蒸汽喷射式热泵

蒸汽喷射式热泵
一. 蒸汽热损失概述
1.1蒸汽节流减压造成的能量损失
在工业生产过程中，经常需要不同压力等级的蒸汽，传统的方法是采用节流减压的方式供热。

但是，蒸汽节流减压后会产生能量的无效贬值，使蒸汽质量降低，造成热能的浪费。

节流减压是一种典型的不可逆过程。

蒸汽在流道中流过突然缩小截面产生压力降的现象称为节流。

由于被节流的蒸汽在缩孔处产生强烈摩擦，使一部分动能用来克服摩擦阻力，这部分动能最后又转变成为热能被蒸汽本身所吸收。

虽然节流前后蒸汽的焓值没有变化，但涡流使大量分子由规则运动变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，使蒸汽的做功能力降低，质量变差。

1.2低压废蒸汽造成的热损失
许多工业生产领域都离不开使用蒸汽，如化工，橡胶，印染，制药，火力发电，集中供热等等。

在蒸汽的使用过程中，都不可避免地会产生大量的低压蒸汽。

低压蒸汽的特点是压力低、焓值低，回收起来投资大，经济性差，过去的做法往往是排入大气，直接放散。

这样既污染环境，不利于环保，又造成大量能源的浪费。

但是，由于低压蒸汽的特点，使其很难找到合理的用途。

1.3产生低压蒸汽的另一个途径是高温冷凝水。

新蒸汽在完成做功过程或加热过程，放出汽化潜热后，会形成高温冷凝水。

冷凝水在排放过程中，由于压力降低，再次产生闪蒸汽，其数量约占凝结水量的１０％左右。

这部分闪蒸汽也是低压蒸汽，回收难度大，又不经济，所以一般都排放掉了。

这部分闪蒸汽的数量可观，造成的能源浪费是不容忽视的。

1.4合理使用蒸汽是节约用能，提高企业经济效益的重要措施之一，它既包括蒸汽量的节约，也包括蒸汽质的节约。

所以，合理匹配蒸汽的压力等级，提高蒸汽的使用效率，回收低品位蒸汽，寻求节能的新途径，成为节能工作研究的新课题。

二. 蒸汽喷射式热泵
2.1蒸汽喷射式热泵的结构及工作原理
蒸汽喷射式热泵是射流技术在传热领域的应用。

蒸汽喷射式热泵技术起源于俄罗斯，从二十世纪八十年代开始传入中国，但基本上停留在学术研究方面，近几年才开始应用于工程领域。

蒸汽喷射式热泵具有
结构简单，投资小，运行可靠，热效率高，节约能源，有利于环保等特点。

蒸汽喷射式热泵主要由喷嘴、接受室、混合室、扩压室等几部分组成。

蒸汽喷射式热泵的工作原理是以蒸汽减压前后的能量差为动力，高压蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在此区域将低压蒸汽吸入设备，高压蒸汽在膨胀的同时压缩低压蒸汽，用高压蒸汽的裕压提高低压蒸汽的品位，然后通过混合室进行良好混合，混合后的蒸汽再通过扩压室恢复部分压力损失，达到要求的蒸汽压力后供给热用户使用。

根据高、低压蒸汽的参数可以对设备进行不同的结构设计，得到各种压力等级的蒸汽，满足不同热用户的要求。

通过蒸汽喷射式热泵吸入的低压蒸汽既可以是放散的废蒸汽，也可以是凝结水产生的闪蒸汽，使低焓热能得到充分利用，达到节约能源的目的。

蒸汽喷射式热泵的节能率可以达到35%左右，具有很好的实用性。

2.2蒸汽喷射式热泵的性能评价
(1)引射系数
引射系数等于被引射蒸汽与引射蒸汽的重量比，用μ表示。

它表明高压蒸汽引射低压蒸汽的能力。

即：
式中: Gl—低压蒸汽流量，t/h；
μ ==————————————
Gp—高压蒸汽流量，t/h；
（2）供热系数
以高品位工作蒸汽减压前后的能量差为动力，通过蒸汽喷射式热泵循环供给热用户的热量与所消耗的工作蒸汽热量之比，称为供热系数，用COP表示。

即：
hg+u hl
COP = -------------
hg
式中：hg—低压蒸汽的焓，kJ/kg；hl—高压蒸汽的焓，kJ/kg。

COP的数值越大，说明热泵的工作效率越高。

三.蒸汽喷射式热泵的应用方法
蒸汽喷射式热泵的使用方法很多，应用也很广泛，下面介绍几种蒸汽喷射式热泵经常使用的方法。

3.1蒸汽喷射式热泵式减温减压器
蒸汽喷射式热泵式减温减压器采用蒸汽喷射式热泵作为蒸汽减压器的主体，同时增加减温装置，组合成为喷射式减温减压装置。

它是一种新型的能够同时调节蒸汽压力和温度，回收废热蒸汽的高效节能设备。

蒸汽喷射式热泵式减温减压器与常规的减温减压器不同，常规减压器的热力过程是新蒸汽的有效能降低，能量贬值的过程；蒸汽喷射式热泵式减温减压器能使工作蒸汽的有效能得到合理利用。

3.2蒸汽压力匹配器
蒸汽压力匹配器是满足热用户对蒸汽不同压力要求的理想设备，它通过用高压蒸汽引射低压蒸汽，在降低高压蒸汽品位的同时提高低压蒸汽的品位，产生介于高、低压蒸汽压力之间各种压力的蒸汽。

蒸汽压力匹配器在为热电厂汽轮机中间抽汽供热做压力匹配方面已得到很好的应用。

3.3蒸汽喷射式热泵式凝结水回收装置
凝结水在排放过程中产生大量的闪蒸汽，由于找不到合适的用途，加之回收成本高，长期以来一直是放空，既浪费能源，又污染环境。

利用蒸汽喷射式热泵式凝结水回收装置可以回收凝结水产生的闪蒸汽，提高蒸汽品位后重新加以利用，带来良好的经济效益和社会效益。

3.4低压蒸汽升压再利用
对与使用几种不同压力蒸汽的企业，而热源又不能全部满足，可用蒸汽喷射式热泵将部分低压蒸汽升压，以满足工业生产的需要。

3.5设备排汽循环再利用
某些使用蒸汽的设备，由于其排汽压力低不能再利用，可用蒸汽喷射式热泵将排汽升压后并入供汽管网，可实现排汽循环再利用。

四、蒸汽喷射式热泵技术特点
4.1、操作简便，维修容易，可保证供汽压力稳定。

4.2、节能效益显著，在回收企业的不能利用的低压蒸汽、闪蒸汽，以回收蒸汽价格计算，年节汽价值再数十万到上百万以上。

4.3、自动控制系统可以保证用汽压力在流量30－100％范围内不变，解决了热用户有限波动的对设备效率的影响。

五.蒸汽喷射式热泵应用工程实例
5.1 蒸汽喷射式热泵供热方案实例
某热电公司新增热用户要求用汽参数为1.0MPa、300℃、25t/h，原供汽参数为0.55MPa、250℃，不能满足要求。

有两种供汽方案可供选择，第一方案是利用锅炉新汽经减温减压器供热方案；第二方案用蒸汽喷射热泵(压力匹配器)，将0.55MPa的蒸汽用部分新蒸汽喷射升压至1.0MPa、300℃方案。

第二方案有明显的优点，减少了节流不可逆损失，节约了锅炉新汽量，增加了0.55MPa供热抽汽，增加了热化发电量，提高了热能利用率。

经设计计算可减少锅炉3.5MPa、435℃新汽量8.3t/h，同时增加0.55MPa抽汽量8.3t/h，减温水1.2t/h，工质合计为25t/h。

因而减少燃煤量1018.96kg，年节标煤：7126.7t。

增加了热化发电量：524.35×10 4kW?h/年，
耗电按200g/kWh，
2000年我国平均供电煤耗为400g/kW?h，
则每度电节煤0.2kg，
则年节标煤为： 0.2×524.35×104=1048.7t
总节标煤量：7126.7+1038.7=8175.4t
如标煤价400元/吨，则年节人民币：
400×8175.4≈327万元/年，投资不到二个月就可回收，经济效益十分显著。

5.2蒸汽压力匹配器在某石化公司的应用
某石化公司生产用蒸汽有3.5Pa、1.6 MPa、1.0MPa、0.5MPa等多个等级，其中1.6 MPa蒸汽原来是利用3.5MPa新蒸汽减温减压后获得的。

为了节约能源，提高热能利用率，1998年该厂对供热系统进行了改造，用热泵式蒸汽压力匹配器取代传统的减温减压器，以3.5MPa新蒸汽为驱动蒸汽，引射0.9 MPa的汽轮机排汽，两种蒸汽混合后达到1.6 MPa。

工艺要求提供的蒸汽温度为220℃，蒸汽压力匹配器输出的蒸汽温度为380℃，后接喷水减温器进行温度调节。

为了实现自动调节和保证蒸汽参数稳定，该系统还安装了自动控制系统。

投入运行后，工作可靠，经济效益明显。

在设计工况下，引射系数可以达到0.3，在输出汽量为18t/h时，可以引射0.9 MPa蒸汽4.15t/h。

在正常生产情况下，蒸汽用量为8t/h，按引射比1∶0.3计算，每年可利用排汽总量为1.71万吨。

按发电汽耗14.83kg/kwh计算，每年可多发电115万度，增加效益37.72万元。

设备总投资为14万元，投资回收期为4个月。

5.3热泵式凝结水回收装置在某食品厂的应用
某厂在生产方便面过程中，，需用0.2 MPa蒸汽蒸煮面丝，0.2 MPa蒸汽利用0.9 MPa新蒸汽减压减温后制得。

蒸煮后的面丝再用油炸，油需要加热到165℃。

原工艺过程是用0.9 MPa蒸汽加热油，蒸汽用后产生的高温凝结水和闪蒸汽直接排入地沟，估计热能总损耗在30%以上。

该厂于1997年对供热系统进行了改造，采用蒸汽喷射式热泵式凝结水回收装置回收凝结水和闪蒸汽，通过蒸汽喷射式热泵用0.9 MPa新蒸汽引射凝结水闪蒸汽，使之提高到0.2 MPa，供蒸煮面丝用汽。

降压后的凝结水供给浴室使用。

该系统投入运行后，回收凝结水量为2t/h，回收闪蒸汽量为1.23t/h。

以年运行7000小时计算，年节约价值为：
（1）回收闪蒸汽价值
1.23×7000×87=74.91万元（当地蒸汽价格为87元/吨）
（2）回收凝结水的热价值
年回收凝结水热量约折合2000吨蒸汽，其价值为：
2000×87=17.4万元
（3）回收凝结水的水价值
2×7000×1=1.4万元（水价按1元/吨计算）
(4)总回收价值
74.91+174+1.4=93.71万元
工程总投资为13万元，投资回收期约为2个月。

六. 蒸汽喷射式热泵安全运行问题
6.1蒸汽喷射式热泵原理与汽轮机凝汽器射汽抽气器原理相同，因设备简单，无转动元件，运行安全可靠。

6.2在蒸汽喷射式热泵引入蒸汽(低压)抽汽管道上装有逆止阀，加上汽轮机抽汽管道上的止回阀及速关阀，足能保证蒸汽喷射式热泵汽不会倒流入汽轮机。

6.3蒸汽喷射式热泵可以根据需要配有温度和压力自控装置，装有智能Ⅲ型仪表，可以和计算机联网。

温度和压力的自控，通过PI调节器实现，与一般减温减压器自动控制原理相同。

出口压力和温度都非常稳定。

在蒸汽喷射式热泵出口，装有安全阀，保证事故时，管道安全减压。

七.蒸汽喷射式热泵订货需知
7.1 签订合同时应提供下列相关工艺参数，驱动蒸汽压力、温度、流量；引射蒸汽压力、温度、流量；混合出口压力、温度、流量。

7.2 控制方式：按需要选择手动或自动控制装置。

八.结束语
从节约能源的观点出发，既要考虑蒸汽量的匹配，也要考虑蒸汽质的匹配，按蒸汽的品位分级供热，同时尽可能回收余热，把热能损失降到最小，这是提高企业经济效益的重要途径。

蒸汽喷射式热泵是一种可用性很强的节能设备，具有很大的节能潜力，应该得到大力推广使用。

徐州金方热力节能设备有限公司xyb2825@
2011-04-05。