基于可调热泵的蒸汽冷凝水热力系统研究

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造纸工业在我国是一个资金和技术密集型的“朝阳产业”,作为国家“十一五”规划振兴产业,其主要发展方向是淘汰落后产能、走节能降耗的“低碳经济”之路。而长期制约着纸机车速、产量以及能耗的主要问题在于烘缸冷凝水排出不畅,为此国内外一直致力于干燥部供汽系统的研究。传统的纸机干燥部多段供汽系统属于被动式蒸汽串联供热系统,易出现烘缸积水,导致烘缸传热效率降低,影响纸张的干燥效率。从国外引进的热泵系统则有效避免了烘缸积水,提高了系统传热传质效率,实现了利用低参数品位的热源达到节能降耗的目的。但是同国外的可调节热泵相比,目前国内所采用的常规热泵具有调节范围相对较窄、适应纸种变化的范围不够宽等缺点。因此,研究可调热泵,利用它改造烘缸热力系统,对提高干燥效率和干燥部的节能有重大意义。本项目受陕西省科技型中小企业创新基金(10C26216103241)支持,针对我国纸机干燥部蒸汽冷凝水系统存在的一些问题,消化吸收国外在可调热泵设计方面的先进技术,并研发相配套的热力控制系统,用于对我国新上纸机的配套或对现有纸机蒸汽冷凝水系统的改造。本文主要工作总结如下:(1)对现有纸机干燥部各类供汽系统的优缺点分析,提出一种新式热泵供汽系统。它结合三段供汽与热泵供汽的优点,并采用可调热泵,以提供可靠的冷凝水排放、最大的热传递效率及最有效的蒸汽使用。总结热力系统中各参数的计算方法,通过实例计算得出新式热泵供汽系统的热力平衡计算方法,为合理设计供汽系统提供理论依据。(2)充分研究热泵在纸机干燥部热力系统的应用,在学习总结前人计算经验的基础上,通过分析常规热泵的设计方法,提出可调热泵的设计方法。从实际工况出发对可调热泵进行结构尺寸设计,并采用流体分析软件CFD对其进行数值模拟分析,判定可调热泵的性能参数的范围,并与理论计算结果进行对比,验证设计的合理性,使可调热泵在纸机干燥部中得到良好发挥,达到提高干燥效率、降低纸机能耗、改善成纸质量的目的。(3)通过分析现有常规热泵控制方式,提出适合于可调热泵的控制。通过对可调热泵采用低选控制,配以压力与压差控制回路,并对干燥部烘缸组采用压力分段与分程控制,不仅可以保证烘缸温升曲线的合理性,还能充分利用热能。此控制方式是基于西门子300PLC控制系统来实现的。(4)以湖南天和纸业的涂布白板纸机所采取的热力控制系统为例,对新式热泵供汽系统进行应用研究。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
1 绪论第12-24页
    1.1 课题研究目的与意义第12-13页
        1.1.1 课题研究目的第12-13页
        1.1.2 课题研究意义第13页
    1.2 干燥部蒸汽冷凝水系统概述第13-20页
        1.2.1 单段供汽系统第14页
        1.2.2 多段供汽系统第14-15页
        1.2.3 热泵供汽系统第15-18页
        1.2.4 新式热泵供汽系统第18-19页
        1.2.5 热泵供汽系统国内外水平第19-20页
    1.3 课题研究内容第20-24页
2 蒸汽冷凝水热力系统的研究第24-35页
    2.1 烘缸干燥原理第24-26页
        2.1.1 烘缸干燥区第24-25页
        2.1.2 干燥方式和干燥过程的阶段性第25页
        2.1.3 传质机理第25-26页
    2.2 烘缸的排布方式第26-28页
        2.2.1 烘缸温度曲线第26-28页
        2.2.2 烘缸分段布置对纸张性能与干燥部供汽量的影响第28页
    2.3 干燥部通风系统第28-29页
    2.4 热力系统主要参数计算第29-32页
        2.4.1 纸机生产能力的相关计算第29-30页
        2.4.2 烘缸的计算第30页
        2.4.3 耗热量及耗汽量的计算第30-31页
        2.4.4 管径的计算第31-32页
    2.5 实例计算第32-34页
    2.6 本章小结第34-35页
3 可调热泵的理论研究与结构设计第35-53页
    3.1 热泵的概述第35-40页
        3.1.1 喷管的理论分析第36-39页
        3.1.2 热泵理论设计方法第39-40页
    3.2 热泵的性能参数第40-43页
        3.2.1 工作参数第40-41页
        3.2.2 结构参数第41-43页
        3.2.3 主要性能指标第43页
    3.3 热泵的结构设计第43-48页
    3.4 可调热泵设计思想第48-50页
    3.5 可调热泵实例计算第50-52页
    3.6 本章小结第52-53页
4 热泵的数值模拟与研究第53-74页
    4.1 CFD 概述第53-55页
        4.1.1 CFD 基本控制方程第53-55页
        4.1.2 CFD 求解过程第55页
    4.2 热泵的模拟第55-65页
        4.2.1 初始条件及求解第56-59页
        4.2.2 性能研究第59-65页
    4.3 可调热泵的性能研究第65-69页
    4.4 不同喷嘴结构对可调热泵的影响第69-72页
    4.5 本章小结第72-74页
5 蒸汽冷凝水热力控制系统的设计第74-88页
    5.1 热泵供汽系统常用控制方案第74-79页
        5.1.1 压力与压差控制第74-75页
        5.1.2 闪蒸罐液位的连锁控制第75-76页
        5.1.3 比值控制第76-77页
        5.1.4 吹贯控制第77页
        5.1.5 热泵阀门开度的低选控制第77-79页
    5.2 新式热泵供汽系统控制单元第79-81页
    5.3 新式热泵供汽系统应用第81-85页
        5.3.1 系统配置第81-82页
        5.3.2 控制系统第82-85页
    5.4 本章小结第85-88页
6 总结与展望第88-90页
    6.1 全文工作总结第88-89页
    6.2 未来工作展望第89-90页
致谢第90-91页
参考文献第91-94页
附录 A:带测控点的工艺流程图第94-95页
攻读硕士期间所发表的学位论文及参加的项目第95-96页
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