盧迅，杜塏，張友超

（1-無(wú)錫市一星熱能裝備有限公司，江蘇無(wú)錫 214000；2-東南大學(xué)，江蘇南京 210096；3-中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450000）

分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建與模擬分析

盧迅1，杜塏*2，張友超3

（1-無(wú)錫市一星熱能裝備有限公司，江蘇無(wú)錫 214000；2-東南大學(xué)，江蘇南京 210096；3-中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450000）

堿液在蒸發(fā)濃縮過(guò)程中，其泡點(diǎn)符合杜林法則（泡點(diǎn)隨堿液濃度升高而升高），由此可能導(dǎo)致“堿脆”及蒸發(fā)停止等危害。本文構(gòu)建了使用R22工質(zhì)的分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，可有效避免上述危害，保證了蒸發(fā)過(guò)程的連續(xù)性，同時(shí)環(huán)保節(jié)能；借助Aspen Plus中的換熱器（HeatX）和閃蒸（Flash2）的組合模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了理論計(jì)算和模擬分析，得出了壓縮機(jī)耗功和熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP），然后將其與熱力學(xué)工藝計(jì)算結(jié)果作比較，分析了模擬誤差產(chǎn)生的來(lái)源，提出了可行的修正措施，證明了本系統(tǒng)的可行性，同時(shí)為后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化分析研究提供了可借鑒的方法。

熱泵；堿液；分級(jí)蒸發(fā)濃縮；系統(tǒng)模擬；Aspen Plus軟件.

0 引言

能源是人類生存的基礎(chǔ)，進(jìn)入新世紀(jì)，人類活動(dòng)逐漸多樣性，能源消耗也越來(lái)越快，節(jié)約能源成為當(dāng)務(wù)之急[1-2]。同時(shí)隨著工業(yè)發(fā)展，大量廢水在未經(jīng)過(guò)任何處理的情況下直接就排入河流中，嚴(yán)重地污染了水體資源。印染、造紙廠的廢液中含濃度較低的 NaOH，通常將其直接排掉；如果將蒸發(fā)濃縮和熱泵結(jié)合，對(duì)廢堿液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮回收再利用，不僅解決了污水難以排放的問(wèn)題，還節(jié)省了堿原料。

間接式低溫?zé)岜谜舭l(fā)系統(tǒng)起源于日本[3]，其在1985年設(shè)計(jì)了一套濃縮有機(jī)物水溶液的間接式低溫蒸發(fā)裝置。SLESARENKO[4]在海水淡化中使用了間接式低溫?zé)岜谜舭l(fā)系統(tǒng)。劉瑞璟[5]提出了一種與封閉式熱泵循環(huán)相結(jié)合的低溫多效蒸餾方法，該熱泵式海水淡化系統(tǒng)既可回收利用最末效蒸汽熱能，又有多效蒸餾淡化法二次蒸汽多次使用的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能效果明顯。謝繼紅等[6]將間接式低溫蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于熱敏性物料蒸發(fā)濃縮，計(jì)算了典型工作參數(shù)下的噸水能耗比，該裝置適用于受溫度影響較大的熱敏性物料蒸發(fā)濃縮，可在低溫下蒸發(fā)濃縮物料，避免高溫對(duì)物料性質(zhì)的損害。陳林[7]以CO2為工質(zhì)，對(duì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低于-56.6 ℃的制冷和80 ℃以上的制熱?？缗R界二氧化碳兩級(jí)壓縮循環(huán)的高壓和中間壓力需同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，而優(yōu)化過(guò)程比較復(fù)雜，胡健[8]提出一種簡(jiǎn)便的循環(huán)分離法，將兩級(jí)壓縮循環(huán)分離為兩個(gè)復(fù)疊的單級(jí)壓縮循環(huán),得出了最佳COP。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）是指金屬在特定腐蝕介質(zhì)和固定拉應(yīng)力同時(shí)作用下發(fā)生的脆性開(kāi)裂，其擴(kuò)展速度非?？?，材料可能會(huì)在沒(méi)有明顯開(kāi)裂的情況下瞬間破裂，造成的危害難以估計(jì)，其中碳鋼在堿液中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂稱為“堿脆”。目前堿液腐蝕的控制措施主要有合理選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制介質(zhì)溫度、消除設(shè)備或管道的應(yīng)力和在介質(zhì)中添加緩蝕劑。只有當(dāng)溫度接近或超過(guò)碳鋼臨界開(kāi)裂溫度時(shí)，金屬才可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，堿液的濃度越稀，溫度越低，碳鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能性就越小，如圖1所示。

圖1 碳鋼發(fā)生堿脆的堿濃度和溫度的關(guān)系圖

傳統(tǒng)蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)中冷凝器管內(nèi)的溫度約為40 ℃，可利用熱泵冷凝熱加熱蒸發(fā)濃縮堿液，其中堿液的泡點(diǎn)與濃度的關(guān)系符合杜林法則：泡點(diǎn)隨堿液濃度升高而升高，隨壓力降低而降低。因此隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，堿液濃度升高，堿液蒸發(fā)的傳熱溫差逐漸減小，這將減緩蒸發(fā)濃縮的進(jìn)度，甚至還會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)停止。為了解決以上問(wèn)題，本系統(tǒng)將堿液蒸發(fā)濃縮分為兩個(gè)階段，分別在低、高濃度堿液蒸發(fā)器中進(jìn)行，其中高濃度堿液蒸發(fā)器中堿液側(cè)壓力低于低濃度堿液蒸發(fā)器中堿液側(cè)壓力，從而可以保證兩種堿液出口濃度的泡點(diǎn)相同，如圖2所示。此舉綜合考慮了制冷劑冷凝放熱溫度與堿液蒸發(fā)泡點(diǎn)的關(guān)系，保證了堿液蒸發(fā)有效、可靠的運(yùn)行。

圖2 堿液流程關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)在焓濃圖上的位置分布圖

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)流程圖

圖3 分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液熱泵循環(huán)系統(tǒng)圖

1.2 熱泵分級(jí)低溫濃縮堿液工藝循環(huán)

本裝置包括熱泵循環(huán)、堿液回路和蒸汽及冷凝水回路3個(gè)子系統(tǒng)。

熱泵循環(huán)：高壓壓縮機(jī)出口的制冷劑蒸汽分為兩路，分別在低、高濃度堿液蒸發(fā)器（A1、A2）放熱蒸發(fā)濃縮堿液，兩個(gè)堿液蒸發(fā)器管內(nèi)壓力不同，但是終了濃度的泡點(diǎn)相同，因此制冷劑可同時(shí)對(duì)兩個(gè)堿液蒸發(fā)器加熱，保證了設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。制冷劑經(jīng)堿液蒸發(fā)器放熱后自身成為液體，均先進(jìn)入制冷劑儲(chǔ)液罐（B），然后經(jīng)熱力膨脹閥（D1、D2）降溫降壓后，分別進(jìn)入制冷劑高、低壓干式蒸發(fā)器（E1、E2），制冷劑低壓干式蒸發(fā)器中的制冷劑吸收來(lái)自高濃度堿液蒸發(fā)器的二次蒸汽的熱量后，經(jīng)低壓壓縮機(jī)（G2）壓縮，制冷劑高壓干式蒸發(fā)器（E1）中的制冷劑吸收來(lái)自低濃度堿液蒸發(fā)器（A1）的二次蒸汽的熱量后，與低壓壓縮機(jī)（G2）出口的制冷劑蒸汽混合，混合后的制冷劑蒸汽進(jìn)入高壓壓縮機(jī)（G1）升壓升溫，如此制冷劑完成一個(gè)循環(huán)[9]。

堿液回路：在整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)前，先用真空泵（C）將低、高濃度堿液蒸發(fā)器（A1、A2）的堿液側(cè)抽真空至各自指定壓力（低濃度堿液蒸發(fā)器為 4 kPa，高濃度堿液蒸發(fā)器2.5 kPa），然后關(guān)停真空泵（C）。從稀堿液池引出的稀溶液在閥門（N1）的控制下輸送至低濃度堿液蒸發(fā)器（A1），在其中被來(lái)自壓縮機(jī)（G1）出口的一路高溫制冷劑蒸汽加熱沸騰，產(chǎn)生高溫水蒸氣和較濃的溶液，此較濃溶液在重力和壓差作用下進(jìn)入高濃度堿液蒸發(fā)器（A2），被來(lái)自壓縮機(jī)（G1）出口另一路的高溫制冷劑蒸汽加熱，再一次產(chǎn)生水蒸氣后成為更高濃度的濃溶液，高濃度堿液蒸發(fā)器（A2）底部裝有液位控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)液位到達(dá)一定高度時(shí)，液位控制開(kāi)關(guān)會(huì)啟動(dòng)濃堿液泵（J），將濃堿液排出。

蒸汽及冷凝水回路：從低濃度堿液蒸發(fā)器（A1）和高濃度堿液蒸發(fā)器（A2）出來(lái)的蒸汽先經(jīng)過(guò)裝有風(fēng)扇的盤管（F1、F2）部分冷凝為水，然后分別經(jīng)過(guò)制冷劑高壓干式蒸發(fā)器（E1）和制冷劑低壓干式蒸發(fā)器（E2），在其中放熱完全凝結(jié)成水后進(jìn)入冷凝水箱（H），冷凝水箱（H）底部裝有液位控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)液位到達(dá)一定高度時(shí)，液位控制開(kāi)關(guān)會(huì)啟動(dòng)冷凝水泵（I），將冷凝水排出。

1.3 運(yùn)行及控制策略

通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)和低壓壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)高、低壓干式蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度來(lái)調(diào)節(jié)其管外水蒸汽的冷凝的溫度，達(dá)到控制高、低濃度堿液蒸發(fā)器內(nèi)壓力的目的，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)低濃度堿液蒸發(fā)器和高濃度堿液蒸發(fā)器內(nèi)堿液蒸發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)的堿液泡點(diǎn)來(lái)控制蒸發(fā)溫度在 21 ℃～35 ℃范圍內(nèi)。制冷劑低壓干式蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑蒸汽先經(jīng)過(guò)低壓壓縮機(jī)壓縮，然后與制冷劑高壓干式蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑蒸汽混合，再經(jīng)高壓壓縮機(jī)升壓升溫，進(jìn)入堿液蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮堿液，此舉充分考慮了制冷劑蒸發(fā)器出口壓力不同的特點(diǎn)，對(duì)壓力較低的制冷劑蒸汽采用兩級(jí)壓縮，降低了壓縮機(jī)的壓縮比，節(jié)省了電能。

堿液蒸發(fā)的吸熱量與制冷劑放熱量相匹配，二次蒸汽冷凝放熱量與盤管散熱和干式蒸發(fā)器中制冷劑的吸熱量匹配，為了保證蒸發(fā)連續(xù)、可靠地運(yùn)行，本文采取堿液側(cè)流量閥+變頻壓縮機(jī)雙重控制的方法，通過(guò)堿液側(cè)的閥門控制堿液的流量，從而保證堿液的吸熱量與制冷劑的放熱量大致匹配。鑒于本系統(tǒng)是連續(xù)運(yùn)行的，低濃度堿液蒸發(fā)器與高濃度堿液蒸發(fā)器需要的熱量不一樣，通過(guò)改變壓縮機(jī)或低壓壓縮機(jī)的電機(jī)頻率來(lái)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，制冷劑熱力膨脹閥會(huì)根據(jù)制冷劑蒸發(fā)器出口溫度自動(dòng)調(diào)整閥門開(kāi)度，從而改變制冷劑流量，保證了兩個(gè)堿液均能吸收到足夠的熱量。

制冷劑冷凝器散熱量大于蒸發(fā)器吸熱量，因此二次蒸汽的放熱量大于蒸發(fā)器中制冷劑的吸熱量，為確保系統(tǒng)熱量平衡，在二次蒸汽進(jìn)入制冷劑蒸發(fā)器前設(shè)置一段盤管，并配有風(fēng)扇對(duì)水蒸氣進(jìn)行冷凝，確保二次蒸汽在制冷劑干式蒸發(fā)器中完全變成冷凝水后進(jìn)入冷凝水箱，經(jīng)冷凝水泵排出。

1.4 熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算

R22化學(xué)名二氟一氯甲烷，分子式為CHCLF2，屬于 HCFC類制冷劑。ODP為 0.055，GWP為 0.36，是中低溫制冷劑。本系統(tǒng)制冷劑的壓焓圖如圖4所示。

圖4 熱泵系統(tǒng)的壓焓示意圖

1）制冷劑蒸發(fā)器E2、E1的制冷量

式中：

h1、h3——分別為制冷劑蒸發(fā)器E2、E1出口制冷劑的焓值；

h7、h8——分別為熱力膨脹閥出口制冷劑的焓值，也即蒸發(fā)器E2、E1入口制冷劑的焓值，kJ/kg。

2）制冷劑冷凝器的制熱量

式中：

h5——為高壓壓縮機(jī)G1出口制冷劑的焓值，也即制冷劑冷凝器A1、A2入口制冷劑的焓值，kJ/kg；

h6——為制冷劑冷凝器出口制冷劑的焓值，kJ/kg。

3）壓縮機(jī)消耗的功

近似認(rèn)為2個(gè)壓縮機(jī)中制冷劑絕熱等熵壓縮，則壓縮機(jī)G1和G2的理論功耗分別為：

假設(shè)絕熱效率η1為0.9，機(jī)械效率η2為0.9，則關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)的焓值：

壓縮機(jī)G1的實(shí)際耗功：

壓縮機(jī)G2的實(shí)際耗功：

式中：

h2、h5——為低壓壓縮機(jī)G2和高壓壓縮機(jī)G1壓縮過(guò)程出口制冷劑的實(shí)際焓值，kJ/kg；

h2s、h5s——為低壓壓縮機(jī) G2和高壓壓縮機(jī) G1絕熱等熵壓縮過(guò)程出口制冷劑的焓值，kJ/kg；

h4——為兩路制冷劑混合后的焓值，kJ/kg。

4）熱量平衡

堿液蒸發(fā)器中，堿液吸收的熱量等于風(fēng)扇散掉的熱量與制冷劑蒸發(fā)器中二次蒸汽放出的熱量之和：

5）性能系數(shù)COP

2 模擬及分析

Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）是用于化工流程模擬、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。該軟件功能強(qiáng)大，物性數(shù)據(jù)庫(kù)完備，能自動(dòng)生成計(jì)算順序，應(yīng)用面廣泛；經(jīng)過(guò)多年改進(jìn)，已能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的化工過(guò)程。本文采用序貫?zāi)K法對(duì)提出的堿液蒸發(fā)濃縮過(guò)程和系統(tǒng)流程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)下的模擬，得出了穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)基于熱泵的堿液濃縮系統(tǒng)一些重要參數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中，還有很多系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性需要知道，如該熱泵的啟動(dòng)過(guò)程，運(yùn)行中改變堿液蒸發(fā)器出口濃度對(duì)系統(tǒng)的影響等，穩(wěn)態(tài)模擬可以為動(dòng)態(tài)模擬的研究提供了參考。本系統(tǒng)在Aspen Plus中的流程如圖5所示。

2.1 系統(tǒng)流程模型及參數(shù)

模擬系統(tǒng)的模塊命名盡量與前面系統(tǒng)設(shè)計(jì)一致。堿液蒸發(fā)濃縮過(guò)程是采用Aspen Plus中的Heat Exchangers/HeatX和 Seperators/Flash2組合模塊模擬。HeatX模塊可以進(jìn)行簡(jiǎn)捷的或嚴(yán)格的計(jì)算，主要區(qū)別是總的傳熱系數(shù)的計(jì)算方法不同，本文采用簡(jiǎn)捷方法來(lái)計(jì)算堿液蒸發(fā)器的換熱；Flash2可以用來(lái)模擬閃蒸等分離器裝置。堿液蒸發(fā)濃縮分為2個(gè)部分，第一階段HeatX中堿液受熱蒸發(fā)，以混合物形式進(jìn)入Flash2，在Flash2中過(guò)熱蒸汽從上部出去，較濃堿液從底部排出[10]。

設(shè)置堿液流量為0.5786 kg/s，設(shè)置低濃度堿液蒸發(fā)器中堿液進(jìn)口濃度為 5%，出口氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4，也就意味著出口堿液濃度為8.33%；設(shè)置高濃度堿液蒸發(fā)器中堿液進(jìn)口濃度為8.33%，出口氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6667，也就意味著出口堿液濃度為25%；高/低壓制冷劑干式蒸發(fā)器（E1/E2），即Heat Exchangers/HeatX模塊，設(shè)置其Cold stream outlet vapor fraction為 1；高壓壓縮機(jī)（G1），Pressure Changers/Compr模塊，設(shè)置其壓差為 789 kPa，低壓壓縮機(jī)（G2），Pressure Changers/ Compr模塊，設(shè)置其壓差為162 kPa。

圖5 分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的使用R22工質(zhì)的熱泵循環(huán)系統(tǒng)的流程模型

2.2 堿液的物性方法和模型

NaOH俗稱燒堿、苛性鈉，是一種強(qiáng)堿，溶于水時(shí)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)并放熱，形成堿性溶液。通過(guò)Aspen Plus的Elec Wizard電解質(zhì)專家系統(tǒng)可以標(biāo)識(shí)出NaOH水溶液中的電離反應(yīng)，如下式所示。

Aspen Plus會(huì)在它的Reactions/Chemistry（反應(yīng)化學(xué)）中定義這些反應(yīng)，并且排除其他不存在的反應(yīng)[11]。本文的蒸發(fā)濃縮過(guò)程模擬中選用ELECNRTL物性計(jì)算方法，該方法采用的熱力學(xué)模型為電解質(zhì)NRTL 模型[12]。

2.3 堿液蒸發(fā)器模擬

堿液蒸發(fā)器采用立式管殼降膜結(jié)構(gòu)，它利用高溫蒸汽的冷凝將低溫堿液蒸發(fā)，因此它既是高溫蒸汽冷凝器，又是堿液的蒸發(fā)器。堿液在管內(nèi)汽化濃縮，高溫蒸汽在管外冷凝。為了使堿液均勻地分配到每根換熱管內(nèi)并形成旋轉(zhuǎn)膜下流，每根降液換熱管入口處均裝有分液器，分液器結(jié)構(gòu)如圖6所示，堿液從分液器側(cè)面導(dǎo)流口進(jìn)入分液器外部螺旋下流槽道，以螺旋狀沿?fù)Q熱管內(nèi)壁下流蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽由分液器中部上升通道流出[13]。

圖6 分液器剖面圖

堿液在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)是熱質(zhì)傳遞的耦合過(guò)程，一方面水蒸氣不斷地從NaOH溶液蒸發(fā)，發(fā)生傳質(zhì)過(guò)程；另一方面，在蒸發(fā)過(guò)程中要不斷地供給熱量，發(fā)生傳熱過(guò)程。質(zhì)量傳遞影響熱量的產(chǎn)生，熱量傳遞又制約傳質(zhì)的進(jìn)行。因此，堿液的蒸發(fā)過(guò)程是復(fù)雜的熱質(zhì)耦合過(guò)程[14]。因此降膜蒸發(fā)分析模型作如下假設(shè)：

1）不考慮堿液蒸發(fā)器的散熱和蒸汽泄漏等因素的影響；

2）堿液為不可壓縮流體，在降膜蒸發(fā)過(guò)程中泡點(diǎn)按杜林法則變化；

3）考慮到溶液濃度變化對(duì)溶液泡點(diǎn)的影響，蒸汽出口溫度為堿液初始濃度與出口濃度泡點(diǎn)的平均值；

4）對(duì)于堿液蒸發(fā)器，采用換熱器（HeatX）和閃蒸（Flash2）的組合模塊實(shí)現(xiàn)堿液蒸發(fā)和氣液分離[15]。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 堿液泡點(diǎn)模擬值與理論值

在Aspen Plus軟件中查到不同壓力下的堿液泡點(diǎn)，實(shí)心代表軟件擬合出的泡點(diǎn)值，空心代表根據(jù)杜林法則計(jì)算出來(lái)的泡點(diǎn)值，如圖7所示，由圖可知，兩者吻合情況良好。

圖7 不同壓力下Aspen Plus擬合的堿液泡點(diǎn)與理論值對(duì)比圖

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)值

將Aspen Plus軟件模擬得到的結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果匯總后制成表格，如表1所示，模擬值為軟件計(jì)算結(jié)果，理論值為熱力學(xué)公式計(jì)算所得。

表1 分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的使用R22工質(zhì)的熱泵循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)理論值與模擬值（室溫20 ℃）

將該系統(tǒng)吸熱量、耗功量及COP總結(jié)成表格，如表2所示。

表2 使用R22工質(zhì)的熱泵循環(huán)系統(tǒng)堿液蒸發(fā)器及壓縮機(jī)理論值與模擬值

若采用單級(jí)蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)，制冷劑蒸發(fā)器壓力為582.3 kPa，溶液側(cè)壓力均為4 kPa，此時(shí)25%的堿液泡點(diǎn)為 38.73 ℃；同樣的溫差下，需要制冷劑冷凝側(cè)溫度為 46.6 ℃，對(duì)應(yīng)的壓力為 1,797 kPa，此時(shí)壓縮機(jī)的耗功為197.21 kW，COP為5.82，低于分級(jí)蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)。

3.3 模擬誤差分析與修正

Aspen Plus作為通用的化工流程模擬軟件，其模擬范圍的廣泛性決定了它的模擬準(zhǔn)確性不可能像具有針對(duì)性的專用流程模擬軟件那樣精確。因此需要使用者在模擬過(guò)程中根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)模擬進(jìn)行修正和改進(jìn)。本文通過(guò)飽和NaOH溶液焓濃圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Aspen Plus 物性數(shù)據(jù)庫(kù)中的電解質(zhì)參數(shù)和成對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正[16]，來(lái)使修正過(guò)后模擬得到的NaOH溶液熱力學(xué)參數(shù)更加接近于實(shí)際情況。

由表2可知，Aspen Plus軟件模擬值與理論值相比偏小，這是由于Aspen Plus采用了軟件自帶的電解質(zhì)物性方法和Aspen Plus物性數(shù)據(jù)庫(kù)中的電解質(zhì)參數(shù)和成對(duì)參數(shù)，來(lái)獲得NaOH溶液的熱力學(xué)參數(shù)，這與通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納的飽和NaOH溶液焓濃圖中的物性參數(shù)有一些偏差。堿液蒸發(fā)吸熱量與堿液出口溫度與理論值有微小差別，基于這些熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算會(huì)給Aspen Plus的模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響，但誤差較小，在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1）針對(duì)高溫蒸發(fā)濃縮堿液容易發(fā)生“堿脆”危害的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套使用R22工質(zhì)的分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，利用熱泵的冷凝熱加熱堿液使其蒸發(fā)，此舉可將整個(gè)系統(tǒng)的工作溫度控制在碳鋼開(kāi)裂溫度以下，有效避免了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生；針對(duì)堿液泡點(diǎn)符合杜林法則的特點(diǎn)，本文采用分級(jí)蒸發(fā)濃縮堿液，其中高濃度堿液蒸發(fā)器中堿液側(cè)壓力低于低濃度堿液蒸發(fā)器中堿液側(cè)壓力，從而可以保證兩種堿液出口濃度的泡點(diǎn)相同，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行；整個(gè)工藝結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行溫度低，僅需消耗少量的電能，無(wú)其他外界能量輸入，減少了運(yùn)行成本，環(huán)保節(jié)能。

2）本文在Aspen Plus中建立了該系統(tǒng)流程并進(jìn)行了模擬，運(yùn)用Aspen Plus軟件中Tools/Analysis/Property/Binary功能擬合了不同壓力下堿液的泡點(diǎn)溫度，并運(yùn)用軟件中的換熱器（HeatX）和閃蒸（Flash2）的組合模塊模擬了堿液蒸發(fā)和氣液分離過(guò)程；將整個(gè)系統(tǒng)的模擬結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果做了詳細(xì)比較，結(jié)果顯示誤差在 4%以內(nèi)，說(shuō)明此模擬系統(tǒng)具有較好的可信度和參考價(jià)值，為下一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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Construction and Simulation of Heat Pump System for Concentrating NaOH Solution by Multi-stage Hypothermia Evaporation

LU Xun1, DU Kai*2, ZHANG Youchao3
(1-Wuxi City One-Star Thermal Equipment Co., Ltd. Wuxi, Jiangsu, 214000, China;2-Southeast University, Nanjing, Jiangsu, 210096, China;3-China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Zhengzhou Branch, Zhengzhou, Henan, 450000, China)

The NaOH solution bubble point meets Duhring's rule (the bubble point rises with concentration),which may lead to SCC (Stress Corrosion Cracking) and stop of evaporation. In the present study, the R22 heat pump cycle system for multi-stage hypothermia evaporation concentrating NaOH solution was constructed, and it can avoid the above hazards effectively, so it ensures the continuity of the evaporation process; at the same time, it protects environment and saves energy. With the help of a combination model of exchanger (HeatX) and flash(Flash2) in Aspen Plus, the theoretical calculation and simulation analysis of the whole system were carried out.The compressor power consumption and the COP (Coefficient of Performance) of heat pump system are obtained.By comparing the simulation results and the thermodynamic calculation results, the source of deviation was analyzed, and the practical correction measures were proposed. The feasibility of this system is proved, which provides a reference method for subsequent in-depth analysis.

Heat pump; NaOH solution; Multi-stage evaporation concentration; System simulation; Aspen Plus software

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.103

*杜塏（1955-），男，教授，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)熱泵技術(shù)。聯(lián)系地址：南京四牌樓2號(hào)東南大學(xué)，郵編：210096。

聯(lián)系電話：13951895617。E-mail：du-kai@seu.edu.cn。