热泵供热及烘缸干燥强度的研究

      目前，纸机干燥部通汽系统主要分为三段通汽、热泵供热两种基本类型。其中三段通汽属于被动式蒸汽串联供热系统，是将新蒸汽用调节阀减压到高温段烘缸要求的供汽压力，对中温段、低温段烘缸同样采用调节阀进行蒸汽减压补汽，浪费了蒸汽能量品位和数量；热泵供热属于主动式蒸汽并联供热系统，在纸机干燥部各段烘缸设置热泵，按纸机烘缸温升曲线设定热泵供汽压力。将新蒸汽和纸机烘缸用汽品位产生的有效能差值转变为热泵的工作动力，但当纸机运行工况变化时，热泵进ISl新蒸汽调节阀开度会减小，从而造成蒸汽有效能损失，降低热泵工作效率。

　　本课题将可调节式热泵供热系统用于纸机干燥部，从而增大了纸机干燥部热泵供热系统调节范围，保证烘缸供汽压力和烘缸排水压差，回收了二次蒸汽，降低了冷凝水排放温度，提高了烘缸表面温度和纸幅表面水蒸气分压力，在纸幅干燥过程中起到了强化传热、传质的作用。热泵供热及烘缸干燥强度研究

　　1 蒸汽喷射式热泵

　　1.1 热泵工作原理

　　纸机干燥部热泵采用蒸汽喷射式热泵（或称蒸汽压缩机）。蒸汽喷射式热泵利用热电站或锅炉供给蒸汽压力和烘缸用汽压力差的能量转换为热泵的动力。工作流体通过喷嘴l在接受室2中将低品位流体吸入，工作流体和被引射的低压流体在混合室3内进行混合和能量交换后，逐步充满整个截面，建立起均匀的速度场，在扩压器4中压缩后的混合流体流速降低，混合流体压力增加至热用户要求的供汽压力。

　　1.2 热泵分类

　　蒸汽喷射式热泵供热系统必须按热用户用汽参数的要求对运行工况进行调节。蒸汽喷射式热泵按调节控制方式，可分为质量调节和流量调节两种类型。

　　（1）蒸汽质量调节热泵（也称不可调节热泵）。不可调节式热泵的工作蒸汽干管上设置了调节阀，热泵本身不配有调节装置，当纸机运行工况即供汽压力和流量发生变化时，需调节热泵进口工作蒸汽干管上的调节阀。在调节过程中，蒸汽调节阀开度变化会改变进入热泵的工作蒸汽压力，从而改变热泵进口新蒸汽做功的能力。特别是当纸机用汽负荷减少，蒸汽调节阀开度减小，实际供给热泵进口的新蒸汽压力降低，致使热泵进口工作蒸汽和热泵出口蒸汽压差减小，热泵做功能力降低，工作效率下降。

　　（2）蒸汽流量调节热泵（也称可调节热泵）。可调节式热泵进口工作蒸汽干管上无需设置调节阀，热泵本身设置执行机构、阀门定位器等。可调节式热泵在纸机运行工况调节过程中，只需调节喷嘴的断面积，热泵进口新蒸汽压力不变，其单位流量新蒸汽做功能力也不变，纸机在各种运行工况条件下，热泵均可保持运行。

　　2 可调节式热泵供热系统的实际生产运行

　　2.1 纸机技术参数

　　下面以赤壁晨呜纸业有限公司2640mm纸机（生产双胶纸）为例进行分析。纸机用蒸汽由该厂热电站供给，压力分别为0.85、0.5MPa，采用机械回水方式将其蒸汽冷凝水回流至热电站。该纸机设有施胶机，施胶前有31个烘缸，施胶机后有10个烘缸，2个冷缸，开式汽罩，纸机主要技术参数：成纸幅宽2640mm；烘缸直径1500 mm；网宽3100 mm；产品定量60—80m2；施胶方式为双面施胶；公称能力lOOt／d。

　　2.2 热泵供热流程

　　热泵配置 按纸机产品烘缸温升曲线要求，将施胶机前干燥部烘缸分为低温段、中温段及高温段，将施胶机后干燥部烘缸分为中温段及高温段。设置可调节式热泵101a、lOlb用于施胶前、后高温段烘缸，设置可调节式热泵102用于中温段烘缸，低温段烘缸用汽压力较为稳定，故采用普通热泵103。

　　蒸汽系统 用0.85MPa高品位蒸汽作为可调节式热泵的工作蒸汽，以控制烘缸的排水压差。0.50MPa低品位蒸汽用于控制中温段及高温段烘缸压力和补充用汽量不足，同时，作为热泵103的工作蒸汽。

　　蒸汽冷凝水系统  各段烘缸汽水分离罐间采用无泵余压自流回水，末端冷凝水罐不设置透汽管的闭式蒸汽冷凝水系统。

　　不凝性生气体排出  本台纸机热泵供热系统设置了完善的不凝性气体排出系统，以提高烘缸的传热系数。

　　2.3 可调节式热泵供热系统的运行

　　该纸机于燥部采用可调节式热泵供热系统，控制系统采用了联锁优化控制，满足了定量变化大的要求，操作方便，运行稳定，产品产量及质量明显提高，其特点如下：

　　（1）可调节式热泵适应纸机产品定量的变化 对实验数据进行分析可发现，可调节式热泵供热系统适应纸机运行工况变化。当纸机产品定量增加、产量增大时，各段烘缸的进汽压力、进汽量及烘缸排水压差均得到可靠保证。烘缸排出的喷吹蒸汽及二次蒸汽全部回收利用，冷凝水罐表压为零。

　　（2）纸机车速和产量明显提高 在本项技术改造前，该纸机干燥部采用不可调节式热泵供热系统，改造前后生产相同定量产品纸机车速及产量变化对比表明，该纸机采用可调节式热泵供热系统后，生产70m2产品时产量提高了1.12倍，生产100 g／m2产品时产量提高了1.24倍。

　　（3）降低了烘缸用汽压力，增大了烘缸排水压差 数据表明，用可调节式热泵替代不可调节式热泵，纸机达到相同车速和产量时，烘缸进汽压力和汽水分离罐压力降低，烘缸排水压差将会加大。

　　（4）充分利用了蒸汽有效能 计算得出饱和蒸汽压力为0．85、0．30MPa时，其有效能分别为842．39、718．10kJ／kg，采用三段通汽实际上是将高品位蒸汽能量无效贬值使用，如将压力0.85MPa蒸汽节流减压到0.30MPa，则其有效能损失为124.49kJ／kg，占新蒸汽有效能的14.8％。采用可调式热泵供热系统同传统的三段通汽系统相比，蒸汽能量品位和数量都得到了合理使用。

　　3 烘缸单位有效面积平均干燥强度

　　烘缸单位有效面积干燥强度是指纸机具有zui大生产能力时所配置的烘缸的参数，正确取用这个数据对于现有纸机改造时确定烘缸数量，以及纸机设备的经济合理配置都非常重要，国内外有关文献及实验数据尚不多，目前，国内双胶纸纸机烘缸单位有效面积平均干燥强度通常为20ks／（m2•h）左右，偏于保守。

　　烘缸有效面积平均干燥强度按下式计算：

　　m =Q-G／F 

　　式中：m为干燥强度，ks／（m2•h）；G为抄造量，kg／h；Q为脱水量，kg水／kg纸；F为烘缸有效面积，m2。

　　该纸机干燥部采用可调式热泵供热系统生产70、90、100、120g／m2产品，按纸机运行车速及抄造量，计算得出的烘缸有效面积平均干燥强度。该纸机采用开式气罩和简易袋通风，由实验数据可知，烘缸干燥强度达到40ks／（m2•h）以上，数据对比说明，采用可调式热泵供热系统为提高纸机车速、增加产量和经济合理配备烘缸创造了先决条件。

　　4 结语

　　传统的三段通汽供热方式会造成蒸汽有效能的浪费；采用不可调式热泵供热系统，当纸机运行车速、产品发生变化时，只能采用调节新蒸汽压力的方法来满足纸幅干燥的工艺要求，由于工作蒸汽调节阀开度减小，迫使进入热泵工作蒸汽压力的降低，造成热泵做功能力降低；可调式热泵供热系统用于生产各类产品纸机的干燥部，可以充分利用新蒸汽的有效能，充分发挥高品位蒸汽做功能力，提高烘缸传热、传质作用，克服了传统三段通汽方式和常规不可调式热泵热力系统的缺点和不足，能够充分利用蒸汽热能的品位和数量，明显提高纸机车速，增加产量，提高质量和降低汽耗。