低溫蘋果汁熱泵蒸發系統的設計研究

許榮華，韓東，陳俊杰

(1. 揚州福爾喜果蔬汁機械有限公司，江蘇，揚州，225105；2.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇，南京,210016)

引言

蘋果汁濃縮是蒸發濃縮領域中常見的高耗能工藝，也是蘋果汁釀造過程中關鍵的工藝過程，開發蘋果汁的低耗能濃縮技術是目前的重要研究方向之一[1-2]。與常規反滲透、多效蒸發等濃縮技術相比，熱泵蒸發濃縮能夠回收利用二次蒸汽顯熱，已成為一種應用范圍廣、能耗低的潛力濃縮技術[3-5]。

機械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression，MVR)技術是目前常被用于蒸發濃縮的高效蒸發技術之一[6]。熱泵技術也常用于蒸發濃縮，目前研究者已提出多種熱泵蒸發濃縮方案[7-10]。Slesarenko[7]提出一種用于海水淡化的熱泵常壓低溫蒸發方案，在低溫產水的需求下優勢突出。謝繼紅等[8]提出了一種通用的熱泵常壓低溫蒸發濃縮方案，通過吸濕氣體在蒸發器和冷凝器間強制循環，加速常壓低溫條件下稀溶液的蒸發，從而實現原料的濃縮。Tobias Reiners[10]研究了基于熱泵系統的第五代超低溫區域供熱網絡，該系統可以實現30℃下的常規運作。研究發現，在源出口溫度達到17℃時系統的最大COP 為10。綜上所述，研究者們已開展熱泵蒸發濃縮的諸多研究，且主要集中在熱力學理論上的整體節能特性，而對于蘋果汁蒸發濃縮過程的熱敏性問題很少涉及。

因此，針對蘋果汁濃縮加工，研究提出一套適用于蘋果汁加工的低溫熱泵蒸發濃縮系統方案。首先對該系統及關鍵設備蒸發器和冷凝器建立不同水平的計算模型，進行熱力學性能、經濟性能和綜合性能預測分析。其次，以MVR 蒸發濃縮方案為參比，對比分析低溫熱泵蒸發濃縮系統的整體技術經濟性能。最后，分析操作溫度對噸水電耗、關鍵設備成本和綜合性能指標等的熱敏性影響，來研究低溫蘋果汁熱泵蒸發濃縮系統的技術經濟性能潛力。

1 低溫熱泵蒸發濃縮系統

1.1 低溫熱泵蒸發濃縮系統

鑒于MVR 系統中易出現漏油問題，針對蘋果汁蒸發濃縮過程，研究提出圖1 所示的低溫熱泵蒸發濃縮方案。首先將原果汁經泵送入工質冷凝器，在冷凝器內吸收熱泵循環有機工質所釋放的熱量后，果汁蒸發的蒸汽經氣液分離器頂部管道送入工質蒸發器，剩余未蒸發部分的濃果汁沉積在氣液分離器底部，并經管道輸送至濃果汁罐。蒸發出來的蒸汽在工質蒸發器內加熱液態有機工質后冷凝成液態水，收集于冷凝液罐中，同時工質蒸發器內液態有機工質吸熱后變成汽態有機工質，隨后經過壓縮機增壓升溫后進入工質冷凝器作為熱源，加熱原果汁。圖2 為蘋果汁低溫熱泵蒸發濃縮系統圖。

圖1 蘋果汁低溫熱泵蒸發濃縮原理圖Fig.1 Schematic diagram of apple juice of heat hump evaporation concentration under low temperature

圖2 蘋果汁低溫熱泵蒸發濃縮系統圖Fig.2 Heat hump evaporation concentration system of apple juice under low temperature

2 方法描述

2.1 模型建立

通過Aspen plus 構建系統分析流程，對熱泵蒸發濃縮系統關鍵設備建立完整的分析模型。其中工質蒸發器和工資冷凝器均采用板式換熱器，通過Aspen plus 計算平臺嵌入Exchanger Design and Rating 中的Hetran 換熱模型，建立流體熱物性和溫差影響的結構尺寸模型。

2.2 性能指標

熱泵蒸發濃縮系統原料濃縮常伴隨著水蒸氣的蒸發，而且一般采用電力驅動壓縮機來帶動整個系統運轉。因此噸水電耗ζ 在一定程度上能夠體現熱泵蒸發濃縮系統的熱力性能，其物理意義表示蒸發一噸水所消耗的電功，(kWh/t)。其計算表達式如下：

為了表示不同蒸發濃縮系統的綜合技術經濟性能，研究提出利用關鍵成本C與噸水電耗ζ 的乘積作為衡量不同系統的綜合性能指標，該指標越高表示系統的技術經濟性能越差。

在本文計算條件下，對于常規MVR 系統，其關鍵成本C主要包括冷凝蒸發器成本Ceva-con、壓縮機成本Ccom和輔助成本Caux，計算表達式如下：

對于低溫熱泵蒸發濃縮系統，其關鍵成本C主要包括蒸發器成本Ceva、冷凝器成本Ccon、壓縮機成本Ccom和輔助成本Caux，計算表達式如下：

其中，Ccon或者Ceva的計算表達式如下[11]，元：

其中，n0為本地化因子，本文計算中取0.6。7.66 為歐元兌人民幣匯率，A為換熱器有效面積，m2。

對低溫熱泵蒸發濃縮系統的壓縮機成本Ccom，采用如下計算表達式[11]，萬元：

其中，Vsu,exp為壓縮機入口氣體流量，m3/s。

而對MVR 系統的蒸汽壓縮機，其成本Ccom主要借鑒文獻[12]進行計算，萬元：

由于MVR 系統壓縮機成本不僅與壓比有關，而且還與入口氣體體積流量緊密相關，因此本文計算中選用下式計算：

其中，V為壓縮機入口氣體流量，m3/s，p2/p1為壓縮機壓比，根據實際調研得到的MVR 系統蒸汽壓縮機設備成本，擬合得到m為2.1，n為0.8。

3 結果及討論

3.1 計算條件

低溫熱泵蒸發濃縮系統模型的計算假設條件如下：管道壓力損失為0，蒸發器、冷凝器頂部與底部壓差不計，不考慮沉積液體高度的壓力差。由于果汁在蒸發側和冷凝側的負荷略有差別，計算中假設其負荷差恰為蒸發側散熱損失。設計計算中涉及的主要參數如下：換熱器兩側冷熱流體的對數平均換熱溫差為8℃；原料是質量濃度為3%飽和果汁稀溶液，蒸發水的質量流量為1kg/s；蒸汽壓縮機等熵效率為83%，各類液體泵的等熵效率為72%。濃果汁質量濃度為4%，冷凝水儲罐壓力為3.1kPa，濃果汁儲罐壓力為3.1kPa。

3.2 性能對比及分析

通過建模分析，首先對比本文所提出的熱泵果汁蒸發濃縮系統與常規MVR 系統的性能。表1 為熱泵系統及MVR 系統的性能對比結果。從該表可知，由于加工的蘋果汁屬于熱敏性原料，考慮到其品質對操作溫度的要求以及換熱器換熱特性對溫差的要求影響，與MVR 蒸發濃縮方案相比，熱泵蒸發濃縮方案為了保證各換熱器蒸發側和冷凝側的8℃溫差，這使得熱泵循環R22 的蒸發側與冷凝側的平均溫差較MVR 系統提高8℃，從而使得其噸水電耗提高約1.7 倍，可見熱泵蒸發濃縮方案較MVR 方案的熱力性能更差。

表1 熱泵系統及MVR 性能對比結果Tab.1 Comparison results of the performance of the heat pump system and referenced MVR system

但如果對比以上兩種方案關鍵設備— 蒸汽壓縮機性能，可以看到熱泵蒸發濃縮方案由于采用了沸點較低的R22 有機工質，在保證原料相同蒸發/冷凝溫度下，有機工質密度遠高于MVR 系統原料中蒸發的水蒸氣，而且由于蘋果汁溶液的操作溫度對應的操作壓力僅為2.0kPa，這使得熱泵系統壓縮機進口工質體積流量遠低于MVR 的，對壓縮機的設備成本大幅降低。在本文計算條件下，熱泵系統壓縮機進口工質體積流量僅為MVR 方案的0.7%，壓縮機成本僅為MVR 系統壓縮機的約3%。由此可見，在真空低溫操作條件下，采用熱泵方案較MVR 系統的壓縮機不僅結構緊湊、而且成本低廉，更適合大規模工程應用。

此外，對比以上兩個蒸發濃縮系統的換熱器面積和成本等性能指標可知，由于熱敏性蘋果汁溶液濃縮工藝對應的操作真空度高，換熱器兩側流體的對流換熱系數較小，導致對應的換熱器面積均較大。其中MVR 系統由于采用結構緊湊的冷凝蒸發器，其有效換熱面積和成本均較熱泵蒸發濃縮系統的換熱器(冷凝器和蒸發器)低。在本文計算條件下，MVR 系統冷凝蒸發器成本僅為熱泵蒸發濃縮系統換熱器的65%。然而，從噸水電耗和壓縮機成本的綜合性能分析可知，低溫熱泵蒸發濃縮系統的綜合性能指標Ψ較MVR 系統約降低8%。這表明在本文計算條件下，提出的低溫熱泵蒸發濃縮系統具有明顯的綜合技術經濟性能優勢。

3.3 熱敏性分析

蒸發濃縮工藝的操作溫度是影響熱敏性物料品質的關鍵因素之一，操作溫度不僅會影響整個系統熱力性能，而且會影響換熱器、壓縮機等關鍵設備的經濟性能以及系統綜合性能。

操作溫度的提高首先會提高整個系統的操作壓力，進而影響系統關鍵部件的設計尺寸及其熱力性能。圖3 為系統中蒸汽壓縮機成本與操作溫度的關系。從該圖可知，隨著操作溫度的提高，兩個蒸發系統的操作壓力都提高，但由于蒸汽比容受壓力影響更大，對于MVR 系統壓縮機入口體積流量降低的更多，從而導致MVR 系統壓縮機結構尺寸顯著降低，而熱泵系統壓縮機成本主要受到有機工質逆循環系統工質流量影響，其降低幅度相對較弱。此外，由于熱泵蒸發濃縮系統壓縮機進口氣體體積流量遠低于MVR 系統，因此綜合效果使得熱泵蒸發冷凝系統壓縮機設備成本遠低于MVR 系統。

圖3 壓縮機成本與操作溫度的關系Fig.3 Relationship between compressor cost and operating temperature

圖4 為換熱器成本與操作溫度的關系。從該圖可知，與MVR 系統換熱器成本相比，由于熱泵蒸發濃縮系統操作壓力隨著操作溫度的提高而顯著提高，其對應換熱器兩側流體換熱系數升高，而且由于該系統包括兩個換熱器（蒸發器和冷凝器）從而使得換熱器總面積及設備成本明顯下降。在本文計算條件下，隨著操作溫度從15℃提高至45℃，熱泵蒸發濃縮系統換熱器成本降低10.9 萬元，較MVR 系統多降低3.8 萬元。

圖4 換熱器成本與操作溫度的關系Fig.4 Relationship between heat exchanger cost and operating temperature

操作溫度的變化對系統的熱力性能的影響同樣顯著。圖5 為不同系統方案的噸水電耗ζ 與操作溫度的關系。通過實驗結果可以發現，在操作溫度為40℃時，蘋果汁低溫熱泵蒸發濃縮系統的噸水電耗最低為164.55kWh/t；隨著操作的溫度的降低，噸水電耗緩慢增加。熱泵系統的模擬值與實驗值的最大誤差僅為7.99%。在本文計算工況下，當操作溫度從15℃增加到40℃時，MVR 系統因壓縮機進口物料體積流量降低使得其壓縮功耗降低39kW，而熱泵系統僅降低21W，對應熱泵蒸發濃縮系統的噸水電耗增加幅度也較小。因此表明，操作溫度提高有利于改善熱泵蒸發濃縮系統熱力性能，而與MVR 系統相比，操作溫度的變化對熱泵蒸發濃縮系統熱力性能影響較平緩。圖6 展示的是由福而星公司建立的低溫熱泵蒸發濃縮系統產出的樣品-濃縮蘋果汁。

圖5 噸水電耗ζ 與操作溫度的關系Fig.5 Relationship between thermal performance and operating temperature

圖6 產品-濃縮蘋果汁Fig.6 Product - concentrated apple juice

圖7 為兩個方案的綜合性能指標ψ與操作溫度的關系。由圖中明顯發現，隨著操作溫度的提高，蒸發濃縮系統的飽和操作壓力不斷提高，從而導致系統的熱力性能和經濟性能明顯改善，其綜合性能指標ψ呈現明顯下降的趨勢。在操作溫度為32℃時，熱泵系統與MVR 系統的綜合性能指標相當。而隨著操作溫度的進一步提高，MVR系統的綜合性能指標急劇上升，而且明顯高于熱泵系統的綜合技術經濟性能。綜上可知，熱泵蒸發濃縮系統更適用于低溫蒸發濃縮過程，而且隨著操作溫度的降低，熱泵蒸發濃縮系統優勢愈發明顯。

圖7 綜合性能指標ψ 與操作溫度的關系Fig.7 Relationship between comprehensive index ψ and operating temperature

4 結論

針對蘋果汁等熱敏性物料，研究提出了一套適用于蘋果汁加工的低溫熱泵蒸發濃縮統方案，與常規MVR 低溫蒸發濃縮系統方案對比，以蘋果汁蒸發濃縮過程為例，研究了該方案的整體熱力經濟性能。主要結論如下：

1. 低溫熱泵蒸發濃縮系統可適用于熱敏性物料的蒸發

濃縮，可以克服以往高溫蒸發濃縮工藝影響原料品質的缺點。而與MVR低溫蒸發濃縮系統方案相比，更適用熱敏性性物料的低溫操作，對應關鍵設備—壓縮機結構緊湊、成本低廉。

2. 在真空條件下，操作溫度提高有利于改善蒸發濃縮系統的熱力性能。與MVR系統相比，低溫熱泵系統在蘋果汁真空蒸發濃縮操作方面的熱力性能較差，操作溫度的變化對該方案的熱力性能影響不大，在操作溫度為40℃時，其噸水電耗最低為164.55kWh/t。

3. 針對本文算例—熱敏性蘋果汁溶液蒸發濃縮過程，不同操作溫度適合采用不同蒸發濃縮方案。當操作溫度高于32℃時，MVR系統的綜合性能更好；當操作溫度低于32℃時，采用熱泵系統的綜合性能優勢顯著。