復疊式熱功轉換制熱系統的性能分析

姚麗平 趙敬德 周亞素 姚洪謙 胡金良

1 東華大學環境科學與工程學院

2 威海雙信節能環保設備有限公司

0 引言

印染行業是典型的高能耗、高水耗、高污染的三高行業。印染企業的部分工序如退漿、水洗、漂白、染色、干燥等需采用蒸汽作為熱源，同時需要大量的自來水進行清洗，印染企業在大規模消耗能源與水資源的情況下，隨之產生了大量難以處理的高溫印染廢水，若直接排放掉，不僅造成熱量的浪費，而且也會使環境熱污染效應加劇。因此，在印染廠進行廢水余熱回收是一項非常必要的工作，不僅可以提高能量利用率，還能起到保護環境的作用[1]。

對于印染廢水的余熱回收方式，目前國內外的余熱回收方式主要有換熱器余熱回收，熱泵機組余熱回收以及一級換熱器加熱泵機組余熱回收方式，但是對于換熱器余熱回收：換熱不夠徹底，使得制取的清水溫度無法超過本身廢熱水的溫度。對于熱泵機組余熱回收：廢水不經預熱直接進入熱泵，制取高溫的熱水所需要的熱泵功耗較大，且廢水直接進入熱泵蒸發器，會對蒸發器造成腐蝕。對于一級換熱器加熱泵機組的余熱回收方式：只經過一次預熱使得換熱溫差較大，無法達到熱泵機組的最佳工況點[2-3]。因此本文在前人研究的基礎上，并且結合實地調研的印染測試數據，提出一種復疊式熱功轉換制熱系統進行余熱回收，通過搭建實驗平臺來研究分析不同的運行工況對系統性能的影響。

1 實驗系統與分析

1.1 實驗系統

復疊式熱功轉換制熱系統的實驗裝置系統如圖1所示，工作過程如下：復疊式熱功轉換制熱系統即兩級預熱式熱泵換熱系統，是由兩級換熱器加熱泵機組組成，采用梯級換熱模式（采用兩級換熱器對清水先進行預熱，再進入熱泵機組進行溫度提升），廢熱水先經過一效換熱器，與清水進行一次換熱，溫度下降，然后再經過二效換熱器進行二次換熱，溫度再次下降，最后進入熱泵機組進行換熱，得到溫度較低的廢水。清水（冷水）先經過二效換熱器，與經過一效換熱器換熱之后的廢水進行換熱，溫度升高，再進入一效換熱器進行換熱，溫度再次升高，最后進入熱泵機組進行換熱，得到溫度較高并且符合工藝需求的熱水。

在本實驗系統內，需要使用到的參數測量儀器規格如表1 所示。

表1 測點位置以及測試儀器

1.2 實驗評價指標

復疊式熱功轉換制熱系統是通過消耗一定量的電能將印染廢水中的低品位能源提取出來，因此該系統對于能量消耗的多少，是一個非常重要的技術和經濟指標。目前，比較復疊式熱功轉換制熱系統的能量效率，通常采用該系統的性能系數即系統能效比COP作為其評價的依據和標準，系統能效比COP 是能源轉換效率之比，能效比越大，代表系統的節能效率越好，在穩態下，復疊式熱功轉換制熱系統的能效比COP 的計算基本方程如下：

式中：COP-系統能效比；Qqx-系統制熱量，W；W-系統耗電量，W；mq-清水側冷水流量，m3/h；C-清水側冷水比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)；tqi1-清水側進口溫度，℃；tqo3-清水側出口溫度，℃。

2 結果對比分析

2.1 廢水側進口溫度對系統的影響

在復疊式熱功轉換制熱系統的實驗穩定運行的過程中，保持清水側進口溫度維持在20 ℃，清水側進口流量維持在10 m3/h 以及廢水側進口流量維持在15 m3/h 不變，隨著廢水側進口的溫度從40 ℃變化到70 ℃，復疊式熱功轉換制熱系統的性能會產生較為明顯的變化，其變化關系曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 系統制熱量、耗電量隨廢水側進口溫度變化關系

圖3 系統能效比COP 隨廢水側進口溫度變化關系

由圖2、圖3 可知，隨著廢水側進口溫度的增加，系統制熱量先增加后減小。當廢水側進口溫度在66 ℃左右時，系統制熱量達到最大。而系統耗電量則是一直增加，但是其增加速率先是較為平緩，且系統制熱量的增加趨勢大于耗電量的增加趨勢，而當廢水側進口溫度在66 ℃左右時，系統耗電量的增加速率變得較為急劇。因此由系統能效比COP 的計算公式（1）可知，系統能效比COP 隨著廢水側進口溫度的增加先增大后減小，當廢水側進口溫度在66 ℃左右時，系統能效比COP 可以達到11.9。

隨著廢水側進口溫度的升高，則蒸發溫度與蒸發壓力也會隨之增高，冷凝壓力幾乎不變，則壓縮機吸排氣壓比會增大，而制冷劑流量就會因為壓縮機吸排氣壓比的增大而增大，由于制冷劑流量的變大，且此時過熱度沒有達到0 K，系統制熱量亦隨之增大。隨著廢水側溫度增加到一定值時，此時過熱度達到0 K，制熱量達到最大。當再繼續增加溫度時，壓縮機吸氣口制冷劑無過熱度后，壓縮機開始吸氣帶液，冷凝器換熱焓差減小，制冷劑流量下降，制熱量減小，則取熱量也會下降，而且同時，系統耗功（主要為壓縮機耗功）隨壓縮機吸排氣壓比的增大而增大，但是系統制熱量升高的趨勢大于系統耗電量升高的趨勢，所以系統COP隨之增加。由于吸氣帶液增大了壓縮機膨脹比體積，降低了容積效率和等熵壓縮效率，因此耗電量增加的速率加快，系統能效比COP 開始下降。

2.2 清水側進口溫度對系統的影響

在復疊式熱功轉換制熱系統的實驗穩定運行的過程中，保持廢水側進口溫度維持在60 ℃，廢水側進口流量維持在15 m3/h 以及清水側進口流量維持在10 m3/h 不變，隨著清水側進口溫度從20 ℃變化到25 ℃，復疊式熱功轉換制熱系統的性能會產生較為明顯的變化，其變化曲線圖關系如圖4、圖5 所示。

圖4 系統制熱量、耗電量隨清水側進口溫度變化關系

圖5 系統能效比COP 隨清水側進口溫度變化關系

由圖4、圖5 可知，隨著清水側進口溫度從20 ℃增加到25 ℃左右時，系統制熱量一直減小，系統耗電量一直減小，當清水側進口溫度在20 ℃時，系統制熱量，取熱量以及耗電量達到最大。因此由系統能效比COP 的計算公式（1）可知，系統能效比COP 隨著清水側進口溫度的增加先增大后減小。當清水側進口溫度在20 ℃時，系統能效比COP 可以達到11.3。

隨著清水側進口溫度的升高，則會導致系統接近穩定狀態運行時，冷凝壓力也會隨之增高，蒸發壓力幾乎不變，則壓縮機吸排氣壓比會減小，而制冷劑流量就會因為壓縮機吸排氣壓比的減小而減小。因為制冷劑流量的減小，所以制熱量減小，同時，系統耗功（主要為壓縮機耗功）隨壓縮機吸排氣壓比的減小而減小，但是系統制熱量降低的趨勢小于系統耗電量降低的趨勢，系統能效比COP 開始下降。

2.3 廢水側進口流量對系統的影響

在復疊式熱功轉換制熱系統的實驗穩定運行的過程中，保持清水側進口溫度維持在20 ℃，清水側進口流量維持在10 m3/h 以及廢水側進口溫度維持在60 ℃不變。隨著廢水側進口流量從10 m3/h 變化到20 m3/h，復疊式熱功轉換制熱系統的性能會產生較為明顯的變化，其變化曲線圖關系如圖6、圖7 所示。

圖6 系統制熱量、耗電量隨廢水側進口流量變化關系

圖7 系統能效比COP 隨廢水側進口流量變化關系

由圖6、圖7 可知，隨著廢水側進口流量的增加，系統制熱量先增加后減小。當廢水側進口流量增加到在17 m3/h 左右時，系統制熱量與取熱量最大。而系統耗電量則是隨著廢水側進口流量的增加一直增加，但是耗電量的增加速率先是較為平緩，且系統制熱量的增加趨勢大于系統耗電量的增加趨勢。當廢水側進口流量在17 m3/h 左右時，系統耗電量的增加速率變得較為急劇。由系統能效比COP 的計算公式可知，系統能效比COP 隨著廢水側進口溫度的增加先增大后減小。當廢水側進口流量在17 m3/h 左右時，系統能效比COP 可以達到11.88。

隨著廢水側進口流量的升高，則會導致系統接近穩定狀態運行時，蒸發壓力也會隨之增高，冷凝壓力幾乎不變，則壓縮機吸排氣壓比會增大。而制冷劑流量就會因為壓縮機吸排氣壓比的增大而增大，由于制冷劑流量的變大，且此時過熱度沒有達到0 K，系統制熱量亦隨之增大。隨著廢水側進口流量增加到一定值時，此時過熱度達到0 K，制熱量達到最大。當再繼續增加流量時，壓縮機吸氣口制冷劑無過熱度后，壓縮機開始吸氣帶液，冷凝器換熱焓差減小，制冷劑流量下降，制熱量減小，則取熱量也會下降，而且同時，系統耗功（主要為壓縮機耗功）隨壓縮機吸排氣壓比的增大而增大，但是系統制熱量升高的趨勢大于系統耗電量升高的趨勢，所以系統COP 隨之增加，由于吸氣帶液增大了壓縮機膨脹比體積，降低了容積效率和等熵壓縮效率，因此耗電量增加的速率加快，系統能效比COP 開始下降。

2.4 清水側進口流量對系統的影響

在復疊式熱功轉換制熱系統的實驗穩定運行的過程中，保持廢水側進口溫度維持在60 ℃，廢水側進口流量維持在15 m3/h 以及清水側進口溫度維持在20 ℃不變。隨著清水側進口流量從10 m3/h 變化到20 m3/h，復疊式熱功轉換制熱系統的性能會產生較為明顯的變化，其變化關系曲線圖如圖8、圖9 所示。

圖8 系統制熱量、耗電量隨清水側進口流量變化關系

圖9 系統能效比COP 隨清水側進口流量變化關系

由圖8、圖9 可知，隨著清水側進口流量從10 m3/h增加到20 m3/h，左右時，系統制熱量一直減小，系統耗電量也是一直減小。當清水側進口流量在10 m3/h 左右時，系統制熱量以及耗電量在流量范圍之內最大。由系統能效比COP 的計算公式可知，系統能效比COP 隨著清水側進口溫度的增加而減小，當清水側進口流量在10 m3/h 左右時，系統能效比COP 為11.25。

隨著清水側進口流量的升高，則會導致系統接近穩定狀態運行時，冷凝壓力也會隨之增高，蒸發壓力幾乎不變，所以壓縮機吸排氣壓比會減小。而制冷劑流量會因為壓縮機吸排氣壓比的減小而減小。因為制冷劑流量的減小，所以制熱量減小，同時系統耗功（主要為壓縮機耗功）隨壓縮機吸排氣壓比的減小而減小。由于系統制熱量下降的速率小于系統耗電量下降的速率，因此系統能效比COP 也呈現減小的趨勢。

3 結論

通過搭建實驗系統，對不同的運行工況對系統性能的影響進行實驗研究以及分析，得到如下結論：

1）在系統允許的運行工況范圍之內，隨廢水側進口溫度升高，系統制熱量先增加后減小，系統耗電量一直增加，并且其增加速率先平緩后急劇，且制熱量增加速率大于耗電量增加速率，因而系統能效比COP先增加后減小。當廢水側進口溫度為66 ℃時，系統性能達到最優化。

2）隨清水側進口溫度的升高，系統制熱量，耗電量以及系統能效比COP 都呈現減小的趨勢。當清水側進口溫度為20 ℃時，系統性能達到最優化。

3）隨廢水側進口流量升高，系統制熱量先增加后減小，系統耗電量一直增加，并且其增加速率先平緩后急劇，且制熱量增加速率大于耗電量增加速率，因而系統能效比COP 先增加后減小。當廢水側進口溫度為17 m3/h 時，系統性能達到最優化。

4）隨清水側進口流量的升高，系統總制熱量，耗電量以及系統能效比COP 都呈現減小的趨勢。當清水側進口溫度為10 m3/h 時，系統性能達到最優化。