热泵技术及其在工业节能中的应用

11.能量系统的转换1.1能量的品位能量是物质的基本特性参数,它表示物质所具有的做功能力。热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换，但在转换过程中数量守恒，热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为功的能力不同。物质的总能中可用能所占的比例代表了能量的品质。世界各国学者对“可用能”的理论和在各个领域中的应用进行了深入的研究和广泛的实践。1960年至1963年间，南斯拉夫学者郎特把能量分为可转变为技术功部分火用（Exergy）和不可转变为技术功部分火无（Anergic）。火用表示热力系统中物质在任意状态下相对于环境零态（deadstate）所具有的最大做功能力。火无表示物质所具有的总能中，相对于环境零态，不可转变为技术功部分。根据火用的定义，对于开口系物质所具的比火用为：e=h-h0-T0(s-s0)（1-1）根据火无的定义，物质流的物理火无为：e=h-e=h0+T0(s-s0)（1-2）火用的概念是建立在热力学第一定律和第二定律基础上的热力参数,它表示能量在给定的环境条件下(P0、T0及其它参数），所能产生的最大有用功。它既可以表示能量的数量，又可以表示能量的品位及其可利用程度，火用的单位与焓的单位相同。稳流工质可逆变化到环境状态，可设想由等熵和可逆等温两个过程组成。当忽略流动工质动能和位能的变化，由状态1可逆变化到环境状态零态（P0、T0）。稳定物流火用的数值可以用工质热力性能参数表计算得出，也可用火用---熵图（e-s）表示。在实际过程中流入火用一定大于流出火用。即ex1＞ex2+ew。它同能量概念不同，进出设备的火用并不守恒，只会减少，其减少的数值就是火用损失，见公式（1-3）。Δex表示能量的变质。ew表示火用转变为机械功部分。Δex=ex1–ex2-ew（1-3）根据孤立体系熵增原理，对于整个体系来说，不可逆过程熵只会增加，即产生有用功的能力减少。在数量上熵的增加等于火用的减少。流入火用等于流出火用和火用损失之和，称为火用平衡方程式：Δex=ex2+ew+Δex（1-4）21xx12ee1xwxeee火用效率表示传热设备的能量在数量上和质量上利用的完善程度，对于减压器，则表示流出的火用占流入的火用比值。（1-5）热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换。热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低。应该避免在能量转换过程中有效能的无效贬值，即减少能量转换过程中的不可逆过程。在实际能量转换过程中，火用只会减少，不会守恒。1.2常规热力系统蒸汽节流减压的能量损失蒸汽减压方法可以分为三类：节流式减压是典型的不可逆过程;回转式减压即利用汽轮机将蒸汽减压的能量差转换为机械功，热电厂的汽轮发电机组运行属于回转式减压。引射式减压即利用蒸汽喷射式热泵进行减压，在蒸汽减压过程中，将废热蒸汽增压后，使其一并供给加热设备用汽。引射式减压可以向热用户提供介于工作流体和被引射流体两种流体不同压力中间任何一种所需要的压力等级蒸汽。采用阀门利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一律称为蒸汽节流减压，它是对外界不作功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形的损失。采用阀门及利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一律称为蒸汽节流减压，它是对外界不做功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形的损失。（见图1-1）假定蒸汽节流减压在绝热状态下进行，为了导出绝热节流减压的能量方式，首先列出流入系统1Kg流体稳定流动的能量方程式：shWzzgcchhq)()(2112212212（1-6）绝热节流的热力过程具有以下特点，热力系统同环境间用绝热壁包围，热流q=0，节流前后适当距离处截面速度基本不变，并且它的动能和焓值相比甚小，所以速度平方差可以忽略不计，即：。由此得出蒸汽节流减压过程的能量方程式：0)(211122cc3h2=h1（1-7）从热力学第一定律热效率观点分析，蒸汽节流减压前后焓值相等即h2=h1,反应不出能量的损失。但是，熵的增加反映了在孤立的热力系统中，能量产生变质，转变为可用功的能力减少了，无疑这是能量的无效贬值和用能的浪费。蒸汽节流减前后的损失，可以表达为：ex1-ex2＝T0((s2-s1)（1-8）根据火用效率的定义：（1-9）以下用计算对比说明，将P1＝0.80MPa,t1＝210℃蒸汽减压到P2＝0.20MPa，采用蒸汽节流减压和热泵供热有效能火用值的变化。根据计算得出：P1＝0.8MPa,t1＝210℃工作蒸汽的火用为864.57KJ/Kg,用上述参数蒸汽作为热泵的工作动力将P2＝0.03MPa的二次蒸发汽增压至P3＝0.20MPa,采用热泵供热和蒸汽节流减压的两种方式，其火用值所占比例的变化比较见图1-2。从图1-2中可以看出，由于低于热用户能量品味低温热流如热力系统中，部分排弃的火用转变为有效火用。蒸汽喷射式热泵替代节流式减压还有利于热力系统能级的匹配，有利于建立合理的用热网络。蒸汽节流减压仍然是目前各工业企业普遍采用的调节蒸汽压力的方法，通过减压阀将高品味蒸汽节流减压得到所需要的用汽参数。由热力系统排放出的蒸汽冷凝水夹带大量二次蒸发汽，造成能量浪费，这是一种常规的传统供热模式。应该建立新的热泵供热系统替代上述传统供热模式，在工业生产中充分利用能量，降低成本，发展生产，保护环境。1.3疏水系统产生的能量损失)()(0100112011ssThhssThhe4蒸汽在换热器中加热无聊后，大量蒸汽冷凝水的显热，二次蒸发汽及疏水器漏损蒸汽的潜热，在常规热力系统中，经常没有得到回收利用，致使蒸汽能量产生有形损失。蒸汽冷凝水的余热损失ΔQK为：ΔQK=)(211kSKirXrXG（1-10）公式中：GK–排出冷凝水的流量kg/hXS–疏水器的漏气率％r1–换热器工作压力下蒸汽的汽化潜热kJ/kgXT–产生二次蒸发汽的比例%r2–二次蒸发汽的汽化潜热kJ/kgiK–排出的冷凝水焓值kJ/kg蒸汽冷凝水系统产生的有效能损失Δe为：Δe=Δe1+Δe2+Δe3（1-11）式中Δe1、Δe2、Δe3分别表示排出的冷凝水，疏水器漏气及二次蒸发汽的有效能。另外，在工业生产过程中产生的低品位付产蒸汽由于其压力低、品位不相匹配排放到环境中，同样是用能的浪费。2、蒸汽喷射式热泵2.1热泵的原理蒸汽喷射式热泵或称热能压缩机，它利用热电站或锅炉供出蒸汽压力和工艺设备用汽的能量品位差转换为热泵的动力。其工作能力即供出的蒸汽压力、抽吸二次蒸发汽的能力和消耗的新蒸汽量等均同工作蒸汽的膨胀比和被抽蒸汽的压缩比密切相关。2.2热泵分类蒸汽喷射式热泵按其调节控制方式可以分为两种类型：2.2.1蒸汽质量调节热泵（见图2-1）5图2-1不可调节式热泵习惯将其称为不可调节热泵，其工况变化通过调节热泵入口新蒸汽的压力和流量来实现，而热泵本身不带调节装置，因此通常称为不可调节热泵。一般热泵即不可调式热泵，当生产运行工况（即用汽压力和流量）发生变化，则需要调节热泵进口工作蒸汽干管上蒸汽调节阀。在调节过程中，由于蒸汽调节阀开度变化，就会改变和降低进入热泵的工作蒸汽压力，从而改变了工作蒸汽的膨胀比及热泵进口新蒸汽做功的能力，将明显影响热泵工作效率。调节阀开度减少，流通阻力增大，调节阀后的蒸汽压力降低，即降低了热泵工作效率。这是不可调节热泵共性缺点和不足，不可克服。我们专门设计的质量调节热泵特点如下；●按不同热用户特点、不同的新蒸汽压力，专门设计热泵使其高效率运行。●热泵本体设计采用流线型通道，流体阻力小，热泵效率高。●喷咀关键部件均采用专门工艺加工成形，运转耐久可靠。●热泵及热泵系统产品，列入国家重点新产品和国家级科技成果推广计划。●采用高新技术设计，其研究成果评为国家科学技术进步三等奖，中国轻工业科技进步二等奖，国家环保科技进步二等奖，天津市科技进步一等奖及黑龙江省重大效益奖等。2.2.2蒸汽流量调节热泵（见图2-2）（专利号：ZL2006200735598）图2-2可调式热泵流量调节热泵通常称为可调节热泵，在热泵进口工作蒸汽干管上不需设置调节阀，热泵本身配置调节机构和喷嘴调节针芯等，当热力系统运行工况发生变化时，通过热泵自身调节机构调节和改变喷嘴通过蒸汽的有效断面积。在调节过程中它不会改变新蒸汽压力，使其在适应各种运行工况变化的调节过程中，只需调节喷嘴的有效断面积，通过热泵喷嘴工作蒸汽压力保持不变，其单位流量新蒸汽做功能力不会改变。6在各种生产运行变工况条件下可调节热泵均可高效运行。可调式热泵本身配有调节机构、阀门定位器及调节针芯等，关键部位均采用不锈钢材质，喷镀特殊耐磨金属材料，通过改变热泵的喷嘴有效断面实现热泵工况（即供汽压力、供汽负荷）调节。在热泵调节过程中，热泵入口新蒸汽压力均不变，即热泵的作功能力不变，调节性能好、热泵效率高。专门设计的可调节热泵可以按各种装置工艺特点、新蒸汽的压力及能量品位，提供各种高效运转可调式热泵。特点如下：●按热力系统的特点、不同的新蒸汽压力专门设计热泵，使其高效运行。●喷嘴等重要部件采用特殊的硬质合金，耐磨损，耐冲刷。●紧密结合热力流程工艺特点，严格设计蒸汽冷凝水系统。●可调式热泵设计采用7项专门的新技术。●专门设计的可调式热泵，可以用于在各种压力等级蒸汽工况下，均可以保证热泵高效率运行。2.3热泵的特性参数2.3.1热泵引射系数μ热泵是其热泵供热系统的关键设备，热泵引射系数μ表示单位工作流体引射低品位流体的能力，可以通过以下简化的数学表达式，通过计算机计算得出：μ=（2-1）可以采用以下数学表达式计算工作流体的膨胀比E和被引射流体的压缩比K。Pp/PH=E（2-2）PC/PH=K（2-3）其中E值表示工作流体的压力Pp与被引射流体的压力PH的比值，称为工作流体的膨胀比（公式2-2），K值表示混合流体的压力Pc和被引射流体压力PH的比值，称为被引射流体的压缩比（公式2-3），热泵的引射系数μ伴随工作流体膨胀比增大和被引射流体压缩比减小而增大。则其热泵的引射系数μ为：μ=（2-4）1)/1()/1(1131ccppkkcHkkpHcxpxPPPPaakk1)1(1)1(1111ccppkkkkcxpxKEaak7蒸汽喷射式热泵用于纸机干燥部，其高品位工作流体及低品位引射流体均为水蒸汽。工作蒸汽的临界速度αpx同混合流体的临界速度基本相等，用于计算分析热泵引射系数μ的公式（2-4）可以简化为：μ=0.8341/CpHH（2-5）其中，Hp——工作流体从压力Pp到引射流体PH产生的焓降KJ/KgHC——引射流体从压力PH到热泵出口混合流体Pc热焓的增值KJ/Kg2.3.2影响低压蒸汽热泵引射系数μ的相关因素通过对于上述热泵引射系数数学分析式，可以通过以下热工参数的变化分析低压蒸汽热泵引射系数的相关影响因素。⑴工作蒸汽流入和流出热泵喷嘴的蒸汽焓差降低，致使热泵引射系数降低。对比锅炉供汽压力为P1=0.9MPa（饱和蒸汽），热电站汽轮机背压（或抽汽）压力为P1=0.5MPa（通过蒸汽减温后的饱和蒸汽）。热泵供出压力高温、中温及低温分别为Pc=0.25MPa，Pc=0.12MPa及Pc=0.05MPa三个压力等级蒸汽。由计算得出，采用P1＝0.9MPa做为热泵的工作流体。其中热泵出口用汽压力高温、中温、低温如上所述，则其工作蒸汽的焓降Hp分别为1.0、1.48、1.90。如果采用P1=0.50MPa蒸汽做为工作流体，热泵供出蒸汽压力同上所述，则其工作流体蒸汽的焓降Hp分别为P=0.90MPa做为蒸汽的工作流体焓降的0.58、0.72和0.78倍。显然，由于工作蒸汽压力降低，则按公式（2-5）计算工作流体焓降减少，采用低压蒸汽作为热泵的工作流体，其热泵引射系数μ将会明显降低。⑵热泵工作蒸汽的膨胀比降低致使热泵μ值降低低压工作流体的热泵同