熱泵輔助無(wú)規(guī)填料表面蒸發(fā)裝置濃縮熱敏料液性能研究

馬瑩祿

陳 東

胡勝威

王 碩

張會(huì)娟

謝繼紅

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222)

食品、化工、制藥等領(lǐng)域有多種料液屬熱敏料液,其濃縮需要在較低溫度下進(jìn)行[1],常用的低溫濃縮方法有真空沸騰蒸發(fā)濃縮[2-4]、膜濃縮[5-7]、冷凍濃縮等[8]。真空沸騰蒸發(fā)濃縮需要配置真空設(shè)備[9],對(duì)裝置的耐壓和密封等要求均較高;膜濃縮由于膜污染或膜親水化等原因,膜的使用壽命相對(duì)較短,制約了其廣泛應(yīng)用[10];冷凍濃縮所析出的冰中會(huì)夾帶料液溶質(zhì),造成料液中有益成分的損失[11]。而無(wú)規(guī)填料表面蒸發(fā)可以避免上述蒸發(fā)方式的缺陷,原理是料液在填料表面形成液膜,當(dāng)料液溫度升高時(shí),料液表面的水蒸氣壓力高于空氣中的,水蒸氣會(huì)由液膜表面向空氣中擴(kuò)散并被流過(guò)料液表面的吹掃氣帶走而實(shí)現(xiàn)料液濃縮,其特點(diǎn)是可在常壓下實(shí)現(xiàn)低溫濃縮,無(wú)規(guī)填料清洗方便,且使用壽命可達(dá)10年以上[12-13];熱泵具有高效制熱的特性[14],可為裝置低能耗供熱。因此,研究擬以常壓、低溫、低能耗的熱敏料液蒸發(fā)濃縮裝置為目標(biāo),對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算與分析影響裝置性能的因素,制作實(shí)驗(yàn)臺(tái)并探究裝置的濃縮性能,旨在為熱敏料液蒸發(fā)濃縮的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 裝置工作原理

熱泵輔助無(wú)規(guī)填料表面蒸發(fā)裝置工作原理如圖1所示。

圖1 裝置工作原理

熱泵輔助無(wú)規(guī)填料表面蒸發(fā)裝置包括熱泵單元、料液循環(huán)單元和吹掃氣循環(huán)單元3個(gè)單元;其中熱泵單元由壓縮機(jī)、加熱器、膨脹閥、吸熱器構(gòu)成,熱泵工質(zhì)在其中循環(huán)運(yùn)行;料液循環(huán)單元由料液罐、料液泵、加熱器、流量計(jì)、布液器、蒸發(fā)單元(蒸發(fā)單元內(nèi)填充無(wú)規(guī)填料,無(wú)規(guī)填料上方設(shè)置布液器)構(gòu)成,料液在其中循環(huán)運(yùn)行;吹掃氣循環(huán)單元由風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)單元、吸熱器構(gòu)成,吹掃氣在其中循環(huán)運(yùn)行(吹掃氣通常為空氣,當(dāng)料液中含有易氧化成分時(shí),吹掃氣也可采用氮?dú)?、二氧化碳等[15])。

工作過(guò)程:熱泵工質(zhì)通過(guò)吸熱器從富含水蒸氣的吹掃氣中吸熱,經(jīng)壓縮機(jī)升壓升溫后進(jìn)入加熱器加熱流過(guò)的料液;被加熱到一定溫度的料液經(jīng)布液器分布到蒸發(fā)單元內(nèi)的無(wú)規(guī)填料表面,在填料表面形成液膜;料液中的水分在液膜表面汽化為水蒸氣,且液膜表面的水蒸氣壓力高于流過(guò)液膜表面的吹掃氣中的,使液膜表面產(chǎn)生的水蒸氣不斷進(jìn)入吹掃氣中并被吹掃氣帶出蒸發(fā)單元;富含水蒸氣的吹掃氣流出蒸發(fā)單元進(jìn)入吸熱器后被熱泵工質(zhì)吸熱降溫,其中的水蒸氣變?yōu)槔淠懦?吹掃氣再經(jīng)風(fēng)機(jī)返回蒸發(fā)單元繼續(xù)循環(huán);流出蒸發(fā)單元的料液中水分減小,變?yōu)闈舛容^高的濃縮液進(jìn)入料液罐,被料液泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入加熱器,經(jīng)加熱器升溫后再返回蒸發(fā)單元繼續(xù)循環(huán)濃縮,直到料液濃度達(dá)到規(guī)定值為止。

裝置工作時(shí),料液中水分的蒸發(fā)過(guò)程是依靠常壓料液表面和常壓吹掃氣中的水蒸氣壓差實(shí)現(xiàn)的,因此在常壓低溫下對(duì)料液進(jìn)行濃縮;料液中水分汽化所需的熱能主要由熱泵吸收吹掃氣余熱提供,壓縮機(jī)、料液泵和風(fēng)機(jī)只需要消耗少量電能來(lái)驅(qū)動(dòng)各介質(zhì)循環(huán),因此可實(shí)現(xiàn)料液濃縮的低能耗;裝置中除熱泵外其他部件材料均可采用高分子材料(熱泵加熱器和熱泵吸熱器也可采用高分子材料換熱器[16]),且使用壽命可在10年以上,因此裝置的成本可較低。

2 裝置性能模擬分析

2.1 裝置基本方程

(1) 蒸發(fā)單元方程[17]:

(1)

(2)

(3)

(4)

Nu=2+(Re0.5+0.06Re0.67)Pra0.4,

(5)

Qh=0.25πD2LmsvhVL+hAs(Tfm-Ta),

(6)

式中:

msv——體積蒸發(fā)通量(單位時(shí)間內(nèi)單位體積蒸發(fā)單元從料液中蒸發(fā)出的水分質(zhì)量),kg/(m3·s);

Mw——水的摩爾質(zhì)量,kg/mol;

As——料液在填料表面的液膜面積,m2;

hm——液膜表面水蒸氣向吹掃氣中擴(kuò)散的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),m/s;

psv——料液表面的水蒸氣壓力,Pa;

pav——吹掃氣中的水蒸氣壓力,Pa;

R——?dú)怏w常數(shù),J/(mol·K);

D——蒸發(fā)單元內(nèi)直徑,m;

L——蒸發(fā)單元高度,m;

Tfm——液膜溫度,K;

Ta——吹掃氣溫度,K;

ms——料液流量,kg/s;

us——料液向下流動(dòng)速度,m/s;

H——液膜厚度,m;

ρs——料液密度,kg/m3;

h——吹掃氣與液膜的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃);

pa——吹掃氣壓力,Pa;

cp——吹掃氣定壓比熱容,J/(kgK);

Sca——吹掃氣的施密特?cái)?shù);

Pra——吹掃氣的普朗特?cái)?shù);

Nu——對(duì)流換熱努塞爾數(shù);

λa——吹掃氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);

d——液膜特征尺寸,m;

Re——吹掃氣流動(dòng)雷諾數(shù);

Qh——蒸發(fā)單元熱負(fù)荷,W;

hVL——料液中水分的汽化潛熱,J/kg。

(2) 熱泵基本方程[14]:

(7)

(8)

式中:

COP——熱泵制熱系數(shù);

Chp——熱泵熱力學(xué)完度系數(shù);

Trc——熱泵工質(zhì)冷凝溫度,K;

Tre——熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度,K;

Pc——熱泵壓縮機(jī)功率,W。

(3) 裝置節(jié)能倍率:

(9)

式中:

ESR——裝置節(jié)能倍率(相對(duì)于單效真空沸騰蒸發(fā)的節(jié)能倍數(shù))。

2.2 裝置性能分析

熱泵輔助無(wú)規(guī)填料表面蒸發(fā)裝置的主要性能指標(biāo)為體積蒸發(fā)通量和節(jié)能倍率,基于式(1)～式(9),裝置性能隨料液流量、料液溫度(料液進(jìn)蒸發(fā)單元溫度)、空氣流量、吹掃氣溫度(吹掃氣進(jìn)蒸發(fā)單元溫度)的變化規(guī)律如圖2～圖5所示(計(jì)算背景:無(wú)規(guī)填料為聚丙烯多面空心球,直徑為25 mm;蒸發(fā)單元內(nèi)直徑為0.1 m,高度為0.6 m;料液為橙汁,吹掃氣為空氣)。

圖3 料液溫度對(duì)裝置性能的影響

圖4 吹掃氣流量對(duì)裝置性能的影響

圖5 吹掃氣溫度對(duì)裝置性能的影響

圖2～圖5中,料液流量過(guò)小時(shí)無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)液膜鋪展,流量過(guò)大時(shí)易形成溝流,當(dāng)料液流量為0.020 kg/s時(shí),裝置具有最高的節(jié)能倍率和較高的體積蒸發(fā)通量;當(dāng)料液溫度由30 ℃升高至50 ℃時(shí),液膜表面水蒸氣壓力增加,水蒸氣由液膜向吹掃氣擴(kuò)散的傳質(zhì)壓差增加,使體積蒸發(fā)通量升高了224.68%,而料液溫度升高導(dǎo)致熱泵工質(zhì)的冷凝溫度升高,熱泵制熱系數(shù)降低,壓縮機(jī)功率增加,使裝置節(jié)能倍率降低了12.42%;當(dāng)吹掃氣流量由0.004 kg/s增加至0.006 kg/s時(shí),液膜表面水蒸氣向吹掃氣中擴(kuò)散的傳質(zhì)系數(shù)增加,使體積蒸發(fā)通量升高了23.45%,但吹掃氣流量增加使流出蒸發(fā)單元吹掃氣的溫度降低,導(dǎo)致熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度降低,熱泵制熱系數(shù)下降,壓縮機(jī)功率增加,使裝置節(jié)能倍率下降了7.74%;當(dāng)吹掃氣溫度由10 ℃增加至30 ℃時(shí),吹掃氣中水蒸氣壓力也增加,使液膜表面水蒸氣向吹掃氣中擴(kuò)散的傳質(zhì)壓差減小,體積通量降低了22.92%,吹掃氣溫度升高使吸熱器中熱泵工質(zhì)蒸發(fā)溫度升高,熱泵制熱系數(shù)增加,壓縮機(jī)功率減小,裝置節(jié)能倍率增加了37.49%。

3 裝置性能測(cè)試

以圖1所示裝置工作原理為參考,制作了熱泵輔助無(wú)規(guī)填料表面蒸發(fā)試驗(yàn)裝置。裝置中熱泵工質(zhì)采用R134a,壓縮機(jī)采用24 V直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)(高品ZH2024A),轉(zhuǎn)速為1 800～6 000 r/min,吸氣壓力為0.2～0.5 MPa,排氣壓力不大于1.6 MPa;蒸發(fā)單元內(nèi)直徑為55 mm,高500 mm;無(wú)規(guī)填料采用聚丙烯多面空心球,直徑為25 mm。

試驗(yàn)料液為15 °Brix的橙汁,吹掃氣為空氣;裝置的運(yùn)行性能見表1。

表1 試驗(yàn)裝置運(yùn)行性能

基于表1中運(yùn)行參數(shù),對(duì)裝置性能進(jìn)行模擬計(jì)算結(jié)果表明:裝置體積蒸發(fā)通量計(jì)算值為159 kg/(m3·h)、裝置節(jié)能倍率計(jì)算值為4.4;與表1進(jìn)行對(duì)比,裝置體積蒸發(fā)通量試驗(yàn)值高于計(jì)算值,這是由于料液在蒸發(fā)單元內(nèi)的填料表面流動(dòng)時(shí),也會(huì)流動(dòng)到蒸發(fā)單元?dú)んw的內(nèi)表面上,增加了料液的蒸發(fā)面積;裝置節(jié)能倍率的試驗(yàn)值低于計(jì)算值,主要是由于試驗(yàn)裝置規(guī)模較小,壓縮機(jī)效率相對(duì)較低,同時(shí)裝置的散熱損失較大。

4 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一種用于蒸發(fā)濃縮熱敏料液的裝置。結(jié)果表明,該裝置具有可行性且濃縮熱敏料液時(shí)具有常壓下低溫蒸發(fā)、能耗低等特點(diǎn);體積蒸發(fā)通量隨料液溫度、吹掃氣流量的增大而增大,隨吹掃氣溫度的增大而減小;裝置節(jié)能倍率隨料液溫度、吹掃氣流量的增大而減小,隨吹掃氣溫度的增大而增大;當(dāng)試驗(yàn)料液為15 °Brix的橙汁、料液溫度為38 ℃、吹掃氣溫度為26 ℃時(shí),試驗(yàn)裝置的體積蒸發(fā)通量可達(dá)219 kg/(m3·h),節(jié)能倍率可達(dá)3.3,但該裝置在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)熱敏料液的特性優(yōu)選無(wú)規(guī)填料的最佳結(jié)構(gòu)與材料。