除霜溶液MVR 再生技術的可行性研究

賀宇 余延順 劉青青

南京理工大學能源與動力工程學院

0 引言

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

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傳熱傳質。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空氣的風機耗能，系統功耗高。

針對現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，本文提出機械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression，MVR）溶液再生技術，以充分回收蒸發水分的潛熱[9-11]，降低溶液熱力再生過程的能耗。溶液在除霜時其凝固點需高于翅片表面溫度，同時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，其沸點溫升越低再生性能越好。目前無霜熱泵領域主要采用溴化鋰，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溫升較甲酸鉀高[15-17]，同時甲酸鉀腐蝕性為低，價格較低，故選擇甲酸鉀作為除霜溶液。

基于此，本文擬構建基于溶液除霜和MVR 溶液再生技術的空氣源熱泵系統，通過MVR 熱力過程的計算與分析，研究MVR 溶液再生機理及特性，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溶液再生提供一種節能的解決方案。

1 MVR 溶液再生技術及系統

1.1 MVR 溶液再生技術原理

MVR 溶液再生技術原理如圖1 所示。除霜后的稀溶液經再生溶液及冷凝水預熱后進入發生器，在發生器內被壓縮機排氣加熱后產生閃發水蒸汽，閃發蒸汽經壓縮機壓縮后進入發生器換熱器對溶液加熱并冷凝為液態水，凝結水經熱回收后最終排放，由此實現發生器內溶液的濃縮再生。MVR 濃縮再生過程即通過消耗少量高品位能，回收低品位閃發蒸汽的潛熱能實現對稀溶液加熱再生，具有顯著的節能效果。

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

基于MVR 溶液再生原理，構建如圖2 所示基于溶液除霜和MVR 溶液再生技術的空氣源熱泵系統流程。熱泵機組制熱運行時，當室外換熱器表面結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勢差作用下，霜層融于溶液，實現除霜。除霜后溶液濃度降低，通過積液盤收集于儲液桶2 中。當儲液桶2 液面到達設定高度后，開啟閥門V2，除霜后稀溶液經預熱后輸送至MVR 再生系統進行再生，再生后的濃溶液返回儲液罐1。在進入除霜模式時，閥門V1 開啟，儲液罐1 中濃溶液噴淋至換熱器表面實現除霜。由此構成溶液除霜與MVR 溶液再生的循環進行。

圖2 MVR 再生型溶液除霜空氣源熱泵機組原理

2 MVR 溶液再生技術的可行性分析

2.1 MVR 溶液再生過程熱力計算

為簡化MVR 溶液再生過程的熱力計算，對MVR再生過程作如下簡化處理：

1）系統在穩定條件下運行；

2）忽略發生器，預熱器和管路的能量損失；

3）發生器出口濃溶液為飽和狀態；

4）發生器蒸發側蒸發蒸汽為飽和狀態；

5）發生器換熱器出口凝結水為飽和態。

基于上述簡化，結合圖1 進行MVR 溶液再生過程的熱力計算。設定發生器入口稀溶液溫度為T1、濃度為X1，發生器出口處濃溶液溫度為T4，濃度為X4（即溶液再生濃度）以及發生器換熱兩側溶液溫度與蒸汽冷凝溫度差為ΔT。溶液再生濃度定義為發生器出口濃溶液濃度X4。

對溶液質量守恒：

對溶質質量守恒：

發生器內的蒸發側和冷凝側換熱量相等。蒸發側得熱量包括溶液溫度升高顯熱量和水分蒸發潛熱量。冷凝側的放熱量包括過熱段和凝結段放熱。其能量平衡方程為：

預熱器1 換熱量為：

預熱器2 換熱量為：

式中：Mf、Mb分別為稀溶液、濃溶液的質量流量，kg/s；Md為蒸發量，kg/s；Cp為各點的比熱容，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對應的飽和蒸汽壓力，閃蒸出飽和蒸汽溫度T2為P2對應水蒸氣飽和溫度，即：

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

閃蒸的飽和蒸汽經壓縮過程變為過熱排氣狀態3，經換熱管換熱后冷凝為飽和液態5。排氣壓力P3為冷凝溫度T5對應的飽和壓力。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。

壓縮機單位壓縮功為[18]：

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

壓縮機功耗為：

MVR 溶液再生能耗評價包括：單位能耗蒸發量SMER 和系統能效比EER。

在MVR 溶液再生過程中，再生過程能耗為壓縮機功耗，故MVR 溶液再生系統單位能耗蒸發量SMER 為：

式中：SMER 為單位能耗蒸發量，kg/kWh；Md為蒸發速率，kg/s；Wcomp為壓縮機功耗，kW；Wp為系統中泵與其他設備的功耗，kW。

再生系統效用熱量包括：預熱器1 和預熱器2 回收的熱量。發生器蒸發側吸收的熱量。故溶液再生系統的能效比：

其中，泵的功耗Wp=(MfΔP)/ρηp，kW。

熱力計算流程如圖3 所示。

圖3 MVR 溶液再生系統性能計算流程

2.2 MVR 溶液再生系統熱力性能

溶液濃度升高導致溶液BPE 增大，并影響MVR系統冷凝側與蒸發側壓力及壓縮機功耗，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溫度對系統性能的影響。

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，計算了溶液再生溫度60 ℃、傳熱溫差5 ℃，除霜后稀溶液濃度10%時，溶液再生質量濃度為12%～30%的性能，結果如圖4～圖6 所示。

圖4 壓縮比隨溶液質量濃度變化

圖5 不同再生濃度下的BPE 和壓縮機飽和溫升

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、冷凝側壓力升高，壓縮機壓比由12%濃度時的1.37 增大至濃度為30%時的1.85。圖5 為BPE 和壓縮機飽和溫升隨溶液質量濃度變化，由圖5 可見，隨著溶液再生濃度升高，因溶液沸點升高、表面水蒸氣壓力對應的飽和溫度下降，溶液的BPE 從1.84 ℃上升至8.75 ℃，壓縮機飽和溫升從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、壓縮機吸氣過熱度升高影響，MVR 溶液再生系統的能效比EER 隨再生濃度的升高近似線性降低，系統能效比由12%濃度時的30.9 降至30%濃度時的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 溶液再生系統性能削減很大，再生濃度升高，即溶液濃縮倍數增大，溶液的沸點溫升BPE 增大，壓縮機飽和溫升增大，導致壓縮機功耗增加，從而使得系統的SMER 與EER 降低。在再生濃度超過28%時，排氣溫度超過130 ℃，壓縮機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 溶液再生技術的空氣源熱泵系統中，除霜溶液的濃度一般低于20%，此時系統因溶液沸點升高導致的壓縮機耗功較小，EER 可達23.6以上，SMER 高于35.1 kg/kWh，具有顯著的節能效果。

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 ℃時的性能，結果如圖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，當蒸發溫度升高時，冷凝側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 ℃時的1.45 下降至溶液溫度為100 ℃時的1.33。圖8 為BPE 和壓縮機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 ℃時的2.29 ℃上升至溶液溫度為100 ℃時的3.13 ℃，壓縮機飽和溫升從7.29 ℃上升至8.13 ℃。雖然壓縮機飽和溫升增大，但壓縮比下降，在相同飽和溫升下，壓縮機入口工質飽和溫度越高壓縮比越小，因此出現隨著再生濃溶液溫度升高，壓縮機飽和溫升增大，但壓縮機壓縮比減小的現象。雖然壓縮比降低，但是壓縮機吸氣溫度升高，其排氣溫度由溶液溫度為45 ℃時的84.7 ℃上升至溶液溫度為100 ℃時的135 ℃。壓縮機排氣溫度從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 溶液再生系統的SMER 隨再生濃溶液溫度升高而增大，從溶液溫度為45 ℃時的41.0kg/kWh 升至溶液溫度為100 ℃時的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 ℃時達到最大值28.13。隨著再生溶液溫度升高，蒸發溫度升高，水蒸氣的潛熱減小，在相同蒸發量條件下，冷凝側放熱量減小。同時隨著蒸發溫度升高，壓縮比降低，壓縮機耗功減小，由此出現溶液再生系統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，出現駝峰。

由此可知，再生溫度升高對提高MVR 溶液再生系統的性能有積極影響，但影響較小。基于溶液除霜和MVR 溶液再生技術的空氣源熱泵系統中，溶液的噴淋后溫度在0 ℃左右，此時可利用再生的濃溶液和冷凝水對稀溶液預熱后輸運至發生器再生，減小溫度過低對系統性能的影響。

3 總結

本文通過熱力計算研究MVR 溶液再生技術用于除霜溶液再生的可行性。分析了溶液再生濃度和蒸發溫度對MVR 溶液再生系統的影響。主要結論如下：

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

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

3）空氣源熱泵除霜溶液濃度較低，適于MVR 系統的使用，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，系統能效比為28.1，SMER 高達42.4 kg/kWh，節能效果顯著。綜合可知，MVR 適用于空氣源熱泵除霜溶液的再生。