低温苹果汁热泵蒸发系统的设计研究

2021-08-17许荣华韩东陈俊杰

酒·饮料技术装备 2021年4期

许荣华，韩东，陈俊杰

(1. 扬州福尔喜果蔬汁机械有限公司，江苏，扬州，225105；2.南京航空航天大学能源与动力学院，江苏，南京,210016)

引言

苹果汁浓缩是蒸发浓缩领域中常见的高耗能工艺，也是苹果汁酿造过程中关键的工艺过程，开发苹果汁的低耗能浓缩技术是目前的重要研究方向之一[1-2]。与常规反渗透、多效蒸发等浓缩技术相比，热泵蒸发浓缩能够回收利用二次蒸汽显热，已成为一种应用范围广、能耗低的潜力浓缩技术[3-5]。

机械蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Recompression，MVR)技术是目前常被用于蒸发浓缩的高效蒸发技术之一[6]。热泵技术也常用于蒸发浓缩，目前研究者已提出多种热泵蒸发浓缩方案[7-10]。Slesarenko[7]提出一种用于海水淡化的热泵常压低温蒸发方案，在低温产水的需求下优势突出。谢继红等[8]提出了一种通用的热泵常压低温蒸发浓缩方案，通过吸湿气体在蒸发器和冷凝器间强制循环，加速常压低温条件下稀溶液的蒸发，从而实现原料的浓缩。Tobias Reiners[10]研究了基于热泵系统的第五代超低温区域供热网络，该系统可以实现30℃下的常规运作。研究发现，在源出口温度达到17℃时系统的最大COP 为10。综上所述，研究者们已开展热泵蒸发浓缩的诸多研究，且主要集中在热力学理论上的整体节能特性，而对于苹果汁蒸发浓缩过程的热敏性问题很少涉及。

因此，针对苹果汁浓缩加工，研究提出一套适用于苹果汁加工的低温热泵蒸发浓缩系统方案。首先对该系统及关键设备蒸发器和冷凝器建立不同水平的计算模型，进行热力学性能、经济性能和综合性能预测分析。其次，以MVR 蒸发浓缩方案为参比，对比分析低温热泵蒸发浓缩系统的整体技术经济性能。最后，分析操作温度对吨水电耗、关键设备成本和综合性能指标等的热敏性影响，来研究低温苹果汁热泵蒸发浓缩系统的技术经济性能潜力。

1 低温热泵蒸发浓缩系统

1.1 低温热泵蒸发浓缩系统

鉴于MVR 系统中易出现漏油问题，针对苹果汁蒸发浓缩过程，研究提出图1 所示的低温热泵蒸发浓缩方案。首先将原果汁经泵送入工质冷凝器，在冷凝器内吸收热泵循环有机工质所释放的热量后，果汁蒸发的蒸汽经气液分离器顶部管道送入工质蒸发器，剩余未蒸发部分的浓果汁沉积在气液分离器底部，并经管道输送至浓果汁罐。蒸发出来的蒸汽在工质蒸发器内加热液态有机工质后冷凝成液态水，收集于冷凝液罐中，同时工质蒸发器内液态有机工质吸热后变成汽态有机工质，随后经过压缩机增压升温后进入工质冷凝器作为热源，加热原果汁。图2 为苹果汁低温热泵蒸发浓缩系统图。

图1 苹果汁低温热泵蒸发浓缩原理图Fig.1 Schematic diagram of apple juice of heat hump evaporation concentration under low temperature

图2 苹果汁低温热泵蒸发浓缩系统图Fig.2 Heat hump evaporation concentration system of apple juice under low temperature

2 方法描述

2.1 模型建立

通过Aspen plus 构建系统分析流程，对热泵蒸发浓缩系统关键设备建立完整的分析模型。其中工质蒸发器和工资冷凝器均采用板式换热器，通过Aspen plus 计算平台嵌入Exchanger Design and Rating 中的Hetran 换热模型，建立流体热物性和温差影响的结构尺寸模型。

2.2 性能指标

热泵蒸发浓缩系统原料浓缩常伴随着水蒸气的蒸发，而且一般采用电力驱动压缩机来带动整个系统运转。因此吨水电耗ζ 在一定程度上能够体现热泵蒸发浓缩系统的热力性能，其物理意义表示蒸发一吨水所消耗的电功，(kWh/t)。其计算表达式如下：

为了表示不同蒸发浓缩系统的综合技术经济性能，研究提出利用关键成本C与吨水电耗ζ 的乘积作为衡量不同系统的综合性能指标，该指标越高表示系统的技术经济性能越差。

在本文计算条件下，对于常规MVR 系统，其关键成本C主要包括冷凝蒸发器成本Ceva-con、压缩机成本Ccom和辅助成本Caux，计算表达式如下：

对于低温热泵蒸发浓缩系统，其关键成本C主要包括蒸发器成本Ceva、冷凝器成本Ccon、压缩机成本Ccom和辅助成本Caux，计算表达式如下：

其中，Ccon或者Ceva的计算表达式如下[11]，元：

其中，n0为本地化因子，本文计算中取0.6。7.66 为欧元兑人民币汇率，A为换热器有效面积，m2。

对低温热泵蒸发浓缩系统的压缩机成本Ccom，采用如下计算表达式[11]，万元：

其中，Vsu,exp为压缩机入口气体流量，m3/s。

而对MVR 系统的蒸汽压缩机，其成本Ccom主要借鉴文献[12]进行计算，万元：

由于MVR 系统压缩机成本不仅与压比有关，而且还与入口气体体积流量紧密相关，因此本文计算中选用下式计算：

其中，V为压缩机入口气体流量，m3/s，p2/p1为压缩机压比，根据实际调研得到的MVR 系统蒸汽压缩机设备成本，拟合得到m为2.1，n为0.8。

3 结果及讨论

3.1 计算条件

低温热泵蒸发浓缩系统模型的计算假设条件如下：管道压力损失为0，蒸发器、冷凝器顶部与底部压差不计，不考虑沉积液体高度的压力差。由于果汁在蒸发侧和冷凝侧的负荷略有差别，计算中假设其负荷差恰为蒸发侧散热损失。设计计算中涉及的主要参数如下：换热器两侧冷热流体的对数平均换热温差为8℃；原料是质量浓度为3%饱和果汁稀溶液，蒸发水的质量流量为1kg/s；蒸汽压缩机等熵效率为83%，各类液体泵的等熵效率为72%。浓果汁质量浓度为4%，冷凝水储罐压力为3.1kPa，浓果汁储罐压力为3.1kPa。

3.2 性能对比及分析

通过建模分析，首先对比本文所提出的热泵果汁蒸发浓缩系统与常规MVR 系统的性能。表1 为热泵系统及MVR 系统的性能对比结果。从该表可知，由于加工的苹果汁属于热敏性原料，考虑到其品质对操作温度的要求以及换热器换热特性对温差的要求影响，与MVR 蒸发浓缩方案相比，热泵蒸发浓缩方案为了保证各换热器蒸发侧和冷凝侧的8℃温差，这使得热泵循环R22 的蒸发侧与冷凝侧的平均温差较MVR 系统提高8℃，从而使得其吨水电耗提高约1.7 倍，可见热泵蒸发浓缩方案较MVR 方案的热力性能更差。

表1 热泵系统及MVR 性能对比结果Tab.1 Comparison results of the performance of the heat pump system and referenced MVR system

但如果对比以上两种方案关键设备— 蒸汽压缩机性能，可以看到热泵蒸发浓缩方案由于采用了沸点较低的R22 有机工质，在保证原料相同蒸发/冷凝温度下，有机工质密度远高于MVR 系统原料中蒸发的水蒸气，而且由于苹果汁溶液的操作温度对应的操作压力仅为2.0kPa，这使得热泵系统压缩机进口工质体积流量远低于MVR 的，对压缩机的设备成本大幅降低。在本文计算条件下，热泵系统压缩机进口工质体积流量仅为MVR 方案的0.7%，压缩机成本仅为MVR 系统压缩机的约3%。由此可见，在真空低温操作条件下，采用热泵方案较MVR 系统的压缩机不仅结构紧凑、而且成本低廉，更适合大规模工程应用。

此外，对比以上两个蒸发浓缩系统的换热器面积和成本等性能指标可知，由于热敏性苹果汁溶液浓缩工艺对应的操作真空度高，换热器两侧流体的对流换热系数较小，导致对应的换热器面积均较大。其中MVR 系统由于采用结构紧凑的冷凝蒸发器，其有效换热面积和成本均较热泵蒸发浓缩系统的换热器(冷凝器和蒸发器)低。在本文计算条件下，MVR 系统冷凝蒸发器成本仅为热泵蒸发浓缩系统换热器的65%。然而，从吨水电耗和压缩机成本的综合性能分析可知，低温热泵蒸发浓缩系统的综合性能指标Ψ较MVR 系统约降低8%。这表明在本文计算条件下，提出的低温热泵蒸发浓缩系统具有明显的综合技术经济性能优势。

3.3 热敏性分析

蒸发浓缩工艺的操作温度是影响热敏性物料品质的关键因素之一，操作温度不仅会影响整个系统热力性能，而且会影响换热器、压缩机等关键设备的经济性能以及系统综合性能。

操作温度的提高首先会提高整个系统的操作压力，进而影响系统关键部件的设计尺寸及其热力性能。图3 为系统中蒸汽压缩机成本与操作温度的关系。从该图可知，随着操作温度的提高，两个蒸发系统的操作压力都提高，但由于蒸汽比容受压力影响更大，对于MVR 系统压缩机入口体积流量降低的更多，从而导致MVR 系统压缩机结构尺寸显著降低，而热泵系统压缩机成本主要受到有机工质逆循环系统工质流量影响，其降低幅度相对较弱。此外，由于热泵蒸发浓缩系统压缩机进口气体体积流量远低于MVR 系统，因此综合效果使得热泵蒸发冷凝系统压缩机设备成本远低于MVR 系统。

图3 压缩机成本与操作温度的关系Fig.3 Relationship between compressor cost and operating temperature

图4 为换热器成本与操作温度的关系。从该图可知，与MVR 系统换热器成本相比，由于热泵蒸发浓缩系统操作压力随着操作温度的提高而显著提高，其对应换热器两侧流体换热系数升高，而且由于该系统包括两个换热器（蒸发器和冷凝器）从而使得换热器总面积及设备成本明显下降。在本文计算条件下，随着操作温度从15℃提高至45℃，热泵蒸发浓缩系统换热器成本降低10.9 万元，较MVR 系统多降低3.8 万元。

图4 换热器成本与操作温度的关系Fig.4 Relationship between heat exchanger cost and operating temperature

操作温度的变化对系统的热力性能的影响同样显著。图5 为不同系统方案的吨水电耗ζ 与操作温度的关系。通过实验结果可以发现，在操作温度为40℃时，苹果汁低温热泵蒸发浓缩系统的吨水电耗最低为164.55kWh/t；随着操作的温度的降低，吨水电耗缓慢增加。热泵系统的模拟值与实验值的最大误差仅为7.99%。在本文计算工况下，当操作温度从15℃增加到40℃时，MVR 系统因压缩机进口物料体积流量降低使得其压缩功耗降低39kW，而热泵系统仅降低21W，对应热泵蒸发浓缩系统的吨水电耗增加幅度也较小。因此表明，操作温度提高有利于改善热泵蒸发浓缩系统热力性能，而与MVR 系统相比，操作温度的变化对热泵蒸发浓缩系统热力性能影响较平缓。图6 展示的是由福而星公司建立的低温热泵蒸发浓缩系统产出的样品-浓缩苹果汁。

图5 吨水电耗ζ 与操作温度的关系Fig.5 Relationship between thermal performance and operating temperature

图6 产品-浓缩苹果汁Fig.6 Product - concentrated apple juice

图7 为两个方案的综合性能指标ψ与操作温度的关系。由图中明显发现，随着操作温度的提高，蒸发浓缩系统的饱和操作压力不断提高，从而导致系统的热力性能和经济性能明显改善，其综合性能指标ψ呈现明显下降的趋势。在操作温度为32℃时，热泵系统与MVR 系统的综合性能指标相当。而随着操作温度的进一步提高，MVR系统的综合性能指标急剧上升，而且明显高于热泵系统的综合技术经济性能。综上可知，热泵蒸发浓缩系统更适用于低温蒸发浓缩过程，而且随着操作温度的降低，热泵蒸发浓缩系统优势愈发明显。