双效低温碱液蒸发浓缩热泵系统的构建与理论分析

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化业生产过程(如印染、造纸等)常有废液产生,而这些废液中往往含有浓度较低的Na OH溶液,若将其直接排放到外界环境中,不仅污染了水体和土地,还浪费了碱原料,这与节能环保理念相违背。因此,将工业废液高效浓缩再生,获得较高浓度的Na OH溶液,并加以利用非常有必要的。热泵具有较高的能效比,在工业生产中有广泛的应用,若将热泵循环应用于碱液蒸发系统,将会达到较好的节能效果。国内外学者对基于热泵循环的碱液蒸发系统做了相关分析研究,但没有从碱液蒸发压力变化的角度,来研究低温碱液蒸发热泵系统性能的变化。,本文基于单效低温碱液蒸发热泵系统,构建了新型的双效低温碱液蒸发热泵系统,并对这两种低温碱液蒸发热泵系统进行了理论分析与模拟研究。单效低温碱液蒸发热泵系统将热泵循环与碱液蒸发过程相结合,利用制冷剂的冷凝放热加热蒸发碱液,同时碱液蒸发过程中产生的二次蒸汽被制冷剂蒸发吸热而冷凝。然而,在单效低温碱液蒸发热泵系统的实际运行过程中我们发现:系统热泵循环所需压缩机的压比较小,现有的空调制冷压缩机与单效低温碱液蒸发热泵系统不匹配;系统碱液蒸发过程产生的二次蒸汽直接被制冷剂蒸发吸热而冷凝,其热能没有得到充分利用,系统的节能效果尚有进一步提升空间。双效碱液蒸发技术是将一效碱液蒸发过程产生的二次蒸汽温度提升,来加热蒸发二效碱液蒸发过程中的碱液,如果将该技术应用于单效低温碱液蒸发热泵系统,则二次蒸汽冷凝温度的升高使得热泵循环制冷剂压缩机排气压力提升,从而增加了压缩机的压比,使空调制冷压缩机能与碱液蒸发热泵系统循环相匹配,同时也提高了碱液蒸发系统热能的回收利用率,系统节能效果得到了提升。本文从该思路出发,针对单效低温碱液蒸发热泵系统实际运行过程中出现的问题,构建了一种双效低温碱液蒸发热泵系统,以提升系统的热泵循环压缩机压比及系统的节能效果。本文所建立的双效碱液蒸发系统的初始条件为:稀碱液质量浓度x为5%,质量流量F为2t/h。浓缩目标为:质量浓度x为25%的浓碱液。在建立单效、双效低温碱液蒸发热泵系统物理模型的基础上,通过系统的热力学计算,建立单效、双效低温碱液蒸发热泵系统的数学模型。通过EES软件,模拟碱液蒸发压力p1、p2的变化对双效低温碱液蒸发系统性能的影响,并将其与单效低温碱液蒸发热泵系统做比较。通过研究得出,在相同的碱液处理条件下,该双效低温碱液蒸发热泵系统与单效低温碱液蒸发热泵系统相比,前者的热泵循环制冷剂压缩机压比为2.174,高于后者的热泵循环制冷剂压缩机压比(1.79~1.86)。同时,前者单位能耗蒸发量SMER为10.98 kg/k W·h,高于后者的单位能耗蒸发量SMER(7.15kg/k W·h)。所以双效低温碱液蒸发热泵系统要优于单效低温碱液蒸发热泵系统。另外,本文以碱液蒸发压力p1、p2为决策变量,通过构建以单位能耗蒸发量SMER为目标函数的系统优化问题,得出在一效碱液蒸发压力p1为4.7k Pa,二效碱液蒸发压力p2为3.3k Pa时,双效低温碱液蒸发热泵系统单位能耗蒸发量SMER取得最大值,为11.47kg/k W·h。最终根据碱液蒸发过程的特性与双效系统的模拟结果,设计出一套双效低温碱液蒸发热泵系统的控制方案,以保证双效低温碱液蒸发热泵系统实际运行过程中的安全性与高效性。
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