水蒸汽再压缩热泵系统的性能分析

　　0 引言

　　世界经济的现代化，建筑在化石能源的基础之上。然而，这一经济发展的资源载体将在 21世纪上半叶迅速地接近枯竭。能源总量上供不应求，供需差距越来越大，全球面临着严峻的能源危机。

　　而热泵因其热量倍增和提高能源有效利用率的特点，早已被认为是工业过程合理化和实现节能的最合适的基本途径之一，有助于缓解当今世界严峻的能源形势。

　　臭氧层耗减和全球温暖化进程的加剧，已成为日益严峻的全球环境问题。氯氟烃类工质对臭氧层有破坏作用且产生温室效应，已被叫停;ODP 为0的HFC 也只能是过渡替代物而非长久之计。人工合成制冷剂绝大部分将扩散到大气中，有的在大气中存留数百年，有的分解后会产生副作用或有害物质，始终对地球的生态环境存在着潜在的危险，且对地球生态环境的长期影响，短期内也难以预料[1]。

　　水作为优秀的替代工质，受到世界范围的广泛关注和研究，且具有如下优点：1)水是纯粹的天然工质，对环境极为友好，ODP和GWP值均为0;2)水在安全性方面极佳，既不会发生火灾，也没有爆炸危险;3)水是除了空气以外最为廉价最容易获得的工质;4)水既是制冷剂又是载冷剂，因而可以大大降低系统的复杂性;5)水应用于系统时的能效很高[2]。因而水作为重要的替代工质，有助于缓解环境危机，已被推广应用于热泵、海水淡化、冷水机组等多个方面。

　　1 水蒸气蒸发再压缩热泵系统

　　水作为制冷剂应用于热泵的典型系统，即为蒸汽再压缩(VRC=Vapor Recompression)系统，也称为机 械 式 蒸 汽 再 压 缩(MVR=Mechanical VaporRecompression)系统[3]。其原理是将蒸发器产生的二次蒸汽经过压缩机压缩，使其压力、温度上升，增加热焓之后，再作为蒸发器的热源使用，将二次蒸汽中的潜热得到充分利用，从而达到节能目的，又因为只是用了水这一种工质，因而十分环保[4]。

　　近年来国外采用的高效蒸汽压缩式热泵用于有机物的分离。在物料的浓缩工艺中，只需将蒸发装置产生的废蒸汽提高几度温度，便可重复用之于装置的加热;热泵正是这种提升温度的设备，并且性能系数极高。因此，蒸汽压缩式热泵在精细化工产品蒸发和浓缩设备中大有用武之地[5]。

　　本文尝试仿照传统的蒸汽压缩式系统，设计了一种应用于蒸发精馏的开式水蒸汽蒸发再压缩热泵系统，并在蒸发换热装置能够充分换热的前提下，在不同的工况条件下，对系统的排气温度、进料温度、电动机功率、换热量和能效比进行分析计算，从而得出系统参数和性能指标的变化规律。因为只是模拟计算，所以系统中的物料我们用水来代替;其中的蒸发装置，类似于吸收式制冷中的发生器;对于压缩机，考虑到润滑油可能对溶液造成污染，对产品的品质造成破坏，选用的压缩机必须在无油条件下运行，又考虑到必须克服水对压缩机的影响，以及系统对压力的要求，在与多种压缩机进行对比之后，我们选择了罗茨鼓风机。罗茨鼓风机的特点是：启动快，耗功少，运转维护费用低，抽速大、效率高，对被抽气体中所含的水蒸汽和灰尘不敏感，腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对系统的污染[6]。