基于熱泵循環(huán)的水蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)研究

李若晗，姬愛民

基于熱泵循環(huán)的水蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)研究

李若晗，姬愛民*

（華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063200）

介紹了一種使用R1234yf工質(zhì)的熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，它可以在低溫低壓下將鹽溶液中的水蒸發(fā)出來，并且將二次蒸汽全部利用，達(dá)到節(jié)能的目的，從而提高熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。給出了系統(tǒng)流程圖，闡述了此系統(tǒng)的工作原理，并且討論了蒸發(fā)溫度、冷凝器出口溫度等因素對此熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中系統(tǒng)能耗的影響。

熱泵；蒸發(fā)濃縮；節(jié)能減排；水處理

能源是人類生存的基礎(chǔ)，進(jìn)入21世紀(jì)，人類活動(dòng)逐漸多樣性，能源消耗也越來越快，節(jié)約能源成為當(dāng)務(wù)之急[1-2]，這對節(jié)能技術(shù)提出了更高的要求。與此同時(shí)，絕大部分化工企業(yè)的有機(jī)污水不符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，其中高鹽廢水處理在污水處理中有重要地位, 是廢水處理研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]，最常用的辦法就是直接加水稀釋污水，使污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，這造成排污量的大幅增加，與節(jié)能減排的原則相違背[3]。如果這些污水經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后，可以從污水中提取出來符合排放標(biāo)準(zhǔn)的蒸餾水，剩下的濃縮物再排放到污水處理廠進(jìn)行處理可以大大減少化工企業(yè)的污水處理成本。熱泵蒸發(fā)與多效蒸發(fā)是提高蒸發(fā)濃縮操作能量利用經(jīng)濟(jì)性的兩條最主要的途徑[4]。多效蒸發(fā)器的經(jīng)濟(jì)性在于節(jié)省加熱蒸汽，但是有限度的[5]，而且不能實(shí)現(xiàn)對二次蒸汽的全部利用。謝繼紅[6]等使用常壓低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮裝置，實(shí)現(xiàn)了對熱敏性料液的蒸發(fā)濃縮，并計(jì)算了變工況下的噸水能耗比，得出了料液能耗比隨料液溫度的變化規(guī)律。SLESARENKO[7]在海水淡化中使用了間接式低溫?zé)岜谜舭l(fā)系統(tǒng)。張慧晨[8]等使用熱泵為驅(qū)動(dòng)熱源來蒸發(fā)濃縮油水混合物，得出了濃縮處理量隨廢液循環(huán)量、空氣流量的變化規(guī)律，并核算出了熱力能效。盧迅[9]等使用分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，防止了“堿脆”及蒸發(fā)停止的危害，實(shí)現(xiàn)了在節(jié)能的情況下對堿液的蒸發(fā)濃縮。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的節(jié)能效果，本文給出了一種基于熱泵循環(huán)的環(huán)保、節(jié)能的蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在低溫低壓下蒸發(fā)濃縮，并最大限度地將二次蒸汽再利用，從而降低了系統(tǒng)耗電量，達(dá)到了節(jié)能減排的效果，為化工企業(yè)解決污水處理問題提供了思路。

1 熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原理介紹

熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中包括制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和水系統(tǒng)，如圖1所示。

在制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中，制冷劑在1壓縮機(jī)中經(jīng)過一個(gè)壓縮過程被壓縮成高溫高壓的過熱氣體，然后進(jìn)入2冷凝器定壓冷凝放熱，為5反應(yīng)釜提供熱量，之后在3電子膨脹閥經(jīng)過一個(gè)絕熱節(jié)流過程成為低溫低壓的液體，最后在蒸發(fā)器內(nèi)定壓蒸發(fā)吸熱，隨之回到壓縮機(jī)，形成一個(gè)循環(huán)。在水系統(tǒng)中，原液在5反應(yīng)釜中被2冷凝器放出的熱量加熱，當(dāng)達(dá)到泡點(diǎn)溫度且繼續(xù)加熱時(shí)就會(huì)蒸出水蒸氣，6真空泵為5反應(yīng)釜在最初提供一個(gè)負(fù)壓環(huán)境，以降低釜中溶液的泡點(diǎn)溫度，待系統(tǒng)穩(wěn)定后將用于及時(shí)地將釜中新生成的水蒸氣抽走，以維持釜中負(fù)壓環(huán)境，被抽走的水蒸氣一部分作為制冷循環(huán)的低溫?zé)嵩从糜诘窒评溲h(huán)中產(chǎn)生的冷量，同時(shí)液化為一定溫度的蒸餾水。另一部分水蒸氣在經(jīng)過7換熱器換熱后成為一定溫度的蒸餾水，這部分的熱量用于加熱下一輪的原液，所有蒸餾水隨后收集到8容器中。其中黑色線表示熱泵系統(tǒng)中工質(zhì)的流動(dòng)方向，紅色線表示水系統(tǒng)中水的流動(dòng)方向。

2 熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算

R1234yf，化學(xué)名2,3,3,3-四氟丙烯，分子式為C3H2F4，ODP為0，GWP為4，是中低溫制冷劑。本系統(tǒng)制冷劑的壓焓圖如圖2所示。

圖2 熱泵系統(tǒng)的壓焓示意圖

待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，各個(gè)部分參數(shù)計(jì)算如下。

2.1 系統(tǒng)效率

將此系統(tǒng)耗能定義為每制取1 kg蒸餾水的耗電量，由于在系統(tǒng)穩(wěn)定后真空泵只用于抽取反應(yīng)釜中新生成的水蒸氣，因此功率很小，這部分電量忽略不計(jì)，即只計(jì)算這個(gè)時(shí)間段內(nèi)壓縮機(jī)耗電量：

=0/。 （1）

式中：—系統(tǒng)耗能，kW·h·kg-1；

—從原液中蒸發(fā)出水的質(zhì)量，kg；

0為壓縮機(jī)的輸出功率，W；

—蒸出1 kg蒸餾水的時(shí)間，h。

2.2 余熱量計(jì)算

假設(shè)蒸發(fā)器的熱效率為0.95，且經(jīng)過7換熱器和4蒸發(fā)器換熱后餾出液的溫度均0，則：

（-余）×0.95=E。 （2）

式中：—1 kg水蒸氣中的熱量，W，即系統(tǒng)所需熱負(fù)荷；

余—余熱量，W；

E—制冷循環(huán)中蒸發(fā)器的制冷量，W。

2.3 系統(tǒng)所需熱負(fù)荷

將1 kg的原水在5 min內(nèi)從初溫0加熱到泡點(diǎn)溫度1，此部分熱負(fù)荷設(shè)為1。此后這部分原水繼續(xù)吸熱，并要求其在30 min內(nèi)全部蒸發(fā)為水蒸氣，此部分熱負(fù)荷設(shè)為2，整個(gè)過程均在壓力為k的反應(yīng)釜中進(jìn)行。

C·（1-0）=60×5×1； （3）

2=0； （4）

=1+2-余。 （5）

式中：C—在k壓力下水的定壓比熱，kJ·(kg·℃)-1；

0—在k壓力下水的汽化潛熱，kJ·kg-1；

1—在k壓力下水的泡點(diǎn)溫度，℃；

以上參數(shù)均可以在相應(yīng)的物性參數(shù)表中查得；

—每秒反應(yīng)釜中產(chǎn)生水蒸氣的質(zhì)量，g。

2.4 實(shí)際所需冷凝器制熱量

假設(shè)冷凝器的熱效率為0.9，則：

0.9·A=。 （6）

式中：—系統(tǒng)熱負(fù)荷，W；

A—實(shí)際所需制熱量，W。

2.5 工質(zhì)質(zhì)量流量

A=（2-3）。 （7）

式中：—循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量，g·s-1；

A—制冷循環(huán)中冷凝器的制熱量，W；

2—冷凝器進(jìn)口制冷劑的焓值，kJ·kg-1；

3—冷凝器出口制冷劑的焓值，kJ·kg-1。

2.6 蒸發(fā)器制冷量

制冷循環(huán)蒸發(fā)器的制冷量：

E=（1-4）。 （8）

式中：—循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量，g·s-1；

E—制冷循環(huán)蒸發(fā)器的制冷量，W；

1—蒸發(fā)器出口制冷劑的焓值，kJ·kg-1；

4—蒸發(fā)器進(jìn)口制冷劑的焓值，kJ·kg-1。

2.7 壓縮機(jī)功率

假設(shè)壓縮機(jī)的絕熱效率1為0.9，機(jī)械效率2為0.9，則壓縮機(jī)的功率為：

0·1·2=（2-1）。 （9）

式中：—循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量，g·s-1；

0—壓縮機(jī)的輸出功率，W；

2—壓縮機(jī)絕熱等熵壓縮過程出口制冷劑的焓值，kJ·kg-1；

1—壓縮機(jī)絕熱等熵壓縮過程進(jìn)口制冷劑的焓值，kJ·kg-1。

3 影響熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)性能的因素

3.1 蒸發(fā)溫度對熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，設(shè)置冷凝器出口溫度為45 ℃，過熱溫度為5 ℃，排氣壓力為2.5 MPa，釜中壓力為7.4 kPa，此時(shí)水的沸點(diǎn)為40 ℃。由圖3可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度在-15~15 ℃范圍內(nèi)，隨著蒸發(fā)溫度的增加，循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)耗能呈下降的趨勢。蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)的耗電量越低，所以合理的選擇蒸發(fā)器，控制蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度，有利于系統(tǒng)效率的提高，從而節(jié)省能量。

圖3 系統(tǒng)耗能隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律

3.2 冷凝溫度對熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，設(shè)置蒸發(fā)溫度為5 ℃，過熱溫度為5 ℃，排氣壓力為2.5 MPa，釜中壓力為7.4 kPa，此時(shí)水的沸點(diǎn)為40 ℃。圖4給出了冷凝器出口溫度對熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)耗電量的影響。

圖4 系統(tǒng)耗能隨冷凝溫度的變化規(guī)律

當(dāng)冷凝溫度在45~55 ℃范圍內(nèi)，隨著冷凝溫度的增加，此循環(huán)的系統(tǒng)耗能呈上升的趨勢，說明冷凝溫度升高對系統(tǒng)節(jié)能不利，熱泵系統(tǒng)冷凝溫度的提高是一個(gè)不利的因素，冷凝溫度越高，系統(tǒng)耗電越高。

4 結(jié)束語

針對于國內(nèi)現(xiàn)有的蒸發(fā)濃縮技術(shù)節(jié)能效果和技術(shù)不成熟等問題，設(shè)計(jì)出了一套使用R1234yf工質(zhì)的基于熱泵循環(huán)的蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在低溫低壓下將溶液中的水蒸發(fā)出來，最大限度的將二次蒸汽再利用，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)溫度低，而且僅須要消耗極少的電能就可以使其運(yùn)轉(zhuǎn)，環(huán)保節(jié)能。還給出了影響熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)性能的因素及系統(tǒng)耗能隨這些因素變化的規(guī)律，當(dāng)蒸發(fā)溫度在-15~15 ℃之間時(shí)，系統(tǒng)耗能隨蒸發(fā)溫度的升高而降低；當(dāng)冷凝溫度在45~55 ℃之間時(shí)，系統(tǒng)能耗隨冷凝溫度的升高而升高。

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Research on Water Evaporation and Concentration System Based on Heat Pump Cycle

LI Ruo-han, JI Ai-min

（North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063200, China）

A heat pump evaporative concentration system using R1234yf working medium was introduced. It can evaporate water from a saline solution at low temperatures and low pressure, and all the secondary steam can be usedto achieve the purpose of energy saving so as to improve the economic performance of the heat pump evaporation and concentration system.The flow chart of the system was given,the working principle of the system was described,the effect of evaporation temperatureand condenser outlet temperature on the energy consumption of the evaporative concentration system was discussed.

Heat pump; Evaporation concentration; Energy conservation and emission reduction; Water treatment

2020-08-25

李若晗（1996-），男，河北省邢臺(tái)市人，碩士研究生。

姬愛民，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：生物質(zhì)能源。

TQ051.5

A

1004-0935（2021）01-0089-03