【文章內(nèi)容簡介】 能的開發(fā)利用，主要是采用單級或多級物理過濾法，先將廢水中常見的固體懸浮物過濾后進(jìn)入常規(guī)或改良后的殼管式、板式、螺旋板式等“ 間壁式換熱設(shè)備 ”內(nèi)進(jìn)行熱能提取。國外有采用 “膜過濾”技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)。采用物理過濾法可以有效去除廢水中的固體顆粒，對于防止換熱設(shè)備阻塞有一定的效果，但對于溶解于水中的離子狀態(tài)的鹽堿類物質(zhì)基本無效。在換熱過程中由于廢水溫度降低，導(dǎo)致鹽堿類物質(zhì)過飽和，必然在換熱壁面產(chǎn)生析出性結(jié)晶，造成換熱壁面污染，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備傳熱系數(shù)下降或堵塞。所以對于換熱設(shè)備必須定期或不定期進(jìn)行清洗，一般清洗周期不足 30 天。而清洗方法往往是采用酸溶液浸泡，不僅會對金屬換熱面造成進(jìn)一步腐蝕，同時極易對環(huán)境造成二次污染。也有一些企業(yè)采用提高廢水側(cè)流速等方法，以期通過廢水的高速流動將一部分結(jié)晶體帶走，但效果不明顯，僅僅對結(jié)晶問題起到了有限的延緩作用。但由于流速的提高必然增加水泵的輸送能耗，同時由于水流的沖刷以及部分固體顆粒的磨損，加速了設(shè)備的腐蝕。對于工業(yè)廢水的腐蝕問題，尚未發(fā)現(xiàn)有很好的解決辦法。要想換熱效果好，必然需要采用熱導(dǎo)率較高的金屬作為換熱壁面，而工業(yè)廢水往往都是偏酸性或堿性，加上水中各種陰、陽離子的含量比較多，腐蝕性強烈，腐蝕機理比較復(fù)雜，一般的不銹鋼、碳鋼等常用的換熱材質(zhì)使用壽命都很短，一般不超過 5 年。近年來也有企業(yè)嘗試采用鈦合金或雙相不銹鋼等抗腐蝕性較強的金屬作為換熱壁面，但由于成本過高，未能得到推廣。 主要研究內(nèi)容反復(fù)使用的沖渣水中必然會溶解部分硅酸鈣，同時溶進(jìn)了爐渣中含有的多種無機鹽和氧化物，形成了飽和狀態(tài)的溶液。換熱器提熱時，溶解在沖渣水中的鹽類物質(zhì)遇到冷的換熱器壁面，就會在冷壁面上結(jié)晶，造成換熱設(shè)備的堵塞乃至失效。如何在在不影響換熱效率的情況下解決換熱設(shè)備的堵塞及冷壁面是的結(jié)晶問題是我的主要研究內(nèi)容。 本設(shè)計主要完成的內(nèi)容本設(shè)計主要要完成的工作內(nèi)容包括以下幾個方面：、選擇、論證，主要設(shè)備選型計算、冷凝器裝配圖、零部件圖 800kw 煉鋼廠冷卻水水源熱泵系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文總之，本設(shè)計的任務(wù)就是設(shè)計出符合性能要求的熱泵機組。 熱泵技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展（Sadi karnot）在 1824 年首次以論文提出“卡諾循環(huán)” 理論，這成為熱泵技術(shù)的起源。 1852 年英國科學(xué)家開爾文（）提出，冷凍裝置可以用于加熱，將逆卡諾循環(huán)用于加熱的熱泵設(shè)想。他第一個提出了一個正式的熱泵系統(tǒng)，當(dāng)時稱為“熱量倍增器” 。之后許多科學(xué)家和工程師對熱泵進(jìn)行了大量研究，研究持續(xù) 80 年之久。1912 年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設(shè)備用于供暖，這是早期的水源熱泵系統(tǒng)，也是世界上第一套熱泵系統(tǒng)。熱泵工業(yè)在 20世紀(jì) 40 年代到 50 年代早期得到迅速發(fā)展，家用熱泵和工業(yè)建筑用的熱泵開始進(jìn)入市場，熱泵進(jìn)入了早期發(fā)展階段。20 世紀(jì) 70 年代以來，熱泵工業(yè)進(jìn)入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構(gòu)和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發(fā)展計劃，熱泵新技術(shù)層出不窮，熱泵的用途也在不斷的開拓，廣泛應(yīng)用于空調(diào)和工業(yè)領(lǐng)域，在能源的節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面起著重大的作用。21 世紀(jì)，隨著“ 能源危機 ”出現(xiàn)，燃油價格忽升，經(jīng)過改進(jìn)發(fā)展成熟的熱泵以其高效回收低溫環(huán)境熱能，節(jié)能環(huán)保的特點，重新登上歷史舞臺，成為當(dāng)前最有價值的新能源科技。前國際熱能署專門成立國際熱泵中心，設(shè)立熱泵推廣工程（Heat Pump Programme），向世界上各國推廣協(xié)調(diào)熱泵技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。美、加、瑞典、德、日、韓等國政府均發(fā)出專門官方指引，促進(jìn)熱泵技術(shù)的社會應(yīng)用。相對世界熱泵的發(fā)展，中國熱泵的研究工作起步約晚 2030 年左右。新中國成立后，隨著工業(yè)建設(shè)新高潮的到來，熱泵技術(shù)才開始引入中國。進(jìn)入 21世紀(jì)后，由于中國沿海地區(qū)的快速城市化、人均 GDP 的增長、2022 年北京奧運會和 2022 年上海世博會等因素拉動了中國空調(diào)市場的發(fā)展，促進(jìn)了熱泵在中國的應(yīng)用越來越廣泛，熱泵的發(fā)展十分迅速，熱泵技術(shù)的研究不斷創(chuàng)新。從 2022 年熱泵起步開始，經(jīng)過 5 年的培育，中國熱泵行業(yè)開始從導(dǎo)入期轉(zhuǎn)入成長期。熱泵行業(yè)快速發(fā)展，一方面得益于能源緊張使得熱泵節(jié)能優(yōu)勢越來越明顯，另一方面與多方力量的加入推動行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新有很大關(guān)系 設(shè)計原理概述熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷系統(tǒng)的工作原理是一致的。要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得制冷系統(tǒng)的工作原理。制冷系統(tǒng)（壓縮式制冷）一般由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。其工作過程為：低溫低壓的液態(tài)制冷劑（例如氟利昂） ，首先在蒸發(fā)器（例如空調(diào)室內(nèi)機）里從低溫?zé)嵩矗ɡ绯乜諝猓┪鼰岵饣傻蛪赫魵?。然后制冷劑氣體在壓縮機內(nèi)壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內(nèi)被低溫?zé)嵩矗ɡ缋鋮s水）冷卻凝結(jié)成高壓液體。再經(jīng)節(jié)流元件（毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節(jié)流成低溫低壓液態(tài)制冷劑。如此就完成一個制冷循環(huán)。本設(shè)計采用的是單級蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)，是由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥四個基本部件組成。它們之間用管道依次連接，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化，與外界進(jìn)行熱量交換。 劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、被壓縮機吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(zhì)(水或空氣) 放熱，冷凝為高壓液體、經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑、再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化，達(dá)到循環(huán)制冷的目的。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個基本過程完成一個制冷循環(huán)。 在熱泵系統(tǒng)中，蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機和節(jié)流閥是制冷系統(tǒng)中必不可少的四大件，這當(dāng)中蒸發(fā)器是從低品味熱源中提取熱量的設(shè)備。制冷劑在其中吸收被冷卻物體的熱量實現(xiàn)相變。壓縮機是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機功所轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)帶走。節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。實際制冷系統(tǒng)中，除上述四大件之外，常常有一些輔助設(shè)備，如電磁閥、分配器、干燥器、集熱器、易熔塞、壓力控制器等部件組成，它們是為了提高運行的經(jīng)濟性，可靠性和安全性而設(shè)置的。熱泵的性能一般用制冷系數(shù)（COP 性能系數(shù)）來評價。制冷系數(shù)的定義為由低溫物體傳 到高溫物體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的制冷系數(shù)為34 左右，也就是說，熱泵能夠?qū)⒆陨硭枘芰康?3 到 4 倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。所以熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，工作時它本身消耗很少一部分電能，卻能從環(huán)境介質(zhì)（水、空氣、土壤等）中提取 47 倍于電能的裝置，提升溫度進(jìn)行利用，這也是熱泵節(jié)能的原因。歐美日都在競相開發(fā)新型的熱泵。據(jù)報導(dǎo)新型的熱泵的制冷系數(shù)可 6 到 8。如果這一數(shù)值能夠得到普及的話，這意味著能源將得到更有效的利用。熱泵的普及率也將得到驚人的提高。 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇本設(shè)計是為了滿足煉鋼廠冷卻水中廢熱的二次利用而設(shè)計的能夠長期保持高效、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)鋼鐵廠沖渣水余熱回收利用的熱泵裝置。高爐沖渣水實際是一種成分復(fù)雜的含氧化鈣、二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂的水溶液，由于常年反復(fù)利用并不更新，已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，其中水渣雜質(zhì)在沖渣水中以固體顆?；驊腋∥锏男问酱嬖?。而且沖渣水的溶解性總固體的含量也是很高的。由于其中含有大量達(dá)到飽和程度的鈣鎂離子等雜質(zhì)，利用現(xiàn)有常規(guī)的方式讓沖碴水直接進(jìn)入供熱管網(wǎng)或利用板式換熱器、殼管式換熱器等換熱裝置進(jìn)行熱能提取時，均會造成鈣鎂離子迅速、大量結(jié)晶，附著在換熱表面，造成系統(tǒng)無法運行，清洗維護(hù)也異常復(fù)雜。而且對于工業(yè)廢水的腐蝕問題，尚未發(fā)現(xiàn)有很好的解決辦法。要想換熱效果好，必然需要采用熱導(dǎo)率較高的金屬作為換熱壁面，而工業(yè)廢水往往都是偏酸性或堿性，加上水中各種陰、陽離子的含量比較多，腐蝕性強烈，腐蝕機理比較復(fù)雜，一般的不銹鋼、碳鋼等常用的換熱材質(zhì)使用壽命都很短，一般不超過 5 年。近年來也有企業(yè)嘗試采用鈦合金或雙相不銹鋼等抗腐蝕性較強的金屬作為換熱壁面，但由于成本過高，未能得到推廣。因此，如何避免掛垢、阻塞等問題，實現(xiàn)高爐沖渣水的余熱利用，是一個本設(shè)計的主要難題。核心問題是從沖渣水能夠間接提取余熱，壁面沖渣水與換熱器壁面的直接接觸。實現(xiàn)換熱器不結(jié)垢、不堵塞，傳熱系數(shù)高，可以長期穩(wěn)定工作。為了將沖渣水中蘊含的大量余熱提取出來。本設(shè)計采用真空相變技術(shù)，利用沖渣水在低壓下低溫沸騰相變原理，以低壓水蒸氣為媒介提取沖渣水中的熱量。并準(zhǔn)備了兩套具體實施方案。 方案論證方案一：將 70℃左右的沖渣冷卻水排入冷卻水罐，將冷卻水罐抽負(fù)壓狀態(tài)，隨著水罐內(nèi)壓力的降低，罐內(nèi)冷卻水沸點降低，降至 70℃以下時就會達(dá)到沸騰的狀態(tài)，加劇相變速度。此時的水蒸氣雖然壓力較低，但是能直接排入蒸發(fā)器中進(jìn)行凝結(jié)換熱，于是在水罐的水蒸氣出口處加裝軸流風(fēng)機，將低壓蒸汽直接送入熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器中，驅(qū)動熱泵系統(tǒng)運行。其運行原理如圖 21 所示。圖 11 方案一運行原理圖方案二：考慮到方案一出水水溫只有 50℃左右，如果考慮輸送過程的熱量損失，這一溫度不理想。于是將增壓器出來的水蒸氣用作溴化鋰吸收式熱泵的驅(qū)動熱源，采用第一類增溫型吸收式熱泵，加熱供熱熱網(wǎng)的循環(huán)水?；蛟趯⒎桨敢坏某鏊鳛檎羝麎嚎s式熱泵的熱源進(jìn)行二次加熱。溴化鋰吸收式熱泵，以蒸汽為驅(qū)動熱源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水作為工質(zhì)，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點的特性，提取低位余熱源的熱量，通過吸收劑回收熱量并轉(zhuǎn)換制取工藝或采暖用的熱水。溴化鋰吸收式熱泵機組是由取熱器、濃縮器、一次加熱器、二次加熱器及高低溫?zé)峤粨Q器所組成的熱交換器的組合體。另外，還包括蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)等。其運行原理如圖 22 所示。圖 12 方案二運行原理圖方案二雖然提供的熱量要多于方案一，但是溴化鋰吸收式熱泵需要高壓蒸汽來驅(qū)動，且多級提熱系統(tǒng)復(fù)雜，初期投入較高，不適合大范圍推廣。而方案二結(jié)構(gòu)簡單，初期投入少，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。故本設(shè)計選擇方案一。 熱泵機組壓縮機型式的選擇熱泵壓縮機主要有三種型式：活塞式、渦旋式、螺桿式。其中中小型機組一般選用渦旋式或活塞式；大型機組一般選用螺桿式。熱泵用壓縮機的特點與要求：1. 工作參數(shù)變化大、可調(diào)性好2. 適用于高溫大壓縮比的條件下工作3. 要有較強的抗?jié)衲芰Ρ驹O(shè)計選用螺桿式壓縮機。螺桿式壓縮機具有以下特點:1. 結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、重量輕、維修量少2. 大壓縮比條件下，可調(diào)性好3. 對濕行程不敏感4. 有良好的可調(diào)性螺桿壓縮機由氣缸、一對陰陽轉(zhuǎn)子、吸排氣端蓋、滑閥四部分組成。工作過程穩(wěn)定，滑閥調(diào)節(jié)理論上可實現(xiàn)輸氣量 0~100%的無級調(diào)節(jié)。本設(shè)計的熱泵機組功率為 800kw 屬于大型機組，綜上選擇螺桿式壓縮機。 潤滑系統(tǒng)比較目前螺桿式壓縮機的潤滑方式有兩種,一種是油泵供油潤滑,另一種是采用吸排氣壓差潤滑。采用油泵供油潤滑方式需增加一套油泵供油裝置, 并且需要添加一些潤滑系統(tǒng)輔助設(shè)備，雖然運行成本較吸排氣壓差潤滑高，但是系統(tǒng)運行時能起到更好的潤滑效果。本設(shè)計選擇的潤滑方式為油泵供油潤滑。 熱源側(cè)放熱方式的選擇熱源側(cè)放熱方式有兩種，一種是水冷式，一種是風(fēng)冷式。水冷式是指放熱側(cè)采用的是水冷式冷凝器，而風(fēng)冷式采用的是風(fēng)冷式換熱器。其中水冷式的技術(shù)成熟，運行經(jīng)驗豐富，冷量范圍寬，冷卻效果好。本設(shè)計主要熱負(fù)荷來自供暖用戶，目前熱網(wǎng)多采用水為熱量載體，運行安全、穩(wěn)定。本設(shè)計選擇水冷式。 本章小結(jié)根據(jù)本章前面的比較分析，考慮到所設(shè)計的機組要求容積效率高，冷卻效果好，并且需要較好的可靠性與經(jīng)濟性，故本設(shè)計選擇半封閉式雙螺桿式水冷式熱泵機組，并采用吸排氣壓差潤滑，基本可以滿足機組工作要求，達(dá)到較好的制熱效果。第 2 章 系統(tǒng)的熱力計算及壓縮機選型對螺桿式熱泵機組進(jìn)行系統(tǒng)熱力循環(huán)計算的目的是為了進(jìn)一步確定設(shè)計冷凝器,蒸發(fā)器以及壓縮機選型所需要的技術(shù)參數(shù)。 給定條件 螺桿式熱泵機組 R717 800kW 53℃ 20℃ 30℃ 50℃ 40℃另外,經(jīng)過查閱《螺桿式冷水機組標(biāo)準(zhǔn)與工程規(guī)范》 ，確定了其他幾個重要的參數(shù)，壓縮機吸氣溫度為 25℃，液體過冷度為 3℃，過熱度為 5℃，壓縮機的指示效率 η 為 。i 熱力計算所對應(yīng)的壓焓圖以及參數(shù)列表系統(tǒng)工作所對應(yīng)的壓焓圖如下：圖 21 系統(tǒng)壓焓圖查《制冷原理及設(shè)備》R717 熱力性質(zhì)表，得各狀態(tài)點的參數(shù)如下表：表 21 各狀態(tài)點的參數(shù)列表點號 P（MPa） t(℃) h(kJ/kg) V(m /kg)30 20 1471 1 25 1490 2 16203 50 450 4 20 450 熱力計算過程：∏ = = （21 ）?： （ 22）023qh164510kJ/g?： （230v17q8./?3）： （2021wh604913kJ/g???4）： （25）?： （26）0q79w13COP? （27）： （28） 21ih39。4902..kJ/g???：