多級熱泵的流程和結構優(yōu)化及CFD模擬.pdf

1、蒸發(fā)濃縮是一種常用的熱分離技術，在化工，醫(yī)藥，發(fā)酵等領域有著廣泛且重要的應用。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，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注。熱泵技術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，具有高效，簡單，適應廣的特點。然而目前熱泵技術或者單獨應用于單效的蒸發(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；應用研究上也缺乏熱泵技術在蒸發(fā)系統(tǒng)中整體流程優(yōu)化的分析；一些適應于特殊工藝條件的高效多級熱泵系統(tǒng)設計開發(fā)較少，熱泵升溫升壓能力受到限制。
　　 本文在結合熱泵技術本身優(yōu)點的基礎上，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)裝置設計方法和熱泵應用原則，開發(fā)設計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，分別設計計算了三種多效流程。在此基礎上，對新流程進行物料

3、和熱量衡算，考察其蒸汽經(jīng)濟性，沸點升高，各效真空設備投資，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A(n)上相當，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。并對蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)進行熱經(jīng)濟學和有效能損失分析，計

4、算結果表明，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也相對較小。
　　 蒸汽噴射式熱泵是一種由拉瓦爾噴嘴和收縮-擴張式擴壓器組成的流體機械。通過高壓蒸汽Pm的膨脹抽吸低壓二次蒸汽Ps，并在擴壓器中得到壓力的恢復Pd；在動量傳遞的過程中，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單，價格低廉，是一種清潔高效的化工節(jié)能機械。傳統(tǒng)的單級蒸汽噴射式熱泵設計理論，偏重于經(jīng)驗系

5、數(shù)選擇，對實驗研究有著極強的依賴性；而熱力學方法又與實際工作情況偏差較大。本文依據(jù)射流動力學理論，推導了單級蒸汽噴射式熱泵的氣體動力學理論抽吸模型，并與其他簡化推導方法進行比較。多級蒸汽噴射式熱泵的設計理論，通常是將上一級的熱泵出口蒸汽作為下一級的引射蒸汽。但這樣的方法未能考慮總壓縮比，膨脹比在各級之間合理分配的問題；特別是在匹配式多級熱泵系統(tǒng)中，更易造成各級設計不協(xié)調(diào)的矛盾。借助于數(shù)學規(guī)劃的方法，以減少總工作蒸汽消耗量為主要目的，建立

6、目標函數(shù)，得到多級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)化設計結果，對應用于間隔式四效NaOH溶液濃縮工藝中蒸汽噴射式熱泵進行設計計算，并繪制了設備CAD圖。降低了多級熱泵的生蒸汽耗量，從而也降低了整個流程的成本，增加經(jīng)濟效益。
　　 隨著計算流體力學在上世紀的快速發(fā)展，商用化的CFD模擬軟件在各種流體機械優(yōu)化設計中也得到廣泛的應用。本文使用模擬軟件ANSYS-CFX對多級蒸汽噴射式熱泵進行數(shù)值模