机械压缩式热泵蒸发的优化计算

机械优化设计论文

　第27卷第1期2009年3月徐州师范大学学报(自然科学版)JournalofXuzhouNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.27,No.1　Mar.,2009

机械压缩式热泵蒸发的优化计算

朱　平

(徐州师范大学化学化工学院,江苏徐州221116)

摘要:从系统能量平衡的角度,提出了机械压缩式热泵蒸发优化设计的易控制直接参数———压缩机出口压力,建立

了以年总费用最小为目标函数的优化数学模型.实例证明,优化经济效益显著.

关键词:热泵蒸发;出口压力;年总费用

中图分类号:TQ021.8　　　文献标识码:A　　　文章编号:100726573(2009)0120084203

Optimalcalculationofmechanicalrecompressionheatpumpevaporation

ZHUPing

(SchoolofChemistry&ChemicalEngineering,XuzhouNormalUniversity,Xuzhou,China)

Abstract:Fromtheviewpointofsystemenergyinheheat

pumpevaporation,theoutletpressureofrecompforsystemop2

timization.Theoptimalmathematicalthetotalannualcost.The

illustrativeexampleshowsthattheisobvious.

Keywords:heatp;annualcost

　　蒸发是化工.蒸发操作是大量耗热的过程,高品位.因此,较低品位的二次蒸气的利用在很大程度上决定了蒸发操作的经济性[1-2].热泵蒸发是提高蒸发操作能量利用经济性的主要途径之一[3-4].

机械压缩式是常见的热泵蒸发方式,它除启动阶段需要生蒸气加热外,正常运转时不再需要生蒸气及冷

却水,在海洋船舶及缺水地区的淡水供应中得到了广泛的应用[5-6

].文献[7]以温差为优化变量,建立了以年总费用最小为目标函数的数学模型.但由于温差是状态参数,当装置运行过程中不可避免地有参数波动时,很难用温差作为调节参数.本文选择易调节控制的操作参数———压缩机出口压力作为优化变量,探讨热泵蒸发的经济优化设计问题.

1　机械压缩式热泵蒸发系统工艺分析

机械压缩式热泵蒸发是采用离心机、罗茨机或活塞式压缩

机将二次蒸气压缩升温后作为加热蒸气的节能技术.典型的机

械压缩式热泵蒸发流程如图1所示,主要由蒸发器主体和蒸气

压缩机组成.从蒸发器出来的二次蒸气进入压缩机,在压缩机中

绝热压缩,温度、压力升高,然后又进入蒸发器作加热蒸气用,在

加热室中冷凝后排出.理论上这样的蒸发操作只需在启动阶段

供应生蒸气,一到操作进入稳定状态,就不再需要生蒸气.因此,

只须提供使二次蒸气升压升温所需的一定量压缩功,便可利用

二次蒸气的大量潜热,从而可以起到节能效果[8-10].图1　机械压缩式热泵蒸发流程图Fig.1　Schematicdiagramofmechanicalrecompressionheatpumpevaporation

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作者简介:

引文格式:2008209226徐州师范大学科研启动基金资助项目(KY200435)朱平,男,副教授,博士,主要从事化工节能技术的研究.朱平.机械压缩式热泵蒸发的优化计算.徐州师范大学学报:自然科学版,2009,27(1):84-86.

ZhuPing.Optimalcalculationofmechanicalrecompressionheatpumpevaporation.JXuzhouNormUniv:NatSciEd,2009,27(1):84-86.

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　第1期朱　平:机械压缩式热泵蒸发的优化计算85　　2　优化变量的确定

机械压缩式热泵蒸发系统存在能量平衡性问题.对给定生产要求,作为直接操作参数,压缩机出口压力P2越大,则饱和蒸气的温度越高,传热温差越大,蒸发器的传热面积越小,因而蒸发器的投资越小,但压缩机的耗功量与设备投资都增加;如果压缩机的出口压力越小,结论同上面相反,故机械压缩式热泵蒸发存在着以压缩机出口压力为变量的经济优化.而压缩机出口压力是易直接调控的操作参数,其变化可通过调节电机的可控硅变流设备来实现.

3　数学模型的建立

311　物料衡算[11]

设热泵蒸发在连续定态,令F表示料液量(kg/s);x0和x1分别表示料液和完成液的质量分数;则完成液的流量F1和二次蒸气的量W分别为:

F1=,x1

.x1(1)(2)W=F1-

3.2　热量衡算[11]

对蒸发器作热量衡算,令cp,0,cp,1/));tL,0,tL,1分别为料液和完成液温度(K);P1为压缩机的进口压力(h(J/kg);h3为冷凝液的焓(J/kg),hS,1为P1下的饱和水蒸汽焓(J/kg)[4].ptL,0Wh2=F1cp,1tL,1+WhS,1+Wh3+Q损,(3)

(4)或W(h2-h3)=F1cp,1tL,1-Fcp,0tL,0+WhS,1+Q损.

　　一般来说,计算Q损时取加热蒸气热量W(h2-h3)的百分数,即β.把式(1)和(2)代入式(4),则

W(h2-h3)=cp,1tL,1-cp,0tL,0+1-hS,1.1-β(5)

3.3　换热面积和压缩功率的计算

由传热速率方程式

Q=W(h2-h3)=KAΔt=KA(TS,2-tL,1),(6)

可求得传热面积为

A=,K(TS,2-tL,1)(7)

式中,K为传热系数(W/(m2 K));TS,2为P2下的饱和蒸气温度(K).

把式(4)代入式(6)得A=cp,1tL,1-cp,0tL,0+1-hS,1.)K(TS,2-tL,1)(1-β

n(8)　　压缩机的实际耗功N(W)为[12]N=ηn-1P1-1,(9)

式中,n为绝热指数;η为总效率;P2为压缩机的出口压力(Pa);V1为进口气体体积(m3/s).水蒸汽的饱和蒸气温度TS,2与蒸气压力P2的关系可拟合为[11]

TS,2=180.84P201257.(10)

314　优化模型

机械压缩式热泵蒸发系统的年总费用主要由年总操作费用即压缩机的电费以及压缩机和蒸发器的年折旧维修费用组成.其中,年总操作费用为Ze=ceNB,式中,ce为电价(元/kWh);B为年运行小时数(h/a).压

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86　　徐州师范大学学报(自然科学版)第27卷　缩机的估价方程为ZC=aNb[13],式中,a,b为压缩机费用参数.蒸发器的估价方程取为ZV=c+dAf[14],式中,c,d和f为蒸发器费用参数 …… 此处隐藏：2747字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……