炼钢厂冷却水水源热泵的设计毕业设计论文.doc
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1、哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)摘 要近年来全国各地的雾霾问题日渐严重,粗犷经济发展模式在我国已经行不通。新能源、可再生能源开发利用和节能减排是我国基本国策。热泵是能够将低品位热能转换为高品味热能的装置,从而实现工业废热的再利用,不仅节能更可以提高能源的利用率,所以热泵装置的开发利用,符合我国目前经济发展状况和环境状况。热泵分类中水源蒸汽压缩式热泵是比较常用的形式,具有热源分布广,结构简单,初投资少,不污染水源等特点。本文主要进行炼钢厂冷却水水源热泵的设计,经过分析国内外实例及经济性分析比较后,最后确定了开启式单螺杆热泵机组的研究方案,并在热源提取上进行创新,解决了炼钢厂冷却水降温后结渣堵塞
2、换热器的难题。所以此方案兼具可靠性和经济性。本设计先对系统工作原理进行阐述,并进行方案论证。确定方案后进行系统的热力计算,由热力计算的结果对系统蒸发器和冷凝器进行设计计算,并得出所需压缩机的参数,然后进行压缩机选型。最后还对系统的其他零部件进行选型,其中包括真空泵,轴流风机,膨胀阀及油过滤器。最后还完成了系统流程图,蒸发器,冷凝器以及中间换热器的装备图。关键词: 热泵机组;冷凝器; 蒸发器AbstractIn recent years, haze increasingly serious problem across the country, the rough model of econom
3、ic development in China has not feasible. New energy, renewable energy development and utilization and energy conservation is Chinas basic national policy. Heat pumps are able to convert low-grade heat energy means high taste, enabling re-use of industrial waste, not only energy but also improve ene
4、rgy efficiency, so the development of a heat pump unit, in line with the current economic development and environmental conditions in China. Classification of water vapor compression heat pump heat pump is a relatively common form, has a wide heat distribution, simple structure, low initial investme
5、nt, do not pollute the water and so on. This paper mainly steel plant cooling water source heat pump design, through analysis of examples and comparative economic analysis of the domestic and foreign, the finalization of the open-type single screw pump units research programs and innovation in the h
6、eat extraction to solve the steel after cooling plant cooling water heat exchanger clogging slagging problems. So this program both reliability and economy. After determining program of thermodynamic calculation system, the results calculated by the heat of the system evaporator and condenser design
7、 calculations and draw the required parameters of the compressor, then the compressor selection. Finally, other parts of the system for selection, including vacuum pumps, axial fan, expansion valve and oil filter. Finally, to complete the system flow chart, an evaporator, a condenser and an intermed
8、iate heat exchanger equipment Fig.Keyword: heat pump, condenser, evaporator目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论- 1 -1.1 课题背景- 1 -1.2 国内外在该方向上的研究现状及分析- 2 -1.2.1 主要研究内容- 2 -1.2.2本设计主要完成的内容- 3 -1.3热泵技术在国内外的发展- 3 -1.4设计原理概述- 4 -1.5系统设计方案选择- 5 -1.5.1 方案论证- 6 -1.5.2 热泵机组压缩机型式的选择- 7 -1.5.3 润滑系统比较- 8 -1.5.4 热源侧放热方
9、式的选择- 8 -1.6 本章小结- 8 -第2章 系统的热力计算及压缩机选型- 9 -2.1 给定条件- 9 -2.2 热力计算所对应的压焓图以及参数列表- 9 -2.3 热力计算过程- 10 -2.4压缩机概述- 11 -2.5 容积式压缩机的特性和主要生产厂家- 11 -2.5.1 往复活塞式- 11 -2.5.2回转式- 12 -2.5.3 压缩机的型式确定- 12 -2.6 螺杆压缩机的选型计算- 13 -2.7 本章小结- 14 -第3章 冷凝器的设计计算- 16 -3.1冷凝器的型式和结构- 16 -3.1.1 空气冷却式冷凝器- 16 -3.1.2 水冷式冷凝器- 16 -3.
10、1.3 冷凝器选型- 18 -3.2 冷凝器设计计算- 18 -3.2.1 冷凝器的技术参数- 18 -3.2.2 冷凝器设计计算过程- 18 -3.2.3 冷凝器传热计算- 20 -3.2.4冷却水侧的阻力计算- 22 -3.2.5 连接管管径计算- 23 -3.3本章小结- 23 -第4章 蒸发器的设计与计算- 24 -4.1 蒸发器概述- 24 -4.1.1干式蒸发器- 24 -4.1.2 满液式蒸发器- 25 -4.2 蒸发器的选型和设计计算- 26 -4.2.1蒸发器技术参数- 26 -4.2.1 热源水蒸气流量- 26 -4.2.2蒸发器结构的初步规划- 27 -4.2.3计算管外
11、水侧的表面换热系数- 30 -4.2.4 计算管内沸腾表面换热系数- 31 -4.2.5 计算阻力及传热温差- 32 -4.2.6传热系数及按内表面计算的热流密度- 33 -4.2.7 所需之传热面积- 34 -4.3 本章小结- 34 -第5章 主要辅助设备- 36 -5.1 油过滤器的选型- 36 -5.2 膨胀阀的选型- 36 -5.3 真空泵选型- 37 -5.4 轴流风机选型- 38 -5.5 本章小结- 38 -第6章 临界绝缘直径测量实验台设计- 39 -6.1一维圆通壁传热过程推理- 39 -6.2 临界绝缘直径- 40 -6.3 设计临界绝缘直径测量实验的意义- 41 -6.
12、4 适于实验教学保温材料的确定- 41 -6.4.1 硅砖- 41 -6.4.2 轻质耐火粘土砖- 42 -6.4.3 PVC材料- 43 -6.4.4 矿渣棉- 43 -6.4.5 镍钢- 44 -6.4.6 灰铸铁- 45 -6.4.7 小结- 45 -6.5 实验过程设计及实验台搭建- 45 -6.5.1 实验步骤- 45 -6.5.2 实验台搭建- 46 -结 论- 47 -主要参考文献- 48 -附 录- 51 -附录1 英文文献翻译- 51 -附录2 英文文献- 61 -54第1章 绪论1.1 课题背景产生大量的余热产业,如果废热直接排入环境,它不仅浪费能源,而且也破坏环境。因此,
13、能量回收近几十年来吸引了大量的关注。热泵就是一种能够将低温热能转换为高温可直接利用的热能的装置,也是近年来在全世界范围内倍受关注的新能源技术,人们所熟知的“泵”是一种能够提高势能的装置,如水泵,可以将低处的水抽到高处具有更高的势能。而“热泵”是一种能从自然界的水中,空气中,土壤中或者从工业排放的废水、废气中获取低品位热能,再由电力做功,转换成可供人们直接利用的高品味热能的装置。水从高处流向低处,热由高温物全传递到低温物体,这是自然规律。然而,在现实生活中,为了农业灌溉、生活用水等的需要,人们利用水泵将水从低处送到高处。同样,在能源日益紧张的今天,为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低
14、温热水等中的热量,热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中,然后高温物体来加热水或采暖,使热量得到充分利用。我国能源紧缺,一次能源及各种余热资源利用水平较低,我国工业能源消费量占总消费量的70以上,而余热资源回收率仅30%40%,而发达国家则达到了60%70%。工业废水中含有大量余热,以各种形式被排放到大气中,不但浪费了大量能源,还造成了区域热污染,若是能够将这些能源回收,用于城市供暖和生产、生活热水,不单能节省燃料的使用,还是变污染为能源。2012年我国生铁产量达到了6.5亿吨,高炉炼铁使用大量的冲渣水,这些冲渣水的热量被排放到大气中白白浪费了;平均渣铁比按0.44计算,全年产生高炉渣约为
15、2.86亿吨。每吨高炉渣需要10吨左右的循环冲渣水;则每年用于冲渣的循环水量约29亿吨;按照提取20 温差计算,每年可供热的建筑面积为4.75亿平方米;每年可节省标煤超过800万吨。同时还有淬渣蒸汽、连铸蒸汽等大量废蒸汽,都有待开发利用。巨大的钢铁产量意味着大量的冲渣水,若是能够将其热能加以利用将带来多大的经济和社会效益。而提高能源利用率,降低能源消耗,减少二氧化碳排放,是钢铁行业实现可持续发展的重要措施。 炼钢厂的高炉冲渣水蕴含着大量热能,但是由于其容易在换热器中的结垢问题及其温度偏低属于低温热源等原因很难直接利用,热泵是一种高效节能设备,它可将不能直接利用的低品味热能提升为可直接利用的高品
16、位热能。如果通过热泵技术回收这部分能量用于加热自备电厂锅炉、转炉或用于居民供热及冷却系统补水,不仅节能更能提高能源利用率。高炉冲渣水中蕴含着巨大的高温热能,但由于其中也含有大量达到饱和程度的钙镁离子等杂质,利用现有常规的方式让冲渣水直接进入供热管网或利用板式换热器、壳管式换热器等换热装置进行热能提取时,均会造成钙镁离子迅速、大量结晶,附着在换热表面,造成系统无法运行,清洗维护也异常复杂。1.2 国内外在该方向上的研究现状及分析目前国内外对于中高温工业废水热能的开发利用,主要是采用单级或多级物理过滤法,先将废水中常见的固体悬浮物过滤后进入常规或改良后的壳管式、板式、螺旋板式等“间壁式换热设备”内
17、进行热能提取。国外有采用“膜过滤”技术的相关文献。采用物理过滤法可以有效去除废水中的固体颗粒,对于防止换热设备阻塞有一定的效果,但对于溶解于水中的离子状态的盐碱类物质基本无效。在换热过程中由于废水温度降低,导致盐碱类物质过饱和,必然在换热壁面产生析出性结晶,造成换热壁面污染,导致换热设备传热系数下降或堵塞。所以对于换热设备必须定期或不定期进行清洗,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,不仅会对金属换热面造成进一步腐蚀,同时极易对环境造成二次污染。也有一些企业采用提高废水侧流速等方法,以期通过废水的高速流动将一部分结晶体带走,但效果不明显,仅仅对结晶问题起到了有限的延缓作用。但
18、由于流速的提高必然增加水泵的输送能耗,同时由于水流的冲刷以及部分固体颗粒的磨损,加速了设备的腐蚀。对于工业废水的腐蚀问题,尚未发现有很好的解决办法。要想换热效果好,必然需要采用热导率较高的金属作为换热壁面,而工业废水往往都是偏酸性或碱性,加上水中各种阴、阳离子的含量比较多,腐蚀性强烈,腐蚀机理比较复杂,一般的不锈钢、碳钢等常用的换热材质使用寿命都很短,一般不超过5年。近年来也有企业尝试采用钛合金或双相不锈钢等抗腐蚀性较强的金属作为换热壁面,但由于成本过高,未能得到推广。1.2.1 主要研究内容反复使用的冲渣水中必然会溶解部分硅酸钙,同时溶进了炉渣中含有的多种无机盐和氧化物,形成了饱和状态的溶液
19、。换热器提热时,溶解在冲渣水中的盐类物质遇到冷的换热器壁面,就会在冷壁面上结晶,造成换热设备的堵塞乃至失效。如何在在不影响换热效率的情况下解决换热设备的堵塞及冷壁面是的结晶问题是我的主要研究内容。1.2.2本设计主要完成的内容本设计主要要完成的工作内容包括以下几个方面:1.完成系统方案设计、选择、论证2.完成系统热力循环计算,主要设备选型计算3.完成蒸发器设计计算4.完成冷凝器设计计算5.完成蒸发器、冷凝器装配图6.完成热泵系统流程图、零部件图7.完成800kw炼钢厂冷却水水源热泵系统毕业设计论文总之,本设计的任务就是设计出符合性能要求的热泵机组。1.3热泵技术在国内外的发展十九世纪早期法国科
20、学家萨迪.卡诺(Sadi karnot)在 1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论,这成为热泵技术的起源。1852年英国科学家开尔文(L.Kelvin)提出,冷冻装置可以用于加热,将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。他第一个提出了一个正式的热泵系统,当时称为“热量倍增器”。之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究,研究持续80年之久。1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖,这是早期的水源热泵系统,也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展,家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场,热泵进入了早期发展阶段。20世纪70年代以来,热
21、泵工业进入了黄金时期,世界各国对热泵的研究工作都十分重视,诸如国际能源机构和欧洲共同体,都制定了大型热泵发展计划,热泵新技术层出不穷,热泵的用途也在不断的开拓,广泛应用于空调和工业领域,在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。21 世纪,随着“能源危机 ”出现,燃油价格忽升,经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能,节能环保的特点,重新登上历史舞台,成为当前最有价值的新能源科技。前国际热能署专门成立国际热泵中心,设立热泵推广工程(Heat Pump Programme),向世界上各国推广协调热泵技术的应用和发展。美、加、瑞典、德、日、韩等国政府均发出专门官方指引,促进热泵技术的社会应用
22、。相对世界热泵的发展,中国热泵的研究工作起步约晚20-30年左右。新中国成立后,随着工业建设新高潮的到来,热泵技术才开始引入中国。进入21世纪后,由于中国沿海地区的快速城市化、人均GDP的增长、2008年北京奥运会和2010年上海世博会等因素拉动了中国空调市场的发展,促进了热泵在中国的应用越来越广泛,热泵的发展十分迅速,热泵技术的研究不断创新。从2001年热泵起步开始,经过5年的培育,中国热泵行业开始从导入期转入成长期。热泵行业快速发展,一方面得益于能源紧张使得热泵节能优势越来越明显,另一方面与多方力量的加入推动行业技术创新有很大关系1.4设计原理概述热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一
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