李若晗，姬爱民

基于热泵循环的水蒸发浓缩系统研究

李若晗，姬爱民*

（华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063200）

介绍了一种使用R1234yf工质的热泵蒸发浓缩系统，它可以在低温低压下将盐溶液中的水蒸发出来，并且将二次蒸汽全部利用，达到节能的目的，从而提高热泵蒸发浓缩系统的经济性能。给出了系统流程图，阐述了此系统的工作原理，并且讨论了蒸发温度、冷凝器出口温度等因素对此热泵蒸发浓缩系统中系统能耗的影响。

热泵；蒸发浓缩；节能减排；水处理

能源是人类生存的基础，进入21世纪，人类活动逐渐多样性，能源消耗也越来越快，节约能源成为当务之急[1-2]，这对节能技术提出了更高的要求。与此同时，绝大部分化工企业的有机污水不符合国家排放标准，其中高盐废水处理在污水处理中有重要地位, 是废水处理研究的重点和难点[3]，最常用的办法就是直接加水稀释污水，使污水达到排放标准，这造成排污量的大幅增加，与节能减排的原则相违背[3]。如果这些污水经过蒸发浓缩后，可以从污水中提取出来符合排放标准的蒸馏水，剩下的浓缩物再排放到污水处理厂进行处理可以大大减少化工企业的污水处理成本。热泵蒸发与多效蒸发是提高蒸发浓缩操作能量利用经济性的两条最主要的途径[4]。多效蒸发器的经济性在于节省加热蒸汽，但是有限度的[5]，而且不能实现对二次蒸汽的全部利用。谢继红[6]等使用常压低温热泵蒸发浓缩装置，实现了对热敏性料液的蒸发浓缩，并计算了变工况下的吨水能耗比，得出了料液能耗比随料液温度的变化规律。SLESARENKO[7]在海水淡化中使用了间接式低温热泵蒸发系统。张慧晨[8]等使用热泵为驱动热源来蒸发浓缩油水混合物，得出了浓缩处理量随废液循环量、空气流量的变化规律，并核算出了热力能效。卢迅[9]等使用分级低温蒸发浓缩系统，防止了“碱脆”及蒸发停止的危害，实现了在节能的情况下对碱液的蒸发浓缩。为了进一步实现热泵蒸发浓缩系统的节能效果，本文给出了一种基于热泵循环的环保、节能的蒸发浓缩系统，可以实现在低温低压下蒸发浓缩，并最大限度地将二次蒸汽再利用，从而降低了系统耗电量，达到了节能减排的效果，为化工企业解决污水处理问题提供了思路。

1 热泵蒸发浓缩系统原理介绍

热泵蒸发浓缩系统中包括制冷剂循环系统和水系统，如图1所示。

在制冷剂循环系统中，制冷剂在1压缩机中经过一个压缩过程被压缩成高温高压的过热气体，然后进入2冷凝器定压冷凝放热，为5反应釜提供热量，之后在3电子膨胀阀经过一个绝热节流过程成为低温低压的液体，最后在蒸发器内定压蒸发吸热，随之回到压缩机，形成一个循环。在水系统中，原液在5反应釜中被2冷凝器放出的热量加热，当达到泡点温度且继续加热时就会蒸出水蒸气，6真空泵为5反应釜在最初提供一个负压环境，以降低釜中溶液的泡点温度，待系统稳定后将用于及时地将釜中新生成的水蒸气抽走，以维持釜中负压环境，被抽走的水蒸气一部分作为制冷循环的低温热源用于抵消制冷循环中产生的冷量，同时液化为一定温度的蒸馏水。另一部分水蒸气在经过7换热器换热后成为一定温度的蒸馏水，这部分的热量用于加热下一轮的原液，所有蒸馏水随后收集到8容器中。其中黑色线表示热泵系统中工质的流动方向，红色线表示水系统中水的流动方向。

2 热泵蒸发浓缩系统热力学计算

R1234yf，化学名2,3,3,3-四氟丙烯，分子式为C3H2F4，ODP为0，GWP为4，是中低温制冷剂。本系统制冷剂的压焓图如图2所示。

图2 热泵系统的压焓示意图

待系统稳定运行后，各个部分参数计算如下。

2.1 系统效率

将此系统耗能定义为每制取1 kg蒸馏水的耗电量，由于在系统稳定后真空泵只用于抽取反应釜中新生成的水蒸气，因此功率很小，这部分电量忽略不计，即只计算这个时间段内压缩机耗电量：

=0/。 （1）

式中：—系统耗能，kW·h·kg-1；

—从原液中蒸发出水的质量，kg；

0为压缩机的输出功率，W；

—蒸出1 kg蒸馏水的时间，h。

2.2 余热量计算

假设蒸发器的热效率为0.95，且经过7换热器和4蒸发器换热后馏出液的温度均0，则：

（-余）×0.95=E。 （2）

式中：—1 kg水蒸气中的热量，W，即系统所需热负荷；

余—余热量，W；

E—制冷循环中蒸发器的制冷量，W。

2.3 系统所需热负荷

将1 kg的原水在5 min内从初温0加热到泡点温度1，此部分热负荷设为1。此后这部分原水继续吸热，并要求其在30 min内全部蒸发为水蒸气，此部分热负荷设为2，整个过程均在压力为k的反应釜中进行。

C·（1-0）=60×5×1； （3）

2=0； （4）

=1+2-余。 （5）

式中：C—在k压力下水的定压比热，kJ·(kg·℃)-1；

0—在k压力下水的汽化潜热，kJ·kg-1；

1—在k压力下水的泡点温度，℃；

以上参数均可以在相应的物性参数表中查得；

—每秒反应釜中产生水蒸气的质量，g。

2.4 实际所需冷凝器制热量

假设冷凝器的热效率为0.9，则：

0.9·A=。 （6）

式中：—系统热负荷，W；

A—实际所需制热量，W。

2.5 工质质量流量

A=（2-3）。 （7）

式中：—循环工质的质量流量，g·s-1；

A—制冷循环中冷凝器的制热量，W；

2—冷凝器进口制冷剂的焓值，kJ·kg-1；

3—冷凝器出口制冷剂的焓值，kJ·kg-1。

2.6 蒸发器制冷量

制冷循环蒸发器的制冷量：

E=（1-4）。 （8）

式中：—循环工质的质量流量，g·s-1；

E—制冷循环蒸发器的制冷量，W；

1—蒸发器出口制冷剂的焓值，kJ·kg-1；

4—蒸发器进口制冷剂的焓值，kJ·kg-1。

2.7 压缩机功率

假设压缩机的绝热效率1为0.9，机械效率2为0.9，则压缩机的功率为：

0·1·2=（2-1）。 （9）

式中：—循环工质的质量流量，g·s-1；

0—压缩机的输出功率，W；

2—压缩机绝热等熵压缩过程出口制冷剂的焓值，kJ·kg-1；

1—压缩机绝热等熵压缩过程进口制冷剂的焓值，kJ·kg-1。

3 影响热泵蒸发浓缩系统性能的因素

3.1 蒸发温度对热泵蒸发浓缩系统性能的影响

当系统稳定运行后，设置冷凝器出口温度为45 ℃，过热温度为5 ℃，排气压力为2.5 MPa，釜中压力为7.4 kPa，此时水的沸点为40 ℃。由图3可以看出，当蒸发温度在-15~15 ℃范围内，随着蒸发温度的增加，循环系统的系统耗能呈下降的趋势。蒸发温度越高，系统的耗电量越低，所以合理的选择蒸发器，控制蒸发器进出口温度，有利于系统效率的提高，从而节省能量。

图3 系统耗能随蒸发温度的变化规律

3.2 冷凝温度对热泵蒸发浓缩系统性能的影响

当系统稳定运行后，设置蒸发温度为5 ℃，过热温度为5 ℃，排气压力为2.5 MPa，釜中压力为7.4 kPa，此时水的沸点为40 ℃。图4给出了冷凝器出口温度对热泵蒸发浓缩系统耗电量的影响。

图4 系统耗能随冷凝温度的变化规律

当冷凝温度在45~55 ℃范围内，随着冷凝温度的增加，此循环的系统耗能呈上升的趋势，说明冷凝温度升高对系统节能不利，热泵系统冷凝温度的提高是一个不利的因素，冷凝温度越高，系统耗电越高。

4 结束语

针对于国内现有的蒸发浓缩技术节能效果和技术不成熟等问题，设计出了一套使用R1234yf工质的基于热泵循环的蒸发浓缩系统，该系统实现了在低温低压下将溶液中的水蒸发出来，最大限度的将二次蒸汽再利用，稳定运行时温度低，而且仅须要消耗极少的电能就可以使其运转，环保节能。还给出了影响热泵蒸发浓缩系统性能的因素及系统耗能随这些因素变化的规律，当蒸发温度在-15~15 ℃之间时，系统耗能随蒸发温度的升高而降低；当冷凝温度在45~55 ℃之间时，系统能耗随冷凝温度的升高而升高。

［1］刘娟, 于庆东. 面向可持续发展的战略环境评价研究[J]. 环境科学与技术，2006，29（5）：69-71.

［2］陈砺. 能源概论[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

［3］杨静，金晓莉，郑甜甜.高盐废水生物处理研究现状及进展[J].辽宁化工，2013，42（1）：18-22.

［4］王宝江，李彦兴，姚兰，等．清水配制污水稀释聚合物溶液试验研究[J]．大庆石油地质与开发，2001，20（2）：86-88．

［5］秦人伟.节能热泵技术在浓缩果蔬汁生产中的应用[J].饮料工业，2012，15（12）：31-33.

［6］谢继红，周红，陈东. 新型常压低温热泵蒸发浓缩装置 [J]. 轻工机械，2008，26（1）：25-28.

［7］SLESARENKO V V. Heat pumps as a source of heat energy for desalination of seawater[J]., 2001, 139(1): 405-410.

［8］张慧晨，柳建华，徐小进，等.热泵驱动小型废液浓缩处理装置研制[J].实验技术与管理，2018，35（5）：98-101.

［9］卢迅，杜垲，张友超.分级低温蒸发浓缩碱液热泵系统的构建与模拟分析[J].制冷技术，2017，37（4）：11-17.

Research on Water Evaporation and Concentration System Based on Heat Pump Cycle

LI Ruo-han, JI Ai-min

（North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063200, China）

A heat pump evaporative concentration system using R1234yf working medium was introduced. It can evaporate water from a saline solution at low temperatures and low pressure, and all the secondary steam can be usedto achieve the purpose of energy saving so as to improve the economic performance of the heat pump evaporation and concentration system.The flow chart of the system was given,the working principle of the system was described,the effect of evaporation temperatureand condenser outlet temperature on the energy consumption of the evaporative concentration system was discussed.

Heat pump; Evaporation concentration; Energy conservation and emission reduction; Water treatment

2020-08-25

李若晗（1996-），男，河北省邢台市人，硕士研究生。

姬爱民，副教授，硕士生导师，研究方向：生物质能源。

TQ051.5

A

1004-0935（2021）01-0089-03