开式热泵_蒸发技术与其工程探究

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1、第一章绪论第一章绪论， . ，选题背景我国能源形势面临着严峻挑战，能源紧缺直接影响着我国国 民经济的建设和发展。我国能源消费结构中原煤所占比重过大， 达 7 5 % ， 我国燃煤消费量占世界煤炭消费总量的2 7 % ，是全世界唯 一的以煤炭为主的能源消费大国。大量使用燃煤并缺乏有效治理 造成了严重的环境污染。 我国C O : 排放量的8 5 % 是由燃煤排放的， S O : 排放量的9 0 % 和烟尘排放量的7 3 % 也是由燃煤排放的。燃用矿 物燃料产生的C 0 2 会使全球气候变暖造成空气恶化，我国的C 0 2 排放量已 在美国之后居世界第二位，占 全世界的I N“ .在化工、食品等工业中

2、，液体的浓缩、脱水等工艺都是利用 蒸发来实现的。 蒸发操作是大量消耗热量的过程。 传统的蒸发过 程大多采用的多效蒸发，需要锅炉供热。在我国，据资料表明， 蒸发过程的能耗费用占总成本的S O %以上2 ， 。自2 0 世纪 7 0 年代初发生石油危机以来，能源问题在世界各 国引起了普遍重视。我国也将 “ 开发与节能并重，近期把节能放 在首位”作为我国的能源方针政策。因此，蒸发过程中的节能问 题也 日益被人们所重视。与常规的多效蒸发相比，开式热泵蒸发具有以下特点:1 )节约能源一一充分利用水蒸气的潜热。2 )环境友好一一利用开式热泵不但节省了 燃料消耗， 还减少了大气污染，有利于生态平衡。3 )

3、技术经济性能好一一热泵蒸发由于使用部分电能来提高热量的品位，效率高。即使考虑到一次能源的发电效率，热泵蒸发的热效率一般高于一次能源的热效率。山此可见，开式热泵运用于蒸发，具有节能和减少污染双重 效益，符合国家的能源政策。因此，如何更好把开式热泵应用于 工业是本文的出发点。西安交通大学硕十学位论文1 . 2热泵发展状况1 . 2 . 1热泵原理热泵是一种把热量从低温热源传送到高温热源的装置。其工 作原理与制冷机的工作原理相同，只是目的不同而已。制冷机的 目的是将局部空间的温度降低并一直保持下去，这就意味着要把 这一区间的热量不断地取出。 人们都知道热量传递是有方向性的， 热量从高温热源传向低温热

4、源是自然界自发的过程，相反的过程 就需要外界对系统做功。参见图1 - 1 ，要把热量Q 2 从低温热源传 到高温热源去，外界就必须做功 W，由热力学第一定律可知，在 实现制冷的同时，还要将热量 ( Q r = Q 2 十 W ) 在高温热源处排出。 而热泵的目的是为了获得热量，它使用的方法与制冷相同，即利 用外界做功 ( 机械功或电能)的手段吸取热量Q 2 ，并将这一热量 加上机械功的能量送到需要热量的地方。热泵实质上就是一台用 于供热的制冷机 。T , ( 高温热源)T x ( 低温热源)月 卜 一-一- 一W图 1 一 1热泵工作原理热泵虽然消耗机械功或电能，但它在运行时，不是直接将机 械

5、功 ( 或电能)转变为热能来利用，而是借助于消耗机械功从大 气等热能或余热连同热泵本身所消耗的机械功一起，对低位热源 供热，从而有效地把难以直接应用的低品味热能利用起来，达到 节能的目的。所以，热泵是一种充分利用低品味能的高效节能装第一章绪论置。热泵装置，按其工作原理可划为压缩式、吸收式、电子式和 化学式四大类。压缩式根据不同用途可分为:闭式循环系统和开 式循环系统。其中闭式循环系统多用于采暖、空调和干燥系统， 开式循环系统多用于化工、石油、环保以及核工业等企业中川。1 . 2 . 2开式热泵发展状况自1 8 8 0 年瑞士K a n t o n W a d d t 公司的制盐厂B e x 采

6、用一台活 塞式压缩机将制盐生产蒸发的废汽 ( 二次蒸汽)供生产利用，开 式循环系统开始应用于工业生产中。7 0 年代，随着麦汁煮沸加热技术的发展和外煮沸器的应用， 3 0 个开式热泵在西德、 法国、 瑞士、 奥地利等国家的啤酒厂运行， 运 行 情 况 令 人 满 意川 。近年来， 国外采用的高效蒸汽压缩式热泵用于有机物分离( 蒸 馏) 余热的利用， 分馏节省1 5 . 1 万美元 5 。 带有机械再压缩的单 效蒸发器用低 t 的涡轮风机，其热效率非常良好，每 0 . 7 5 k W 可 除4 5 k g - 6 8 k g 水分 “ 。低温蒸发热泵对于热敏性物料的浓缩尤为适用，日本开发了 以水

7、为热媒工质的潜热回收型水蒸气再压缩式热泵，热泵性能系 数C O P 高达1 2- 2 0 。热泵最高利用温度可达1 8 5 0C 。我国热泵技术发展较为落后。2 0世纪 5 0年代，我国对热泵 的研究尚处于起步阶段。 那时虽然有一些科研机构 ( 如天津大学) 开始了热泵的研究，然而由于我国能源价格的特殊性，以及其它 一些因素的影响，热泵应用一直发展缓慢。6 0年代我国才研制了 第一台热泵型窗式空调机和水冷式热泵空调机。 从 1 9 7 8 年改革开 放以来，由于能源政策、环境保护政策以及能源价格的调整等等 我国热泵技术开始发展。到了2 0 世纪8 0 年代， 随着经济发展和人们生活水平的提高，

8、 能源问题变得突出，为了节约能源和有效利用能源，国内部分高 校、研究所掀起了对热泵研究的高潮。1 9 8 9 年中国科学院广州能 源研究所举行的 “ 热泵在我国的应用发展专家研讨会”肯定了热 泵在我国应用发展的可能性和重要性，从而进一步将热泵研究推 向高潮。现在，热泵的应用和研究在我国仍处于开发阶段，从查阅到 的文献资料可知，大多仍在进行理论分析和设想，在各领域的应西安亨诵 尖学硕十学价 论 交用正处在探索尝试阶段 。1 . 2 . 3我国热泵应用展望热泵的应用需要以工业发展、电气化程度和生活水平的提高 为基础。面向未来，热泵应用将越来越广泛，这是因为:1 )我国能源政策和环境保护政策是促进热

9、泵技术发展的主要因素。2 )改善能源结构， 减少污染严重的煤炭消费比重， 提高石油、天然气和水电等优质、 少污染能源的比重。环境污染主要是指二氧化碳排放量的增大， 燃煤是产生二氧化碳的主要根源，所以以热泵代替燃煤锅炉将会受到鼓励。3 )能源价格上涨与常规能源数量的减少，要求人们必须节能。 而开式热泵所具有的高用能效率在工业中的应用将会满足人们的节能要求。由此可见，热泵技术在我国有很大的发展潜力。但是，不可 否认，我国这方面的研究开发工作还是比较落后的，工业应用实 践 则更少。 我国是能源消耗大国，能 源利用率又低，积极开展热 泵节能研究具有现实意义。1 . 3本文的研究工作开式热泵蒸发技术对于

10、蒸发浓缩过程是一种节能显著的技 术。本文基于开式热泵技术的理论基础，结合热泵蒸发的工艺特 点，提出低温闪蒸压汽蒸馏海水淡化和麦草浆造纸黑液热泵蒸发 碱回收新工艺，并进行技术经济分析，阐明两种热泵蒸发工艺流 程的优点。本论文的主要工作有:1 ) 设计低温闪蒸压汽蒸馏海水淡化系统， 并且建立该系统的数学模型，进行模拟计算分析。2 ) 对一个具体的海水淡化工程进行工艺设计， 分析并解决相关工程问题。3 ) 把开式热泵技术应用于麦草浆造纸黑液碱回收系统， 提出麦草浆造纸黑液热泵蒸发碱回收新工艺。4 ) 将黑液热泵蒸发碱回收新工艺与传统的多效蒸发碱回收工艺进行经济性比较分析。第二章开式热泵理论分析第二章

11、开式热泵蒸发的理论基础2 . ，开式热泵蒸发装置的工作原理图 2 - 1 是压缩式开式热泵蒸发过程的示意图。对于热泵蒸发 过程时，蒸发所产生的二次蒸汽被压缩机吸入，经压缩提高温度 和压力后，作为加热蒸汽进入蒸发器中，在蒸发器中放出热量加 热物料，使物料组分蒸发，自身凝结成液体被排出系统。物料中 所产生的新蒸汽又被压缩机吸入，重复上述相同的过程。由于这 样的系统中工质不循环使用，故成为 “ 开式” 。图2 - 2 是循环过程 的T - s 图。蒸发一冷凝器图2 - I热泵开式循环西安交通大学硕十学位论文蒸发压力P 2蒸发压力P i图2 - 2开式热泵蒸发 T -S图开式热泵的循环流程中，1 点为

12、压缩机的吸入点，1 -2为水 蒸汽在压缩机中的压缩过程，高温、高压的蒸汽进入蒸发器中， 经 2 -3放出显热、3 -4 放出冷凝热。图中 5 -1 用虚线表示， 这是因为 5 -1 过程中的工质与 1 -2 -3 -4的工质不同，它 是被蒸发物，而非己蒸发出来的水蒸汽。图2 - 3 是该过程的P -h 图分析。3 2 - 2 5图2 一 3开式热泵蒸发系统 尸 叻图第二章开式热泵理论分析2 . 2评价开式热泵的性能指标2 . 2 . 1 开式热泵蒸发系统性能系数按国际制冷词典( N e w I n t e r n a t i o n a l D i c t i o n a r y o f R

13、e f r i g e r a t i o n ) 的定义，热泵经济性评价的一个重要指标是性能参数C O P.各种有关热泵的文献所给出的热泵性能系数的定义可归纳 为:“ 排出热量”与 “ 输入热量”之比。对于闭式热泵系统，可采 用表达式:C O P = 鱼W( 2 - 1 )式中，9一工质的 供热量，k J / s ;次一压缩机的耗功量，k J / s .但是，对于开式的热泵蒸发系统来说，当考虑到实际传热过 程中存在一定的损失时，则冷凝放出的热量将不足以提供蒸发所 需要的热量，需要补充能量。因此，在开式热泵循环中，“ 排出热 量”应为冷凝放热量与补充能量之和，而 “ 输入能量”应为压缩 机实际

14、压缩耗功量与补偿能量之和 ， ， 。则开式热泵系统的性能系 数的表达式为:C O P = 鱼 =WQ r + W “ W + W 8( 2 - 2 )式中:么 一蒸发单位蒸发量的实际供热量，k J / s巩 一蒸发器的补充能量，k J / s .2 .2 .2系统烟分析采用供热系数来分析系统的性能，这种分析存在着一些不完 善的问题 :西安交通大学硕士学位论文1 )供热系数是不同质的能量比值，不能科学的反映系统的真实性能。2 )热系数只反映外部损失的影响，没有反映内部部件的不可逆损失。因此，有必要对系统进行拥分析。对于在给定条件下进行的 过程来说，佣损失的大小能够用来衡量该过程的热力学完善度。

15、烟损失大，表示过程的不可逆性大，离相应的可逆过程远。但是 拥损失是绝对数量，并不能用来比较在不同条件下过程进行的完 善程度。 为此， 一般用炯效率来表示在热力系统中拥的利用程度。定义m效率冲 。 为 ， :E Y , T l e=下 二 一 一也 M Y( 2 - 3 )式中，气。 一 被利 用或 收益的 拥，k J ;凡 。 一 支付或消 耗的 拥， . k J o根据热力学第二定律，任何不可逆过程都要引起烟损失，但 是系统或过程必须要遵守炯平衡的原则， S E 就是系统中不可逆过 程引起的炯损失:S E = E 一 E ,z, ,( 2 - 4)所以，炯效率可写成:E 。 ， 一 S E

16、. S E T l e=1 一二 二 一 一七 r r E ,- r( 2 - 5)对于理想的可逆过程， 由于炯损失等于0 ， 所以拥效率等于 t o 可逆过程是热力学上最完善的过程，所以炯效率反应了实际过程 的热力学完善程度。2 . 2 . 3技术经济评价理论a . 工程计算中的几个概念( 1 )经济效益从产出与投入角度来考虑。产出主要是指生产出来的产品第止章开式热泵理论分析投入指为了生产这些产品而要消耗的财、物等资源。( 2 )投资投资是指所需要投入的资金，是工程技术论证中的重要指标。 在经济学中， 资金可按用途分为固定资本和流动资本两个部分 。 。 固定资本是指能够长期使用而不改变其实物形态且其价值随着使 用过程逐渐耗损，以折旧费用的形式转入产品的成本。流动资本 是指用于购买生产用的原料、燃料费用。C 3 )成本对工业企业来说， 成本是指为了生产和销售一定数量和种类的 产品而消耗的各种费用的总和。其中，成产成本是成本计算的核 心部分，生产成本包括:1 )原材料、燃料和动力消耗2 )固