復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的性能分析

姚麗平 趙敬德 周亞素 姚洪謙 胡金良

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 威海雙信節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司

0 引言

印染行業(yè)是典型的高能耗、高水耗、高污染的三高行業(yè)。印染企業(yè)的部分工序如退漿、水洗、漂白、染色、干燥等需采用蒸汽作為熱源，同時(shí)需要大量的自來水進(jìn)行清洗，印染企業(yè)在大規(guī)模消耗能源與水資源的情況下，隨之產(chǎn)生了大量難以處理的高溫印染廢水，若直接排放掉，不僅造成熱量的浪費(fèi)，而且也會(huì)使環(huán)境熱污染效應(yīng)加劇。因此，在印染廠進(jìn)行廢水余熱回收是一項(xiàng)非常必要的工作，不僅可以提高能量利用率，還能起到保護(hù)環(huán)境的作用[1]。

對(duì)于印染廢水的余熱回收方式，目前國內(nèi)外的余熱回收方式主要有換熱器余熱回收，熱泵機(jī)組余熱回收以及一級(jí)換熱器加熱泵機(jī)組余熱回收方式，但是對(duì)于換熱器余熱回收：換熱不夠徹底，使得制取的清水溫度無法超過本身廢熱水的溫度。對(duì)于熱泵機(jī)組余熱回收：廢水不經(jīng)預(yù)熱直接進(jìn)入熱泵，制取高溫的熱水所需要的熱泵功耗較大，且廢水直接進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器，會(huì)對(duì)蒸發(fā)器造成腐蝕。對(duì)于一級(jí)換熱器加熱泵機(jī)組的余熱回收方式：只經(jīng)過一次預(yù)熱使得換熱溫差較大，無法達(dá)到熱泵機(jī)組的最佳工況點(diǎn)[2-3]。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，并且結(jié)合實(shí)地調(diào)研的印染測試數(shù)據(jù)，提出一種復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來研究分析不同的運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與分析

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示，工作過程如下：復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)即兩級(jí)預(yù)熱式熱泵換熱系統(tǒng)，是由兩級(jí)換熱器加熱泵機(jī)組組成，采用梯級(jí)換熱模式（采用兩級(jí)換熱器對(duì)清水先進(jìn)行預(yù)熱，再進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行溫度提升），廢熱水先經(jīng)過一效換熱器，與清水進(jìn)行一次換熱，溫度下降，然后再經(jīng)過二效換熱器進(jìn)行二次換熱，溫度再次下降，最后進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，得到溫度較低的廢水。清水（冷水）先經(jīng)過二效換熱器，與經(jīng)過一效換熱器換熱之后的廢水進(jìn)行換熱，溫度升高，再進(jìn)入一效換熱器進(jìn)行換熱，溫度再次升高，最后進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，得到溫度較高并且符合工藝需求的熱水。

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，需要使用到的參數(shù)測量儀器規(guī)格如表1 所示。

表1 測點(diǎn)位置以及測試儀器

1.2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)是通過消耗一定量的電能將印染廢水中的低品位能源提取出來，因此該系統(tǒng)對(duì)于能量消耗的多少，是一個(gè)非常重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。目前，比較復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的能量效率，通常采用該系統(tǒng)的性能系數(shù)即系統(tǒng)能效比COP作為其評(píng)價(jià)的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)能效比COP 是能源轉(zhuǎn)換效率之比，能效比越大，代表系統(tǒng)的節(jié)能效率越好，在穩(wěn)態(tài)下，復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的能效比COP 的計(jì)算基本方程如下：

式中：COP-系統(tǒng)能效比；Qqx-系統(tǒng)制熱量，W；W-系統(tǒng)耗電量，W；mq-清水側(cè)冷水流量，m3/h；C-清水側(cè)冷水比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)；tqi1-清水側(cè)進(jìn)口溫度，℃；tqo3-清水側(cè)出口溫度，℃。

2 結(jié)果對(duì)比分析

2.1 廢水側(cè)進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

在復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，保持清水側(cè)進(jìn)口溫度維持在20 ℃，清水側(cè)進(jìn)口流量維持在10 m3/h 以及廢水側(cè)進(jìn)口流量維持在15 m3/h 不變，隨著廢水側(cè)進(jìn)口的溫度從40 ℃變化到70 ℃，復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變化，其變化關(guān)系曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)制熱量、耗電量隨廢水側(cè)進(jìn)口溫度變化關(guān)系

圖3 系統(tǒng)能效比COP 隨廢水側(cè)進(jìn)口溫度變化關(guān)系

由圖2、圖3 可知，隨著廢水側(cè)進(jìn)口溫度的增加，系統(tǒng)制熱量先增加后減小。當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口溫度在66 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)制熱量達(dá)到最大。而系統(tǒng)耗電量則是一直增加，但是其增加速率先是較為平緩，且系統(tǒng)制熱量的增加趨勢大于耗電量的增加趨勢，而當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口溫度在66 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)耗電量的增加速率變得較為急劇。因此由系統(tǒng)能效比COP 的計(jì)算公式（1）可知，系統(tǒng)能效比COP 隨著廢水側(cè)進(jìn)口溫度的增加先增大后減小，當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口溫度在66 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)能效比COP 可以達(dá)到11.9。

隨著廢水側(cè)進(jìn)口溫度的升高，則蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力也會(huì)隨之增高，冷凝壓力幾乎不變，則壓縮機(jī)吸排氣壓比會(huì)增大，而制冷劑流量就會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)吸排氣壓比的增大而增大，由于制冷劑流量的變大，且此時(shí)過熱度沒有達(dá)到0 K，系統(tǒng)制熱量亦隨之增大。隨著廢水側(cè)溫度增加到一定值時(shí)，此時(shí)過熱度達(dá)到0 K，制熱量達(dá)到最大。當(dāng)再繼續(xù)增加溫度時(shí)，壓縮機(jī)吸氣口制冷劑無過熱度后，壓縮機(jī)開始吸氣帶液，冷凝器換熱焓差減小，制冷劑流量下降，制熱量減小，則取熱量也會(huì)下降，而且同時(shí)，系統(tǒng)耗功（主要為壓縮機(jī)耗功）隨壓縮機(jī)吸排氣壓比的增大而增大，但是系統(tǒng)制熱量升高的趨勢大于系統(tǒng)耗電量升高的趨勢，所以系統(tǒng)COP隨之增加。由于吸氣帶液增大了壓縮機(jī)膨脹比體積，降低了容積效率和等熵壓縮效率，因此耗電量增加的速率加快，系統(tǒng)能效比COP 開始下降。

2.2 清水側(cè)進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

在復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，保持廢水側(cè)進(jìn)口溫度維持在60 ℃，廢水側(cè)進(jìn)口流量維持在15 m3/h 以及清水側(cè)進(jìn)口流量維持在10 m3/h 不變，隨著清水側(cè)進(jìn)口溫度從20 ℃變化到25 ℃，復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變化，其變化曲線圖關(guān)系如圖4、圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)制熱量、耗電量隨清水側(cè)進(jìn)口溫度變化關(guān)系

圖5 系統(tǒng)能效比COP 隨清水側(cè)進(jìn)口溫度變化關(guān)系

由圖4、圖5 可知，隨著清水側(cè)進(jìn)口溫度從20 ℃增加到25 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)制熱量一直減小，系統(tǒng)耗電量一直減小，當(dāng)清水側(cè)進(jìn)口溫度在20 ℃時(shí)，系統(tǒng)制熱量，取熱量以及耗電量達(dá)到最大。因此由系統(tǒng)能效比COP 的計(jì)算公式（1）可知，系統(tǒng)能效比COP 隨著清水側(cè)進(jìn)口溫度的增加先增大后減小。當(dāng)清水側(cè)進(jìn)口溫度在20 ℃時(shí)，系統(tǒng)能效比COP 可以達(dá)到11.3。

隨著清水側(cè)進(jìn)口溫度的升高，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，冷凝壓力也會(huì)隨之增高，蒸發(fā)壓力幾乎不變，則壓縮機(jī)吸排氣壓比會(huì)減小，而制冷劑流量就會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)吸排氣壓比的減小而減小。因?yàn)橹评鋭┝髁康臏p小，所以制熱量減小，同時(shí)，系統(tǒng)耗功（主要為壓縮機(jī)耗功）隨壓縮機(jī)吸排氣壓比的減小而減小，但是系統(tǒng)制熱量降低的趨勢小于系統(tǒng)耗電量降低的趨勢，系統(tǒng)能效比COP 開始下降。

2.3 廢水側(cè)進(jìn)口流量對(duì)系統(tǒng)的影響

在復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，保持清水側(cè)進(jìn)口溫度維持在20 ℃，清水側(cè)進(jìn)口流量維持在10 m3/h 以及廢水側(cè)進(jìn)口溫度維持在60 ℃不變。隨著廢水側(cè)進(jìn)口流量從10 m3/h 變化到20 m3/h，復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變化，其變化曲線圖關(guān)系如圖6、圖7 所示。

圖6 系統(tǒng)制熱量、耗電量隨廢水側(cè)進(jìn)口流量變化關(guān)系

圖7 系統(tǒng)能效比COP 隨廢水側(cè)進(jìn)口流量變化關(guān)系

由圖6、圖7 可知，隨著廢水側(cè)進(jìn)口流量的增加，系統(tǒng)制熱量先增加后減小。當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口流量增加到在17 m3/h 左右時(shí)，系統(tǒng)制熱量與取熱量最大。而系統(tǒng)耗電量則是隨著廢水側(cè)進(jìn)口流量的增加一直增加，但是耗電量的增加速率先是較為平緩，且系統(tǒng)制熱量的增加趨勢大于系統(tǒng)耗電量的增加趨勢。當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口流量在17 m3/h 左右時(shí)，系統(tǒng)耗電量的增加速率變得較為急劇。由系統(tǒng)能效比COP 的計(jì)算公式可知，系統(tǒng)能效比COP 隨著廢水側(cè)進(jìn)口溫度的增加先增大后減小。當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口流量在17 m3/h 左右時(shí)，系統(tǒng)能效比COP 可以達(dá)到11.88。

隨著廢水側(cè)進(jìn)口流量的升高，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)壓力也會(huì)隨之增高，冷凝壓力幾乎不變，則壓縮機(jī)吸排氣壓比會(huì)增大。而制冷劑流量就會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)吸排氣壓比的增大而增大，由于制冷劑流量的變大，且此時(shí)過熱度沒有達(dá)到0 K，系統(tǒng)制熱量亦隨之增大。隨著廢水側(cè)進(jìn)口流量增加到一定值時(shí)，此時(shí)過熱度達(dá)到0 K，制熱量達(dá)到最大。當(dāng)再繼續(xù)增加流量時(shí)，壓縮機(jī)吸氣口制冷劑無過熱度后，壓縮機(jī)開始吸氣帶液，冷凝器換熱焓差減小，制冷劑流量下降，制熱量減小，則取熱量也會(huì)下降，而且同時(shí)，系統(tǒng)耗功（主要為壓縮機(jī)耗功）隨壓縮機(jī)吸排氣壓比的增大而增大，但是系統(tǒng)制熱量升高的趨勢大于系統(tǒng)耗電量升高的趨勢，所以系統(tǒng)COP 隨之增加，由于吸氣帶液增大了壓縮機(jī)膨脹比體積，降低了容積效率和等熵壓縮效率，因此耗電量增加的速率加快，系統(tǒng)能效比COP 開始下降。

2.4 清水側(cè)進(jìn)口流量對(duì)系統(tǒng)的影響

在復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，保持廢水側(cè)進(jìn)口溫度維持在60 ℃，廢水側(cè)進(jìn)口流量維持在15 m3/h 以及清水側(cè)進(jìn)口溫度維持在20 ℃不變。隨著清水側(cè)進(jìn)口流量從10 m3/h 變化到20 m3/h，復(fù)疊式熱功轉(zhuǎn)換制熱系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的變化，其變化關(guān)系曲線圖如圖8、圖9 所示。

圖8 系統(tǒng)制熱量、耗電量隨清水側(cè)進(jìn)口流量變化關(guān)系

圖9 系統(tǒng)能效比COP 隨清水側(cè)進(jìn)口流量變化關(guān)系

由圖8、圖9 可知，隨著清水側(cè)進(jìn)口流量從10 m3/h增加到20 m3/h，左右時(shí)，系統(tǒng)制熱量一直減小，系統(tǒng)耗電量也是一直減小。當(dāng)清水側(cè)進(jìn)口流量在10 m3/h 左右時(shí)，系統(tǒng)制熱量以及耗電量在流量范圍之內(nèi)最大。由系統(tǒng)能效比COP 的計(jì)算公式可知，系統(tǒng)能效比COP 隨著清水側(cè)進(jìn)口溫度的增加而減小，當(dāng)清水側(cè)進(jìn)口流量在10 m3/h 左右時(shí)，系統(tǒng)能效比COP 為11.25。

隨著清水側(cè)進(jìn)口流量的升高，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，冷凝壓力也會(huì)隨之增高，蒸發(fā)壓力幾乎不變，所以壓縮機(jī)吸排氣壓比會(huì)減小。而制冷劑流量會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)吸排氣壓比的減小而減小。因?yàn)橹评鋭┝髁康臏p小，所以制熱量減小，同時(shí)系統(tǒng)耗功（主要為壓縮機(jī)耗功）隨壓縮機(jī)吸排氣壓比的減小而減小。由于系統(tǒng)制熱量下降的速率小于系統(tǒng)耗電量下降的速率，因此系統(tǒng)能效比COP 也呈現(xiàn)減小的趨勢。

3 結(jié)論

通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同的運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以及分析，得到如下結(jié)論：

1）在系統(tǒng)允許的運(yùn)行工況范圍之內(nèi)，隨廢水側(cè)進(jìn)口溫度升高，系統(tǒng)制熱量先增加后減小，系統(tǒng)耗電量一直增加，并且其增加速率先平緩后急劇，且制熱量增加速率大于耗電量增加速率，因而系統(tǒng)能效比COP先增加后減小。當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口溫度為66 ℃時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。

2）隨清水側(cè)進(jìn)口溫度的升高，系統(tǒng)制熱量，耗電量以及系統(tǒng)能效比COP 都呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)清水側(cè)進(jìn)口溫度為20 ℃時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。

3）隨廢水側(cè)進(jìn)口流量升高，系統(tǒng)制熱量先增加后減小，系統(tǒng)耗電量一直增加，并且其增加速率先平緩后急劇，且制熱量增加速率大于耗電量增加速率，因而系統(tǒng)能效比COP 先增加后減小。當(dāng)廢水側(cè)進(jìn)口溫度為17 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。

4）隨清水側(cè)進(jìn)口流量的升高，系統(tǒng)總制熱量，耗電量以及系統(tǒng)能效比COP 都呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)清水側(cè)進(jìn)口溫度為10 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。