蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部供热的应用分析

中国造纸学报蒸汽喷射式热泵在纸机干燥部供热的应用分析沈胜强张程李素芬（大连理工大学能源工程研宄所，辽宁大连，116024）进行了计算。结果表明，引入喷射泵以后的系统较之传统系统，蒸汽耗量减少10左右段间流动压差增加，有利于烘缸内冷凝水的排出，干燥效果也更佳。
我国是能源消耗的大国，尽管我国能源生产发展得很快，但仍难以满足国民经济发展的需要，因此，节能仍然是我国目前能源政策的基点之一。造纸业是能源消耗的大户，纸张干燥过程是造纸过程中的主要耗能过程之一。目前我国纸机的干燥部大多采用的是多段式通汽供热系统，该系统存在着纸机干燥部各段烘缸的供汽量和供汽压力调节困难，烘缸中的蒸汽冷凝水难以通畅排出等缺点。
本文将喷射泵引入原有多段式通汽供热干燥系统以解决冷凝水排出困难、蒸汽耗量大等问题，建立了系统的计算模型，对系统的蒸汽耗量进行了分析。
1系统描述11纸页干燥的传统供热系统目前，国内纸机普遍采用单段、二段以及三段通汽方式的常规供热干燥系统。
单段通汽供热系统是指纸机干燥部全部使用新蒸汽的热力系统。在每段或每只烘缸前采用阀门来调节进入烘缸的蒸汽压力和蒸汽量。在单段通汽系统中，从烘缸排放到大气的冷凝水中夹带着大量的余热，不但蒸汽热能没有被充分利用，还造成环境污染。
二段、三段等多段通汽供热系统是一种多段串联教育部科学技术重点项目，项目编号：99024.逆向供热系统。依靠各段烘缸间汽水分离器之间的压差推动蒸汽进行热力循环。高温段烘缸排出的蒸汽冷凝水通过汽水分离器，产生的二次蒸汽供给低温段烘1一分汽缸2?一段汽水分离器3?二段汽水分离器4一三段汽水分离器5?冷凝水罐6?冷凝水泵传统的三段通汽供热干燥系统常规的多段供热系统，在生产运行中存在以下缺点：烘缸中的冷凝水难以畅通排出。在多段串联供热系统中，由于段间压差过小，冷凝水排出推动力小，使烘缸内积水多，烘缸运转负荷加大；烘缸内积水后，蒸汽进入烘缸阻力加大，喷汽头的使用寿命缩短；烘缸内积水，蒸汽与烘缸的传热恶化，对干燥不利，且造成蒸汽耗量提高。
12蒸汽喷射式热泵工作原理热泵是一种高效的节能设备，它利用较高品质的蒸汽能量提高无法利用的能量的品质，一并供给热用户使用。其结构如所示。
1一喷嘴2喷射式热泵结构示意图工作流体以高速通过喷嘴形成低压，把压力较低的流体吸入吸收室；在混合室中，工作流体和引射流体两股共轴流体进行速度均衡；在扩压器中流体的动能转化为势能，其压力提高到热力设备所需的压力后进入热力系统。
13蒸汽喷射式热泵供热系统利用蒸汽喷射式热泵对常规的多段通汽供热系统进行改造，改造后系统结构如所示。
1一分汽缸2 3414?汽水分离器5?冷凝水罐6?冷凝水泵7，8?热泵1011，1213?压差排水器；15?真空泵三段式热泵干燥供热系统v烘缸线速度（车速）m/sX纸与烘缸接触处纸的含水量，r水的汽化潜热，kJ/kg升温耗热，即升高纸以及纸中所含水分的温度所需的热量，其计算式为：1一x（kg*K）t\"*脱离烘缸处纸的温度，°c t\"*纸与烘缸接触处纸的温度，°ch\"*脱离烘缸处纸中水的焓值，kJ/（kgli）h\"*纸与烘缸接触处纸中水的焓值，kJAkg*K）散热损失，即烘缸在加热、烘干纸页时，向外界环境散失的热量，用传热方程计算：l烘缸长度，m a烘缸表面对流换热系数，WAm2-*C）tw烘缸表面温度，°Cto*环境温度，°C单个烘缸总耗热量：该系统是利用喷射式热泵代替减压阀，利用新蒸汽的能量提高闪蒸汽的压力供生产使用。对该系统而言，热泵没有额外消耗任何能量。在喷射式热泵的工作过程中，吸收汽水分离器中的二次蒸汽，使汽水分离器的工作压力降低，供汽压力提高，大了烘缸排出冷凝水的压差，有利于蒸汽冷凝水顺利排出，解决了传统多段供热方式产生的问题。
2计算模型以上所消耗的热量均来自于蒸汽在烘缸内的冷凝放热，由此得到烘缸理论耗汽量：ha*离开烘缸的凝结水焓，kjAkgli）某段烘缸的总耗汽量为该段各个烘缸蒸汽耗量之和：21干燥耗汽量湿纸幅在烘缸上的干燥原理就是利用进入烘缸的蒸汽凝结，放出汽化潜热，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，把纸幅烘干。每个烘缸干燥纸所消耗的热量可以分为干燥耗热、升温耗热、散热损失3部分。
干燥耗热，即蒸发纸中水分所需的热量，可用下式表示：在两段烘缸之间设置汽水分离器，高温段烘缸排出的冷凝水进入汽水分离器后，由于压力降低，产生部分闪蒸汽，被热泵抽吸后用于低温段烘缸，汽水分离器内的闪蒸率为：*热泵供热纸机速度420m/mm -统1金机速度*栗fe奋I纸机逋度36ni/min袖柳ft纸机速度36ni/miti-*菜株?纸机速度480ni/miti，丨传艇闱纸机速度4B0m/mi定童/g-n纸机蒸汽消耗量41采用热泵供热，吨纸汽耗量比传统供热降低10左右，显现出了热泵供热系统的优势。
42引入喷射泵后，汽水分离器的工作压力降低了，大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差，有利于蒸汽冷凝水顺利排出。
43引入喷射式热泵后，烘缸温度曲线的控制更方便，提高了纸的干燥效果。
4.4热泵用于纸机干燥部，不仅运转稳定，而且只要对热泵运行参数进行必要的调整，即可满足车速、产gfe产品品种和纸幅质量等变化的藤。cnki.net 4结论由可以看出，随着纸定量的大，纸机生产能力的提高，纸机汽耗量逐渐大。在纸机速度相同的情况下，对应相同的纸的定量，传统供热系统要比热泵供热系统汽耗量大。采用热泵供热时，吨纸汽耗量比传统供热要低8.2~10.7.这主要是因为，引入喷射式热泵后，闪蒸罐的工作压力降低了，汽水分离器的闪蒸率大，使得汽水分离器的闪蒸蒸汽量大，从而所需的新蒸汽减少。在纸定量相同的情况下，随着纸机速度的大，纸机生产能力提高，纸的汽耗量也要大。
引入喷射式热泵后，汽水分离器的工作压力降低了，大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差，蒸汽冷凝水可以顺利排出，不必像传统供热系统那样，为了保证烘缸内排水通畅，一般每段要加20左右的蒸汽对烘缸进行吹扫。设置热泵后，这部分节约的蒸汽量并没有计算在内，因此，实际运行表明，设置热泵的节能效果高于计算值。
及34~38缸为二段，1~4缸为三段。本文采用VisualC++编写程序，分别计算了无热泵系统和带有热泵系统在纸机速度和纸张定量不同的情况下的蒸汽耗量，计算结果见。
-汽水分离器内饱和水焓，lJ/（kg°1-汽水分离器内饱和蒸汽焓，kJ/（kg°IO该段汽水分离器的闪蒸量为：2.3新蒸汽消耗量各段消耗的新蒸汽量为：24系统总的新蒸汽消耗量系统总的新蒸汽消耗量为各段新蒸汽消耗量之和：-烘缸分段数3计算与分析应用以上计算模型以及本文所介绍的系统（如和所示），分别对传统的三段式通汽供热系统和带有喷射式热泵的三段通汽供热系统的蒸汽耗量进行了计算，计算中的蒸汽、纸机等参数见表1.纸机的烘缸温度曲线和水分曲线如和所示。
表1计算参数烘缸数/个新蒸汽压力/MPa烘缸长度/m新蒸汽温度/烘缸直径/m一段供汽压力/MPa烘缸表面换热系数/kW（m2°K）1二段供汽压力/MPa成品纸含水率/三段供汽压力/MPa纸幅宽度/m汽水分离器2压力/MPa纸的比热容/kr（kgDK）1汽水分离器3压力/MPa环境计算温度/°c汽水分离器4压力/MPa0.05烘缸号烘缸温度曲线上60