張化福，楊魯偉，張振濤，藺雪軍，楊俊玲，張 沖

(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190)

0 前言

機(jī)械蒸汽再壓縮(Mechanical vapor recompression，MVR)熱泵技術(shù)是一項(xiàng)高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于溶液蒸發(fā)工藝與傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)系統(tǒng)，如化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域［1－2］。

在國(guó)外，MVR 熱泵技術(shù)在系統(tǒng)集成和壓縮機(jī)研究方面，都比國(guó)內(nèi)起步要早，并在海水淡化的應(yīng)用方面有了廣泛地推廣［3－5］。

國(guó)內(nèi)對(duì)MVR 熱泵技術(shù)的研究，起步較晚，大多集中在理論分析和數(shù)值仿真方面，張琳等人對(duì)MVR蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬［6］，石成君等人對(duì)高鹽度廢水處理系統(tǒng)的性能進(jìn)行了數(shù)值仿真分析［7］，顧承真等人著重對(duì)MVR 系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了模擬分析［8］，周雷等人基于MVR 技術(shù)對(duì)低溫干燥系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬分析［9］。

在MVR 熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究相對(duì)很少，林文野對(duì)用于MVR 系統(tǒng)中的單螺桿水蒸氣壓縮機(jī)濕壓縮過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［10］，龐衛(wèi)科從MVR 系統(tǒng)出發(fā)，試驗(yàn)研究了不同型號(hào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)下的MVR 熱泵系統(tǒng)性能［11－12］。

1 系統(tǒng)流程原理

如圖1 所示，為機(jī)械再壓縮熱泵蒸發(fā)器的流程原理示意圖，以下分別從物質(zhì)流動(dòng)過(guò)程和能量流動(dòng)過(guò)程兩個(gè)方面加以說(shuō)明。

物質(zhì)流動(dòng)過(guò)程，常溫物料經(jīng)過(guò)預(yù)熱后，被加熱至蒸發(fā)溫度，而后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收蒸汽冷凝所釋放的熱量，在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行沸騰傳熱并蒸發(fā)形成汽液兩相混合物，而后進(jìn)入汽液分離器，水蒸氣上升，液態(tài)物料下降，最終實(shí)現(xiàn)汽液分離，下沉的液態(tài)物料返回蒸發(fā)器進(jìn)行再次蒸發(fā)，上升的水蒸氣經(jīng)由分離器頂部排出，而后進(jìn)入二次分離器，除去夾帶的液滴，二次分離后的蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)后能量得到提升，高溫高壓下的水蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器冷凝放熱，為物料的沸騰蒸發(fā)提供能量來(lái)源，高溫冷凝液從蒸發(fā)器底部排除至冷凝水箱，而后從冷凝水箱排出，在預(yù)熱器內(nèi)與常溫物料進(jìn)行熱量交換，將物料加熱至所需的溫度至此完成一個(gè)循環(huán)。

能量流動(dòng)過(guò)程，結(jié)合圖2 所示的蒸汽熱力狀態(tài)變化圖進(jìn)行說(shuō)明，常溫下低焓值的物料經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后，顯熱得到提升，變成高焓值的物料，在蒸發(fā)器中繼續(xù)吸收熱量，顯熱得到進(jìn)一步提升，直至飽和狀態(tài)，而后潛熱不斷增加進(jìn)入相變過(guò)程，即水分子不斷從液相狀態(tài)變?yōu)槠酄顟B(tài)，分離器中下降的液相物料經(jīng)再循環(huán)后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收熱量，潛熱增加，不斷汽化，重復(fù)以上過(guò)程;水蒸氣經(jīng)二次分離后，進(jìn)入壓縮機(jī)提升能量，這樣低焓值的水蒸氣經(jīng)壓縮后變成高焓值水蒸氣，高焓值的蒸汽經(jīng)由壓縮機(jī)排出后，并返回到蒸發(fā)器，冷凝釋放潛熱，并加熱物料;凝結(jié)下來(lái)的冷凝水仍具有較高的焓值，接下來(lái)進(jìn)入預(yù)熱器與低焓值的物料進(jìn)行熱量交換，將高焓值冷凝水的熱量傳遞給低焓值的物料，至此完成了能量的循環(huán)。

圖1 系統(tǒng)流程原理

圖2 蒸汽熱力狀態(tài)變化

2 主要性能指標(biāo)

MVR 熱泵蒸發(fā)器系統(tǒng)的性能考核指標(biāo)主要有總蒸發(fā)水量Qf、系統(tǒng)壓縮比ε、制熱性能系數(shù)COP、單位能耗蒸發(fā)水量SMER 、風(fēng)機(jī)絕熱內(nèi)效率ηs和容積效率ηv、蒸發(fā)器換熱系數(shù)KS?？傉舭l(fā)水量

式中

Qf——總蒸發(fā)水量/kg·h－1;

m——系統(tǒng)的蒸發(fā)水量/kg;

t——蒸發(fā)水量對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)時(shí)間/h。

總蒸發(fā)水量反映的是MVR 蒸發(fā)器系統(tǒng)的處理能力，總蒸發(fā)水量越大，處理能力越強(qiáng)，但應(yīng)注重在實(shí)際應(yīng)用中的匹配性。系統(tǒng)壓縮比

式中 ε——壓縮比，無(wú)量綱;

pin——壓縮機(jī)進(jìn)口壓力/Pa;pout——壓縮機(jī)出口壓力/Pa。

系統(tǒng)壓縮比反映的是壓縮機(jī)把水蒸氣能量提升的程度，壓縮比越高，水蒸氣的溫升越大，越適合那些沸點(diǎn)溫升高的物料。

系統(tǒng)性能系數(shù)

式中

COP——制熱性能系數(shù)，無(wú)量綱;

SMER——單位能耗蒸發(fā)量/kg·kW－1·h－1;

Ath——系統(tǒng)的總耗電量/kW·h;

r1——蒸發(fā)器殼側(cè)冷凝潛熱/kJ·kg－1。系統(tǒng)性能系數(shù)反映的是MVR 蒸發(fā)器系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，SMER 和COP 越大，系統(tǒng)耗電量越小，節(jié)能效果越明顯。

風(fēng)機(jī)效率

式中

ηs——風(fēng)機(jī)絕熱內(nèi)效率，無(wú)量綱;

ηv——風(fēng)機(jī)容積效率，無(wú)量綱;

Pad——風(fēng)機(jī)等熵壓縮理論功/kW;

Pi——風(fēng)機(jī)實(shí)際功耗/kW;

vg——汽相比容/m3·kg－1;

Qth——風(fēng)機(jī)理論風(fēng)量/m3·min－1。風(fēng)機(jī)效率是評(píng)價(jià)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其中，絕熱內(nèi)效率反映風(fēng)機(jī)偏離等熵壓縮的程度，容積效率反映風(fēng)機(jī)泄漏的程度。

蒸發(fā)器換熱系數(shù)

式中 KS——換熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

r2——蒸發(fā)器管側(cè)汽化潛熱/kJ·kg－1;As——蒸發(fā)器換熱面積/m2;△T——蒸發(fā)器換熱溫差/℃。

蒸發(fā)器的換熱系數(shù)是評(píng)價(jià)蒸發(fā)器換熱性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，換熱系數(shù)越高，所需的換熱面積越小，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)越小。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

根據(jù)系統(tǒng)流程原理搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖3 所示，所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)為羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)自然循環(huán)式MVR 熱泵蒸發(fā)器。

圖3 羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MVR 熱泵系統(tǒng)

系統(tǒng)另外增設(shè)了一套電熱裝置，以加快系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程，同時(shí)還可用來(lái)補(bǔ)給散失的熱量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定在指定的工況下運(yùn)行。

試驗(yàn)采用的蒸發(fā)介質(zhì)為水，過(guò)程中測(cè)試的參數(shù)有:風(fēng)機(jī)吸汽壓力及溫度、排汽壓力及溫度;蒸發(fā)器殼程溫度、管程溫度;分離器液位、汽相壓力、汽相溫度和液相溫度;冷凝水箱液位及壓力;進(jìn)料液流量;系統(tǒng)總功耗、風(fēng)機(jī)功耗、電加熱功率等。

試驗(yàn)中，判斷系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行工況的標(biāo)志是，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，即分離器液相溫度穩(wěn)定在一個(gè)特定數(shù)值不變或上下微小波動(dòng)，此時(shí)分離器汽相壓力應(yīng)和液相溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力一致，這樣才能穩(wěn)定蒸發(fā)。

試驗(yàn)中，總蒸發(fā)水量的測(cè)定方法為，維持分離器的液位不變，在穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程中，進(jìn)料量就等于蒸發(fā)量。然而實(shí)際操作中很難調(diào)到一個(gè)特定的進(jìn)料量使得分離器保持在一個(gè)恒定不變的液位?？尚械淖龇ㄊ亲屵M(jìn)料量保持在一合理的數(shù)值后，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，觀察分離器的液位變化，進(jìn)料量去除分離器液位變化帶來(lái)的水量，即得出系統(tǒng)的總蒸發(fā)水量。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

圖4 所示為兩種不同頻率下蒸發(fā)量隨蒸發(fā)溫度的變化，可以看出，蒸發(fā)溫度越高，蒸發(fā)量越大，電機(jī)頻率越大，蒸發(fā)量越大。這是由于隨著蒸發(fā)溫度的增加，風(fēng)機(jī)容積效率不斷增大的緣故。

圖5 所示為兩種不同頻率下風(fēng)機(jī)壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律，蒸發(fā)溫度越高，壓縮比越小，電機(jī)頻率越大，壓縮比越大。

圖6 所示為兩種不同頻率下系統(tǒng)COP 隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律，從圖中可以看出，蒸發(fā)溫度越高，COP 越大，頻率越大，COP 越大;最高為11．58，最低為2．88。

這里出現(xiàn)了蒸發(fā)溫度越高，COP 越大的現(xiàn)象，是由于隨著蒸發(fā)溫度的升高，蒸發(fā)量的升高幅度遠(yuǎn)大于總功耗的升高幅度。

圖7 所示為兩種不同頻率下系統(tǒng)SMER 隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律，從圖中可以看出，蒸發(fā)溫度越高，SMER 越大，電機(jī)頻率越大，SMER 越大;最高為18.24，最低為4．5。

這里SMER 的變化表現(xiàn)出與COP 一致的結(jié)果，這是合理的。

圖8 所示為兩種不同頻率下絕熱內(nèi)效率隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律，蒸發(fā)溫度越高，絕熱內(nèi)效率越大，電機(jī)頻率越大，絕熱內(nèi)效大率越大;最高為58.21%，最低11．53%。

這是由于隨著蒸發(fā)溫度的升高，風(fēng)機(jī)機(jī)功耗增加量較小，而蒸發(fā)量大幅增加所致。

圖4 蒸發(fā)量隨蒸發(fā)溫度的變化

圖5 壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化

圖6 系統(tǒng)COP 隨蒸發(fā)溫度的變化

圖7 系統(tǒng)SMER 隨蒸發(fā)溫度的變化

圖8 絕熱內(nèi)效率隨蒸發(fā)溫度的變化

圖9 反映的是容積效率隨蒸發(fā)溫度的變化，蒸發(fā)溫度越大，容積效率越大，頻率越高，容積效率越大。

圖9 容積效率隨蒸發(fā)溫度的變化

圖10 所示為兩種不同頻率下?lián)Q熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律，蒸發(fā)溫度越高，換熱系數(shù)越大，頻率越大，換熱系數(shù)越大。

這里，隨著蒸發(fā)溫度升高，換熱系數(shù)差別很大，是由于低壓下粘度的變大和少量的不凝性氣體影響了換熱。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)自然循環(huán)式MVR 熱泵蒸發(fā)器系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論:

圖10 換熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化

(1)羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MVR 系統(tǒng)的總蒸發(fā)水量隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，增幅較為明顯，同一工況下，電機(jī)頻率越高，蒸發(fā)量越大;系統(tǒng)壓比隨著蒸發(fā)溫度的升高逐漸降低，同一工況下，電機(jī)頻率越高，壓比越大;壓比維持在1．3 ～1．5 范圍內(nèi);試驗(yàn)表明該型號(hào)羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MVR 系統(tǒng)適合蒸發(fā)量和沸點(diǎn)溫升都不大的場(chǎng)合。

(2)羅茨風(fēng)機(jī)的絕熱內(nèi)效率和容積效率隨蒸發(fā)溫度的升高而升高，同一工況下，電機(jī)頻率越高，絕熱內(nèi)效率和容積效率越大;容積效率提高是由于泄漏量減小的緣故，絕熱內(nèi)效率的提高是由于容積效率的升高對(duì)絕熱內(nèi)效率的加強(qiáng)作用大于風(fēng)機(jī)耗電量增加對(duì)絕熱內(nèi)效率的減弱作用，總體表現(xiàn)為升高的趨勢(shì);實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)溫度為70℃時(shí)，絕熱內(nèi)效率僅僅有11．53%，這里由于蒸發(fā)量降低的很多導(dǎo)致等熵壓縮功大幅度降低，而壓縮機(jī)內(nèi)功率降低的幅度不是很大造成的。

試驗(yàn)表明該型號(hào)羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MVR 系統(tǒng)適合在高溫工況運(yùn)行，此時(shí)風(fēng)機(jī)效率更高。

(3)羅茨風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MVR 系統(tǒng)的COP 和SMER均隨蒸發(fā)壓力的升高而升高，同一工況下，電機(jī)頻率越高，COP 和SMER 越大;這是由于風(fēng)機(jī)絕熱內(nèi)效率和容積效率隨蒸發(fā)壓力升高而升高引起的;絕熱內(nèi)效率越高，系統(tǒng)功耗越小，容積效率越大，系統(tǒng)容積蒸發(fā)量越大;提高羅茨風(fēng)機(jī)的絕熱內(nèi)效率和容積效率至關(guān)重要。

(4)蒸發(fā)器換熱系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，增幅較為明顯，同一工況下，電機(jī)頻率越高，換熱系數(shù)越大;換熱系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的不同，變化非常大，主要原因是由于在低溫工況下，特別是75℃以下的蒸發(fā)工況，羅茨風(fēng)機(jī)的容積效率降低很多，實(shí)際的蒸發(fā)量減小，換熱量減小，最終導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)急劇減小;可一步考慮強(qiáng)制循環(huán)的蒸發(fā)模式，以提高管內(nèi)流體速度，增強(qiáng)蒸發(fā)器換熱性能。

［1］龐衛(wèi)科，林文野，戴群特，等． 機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)研究進(jìn)展［J］．節(jié)能技術(shù)，2012，30(4):312 －315．

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［12］龐衛(wèi)科．機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］．北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013，5．