熱泵輔助無規填料表面蒸發裝置濃縮熱敏料液性能研究

馬瑩祿

陳 東

胡勝威

王 碩

張會娟

謝繼紅

(天津科技大學機械工程學院,天津 300222)

食品、化工、制藥等領域有多種料液屬熱敏料液,其濃縮需要在較低溫度下進行[1],常用的低溫濃縮方法有真空沸騰蒸發濃縮[2-4]、膜濃縮[5-7]、冷凍濃縮等[8]。真空沸騰蒸發濃縮需要配置真空設備[9],對裝置的耐壓和密封等要求均較高;膜濃縮由于膜污染或膜親水化等原因,膜的使用壽命相對較短,制約了其廣泛應用[10];冷凍濃縮所析出的冰中會夾帶料液溶質,造成料液中有益成分的損失[11]。而無規填料表面蒸發可以避免上述蒸發方式的缺陷,原理是料液在填料表面形成液膜,當料液溫度升高時,料液表面的水蒸氣壓力高于空氣中的,水蒸氣會由液膜表面向空氣中擴散并被流過料液表面的吹掃氣帶走而實現料液濃縮,其特點是可在常壓下實現低溫濃縮,無規填料清洗方便,且使用壽命可達10年以上[12-13];熱泵具有高效制熱的特性[14],可為裝置低能耗供熱。因此,研究擬以常壓、低溫、低能耗的熱敏料液蒸發濃縮裝置為目標,對裝置結構進行設計,計算與分析影響裝置性能的因素,制作實驗臺并探究裝置的濃縮性能,旨在為熱敏料液蒸發濃縮的產業化應用提供依據。

1 裝置工作原理

熱泵輔助無規填料表面蒸發裝置工作原理如圖1所示。

圖1 裝置工作原理

熱泵輔助無規填料表面蒸發裝置包括熱泵單元、料液循環單元和吹掃氣循環單元3個單元;其中熱泵單元由壓縮機、加熱器、膨脹閥、吸熱器構成,熱泵工質在其中循環運行;料液循環單元由料液罐、料液泵、加熱器、流量計、布液器、蒸發單元(蒸發單元內填充無規填料,無規填料上方設置布液器)構成,料液在其中循環運行;吹掃氣循環單元由風機、蒸發單元、吸熱器構成,吹掃氣在其中循環運行(吹掃氣通常為空氣,當料液中含有易氧化成分時,吹掃氣也可采用氮氣、二氧化碳等[15])。

工作過程:熱泵工質通過吸熱器從富含水蒸氣的吹掃氣中吸熱,經壓縮機升壓升溫后進入加熱器加熱流過的料液;被加熱到一定溫度的料液經布液器分布到蒸發單元內的無規填料表面,在填料表面形成液膜;料液中的水分在液膜表面汽化為水蒸氣,且液膜表面的水蒸氣壓力高于流過液膜表面的吹掃氣中的,使液膜表面產生的水蒸氣不斷進入吹掃氣中并被吹掃氣帶出蒸發單元;富含水蒸氣的吹掃氣流出蒸發單元進入吸熱器后被熱泵工質吸熱降溫,其中的水蒸氣變為冷凝水排出,吹掃氣再經風機返回蒸發單元繼續循環;流出蒸發單元的料液中水分減小,變為濃度較高的濃縮液進入料液罐,被料液泵驅動進入加熱器,經加熱器升溫后再返回蒸發單元繼續循環濃縮,直到料液濃度達到規定值為止。

裝置工作時,料液中水分的蒸發過程是依靠常壓料液表面和常壓吹掃氣中的水蒸氣壓差實現的,因此在常壓低溫下對料液進行濃縮;料液中水分汽化所需的熱能主要由熱泵吸收吹掃氣余熱提供,壓縮機、料液泵和風機只需要消耗少量電能來驅動各介質循環,因此可實現料液濃縮的低能耗;裝置中除熱泵外其他部件材料均可采用高分子材料(熱泵加熱器和熱泵吸熱器也可采用高分子材料換熱器[16]),且使用壽命可在10年以上,因此裝置的成本可較低。

2 裝置性能模擬分析

2.1 裝置基本方程

(1) 蒸發單元方程[17]:

(1)

(2)

(3)

(4)

Nu=2+(Re0.5+0.06Re0.67)Pra0.4,

(5)

Qh=0.25πD2LmsvhVL+hAs(Tfm-Ta),

(6)

式中:

msv——體積蒸發通量(單位時間內單位體積蒸發單元從料液中蒸發出的水分質量),kg/(m3·s);

Mw——水的摩爾質量,kg/mol;

As——料液在填料表面的液膜面積,m2;

hm——液膜表面水蒸氣向吹掃氣中擴散的對流傳質系數,m/s;

psv——料液表面的水蒸氣壓力,Pa;

pav——吹掃氣中的水蒸氣壓力,Pa;

R——氣體常數,J/(mol·K);

D——蒸發單元內直徑,m;

L——蒸發單元高度,m;

Tfm——液膜溫度,K;

Ta——吹掃氣溫度,K;

ms——料液流量,kg/s;

us——料液向下流動速度,m/s;

H——液膜厚度,m;

ρs——料液密度,kg/m3;

h——吹掃氣與液膜的對流換熱系數,W/(m2·℃);

pa——吹掃氣壓力,Pa;

cp——吹掃氣定壓比熱容,J/(kgK);

Sca——吹掃氣的施密特數;

Pra——吹掃氣的普朗特數;

Nu——對流換熱努塞爾數;

λa——吹掃氣導熱系數,W/(m·℃);

d——液膜特征尺寸,m;

Re——吹掃氣流動雷諾數;

Qh——蒸發單元熱負荷,W;

hVL——料液中水分的汽化潛熱,J/kg。

(2) 熱泵基本方程[14]:

(7)

(8)

式中:

COP——熱泵制熱系數;

Chp——熱泵熱力學完度系數;

Trc——熱泵工質冷凝溫度,K;

Tre——熱泵工質蒸發溫度,K;

Pc——熱泵壓縮機功率,W。

(3) 裝置節能倍率:

(9)

式中:

ESR——裝置節能倍率(相對于單效真空沸騰蒸發的節能倍數)。

2.2 裝置性能分析

熱泵輔助無規填料表面蒸發裝置的主要性能指標為體積蒸發通量和節能倍率,基于式(1)～式(9),裝置性能隨料液流量、料液溫度(料液進蒸發單元溫度)、空氣流量、吹掃氣溫度(吹掃氣進蒸發單元溫度)的變化規律如圖2～圖5所示(計算背景:無規填料為聚丙烯多面空心球,直徑為25 mm;蒸發單元內直徑為0.1 m,高度為0.6 m;料液為橙汁,吹掃氣為空氣)。

圖3 料液溫度對裝置性能的影響

圖4 吹掃氣流量對裝置性能的影響

圖5 吹掃氣溫度對裝置性能的影響

圖2～圖5中,料液流量過小時無法有效實現液膜鋪展,流量過大時易形成溝流,當料液流量為0.020 kg/s時,裝置具有最高的節能倍率和較高的體積蒸發通量;當料液溫度由30 ℃升高至50 ℃時,液膜表面水蒸氣壓力增加,水蒸氣由液膜向吹掃氣擴散的傳質壓差增加,使體積蒸發通量升高了224.68%,而料液溫度升高導致熱泵工質的冷凝溫度升高,熱泵制熱系數降低,壓縮機功率增加,使裝置節能倍率降低了12.42%;當吹掃氣流量由0.004 kg/s增加至0.006 kg/s時,液膜表面水蒸氣向吹掃氣中擴散的傳質系數增加,使體積蒸發通量升高了23.45%,但吹掃氣流量增加使流出蒸發單元吹掃氣的溫度降低,導致熱泵工質蒸發溫度降低,熱泵制熱系數下降,壓縮機功率增加,使裝置節能倍率下降了7.74%;當吹掃氣溫度由10 ℃增加至30 ℃時,吹掃氣中水蒸氣壓力也增加,使液膜表面水蒸氣向吹掃氣中擴散的傳質壓差減小,體積通量降低了22.92%,吹掃氣溫度升高使吸熱器中熱泵工質蒸發溫度升高,熱泵制熱系數增加,壓縮機功率減小,裝置節能倍率增加了37.49%。

3 裝置性能測試

以圖1所示裝置工作原理為參考,制作了熱泵輔助無規填料表面蒸發試驗裝置。裝置中熱泵工質采用R134a,壓縮機采用24 V直流變頻轉子式壓縮機(高品ZH2024A),轉速為1 800～6 000 r/min,吸氣壓力為0.2～0.5 MPa,排氣壓力不大于1.6 MPa;蒸發單元內直徑為55 mm,高500 mm;無規填料采用聚丙烯多面空心球,直徑為25 mm。

試驗料液為15 °Brix的橙汁,吹掃氣為空氣;裝置的運行性能見表1。

表1 試驗裝置運行性能

基于表1中運行參數,對裝置性能進行模擬計算結果表明:裝置體積蒸發通量計算值為159 kg/(m3·h)、裝置節能倍率計算值為4.4;與表1進行對比,裝置體積蒸發通量試驗值高于計算值,這是由于料液在蒸發單元內的填料表面流動時,也會流動到蒸發單元殼體的內表面上,增加了料液的蒸發面積;裝置節能倍率的試驗值低于計算值,主要是由于試驗裝置規模較小,壓縮機效率相對較低,同時裝置的散熱損失較大。

4 結論

研究設計了一種用于蒸發濃縮熱敏料液的裝置。結果表明,該裝置具有可行性且濃縮熱敏料液時具有常壓下低溫蒸發、能耗低等特點;體積蒸發通量隨料液溫度、吹掃氣流量的增大而增大,隨吹掃氣溫度的增大而減小;裝置節能倍率隨料液溫度、吹掃氣流量的增大而減小,隨吹掃氣溫度的增大而增大;當試驗料液為15 °Brix的橙汁、料液溫度為38 ℃、吹掃氣溫度為26 ℃時,試驗裝置的體積蒸發通量可達219 kg/(m3·h),節能倍率可達3.3,但該裝置在實際應用中需要根據熱敏料液的特性優選無規填料的最佳結構與材料。