热泵技术及其在工业节能中的应用
热泵技术及其在工业节能中的应用目录
1、能量系统的转换 1
1.1 能量的品位 1
1.2 常规热力系统蒸汽节流减压的能量损失 2
1.3 疏水系统产生的能量损失 3
2、蒸汽喷射式热泵 4
2.1 热泵的原理 4
2.2 热泵的分类 4
2.3 热泵的特性参数 6
3、热泵供热系统的基本流程 8
3.1 热泵供热流程 8
3.2 热泵供热系统的运行及效益 9
4、热泵供热在工业生产中的应用9
4.1废热蒸汽回收及换热网络9
4.2 能级匹配及热力系统优化运行13
4.3 钢铁冶金焦化蒸氨塔热泵供热14
4.4 酒精蒸馏塔釜废热回收18
4.5 氨纶生产的热泵供热 21
4.6 热泵是提供工业生产汽源的可靠设备22
4.7 热泵式减压减温器26
4.8 热泵区域供热 27
4.9 热泵脱水蒸发及多效蒸发28
4.10 余热制冷及余热供热28
4.11 纸机干燥部热泵供热32
4.12 啤酒生产醣化车间热泵供热35
4.13 压差疏水器的研究和应用35
5、热泵节能的评价36
6、合理用能的评价方法37
1.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(dead
state)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-T0s-s0(1-1)
根据火无的定义,物质流的物理火无为:
e h-e h0+T0s-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)
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: (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q0,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:
h2 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h2h1,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 =T0s2-s1(1-8)
根据火用效率的定义:
(1-9)
