2.3.7　熱泵的設計

(1)熱泵的理論計算

利用熱壓縮技術即熱泵抽吸二次蒸汽提高其溫度及壓力作為一部分加熱熱源可起到節能降耗的作用,屬于熱力壓縮。因此,這種蒸發器又稱為TVR蒸發器。熱力蒸汽再壓縮加熱蒸發器的熱流圖如圖2?21所示。

圖2?21　熱力蒸汽再壓縮加熱蒸發器的熱流圖

A-產品;B-蒸汽;B₁-殘余蒸汽;C-濃縮液;D-動力蒸汽;E-加熱蒸汽冷凝水;V-熱損失

蒸汽熱泵主要由噴嘴、混合室、擴散管、保溫層及外包皮等組成。其理論計算包括噴射系數的計算和熱泵結構尺寸計算兩部分。噴射系數為吸入蒸汽量G₁與工作蒸汽量G₀之比,用μ表示,即μ=G₁/G₀,它表示耗用1kg的高壓蒸汽能抽取多少千克二次蒸汽進行再壓縮。μ值越大越節能。若計算選取上不合理,如噴射系數過小則蒸汽耗量加大,可能會導致蒸發系統熱不平衡,如噴射系數過大則蒸汽耗量變小,可能導致生產能力不足。

熱泵噴射系數的大小直接關系到耗用蒸汽量的大小及設備的使用效果。熱泵噴射系數是熱力蒸汽再壓縮加熱蒸發器的一個主要設計參數。熱泵噴射系數確定方法有兩種:一種是利用圖線法(圖2?22)直接確定;另一種是采用差值的方法確定(表2?4)。前者誤差較大,后者誤差較小,因此,一般多采用后者確定熱泵噴射系數。無論哪種方法都要根據壓縮比與膨脹比兩個參數確定噴射系數。熱泵排出蒸汽壓力p₄與吸入蒸汽壓力p₁的比值稱為壓縮比,即σ=p₄/p₁,熱泵的工作蒸汽壓力p₀與吸入蒸汽壓力p₁之比稱為膨脹比,即β=p₀/p₁。

圖2?22　根據膨脹比β與壓縮比σ求噴射系數

表2?4　熱泵的噴射系數

(2)熱泵的幾何尺寸計算

熱泵的結構簡圖如圖2?23所示。

圖2?23　熱泵的結構簡圖

① 噴嘴喉部直徑計算

d₀=1.3

式中　d₀——噴嘴喉部直徑,m;

G₀——工作蒸汽量,kg/h;

p₀——工作蒸汽壓力,kgf/cm2;

V₀——工作蒸汽在壓力p₀下的比體積,m3/kg。

對飽和蒸汽:

d₀=1.35

對飽和蒸汽其噴嘴喉部直徑按下式計算實際應用表明效果已經很好:

d₀=1.6

② 噴嘴出口直徑　噴嘴出口壓力按與工作壓力相等來考慮。

對飽和蒸汽:

當β<500時　　　　　　　　d₁=0.61×2.52lgβd₀

當β>500時 　　　　　　　　d₁=0.61×2.65lgβd₀

對過熱蒸汽:

當β<100時 　　　　　　　　d₁=0.67×2.17lgβd₀

當β>100時　　　　　　　　 d₁=0.56×2.36lgβd₀

③ 擴散管喉部直徑

d₃=1.6

式中　d₃——擴散管喉部直徑,mm;

G₁——被抽混合物中空氣量,kg/h;

G₂——被抽混合物中水蒸氣量,kg/h;

G₃——從泵外漏入的空氣量,kg/h;

G₄——混合式冷凝器冷卻水析出的空氣量,kg/h。

校核最大的反壓力:

p_fm≈(d₀/d₃)2(1+μ)p₀

校核的結果必須使最大反壓力p_fm=p₄,若p_fm<p₄,則可適當增大d₀。

④ 熱泵其他有關尺寸　按表2?5計算。

為了確定噴嘴出口端部至擴散管入口端部的距離A,必須計算出自由噴射流長度和自由噴射流在距離噴嘴出口截面I_c處的直徑d_c兩個尺寸。

a.自由噴射流長度I_c的計算

當噴射系數μ≥0.5時:

I_c=(0.37+μ)d₁/4.42

當噴射系數μ≤0.5時:

I_c=(0.083+0.76μ-0.29)d₁/(2α)

式中　I_c——噴射流長度,mm;

α——實踐常數,對彈性介質,α在0.01~0.09之間選取,μ值較大時取較高值。

表2?5　熱泵的尺寸數據

b.在I_c處擴散管直徑D_c的計算

D_c=d₃+0.1×(L₄-I_c)

c.自由噴射流在距離噴嘴出口截面積I_c處d_c的計算

當噴射系數μ≥0.5時:

d_c=1.55d₁(1+μ)

如果D_c>d_c,則A=0[圖2?24(a)]。

當噴射系數μ≤0.5時:

d_c=3.4d₁

噴嘴出口與擴散管入口在同一斷面上。如果D_c<d_c,則A>0[圖2?24(b)],噴嘴離開擴散管距離為A值。這里D_c=d₃+0.1×[L₄-(I_c-A)]≥d_c令D_c=d_c得A值。一般A值在0~36范圍內變化。

圖2?24　A值的兩種情況

【例2?8】　以RNJM02?1200型雙效降膜式蒸發器(圖2?25)在奶粉生產中的應用為例闡述熱壓縮技術在降膜式蒸發器中的設計過程。

圖2?25　RNJM02?1200型雙效降膜式蒸發器流程

1-保持管;2-殺菌器;3-一效蒸發器;4-熱泵;5-分離器;6-二效蒸發器;7-冷凝器;8-物料泵;9-真空泵

(1)結構特點及主要技術參數

① 結構特點　本熱泵抽吸一效二次蒸汽作為一效一部分加熱熱源。與蒸汽接觸的部位全部采用304或40Cr不銹鋼制造;采用100mm厚的巖棉進行絕熱保溫處理。

② 主要技術參數

物料介質:牛奶　　　　　　　出料質量分數:38%~40%

生產能力:W=1200kg/h　　　　 使用蒸汽壓力:0.7MPa

進料質量分數:11.5%　　　　　物料比熱容:3.894kJ/(kg·℃)

進料溫度:5℃　　　　　　　　 蒸汽狀態參數:見表2?6

表2?6　蒸汽狀態參數

(2)熱泵的設計

現以二次差值計算方法根據表2?6各蒸汽狀態參數介紹熱泵的設計計算過程。

① 熱泵噴射系數的計算　壓縮比σ=p₄/p₁,由表2?6查得p₄=0.07149MPa;p₁=0.03463MPa,則σ=0.07149/0.03463=2.06。膨脹比β=p₀/p₁,由表2?6查得p₀=0.6302MPa,p₁=0.03463MPa,則β=0.6302/0.03463=18.20。

由壓縮比及膨脹比根據表2?4及差值公式進行二次差值計算。

即當σ=2.06,β=15時:

μ₁=0.76+[(0.6-0.76)/(2.2-2.0)]×(2.06-2.0)=0.712

當σ=2.06,β=20時:

μ₂=0.87+[(0.71-0.87)/(2.2-2.0)]×(2.06-2.0)=0.822

當σ=2.06,β=18.20時:

μ=0.712+[(0.822-0.712)/(20-15)]×(18.2-15)=0.78

② 熱泵的幾何尺寸計算　熱泵結構如圖2?23所示。

用于一效加熱的蒸汽總量可按熱量衡算原理求出,由一效加熱蒸汽量算出飽和生蒸汽耗量:

G₀+μG₀=D

G₀=D/(1+μ)

式中,G₀為飽和生蒸汽量,kg/h;D為一效蒸發器加熱蒸汽總量,這里D=850kg/h;μ為噴射系數,這里μ=0.78。則G₀=850/(1+0.78)=477.53(kg/h)。

噴嘴喉部直徑計算:

d₀=1.6

式中,d₀為噴嘴喉部直徑,mm;p₀為飽和生蒸汽壓力,這里p₀=0.6302MPa。則

d₀=1.6×=13.93(mm)

噴嘴出口直徑計算:

噴嘴出口壓力按與工作壓力相等考慮,對飽和蒸汽β<500時,

d₁=0.61×2.52lgβd₀

則d₁=0.61×2.52lg18.2×13.93=27.17(mm)。

擴散管喉部直徑計算:

d₃=1.6

式中,d₃為擴散管喉部直徑,mm;G₁為被抽混合物中空氣量,這里G₁=1kg/h;G₂為被抽混合物中水蒸氣量,G₂=D-G₀=850-477.53=372.47kg/h;G₃為從泵外漏入的空氣量,這里G₃=1kg/h;G₄為混合式冷凝器冷卻水析出的空氣量,這里G₄=0kg/h。則　

d₃=1.6×=55.21(mm)

校核最大的反壓力:

p_fm≈(d₀/d₃)2(1+μ)p₀

校核的結果必須使最大反壓力p_fm=p₄,若p_fm小于p₄,則可適當增大d₀值。則

p_fm≈(13.93/55.21)2×(1+0.78)×6.302=0.714(kgf/cm2)

p_fm≈p₄=0.7149kgf/cm2,因此可行。

熱泵其他有關尺寸按表2?5計算。

d₅=(3~4)d₀=3×13.93=41.79(mm),取d₅=42mm。

L₀=(0.5~2.0)d₀=1.5×13.93=20.9(mm),取L₀=21mm。

d₂=1.5d₃=1.5×55.21=82.8(mm),取d₂=83mm。

L₃=(2~4)d₃=3×55.21=165.63(mm),取L₃=166mm。

d₄=1.8d₃=1.8×55.21=99.38(mm),取d₄=99.4mm。

L₁=(d₅-d₀)/k₄=(42-13.93)/(1/1.2)=33.68(mm),取L₁=3.4mm。

L₂=(d₁-d₀)/k₁=(27.17-13.93)/(1/4)=52.96(mm),取L₂=53mm。

L₄=(d₂-d₃)/k₂=(83-55.21)/(1/10)=277.9(mm),取L₄=278mm。

L₅=(d₄-d₃)/k₃=(99.4-55.21)/(1/8)=353.52(mm),取L₅=354mm。

二次蒸汽入口直徑計算:

d₆=4.6(G₀/p₁)0.48

則d₆=4.6×(477.53/0.3463)0.48=147.8(mm),取d₆=148mm。

混合室直徑d₇一般為擴散管喉部直徑的2.3~5倍選取,即

d₇=(2.3~5)d₃

則d₇=(2.3~5)d₃=4×55.21=220.84(mm),取d₇=221mm。

混合室長度一般按d₇的1~1.15倍選取,即

L₇=(1~1.15)d₇

即L₇=1.15×221=254.15(mm),取254mm。

自由噴射流長度I_c的計算:

當噴射系數μ≥0.5時,

I_c=(0.37+μ)d₁/(4.4α)

當噴射系數μ≤0.5時,

I_c=(0.083+0.76μ-0.29)d₁/(2α)

本例μ=0.78>0.5,所以:I_c=×27.71=90.53(mm)。

在I_c處擴散管的直徑計算:

D_c=d₃+0.1×(L₄-I_c)

則D_c=55.21+0.1×(278-90.53)=73.96(mm)。

自由噴射流在距離噴嘴出口截面積I_c距離處d_c計算:

當噴射系數μ>0.5時,

d_c=1.55d₁(1+μ)

則d_c=1.55×27.71×(1+0.78)=76.45(mm)。

若D_c>d_c,則A=0。本例D_c=73.96mm<d_c=76.45mm,所以A>0。

這里,D_c=d₃+0.1(L₄-A)≥d_c,令D_c=d_c,則

55.21+0.1×[278-(90.53-A)]=76.45

A=24.93mm(取A=25mm)。

(3)其他注意事項

熱泵除了合理計算達到良好的使用性能外,其噪聲不能忽視。目前國內使用的帶有熱泵的蒸發器,其噪聲范圍都在85~96dB(A)之間,有的甚至超過100dB(A)。降噪應從以下幾個方面考慮:加工制造首先應保證加工精度,即保證熱泵中的噴嘴與擴散管同軸度在允許的誤差范圍內,不得偏斜;擴散管端部不伸入混合室內,蒸汽高速射流,會在擴散管端部產生摩擦,產生振動噪聲,收縮管端部與混合室端板內端面齊平焊接,可起到減少噪聲的作用;擴散管中的收縮管、喉管、擴壓管如果是焊接式結構,必須保證其同軸度,圓度在允許的誤差范圍內,否則也會使噪聲變大;收縮管、擴壓管的壁厚不低于3mm,喉管的壁厚不低于7mm。焊接要牢固,不得出現開焊,一經出現開焊或開裂即會產生振動,進而使噪聲加大。如果采用一體式的結構效果會更好,但加工比較困難。無論采用哪種結構,制造完畢應對熱泵進行水壓試驗,試驗壓力不低于0.2MPa,且保持15min不得滲漏。噴嘴內表面粗度不低于Ra1.6μm,噴嘴的進、出口端部應有圓角過渡,不得有尖角或毛刺出現,以防噪聲的產生;噴嘴的材質應具有一定硬度,加工成形后或經熱處理后應耐磨。降低噪聲的另一種方法是在擴散管中設置消聲孔。對于大生產能力的熱泵也可采用多噴嘴進流的方法。保溫層可以防止熱量損失并屏蔽一定噪聲,因此熱泵要進行絕熱保溫處理。一般保溫材料為巖棉,保溫層厚度不低于50mm。保溫材料要填實,不得出現空洞現象。

蒸汽熱壓泵作為降膜式蒸發器的給熱裝置,主要作用是利用一次蒸汽來抽吸二次蒸汽,經過混合熱壓縮提高二次蒸汽溫度、壓力,作為蒸發器一部分加熱熱源,從而可起到節約能源的作用。因此,熱泵在降膜式蒸發器中已經得到了廣泛的應用,并取得了良好的經濟效益及社會效益。

把二次蒸汽經過熱壓縮后提高其溫度及壓力達到加熱蒸汽的程度加以利用,這樣既回收了二次蒸汽的熱能又節省了冷卻水的消耗,這種方法稱為二次蒸汽的再壓縮。如果用高壓工作蒸汽對二次蒸汽進行壓縮則稱為熱力壓縮式,熱壓縮技術在降膜式蒸發器、混合式蒸發器、升降膜式蒸發器中都得到了成功的應用。此外,還有一種壓縮為機械式的再壓縮,這種壓縮是完全靠外部的機械動力把二次蒸汽或廢熱蒸汽進行再壓縮作為蒸發器的加熱熱源。

利用高能效蒸氣壓縮機壓縮蒸發系統的二次蒸汽,提高二次蒸汽的焓值,提高熱焓的蒸汽進入蒸發系統作加熱熱源,循環使用,替代絕大多數的生蒸汽,生蒸汽僅用于補充熱損失和補充進、出料溫差所需熱焓,從而大幅度降低蒸發器生蒸汽的消耗,達到節能目的。這屬于把電能轉化為熱能的過程,如圖2?26所示,即MVR蒸發器。

圖2?26　機械蒸汽再壓縮加熱蒸發器的熱流圖

A-產品;B-蒸汽;B₁-殘余蒸汽;C-濃縮液;D-電能;E-加熱蒸汽冷凝水;V-熱損失

MVR是蒸汽機械再壓縮技術的簡稱。MVR蒸發器是重新利用其自身產生的二次蒸汽的能量,從而減少對外界能源的需求的一項節能技術。早在20世紀60年代,德國和法國就已成功地將該技術用于化工、食品、造紙、醫藥、海水淡化及污水處理等領域。蒸發器工作過程是將低溫位的蒸汽經壓縮機壓縮,溫度、壓力提高,熱焓增加,然后進入換熱器冷凝,以充分利用蒸汽的潛熱。除開車啟動外,整個蒸發過程中無需生蒸汽。近年來,在國內的玉米深加工、生物化工及污水處理等領域里有應用。也有利用二次蒸汽或廢棄二次蒸汽進行機械再壓縮用于蒸發上,屬于能源的回收再利用,在電價不太高的情況下節能效果顯著。不過,在其他領域內尚未得到廣泛的應用。