【正文】 在兩種壓強(qiáng)和三個(gè)溫度狀態(tài)下，壓強(qiáng)變化是蒸汽壓縮前的蒸發(fā)壓強(qiáng)和蒸汽壓縮后的冷凝壓強(qiáng)，溫度變化主要是蒸發(fā)溫度，壓縮后的過熱溫度以及壓縮飽和溫度。從焓熵圖可知，MVR系統(tǒng)得以運(yùn)行的實(shí)質(zhì)就是利用壓縮機(jī)做少量的功來提高蒸汽的熱焓，進(jìn)而利用壓縮蒸汽釋放大量的冷凝潛熱重新加熱原料。由于汽化潛熱（或者冷凝潛熱）占蒸汽的熱焓值絕大部分，因此能夠充分利用蒸汽的潛熱是熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。（a）水蒸氣溫熵（TS）圖（b）水蒸氣溫熵（hS）圖圖23 水蒸氣熱力學(xué)圖 The chart of steam thermodynamic MVR蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型MVR蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)存在顯著的能量變化主要集中在蒸發(fā)器、蒸汽壓縮機(jī)和預(yù)熱器三個(gè)主要的單元結(jié)構(gòu)中。對于實(shí)際運(yùn)行中的物料蒸發(fā)，可以從質(zhì)量傳遞和熱量傳遞上分析。 蒸發(fā)器物料沿著蒸發(fā)器的管壁流動(dòng)時(shí)，由進(jìn)料狀態(tài)的單向流變成氣液兩相流，液體的流動(dòng)狀態(tài)也變化很大。而且，隨著料液的蒸發(fā)，溶液的物理性質(zhì)和熱敏性等特征均發(fā)生變化。為了簡化系統(tǒng)的分析，對蒸發(fā)過程作了如下理論假設(shè)：1. 忽略溶液濃度變化對沸點(diǎn)的影響。2. 溶液的比熱容不受溫度等參數(shù)的影響，為恒定值。3. 蒸汽中不含有物料。4. 系統(tǒng)換熱過程無熱損。由假定條件，存在的質(zhì)量和物料平衡關(guān)系見式（210）和式（211），(210)(211)忽略了熱損失，蒸發(fā)過程吸收的熱量在理論上與蒸汽的冷凝釋放熱相同，具體熱量平衡關(guān)系如式（212），其中傳熱溫差TvdTd是由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和壓縮機(jī)性能決定的。 (212)由換熱量和傳熱面積的關(guān)系可得到式（213），Qex=KiAiTvdTv=qfCpTvT0 (213)總傳熱系統(tǒng)Ki由設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作條件和物性等多種因素決定的。對于降膜式蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)可表示為式（214），Ki=(1λi+Ailnr0ri2πkL+AiA01λ0)1 (214) 壓縮機(jī)壓縮機(jī)具有熱泵的功能，將低溫的飽和二次蒸汽壓縮，變成高溫高品位的蒸汽后在蒸汽冷凝腔內(nèi)放熱。當(dāng)壓縮過程在瞬間完成，機(jī)體內(nèi)部沒有熱損且沒有熱交換時(shí)，蒸汽壓縮過程消耗的功率可由式（215）推導(dǎo)而得[71]，Wi=qd12Vdp=k1kqdP1V2[1(pppv)kk1] (215)壓縮后氣體溫度可由式（216）到（218）求得，假設(shè)氣體仍是理想氣體,其中由氣態(tài)理想方程知，PV=nRT (216)對蒸汽壓縮過程進(jìn)行微分得dpP+dVV+dnndTT=0(217)T2=kT1T1Ti+(k+T1Ti)p1pi(218)蒸汽壓縮過程平衡蒸汽壓差，補(bǔ)充的蒸汽溫度為Ti，最終壓縮后蒸汽的溫度為T2，將蒸汽看成是理想可壓縮氣體，蒸汽的壓力與溫度也滿足式（219）的關(guān)系，其中C0至C5均是常數(shù)，lnP=C0T+C1+C2T+C3T2+C4T3+C5ln?(T) (219) 預(yù)熱器預(yù)熱器的功能是利用濃縮液顯熱、高溫冷凝水顯熱和熱蒸汽的潛熱來預(yù)熱原料，使得溶液達(dá)到預(yù)定溫度Tin，預(yù)熱設(shè)備通常選用板式換熱器。因預(yù)熱的熱源不同，每個(gè)換熱體系都有單獨(dú)的熱量交換，總傳熱量Qer可有式（220）所求，Qer=qfCpTinT0=qdCpTdTdo+qbCpTbTb0+qzr (220)換熱量的計(jì)算公式（221）可得出換熱面積，在不考慮污垢熱阻時(shí)，板式換熱器的總傳熱系統(tǒng)Ker可由公式（222）計(jì)算，Qer=KerAerΔTmr(221)Ker=(1λc+δker+1λh)1 (222)其中主要熱源一側(cè)的傳熱系數(shù)ker可通過下面關(guān)系式（223）計(jì)算求解。Nu=(PrPrm)(223)通過以上的理論公式可計(jì)算出MVR系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，在確定了系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度和二次蒸汽的壓縮比后，在設(shè)計(jì)要求下的蒸發(fā)量時(shí)，便可得到系統(tǒng)的換熱量，以及壓縮機(jī)的做功。最后可根據(jù)濃縮液和冷凝水的分流量不同分別選擇不同面積的預(yù)熱器，并根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度的不同，適當(dāng)增加一定量的新鮮蒸汽預(yù)熱以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 水體系下的計(jì)算與理論分析 MVR系統(tǒng)的理論計(jì)算假設(shè)進(jìn)料量為q0，溫度為Ts，壓強(qiáng)為Ps，由焓熵表軟件可查得此條件下的焓值h1。若產(chǎn)生的二次蒸汽量為qs，則其壓強(qiáng)為Ps，溫度為Ts，查表可得其焓值為hs，將氣體在離心壓縮機(jī)內(nèi)的升溫加壓過程看成多變壓縮過程，假設(shè)多變效率為ηpol，由式（224）可得多變指數(shù)m。其中k是絕熵指數(shù)，在進(jìn)氣參數(shù)已知時(shí)，可查表求得。ηpol=mm1kk1(224)設(shè)蒸汽壓縮機(jī)的機(jī)械效率為ηm，電動(dòng)機(jī)的效率為ηel，在特定的壓縮比（ε=）下，電動(dòng)機(jī)總消耗的功率為式(225)。W0=mm1RwPs(εm1m1)1ηmηel(225)壓縮后的蒸汽壓強(qiáng)為Pd，由公式（226）可以得到過熱蒸汽的溫度為Td。查表可知此條件下的蒸汽焓值為hd為消除蒸汽過熱，設(shè)需補(bǔ)充定量水的質(zhì)量流量為qw，溫度為Tw，壓強(qiáng)為Pw，故其焓知值hw，查表可得在壓強(qiáng)Pd下的飽和蒸汽焓值has。TdTs=(Pdps)m1m(226)由能量守恒式（227）可求得補(bǔ)充水的質(zhì)量流量qw。(227)由于補(bǔ)充水的加入，將產(chǎn)生一定的副產(chǎn)飽和蒸汽，增大了系統(tǒng)的換熱能力。根據(jù)質(zhì)量守恒，把最終能夠全部用來冷凝換熱的蒸汽量稱為循環(huán)蒸汽量qt，見式（228）。(228)設(shè)冷凝水的溫度為Tc，由于其壓強(qiáng)也為Pd，可得到冷凝液的焓值為hc，故蒸汽冷凝過程放出的熱量Q為式（229）。(229)料液吸收熱量Q后沸騰蒸發(fā)，則可查到在此壓強(qiáng)（Ps）下的飽和液體的焓值為hq，設(shè)產(chǎn)生的二次蒸汽量為q’s，由能量平衡式（230）可求得二次蒸汽的流量q’s。(230)能效比COP見式（231）。COP=QW0(231) MVR系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)分析MVR熱泵系統(tǒng)是封閉的內(nèi)循環(huán)式蒸發(fā)體系，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和操作控制都對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行以及最佳的節(jié)能性至關(guān)重要，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)都是耦合在一起的，MVR技術(shù)具有最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。為了方便從理論上闡述節(jié)點(diǎn)的條件變化對整個(gè)系統(tǒng)的影響，分別從原料的預(yù)熱階段、原料的蒸發(fā)階段、蒸汽壓縮階段、蒸汽輸送階段以及其他節(jié)點(diǎn)控制來分析系統(tǒng)的熱焓變化及相互之間的關(guān)聯(lián)因素。 原料的預(yù)熱階段二次蒸汽的產(chǎn)氣量隨進(jìn)料溫度的升高而增大，進(jìn)料溫度小于蒸發(fā)溫度時(shí)，二次蒸汽量也小于初始一次蒸汽量。因?yàn)槿粼系倪M(jìn)料溫度較低，原料在沸騰前需要獲得一定的液體顯熱。則壓縮蒸汽與進(jìn)料換熱時(shí)，會(huì)消耗一定的熱量來加熱原料直至其沸騰。因此，用于原料汽化所需的汽化潛熱量會(huì)偏少，導(dǎo)致二次蒸汽量逐漸偏小，在系統(tǒng)沒有外加蒸汽的前提下，蒸發(fā)量也逐漸減少。若原料是一定蒸發(fā)壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，則壓縮蒸汽的冷凝潛熱將全部用來使原料汽化，產(chǎn)生二次蒸汽。由于原料的汽化潛熱和壓縮蒸汽的冷凝潛熱相差不大，因此，產(chǎn)生的二次蒸汽量維持在較高的水平，把系統(tǒng)的散熱和能量損失考慮在內(nèi)的話，也只需要定時(shí)的補(bǔ)充少量的新鮮蒸汽即可。當(dāng)進(jìn)料溫度大于蒸發(fā)溫度時(shí)，二次蒸汽量也顯然大于初始一次蒸汽量。因?yàn)轭A(yù)熱后的原料溫度高于蒸發(fā)溫度，原料進(jìn)入蒸發(fā)室時(shí)會(huì)因?yàn)閴簭?qiáng)的降低而產(chǎn)生自蒸發(fā)狀態(tài)，也就是說即使沒有外部熱源，也能產(chǎn)生少量的二次蒸汽。但是提高進(jìn)料的溫度，相應(yīng)的也就增大的預(yù)熱階段的能量輸入。進(jìn)料溫度高低主要依靠于蒸發(fā)溫度，因此，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，物料應(yīng)該加熱至對應(yīng)蒸發(fā)壓強(qiáng)下的飽和溫度，若物料的熱敏性不強(qiáng)時(shí)，當(dāng)有多余的熱源情況下也可適當(dāng)將物料加熱至微過熱狀態(tài)，以便得到少量的副產(chǎn)蒸汽供系統(tǒng)循環(huán)利用。 原料的蒸發(fā)階段蒸發(fā)溫度的高低影響了整個(gè)MVR系統(tǒng)壓強(qiáng)的高低，也直接影響了壓縮機(jī)的功耗大小和蒸發(fā)水量。隨著蒸發(fā)溫度的提高，蒸發(fā)水的總量和壓縮機(jī)的功耗都是增加的。因?yàn)檎舭l(fā)溫度的提高，在一定的壓縮比下蒸汽的過熱度越高，消除過熱所需的霧化水也就越多，由質(zhì)量守恒可知，得到的蒸發(fā)水量也就越多。但是蒸發(fā)水量的增量是很小的，主要是由于具有一定過熱蒸汽的過熱焓所攜帶的熱量比例很小，因此從過熱蒸汽到飽和蒸汽所需的霧化水也是少量的。蒸發(fā)溫度越高，蒸汽的比容越小，蒸汽繼續(xù)壓縮的難度越高，在相同的壓縮比下所需要功耗也因此增大。蒸發(fā)溫度的提高對蒸發(fā)水量的影響是不大的，但對壓縮機(jī)的功耗影響很顯著。而且較高的蒸發(fā)溫度在一定的壓縮比下得到的蒸汽過熱度也很大，對設(shè)備和管道造成不同程度的損壞，很多工業(yè)產(chǎn)品都具有一定的熱敏性，也要求蒸發(fā)溫度不能太高，較低的蒸發(fā)溫度也會(huì)減輕原料預(yù)熱時(shí)的能耗負(fù)擔(dān)，故真空度越高，蒸發(fā)的條件也就越溫和。當(dāng)然也要考慮設(shè)備制造精度的問題，在低壓條件下蒸發(fā)會(huì)增大系統(tǒng)的漏氣系數(shù)。因此MVR熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度應(yīng)結(jié)合具體產(chǎn)品的熱敏性，盡可能控制在較低的蒸發(fā)溫度。 蒸汽壓縮階段MVR主要的技術(shù)特點(diǎn)就是將產(chǎn)生的二次蒸汽全部通過壓縮機(jī)壓縮，使蒸汽的壓力和溫度提高，獲得高品味的蒸汽然后重新作為加熱蒸汽。因此，壓縮階段是整個(gè)MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的心臟。蒸汽在壓縮前后壓強(qiáng)的比值稱為壓縮比ε，壓縮后對應(yīng)壓強(qiáng)下的飽和溫度與蒸發(fā)溫度的差值稱為傳熱溫差Δt，壓縮蒸汽冷凝放出的熱量與壓縮機(jī)消耗的能量的比值稱為能效比COP。隨著壓縮比的增大，壓縮后的壓強(qiáng)也就變大，對應(yīng)的蒸汽飽和溫度也跟著增大，因此傳熱溫差也是增大的。傳熱溫差的大小是影響MVR蒸發(fā)系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵。因?yàn)檫m當(dāng)?shù)膫鳠釡夭?，可以使管壁上溶液產(chǎn)生大量氣泡，猛烈攪動(dòng)液體促進(jìn)傳熱，給熱系數(shù)成倍提高，當(dāng)溫差很大時(shí)，蒸發(fā)器的加熱壁面上產(chǎn)生的大量蒸汽來不及以氣泡狀脫離，就已聚成氣膜覆蓋在壁面上，該氣膜使傳熱阻力顯著提高，傳熱狀況惡化。而當(dāng)傳熱溫差很小時(shí)，溫度梯度小，傳熱速率降低，造成換熱不充分。而且近壁面處的溶液沸騰還沒沒有發(fā)生，傳熱主要依靠對流給熱來達(dá)到，傳熱系數(shù)小。 蒸汽輸送階段蒸汽壓縮后溫度會(huì)很高，過熱蒸汽不僅降低傳熱系數(shù)，對設(shè)備和管道都有不同程度的損壞。因此為了消除過熱，往往會(huì)在壓縮機(jī)的出氣口補(bǔ)入定量的水。補(bǔ)充水量是隨著其溫度的升高而增多。因?yàn)闇囟仍礁?，水的比焓就越大，?dāng)消除定量的過熱蒸汽時(shí)，單位補(bǔ)充水汽化所需的熱量差值就越小，故補(bǔ)充水的量就越多。從整個(gè)系統(tǒng)的能源利用來說，補(bǔ)充水取自冷凝液為最好，因?yàn)槔淠翰粌H水溫較高，而且水質(zhì)純凈適合噴水霧化。實(shí)際蒸汽在管道輸送過程中，會(huì)因壓降損失和散熱等因素導(dǎo)致已飽和的蒸汽部分冷凝，使得蒸汽潛熱利用率降低，為了最大限度的利用蒸汽潛熱，可以控制補(bǔ)充水的量使蒸汽處于微過熱狀態(tài)。 其他節(jié)點(diǎn)控制（1）冷凝液的控制在蒸汽冷凝階段，最大限度的釋放出冷凝潛熱是主要的操作控制條件。由于系統(tǒng)中存在有不凝性氣體以及壓縮蒸汽中含有部分不凝性氣體，在蒸汽冷凝放熱的過程中，蒸發(fā)器的殼程中會(huì)積累不凝性氣體，不凝性氣體的存在會(huì)大大降低蒸發(fā)的傳熱效率。因此定時(shí)排除殼程中的不凝性氣體。由于蒸汽冷凝換熱的主要熱源就是蒸汽的冷凝潛熱，溶液的蒸發(fā)過程大部分都在降膜管的下降過程中完成了，而此過程利用的熱量主要就要蒸汽的冷凝潛熱。處在蒸發(fā)室底部的冷凝液與溶液換熱只能利用部分液體潛熱，對整個(gè)換熱過程影響不大，而且過多的冷凝液堆積在換熱器殼體的底部也影響蒸汽的覆蓋面積，具有較高溫度冷凝液可以作為原料的預(yù)熱熱源，因此，冷凝液最適合在飽和液體狀態(tài)下及時(shí)排出（2）真空系統(tǒng)的控制MVR最大的技術(shù)特點(diǎn)就是能夠適合低溫蒸發(fā)操作，理想的情況就是能夠及時(shí)排出蒸發(fā)室內(nèi)的不凝性氣體又能全部回收二次蒸汽，但實(shí)際中很難把兩種氣體通過物理的方法將它們分開。與傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)器不同的是，多效蒸發(fā)器是在蒸發(fā)器的末效位置，將最終產(chǎn)生的二次蒸汽通過冷凝器冷凝后加真空泵抽取一定的真空度即可。MVR熱泵系統(tǒng)在維持系統(tǒng)一定真空度的同時(shí)，需要最大限度的利用二次蒸汽，可以在蒸發(fā)室底部或者氣液分離器出口部分接上真空冷凝裝置，因?yàn)閴嚎s機(jī)的吸氣能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空泵的抽吸能力，不會(huì)出現(xiàn)過多二次蒸汽的損耗，對于系統(tǒng)中損失的這些二次蒸汽，可以通過定時(shí)補(bǔ)充少量的新鮮蒸汽即可。 MVR流程模擬的工藝優(yōu)化Aspen Plus軟件具有較完備的單元操作模型，物性參數(shù)較為完善，能很好地校核系統(tǒng)操作過程中物料的質(zhì)量平衡和能量平衡。本文主要研究不同的工況條件下，進(jìn)料溫度、蒸發(fā)室內(nèi)壓強(qiáng)、蒸汽壓縮比等對補(bǔ)充水分、循環(huán)蒸汽產(chǎn)生量以及能效比的影響。模擬計(jì)算時(shí)，由于水的物性參數(shù)全面方便計(jì)算而且工業(yè)上蒸發(fā)濃縮時(shí)多數(shù)是水溶液，具有一定的代表性，因此在模擬計(jì)算時(shí)物料均以水代替。分析模型（圖24）作如下幾點(diǎn)假設(shè)：；，所以不用考慮溶液濃度變化對溶液沸點(diǎn)的影響； Plus軟件不適合動(dòng)態(tài)分析，故忽略作業(yè)開始時(shí)通入的蒸汽，以蒸發(fā)室產(chǎn)生的二次蒸汽作為初始條件，同時(shí)限制vap1和vap3的質(zhì)量流量、壓強(qiáng)和溫度，以實(shí)現(xiàn)物理意義上的循環(huán)；，采用兩個(gè)換熱器（HEATER和COOLER）和熱流（heater steamer）的連接來完成，同時(shí)選擇閃蒸（Flash）模塊實(shí)現(xiàn)氣液分離[72]。本次模擬設(shè)置的參數(shù)如下：蒸發(fā)室內(nèi)的壓力分別選擇ps=，，蒸汽壓縮比ε=，，，， 。取物料進(jìn)量為5000kg/h，最初產(chǎn)生的二次蒸汽量為1000kg/h。分別研究循環(huán)蒸汽產(chǎn)生的量、補(bǔ)充水的量與進(jìn)料溫度、冷凝溫度、蒸汽壓縮比以及蒸發(fā)壓強(qiáng)等之間的變化規(guī)律。圖24 MVR流程圖模擬 The flowchart of MVR simulation 二次蒸汽流量的靈敏度分析 如圖25(a)所示，當(dāng)進(jìn)氣壓強(qiáng)不變時(shí)，隨著進(jìn)料溫度的升高，產(chǎn)生的二次蒸汽量近似呈線性增大。而當(dāng)進(jìn)料溫度（未飽和）不變時(shí)，隨著進(jìn)料壓強(qiáng)的增大，產(chǎn)生的二次蒸汽的量依次減少。當(dāng)蒸汽提供熱量一定時(shí)，進(jìn)料的溫度越高，所攜帶的熱量就越多，物料至沸騰前所需的熱量就越少。因此用于物料汽化的熱量就越多，產(chǎn)生的二次蒸汽量也就越多。由圖25（a）可知，當(dāng)進(jìn)料溫度過低時(shí)，產(chǎn)生的二次蒸汽量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于維持蒸汽循環(huán)所需的蒸汽量，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作很不穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)料溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)越低，料液的沸點(diǎn)越低，物料至沸騰前的熱量越少，且壓強(qiáng)的變化對汽化潛熱影響較小，以至于用于物料汽化的熱量就越多