雙效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建與性能模擬分析

邸云偉，盧迅，杜塏

（1-東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2-無錫市一星熱能裝備有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

化工生產(chǎn)過程（如印染和造紙等）常有廢液產(chǎn)生，這些廢液中往往含有濃度較低的 NaOH溶液，若將其直接排放到外界環(huán)境中，不僅污染了水體和土地，還浪費(fèi)了堿原料，這與節(jié)能環(huán)保理念大相徑庭。因此，將工業(yè)廢液高效濃縮再生，獲得高濃度的NaOH溶液，并加以利用非常有必要。

多效技術(shù)利用蒸汽將溶液加熱至相應(yīng)壓力下的泡點(diǎn)，并將溶液蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸氣作為下一效溶液蒸發(fā)的熱源，重復(fù)上述過程直至末效堿液蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的蒸氣送入冷凝器中冷凝。多效技術(shù)將系統(tǒng)的熱能進(jìn)一步回收，使系統(tǒng)具有較高的能效比。故其在制冷技術(shù)、海水淡化及堿液濃縮技術(shù)中廣泛應(yīng)用[1-5]。

熱泵作為一種高效的能源技術(shù)也被應(yīng)用于烘干、海水淡化及堿液濃縮領(lǐng)域[6-11]。單效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)利用熱泵循環(huán)制冷劑的冷凝放熱濃縮堿液，同時利用堿液濃縮過程產(chǎn)生的蒸氣的冷凝放熱來蒸發(fā)制冷劑，使系統(tǒng)熱能得到有效回收[12]。但在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)單效系統(tǒng)存在兩大問題：1）單效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)的熱泵循環(huán)的冷凝溫度與蒸發(fā)溫度相差不大，導(dǎo)致運(yùn)行在該系統(tǒng)下的壓縮機(jī)與現(xiàn)有用于空調(diào)制冷循環(huán)的壓縮機(jī)相比，壓比r過小，若將現(xiàn)有用于空調(diào)制冷循環(huán)的壓縮機(jī)用于單效系統(tǒng)中，不能發(fā)揮壓縮機(jī)的最大運(yùn)行效益；2）單效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)的單位能耗蒸發(fā)量（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）不高，系統(tǒng)尚有提升空間。

本文建立了一種雙效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)在單效系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合雙效堿液濃縮技術(shù)，增加了熱泵循環(huán)冷凝溫度與蒸發(fā)溫度差，避免了單效系統(tǒng)熱泵循環(huán)冷凝溫度與蒸發(fā)溫度差過小而產(chǎn)生的壓縮機(jī)壓比過小問題。此外，系統(tǒng)熱能得到進(jìn)一步回收，提高了系統(tǒng)的SMER。本文利用EES軟件模擬了一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1與二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2的變化對雙效系統(tǒng)壓縮機(jī)壓比r及SMER的影響，并證明雙效系統(tǒng)在性能上優(yōu)于單效系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

圖1所示為基于熱泵循環(huán)的雙低溫濃縮堿液系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)分為3個回路：堿液回路（實(shí)線）、制冷劑回路（點(diǎn)劃線）和蒸氣及冷凝水回路（虛線）。稀溶液由稀溶液池引入二效堿液蒸發(fā)器（A2）中，并在冷凝蒸發(fā)器（D）中吸收一效堿液濃縮過程產(chǎn)生的蒸氣潛熱而濃縮，二效堿液濃縮過程產(chǎn)生的蒸氣在熱泵循環(huán)蒸發(fā)盤管（E）外冷凝。二效堿液蒸發(fā)器（A2）內(nèi)濃縮得到的較濃溶液通過U形溢流管（U）引入一效堿液蒸發(fā)器（A1）中，并吸收熱泵循環(huán)冷凝盤管（C）內(nèi)制冷劑的冷凝放熱而濃縮，最終得到濃溶液并排出。熱泵循環(huán)中制冷劑由壓縮機(jī)（G）壓縮成高溫高壓制冷劑氣體，再送入制冷劑冷凝盤管（C）中冷凝，并利用其冷凝放熱濃縮一效堿液蒸發(fā)器（A1）內(nèi)的堿液。冷凝后的制冷劑液體送入儲液罐（B）中，通過熱力膨脹閥（K）節(jié)流后送入制冷劑蒸發(fā)盤管（E）中蒸發(fā)，并用其放出的冷量將二效堿液濃縮過程產(chǎn)生的水蒸氣冷凝。壓縮機(jī)（G）進(jìn)氣口與制冷劑蒸發(fā)盤管（E）出口相接，將制冷劑氣體送入壓縮機(jī)內(nèi)，完成熱泵循環(huán)。堿液濃縮過程產(chǎn)生的蒸氣分別在冷凝蒸發(fā)器（D）的下壁面與制冷劑蒸發(fā)盤管（E）外冷凝，形成液滴后落入冷凝水托盤（W1）、（W2）中，并由管路匯合后排出。

圖2所示為基于熱泵循環(huán)的雙低溫濃縮堿液系統(tǒng)流程。

圖1 基于熱泵循環(huán)的雙低溫濃縮堿液系統(tǒng)原理

圖2 基于熱泵循環(huán)的雙低溫濃縮堿液系統(tǒng)流程

2 系統(tǒng)模擬計算與分析

2.1 模擬計算條件設(shè)定

對模型進(jìn)行如下假設(shè)：1）忽略兩個堿液蒸發(fā)器內(nèi)壓力不均勻的情況；2）設(shè)定蒸氣的溫度為堿液進(jìn)口泡點(diǎn)溫度與出口泡點(diǎn)溫度的平均值；3）堿液為不可壓縮流體，且泡點(diǎn)溫度隨濃度和壓力的變化符合杜林法則；4）堿液蒸發(fā)過程為理想過程，理想條件下堿液濃縮過程中蒸發(fā)出1 kg水需要1 kg蒸氣，即在一效和二效堿液濃縮過程中產(chǎn)生的蒸氣質(zhì)量流量W1與W2相等，且堿液濃縮過程的熱負(fù)荷與該過程產(chǎn)生的蒸氣的冷凝放熱量近似相同，即Q1=Qw1，Q2=Qw2，同時忽略兩個堿液蒸發(fā)器內(nèi)存在蒸氣泄漏情況；5）系統(tǒng)熱泵循環(huán)制冷劑為R22，系統(tǒng)無過冷和過熱，并設(shè)定二效堿液濃縮過程產(chǎn)生的蒸氣冷凝放熱量 Qw2與制冷劑蒸發(fā)吸熱量 Q0相匹配，即Qw2=Q0；6）堿液濃縮過程只有在加熱蒸氣溫度與堿液泡點(diǎn)溫度超過一定差值時才能進(jìn)行，對與一般的立式殼管式降膜蒸發(fā)器，其溫度差不小于5 ℃，考慮系統(tǒng)實(shí)際工作時的漏熱，規(guī)定加熱蒸氣溫度與堿液泡點(diǎn)溫度差值不小于7 ℃。

2.2 模擬計算方法

設(shè)定稀堿液質(zhì)量流量為F=2 t/h，濃度為x0=5%，濃堿液濃度為x2=25%，質(zhì)量守恒關(guān)系：

由式（1），得出濃堿液質(zhì)量流量m2為：

根據(jù)一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1，二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力 p2，與堿液進(jìn)料出料濃度 x0和 x1（x2），可以確定堿液進(jìn)口與出口狀態(tài)的蒸發(fā)溫度 t0和 t1（t2），焓值h0和h1（h2），并通過質(zhì)量與能量守恒計算，得出兩堿液濃縮過程的負(fù)荷Q1和Q2，且一效與二效堿液濃縮過程產(chǎn)生的蒸氣質(zhì)量流量 W1和W2相等，忽略顯熱傳熱量，則Q1=Q2=Qw2，并由條件5）可得Q1=Q2=Q0，而熱泵循環(huán)制冷劑冷凝放熱量Qa大于蒸發(fā)吸熱量Q0，則Qa-Q1=Qh＞0，多余的熱量沒有帶走，積聚在一效堿液蒸發(fā)器中。為了保證熱量平衡，需要在制冷劑蒸發(fā)盤管C前設(shè)定板式換熱器H將多余的熱量Qh帶走。

最終由模擬計算設(shè)定的條件與參數(shù)，利用EES軟件模擬一效和二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1、p2對雙效系統(tǒng)單位能耗蒸發(fā)量 SMER與熱泵循環(huán)壓縮機(jī)壓比r的影響，并對單效系統(tǒng)與雙效系統(tǒng)在相同的濃縮條件與目標(biāo)下的性能進(jìn)行比較。

式中：

W1——一效堿液蒸發(fā)器內(nèi)堿液濃縮產(chǎn)生的蒸氣質(zhì)量流量，t/h；

W2——二效堿液蒸發(fā)器內(nèi)堿液濃縮產(chǎn)生的蒸氣流量，t/h；

P——熱泵循環(huán)壓縮機(jī)實(shí)際功率，kW；

prk——熱泵循環(huán)壓縮機(jī)冷凝壓力，kPa；

pr0——熱泵循環(huán)壓縮機(jī)蒸發(fā)壓力，kPa。

2.3 模擬計算結(jié)果分析

2.3.1 堿液濃縮蒸發(fā)壓力對雙效系統(tǒng)性能的影響

圖3所示為當(dāng)二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2=6.5 kPa時，雙效系統(tǒng)的SMER與壓縮機(jī)壓比r隨一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1的變化規(guī)律。由圖3可知，隨著一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1的升高，雙效系統(tǒng)的SMER急劇下降，壓縮機(jī)壓比 r逐漸上升。這是因?yàn)楫?dāng)一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1的升高時，一效堿液蒸發(fā)器進(jìn)出口的堿液泡點(diǎn)溫度t1、t2也隨之升高，為了保證堿液濃縮過程持續(xù)進(jìn)行，制冷劑冷凝溫度Trk需要提升，同時制冷劑冷凝壓力prk上升，而制冷劑蒸發(fā)壓力pr0不變，熱泵循環(huán)壓縮機(jī)r增大，所以雙效系統(tǒng)的壓縮機(jī)r隨著一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1的升高而升高。熱泵循環(huán)壓縮機(jī)比 r的增大導(dǎo)致系統(tǒng)功耗 P增大，且系統(tǒng)排出的蒸氣質(zhì)量流量W不變，所以雙效系統(tǒng)的SMER隨著一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1的升高而降低。模擬結(jié)果表明，在保證冷凝蒸發(fā)器兩側(cè)溫差在 7 ℃范圍內(nèi)的條件下，應(yīng)盡量降低一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力。

圖3 雙效系統(tǒng)SMER與r隨p1的變化

圖4所示為在一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p1=7.5 kPa時，雙效系統(tǒng)的SMER與系統(tǒng)壓縮機(jī)r隨二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2的變化規(guī)律。由圖4可知，雙效系統(tǒng)SMER隨著二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2的升高而升高，壓縮機(jī)r隨p2的升高而降低。二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2的上升使二效堿液蒸發(fā)器進(jìn)出口堿液泡點(diǎn)溫度t0、t1升高，并導(dǎo)致蒸氣冷凝溫度T′1上升，在一定的換熱溫差下制冷劑蒸發(fā)溫度Tr0上升，則制冷劑蒸發(fā)壓力pr0上升，而制冷劑冷凝溫度Trk與冷凝壓力prk不變，則壓縮機(jī)壓比r降低，所以雙效系統(tǒng)的壓縮機(jī)r隨著二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2的升高而降低。壓縮機(jī)r的降低使得壓縮機(jī)功耗P降低，且系統(tǒng)排出的蒸氣質(zhì)量流量W不變，SMER得到提升，所以雙效系統(tǒng)的SMER隨著二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力p2的升高而升高。模擬結(jié)果表明，在保證冷凝蒸發(fā)器兩側(cè)溫差在 7 ℃范圍內(nèi)的條件下，應(yīng)盡量提升二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力。通過模擬計算得出，雙效系統(tǒng)SMER的范圍為13.87～19.55，壓縮機(jī)壓比r的范圍為2.003～2.541，且當(dāng)p1=7.5 kPa、p2=6.5 kPa時，系統(tǒng)的SMER最大，為19.55。

圖4 雙效系統(tǒng)SMER與壓比r隨p2的變化規(guī)律

2.3.2 雙效系統(tǒng)與單效系統(tǒng)的性能比較

當(dāng)稀堿液質(zhì)量流量為F=2.0 t/h，濃度為x0=5%，濃堿液濃度為x2=25%，單效系統(tǒng)與雙效系統(tǒng)的性能對比如圖5和圖6所示。

圖5 單/雙效系統(tǒng)SMER與r隨p/p1的變化

圖6 單/雙效系統(tǒng)SMER與r隨p/p2的變化

由圖5可知，單效系統(tǒng)堿液濃縮蒸發(fā)壓力p與雙效系統(tǒng)一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力 p1在相同的變化范圍內(nèi)時，單效系統(tǒng)SMER與壓縮機(jī)壓比r的范圍分別為13.58～13.72和1.636～1.668，均低于雙效系統(tǒng)的 SMER（14.58～19.55）與壓縮機(jī)壓比 r（2.003～2.339）。由圖 6可知，單效系統(tǒng)堿液濃縮蒸發(fā)壓力 p與雙效系統(tǒng)二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力 p2在相同的變化范圍內(nèi)時，SMER與壓縮機(jī)壓比r的范圍分別為13.74～13.75與1.681～1.782，均低于雙效系統(tǒng)的 SMER（13.78～19.55）與壓縮機(jī)壓比 r（2.003～2.541），這是由于雙效系統(tǒng)增加了蒸氣冷凝放熱濃縮堿液的過程，增大了熱泵循環(huán)制冷劑冷凝溫度 Trk與蒸發(fā)溫度Tr0差，使冷凝壓力prk與蒸發(fā)壓力比pr0增大，所需壓縮機(jī)r增大。此外，系統(tǒng)熱能得到進(jìn)一步回收，系統(tǒng)的SMER增大。所以雙效低溫濃縮蒸發(fā)堿液熱泵系統(tǒng)在系統(tǒng)性能方面要優(yōu)于單效低溫濃縮蒸發(fā)堿液熱泵系統(tǒng)。

3 結(jié)論

針對單效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中尚存在的兩個問題，本文設(shè)計了一套雙效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)，并進(jìn)行了模擬計算，得到如下結(jié)論：

1）雙效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)其單位能耗蒸發(fā)量（SMER）隨著一效堿液濃縮蒸發(fā)壓力（p1）的升高而下降，隨著二效堿液濃縮蒸發(fā)壓力（p2）的升高而升高；在滿足冷凝蒸發(fā)器兩側(cè)流體溫差大于 7 ℃時，p1應(yīng)盡量降低，而 p2應(yīng)盡量提升；通過模擬計算可知，雙效系統(tǒng) SMER的范圍為13.87～19.55，且當(dāng)p1=7.5 kPa、p2=6.5 kPa時，系統(tǒng)SMER最大，數(shù)值為19.55；

2）雙效系統(tǒng)的壓縮機(jī)壓比隨著 p1的升高而下降，隨著p2的升高而升高，通過模擬計算得出，壓縮機(jī)壓比的范圍為2.003～2.541；

3）與單效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)相比，雙效系統(tǒng)的SMER明顯高于前者，且雙效系統(tǒng)壓縮機(jī)的壓比與空調(diào)壓縮機(jī)壓比更接近，證明了雙效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)的性能優(yōu)于單效低溫濃縮堿液熱泵系統(tǒng)。