許榮華，韓東，陳俊杰

(1. 揚(yáng)州福爾喜果蔬汁機(jī)械有限公司，江蘇，揚(yáng)州，225105；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇，南京,210016)

引言

蘋(píng)果汁濃縮是蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域中常見(jiàn)的高耗能工藝，也是蘋(píng)果汁釀造過(guò)程中關(guān)鍵的工藝過(guò)程，開(kāi)發(fā)蘋(píng)果汁的低耗能濃縮技術(shù)是目前的重要研究方向之一[1-2]。與常規(guī)反滲透、多效蒸發(fā)等濃縮技術(shù)相比，熱泵蒸發(fā)濃縮能夠回收利用二次蒸汽顯熱，已成為一種應(yīng)用范圍廣、能耗低的潛力濃縮技術(shù)[3-5]。

機(jī)械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression，MVR)技術(shù)是目前常被用于蒸發(fā)濃縮的高效蒸發(fā)技術(shù)之一[6]。熱泵技術(shù)也常用于蒸發(fā)濃縮，目前研究者已提出多種熱泵蒸發(fā)濃縮方案[7-10]。Slesarenko[7]提出一種用于海水淡化的熱泵常壓低溫蒸發(fā)方案，在低溫產(chǎn)水的需求下優(yōu)勢(shì)突出。謝繼紅等[8]提出了一種通用的熱泵常壓低溫蒸發(fā)濃縮方案，通過(guò)吸濕氣體在蒸發(fā)器和冷凝器間強(qiáng)制循環(huán)，加速常壓低溫條件下稀溶液的蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)原料的濃縮。Tobias Reiners[10]研究了基于熱泵系統(tǒng)的第五代超低溫區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)30℃下的常規(guī)運(yùn)作。研究發(fā)現(xiàn)，在源出口溫度達(dá)到17℃時(shí)系統(tǒng)的最大COP 為10。綜上所述，研究者們已開(kāi)展熱泵蒸發(fā)濃縮的諸多研究，且主要集中在熱力學(xué)理論上的整體節(jié)能特性，而對(duì)于蘋(píng)果汁蒸發(fā)濃縮過(guò)程的熱敏性問(wèn)題很少涉及。

因此，針對(duì)蘋(píng)果汁濃縮加工，研究提出一套適用于蘋(píng)果汁加工的低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)方案。首先對(duì)該系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備蒸發(fā)器和冷凝器建立不同水平的計(jì)算模型，進(jìn)行熱力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能和綜合性能預(yù)測(cè)分析。其次，以MVR 蒸發(fā)濃縮方案為參比，對(duì)比分析低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)的整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。最后，分析操作溫度對(duì)噸水電耗、關(guān)鍵設(shè)備成本和綜合性能指標(biāo)等的熱敏性影響，來(lái)研究低溫蘋(píng)果汁熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能潛力。

1 低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)

1.1 低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)

鑒于MVR 系統(tǒng)中易出現(xiàn)漏油問(wèn)題，針對(duì)蘋(píng)果汁蒸發(fā)濃縮過(guò)程，研究提出圖1 所示的低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮方案。首先將原果汁經(jīng)泵送入工質(zhì)冷凝器，在冷凝器內(nèi)吸收熱泵循環(huán)有機(jī)工質(zhì)所釋放的熱量后，果汁蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)氣液分離器頂部管道送入工質(zhì)蒸發(fā)器，剩余未蒸發(fā)部分的濃果汁沉積在氣液分離器底部，并經(jīng)管道輸送至濃果汁罐。蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽在工質(zhì)蒸發(fā)器內(nèi)加熱液態(tài)有機(jī)工質(zhì)后冷凝成液態(tài)水，收集于冷凝液罐中，同時(shí)工質(zhì)蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)有機(jī)工質(zhì)吸熱后變成汽態(tài)有機(jī)工質(zhì)，隨后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓升溫后進(jìn)入工質(zhì)冷凝器作為熱源，加熱原果汁。圖2 為蘋(píng)果汁低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)圖。

圖1 蘋(píng)果汁低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮原理圖Fig.1 Schematic diagram of apple juice of heat hump evaporation concentration under low temperature

圖2 蘋(píng)果汁低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)圖Fig.2 Heat hump evaporation concentration system of apple juice under low temperature

2 方法描述

2.1 模型建立

通過(guò)Aspen plus 構(gòu)建系統(tǒng)分析流程，對(duì)熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備建立完整的分析模型。其中工質(zhì)蒸發(fā)器和工資冷凝器均采用板式換熱器，通過(guò)Aspen plus 計(jì)算平臺(tái)嵌入Exchanger Design and Rating 中的Hetran 換熱模型，建立流體熱物性和溫差影響的結(jié)構(gòu)尺寸模型。

2.2 性能指標(biāo)

熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)原料濃縮常伴隨著水蒸氣的蒸發(fā)，而且一般采用電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此噸水電耗ζ 在一定程度上能夠體現(xiàn)熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的熱力性能，其物理意義表示蒸發(fā)一噸水所消耗的電功，(kWh/t)。其計(jì)算表達(dá)式如下：

為了表示不同蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，研究提出利用關(guān)鍵成本C與噸水電耗ζ 的乘積作為衡量不同系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)，該指標(biāo)越高表示系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能越差。

在本文計(jì)算條件下，對(duì)于常規(guī)MVR 系統(tǒng)，其關(guān)鍵成本C主要包括冷凝蒸發(fā)器成本Ceva-con、壓縮機(jī)成本Ccom和輔助成本Caux，計(jì)算表達(dá)式如下：

對(duì)于低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)，其關(guān)鍵成本C主要包括蒸發(fā)器成本Ceva、冷凝器成本Ccon、壓縮機(jī)成本Ccom和輔助成本Caux，計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，Ccon或者Ceva的計(jì)算表達(dá)式如下[11]，元：

其中，n0為本地化因子，本文計(jì)算中取0.6。7.66 為歐元兌人民幣匯率，A為換熱器有效面積，m2。

對(duì)低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)成本Ccom，采用如下計(jì)算表達(dá)式[11]，萬(wàn)元：

其中，Vsu,exp為壓縮機(jī)入口氣體流量，m3/s。

而對(duì)MVR 系統(tǒng)的蒸汽壓縮機(jī)，其成本Ccom主要借鑒文獻(xiàn)[12]進(jìn)行計(jì)算，萬(wàn)元：

由于MVR 系統(tǒng)壓縮機(jī)成本不僅與壓比有關(guān)，而且還與入口氣體體積流量緊密相關(guān)，因此本文計(jì)算中選用下式計(jì)算：

其中，V為壓縮機(jī)入口氣體流量，m3/s，p2/p1為壓縮機(jī)壓比，根據(jù)實(shí)際調(diào)研得到的MVR 系統(tǒng)蒸汽壓縮機(jī)設(shè)備成本，擬合得到m為2.1，n為0.8。

3 結(jié)果及討論

3.1 計(jì)算條件

低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)模型的計(jì)算假設(shè)條件如下：管道壓力損失為0，蒸發(fā)器、冷凝器頂部與底部壓差不計(jì)，不考慮沉積液體高度的壓力差。由于果汁在蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)的負(fù)荷略有差別，計(jì)算中假設(shè)其負(fù)荷差恰為蒸發(fā)側(cè)散熱損失。設(shè)計(jì)計(jì)算中涉及的主要參數(shù)如下：換熱器兩側(cè)冷熱流體的對(duì)數(shù)平均換熱溫差為8℃；原料是質(zhì)量濃度為3%飽和果汁稀溶液，蒸發(fā)水的質(zhì)量流量為1kg/s；蒸汽壓縮機(jī)等熵效率為83%，各類(lèi)液體泵的等熵效率為72%。濃果汁質(zhì)量濃度為4%，冷凝水儲(chǔ)罐壓力為3.1kPa，濃果汁儲(chǔ)罐壓力為3.1kPa。

3.2 性能對(duì)比及分析

通過(guò)建模分析，首先對(duì)比本文所提出的熱泵果汁蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)與常規(guī)MVR 系統(tǒng)的性能。表1 為熱泵系統(tǒng)及MVR 系統(tǒng)的性能對(duì)比結(jié)果。從該表可知，由于加工的蘋(píng)果汁屬于熱敏性原料，考慮到其品質(zhì)對(duì)操作溫度的要求以及換熱器換熱特性對(duì)溫差的要求影響，與MVR 蒸發(fā)濃縮方案相比，熱泵蒸發(fā)濃縮方案為了保證各換熱器蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)的8℃溫差，這使得熱泵循環(huán)R22 的蒸發(fā)側(cè)與冷凝側(cè)的平均溫差較MVR 系統(tǒng)提高8℃，從而使得其噸水電耗提高約1.7 倍，可見(jiàn)熱泵蒸發(fā)濃縮方案較MVR 方案的熱力性能更差。

表1 熱泵系統(tǒng)及MVR 性能對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison results of the performance of the heat pump system and referenced MVR system

但如果對(duì)比以上兩種方案關(guān)鍵設(shè)備— 蒸汽壓縮機(jī)性能，可以看到熱泵蒸發(fā)濃縮方案由于采用了沸點(diǎn)較低的R22 有機(jī)工質(zhì)，在保證原料相同蒸發(fā)/冷凝溫度下，有機(jī)工質(zhì)密度遠(yuǎn)高于MVR 系統(tǒng)原料中蒸發(fā)的水蒸氣，而且由于蘋(píng)果汁溶液的操作溫度對(duì)應(yīng)的操作壓力僅為2.0kPa，這使得熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)體積流量遠(yuǎn)低于MVR 的，對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)備成本大幅降低。在本文計(jì)算條件下，熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)體積流量?jī)H為MVR 方案的0.7%，壓縮機(jī)成本僅為MVR 系統(tǒng)壓縮機(jī)的約3%。由此可見(jiàn)，在真空低溫操作條件下，采用熱泵方案較MVR 系統(tǒng)的壓縮機(jī)不僅結(jié)構(gòu)緊湊、而且成本低廉，更適合大規(guī)模工程應(yīng)用。

此外，對(duì)比以上兩個(gè)蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的換熱器面積和成本等性能指標(biāo)可知，由于熱敏性蘋(píng)果汁溶液濃縮工藝對(duì)應(yīng)的操作真空度高，換熱器兩側(cè)流體的對(duì)流換熱系數(shù)較小，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的換熱器面積均較大。其中MVR 系統(tǒng)由于采用結(jié)構(gòu)緊湊的冷凝蒸發(fā)器，其有效換熱面積和成本均較熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的換熱器(冷凝器和蒸發(fā)器)低。在本文計(jì)算條件下，MVR 系統(tǒng)冷凝蒸發(fā)器成本僅為熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)換熱器的65%。然而，從噸水電耗和壓縮機(jī)成本的綜合性能分析可知，低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)Ψ較MVR 系統(tǒng)約降低8%。這表明在本文計(jì)算條件下，提出的低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)具有明顯的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢(shì)。

3.3 熱敏性分析

蒸發(fā)濃縮工藝的操作溫度是影響熱敏性物料品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，操作溫度不僅會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)熱力性能，而且會(huì)影響換熱器、壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性能以及系統(tǒng)綜合性能。

操作溫度的提高首先會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的操作壓力，進(jìn)而影響系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)尺寸及其熱力性能。圖3 為系統(tǒng)中蒸汽壓縮機(jī)成本與操作溫度的關(guān)系。從該圖可知，隨著操作溫度的提高，兩個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)的操作壓力都提高，但由于蒸汽比容受壓力影響更大，對(duì)于MVR 系統(tǒng)壓縮機(jī)入口體積流量降低的更多，從而導(dǎo)致MVR 系統(tǒng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸顯著降低，而熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)成本主要受到有機(jī)工質(zhì)逆循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)流量影響，其降低幅度相對(duì)較弱。此外，由于熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)口氣體體積流量遠(yuǎn)低于MVR 系統(tǒng)，因此綜合效果使得熱泵蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)壓縮機(jī)設(shè)備成本遠(yuǎn)低于MVR 系統(tǒng)。

圖3 壓縮機(jī)成本與操作溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between compressor cost and operating temperature

圖4 為換熱器成本與操作溫度的關(guān)系。從該圖可知，與MVR 系統(tǒng)換熱器成本相比，由于熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)操作壓力隨著操作溫度的提高而顯著提高，其對(duì)應(yīng)換熱器兩側(cè)流體換熱系數(shù)升高，而且由于該系統(tǒng)包括兩個(gè)換熱器（蒸發(fā)器和冷凝器）從而使得換熱器總面積及設(shè)備成本明顯下降。在本文計(jì)算條件下，隨著操作溫度從15℃提高至45℃，熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)換熱器成本降低10.9 萬(wàn)元，較MVR 系統(tǒng)多降低3.8 萬(wàn)元。

圖4 換熱器成本與操作溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between heat exchanger cost and operating temperature

操作溫度的變化對(duì)系統(tǒng)的熱力性能的影響同樣顯著。圖5 為不同系統(tǒng)方案的噸水電耗ζ 與操作溫度的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在操作溫度為40℃時(shí)，蘋(píng)果汁低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)的噸水電耗最低為164.55kWh/t；隨著操作的溫度的降低，噸水電耗緩慢增加。熱泵系統(tǒng)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差僅為7.99%。在本文計(jì)算工況下，當(dāng)操作溫度從15℃增加到40℃時(shí)，MVR 系統(tǒng)因壓縮機(jī)進(jìn)口物料體積流量降低使得其壓縮功耗降低39kW，而熱泵系統(tǒng)僅降低21W，對(duì)應(yīng)熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的噸水電耗增加幅度也較小。因此表明，操作溫度提高有利于改善熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)熱力性能，而與MVR 系統(tǒng)相比，操作溫度的變化對(duì)熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)熱力性能影響較平緩。圖6 展示的是由福而星公司建立的低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)產(chǎn)出的樣品-濃縮蘋(píng)果汁。

圖5 噸水電耗ζ 與操作溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between thermal performance and operating temperature

圖6 產(chǎn)品-濃縮蘋(píng)果汁Fig.6 Product - concentrated apple juice

圖7 為兩個(gè)方案的綜合性能指標(biāo)ψ與操作溫度的關(guān)系。由圖中明顯發(fā)現(xiàn)，隨著操作溫度的提高，蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的飽和操作壓力不斷提高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能明顯改善，其綜合性能指標(biāo)ψ呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。在操作溫度為32℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)與MVR 系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)相當(dāng)。而隨著操作溫度的進(jìn)一步提高，MVR系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)急劇上升，而且明顯高于熱泵系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。綜上可知，熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)更適用于低溫蒸發(fā)濃縮過(guò)程，而且隨著操作溫度的降低，熱泵蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。

圖7 綜合性能指標(biāo)ψ 與操作溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between comprehensive index ψ and operating temperature

4 結(jié)論

針對(duì)蘋(píng)果汁等熱敏性物料，研究提出了一套適用于蘋(píng)果汁加工的低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮統(tǒng)方案，與常規(guī)MVR 低溫蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)方案對(duì)比，以蘋(píng)果汁蒸發(fā)濃縮過(guò)程為例，研究了該方案的整體熱力經(jīng)濟(jì)性能。主要結(jié)論如下：

1. 低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮系統(tǒng)可適用于熱敏性物料的蒸發(fā)

濃縮，可以克服以往高溫蒸發(fā)濃縮工藝影響原料品質(zhì)的缺點(diǎn)。而與MVR低溫蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)方案相比，更適用熱敏性性物料的低溫操作，對(duì)應(yīng)關(guān)鍵設(shè)備—壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉。

2. 在真空條件下，操作溫度提高有利于改善蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的熱力性能。與MVR系統(tǒng)相比，低溫?zé)岜孟到y(tǒng)在蘋(píng)果汁真空蒸發(fā)濃縮操作方面的熱力性能較差，操作溫度的變化對(duì)該方案的熱力性能影響不大，在操作溫度為40℃時(shí)，其噸水電耗最低為164.55kWh/t。

3. 針對(duì)本文算例—熱敏性蘋(píng)果汁溶液蒸發(fā)濃縮過(guò)程，不同操作溫度適合采用不同蒸發(fā)濃縮方案。當(dāng)操作溫度高于32℃時(shí)，MVR系統(tǒng)的綜合性能更好；當(dāng)操作溫度低于32℃時(shí)，采用熱泵系統(tǒng)的綜合性能優(yōu)勢(shì)顯著。