三效順流蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的初步經(jīng)濟(jì)核算

該濕熱裝置將低溫光源的熱量轉(zhuǎn)化為高溫光源。這是一個(gè)使用廣泛的熱敏電阻的強(qiáng)大工具。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、化工等行業(yè)，在節(jié)能和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。多效蒸發(fā)結(jié)合熱泵技術(shù)是廣泛應(yīng)用于化工、輕工、食品、制藥等工業(yè)的蒸發(fā)節(jié)能技術(shù),但是目前對(duì)熱泵蒸發(fā)的計(jì)算和優(yōu)化研究相對(duì)較少,多數(shù)研究集中在多效蒸發(fā)的計(jì)算和優(yōu)化方面。關(guān)于熱泵蒸發(fā)以海水淡化方面的研究居多,但海水淡化的熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)不完全適用于常規(guī)的蒸發(fā)作業(yè),因此對(duì)常規(guī)多效熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)計(jì)算的深入研究可以繼續(xù)拓展其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。本文針對(duì)三效順流蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB軟件的fsolve函數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解,并以蒸發(fā)裝置年費(fèi)用為目標(biāo)進(jìn)行初步經(jīng)濟(jì)核算。1熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三效順流蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的流程示意圖如圖1所示,生蒸汽通過(guò)蒸汽噴射器抽取部分一效產(chǎn)生的二次蒸汽,混合后進(jìn)入一效加熱室,其余部分進(jìn)入二效加熱室,末效二次汽進(jìn)入冷凝器冷凝。料液順次進(jìn)入一效、二效、三效蒸發(fā)器,濃縮液從三效排出。為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)做如下設(shè)定:①忽略冷凝液余熱及末效二次汽余熱。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,可以利用冷凝液余熱和末效二次汽余熱來(lái)提高原料液進(jìn)蒸發(fā)器的溫度;②冷凝真空度受冷卻水溫、真空泵功率等條件制約,提高真空度可提高傳熱溫差,但也增加真空系統(tǒng)動(dòng)力費(fèi)?？紤]到實(shí)際工程中多采用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì),而循環(huán)水受環(huán)境溫度限制,工程中冷凝溫度一般取高于水溫3～5℃,因此可將冷凝真空度當(dāng)作已知量來(lái)處理;③對(duì)不同類型的蒸發(fā)器,有效傳熱溫差不得低于蒸發(fā)器正常運(yùn)行時(shí)所允許的最小傳熱溫差。一般對(duì)于降膜蒸發(fā)器,最小傳熱溫差不低于5℃,而對(duì)于其他型式的蒸發(fā)器,最小傳熱溫差一般大于5℃。本文算例中采用降膜蒸發(fā)器。1.1蒸發(fā)量對(duì)i效溶質(zhì)進(jìn)行物料衡算:F0x0=Fixi(1)F0x0=Fixi(1)式中,F0為料液進(jìn)料量,kg/h;x0為料液初始濃度,%;Fi為第i效出料量,kg/h;xi為第i效料液濃度,%?？傉舭l(fā)量等于各效蒸發(fā)量之和,即:W=3∑i=1Wi=F0(1-x0/x3)(2)W=∑i=13Wi=F0(1?x0/x3)(2)式中,W為總蒸發(fā)量,kg/h;Wi為第i效蒸發(fā)量,kg/h;x3為完成液濃度,%。1.2等熵模型第一效D1=η1{[(F0-W1)h1+W1Η′1-F0h0]/r1}(3)D1=η1{[(F0?W1)h1+W1H′1?F0h0]/r1}(3)式中,D1為一效加熱蒸汽量,kg/h;η1為一效熱利用系數(shù);h0為原料液的焓,kJ/kg;h1為出一效料液的焓,kJ/kg;H′1為一效二次蒸汽的焓,kJ/kg;r1為一效加熱蒸汽氣化潛熱,kJ/kg。第二效W1-E=η2[(W2Η′2+F2h2-F1h1)/r2](4)E=[u/(u+1)]D1(5)W1?E=η2[(W2H′2+F2h2?F1h1)/r2](4)E=[u/(u+1)]D1(5)式中,E為抽取的一效二次蒸汽量,kg/h;η2為二效熱利用系數(shù);F2為出二效料液量,kg/h;h2為出二效料液的焓,kJ/kg;H′2為二效二次蒸汽的焓,kJ/kg;r2為二效加熱蒸汽汽化潛熱,kJ/kg;u為噴射系數(shù),用索科洛夫方法計(jì)算,公式如下:u=(1/st)?[(0.834?λGE-Κ3?λc3)/(Κ4?λc3-0.812?λΗ2)](6)qE2=(u?st)/{(pE/pc)?[(1+u?st)/qc3]-(pE/pG)?(1/qGE)}(7)Κ3=1+0.9?(pc/pG)?[(Πc3-pE/pc)/(k?Π*λc3?qGE)](8)Κ4=1+0.9?(pc/pE)?[(Πc3-Πc2)/(k?Π*?λc3?qE2)](9)u=(1/st)?[(0.834?λGE?K3?λc3)/(K4?λc3?0.812?λH2)](6)qE2=(u?st)/{(pE/pc)?[(1+u?st)/qc3]?(pE/pG)?(1/qGE)}(7)K3=1+0.9?(pc/pG)?[(Πc3?pE/pc)/(k?Π?λc3?qGE)](8)K4=1+0.9?(pc/pE)?[(Πc3?Πc2)/(k?Π??λc3?qE2)](9)式中,st為相對(duì)溫度;λ為折算等熵速度,m/s;K為速度修正系數(shù);q為折算質(zhì)量速度,m/s;p為壓力,Pa;Π為相對(duì)壓力;k為絕熱系數(shù)。第三效W2=η3[(W3Η′3+F3h3-F2h2)/r3](10)W2=η3[(W3H′3+F3h3?F2h2)/r3](10)式中,η3為三效熱利用系數(shù);F3為完成液量,kg/h;h3為完成液的焓,kJ/kg;H′3為三效二次蒸汽的焓,kJ/kg;r3為三效加熱蒸汽氣化潛熱,kJ/kg。1.3各效關(guān)系第一效A1=Q1/Κ1Δt1=D1r1/Κ1Δt1(11)A1=Q1/K1Δt1=D1r1/K1Δt1(11)第二效A2=Q2/Κ2Δt2=(W1-E)r2/Κ2Δt2(12)A2=Q2/K2Δt2=(W1?E)r2/K2Δt2(12)第三效A3=Q3/Κ3Δt3=W2r3/Κ3Δt3(13)A3=Q3/K3Δt3=W2r3/K3Δt3(13)式中,A為換熱面積,m2;Q為熱負(fù)荷,kJ/h;Δti為各效有效傳熱溫差,℃。其中,有效傳熱溫差Δti的計(jì)算式為:Δti=Τi-Τi+1-(Δ′i+Δ″i+Δ?i)(14)Δti=Ti?Ti+1?(Δ′i+Δ′′i+Δ′′′i)(14)1.4計(jì)算系統(tǒng)集成系數(shù),vwtk時(shí),有以下幾種年費(fèi)用主要考慮生蒸汽費(fèi)用M1、蒸發(fā)器折舊及維修費(fèi)用M2和真空系統(tǒng)費(fèi)用M3,其他費(fèi)用所占比例較小,在進(jìn)行初步經(jīng)濟(jì)核算時(shí)可忽略不計(jì)。Μ1=7200G?Ι(15)M1=7200G?I(15)式中,G為生蒸汽耗量,kg/h;I為生蒸汽單價(jià),元/kg。Μ2=ac3∑i=1{[4400+(ΖS-620)]×1.2×(0.667+0.0287Ai)Ζi}(16)M2=ac∑i=13{[4400+(ZS?620)]×1.2×(0.667+0.0287Ai)Zi}(16)式中,ac為蒸發(fā)器年折舊及維修率,元/a;i表示任一效;n表示效數(shù);ZS為市場(chǎng)鋼材價(jià)格,元/t;Ai為第i效傳熱面積,m2;Zi為增資系數(shù),當(dāng)Ai≤100m2時(shí),Zi=1;當(dāng)100m2<Ai≤200m2時(shí),Zi=1.2;當(dāng)200m2<Ai≤400m2時(shí),Zi=1.5。Μ3=7200c1c2(21+1450V2W)VWρ/102ηp(17)M3=7200c1c2(21+1450V2W)VWρ/102ηp(17)式中,c1為涼水等動(dòng)力費(fèi)附加系數(shù);c2為電費(fèi),元/(kWh);ηp為真空系統(tǒng)水泵效率;ρ為水的密度,kg/m3。VW采用文獻(xiàn)的計(jì)算方法。出口處混合液的排出溫度取低于冷凝蒸汽溫度5℃,則:VW=W3(r3+cW×5)/[ρWcW(Τ4-5-tW)](18)式中,Wn為末效水分蒸發(fā)量,kg/h;rK為末效二次蒸汽的汽化潛熱,J/kg;cW為水的比熱,J/(kg·℃),ρW為冷卻水的密度,kg/m3;TK為冷凝器中二次蒸汽的溫度,℃;t冷為冷卻水進(jìn)口溫度,℃。2熱泵計(jì)算年費(fèi)用對(duì)多效蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)而言,一般生蒸汽費(fèi)用是影響年費(fèi)用的主要因素,而生蒸汽用量受噴射系數(shù)u影響較大,同時(shí)T1、T2是影響噴射系數(shù)u的主要因素,因此把T1、T2作為影響因素對(duì)年費(fèi)用進(jìn)行分析。首先將雙變量T1、T2轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫兞壳蠼?然后聯(lián)立方程(1)～(14),建立非線性方程組,由于加入熱泵后方程組非線性很強(qiáng),傳統(tǒng)的牛頓迭代法和Broyden法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),且不易收斂,所以采用MATLAB提供的fsolve函數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解,該法可以針對(duì)非線性方程組的特點(diǎn)選擇最優(yōu)的算法,計(jì)算時(shí)間短,收斂快,其計(jì)算誤差在10-6以內(nèi),可以滿足工程計(jì)算的要求。最后計(jì)算年費(fèi)用并選取計(jì)算結(jié)果。計(jì)算流程圖如圖2所示。計(jì)算過(guò)程已經(jīng)用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)。3最佳方案的確定設(shè)計(jì)一套三效順流蒸汽噴射式熱泵糖液蒸發(fā)系統(tǒng),將含糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液濃縮到50%,進(jìn)料量為1.8kg/s,飽和生蒸汽的壓力為0.7MPa,冷凝器的冷凝壓力為13.7kPa,進(jìn)料溫度為65℃。各效總傳熱系數(shù)分別為K1=3120W/(m2·℃),K2=1990W/(m2·℃),K3=1130W/(m2·℃)。Δ′=1.78x+6.22x2(℃)。二次蒸汽流動(dòng)阻力溫度損失為1℃,每效傳熱溫差不低于5℃。溶液的比熱為Cp=4.19-2.35x[kJ/(kg·℃)]。設(shè)定后兩效傳熱面積相等,忽略溶解熱。選取不同T1、T2進(jìn)行計(jì)算,部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表1中不同T1、T2組合,結(jié)果不同,選取年費(fèi)用最小的那組解即為最佳設(shè)計(jì)方案。本算例的最佳方案為表1中第三組設(shè)計(jì)結(jié)果。將計(jì)算結(jié)果以三維坐標(biāo)顯示,如圖3所示,年費(fèi)用隨T1、T2變化而變化,最小年費(fèi)用是圖示曲面的最低點(diǎn),即(81,74)處。從圖4可以看出,在不同T1下,傳熱溫差越小,年費(fèi)用越小,且當(dāng)T1最小,傳熱溫差最小時(shí),年費(fèi)用最小。在工程設(shè)計(jì)時(shí),