基于熱泵循環的水蒸發濃縮系統研究

李若晗，姬愛民

基于熱泵循環的水蒸發濃縮系統研究

李若晗，姬愛民*

（華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063200）

介紹了一種使用R1234yf工質的熱泵蒸發濃縮系統，它可以在低溫低壓下將鹽溶液中的水蒸發出來，并且將二次蒸汽全部利用，達到節能的目的，從而提高熱泵蒸發濃縮系統的經濟性能。給出了系統流程圖，闡述了此系統的工作原理，并且討論了蒸發溫度、冷凝器出口溫度等因素對此熱泵蒸發濃縮系統中系統能耗的影響。

熱泵；蒸發濃縮；節能減排；水處理

能源是人類生存的基礎，進入21世紀，人類活動逐漸多樣性，能源消耗也越來越快，節約能源成為當務之急[1-2]，這對節能技術提出了更高的要求。與此同時，絕大部分化工企業的有機污水不符合國家排放標準，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和難點[3]，最常用的辦法就是直接加水稀釋污水，使污水達到排放標準，這造成排污量的大幅增加，與節能減排的原則相違背[3]。如果這些污水經過蒸發濃縮后，可以從污水中提取出來符合排放標準的蒸餾水，剩下的濃縮物再排放到污水處理廠進行處理可以大大減少化工企業的污水處理成本。熱泵蒸發與多效蒸發是提高蒸發濃縮操作能量利用經濟性的兩條最主要的途徑[4]。多效蒸發器的經濟性在于節省加熱蒸汽，但是有限度的[5]，而且不能實現對二次蒸汽的全部利用。謝繼紅[6]等使用常壓低溫熱泵蒸發濃縮裝置，實現了對熱敏性料液的蒸發濃縮，并計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律。SLESARENKO[7]在海水淡化中使用了間接式低溫熱泵蒸發系統。張慧晨[8]等使用熱泵為驅動熱源來蒸發濃縮油水混合物，得出了濃縮處理量隨廢液循環量、空氣流量的變化規律，并核算出了熱力能效。盧迅[9]等使用分級低溫蒸發濃縮系統，防止了“堿脆”及蒸發停止的危害，實現了在節能的情況下對堿液的蒸發濃縮。為了進一步實現熱泵蒸發濃縮系統的節能效果，本文給出了一種基于熱泵循環的環保、節能的蒸發濃縮系統，可以實現在低溫低壓下蒸發濃縮，并最大限度地將二次蒸汽再利用，從而降低了系統耗電量，達到了節能減排的效果，為化工企業解決污水處理問題提供了思路。

1 熱泵蒸發濃縮系統原理介紹

熱泵蒸發濃縮系統中包括制冷劑循環系統和水系統，如圖1所示。

在制冷劑循環系統中，制冷劑在1壓縮機中經過一個壓縮過程被壓縮成高溫高壓的過熱氣體，然后進入2冷凝器定壓冷凝放熱，為5反應釜提供熱量，之后在3電子膨脹閥經過一個絕熱節流過程成為低溫低壓的液體，最后在蒸發器內定壓蒸發吸熱，隨之回到壓縮機，形成一個循環。在水系統中，原液在5反應釜中被2冷凝器放出的熱量加熱，當達到泡點溫度且繼續加熱時就會蒸出水蒸氣，6真空泵為5反應釜在最初提供一個負壓環境，以降低釜中溶液的泡點溫度，待系統穩定后將用于及時地將釜中新生成的水蒸氣抽走，以維持釜中負壓環境，被抽走的水蒸氣一部分作為制冷循環的低溫熱源用于抵消制冷循環中產生的冷量，同時液化為一定溫度的蒸餾水。另一部分水蒸氣在經過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中工質的流動方向，紅色線表示水系統中水的流動方向。

2 熱泵蒸發濃縮系統熱力學計算

R1234yf，化學名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。本系統制冷劑的壓焓圖如圖2所示。

圖2 熱泵系統的壓焓示意圖

待系統穩定運行后，各個部分參數計算如下。

2.1 系統效率

將此系統耗能定義為每制取1 kg蒸餾水的耗電量，由于在系統穩定后真空泵只用于抽取反應釜中新生成的水蒸氣，因此功率很小，這部分電量忽略不計，即只計算這個時間段內壓縮機耗電量：

=0/。 （1）

式中：—系統耗能，kW·h·kg-1；

—從原液中蒸發出水的質量，kg；

0為壓縮機的輸出功率，W；

—蒸出1 kg蒸餾水的時間，h。

2.2 余熱量計算

假設蒸發器的熱效率為0.95，且經過7換熱器和4蒸發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，即系統所需熱負荷；

余—余熱量，W；

E—制冷循環中蒸發器的制冷量，W。

2.3 系統所需熱負荷

將1 kg的原水在5 min內從初溫0加熱到泡點溫度1，此部分熱負荷設為1。此后這部分原水繼續吸熱，并要求其在30 min內全部蒸發為水蒸氣，此部分熱負荷設為2，整個過程均在壓力為k的反應釜中進行。

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壓力下水的泡點溫度，℃；

以上參數均可以在相應的物性參數表中查得；

—每秒反應釜中產生水蒸氣的質量，g。

2.4 實際所需冷凝器制熱量

假設冷凝器的熱效率為0.9，則：

0.9·A=。 （6）

式中：—系統熱負荷，W；

A—實際所需制熱量，W。

2.5 工質質量流量

A=（2-3）。 （7）

式中：—循環工質的質量流量，g·s-1；

A—制冷循環中冷凝器的制熱量，W；

2—冷凝器進口制冷劑的焓值，kJ·kg-1；

3—冷凝器出口制冷劑的焓值，kJ·kg-1。

2.6 蒸發器制冷量

制冷循環蒸發器的制冷量：

E=（1-4）。 （8）

式中：—循環工質的質量流量，g·s-1；

E—制冷循環蒸發器的制冷量，W；

1—蒸發器出口制冷劑的焓值，kJ·kg-1；

4—蒸發器進口制冷劑的焓值，kJ·kg-1。

2.7 壓縮機功率

假設壓縮機的絕熱效率1為0.9，機械效率2為0.9，則壓縮機的功率為：

0·1·2=（2-1）。 （9）

式中：—循環工質的質量流量，g·s-1；

0—壓縮機的輸出功率，W；

2—壓縮機絕熱等熵壓縮過程出口制冷劑的焓值，kJ·kg-1；

1—壓縮機絕熱等熵壓縮過程進口制冷劑的焓值，kJ·kg-1。

3 影響熱泵蒸發濃縮系統性能的因素

3.1 蒸發溫度對熱泵蒸發濃縮系統性能的影響

當系統穩定運行后，設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，此時水的沸點為40 ℃。由圖3可以看出，當蒸發溫度在-15~15 ℃范圍內，隨著蒸發溫度的增加，循環系統的系統耗能呈下降的趨勢。蒸發溫度越高，系統的耗電量越低，所以合理的選擇蒸發器，控制蒸發器進出口溫度，有利于系統效率的提高，從而節省能量。

圖3 系統耗能隨蒸發溫度的變化規律

3.2 冷凝溫度對熱泵蒸發濃縮系統性能的影響

當系統穩定運行后，設置蒸發溫度為5 ℃，過熱溫度為5 ℃，排氣壓力為2.5 MPa，釜中壓力為7.4 kPa，此時水的沸點為40 ℃。圖4給出了冷凝器出口溫度對熱泵蒸發濃縮系統耗電量的影響。

圖4 系統耗能隨冷凝溫度的變化規律

當冷凝溫度在45~55 ℃范圍內，隨著冷凝溫度的增加，此循環的系統耗能呈上升的趨勢，說明冷凝溫度升高對系統節能不利，熱泵系統冷凝溫度的提高是一個不利的因素，冷凝溫度越高，系統耗電越高。

4 結束語

針對于國內現有的蒸發濃縮技術節能效果和技術不成熟等問題，設計出了一套使用R1234yf工質的基于熱泵循環的蒸發濃縮系統，該系統實現了在低溫低壓下將溶液中的水蒸發出來，最大限度的將二次蒸汽再利用，穩定運行時溫度低，而且僅須要消耗極少的電能就可以使其運轉，環保節能。還給出了影響熱泵蒸發濃縮系統性能的因素及系統耗能隨這些因素變化的規律，當蒸發溫度在-15~15 ℃之間時，系統耗能隨蒸發溫度的升高而降低；當冷凝溫度在45~55 ℃之間時，系統能耗隨冷凝溫度的升高而升高。

［1］劉娟, 于慶東. 面向可持續發展的戰略環境評價研究[J]. 環境科學與技術，2006，29（5）：69-71.

［2］陳礪. 能源概論[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

［3］楊靜，金曉莉，鄭甜甜.高鹽廢水生物處理研究現狀及進展[J].遼寧化工，2013，42（1）：18-22.

［4］王寶江，李彥興，姚蘭，等．清水配制污水稀釋聚合物溶液試驗研究[J]．大慶石油地質與開發，2001，20（2）：86-88．

［5］秦人偉.節能熱泵技術在濃縮果蔬汁生產中的應用[J].飲料工業，2012，15（12）：31-33.

［6］謝繼紅，周紅，陳東. 新型常壓低溫熱泵蒸發濃縮裝置 [J]. 輕工機械，2008，26（1）：25-28.

［7］SLESARENKO V V. Heat pumps as a source of heat energy for desalination of seawater[J]., 2001, 139(1): 405-410.

［8］張慧晨，柳建華，徐小進，等.熱泵驅動小型廢液濃縮處理裝置研制[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：98-101.

［9］盧迅，杜塏，張友超.分級低溫蒸發濃縮堿液熱泵系統的構建與模擬分析[J].制冷技術，2017，37（4）：11-17.

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，河北省邢臺市人，碩士研究生。

姬愛民，副教授，碩士生導師，研究方向：生物質能源。

TQ051.5

A

1004-0935（2021）01-0089-03