賀宇 余延順 劉青青

南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

研究表明，液體除濕[1]、溶液融霜[2-3]技術(shù)對改善空氣源熱泵的結(jié)霜除霜性能良好，但除濕液體及融霜溶液的再生過程需要消耗大量能源，影響其實(shí)際應(yīng)用的效果。

目前，溶液常采用的熱力再生方式包括太陽能熱力再生、超聲霧化再生、溶液真空再生。太陽能熱力再生雖采用可再生能源方式，但其受日照周期性與不確定制約[4-5]。超聲波霧化再生[6-7]將溶液霧化增大溶液與冷空氣的接觸面積增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)。溶液真空再生[8]則將溶液再生壓力控制在較低水平以降低溶液表面蒸發(fā)溫度，以降低加熱熱源的溫度需求。此三種溶液再生方式均需使溶液溫度升高或空氣溫度降低的冷熱源制備耗能和輸運(yùn)空氣的風(fēng)機(jī)耗能，系統(tǒng)功耗高。

針對現(xiàn)有熱力再生方式能耗大的問題，并基于空氣源熱泵溶液除霜的再生需求，本文提出機(jī)械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression，MVR）溶液再生技術(shù)，以充分回收蒸發(fā)水分的潛熱[9-11]，降低溶液熱力再生過程的能耗。溶液在除霜時(shí)其凝固點(diǎn)需高于翅片表面溫度，同時(shí)除霜溶液與熱泵換熱翅片直接接觸，因此需溶液腐蝕性較低。溶液利用MVR 再生時(shí)，其沸點(diǎn)溫升越低再生性能越好。目前無霜熱泵領(lǐng)域主要采用溴化鋰，氯化鋰，氯化鈣溶液，甲酸鉀溶液[12-14]。在相同濃度下，氯化鋰，溴化鋰和氯化鈣溶液沸點(diǎn)溫升較甲酸鉀高[15-17]，同時(shí)甲酸鉀腐蝕性為低，價(jià)格較低，故選擇甲酸鉀作為除霜溶液。

基于此，本文擬構(gòu)建基于溶液除霜和MVR 溶液再生技術(shù)的空氣源熱泵系統(tǒng)，通過MVR 熱力過程的計(jì)算與分析，研究MVR 溶液再生機(jī)理及特性，論證MVR 對溶液再生的可行性，以期為空氣源熱泵溶液除霜系統(tǒng)溶液再生提供一種節(jié)能的解決方案。

1 MVR 溶液再生技術(shù)及系統(tǒng)

1.1 MVR 溶液再生技術(shù)原理

MVR 溶液再生技術(shù)原理如圖1 所示。除霜后的稀溶液經(jīng)再生溶液及冷凝水預(yù)熱后進(jìn)入發(fā)生器，在發(fā)生器內(nèi)被壓縮機(jī)排氣加熱后產(chǎn)生閃發(fā)水蒸汽，閃發(fā)蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入發(fā)生器換熱器對溶液加熱并冷凝為液態(tài)水，凝結(jié)水經(jīng)熱回收后最終排放，由此實(shí)現(xiàn)發(fā)生器內(nèi)溶液的濃縮再生。MVR 濃縮再生過程即通過消耗少量高品位能，回收低品位閃發(fā)蒸汽的潛熱能實(shí)現(xiàn)對稀溶液加熱再生，具有顯著的節(jié)能效果。

圖1 MVR 溶液再生原理圖

1.2 空氣源熱泵除霜溶液MVR 再生系統(tǒng)

基于MVR 溶液再生原理，構(gòu)建如圖2 所示基于溶液除霜和MVR 溶液再生技術(shù)的空氣源熱泵系統(tǒng)流程。熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行時(shí)，當(dāng)室外換熱器表面結(jié)霜后將一定濃度除霜溶液噴淋至室外換熱器表面，在霜層與溶液間化學(xué)勢差作用下，霜層融于溶液，實(shí)現(xiàn)除霜。除霜后溶液濃度降低，通過積液盤收集于儲(chǔ)液桶2 中。當(dāng)儲(chǔ)液桶2 液面到達(dá)設(shè)定高度后，開啟閥門V2，除霜后稀溶液經(jīng)預(yù)熱后輸送至MVR 再生系統(tǒng)進(jìn)行再生，再生后的濃溶液返回儲(chǔ)液罐1。在進(jìn)入除霜模式時(shí)，閥門V1 開啟，儲(chǔ)液罐1 中濃溶液噴淋至換熱器表面實(shí)現(xiàn)除霜。由此構(gòu)成溶液除霜與MVR 溶液再生的循環(huán)進(jìn)行。

圖2 MVR 再生型溶液除霜空氣源熱泵機(jī)組原理

2 MVR 溶液再生技術(shù)的可行性分析

2.1 MVR 溶液再生過程熱力計(jì)算

為簡化MVR 溶液再生過程的熱力計(jì)算，對MVR再生過程作如下簡化處理：

1）系統(tǒng)在穩(wěn)定條件下運(yùn)行；

2）忽略發(fā)生器，預(yù)熱器和管路的能量損失；

3）發(fā)生器出口濃溶液為飽和狀態(tài)；

4）發(fā)生器蒸發(fā)側(cè)蒸發(fā)蒸汽為飽和狀態(tài)；

5）發(fā)生器換熱器出口凝結(jié)水為飽和態(tài)。

基于上述簡化，結(jié)合圖1 進(jìn)行MVR 溶液再生過程的熱力計(jì)算。設(shè)定發(fā)生器入口稀溶液溫度為T1、濃度為X1，發(fā)生器出口處濃溶液溫度為T4，濃度為X4（即溶液再生濃度）以及發(fā)生器換熱兩側(cè)溶液溫度與蒸汽冷凝溫度差為ΔT。溶液再生濃度定義為發(fā)生器出口濃溶液濃度X4。

對溶液質(zhì)量守恒：

對溶質(zhì)質(zhì)量守恒：

發(fā)生器內(nèi)的蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)換熱量相等。蒸發(fā)側(cè)得熱量包括溶液溫度升高顯熱量和水分蒸發(fā)潛熱量。冷凝側(cè)的放熱量包括過熱段和凝結(jié)段放熱。其能量平衡方程為：

預(yù)熱器1 換熱量為：

預(yù)熱器2 換熱量為：

式中：Mf、Mb分別為稀溶液、濃溶液的質(zhì)量流量，kg/s；Md為蒸發(fā)量，kg/s；Cp為各點(diǎn)的比熱容，kJ/(kg·℃)。

溶液表面水蒸汽分壓力P2為出口溶液溫度T4和濃度X4對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，閃蒸出飽和蒸汽溫度T2為P2對應(yīng)水蒸氣飽和溫度，即：

等壓條件下，因溶質(zhì)存在，溶液沸點(diǎn)高于純水沸點(diǎn)，兩者差值為溶液沸點(diǎn)升高（Boiling Point Elevation，BPE），其體現(xiàn)為溶液濃度對溶液沸點(diǎn)的影響程度，即：

閃蒸的飽和蒸汽經(jīng)壓縮過程變?yōu)檫^熱排氣狀態(tài)3，經(jīng)換熱管換熱后冷凝為飽和液態(tài)5。排氣壓力P3為冷凝溫度T5對應(yīng)的飽和壓力。冷凝溫度T5為再生濃溶液溫度T4和換熱管兩側(cè)的傳熱溫差ΔT 之和，即：

壓縮比為：

壓縮過程為多變壓縮，排氣溫度T3可由排氣壓力P3和排氣焓值h3確定。

壓縮機(jī)單位壓縮功為[18]：

式中：η 為多變效率；n 為多變指數(shù)，取1.45；k 為絕熱指數(shù)，取1.4；had為壓縮機(jī)絕熱壓縮排氣的比焓，kJ/kg。

壓縮機(jī)功耗為：

MVR 溶液再生能耗評價(jià)包括：單位能耗蒸發(fā)量SMER 和系統(tǒng)能效比EER。

在MVR 溶液再生過程中，再生過程能耗為壓縮機(jī)功耗，故MVR 溶液再生系統(tǒng)單位能耗蒸發(fā)量SMER 為：

式中：SMER 為單位能耗蒸發(fā)量，kg/kWh；Md為蒸發(fā)速率，kg/s；Wcomp為壓縮機(jī)功耗，kW；Wp為系統(tǒng)中泵與其他設(shè)備的功耗，kW。

再生系統(tǒng)效用熱量包括：預(yù)熱器1 和預(yù)熱器2 回收的熱量。發(fā)生器蒸發(fā)側(cè)吸收的熱量。故溶液再生系統(tǒng)的能效比：

其中，泵的功耗Wp=(MfΔP)/ρηp，kW。

熱力計(jì)算流程如圖3 所示。

圖3 MVR 溶液再生系統(tǒng)性能計(jì)算流程

2.2 MVR 溶液再生系統(tǒng)熱力性能

溶液濃度升高導(dǎo)致溶液BPE 增大，并影響MVR系統(tǒng)冷凝側(cè)與蒸發(fā)側(cè)壓力及壓縮機(jī)功耗，但高溶液濃度有利于提高溶液融霜性能。為分析溶液再生濃度與再生濃溶液溫度對系統(tǒng)性能的影響，以甲酸鉀溶液為再生溶液，探討溶液再生濃度和溶液蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響。

2.2.1 溶液再生濃度

為分析溶液再生濃度對MVR 再生性能的影響，計(jì)算了溶液再生溫度60 ℃、傳熱溫差5 ℃，除霜后稀溶液濃度10%時(shí)，溶液再生質(zhì)量濃度為12%～30%的性能，結(jié)果如圖4～圖6 所示。

圖4 壓縮比隨溶液質(zhì)量濃度變化

圖5 不同再生濃度下的BPE 和壓縮機(jī)飽和溫升

圖6 不同再生濃度下的EER 和SMER

圖4 為壓縮比隨溶液質(zhì)量濃度變化。由圖可見，隨再生濃度升高，溶液表面蒸汽壓力降低、冷凝側(cè)壓力升高，壓縮機(jī)壓比由12%濃度時(shí)的1.37 增大至濃度為30%時(shí)的1.85。圖5 為BPE 和壓縮機(jī)飽和溫升隨溶液質(zhì)量濃度變化，由圖5 可見，隨著溶液再生濃度升高，因溶液沸點(diǎn)升高、表面水蒸氣壓力對應(yīng)的飽和溫度下降，溶液的BPE 從1.84 ℃上升至8.75 ℃，壓縮機(jī)飽和溫升從6.84 ℃上升至13.74 ℃。圖6 為EER 及SMER 隨溶液濃度變化曲線。由圖6 可見，受壓縮比、壓縮機(jī)吸氣過熱度升高影響，MVR 溶液再生系統(tǒng)的能效比EER 隨再生濃度的升高近似線性降低，系統(tǒng)能效比由12%濃度時(shí)的30.9 降至30%濃度時(shí)的15.0，降低了51.4%，而SMER 從46.3 kg/kWh 降至21.8 kg/kWh，降低了52.3%，SMER 與EER 變化的趨勢近似相同。

由此可見，溶液再生濃度升高對MVR 溶液再生系統(tǒng)性能削減很大，再生濃度升高，即溶液濃縮倍數(shù)增大，溶液的沸點(diǎn)溫升BPE 增大，壓縮機(jī)飽和溫升增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增加，從而使得系統(tǒng)的SMER 與EER 降低。在再生濃度超過28%時(shí)，排氣溫度超過130 ℃，壓縮機(jī)潤滑和功耗都處于十分不利的水平。但在基于溶液除霜和MVR 溶液再生技術(shù)的空氣源熱泵系統(tǒng)中，除霜溶液的濃度一般低于20%，此時(shí)系統(tǒng)因溶液沸點(diǎn)升高導(dǎo)致的壓縮機(jī)耗功較小，EER 可達(dá)23.6以上，SMER 高于35.1 kg/kWh，具有顯著的節(jié)能效果。

2.2.2 再生濃溶液溫度

為分析再生濃溶液溫度對MVR 再生性能的影響，計(jì)算分析了在除霜后稀溶液濃度10%、溶液再生濃度15%，傳熱溫差5 ℃，再生濃溶液溫度45～100 ℃時(shí)的性能，結(jié)果如圖7～圖9 所示。

圖7 壓縮比隨再生濃溶液溫度變化

圖8 不同再生濃溶液溫度下的BPE 及壓縮機(jī)飽和溫升

圖9 不同再生濃溶液溫度下的EER 和SMER

圖7 為壓縮比隨再生濃溶液溫度變化，由圖7 所示，隨溶液溫度升高，溶液表面蒸汽壓力升高，但因熱平衡，當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，冷凝側(cè)的溫度和壓力隨之升高，使壓縮比雖降低但降幅較小。壓縮比由溶液溫度為5 ℃時(shí)的1.45 下降至溶液溫度為100 ℃時(shí)的1.33。圖8 為BPE 和壓縮機(jī)飽和溫升隨溶液再生溫度變化圖。由圖8 可知，BPE 由溶液溫度為45 ℃時(shí)的2.29 ℃上升至溶液溫度為100 ℃時(shí)的3.13 ℃，壓縮機(jī)飽和溫升從7.29 ℃上升至8.13 ℃。雖然壓縮機(jī)飽和溫升增大，但壓縮比下降，在相同飽和溫升下，壓縮機(jī)入口工質(zhì)飽和溫度越高壓縮比越小，因此出現(xiàn)隨著再生濃溶液溫度升高，壓縮機(jī)飽和溫升增大，但壓縮機(jī)壓縮比減小的現(xiàn)象。雖然壓縮比降低，但是壓縮機(jī)吸氣溫度升高，其排氣溫度由溶液溫度為45 ℃時(shí)的84.7 ℃上升至溶液溫度為100 ℃時(shí)的135 ℃。壓縮機(jī)排氣溫度從51.8 ℃上升至78.5 ℃。圖9 為EER 和SMER 隨再生溫度變化圖。如圖9 所示，MVR 溶液再生系統(tǒng)的SMER 隨再生濃溶液溫度升高而增大，從溶液溫度為45 ℃時(shí)的41.0kg/kWh 升至溶液溫度為100 ℃時(shí)的43.23 kg/kWh，增幅為5.4%。EER 隨再生濃溶液溫度先增大后減小，在溶液溫度為70 ℃時(shí)達(dá)到最大值28.13。隨著再生溶液溫度升高，蒸發(fā)溫度升高，水蒸氣的潛熱減小，在相同蒸發(fā)量條件下，冷凝側(cè)放熱量減小。同時(shí)隨著蒸發(fā)溫度升高，壓縮比降低，壓縮機(jī)耗功減小，由此出現(xiàn)溶液再生系統(tǒng)SMER 隨再生濃溶液溫度升高而增大，而EER 隨再生濃溶液溫度先增大后減小，出現(xiàn)駝峰。

由此可知，再生溫度升高對提高M(jìn)VR 溶液再生系統(tǒng)的性能有積極影響，但影響較小?；谌芤撼蚆VR 溶液再生技術(shù)的空氣源熱泵系統(tǒng)中，溶液的噴淋后溫度在0 ℃左右，此時(shí)可利用再生的濃溶液和冷凝水對稀溶液預(yù)熱后輸運(yùn)至發(fā)生器再生，減小溫度過低對系統(tǒng)性能的影響。

3 總結(jié)

本文通過熱力計(jì)算研究MVR 溶液再生技術(shù)用于除霜溶液再生的可行性。分析了溶液再生濃度和蒸發(fā)溫度對MVR 溶液再生系統(tǒng)的影響。主要結(jié)論如下：

1）溶液再生濃度升高，MVR 溶液系統(tǒng)性能顯著下降。MVR 溶液再生技術(shù)適用于溶液再生濃度低的場景。

2）傳熱溫差一定時(shí)，提高再生濃溶液溫度有利于改善MVR 溶液再生系統(tǒng)的性能。

3）空氣源熱泵除霜溶液濃度較低，適于MVR 系統(tǒng)的使用，在除霜后稀溶液濃度為10%，再生濃溶液溫度為70 ℃，傳熱溫度為5 ℃，將稀溶液濃縮至濃度為15%時(shí)，系統(tǒng)能效比為28.1，SMER 高達(dá)42.4 kg/kWh，節(jié)能效果顯著。綜合可知，MVR 適用于空氣源熱泵除霜溶液的再生。