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蒸汽噴射器的應用
一、目前用熱系統狀況及存在的問題
1. 目前用熱系統狀況
目前,在工業生產中,普遍采用閥門進行節流減壓,將高壓(高品位)蒸汽節流減壓至生產所需壓力(低品位)后,供工業生產中的用熱設備使用。
換熱設備換熱后的蒸汽凝結水通過疏水系統排水,蒸汽凝結水系統產生的二次蒸發氣及疏水系統產生的泄漏蒸汽對空排放或進行簡單的熱回收。
2. 常規熱力系統存在的問題
(1)蒸汽通過閥門節流減壓后使用造成了能量的無效貶值,使高品位(壓力)的蒸汽在沒有對外做功的情況下轉化為低品位(壓力)的蒸汽,這屬于用能在質量上的浪費。加熱系統產生的二次蒸發氣(或副產蒸汽)以及疏水系統產生的泄漏蒸汽,通常直接對空排放,或者沒有進行合理的回收利用,這屬于用能數量上的浪費。
蒸汽通過閥門節流減壓供熱用戶使用從能效質量和能效數量上,都存在著不合理和不能綜合利用的問題。同時在工業生產中,凝結水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的壓力差為排放動力,由于排水壓差通常不大,經常造成換熱設備積存凝結水,凝結水積存使得換熱器由氣-液換熱轉變為液-液,結果直接導致換熱設備熱效率下降,也影響設備的生產能力。
二、蒸汽噴射器在熱回收中的利用
蒸汽噴射器回收余熱資源,利用熱平衡、熵平衡和能級平衡理論,主要應用在工業生產中,利用新型的蒸汽噴射器供熱系統替代常規的閥門節流減壓供熱系統,使蒸汽中的能量在品位和數量上都能夠得到充分合理的使用。
利用蒸汽噴射器對高品位蒸汽進行引射式減壓替代傳統的閥門節流減壓,向用熱系統提供所需要品位和數量的蒸汽,即可以實現蒸汽無損耗減壓,又可以利用高品位蒸汽減壓前后的壓力差為動力,回收工業余熱,使低壓蒸汽(或凝結水系統產生的閃蒸氣)再次回用到工業生產,從而實現熱力系統用汽數量上和質量上的平衡。達到優化工業生產用熱網絡,實現能源梯級利用、實現廢熱資源化,提高能源利用率、降低單位產品能耗、節約能源的目的。
蒸汽噴射器是一種沒有運轉部件和不需要額外能量輸入的熱力壓縮機,是提高低壓蒸汽壓力的專用設備。其原理是借助高壓蒸汽(工作蒸汽)噴射產生的超音速氣流將低壓蒸汽壓力和溫度提高,從而使低壓蒸汽的壓力和溫度提高到生產工藝要求的指標,達到節能目的。
三、能量的品位及節流減壓過程中的能量損失
1. 能量的品位
能量是物質的基本特性參數,它表示物質所具有的做功能力,熱力學第一定律指出不同形式的能量可以相互轉換,在轉換的過程中數量守恒。熱力學第二定律指出能量除了有數量上的多少外,還有品位的高低,不同品位的能量轉變為功的能力不同。物質的總能量中,可用能所占的比例代表了能量的品質,能量中可轉變為技術功的部分稱為?(Exergic)。?表示熱力系中的物質在任意狀態下,相對于環境零態(dead state)所具有的最大做功能力。?是衡量蒸汽品位和蒸汽對外作功能力的重要參數,對于開口系統而言,物質所具有的比?為:
e = h – h0 –T0(s – s0)
?即可以表示能量的數量,又可以表示能量的品位及能量的可利用程度,?的單位與焓的單位相同。
2. 節流減壓過程中的能量損失
蒸汽截流減壓通常是利用閥門的阻力特性,控制閥后蒸汽壓力,達到蒸汽減壓的目的。這種減壓方式,是對外界不作功的等焓熵增過程,是典型的不可逆過程。蒸汽在截流減壓過程中,由于摩擦、渦流等,使大量有規則熱運動的分子轉變為無序運動,產生耗散功,導致在沒有對外作功的情況下產生熵的增加,降低了蒸汽對外作功的能力,致使蒸汽產生了無形的能量損失。假定蒸汽在絕熱狀態下進行截流減壓,則流入系統1kg流體穩定流動的能量方程為:
q = h2–h1+(C22–C12)/2 + g(Z2–Z1)+ Wsh
由于是絕熱截流減壓過程,所以熱流q= 0 ;截流前后適當距離處的截面流速基本不變,并且蒸汽動能與焓值相比甚小,所以速度方差可忽略,即(C22-C12)= 0;高度沒有顯著變化,所以(Z2–Z1)= 0。由此得出蒸汽截流減壓前后的焓值相等,即蒸汽截流減壓過程的能量方程式:
h2 = h1
蒸汽節流減壓前后的焓值相等,從熱力學第一定律來看,反映不出能量的損失。但是,熵的增加反映了在孤立系統中,能量產生了質變,可以轉變為可用功的能力減少了,即產生了?損失,無疑這是能量的無效貶值和浪費。蒸汽節流減壓前后的?損失可以表示為:
ex1 – ex2 = T0(S2 – S1)
以下面實例1,將P1 = 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽節流減壓到P2 = 0.20MPa,來說明蒸汽節流減壓過程中的?損失。
通過計算P1= 0.80MPa,t1 = 210℃ 的蒸汽的?值為864.57KJ/Kg,P2= 0.20MPa,t2= 196℃ 的蒸汽的?值為721.53KJ/Kg,蒸汽的?損失為143.04 KJ/Kg,占減壓前蒸汽總可用能的16.55%??梢姽澚鳒p壓這種減壓方式,在無形中造成了比較大的能量損失。
3. 替代減壓回收節流減壓能量損失的方法
常規的蒸汽減壓方式有三種,閥門節流減壓、回轉式減壓、引射式減壓。其中閥門節流減壓是典型的不可逆過程,屬于能量損失最大的減壓方式?;剞D式減壓,是采用汽輪機拖動發電機組,實現熱電聯產或者拖動工藝生產中的旋轉設備,來對外作功實現蒸汽減壓的方式。高參數的蒸汽進入汽輪機,由于蒸汽拖動發電機組對外作功產生電能,或者拖動工藝設備轉化為機械功,形成蒸汽減壓,減壓后的蒸汽進入熱力管網供給熱用戶使用。這種減壓方式將減壓的壓力損失轉化為電能或機械能輸出,避免了節流減壓的節流損失。但由于工業汽輪機不能普遍的應用于熱力系統中,它受到流量、壓力等級匹配等具體條件的限制,致使這種減壓方式不能廣泛的應用于工業企業生產過程中。另外,更為重要的是采用回轉式減壓方式,無法對產生的低品廢熱蒸汽進行回收利用。
引射式減壓,是利用蒸汽噴射器組成引射式減壓系統,將蒸汽噴射器作為引射減壓設備,利用蒸汽減壓前后的能量差為動力,提升低品位蒸汽的?值,將高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽噴射器內部進行速度均衡和能量均衡,擴壓后進入熱力管網供熱用戶使用。采用蒸汽噴射器引射式減壓系統,可以避免蒸汽節流減壓過程中產生的?值損失,同時利用蒸汽減壓前后的能量差作為動力,提升低品位蒸汽的壓力等級,在避免蒸汽減壓損失的同時,實現對低品位蒸汽的回收利用,實現對能量從數量和質量上都進行充分和合理的使用。