多級(jí)熱泵的流程和結(jié)構(gòu)優(yōu)化及CFD模擬.pdf

1、蒸發(fā)濃縮是一種常用的熱分離技術(shù)，在化工，醫(yī)藥，發(fā)酵等領(lǐng)域有著廣泛且重要的應(yīng)用。蒸發(fā)濃縮需要消耗大量的熱量，是一種能量密集型單元過程。隨著世界能源緊張問題日益凸顯，采用高效節(jié)能的蒸發(fā)技術(shù)，降低蒸發(fā)濃縮過程操作的加工成本，受到了越來越多的關(guān)注。熱泵技術(shù)是一種將二次蒸汽升溫升壓，作為加熱蒸汽循環(huán)使用，再利用其潛熱的技術(shù)，具有高效，簡(jiǎn)單，適應(yīng)廣的特點(diǎn)。然而目前熱泵技術(shù)或者單獨(dú)應(yīng)用于單效的蒸發(fā)器中，或者僅使用在多效蒸發(fā)中的第一效上，未能充分發(fā)揮其

2、高效作用；應(yīng)用研究上也缺乏熱泵技術(shù)在蒸發(fā)系統(tǒng)中整體流程優(yōu)化的分析；一些適應(yīng)于特殊工藝條件的高效多級(jí)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)較少，熱泵升溫升壓能力受到限制。
　　 本文在結(jié)合熱泵技術(shù)本身優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了在普通熱泵多效蒸發(fā)流程中調(diào)節(jié)熱泵流程的可行性。依據(jù)熱泵蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)方法和熱泵應(yīng)用原則，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型的多效熱泵流程--間隔式熱泵多效蒸發(fā)流程。以四效NaOH溶液濃縮工藝為算例，分別設(shè)計(jì)計(jì)算了三種多效流程。在此基礎(chǔ)上，對(duì)新流程進(jìn)行物料

3、和熱量衡算，考察其蒸汽經(jīng)濟(jì)性，沸點(diǎn)升高，各效真空設(shè)備投資，總溫差即分配等因素。模型得到熱泵蒸發(fā)的單位蒸發(fā)能力為1.4，四效蒸發(fā)的蒸發(fā)能力為0.3155。結(jié)果表明，間隔式熱泵流程與普通熱泵多效蒸發(fā)流程在蒸汽經(jīng)濟(jì)A(n)上相當(dāng)，其有效總溫差teff僅為普通熱泵多效流程的21.8％，僅為10.5℃，能夠減少操作壓力費(fèi)用。由于其能夠在更多的效數(shù)上保持低溫水平，非常適于熱敏性物料的多效低溫蒸發(fā)濃縮。并對(duì)蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)和有效能損失分析，計(jì)

4、算結(jié)果表明，間隔式熱泵流程的年度總成本BC為普通熱泵多效流程的77％，有效能損失Lt也相對(duì)較小。
　　 蒸汽噴射式熱泵是一種由拉瓦爾噴嘴和收縮-擴(kuò)張式擴(kuò)壓器組成的流體機(jī)械。通過高壓蒸汽Pm的膨脹抽吸低壓二次蒸汽Ps，并在擴(kuò)壓器中得到壓力的恢復(fù)Pd；在動(dòng)量傳遞的過程中，也將能量從低品質(zhì)的二次蒸汽轉(zhuǎn)移到高品質(zhì)的混合蒸汽中來。蒸汽噴射式熱泵制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，是一種清潔高效的化工節(jié)能機(jī)械。傳統(tǒng)的單級(jí)蒸汽噴射式熱泵設(shè)計(jì)理論，偏重于經(jīng)驗(yàn)系

5、數(shù)選擇，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究有著極強(qiáng)的依賴性；而熱力學(xué)方法又與實(shí)際工作情況偏差較大。本文依據(jù)射流動(dòng)力學(xué)理論，推導(dǎo)了單級(jí)蒸汽噴射式熱泵的氣體動(dòng)力學(xué)理論抽吸模型，并與其他簡(jiǎn)化推導(dǎo)方法進(jìn)行比較。多級(jí)蒸汽噴射式熱泵的設(shè)計(jì)理論，通常是將上一級(jí)的熱泵出口蒸汽作為下一級(jí)的引射蒸汽。但這樣的方法未能考慮總壓縮比，膨脹比在各級(jí)之間合理分配的問題；特別是在匹配式多級(jí)熱泵系統(tǒng)中，更易造成各級(jí)設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)的矛盾。借助于數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，以減少總工作蒸汽消耗量為主要目的，建立

6、目標(biāo)函數(shù)，得到多級(jí)噴射式熱泵壓縮比分配的最優(yōu)化原則，即un-1=ψ(n-1)un。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)應(yīng)用于間隔式四效NaOH溶液濃縮工藝中蒸汽噴射式熱泵進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪制了設(shè)備CAD圖。降低了多級(jí)熱泵的生蒸汽耗量，從而也降低了整個(gè)流程的成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。
　　 隨著計(jì)算流體力學(xué)在上世紀(jì)的快速發(fā)展，商用化的CFD模擬軟件在各種流體機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中也得到廣泛的應(yīng)用。本文使用模擬軟件ANSYS-CFX對(duì)多級(jí)蒸汽噴射式熱泵進(jìn)行數(shù)值模