热泵在纸机上的应用

[摘 要] 本文就热泵的由来、热力循环型式及在纸机上的应用进行分析。

[关键词] 热泵 能源 纸机

我国是能源消耗的大国，虽然我国能源产业发展得很快，但仍难以满足国民经济发展的需要，因此，节能是我国目前能源政策的基点之一。造纸业是能源消耗的大户，纸张干燥过程是造纸过程中的主要耗能过程之一。干燥部是造纸机的一个重要的组成部分。纸页经过压榨部以后，其干度约为33%~55%，纸页中残余水分必须在纸机的干燥部蒸发脱除，干燥后纸页的干度要求达到92%~96%，蒸发过程需要大量的热能，通常以蒸汽的形式供给。干燥部一般是纸机中耗能最大的，热能从蒸汽传递到纸幅需要有相当大的传热面积。因此在多数情况下，干燥部实际上也是纸机最庞大的部分。

一、热泵的由来

随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授，提出了热量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了热泵的设想。

当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对由于采暖方式及其对环境的影响尚没有足够的意识。人们采暖的方式主要是燃煤和木材，因此，热泵的发展长期明显滞后于制冷机的发展。

上世纪30年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战以后，工业经济的增长带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供热及工业用热的发展。1973年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界各领域范围内的发展。

二、热泵的主要型式

按照热泵系统的热力循环型式，通常分为六类：

1. 蒸汽压缩式热泵

2. 气体压缩市热泵

3. 蒸汽喷射式热泵

4. 吸收式热泵

5. 热电式热泵

6. 太阳能热泵

三、热泵在纸机上应用的主要型式

蒸汽喷射式热泵供热系统必须按热用户用汽参数的要求对运行工况进行调节。蒸汽喷射式热泵按调节控制方式，可分为质量调节和流量调节两种类型。

(1)蒸汽质量调节热泵(也称不可调节热泵)。不可调节式热泵的工作蒸汽干管上设置了调节阀，热泵本身不配有调节装置，当纸机运行工况即供汽压力和流量发生变化时，需调节热泵进口工作蒸汽干管上的调节阀。在调节过程中，蒸汽调节阀开度变化会改变进入热泵的工作蒸汽压力，从而改变热泵进口新蒸汽做功的能力。特别是当纸机用汽负荷减少，蒸汽调节阀开度减小，实际供给热泵进口的新蒸汽压力降低，致使热泵进口工作蒸汽和热泵出口蒸汽压差减小，热泵做功能力降低，工作效率下降。

(2)蒸汽流量调节热泵(也称可调节热泵)。可调节式热泵进口工作蒸汽干管上无需设置调节阀，热泵本身设置执行机构、阀门定位器等。可调节式热泵在纸机运行工况调节过程中，只需调节喷嘴的断面积，热泵进口新蒸汽压力不变，其单位流量新蒸汽做功能力也不变，纸机在各种运行工况条件下，热泵均可保持高效运行。

四、蒸汽喷射式热泵的原理

纸机干燥部热泵采用蒸汽喷射式热泵(或称蒸汽压缩机)。蒸汽喷射式热泵利用热电站或锅炉供给蒸汽压力和烘缸用汽压力差的能量转换为热泵的动力。工作流体通过喷嘴l在接受室2中将低品位流体吸入，工作流体和被引射的低压流体在混合室3内进行混合和能量交换后，逐步充满整个截面，建立起均匀的速度场，在扩压器4中压缩后的混合流体流速降低，混合流体压力增加至热用户要求的供汽压力。图1：

图1

五、在纸机上的应用

造纸企业生产所用蒸汽由热电厂提供。纸机烘缸原采用三段通汽方式（图2），系统采用新鲜蒸汽首先给高温段烘缸加热用，由段烘缸排出的蒸汽冷凝水中产生的二次蒸汽供给段烘缸加热用，由段烘缸排出的蒸汽冷凝水中产生的二次蒸汽再供段烘缸加热用，由段烘缸排出的蒸汽冷凝水中产生的二次蒸汽再供热交换器加热用，不凝气体由真空泵排出,冷凝水送回锅炉房用。各段烘缸间依靠各段汽水分离器的压力差推动热力系统循环和进行冷凝水多次蒸发，由此可见，三段通汽系统是一个被动的蒸汽串联系统，它要想实现同造纸机干燥部各段烘缸的用汽压力和耗汽量合理匹配平衡，必须增加控制手段。串联通汽在实际运行中存在以下问题：一是烘缸蒸汽传热效率低，造成吨纸汽耗较大；二是纸机提速困难，产量难以提高；三是生产品种变化时设备故障频繁，断纸现象比较严重；四是操作和控制复杂。纸机干燥部蒸汽、冷凝水级联(多段)通汽存在的问题，它们一直困扰着人们,而热泵供汽技术的出现,解决上述问题就有了希望。

图2

利用热泵替代阀门节流减压执行器所需品位和数量的蒸汽，利用蒸汽减压前后的能量差使其工作蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸汽，提高能级后再供生产使用。特别是在蒸汽喷射式热泵工作过程中（见如图3），在闪蒸罐中将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后供给纸机烘缸加热，同时降低了闪蒸罐的工作压力，增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差，有利于蒸汽冷凝水通畅排出。冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利用。在热泵供汽系统中，各段纸机烘缸排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸，依次产生不同品位的二次蒸汽，蒸汽冷凝水降低温度后，再排出冷凝水罐。如I段烘缸排出的蒸汽冷凝水进入一级冷凝水闪蒸罐，产生二次蒸发汽经热泵增压后供一段烘缸加热用，由一级闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水进入二级闪蒸罐进行多级闪蒸，热能得到了充分利用。

近年来，我国许多厂家在工程项目中大多使用热泵技术，如佳纸集团、青山纸业二号机、富阳永泰二期、平湖景兴15万吨扩建、上海新伦改造、晨鸣汉阳、赤壁晨呜、等项目，采用可调式热泵供热系统，达到了节约蒸汽，提高产品质量和产量的目的。为提高纸机车速、增加产量和经济合理配备烘缸创造了先决条件。

作者简介：

马清祥（1954-），男，黑龙江佳木斯人，佳木斯龙江福浆纸有限公司工程师。