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蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 蒸汽喷射式热泵的结构性能 及在纸机干燥部中的应用 摘要 影响造纸行业发展的三大关键性问题是造纸原料、环境污染和能源问题。其中，能 源与造纸工业关系极大，能源的供需矛盾长期存在，节能降耗已成为纸业界十分关注的 问题，是提高浆纸行业利润的重要途径之一。对于我国造纸工业，节能的任务十分迫切。 就制浆造纸各个环节的能耗而言，纸机干燥部一般是耗能最大的工段。我国传统的蒸汽 冷凝水系统存在许多弊端，急待改造；根据分析，应用热泵对我国造纸机干燥部传统的 蒸汽冷凝水系统改造，可以明显降低造纸机能耗。但是热泵在我国的应用和研究都比较 落后，热泵的设计没有成形的设计指导，传统流程需要改造，配套的控制方法也需要进 行研究，这些都是本文研究的动机所在。 热泵的研究方法可以采用理论研究和试验研究，但是这两种方法受到许多实际条件 的限制，使得热泵的研究进展缓慢。最近迅速发展的c f d 技术为热泵的研究开创了另一个 有效的途径。 本文首先对于热泵有关理论进行了较全面的研究分析和总结。然后，采用c f d 技术 对热泵进行分解仿真研究：先对热泵的重要组成部件喷嘴进行仿真研究；然后对热泵进 行仿真研究。研究的模型主要采用了分离式求解模式，采用二维双精度求解模型，湍流 模型为标准的k e p s i l o n 两方程模型计算，采用标准的壁面函数计算壁面参数，蒸汽按 理想气体定律计算密度的变化；据此计算的结果，本人从结构对性能的影响以及变工况 性能的变化两方面进行了较全面的分析。通过对大量的热泵模型进行仿真，得到了热泵 结构尺寸与性能的基本关系。其次，本文对热泵的应用系统进行了较全面的比较分析研 究。通过分析国内外主要的热泵应用系统优缺点提出了新组合的热泵应用热力系统流程， 并配套了控制算法。本文最后对控制系统的干扰问题进行了总结。 本研究的主要成果及主要贡献表现在三个方面：在对热泵理论分析总结的基础上， 提出了热泵的一种设计方法。通过对大量的热泵模型进行仿真，得到了热泵结构尺寸与 性能的基本关系。通过分析国内外主要的热泵应用系统优缺点提出了新组合的热泵应用 热力系统流程，并配套了控制方案。 关键词热泵结构与性能，c f d 数值模拟，烘缸蒸汽冷凝水系统，热泵应用， 干扰 陕西科技大学硕士学位论文 s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fs t e a me je c t o ra n d i t sa p p l i c a t i o nt od r y i n gs e c t i o no f p a p e rm a c h i n e a b s t r a c t t h et h r e ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to fp a p e r m a k i n gi n d u s t r ym o s ta r e p a p e r m a k i n gm a t e r i a l ，p o l l u t i o na n de n e r g ys o u r c e s i nt h e s ef a c t o r s ，e n e r g ys o u r c e sh a v e g r e a t l yi n f l u e n c ep a p e r m a k i n gi n d u s t r y t h ec o n f l i c to fs u p p l ya n dr e q u i r e m e n tw i l ll a s tf o ra l o n gp e r i o d e n e r g ys a v i n gh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n di t sa l li m p o r t a n tm e t h o d t oi m p r o v ep a p e r m a k i n gi n d u s t r y sp r o f i t t oo u rc o u n t r y , t a s ko fe n e r g ys a v i n gi ss e r i o u s l y e m e r g e n t a st ot h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni na l lc o n c r e t ep a p e r m a k i n gs e c t i o n ，d r y i n gs e c t i o ni s t h eo n ec o n s u m e dm o s te n e r g y d o m e s t i ct r a d i t i o n a ls t e a ma n dc o n d e n s a t ew a t e rs y s t e m sh a v e m a n yd i s a d v a n t a g e sa n dn e e dt ob er e b u i l t a c c o r d i n gt ot h i sp a p e r sa n a l y s i s ，i f w er e b u i l d t r a d i t i o n a ls t e a ma n dc o n d e n s a t ew a t e rs y s t e mw i t hs t e a me j e c t o r , w ec a l ls a v em u c hm o r e e n e r g ya n d i t se f f i c i e n c yi sr e m a r k a b l e b u tt h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fs t e a m e j e c t o ra r e l a g g e d t h e r ei s n ta n yd e s i g ng u i d a n c e ，t r a d i t i o n a ls t e a ma n dc o n d e n s a t ew a t e rs y s t e m sn e e d t 0b er e b u i l t ，a n dm a t c h e dc o n t r o lm e t h o d sa r en e e dt or e s e a r c ht o o t h ea p p l i c a t i o na n d r e s e a r c ho fs t e a me j e c t o ri nd r y i n gs e c t i o nh a sd r o pb e h i n di no u rc o u n t r y a l lt h e s ea r em y m o t i v a t i o n so fr e s e a r c h w ec a nr e s e a r c hi tu s i n gt h e o r e t i c a lm e t h o do rl a b o r a t o r i a lm e t h o d b u tt h et w om e t h o d s m a k el e s sp r o g r e s sd u et os o m ec o n f i n e dc o n d i t i o n n o w a d a y st h eq u i c kd e v e l o p m e n to fc f d t e c h n o l o g yg i v e s u san e wb e t t e rm e t h o dt or e s e a r c hs t e a me j e c t o ra n di t sa p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e d ，a n a l y z e da n ds u m m a r i z e ds t e a me j e c t o r st h e o r y s e c o n d l y , ir e s e a r c h e da n da n a l y z e ds t e a me j e c t o ri t s e l fd i s a s s e m b l yu s i n gc f dt e c h n i c a l ：t h ea n a l y s i s o fs t e a me j e c t o rg o e sf r o mn o z z l e - - i t si m p o r t a n tc o m p o n e n tt os t e a me j e c t o ri t s e l f a st ot h e m o d e lo fc f ds i m u l a t i o n ，ia d o p t e ds e g r e g a t e ds o l u t i o nm o d e l ，2 da n dd o u b l ep r e c i s i o n m o d e l ， s t a n d a r dk - c p s i l o nt w oe q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e la n du s e ds t a n d a r dn e a rw a l l f u n c t i o n sc a l c u l a t i n gn e a rw a l lp a r a m e t e r s iu s e di d e a lg a sl a wc a l c u l a t i n gs t e a m sd e n s i t y a n di t sa l t e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fm ys i m u l a t i o n ，ia n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h e i r s t r u c t u r et op e r f o r m a n c ea n da l t e r a b l ew o r kc o n d i t i o np e r f o r m a n c ea n dt h e nid r e ws o m eb a s i c c o n c l u s i o n s a tl a s t ，t h i sp a p e rd i dac o m p l e t ec o m p a r e ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs t e a me j e c t o r a p p l i c a t i o ns y s t e m s a f t e ra n a l y z e dm o s td o m e s t i ca n do v e r s e a sm a i n s t r e a ms t e a me j e c t o r i i 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 a p p l i c a t i o ns y s t e m so fp a p e rm a c h i n ed r y i n gs e c t i o na n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，i p u tf o r t han e w c o m b i n a t i o ns t e a me j e c t o rh e a tt r a n s f e ra p p l i c a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gs y s t e m f l o w s h e e ta n dm a t c h e dc o n t r o lm e t h o d s i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e ris u m m a r i z e dt h e d i s t u r b a n c ep r o b l e mo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so rr e s u l t so ft h i sp a p e rl i ei nt h ef o l l o w i n gt h r e ef a c e t s f i r s t l y , a f t e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs t e a me j e c t o r st h e o r y , ib r i n gf o r t ham e t h o do fs t e a me j e c t o r d e s i g n s e c o n d l y , if o u n ds o m eu s e f u lb a s i cr e l a t i o n sb e t w e e ns t e a me j e c t o r ss t r u c t u r e d i m e n s i o na n di t sp e r f o r m a n c ea f t e rs i m u l a t i o no fal a r g en u m b e ro fd i f f e r e n tm o d e l s a tl a s t ， a f t e ra n a l y z e dm o s td o m e s t i ca n do v e r s e a sm a i n s t r e a ms t e a me j e c t o ra p p l i c a t i o ns y s t e i n - o f p a p e rm a c h i n ed r y i n gs e c t i o na n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，ip u tf o r t h an e w c o m b i n a t i o ns t e a m 自e c t o rh e a tt r a n s f e ra p p l i c a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gs y s t e mf l o w s h e e ta n d m a t c h e dc o n t r 0 1m e t h o d s k e yw o r d s ：s t e a me j e c t o r ，s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e ， c f dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s t e a ma n dc o n d e n s a t ew a t e rs y s t e mo fd r y i n gs e c t i o n ，s t e a m e je c t o r sa p p l i c a t i o n ，d i s t u r b a n c e i i i 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：匹匿亟 日 期： 2 q q 墨生月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蔓童玉导师签名： 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 l 绪论 1 1 研究的动机 1 1 1 造纸工业的地位 造纸工业是一个与国民经济发展和社会文明建设息息相关的重要产业，被国际上公 认为“永不衰竭”的朝阳工业。在美国、加拿大、日本、芬兰、瑞典等经济发达国家， 造纸工业已成为其国民经济十大支柱制造业之一，纸及纸板消费量增长速度与其国内生 产总值增长速度同步。当今，世界各国已将纸及纸板的生产和消费水平作为衡量一个国 家现代化水平和文明程度的重要标志之一。现代造纸工业的特点不同于一般日用消费品 工业，它是一个集技术、资金、资源、能源、规模效益于一体的连续型高效生产的基础 原料工业口1 。 1 1 2 我国的能源概况 据统计，我国能源人均拥有量不足世界平均水平的1 2 ，天然气资源仅为世界人均的 6 ，但单位产值能耗却是世界平均水平的3 倍，是美国的4 3 倍，德、法的8 倍，日本、瑞? 士的1 l 倍。我国能源系数总效率仅约1 0 ，不及发达国家的1 2 ，9 0 的能源在加工转换、 储运和终端利用过程中损失和浪费了。能源低效率利用造成我国每年浪费资源占g d p 的 5 ，再加上“电荒”耽误企业正常生产，造成的损失占我国g d p 的1 0 。另一万面，低能。 源使用效率还加剧了我国生态环境的污染，全世界约8 5 的二氧化碳新增排放量来自中 国，我国环境污染指数超过世界平均值的2 倍。据世界有关组织公布，世界污染最严重的一 前2 0 名城市中，中国已由2 0 0 2 年的1 3 个增至2 0 0 3 年的1 6 个。污染每年给中国带来的直接” 经济损失是全国g d p 的3 。因此，节能降耗是保障我国能源安全和实现可持续发展的必然 选择，随着我国国民经济的高速发展，不仅对能源的需求量愈来愈大，而且对能源质量 的要求也愈来愈高。 1 1 3 造纸工业的节能 影响造纸行业发展的三大关键性问题是造纸原料、环境污染和能源问题。其中，能 源与造纸工业关系极大，能源的供需矛盾长期存在，节能降耗己成为纸业界十分关注的 问题，是提高浆纸行业利润的重要途径之一。对于我国造纸工业，节能的任务十分迫切。 据统计，国外造纸工业发达国家吨纸耗煤量约为1 1 吨标准煤，而我国大约是1 6 吨标准 煤。我国是浆纸大国，据中国造纸协会2 0 0 5 年的年度报告中统计，我国现有浆纸企业3 6 0 0 多家，2 0 0 0 年的纸和纸板产量是3 0 5 0 万吨，2 0 0 5 年达5 6 0 0 万吨，预计2 0 1 0 年将突破7 5 0 0 万吨脚。依照2 0 0 5 年的统计数字计算，总耗煤量比国外多2 8 0 0 万吨标准煤，以每吨标准 煤3 5 0 元计算，折合人民币约9 8 亿元，数目十分巨大。若再考虑到对煤燃烧产生的烟尘 进行治理而发生的费用等，金额将更加庞大。 1 1 4 纸机干燥部的节能要求 陕西科技大学硕士学位论文 就制浆造纸各个环节的能耗而言，纸机干燥部一般是耗能最大的工段。纸机干燥部 的主要任务就是利用加热的方法来蒸发湿纸幅中所含的大量水分，使湿纸幅变干。纸幅 干燥的主要设备是烘缸，其干燥原理是：利用进入纸机烘缸内的蒸汽冷凝释放出热量， 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而变 干。纸机干燥部对能源的消耗，表现为两个部分：一是纸机传动对电能的消耗，几乎占 整个纸机动力消耗的一半；二是蒸汽冷凝水热力系统对蒸汽的消耗，约占纸张生产成本 的1 2 - 1 5 。对于一台平稳运行的纸机而言，其纸机传动对电能的消耗一般是变化不大 的。然而，如果其蒸汽冷凝水系统运行不正常，导致烘缸积水，这就会明显增加纸机传 动的负荷，导致不必要的电能消耗。就蒸汽冷凝水系统本身而言，采用不同的工艺，不 同的二次蒸汽循环利用设备，不同的控制策略，其对热能的利用效率也大不相同。因此， 对造纸机干燥部蒸汽冷凝水系统采取有效措施，有望明显降低造纸机能耗。 表1 - 1 纸机干燥部各影响因素对干燥效率影响 t a b l - 1i n f l u e n c eo fs o m ef a c t o ri nd r y e rs e c ti o nt od r y i n ge f f i c i e n c y 另外，纸机干燥部蒸汽冷凝水热力系统的运行状况对干燥效率和成纸质量具有非常 大的影响。如前所述，湿纸幅的干燥就是以蒸汽为热源，以烘缸为热传递介质，通过传 热传质，达到烘干湿纸幅的目的。在整个干燥过程中，各段烘缸的表面温度、热传递状 况、烘缸表面温度曲线等对干燥效率和成纸质量影响很大。表1 列出了纸机干燥部对成纸 质量的影响因素及各因素对干燥效率的影响率。其中的第1 、4 、和5 项都和干燥部蒸汽冷 凝水热力系统有关，对干燥效率的影响占全部影响因素的6 5 左右。 从上述可知，蒸汽冷凝水热力系统的工作状况是影响纸机能耗和成纸效率的关键因 素。如果能采取一些科学有效的措施，从设备、工艺或控制等不同角度对纸机干燥部蒸 汽冷凝水系统进行改造，提高纸机干燥效率，改善烘缸表面温度曲线的合理性，不仅能 达到节能降耗、提高浆纸行业利润的目的，而且有利于成纸质量的改善，提高企业综合 竞争力。 1 1 5 我国纸机干燥部常规供汽系统的弊端 传统的纸机干燥部蒸汽冷凝水系统采用如图i - 1 所示的多段( 通常三段) 供汽热力流 2 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 程，系统主要由闪蒸罐、疏水阀、管道、烘缸和少许控制回路组成。其设计思想是利用 多级闪蒸，合理使用不同质级的能量，达到节能和改善工艺的目的。因其设计简单，操 作方便，在国内浆纸企业得到普遍采用。但该系统属于被动式蒸汽串联供热系统，存在 着诸如能耗大、烘缸积水、压力调节困难、环境污染等缺点。尤其是烘缸内积水，对干 燥质量、纸产量、纸机工作安全性等有较大负面影响。主要缺点可总结如下h 1 们。 减压阀 - 日 新鲜蒸汽 i i i 段补汽 嗽吲”型墓 表面冷凝器 水 冷凝水贮罐 is 图1 - 1 传统的纸机干燥部三段供汽系统热力流程示意图 f i g l 一1s c h e m eo f t r a d i t i o n a lt h r e es t a g e ss t e a m c o n d e n s a t es y s t e mo f d r y i n gs e c t i o n 1 ) 蒸汽节流减压造成能量贬值，热能利用不充分造成能源浪费，低品位蒸汽因无法再 回收利用而直接排放造成环境污染。 2 ) 热力系统运行不正常，普遍存在烘缸积水现象。 i 3 ) 烘缸积水带来一系列不利因素，既造成传热效率大大降低，又影响到成纸质量，还 造成纸机传动动力增大，严重时，还会危及到纸机机架的稳定性。 4 ) 影响纸机车速及产品质量的提高。 5 ) 烘缸排水差压的建立受到一定的限制。 6 ) 控制系统自身存在相互干扰，不利于单独调节干燥部各段烘缸的供气压力和用汽量， 合理的纸机干燥部温升曲线难以建立。 7 ) 负荷变化及断纸使烘缸更容易积水，断纸恢复后烘缸压力及排水差压恢复缓慢。 为此，在2 0 世纪9 0 年代初，我国开始从国外引进蒸汽喷射式热泵技术，用于纸机蒸 汽冷凝水系统。 1 1 6 应用热泵改造供汽系统的优越性及存在的问题 热泵是一种将低品位能量转换为高品位能量的能量转移装置。热泵的种类很多，从 大的方面讲，可分为水一水喷射式热泵、汽一水喷射式热泵和汽一汽喷射式热泵三大类。用 于纸机蒸汽冷凝水系统的蒸汽喷射式热泵属于汽一汽喷射式热泵的范畴。它是一种没有运 转部件的热力压缩机，利用高压工作蒸汽减压前后的能量差为动力，提高冷凝水二次蒸 3 陕西科技大学硕士学位论文 汽或废热蒸汽等低品位蒸汽的压力后再供生产使用，是一种自身不直接消耗机械能和电 能的高效节能设备。 在2 0 世纪9 0 年代中期，我国从国外引进的蒸汽冷凝水热泵系统( 包括控制系统) 不 仅能够有效避免烘缸积水、提高系统传热传质效率、改善纸机干燥部烘缸温度曲线、利 用低参数品位的热源达到节能降耗的目的，而且还有助于提高纸机烘缸转动时的动平衡 度和纸机车速，能够满足改变纸机车速、产量、产品品种和纸幅定量等变化的需要。因 此，很快在我国造纸行业得到广泛应用。 应用热泵的优越性可以总结为以下几点： 1 ) 节能，改善环境，资料表明吨纸汽耗可比传统通气系统降低2 0 以上喳1 。 2 ) 彻底解决了原系统中存在着的许多问题，使系统运行更可靠。 3 ) 提高产品产量质量。 4 ) 投资见效快，可以安全稳定运行。 运用热泵的优越性显而易见，目前我国也逐步掌握了这方面的技术。但是，从应用 的层面讲，也存在如下两方面的问题： 1 ) 常规热泵自身无法进行调节，必须通过安装在干管上的调节阀进行调控，不但存 在一定的能量浪费，而且调节范围窄，通用性差，适应纸种变化的范围小。使用时必须 根据具体的工况选用恰当结构与型号的热泵，且工况变化时由于热泵在非设计条件下运 行，其运行效率下降，导致系统出现各种问题比如供汽不够，烘缸排水差压下降，排水 不畅，传动负荷增加等。 常规热泵本身不带调节装置( 因此通常也称为不可调热泵) ，当纸机运行工况、即用 汽压力和流量发生变化( 如车速、产品定量的变化) 时，为了避免出现上述的各种不利 状况，需要通过改变安装在工作蒸汽干管上的蒸汽调节阀的开度来应对。另一方面，在 调节过程中，由于蒸汽调节阀开度变化，就会改变进入热泵的工作蒸汽压力，从而改变 了热泵进口新鲜蒸汽做功的能力。特别是当纸机用汽负荷减少，蒸汽调节阀开度减小时， 供给热泵进口的新鲜蒸汽压力降低，致使新鲜蒸汽和热泵出口混合蒸汽压力差降低，则 热泵做功能力降低，工作效率降低。 为了获得较佳性能的热泵，其结构尺寸设计显得十分重要。虽然热泵结构简单，但 如何设置不同部位的尺寸达到最佳的效率，达到最大的喷射系数，尽可能的减少工作过 程中能量的损失是很有讲究的，其牵涉到的设计理论较为复杂，且这方面的技术一直为 国外所垄断。 可调热泵可以克服上述缺点，它本身配置调节机构和热泵喷嘴断面调节阀芯等辅助 装置，在其进口工作蒸汽干管上不需再设置调节阀。当纸机运行工况发生变化时，通过 改变蒸汽的喷嘴有效断面实现对热泵工况、即供汽压力和供汽负荷的调节。在适应纸机 4 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 运行工况变化的调节过程中，它不会改变新鲜蒸汽的压力，只需调节喷嘴的有效断面积， 则其单位流量新鲜蒸汽的做功能力不会改变。在纸机的各种运行工况条件下，可调热泵 均可优化运行，调节性能好、调节范围宽，适应纸种变化的范围大。遗憾的是，可调热 泵的设计技术和控制系统目前一直被国外所垄断。 2 ) 基于热泵的蒸汽冷凝水控制系统的设计比较复杂，目前尚没有规范的设计指导， 不利于行业进步和技术提高。对于传统的多段供汽蒸汽冷凝水系统，我国的各级轻工设 计院能够提供完整的带测控点的工艺流程图，但基于热泵的蒸汽冷凝水系统，他们就无 能为力了。原因是关于热泵蒸汽冷凝水系统的工艺流程的设计、控制回路的设计、工艺 参数的计算等都与热泵结构尺寸的设计、热泵数量的选择等密切相关。目前，这部分工 作基本上由热泵系统供应商来完成。对于常规热泵系统，国内技术最好的是国家环保总 局南京环境科学研究所，基本上是由该研究所所长阎尔平老教授一人提供设计服务，这 不利于技术的推广、普及和革新。对于国外的可调热泵系统，技术最好的是美国的g a r d n e r 公司，因为技术垄断，价格异常昂贵，仅仅3 - - 5 个热泵和一张带测控点的工艺流程图， 价格就2 8 0 万人民币左右，是国产常规热泵系统价格的8 倍以上，如此高昂的价格只有大、 中型造纸企业和合资企业才敢问津。 综上所述，研究热泵或可调蒸汽喷射式热泵的结构设计技术、并研发基于热泵可调 热泵的针对不同纸种所需的高效节能蒸汽冷凝水系统( 包括控制技术) ，对提高干燥效率、 改善成纸质量、增强干燥部节能效果以及技术普及有重大意义。总结起来如下： 1 ) 有利于促进我国造纸行业纸机烘缸部蒸汽冷凝水系统的升级换代，使干燥部能耗 大幅度降低，干燥效率进一步提高； 2 ) 有利于促进纸机干燥系统向更环保的方向发展，不仅稳定了生产，提高生产能力， 节约能耗，更是减少了低品位蒸汽无法再循环利用而排放所产生的环境污染； 3 ) 新型热泵的研制将逐步打破国外先进热泵在国内的垄断局面，使之逐步国产化， 降低投资成本，促进造纸行业的健康发展； 4 ) 有利于提高纸机干燥部的自动化技术水平和行业技术普及。 1 2 国内外热泵研究与应用的现状 1 2 1 热泵的结构与性能研究现状 蒸汽喷射泵是一种用高压蒸汽吸收低压蒸汽的装置，因其结构简单，运行可靠而得 到广泛应用。工作蒸汽在缩放喷嘴中加速形成高速喷射流，在吸收室里形成低压，引射 蒸汽进入喷射器的吸收室后在工作蒸汽的作用下加速，两股蒸汽在混合室里逐渐形成单 一均匀的混合蒸汽，蒸汽经扩压管减速、压缩达到一定的背压。 对于喷射式热泵而言，其计算理论繁多，其中最为常用的是定压混合理论和定常面 5 陕两科技大学硕士学位论文 积混合理论u2 1 。 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。 自从1 9 3 9 年德国的f l u g e l $ j 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 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。 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 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 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。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着电子计算机和一系列有效近似计算方法，如有限差分法、 有限元法、有限体积法和普方法等的发展，使数值方法( 也叫计算机流体动力学c f d 方法) 在流体( 气体) 动力学研究方法中的作用和地位不断提高，并已成为与实验研究、理论 分析并列的研究方法旧】 刚。 数值方法或c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 方法使用专业的c f d 软件如f l u e n t 以及g a m b i t 等，通过采用g a m b i t 建立设备物理模型并划分网格供f l u e n t 软件分析使用， 利用f l u e n t 软件设置各种相关模型参数并进行分析计算，得到相关流场数据。 数值方法能够解决理论分析研究无法解决的复杂流动问题，和实验相比，所需要的 费用和时间都比较少，有些流动的研究在实验室里进行有困难，但采用数值方法能很方 便的对其进行研究，可以得到这种复杂流动的拓扑结构。当然数值方法也有其局限性， 6 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 对于一个复杂的物理问题，要建立一个正确的数学方程( 或模型) ，特别是对工程热物理 科学中复杂的流动问题如燃烧，多相流，湍流等，还必须与实验研究以及理论分析方法 相结合。更重要的是气体动力学中所求解的大都是非线性偏微分( 积分) 方程组，其数 值方法的现有理论尚不够充分，严格的稳定分析、误差估计和收敛性证明等理论工作的 发展还跟不上数值模拟方法的进展。虽然关于解唯一存在性等问题的严格数学理论已取 得了长足进展，但还不足以对一些复杂流动的求解问题给出明确的回答。所以实验研究、 理论研究分析和数值模拟方法是互相依赖、相互促进的，它们是研究流体( 气体) 动力 学的三中基本方法。采用该方法对热泵进行研究也是最近几年受到国内学者的高度关注， 成为继理论研究、实验研究后的又一基本研究方法阳7 f 。 国外许多学者如j w i e g a n d 2 3 。2 5 1 ，g f l u g e l l 2 6 1 ，j h k e e n a n ，e e n e u m a n n ，k v i c t o r i n 等，他们采用c f d 方法对热泵都作了深入的研究。 我国在方面研究起步很晚，也是最近十来年开始引进数值方法在各行各业进行相应 的研究，但相应的c f d 软件我国还没有，主要还是购买国外商用c f d 软件阳刀嘲1 。应用数值 方法对热泵进行研究也日益受到国内外学者的重视。近年我国大连理工大学的沈胜强、 李海军、刘志强睁例，西安交通大学的费继友啪3 ，南京工业大学徐海涛、桑芝福、张少 维、祝金丹等人采用计算机流体动力学( c f d ) 方法对热泵工作机理、结构尺寸及性能进行 过不同程度的研究防州。 1 2 2 热泵在纸机干燥部的应用研究现状 国外纸机干燥部利用热泵系统是很常见的事了。国外的热泵系统，目前技术最好的 是美国的g a r d n e r 公司f i l l 1 2 * 在2 0 世纪9 0 年代中期，我国才开始从国外引进热泵供热系统 ( 包括控制系统) 。关于热泵蒸汽冷凝水系统的工艺流程的设计、控制回路的设计、工艺 参数的计算等都与热泵结构尺寸的设计、热泵数量的选择等密切相关。目前我国尚没有 规范的基于热泵的蒸汽冷凝水控制系统的设计指导。对于常规热泵系统，我国家环保总 局南京环境科学研究所所长阎尔平老教授提供了设计与服务。高达，海天，西微测控等 公司目前正着手研制、提供设计与服务工作。 1 3 本研究课题的主要工作与内容安排 本研究着眼热泵应用系统全局，从造纸行业的应用特点出发，从热泵的有关理论、 热泵的结构与性能、热力系统流程的改造应用( 包括控制系统) 的三个方面的进行了较 全面的分析比较和研究。通过研究，本文提出了热泵的一种设计方法；找出了热泵结构 尺寸与性能的基本关系；提出了一种新组合热泵应用热力系统流程并配套了控制算法。 本课题研究内容的安排如下： 首先，对于热泵有关理论进行了较全面研究分析和总结。本文在对热泵理论分析总 结的基础上，提出了热泵的一种设计方法。 7 陕两科技大学硕士学位论文 然后，采用c f d 技术对热泵进行分解仿真研究。理论研究由于涉及诸多理论计算， 研究甚为复杂，进展缓慢。近十年蓬勃发展的c f d 计算流体动力学技术，使我们可以采 用先进的计算机仿真手段进行仿真研究，使我们的研究手段更加丰富和现代化，可惜该 技术被国外所垄断，国内应用并不普遍。采用c f d 技术对热泵进行研究也是近几年才受 到关注与重视。采用该技术对热泵的研究是本文的重点之一；对热泵的分解仿真研究是 通过先对热泵的重要组成部件喷嘴进行仿真研究，然后对热泵进行仿真研究，通过对大 量的热泵模型进行仿真，得到了热泵结构尺寸与性能的基本关系。 其次，对热泵的应用进行了较全面的比较分析研究。对热泵的应用研究是结合了热 泵的特型和纸机干燥部的工艺特点的；通过分析国内外主要的热泵应用系统优缺点提出 了新组合的热泵应用热力系统流程，并配套了控制算法。 8 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 2 热泵的理论研究与分析 2 1 热泵的工作原理及节能机理 2 1 1 基本结构与原理 蒸汽喷射式热泵由喷嘴、接受室、混合室、扩压室等部分组成( 见图2 1 ) ，高品位 新蒸汽称为工作蒸汽，被引射的低压蒸汽或废热蒸汽称为引射蒸汽。 瑷收室。混舍宜。喉管。扩医宣一 工作蒸汽 压缩蒸汽 弓l 射蒸汽 图2 - 1 蒸汽喷射式热泵简图 f i 9 2 。1s t r u c t u r a ld i a g r a mo fs t e a me j e c t o r 工作蒸汽以很高的速度从拉伐尔喷嘴中喷出，形成超音速或亚音速射流，并在喷嘴 附近形成真空( 较低的静压力) ，流体的热能( 势能) 转化为动能，进入热泵的接受室； 在接受室，工作蒸汽利用与压力较低的引射蒸汽之间的剪切作用，将其卷吸至混合室形 成两股共轴流体；在混合室，这两股共轴流体进行流体混合、速度均衡和能量交换，使 引射蒸汽的压力提高，并逐渐形成单一均匀的混合蒸汽，充满整个截面，并建立起均匀 的速度场；在扩压室，压缩后的混合蒸汽伴随流体速度的降低，其压力进一步增加，动 能又转化为势能，当压力增至射定的热泵出口压力( 纸机烘缸所需的压力) 后进入供热 系统，供给系统使用。 2 1 2 热泵的节能机理 蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机，它利用高压工作蒸汽减压前后 的能量差为动力，提高冷凝水二次蒸汽或废热蒸汽等低品位蒸汽的压力后再供生产使用， 是一种自身不直接消耗机械能和电能的高效节能设备。 热泵节能并不是指热泵本身消耗的能量减少了，而是指热泵利用了喷射器的原理， 最大限量地将引射蒸汽的品位提升到生产工艺要求的程度之后循环利用，从而达到节约 新鲜蒸汽的目的。纸机蒸汽冷凝水系统通常以高压工作蒸汽作为引射动力源，通过热泵 来提升由各级闪蒸罐闪蒸出的二次蒸汽的压力，以循环利用。 2 2 蒸汽喷射式热泵的性能参数嘲 2 2 1 热泵的工作参数 1 ) 工作蒸汽压力 蒸汽喷射式热泵的工作蒸汽压力为4 、6 、1 0 1 0 6 p a ( 表压) 。一般而言，随着工作蒸 9 陕西科技大学硕士学位论文 汽压力的提高，所需蒸汽相应减少，泵的设计指标亦趋于经济。然而当压强高于2 5 1 0 5 p a 时减少的蒸汽量变得微不足道，而设备投资费用大大提高。通常以采用4 1 0 1 0 5 p a ( 表 压) 的工作蒸汽为宜。 由于有喷嘴处的气流速度不低于额定值的要求，为保证热泵的连续稳定运作，工作 蒸汽的压力必须高于这一最低值，否则会使操作变得不稳定，甚至造成引射压力的上升， 因而通常以2 5 x1 0 5 p a 作为工作蒸汽的压力下限。对于固定抽汽量的热泵，提高蒸汽压 力并不会增加引射气体的流量，这是因为在扩压过程中增加了额外的蒸汽量，反而减少 了热泵的抽气量。当工作蒸汽引射蒸汽以及混合流体的压力一定时，工作蒸汽消耗量与 被抽气体量成正比。 工作蒸汽一般选择干饱和或稍微过热l 卜2 0 度的蒸汽。采用高度过热的蒸汽或湿蒸 汽都没有好处。这是因为对于高度过热的蒸汽来说，蒸汽可用能量的增加被蒸汽密度的 降低所抵消，而采用湿蒸汽时又会使蒸汽有效热能变小，并且还会因为水滴的存在而造 成喷嘴的侵蚀和堵塞，致使系统的抽吸力下降。为防止供气系统可能出现的凝水现象， 在供气系统中要安装疏水器。此外还要保证蒸汽的清洁，避免携带进机械杂质堵塞喷嘴。 2 ) 引射压力与极限压力 被抽气体入口处的压力称为引射压力。当抽气量为零时，热泵在稳定状态下达到的 最低吸入压力称为极限压力，随着抽气量的增加，热泵的吸入压力也随之提高。 3 ) 排气压力与极限反压 热泵的排出压力是工作蒸汽与引射蒸汽混合达到稳定后的排出压力，有的文献称作 背压，它依真空系统的布局的变化而变化。对于向大气排放的情况其排出压力随大气压 力而变化；造纸行业烘缸部应用的热泵是要通向一封闭系统烘缸，故其排气压力或背压 受烘缸内蒸汽压力的影响。当排气压力达到某一极限压力时，热泵就不能向外排放气体， 此时对应的排气压力称为热泵的极限反压。当排气压力达到极限反压时，引射压力瞬时 急剧上升。极限反压是热泵的重要参数之一，它与热泵的工作稳定性密切相关。 4 ) 抽气量与抽气速率 蒸汽喷射式热泵的抽气量是引射蒸汽的流量，也包括其中的不可凝气体。抽气速率 是指该抽气入口处状态单位时间内所抽吸的引射蒸汽的量。蒸汽喷射式热泵的抽气速率 随引射压力而变化，在工作区间有一最大峰值。在一定的引射压力、排出压力( 背压) 和工作蒸汽压力的情况下，随着排气量的增加蒸汽消耗量也随之增加。 2 2 2 蒸汽喷射式热泵的主要性能指标 1 ) 喷射系数 喷射系数是吸入的引射流体与工作流体的质量流量之比，是喷射式热泵的重要性能 指标之一。喷射系数表示l k g 工作蒸汽所i i i i 射的被引射蒸汽质量；在一定的膨胀比和 l o 蒸汽喷射式热泵的结构性能及在纸机干燥部中的应用 _ 一e i 篁=昌_ 目e 墨一= =富宣=