复叠式热功转换制热系统的性能分析

姚丽平 赵敬德 周亚素 姚洪谦 胡金良

1 东华大学环境科学与工程学院

2 威海双信节能环保设备有限公司

0 引言

印染行业是典型的高能耗、高水耗、高污染的三高行业。印染企业的部分工序如退浆、水洗、漂白、染色、干燥等需采用蒸汽作为热源，同时需要大量的自来水进行清洗，印染企业在大规模消耗能源与水资源的情况下，随之产生了大量难以处理的高温印染废水，若直接排放掉，不仅造成热量的浪费，而且也会使环境热污染效应加剧。因此，在印染厂进行废水余热回收是一项非常必要的工作，不仅可以提高能量利用率，还能起到保护环境的作用[1]。

对于印染废水的余热回收方式，目前国内外的余热回收方式主要有换热器余热回收，热泵机组余热回收以及一级换热器加热泵机组余热回收方式，但是对于换热器余热回收：换热不够彻底，使得制取的清水温度无法超过本身废热水的温度。对于热泵机组余热回收：废水不经预热直接进入热泵，制取高温的热水所需要的热泵功耗较大，且废水直接进入热泵蒸发器，会对蒸发器造成腐蚀。对于一级换热器加热泵机组的余热回收方式：只经过一次预热使得换热温差较大，无法达到热泵机组的最佳工况点[2-3]。因此本文在前人研究的基础上，并且结合实地调研的印染测试数据，提出一种复叠式热功转换制热系统进行余热回收，通过搭建实验平台来研究分析不同的运行工况对系统性能的影响。

1 实验系统与分析

1.1 实验系统

复叠式热功转换制热系统的实验装置系统如图1所示，工作过程如下：复叠式热功转换制热系统即两级预热式热泵换热系统，是由两级换热器加热泵机组组成，采用梯级换热模式（采用两级换热器对清水先进行预热，再进入热泵机组进行温度提升），废热水先经过一效换热器，与清水进行一次换热，温度下降，然后再经过二效换热器进行二次换热，温度再次下降，最后进入热泵机组进行换热，得到温度较低的废水。清水（冷水）先经过二效换热器，与经过一效换热器换热之后的废水进行换热，温度升高，再进入一效换热器进行换热，温度再次升高，最后进入热泵机组进行换热，得到温度较高并且符合工艺需求的热水。

在本实验系统内，需要使用到的参数测量仪器规格如表1 所示。

表1 测点位置以及测试仪器

1.2 实验评价指标

复叠式热功转换制热系统是通过消耗一定量的电能将印染废水中的低品位能源提取出来，因此该系统对于能量消耗的多少，是一个非常重要的技术和经济指标。目前，比较复叠式热功转换制热系统的能量效率，通常采用该系统的性能系数即系统能效比COP作为其评价的依据和标准，系统能效比COP 是能源转换效率之比，能效比越大，代表系统的节能效率越好，在稳态下，复叠式热功转换制热系统的能效比COP 的计算基本方程如下：

式中：COP-系统能效比；Qqx-系统制热量，W；W-系统耗电量，W；mq-清水侧冷水流量，m3/h；C-清水侧冷水比热容，4.2 kJ/(kg·℃)；tqi1-清水侧进口温度，℃；tqo3-清水侧出口温度，℃。

2 结果对比分析

2.1 废水侧进口温度对系统的影响

在复叠式热功转换制热系统的实验稳定运行的过程中，保持清水侧进口温度维持在20 ℃，清水侧进口流量维持在10 m3/h 以及废水侧进口流量维持在15 m3/h 不变，随着废水侧进口的温度从40 ℃变化到70 ℃，复叠式热功转换制热系统的性能会产生较为明显的变化，其变化关系曲线图如图2、图3 所示。

图2 系统制热量、耗电量随废水侧进口温度变化关系

图3 系统能效比COP 随废水侧进口温度变化关系

由图2、图3 可知，随着废水侧进口温度的增加，系统制热量先增加后减小。当废水侧进口温度在66 ℃左右时，系统制热量达到最大。而系统耗电量则是一直增加，但是其增加速率先是较为平缓，且系统制热量的增加趋势大于耗电量的增加趋势，而当废水侧进口温度在66 ℃左右时，系统耗电量的增加速率变得较为急剧。因此由系统能效比COP 的计算公式（1）可知，系统能效比COP 随着废水侧进口温度的增加先增大后减小，当废水侧进口温度在66 ℃左右时，系统能效比COP 可以达到11.9。

随着废水侧进口温度的升高，则蒸发温度与蒸发压力也会随之增高，冷凝压力几乎不变，则压缩机吸排气压比会增大，而制冷剂流量就会因为压缩机吸排气压比的增大而增大，由于制冷剂流量的变大，且此时过热度没有达到0 K，系统制热量亦随之增大。随着废水侧温度增加到一定值时，此时过热度达到0 K，制热量达到最大。当再继续增加温度时，压缩机吸气口制冷剂无过热度后，压缩机开始吸气带液，冷凝器换热焓差减小，制冷剂流量下降，制热量减小，则取热量也会下降，而且同时，系统耗功（主要为压缩机耗功）随压缩机吸排气压比的增大而增大，但是系统制热量升高的趋势大于系统耗电量升高的趋势，所以系统COP随之增加。由于吸气带液增大了压缩机膨胀比体积，降低了容积效率和等熵压缩效率，因此耗电量增加的速率加快，系统能效比COP 开始下降。

2.2 清水侧进口温度对系统的影响

在复叠式热功转换制热系统的实验稳定运行的过程中，保持废水侧进口温度维持在60 ℃，废水侧进口流量维持在15 m3/h 以及清水侧进口流量维持在10 m3/h 不变，随着清水侧进口温度从20 ℃变化到25 ℃，复叠式热功转换制热系统的性能会产生较为明显的变化，其变化曲线图关系如图4、图5 所示。

图4 系统制热量、耗电量随清水侧进口温度变化关系

图5 系统能效比COP 随清水侧进口温度变化关系

由图4、图5 可知，随着清水侧进口温度从20 ℃增加到25 ℃左右时，系统制热量一直减小，系统耗电量一直减小，当清水侧进口温度在20 ℃时，系统制热量，取热量以及耗电量达到最大。因此由系统能效比COP 的计算公式（1）可知，系统能效比COP 随着清水侧进口温度的增加先增大后减小。当清水侧进口温度在20 ℃时，系统能效比COP 可以达到11.3。

随着清水侧进口温度的升高，则会导致系统接近稳定状态运行时，冷凝压力也会随之增高，蒸发压力几乎不变，则压缩机吸排气压比会减小，而制冷剂流量就会因为压缩机吸排气压比的减小而减小。因为制冷剂流量的减小，所以制热量减小，同时，系统耗功（主要为压缩机耗功）随压缩机吸排气压比的减小而减小，但是系统制热量降低的趋势小于系统耗电量降低的趋势，系统能效比COP 开始下降。

2.3 废水侧进口流量对系统的影响

在复叠式热功转换制热系统的实验稳定运行的过程中，保持清水侧进口温度维持在20 ℃，清水侧进口流量维持在10 m3/h 以及废水侧进口温度维持在60 ℃不变。随着废水侧进口流量从10 m3/h 变化到20 m3/h，复叠式热功转换制热系统的性能会产生较为明显的变化，其变化曲线图关系如图6、图7 所示。

图6 系统制热量、耗电量随废水侧进口流量变化关系

图7 系统能效比COP 随废水侧进口流量变化关系

由图6、图7 可知，随着废水侧进口流量的增加，系统制热量先增加后减小。当废水侧进口流量增加到在17 m3/h 左右时，系统制热量与取热量最大。而系统耗电量则是随着废水侧进口流量的增加一直增加，但是耗电量的增加速率先是较为平缓，且系统制热量的增加趋势大于系统耗电量的增加趋势。当废水侧进口流量在17 m3/h 左右时，系统耗电量的增加速率变得较为急剧。由系统能效比COP 的计算公式可知，系统能效比COP 随着废水侧进口温度的增加先增大后减小。当废水侧进口流量在17 m3/h 左右时，系统能效比COP 可以达到11.88。

随着废水侧进口流量的升高，则会导致系统接近稳定状态运行时，蒸发压力也会随之增高，冷凝压力几乎不变，则压缩机吸排气压比会增大。而制冷剂流量就会因为压缩机吸排气压比的增大而增大，由于制冷剂流量的变大，且此时过热度没有达到0 K，系统制热量亦随之增大。随着废水侧进口流量增加到一定值时，此时过热度达到0 K，制热量达到最大。当再继续增加流量时，压缩机吸气口制冷剂无过热度后，压缩机开始吸气带液，冷凝器换热焓差减小，制冷剂流量下降，制热量减小，则取热量也会下降，而且同时，系统耗功（主要为压缩机耗功）随压缩机吸排气压比的增大而增大，但是系统制热量升高的趋势大于系统耗电量升高的趋势，所以系统COP 随之增加，由于吸气带液增大了压缩机膨胀比体积，降低了容积效率和等熵压缩效率，因此耗电量增加的速率加快，系统能效比COP 开始下降。

2.4 清水侧进口流量对系统的影响

在复叠式热功转换制热系统的实验稳定运行的过程中，保持废水侧进口温度维持在60 ℃，废水侧进口流量维持在15 m3/h 以及清水侧进口温度维持在20 ℃不变。随着清水侧进口流量从10 m3/h 变化到20 m3/h，复叠式热功转换制热系统的性能会产生较为明显的变化，其变化关系曲线图如图8、图9 所示。

图8 系统制热量、耗电量随清水侧进口流量变化关系

图9 系统能效比COP 随清水侧进口流量变化关系

由图8、图9 可知，随着清水侧进口流量从10 m3/h增加到20 m3/h，左右时，系统制热量一直减小，系统耗电量也是一直减小。当清水侧进口流量在10 m3/h 左右时，系统制热量以及耗电量在流量范围之内最大。由系统能效比COP 的计算公式可知，系统能效比COP 随着清水侧进口温度的增加而减小，当清水侧进口流量在10 m3/h 左右时，系统能效比COP 为11.25。

随着清水侧进口流量的升高，则会导致系统接近稳定状态运行时，冷凝压力也会随之增高，蒸发压力几乎不变，所以压缩机吸排气压比会减小。而制冷剂流量会因为压缩机吸排气压比的减小而减小。因为制冷剂流量的减小，所以制热量减小，同时系统耗功（主要为压缩机耗功）随压缩机吸排气压比的减小而减小。由于系统制热量下降的速率小于系统耗电量下降的速率，因此系统能效比COP 也呈现减小的趋势。

3 结论

通过搭建实验系统，对不同的运行工况对系统性能的影响进行实验研究以及分析，得到如下结论：

1）在系统允许的运行工况范围之内，随废水侧进口温度升高，系统制热量先增加后减小，系统耗电量一直增加，并且其增加速率先平缓后急剧，且制热量增加速率大于耗电量增加速率，因而系统能效比COP先增加后减小。当废水侧进口温度为66 ℃时，系统性能达到最优化。

2）随清水侧进口温度的升高，系统制热量，耗电量以及系统能效比COP 都呈现减小的趋势。当清水侧进口温度为20 ℃时，系统性能达到最优化。

3）随废水侧进口流量升高，系统制热量先增加后减小，系统耗电量一直增加，并且其增加速率先平缓后急剧，且制热量增加速率大于耗电量增加速率，因而系统能效比COP 先增加后减小。当废水侧进口温度为17 m3/h 时，系统性能达到最优化。

4）随清水侧进口流量的升高，系统总制热量，耗电量以及系统能效比COP 都呈现减小的趋势。当清水侧进口温度为10 m3/h 时，系统性能达到最优化。