分级低温蒸发浓缩碱液热泵系统的构建与模拟分析

卢迅，杜垲，张友超

（1-无锡市一星热能装备有限公司，江苏无锡 214000；2-东南大学，江苏南京 210096；3-中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450000）

分级低温蒸发浓缩碱液热泵系统的构建与模拟分析

卢迅1，杜垲*2，张友超3

（1-无锡市一星热能装备有限公司，江苏无锡 214000；2-东南大学，江苏南京 210096；3-中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450000）

碱液在蒸发浓缩过程中，其泡点符合杜林法则（泡点随碱液浓度升高而升高），由此可能导致“碱脆”及蒸发停止等危害。本文构建了使用R22工质的分级低温蒸发浓缩碱液的热泵循环系统，可有效避免上述危害，保证了蒸发过程的连续性，同时环保节能；借助Aspen Plus中的换热器（HeatX）和闪蒸（Flash2）的组合模块对整个系统进行了理论计算和模拟分析，得出了压缩机耗功和热泵系统的性能系数（Coefficient of Performance，COP），然后将其与热力学工艺计算结果作比较，分析了模拟误差产生的来源，提出了可行的修正措施，证明了本系统的可行性，同时为后续的系统优化分析研究提供了可借鉴的方法。

热泵；碱液；分级蒸发浓缩；系统模拟；Aspen Plus软件.

0 引言

能源是人类生存的基础，进入新世纪，人类活动逐渐多样性，能源消耗也越来越快，节约能源成为当务之急[1-2]。同时随着工业发展，大量废水在未经过任何处理的情况下直接就排入河流中，严重地污染了水体资源。印染、造纸厂的废液中含浓度较低的 NaOH，通常将其直接排掉；如果将蒸发浓缩和热泵结合，对废碱液进行蒸发浓缩回收再利用，不仅解决了污水难以排放的问题，还节省了碱原料。

间接式低温热泵蒸发系统起源于日本[3]，其在1985年设计了一套浓缩有机物水溶液的间接式低温蒸发装置。SLESARENKO[4]在海水淡化中使用了间接式低温热泵蒸发系统。刘瑞璟[5]提出了一种与封闭式热泵循环相结合的低温多效蒸馏方法，该热泵式海水淡化系统既可回收利用最末效蒸汽热能，又有多效蒸馏淡化法二次蒸汽多次使用的优点，节能效果明显。谢继红等[6]将间接式低温蒸发系统应用于热敏性物料蒸发浓缩，计算了典型工作参数下的吨水能耗比，该装置适用于受温度影响较大的热敏性物料蒸发浓缩，可在低温下蒸发浓缩物料，避免高温对物料性质的损害。陈林[7]以CO2为工质，对复叠式制冷系统进行了研究，同时实现了低于-56.6 ℃的制冷和80 ℃以上的制热。跨临界二氧化碳两级压缩循环的高压和中间压力需同时进行优化，而优化过程比较复杂，胡健[8]提出一种简便的循环分离法，将两级压缩循环分离为两个复叠的单级压缩循环,得出了最佳COP。

应力腐蚀开裂（SCC）是指金属在特定腐蚀介质和固定拉应力同时作用下发生的脆性开裂，其扩展速度非常快，材料可能会在没有明显开裂的情况下瞬间破裂，造成的危害难以估计，其中碳钢在碱液中的应力腐蚀开裂称为“碱脆”。目前碱液腐蚀的控制措施主要有合理选材及结构设计、控制介质温度、消除设备或管道的应力和在介质中添加缓蚀剂。只有当温度接近或超过碳钢临界开裂温度时，金属才可能发生应力腐蚀开裂，碱液的浓度越稀，温度越低，碳钢发生应力腐蚀开裂的可能性就越小，如图1所示。

图1 碳钢发生碱脆的碱浓度和温度的关系图

传统蒸汽压缩式热泵循环中冷凝器管内的温度约为40 ℃，可利用热泵冷凝热加热蒸发浓缩碱液，其中碱液的泡点与浓度的关系符合杜林法则：泡点随碱液浓度升高而升高，随压力降低而降低。因此随着蒸发过程的进行，碱液浓度升高，碱液蒸发的传热温差逐渐减小，这将减缓蒸发浓缩的进度，甚至还会导致蒸发停止。为了解决以上问题，本系统将碱液蒸发浓缩分为两个阶段，分别在低、高浓度碱液蒸发器中进行，其中高浓度碱液蒸发器中碱液侧压力低于低浓度碱液蒸发器中碱液侧压力，从而可以保证两种碱液出口浓度的泡点相同，如图2所示。此举综合考虑了制冷剂冷凝放热温度与碱液蒸发泡点的关系，保证了碱液蒸发有效、可靠的运行。

图2 碱液流程关键状态点在焓浓图上的位置分布图

1 系统构建

1.1 系统流程图

图3 分级低温蒸发浓缩碱液热泵循环系统图

1.2 热泵分级低温浓缩碱液工艺循环

本装置包括热泵循环、碱液回路和蒸汽及冷凝水回路3个子系统。

热泵循环：高压压缩机出口的制冷剂蒸汽分为两路，分别在低、高浓度碱液蒸发器（A1、A2）放热蒸发浓缩碱液，两个碱液蒸发器管内压力不同，但是终了浓度的泡点相同，因此制冷剂可同时对两个碱液蒸发器加热，保证了设备的连续运行。制冷剂经碱液蒸发器放热后自身成为液体，均先进入制冷剂储液罐（B），然后经热力膨胀阀（D1、D2）降温降压后，分别进入制冷剂高、低压干式蒸发器（E1、E2），制冷剂低压干式蒸发器中的制冷剂吸收来自高浓度碱液蒸发器的二次蒸汽的热量后，经低压压缩机（G2）压缩，制冷剂高压干式蒸发器（E1）中的制冷剂吸收来自低浓度碱液蒸发器（A1）的二次蒸汽的热量后，与低压压缩机（G2）出口的制冷剂蒸汽混合，混合后的制冷剂蒸汽进入高压压缩机（G1）升压升温，如此制冷剂完成一个循环[9]。

碱液回路：在整个系统启动前，先用真空泵（C）将低、高浓度碱液蒸发器（A1、A2）的碱液侧抽真空至各自指定压力（低浓度碱液蒸发器为 4 kPa，高浓度碱液蒸发器2.5 kPa），然后关停真空泵（C）。从稀碱液池引出的稀溶液在阀门（N1）的控制下输送至低浓度碱液蒸发器（A1），在其中被来自压缩机（G1）出口的一路高温制冷剂蒸汽加热沸腾，产生高温水蒸气和较浓的溶液，此较浓溶液在重力和压差作用下进入高浓度碱液蒸发器（A2），被来自压缩机（G1）出口另一路的高温制冷剂蒸汽加热，再一次产生水蒸气后成为更高浓度的浓溶液，高浓度碱液蒸发器（A2）底部装有液位控制开关，当液位到达一定高度时，液位控制开关会启动浓碱液泵（J），将浓碱液排出。

蒸汽及冷凝水回路：从低浓度碱液蒸发器（A1）和高浓度碱液蒸发器（A2）出来的蒸汽先经过装有风扇的盘管（F1、F2）部分冷凝为水，然后分别经过制冷剂高压干式蒸发器（E1）和制冷剂低压干式蒸发器（E2），在其中放热完全凝结成水后进入冷凝水箱（H），冷凝水箱（H）底部装有液位控制开关，当液位到达一定高度时，液位控制开关会启动冷凝水泵（I），将冷凝水排出。

1.3 运行及控制策略

通过变频器调节制冷压缩机和低压压缩机转速，从而调节高、低压干式蒸发器的蒸发温度来调节其管外水蒸汽的冷凝的温度，达到控制高、低浓度碱液蒸发器内压力的目的，进而通过调节低浓度碱液蒸发器和高浓度碱液蒸发器内碱液蒸发压力所对应的碱液泡点来控制蒸发温度在 21 ℃～35 ℃范围内。制冷剂低压干式蒸发器出来的制冷剂蒸汽先经过低压压缩机压缩，然后与制冷剂高压干式蒸发器出来的制冷剂蒸汽混合，再经高压压缩机升压升温，进入碱液蒸发器蒸发浓缩碱液，此举充分考虑了制冷剂蒸发器出口压力不同的特点，对压力较低的制冷剂蒸汽采用两级压缩，降低了压缩机的压缩比，节省了电能。

碱液蒸发的吸热量与制冷剂放热量相匹配，二次蒸汽冷凝放热量与盘管散热和干式蒸发器中制冷剂的吸热量匹配，为了保证蒸发连续、可靠地运行，本文采取碱液侧流量阀+变频压缩机双重控制的方法，通过碱液侧的阀门控制碱液的流量，从而保证碱液的吸热量与制冷剂的放热量大致匹配。鉴于本系统是连续运行的，低浓度碱液蒸发器与高浓度碱液蒸发器需要的热量不一样，通过改变压缩机或低压压缩机的电机频率来改变压缩机的转速，制冷剂热力膨胀阀会根据制冷剂蒸发器出口温度自动调整阀门开度，从而改变制冷剂流量，保证了两个碱液均能吸收到足够的热量。

制冷剂冷凝器散热量大于蒸发器吸热量，因此二次蒸汽的放热量大于蒸发器中制冷剂的吸热量，为确保系统热量平衡，在二次蒸汽进入制冷剂蒸发器前设置一段盘管，并配有风扇对水蒸气进行冷凝，确保二次蒸汽在制冷剂干式蒸发器中完全变成冷凝水后进入冷凝水箱，经冷凝水泵排出。

1.4 热泵系统的热力学计算

R22化学名二氟一氯甲烷，分子式为CHCLF2，属于 HCFC类制冷剂。ODP为 0.055，GWP为 0.36，是中低温制冷剂。本系统制冷剂的压焓图如图4所示。

图4 热泵系统的压焓示意图

1）制冷剂蒸发器E2、E1的制冷量

式中：

h1、h3——分别为制冷剂蒸发器E2、E1出口制冷剂的焓值；

h7、h8——分别为热力膨胀阀出口制冷剂的焓值，也即蒸发器E2、E1入口制冷剂的焓值，kJ/kg。

2）制冷剂冷凝器的制热量

式中：

h5——为高压压缩机G1出口制冷剂的焓值，也即制冷剂冷凝器A1、A2入口制冷剂的焓值，kJ/kg；

h6——为制冷剂冷凝器出口制冷剂的焓值，kJ/kg。

3）压缩机消耗的功

近似认为2个压缩机中制冷剂绝热等熵压缩，则压缩机G1和G2的理论功耗分别为：

假设绝热效率η1为0.9，机械效率η2为0.9，则关键状态点的焓值：

压缩机G1的实际耗功：

压缩机G2的实际耗功：

式中：

h2、h5——为低压压缩机G2和高压压缩机G1压缩过程出口制冷剂的实际焓值，kJ/kg；

h2s、h5s——为低压压缩机 G2和高压压缩机 G1绝热等熵压缩过程出口制冷剂的焓值，kJ/kg；

h4——为两路制冷剂混合后的焓值，kJ/kg。

4）热量平衡

碱液蒸发器中，碱液吸收的热量等于风扇散掉的热量与制冷剂蒸发器中二次蒸汽放出的热量之和：

5）性能系数COP

2 模拟及分析

Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）是用于化工流程模拟、系统设计和优化的大型通用流程模拟系统。该软件功能强大，物性数据库完备，能自动生成计算顺序，应用面广泛；经过多年改进，已能够准确地模拟复杂的化工过程。本文采用序贯模块法对提出的碱液蒸发浓缩过程和系统流程进行了稳态下的模拟，得出了稳定运行时基于热泵的碱液浓缩系统一些重要参数，在实际运行中，还有很多系统动态特性需要知道，如该热泵的启动过程，运行中改变碱液蒸发器出口浓度对系统的影响等，稳态模拟可以为动态模拟的研究提供了参考。本系统在Aspen Plus中的流程如图5所示。

2.1 系统流程模型及参数

模拟系统的模块命名尽量与前面系统设计一致。碱液蒸发浓缩过程是采用Aspen Plus中的Heat Exchangers/HeatX和 Seperators/Flash2组合模块模拟。HeatX模块可以进行简捷的或严格的计算，主要区别是总的传热系数的计算方法不同，本文采用简捷方法来计算碱液蒸发器的换热；Flash2可以用来模拟闪蒸等分离器装置。碱液蒸发浓缩分为2个部分，第一阶段HeatX中碱液受热蒸发，以混合物形式进入Flash2，在Flash2中过热蒸汽从上部出去，较浓碱液从底部排出[10]。

设置碱液流量为0.5786 kg/s，设置低浓度碱液蒸发器中碱液进口浓度为 5%，出口气体质量分数为0.4，也就意味着出口碱液浓度为8.33%；设置高浓度碱液蒸发器中碱液进口浓度为8.33%，出口气体质量分数为0.6667，也就意味着出口碱液浓度为25%；高/低压制冷剂干式蒸发器（E1/E2），即Heat Exchangers/HeatX模块，设置其Cold stream outlet vapor fraction为 1；高压压缩机（G1），Pressure Changers/Compr模块，设置其压差为 789 kPa，低压压缩机（G2），Pressure Changers/ Compr模块，设置其压差为162 kPa。

图5 分级低温蒸发浓缩碱液的使用R22工质的热泵循环系统的流程模型

2.2 碱液的物性方法和模型

NaOH俗称烧碱、苛性钠，是一种强碱，溶于水时发生剧烈的化学反应并放热，形成碱性溶液。通过Aspen Plus的Elec Wizard电解质专家系统可以标识出NaOH水溶液中的电离反应，如下式所示。

Aspen Plus会在它的Reactions/Chemistry（反应化学）中定义这些反应，并且排除其他不存在的反应[11]。本文的蒸发浓缩过程模拟中选用ELECNRTL物性计算方法，该方法采用的热力学模型为电解质NRTL 模型[12]。

2.3 碱液蒸发器模拟

碱液蒸发器采用立式管壳降膜结构，它利用高温蒸汽的冷凝将低温碱液蒸发，因此它既是高温蒸汽冷凝器，又是碱液的蒸发器。碱液在管内汽化浓缩，高温蒸汽在管外冷凝。为了使碱液均匀地分配到每根换热管内并形成旋转膜下流，每根降液换热管入口处均装有分液器，分液器结构如图6所示，碱液从分液器侧面导流口进入分液器外部螺旋下流槽道，以螺旋状沿换热管内壁下流蒸发，产生的二次蒸汽由分液器中部上升通道流出[13]。

图6 分液器剖面图

碱液在蒸发器内蒸发是热质传递的耦合过程，一方面水蒸气不断地从NaOH溶液蒸发，发生传质过程；另一方面，在蒸发过程中要不断地供给热量，发生传热过程。质量传递影响热量的产生，热量传递又制约传质的进行。因此，碱液的蒸发过程是复杂的热质耦合过程[14]。因此降膜蒸发分析模型作如下假设：

1）不考虑碱液蒸发器的散热和蒸汽泄漏等因素的影响；

2）碱液为不可压缩流体，在降膜蒸发过程中泡点按杜林法则变化；

3）考虑到溶液浓度变化对溶液泡点的影响，蒸汽出口温度为碱液初始浓度与出口浓度泡点的平均值；

4）对于碱液蒸发器，采用换热器（HeatX）和闪蒸（Flash2）的组合模块实现碱液蒸发和气液分离[15]。

3 模拟结果与分析

3.1 碱液泡点模拟值与理论值

在Aspen Plus软件中查到不同压力下的碱液泡点，实心代表软件拟合出的泡点值，空心代表根据杜林法则计算出来的泡点值，如图7所示，由图可知，两者吻合情况良好。

图7 不同压力下Aspen Plus拟合的碱液泡点与理论值对比图

3.2 系统关键点参数值

将Aspen Plus软件模拟得到的结果与热力学计算结果汇总后制成表格，如表1所示，模拟值为软件计算结果，理论值为热力学公式计算所得。

表1 分级低温蒸发浓缩碱液的使用R22工质的热泵循环系统关键状态点参数理论值与模拟值（室温20 ℃）

将该系统吸热量、耗功量及COP总结成表格，如表2所示。

表2 使用R22工质的热泵循环系统碱液蒸发器及压缩机理论值与模拟值

若采用单级蒸发浓缩系统，制冷剂蒸发器压力为582.3 kPa，溶液侧压力均为4 kPa，此时25%的碱液泡点为 38.73 ℃；同样的温差下，需要制冷剂冷凝侧温度为 46.6 ℃，对应的压力为 1,797 kPa，此时压缩机的耗功为197.21 kW，COP为5.82，低于分级蒸发浓缩系统。

3.3 模拟误差分析与修正

Aspen Plus作为通用的化工流程模拟软件，其模拟范围的广泛性决定了它的模拟准确性不可能像具有针对性的专用流程模拟软件那样精确。因此需要使用者在模拟过程中根据自己的实际情况对模拟进行修正和改进。本文通过饱和NaOH溶液焓浓图中的实验数据对Aspen Plus 物性数据库中的电解质参数和成对参数进行修正[16]，来使修正过后模拟得到的NaOH溶液热力学参数更加接近于实际情况。

由表2可知，Aspen Plus软件模拟值与理论值相比偏小，这是由于Aspen Plus采用了软件自带的电解质物性方法和Aspen Plus物性数据库中的电解质参数和成对参数，来获得NaOH溶液的热力学参数，这与通过实验数据归纳的饱和NaOH溶液焓浓图中的物性参数有一些偏差。碱液蒸发吸热量与碱液出口温度与理论值有微小差别，基于这些热力学参数进行计算会给Aspen Plus的模拟结果的准确性造成影响，但误差较小，在合理范围内。

4 结论

1）针对高温蒸发浓缩碱液容易发生“碱脆”危害的特点，本文设计了一套使用R22工质的分级低温蒸发浓缩碱液的热泵循环系统，利用热泵的冷凝热加热碱液使其蒸发，此举可将整个系统的工作温度控制在碳钢开裂温度以下，有效避免了应力腐蚀的发生；针对碱液泡点符合杜林法则的特点，本文采用分级蒸发浓缩碱液，其中高浓度碱液蒸发器中碱液侧压力低于低浓度碱液蒸发器中碱液侧压力，从而可以保证两种碱液出口浓度的泡点相同，进而保证了系统的可靠运行；整个工艺结构紧凑，运行温度低，仅需消耗少量的电能，无其他外界能量输入，减少了运行成本，环保节能。

2）本文在Aspen Plus中建立了该系统流程并进行了模拟，运用Aspen Plus软件中Tools/Analysis/Property/Binary功能拟合了不同压力下碱液的泡点温度，并运用软件中的换热器（HeatX）和闪蒸（Flash2）的组合模块模拟了碱液蒸发和气液分离过程；将整个系统的模拟结果与热力学计算结果做了详细比较，结果显示误差在 4%以内，说明此模拟系统具有较好的可信度和参考价值，为下一步对系统进行优化奠定了基础。

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Construction and Simulation of Heat Pump System for Concentrating NaOH Solution by Multi-stage Hypothermia Evaporation

LU Xun1, DU Kai*2, ZHANG Youchao3
(1-Wuxi City One-Star Thermal Equipment Co., Ltd. Wuxi, Jiangsu, 214000, China;2-Southeast University, Nanjing, Jiangsu, 210096, China;3-China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Zhengzhou Branch, Zhengzhou, Henan, 450000, China)

The NaOH solution bubble point meets Duhring's rule (the bubble point rises with concentration),which may lead to SCC (Stress Corrosion Cracking) and stop of evaporation. In the present study, the R22 heat pump cycle system for multi-stage hypothermia evaporation concentrating NaOH solution was constructed, and it can avoid the above hazards effectively, so it ensures the continuity of the evaporation process; at the same time, it protects environment and saves energy. With the help of a combination model of exchanger (HeatX) and flash(Flash2) in Aspen Plus, the theoretical calculation and simulation analysis of the whole system were carried out.The compressor power consumption and the COP (Coefficient of Performance) of heat pump system are obtained.By comparing the simulation results and the thermodynamic calculation results, the source of deviation was analyzed, and the practical correction measures were proposed. The feasibility of this system is proved, which provides a reference method for subsequent in-depth analysis.

Heat pump; NaOH solution; Multi-stage evaporation concentration; System simulation; Aspen Plus software

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.103

*杜垲（1955-），男，教授，学士。研究方向：制冷空调热泵技术。联系地址：南京四牌楼2号东南大学，邮编：210096。

联系电话：13951895617。E-mail：du-kai@seu.edu.cn。