热干燥纸张之用。 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用0 分析 图2 2 三段通汽供热干燥系统图 卜分汽缸2 ，3 一汽水分离器4 一冷凝水罐5 一冷凝水泵 f i g u r e2 - 2t r a d i t i o n a lt h r e e s t a g es t e a ms y s t e mo f d r y e rs e c t i o n 多段通汽供热系统较之单段通汽供热系统有以下优点】： ( 1 ) 由于各段的温度不一致，而且可以调节，所以可以按生产工艺需求， 建立比单段通汽供热系统更为合理的烘缸温度曲线。 ( 2 ) 利用了乏汽和冷凝水的热量，有利于节约能源。 正是因为多段通汽供热系统有着上面这些优点，医丽这种供热系统在纸 机干燥部得到了广泛的应用。但是，目前纸机干燥部的多段通汽供热系统在 实际运行中还存在一些问题。这些问题的存在，影响了多段通汽系统的运行 效果，使得该系统的先进性没有充分发挥，甚至对造纸工艺产生不良效果， 与系统设置的初衷相违】 ( 1 ) 无法单独调节纸机各段烘缸的温度，不利于建立适合各种纸张要求的 最佳烘缸温度曲线。低温段烘缸利用高温段烘缸排出的凝结水经汽水分离产 生的二次蒸汽为热源，不利于单独调节各段烘缸所需的蒸汽压力和流量。 ( 2 ) 烘缸中的凝结水难以畅通排出，烘缸内积水造成表面传热强度下降。 在多段串联供热系统中，汽水分离器经常工作不正常，使烘缸内积水过多， 水膜过厚，蒸汽对烘缸的传热恶化。烘缸内积水过多还会使纸机传动电机负 荷增大。转速受限，而影响纸的产量和质量。 ( 3 ) 浪费能源，污染环境。为了排出烘缸中积留的蒸汽冷凝水，只好人为 地提高进入烘缸的蒸汽压力，用蒸汽吹出烘缸内的蒸汽凝结水，从而破坏了 烘缸各段的用汽平衡，使热力系统循环恶化，热力系统排出的蒸汽凝结水中 含有大量的蒸汽。 ( 4 ) 不利于安全生产。在烘缸出现积水严重的情况下，还会出现纸机架震 动。蒸汽凝结水从烘缸中空轴漏出，破坏了轴承润滑油系统的正常工作，使 轴承温度升高，甚至引起纸毛起火。 单段通汽供热系统的干燥能力比较小，一般用于低速窄纸机( 产量3 0 4 0 t d 以下) ，生产能力大的纸机一般采用多段通汽，目前我国纸机的干燥部 大多采用的是多段式通汽供热干燥系统。 6 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 2 2 纸机干燥部热泵供热系统 为解决纸机干燥部传统供热系统所存在的问题，国内外在这方面作了很 多的研究，提出了很多方法。如气热式陶瓷红外干燥法，在传统供热系统中 加入水喷射冷凝器，在传统供热系统中加入蒸汽喷射式热泵等多种方法。其 中在传统供热系统中加入蒸汽喷射式热泵的方法以其改造成本低，更容易控 制，维修方便，节能效果好等优点成为了改造方法的首选。 2 2 1 蒸汽喷射式热泵 一、蒸汽喷射式热泵的工作原理 喷射器是一种高效的节能设备( 见图2 3 ) ，其关键在于它利用较高品位 蒸汽的能量为动力将无法利用的低品位的能量提高品位后，一并供给热用户 使用。在喷射式热泵内部不同压力的两股流体相互混合，并发生能量交换， 以形成一股压力居中的混合流体m 。 图2 3 喷射器原理图 1 喷嘴2 接收室3 混合室4 扩压器 f i g u r e2 - 3s t e a m - d r i v e ne j e c t o r 在进入喷射器之前，压力较高的那种介质被称为工作介质。工作介质流 被称为工作流体。工作流体通过喷嘴，流体的势能或热能转化为动能，工作 流体的速度增大。工作流体以很高的速度从喷嘴中喷出，进入喷射器的接受 室，并把在喷射器前的压力较低的介质吸走，被吸走的流体称为引射流体。 在混合室中，工作流体和引射流体两股共轴流体进行速度均衡和压力提高。 在扩压器中混合流体的动能又转化为势能，其压力提高到热力设备所需的压 力后进入热力系统。 提高流体的压力而不直接消耗机械能是喷射器的根本特点，由于其具有 这种特点，所以采用它比采用机械增压设备( 压缩机、泵、鼓风机和引风机 等) 简单而可靠。除了本身结构简单之外，喷射器与各种设各连接的系统也 比较简单，制造也不复杂。因此，目前国内外在动力、石油化工、冶金、轻 工纺织、建筑、制冷、工业热工以及农业等技术领域，喷射器得到了愈来愈 广泛的应用t 1 7 。 蒸汽喷射式热泉在纸机干燥部的应用与分析 二、蒸汽喷射式热泵最大喷射系数的计算模型 喷射系数是喷射器工作的主要指标之- - ”】。它的计算式如式( 2 - 1 ) ： “= g g p( 2 - 1 ) 式中：“为喷射系数： g 。为引射流体流量，k g s ： g ，为工作流体流量，k g s ； 最大喷射系数即为，在工作流体、引射流体的压力、温度确定，出口流 体压力确定的情况下，所有可能的喷射系数中的最大值。喷射系数的大小直 接影响着喷射泵的节能效果。一般来说，喷射系数越大节能效果越好9 】。 我们可以根据对喷射器内的热力过程的计算求出最大喷射系数，喷射器 的热力过程的焓一熵图由图( 2 - 4 ) 所示： d 图2 - 4 喷射器的热力过程的焓一熵图 f i g u r e2 - 4e n t h a l p y e n t r o p y o f s t e a m d r i v e nj e tp u m pp r o c e s s i n g 为了简化计算，我们假设工作流体和引射流体在进入混合室前，在喷嘴 的出口截面与圆柱形混合室的入口截面之间那一段不相混合。建立流体在圆 柱形混合室中的动量方程，如式( 2 - 2 ) 所示： 妒：。( + 。) 一( 1 + “) 。：掣。工 u o 式中： y ：为混合室入口的速度系数。 畋为混合室入口截面上工作流体的速度，m s i “为喷射系数： 为混合室入口截面上7 1 射流体的速度，m s ： 为混合室出口混合流体的速度，m s 只为在混合室出口混合流体的静压，n m 2 ( 2 - 2 ) 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用畸分析 r 为工作流体在混合时入口的静压力，n m 2 为混合室横截面的面积，m 2 ； 把因子：引入到方程左边的第一项中，是考虑到混合室中因摩擦而引起 的动量损失a 根据所取的条件厶i2 ，p ：( 厂p l 为喷嘴出口的截面积，厶：工作流 体在混合室入口截面所占的面积) 和。= ( i 为喷嘴出口截面上工作流体 的速度) ，在喷射器的计算工况下，p = 晶= p p ，( 易为引射流体的压力，p p 。为 工作流体在喷嘴出口的静压力) 【2 0 】。 由流体的连续性方程可求出 ，如式( 2 3 ) 厶= 芈 ( 2 3 ) 式中： v 3 混合室出口流体的比容，m 3 堙； 将( 2 - 3 ) 带入( 2 - 2 ) 可得： 。：挈晏罢嘤芒娑型雩( 2 - 4 ) ( 1 + ( b 一只) v ，降7 ) 一妒： 蒸汽在喷管、接受室、扩压器内的各个过程均可视为绝热过程，根据热 力学原理，流体的速度可以用压力比来表示1 。下面分别计算、职、的 值： 混合室入口截面上工作流体的速度( 暇) 的计算如式( 2 5 ) 所示： = 。= p 。口，( 最耳) ( 2 - 5 ) 式中： 。为工作流体的绝热速度，m s ； d 。为工作流体的临界速度，m s ； 帆为喷嘴出口的速度系数： 式中的函数毋可由式( 2 6 ) 来确定： 咿雁k + i 带p - - 式中：k 为绝热指数： 混合室出口混合流体的速度( ) 的计算如式( 2 7 ) 所示 ( 2 6 ) 蒸汽喷刺武热泵在纸机干燥都的应用与分析 生妒( 拿) 式中： 。为混合流体的绝热速度，m s 为扩压器的速度系数： d c 为混合流体的临界速度，m s ； 式中的函数可由式( 2 8 ) 来确定 混合室入口截面上引射流体的速度( 矾) 的计算如式( 2 - 9 ) 所示 w 4 = y 4 x 肾纠州印 式中： 。为引射流体的绝热速度，m s 妒。为混合室入口段的速度系数； 为引射流体的绝热速度，m s 式中的函数可由式( 2 一l o ) 确定 妒c 矿p l1f帮k+i 式( 2 5 ) ，( 2 7 ) ，( 2 - 9 ) 中的三个临界速度的计算如下： 工作流体的临界速度的计算如( 2 - 1 1 ) 所示： = z 斋x 乒可 式中： v 。比容，m 3 堙： 混合流体的临界速度的计算如( 2 “ 1 2 ) 所示： 铲k ；厄 式中： v 。比容，m 3 培； g i 射流体的临界速度的计算如( 2 - 1 3 ) 所示： 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 蒸汽喷刺式热聚在纸机干燥部的应用与分析 ( 2 一1 3 ) 式中： 比容，m 3 k g ； 在混合室终点处流体的比容可以用其在扩压室始点和终点出的参数来表 示如式( 2 - 1 4 ) 所示： 铲c 爷 ( 2 - 1 4 ) 将式( 2 - 5 ) 一( 2 - 1 4 ) 代入( 2 4 ) 得出了喷射系数的计算公式，如式( 2 - 1 5 ) 所示： 郧v 孵- k 3 xa c 滑 式中： 式中： c 。= c 2 = c 3 = k ，工作流体的速度系数由式( 2 1 6 ) 所示： k 1 = y 1 妒2 矿3 足：引射流体的速度系数由式( 2 1 7 ) 所示： k 2 = 妒2 。妒3x 妒4 k 3 可由式( 2 1 8 ) 表示： k 3 = c l + c 2 c 3 c ，、c ：、c ，可分别由式( 2 1 9 ) ，( 2 2 0 ) ，( 2 2 1 ) 表示： jk ig 一1 f ( p c p l ) 一( p 3 r ) 1 ( p c 丘) 下k - i 一1 。( k 一1 ) 墨! 墨二! 厂万丁万丁 、( p c 只) 下一( p 3 r ) 了 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 仕恢竹订舁1 t , 3 ，风l z 1 3 ，木刘裂刀k 3 利te 嗣世呆i 吒值，k3 删僵 越小，喷射系数“的值就越大。由式( 2 - 1 8 ) ，( 2 - 1 9 ) ，( 2 - 2 0 ) ，( 2 - 2 1 ) 可知，对 应每个只值，根据筹- o jk 3 的值最小噜和鲁间的关系为式( 2 - 2 2 ) 所示： 鲁：( 型k 甍景k 兰糌1i ) 嵩鲁 (222)hp 、 y ；一( 一) 一只 。 e 显然，为了求得最佳的髟值，必须在l 量i 备) “1 范围内，假定系 p，三 列的只值，求出墨的值。在将墨的值代入式( 2 1 8 ) 中，利用比较法求出最 大的喷射系数“值，此时的只值为设计的最佳值 2 “。 在喷射器中流体会因互相撞击以及流体和管壁间的摩擦产生能量的损 失。撞击发生在混合室，其大小主要决定手工作流体与弓i 射流体在混合室入 口的速度差。摩擦损失主要发生在混合室和扩压器，其大小决定于流体的流 速。如果只减小，由式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 9 ) 可知，工作流体和引射流体的速 度均增大。只值的变化对工作流体的速度影响不如引射流体显著，因此将使 进入混合室入口流体间的差值减小，即减小了撞击时的能量损失，但同时流 速增大却增大了摩擦损失。为了使热泵的效率最高，必须找出最佳的只值， 相应地使喷射器中撞击能量损失与摩擦能量损失的和为最小【2 3 l 2 4 】【2 “。 三、对以上计算模型的验证 以某喷射泵为例【2 6 】，工作流体和引射流体( 均为蒸汽) 的参数如下： ( 1 ) 工作流体：工作流体的压力为0 5 m p a ，温度为2 2 0 。 ( 2 ) 引射流体：引射流体为压力0 2 m p a 的饱和蒸汽。 ( 3 ) 出口流钵：出口流体的压力为0 3 m p a 。 采用m i c r o s o f tv c + + 依据前面的计算模型，编程计算在该工况下喷射器 的最大喷射系数。计算时y ；，：，矿。的值分别为0 9 5 ，0 9 7 5 , 0 9 ，0 9 2 5 ， 程序计算最大喷射系数值为0 5 6 9 9 。该喷射泵的实际最大喷射系数值为o 5 8 。 可见两者的差距很小，误差仅为1 8 ，验证了以上计算方法的有效性。 蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部的应用与分析 四、喷射器实际喷射系数的计算 我们在计算干燥部热泵供热系统的供汽量时需要喷射器出口蒸汽的焓值 作为计算参数，喷射器出口流体的焓值可由式( 2 2 3 ) 得出： h ：! ：! ! 型( 2 2 3 ) 。 l + “ 式中：a 为喷射泵出口流体的焓值，k j k g ； h 。为工作流体的焓值，k j k g h 。为引射流体的焓值，k j k g 在现在的情况下，群无法求出。在计算中我们先假设赶为对应喷射泵出口 蒸汽压力下饱和蒸汽的焓值，由式( 2 2 3 ) 得到喷射系数“，在根据第二章的计 算模型可以得出喷射式熟泵工作蒸汽量g ，以及闪蒸罐地闪蒸蒸汽量g 。然后 由式( 2 - 1 ) 计算出实际喷射系数“。比较“和。的值，如果“和“。值的差距在 允许的范围内，且小于等于前面得出的最大喷射系数，我们就认为“为喷射式 热泵的喷射系数。如果两者的差距比较大，则重复前几步，直到得出满意的 值为止。如果“的值大于最大喷射系数，则必须调整闪蒸罐压力、工作蒸汽压 力或各段烘缸布置，直到满足以上要求为止。 2 2 2 纸机干燥部的热泵供热系统 一、对干燥部传统供热系统所存在问题的分析 我国纸机干燥部的传统供热系统大多采用多段通汽，这种供热系统的一 个最广泛存在的问题就是烘缸内排水不畅【2 7 】。蒸汽在烘缸内放出潜热后凝结 成水，凝结水必须及时排出烘缸，否则将使传热效率降低，影响纸页干燥， 增大烘缸运转电负荷，并影响到纸机运行的安全性，带来一些其它负效应。 一些烘缸积水严重的纸机，多段通汽系统所具有的节能效益也完全丧失。 烘缸内凝结水排出不畅，除了设备本身的问题外，其主要原因就在于系 统流动阻力过大，这是多段通汽系统所带来的。以常用的三段通汽干燥系统 为例( 见图2 5 ) ，其思想是一段蒸汽的凝结水进入闪蒸罐l ，因压力降低产生 闪蒸汽供二段使用，二段的凝结水进入闪蒸罐2 ，产生的闪蒸汽供三段使用， 以充分利用闪蒸汽，达到节约蒸汽的目的。但是，由于压差不大，前段的闪 蒸汽量远远不能满足后段干燥的需要，因此二段、三段一般都设有补汽管， 新蒸汽通过补汽管进入二段、三段蒸汽母管，补充各段干燥用汽量的不足f 2 s 】。 实际上，由于凝结水管路上没有安装疏水器，运行中汽、水同时进入闪蒸罐， 因此造成实际运行的纸机一段进汽量大、补汽量很少。各段蒸汽流量的增加， 凝结水管路内汽水两相流动以及汽水混合物进入闪蒸罐，都产生较大流动阻 力。受烘缸承受压力和干燥温度限制，进入一段的蒸汽压力一般不超过 蒸汽喷射文热泵在纸机干燥部的应用与分析 0 3 m p a 而末段凝结水压力或处于常压，或处于微负压( 当末段后有真空泵 时) ，系统总压差在0 2 - 0 3 m p az 2 9 1 之间。在纸机高负荷运行时，每段前后的压 差就难以抵消汽水两相的流动阻力，形成烘缸内积水。从问题形成的原因分 析，解决的最佳途径是增大汽、水流动推动力，减少流动阻力。 目前多段通汽系统节能效果不理想的原因除缸内积水的影响外，由于每 段前后压差不大，闪蒸量小，使多段通汽系统的节能效果并不明显。为了使 得节能效果增强，就要最大限度地提高凝结水热能的利用率，即最大限度地 增加闪蒸蒸汽量。 【i 段朴茂i i 艘补汽 图2 5 干燥部三段通汽供热系统 f i g u r e2 - 5t h r e e - s t a g es t e a ms y s t e mo f d r y e r s e c t i o n 二、使用蒸汽喷射式热泵对传统多段通汽供热系统改造的方案 由以上的分析可知，造成烘缸积水、闪蒸蒸汽量小、节能效果不明显的 根本原因是每段前后的压差过小。使用蒸汽喷射式热泵对传统多段通汽供热 系统改造的主要目的是借助于喷射式热泵的作用增大每段前后的压差，以达 到增强排水能力，节约蒸汽消耗的目的。目前采用蒸汽喷射式热泵对纸机干 燥部供热系统的改造主要有以下两种形式，我们分别把它们称为开放式热泵 供热系统和封闭式热泵供热系统。 图2 - 6 带热泵的开放式三段通汽供热系统 f i g u r e 2 6t h r e e s t a g es t e a ms y s t e mw i t ho p e n - c y c l et h e r m o - c o m p r e s s o r 1 4 蒸汽喷射a 热泵在纸机干燥部的应用弓分忻 ( 1 ) 开放式热泵供热系统 图2 - 6 为带有喷射泵的开放式三段通汽供热系统，与图2 5 所示的干燥 部三段通汽系统的结构很相似，唯一不同的是，在l 、2 号闪蒸罐顶部多安装 了两个喷射泵，用喷射泵代替节流减压向二、三段烘缸供汽。电厂来的新蒸 汽直接进入一段烘缸，在烘缸中放热后，冷凝水流入闪蒸罐1 。一段烘缸的冷 凝水在闪蒸罐l 中减压，再沸，生成的二次蒸汽经喷射泵增压后与电厂新蒸 汽一并供二段烘缸使用，闪蒸罐1 中余下的冷凝水流入闪蒸罐2 。同样，二段 烘缸的蒸汽冷凝水进入闪蒸罐2 ，与从闪蒸罐l 流入闪蒸罐2 的冷凝水一道在 闪蒸罐2 中减压，再沸，生成的二次蒸汽经喷射泵2 增压后与电厂新蒸汽一 并供三段烘缸使用。 图2 7 带热泵的封闭式三段通汽供热系统 f i g u r e2 - 7t h r e e s t a g es t e a ms y s t e mw i t hc l o s e d - c y c l et h e r m o c o m p r e s s o r ( 2 ) 封闭式热泵供热系统 图2 7 为带喷射泵的封闭式三段通汽系统供热系统，其结构与图2 - 5 所 示的干燥部传统三段通汽系统的结构相差较大。我们可以看到，不仅在每个 闪蒸罐的顶部都安装了喷射泵，而且每个闪蒸罐和其对应段的烘缸之间多了 一条供汽回路。系统稳定之后，一段不再直接由来自电厂的新蒸汽供汽，而 是由一段烘缸排入闪蒸罐l 中的蒸汽冷凝水，在闪蒸罐1 中减压，再沸所生 成的二次蒸汽经喷射泵增压后与电厂蒸汽一道为一段烘缸供汽。闪蒸罐1 中 余下的蒸汽冷凝水流入闪蒸罐2 。同样，= 段烘缸的蒸汽冷凝水进入闪蒸罐2 ， 与从闪蒸罐l 流入闪蒸罐2 的冷凝水一道在闪蒸罐2 中减压，再沸，生成的 二次蒸汽经喷射泵增压后与电厂蒸汽一并供二段烘缸使用。闪蒸罐2 中余下 的蒸汽冷凝水流入闪蒸罐3 。以此类推，三段烘缸的蒸汽冷凝水进入闪蒸罐3 ， 与从闪蒸罐2 流入闪蒸罐3 的冷凝水一道在闪蒸罐3 中减压，再沸，生成的 二次蒸汽经喷射泵增压后与电厂蒸汽一并供三段烘缸使用。 无论是采用图2 6 结构的热泵供热系统，还是采用图2 7 结构的热泵供 热系统，它们都是利用蒸汽热泵代替节流减压向纸机各段烘缸通所需品位和 数量的蒸汽，利用蒸汽减压前后的能量差提高闪蒸罐闪蒸蒸汽的品位供生产 使用。应用蒸汽喷射式热泵，将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后供给纸 蒸汽喷射武热泵在纸机干燥部的应用与分析 机烘缸加热，同时降低了闪蒸罐的工作压力，增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的 压差，有利于蒸汽冷凝水通畅排出。冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利 用。在热泵供汽系统中，各段纸机烘缸排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸，依 次产生不同品位的二次蒸汽，蒸汽冷凝水降低温度后，再排出冷凝水罐。 2 2 3 湿纸页在纸机干燥部的干燥过程原理 湿纸幅在纸机干燥部烘缸上的干燥原理就是利用进入烘缸内的蒸汽冷 凝，放出热量，通过烘缸壁传给贴在烘缸表面上的湿纸幅，把湿纸幅加热使 其中的水分受热蒸发，把纸幅烘干。 湿纸幅在纸机干燥部的干燥过程，是一个非常复杂的过程。它既有传热， 又有传质( 水分蒸发所表现的质量传递) ；既有纸页贴在烘缸表面上的接触干 燥，又有纸页自由行走的对流干燥 3 0 】。一个总的干燥过程中，既有交替的加 热过程，又有蒸发速度交替变化的过程。因此，目前对纸机干燥部的耗熟计 算常用简易的计算方法，根据一定经验，对干燥做一定的数字分析和计算， 对于整个干燥过程耗热做出精准的计算是十分困难的。 一、干燥过程分析 如前所述，在整个干燥过程中蒸发速率是个复杂变化的过程。因此，我 们对干燥过程的分析，只就平均干燥速率而言】。 湿纸幅由压榨部进入干燥部，由于这时湿纸幅的温度较低，因此首先是 纸页被烘缸加热升温，而此时的蒸发速率是很低的( 因为温度低) 。由于供热 量大于此时的低速蒸发所消耗的热量，故升温速度很快，随着温度的提高， 蒸发速率不断上升，此段被称为升温干燥阶段。当温度升到一定高度时，纸 页中水的蒸汽压力大大高于周围空气的蒸汽分压，传质动力因此增大( 水的 蒸发量增大) ，使蒸发率提高。但由于蒸发置加大，蒸发耗热也增高，因此将 出现传热和耗热的平衡状态。另外此时，纸页中传质的水分为游离水，其向 外扩散的速率高，足以满足蒸发量