双效低温浓缩碱液热泵系统的构建与性能模拟分析

邸云伟，卢迅，杜垲

（1-东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2-无锡市一星热能装备有限公司，江苏无锡 214000）

0 引言

化工生产过程（如印染和造纸等）常有废液产生，这些废液中往往含有浓度较低的 NaOH溶液，若将其直接排放到外界环境中，不仅污染了水体和土地，还浪费了碱原料，这与节能环保理念大相径庭。因此，将工业废液高效浓缩再生，获得高浓度的NaOH溶液，并加以利用非常有必要。

多效技术利用蒸汽将溶液加热至相应压力下的泡点，并将溶液蒸发产生的二次蒸气作为下一效溶液蒸发的热源，重复上述过程直至末效碱液蒸发浓缩产生的蒸气送入冷凝器中冷凝。多效技术将系统的热能进一步回收，使系统具有较高的能效比。故其在制冷技术、海水淡化及碱液浓缩技术中广泛应用[1-5]。

热泵作为一种高效的能源技术也被应用于烘干、海水淡化及碱液浓缩领域[6-11]。单效低温浓缩碱液热泵系统利用热泵循环制冷剂的冷凝放热浓缩碱液，同时利用碱液浓缩过程产生的蒸气的冷凝放热来蒸发制冷剂，使系统热能得到有效回收[12]。但在实际运行过程中发现单效系统存在两大问题：1）单效低温浓缩碱液热泵系统的热泵循环的冷凝温度与蒸发温度相差不大，导致运行在该系统下的压缩机与现有用于空调制冷循环的压缩机相比，压比r过小，若将现有用于空调制冷循环的压缩机用于单效系统中，不能发挥压缩机的最大运行效益；2）单效低温浓缩碱液热泵系统的单位能耗蒸发量（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）不高，系统尚有提升空间。

本文建立了一种双效低温浓缩碱液热泵系统。该系统在单效系统的基础上结合双效碱液浓缩技术，增加了热泵循环冷凝温度与蒸发温度差，避免了单效系统热泵循环冷凝温度与蒸发温度差过小而产生的压缩机压比过小问题。此外，系统热能得到进一步回收，提高了系统的SMER。本文利用EES软件模拟了一效碱液浓缩蒸发压力p1与二效碱液浓缩蒸发压力p2的变化对双效系统压缩机压比r及SMER的影响，并证明双效系统在性能上优于单效系统。

1 系统构建

图1所示为基于热泵循环的双低温浓缩碱液系统原理。该系统分为3个回路：碱液回路（实线）、制冷剂回路（点划线）和蒸气及冷凝水回路（虚线）。稀溶液由稀溶液池引入二效碱液蒸发器（A2）中，并在冷凝蒸发器（D）中吸收一效碱液浓缩过程产生的蒸气潜热而浓缩，二效碱液浓缩过程产生的蒸气在热泵循环蒸发盘管（E）外冷凝。二效碱液蒸发器（A2）内浓缩得到的较浓溶液通过U形溢流管（U）引入一效碱液蒸发器（A1）中，并吸收热泵循环冷凝盘管（C）内制冷剂的冷凝放热而浓缩，最终得到浓溶液并排出。热泵循环中制冷剂由压缩机（G）压缩成高温高压制冷剂气体，再送入制冷剂冷凝盘管（C）中冷凝，并利用其冷凝放热浓缩一效碱液蒸发器（A1）内的碱液。冷凝后的制冷剂液体送入储液罐（B）中，通过热力膨胀阀（K）节流后送入制冷剂蒸发盘管（E）中蒸发，并用其放出的冷量将二效碱液浓缩过程产生的水蒸气冷凝。压缩机（G）进气口与制冷剂蒸发盘管（E）出口相接，将制冷剂气体送入压缩机内，完成热泵循环。碱液浓缩过程产生的蒸气分别在冷凝蒸发器（D）的下壁面与制冷剂蒸发盘管（E）外冷凝，形成液滴后落入冷凝水托盘（W1）、（W2）中，并由管路汇合后排出。

图2所示为基于热泵循环的双低温浓缩碱液系统流程。

图1 基于热泵循环的双低温浓缩碱液系统原理

图2 基于热泵循环的双低温浓缩碱液系统流程

2 系统模拟计算与分析

2.1 模拟计算条件设定

对模型进行如下假设：1）忽略两个碱液蒸发器内压力不均匀的情况；2）设定蒸气的温度为碱液进口泡点温度与出口泡点温度的平均值；3）碱液为不可压缩流体，且泡点温度随浓度和压力的变化符合杜林法则；4）碱液蒸发过程为理想过程，理想条件下碱液浓缩过程中蒸发出1 kg水需要1 kg蒸气，即在一效和二效碱液浓缩过程中产生的蒸气质量流量W1与W2相等，且碱液浓缩过程的热负荷与该过程产生的蒸气的冷凝放热量近似相同，即Q1=Qw1，Q2=Qw2，同时忽略两个碱液蒸发器内存在蒸气泄漏情况；5）系统热泵循环制冷剂为R22，系统无过冷和过热，并设定二效碱液浓缩过程产生的蒸气冷凝放热量 Qw2与制冷剂蒸发吸热量 Q0相匹配，即Qw2=Q0；6）碱液浓缩过程只有在加热蒸气温度与碱液泡点温度超过一定差值时才能进行，对与一般的立式壳管式降膜蒸发器，其温度差不小于5 ℃，考虑系统实际工作时的漏热，规定加热蒸气温度与碱液泡点温度差值不小于7 ℃。

2.2 模拟计算方法

设定稀碱液质量流量为F=2 t/h，浓度为x0=5%，浓碱液浓度为x2=25%，质量守恒关系：

由式（1），得出浓碱液质量流量m2为：

根据一效碱液浓缩蒸发压力p1，二效碱液浓缩蒸发压力 p2，与碱液进料出料浓度 x0和 x1（x2），可以确定碱液进口与出口状态的蒸发温度 t0和 t1（t2），焓值h0和h1（h2），并通过质量与能量守恒计算，得出两碱液浓缩过程的负荷Q1和Q2，且一效与二效碱液浓缩过程产生的蒸气质量流量 W1和W2相等，忽略显热传热量，则Q1=Q2=Qw2，并由条件5）可得Q1=Q2=Q0，而热泵循环制冷剂冷凝放热量Qa大于蒸发吸热量Q0，则Qa-Q1=Qh＞0，多余的热量没有带走，积聚在一效碱液蒸发器中。为了保证热量平衡，需要在制冷剂蒸发盘管C前设定板式换热器H将多余的热量Qh带走。

最终由模拟计算设定的条件与参数，利用EES软件模拟一效和二效碱液浓缩蒸发压力p1、p2对双效系统单位能耗蒸发量 SMER与热泵循环压缩机压比r的影响，并对单效系统与双效系统在相同的浓缩条件与目标下的性能进行比较。

式中：

W1——一效碱液蒸发器内碱液浓缩产生的蒸气质量流量，t/h；

W2——二效碱液蒸发器内碱液浓缩产生的蒸气流量，t/h；

P——热泵循环压缩机实际功率，kW；

prk——热泵循环压缩机冷凝压力，kPa；

pr0——热泵循环压缩机蒸发压力，kPa。

2.3 模拟计算结果分析

2.3.1 碱液浓缩蒸发压力对双效系统性能的影响

图3所示为当二效碱液浓缩蒸发压力p2=6.5 kPa时，双效系统的SMER与压缩机压比r随一效碱液浓缩蒸发压力p1的变化规律。由图3可知，随着一效碱液浓缩蒸发压力p1的升高，双效系统的SMER急剧下降，压缩机压比 r逐渐上升。这是因为当一效碱液浓缩蒸发压力p1的升高时，一效碱液蒸发器进出口的碱液泡点温度t1、t2也随之升高，为了保证碱液浓缩过程持续进行，制冷剂冷凝温度Trk需要提升，同时制冷剂冷凝压力prk上升，而制冷剂蒸发压力pr0不变，热泵循环压缩机r增大，所以双效系统的压缩机r随着一效碱液浓缩蒸发压力p1的升高而升高。热泵循环压缩机比 r的增大导致系统功耗 P增大，且系统排出的蒸气质量流量W不变，所以双效系统的SMER随着一效碱液浓缩蒸发压力p1的升高而降低。模拟结果表明，在保证冷凝蒸发器两侧温差在 7 ℃范围内的条件下，应尽量降低一效碱液浓缩蒸发压力。

图3 双效系统SMER与r随p1的变化

图4所示为在一效碱液浓缩蒸发压力p1=7.5 kPa时，双效系统的SMER与系统压缩机r随二效碱液浓缩蒸发压力p2的变化规律。由图4可知，双效系统SMER随着二效碱液浓缩蒸发压力p2的升高而升高，压缩机r随p2的升高而降低。二效碱液浓缩蒸发压力p2的上升使二效碱液蒸发器进出口碱液泡点温度t0、t1升高，并导致蒸气冷凝温度T′1上升，在一定的换热温差下制冷剂蒸发温度Tr0上升，则制冷剂蒸发压力pr0上升，而制冷剂冷凝温度Trk与冷凝压力prk不变，则压缩机压比r降低，所以双效系统的压缩机r随着二效碱液浓缩蒸发压力p2的升高而降低。压缩机r的降低使得压缩机功耗P降低，且系统排出的蒸气质量流量W不变，SMER得到提升，所以双效系统的SMER随着二效碱液浓缩蒸发压力p2的升高而升高。模拟结果表明，在保证冷凝蒸发器两侧温差在 7 ℃范围内的条件下，应尽量提升二效碱液浓缩蒸发压力。通过模拟计算得出，双效系统SMER的范围为13.87～19.55，压缩机压比r的范围为2.003～2.541，且当p1=7.5 kPa、p2=6.5 kPa时，系统的SMER最大，为19.55。

图4 双效系统SMER与压比r随p2的变化规律

2.3.2 双效系统与单效系统的性能比较

当稀碱液质量流量为F=2.0 t/h，浓度为x0=5%，浓碱液浓度为x2=25%，单效系统与双效系统的性能对比如图5和图6所示。

图5 单/双效系统SMER与r随p/p1的变化

图6 单/双效系统SMER与r随p/p2的变化

由图5可知，单效系统碱液浓缩蒸发压力p与双效系统一效碱液浓缩蒸发压力 p1在相同的变化范围内时，单效系统SMER与压缩机压比r的范围分别为13.58～13.72和1.636～1.668，均低于双效系统的 SMER（14.58～19.55）与压缩机压比 r（2.003～2.339）。由图 6可知，单效系统碱液浓缩蒸发压力 p与双效系统二效碱液浓缩蒸发压力 p2在相同的变化范围内时，SMER与压缩机压比r的范围分别为13.74～13.75与1.681～1.782，均低于双效系统的 SMER（13.78～19.55）与压缩机压比 r（2.003～2.541），这是由于双效系统增加了蒸气冷凝放热浓缩碱液的过程，增大了热泵循环制冷剂冷凝温度 Trk与蒸发温度Tr0差，使冷凝压力prk与蒸发压力比pr0增大，所需压缩机r增大。此外，系统热能得到进一步回收，系统的SMER增大。所以双效低温浓缩蒸发碱液热泵系统在系统性能方面要优于单效低温浓缩蒸发碱液热泵系统。

3 结论

针对单效低温浓缩碱液热泵系统在实际运行过程中尚存在的两个问题，本文设计了一套双效低温浓缩碱液热泵系统，并进行了模拟计算，得到如下结论：

1）双效低温浓缩碱液热泵系统其单位能耗蒸发量（SMER）随着一效碱液浓缩蒸发压力（p1）的升高而下降，随着二效碱液浓缩蒸发压力（p2）的升高而升高；在满足冷凝蒸发器两侧流体温差大于 7 ℃时，p1应尽量降低，而 p2应尽量提升；通过模拟计算可知，双效系统 SMER的范围为13.87～19.55，且当p1=7.5 kPa、p2=6.5 kPa时，系统SMER最大，数值为19.55；

2）双效系统的压缩机压比随着 p1的升高而下降，随着p2的升高而升高，通过模拟计算得出，压缩机压比的范围为2.003～2.541；

3）与单效低温浓缩碱液热泵系统相比，双效系统的SMER明显高于前者，且双效系统压缩机的压比与空调压缩机压比更接近，证明了双效低温浓缩碱液热泵系统的性能优于单效低温浓缩碱液热泵系统。