熱泵蒸發(fā)裝置的技術(shù)方案分析

楊榮欣陳東 謝繼紅 金程

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

熱泵蒸發(fā)裝置的技術(shù)方案分析

楊榮欣*陳東 謝繼紅 金程

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

熱泵蒸發(fā)技術(shù)具有能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。給出了熱泵與蒸發(fā)單元相結(jié)合的五種典型技術(shù)方案，即蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發(fā)裝置、熱泵真空多效蒸發(fā)裝置、熱泵膜蒸餾裝置、空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置、蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置。分別介紹了這些熱泵蒸發(fā)裝置的基本構(gòu)成、工作過(guò)程和主要特點(diǎn)，可為工程實(shí)踐中選用適宜的熱泵蒸發(fā)裝置提供較好的參考。

熱泵蒸發(fā)能耗節(jié)能真空膜蒸餾加熱器

1 背景

蒸發(fā)是料液處理的基本單元之一，即用加熱料液的方法，使料液中的溶劑汽化從而與溶質(zhì)分離，以提高料液的濃度，或?yàn)槿苜|(zhì)析出創(chuàng)造條件。蒸發(fā)在化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。

蒸發(fā)過(guò)程中料液加熱需要熱源，蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝又需要冷源。而熱泵是消耗少量電能（或燃料能）并可同時(shí)制取多倍熱能和冷能的裝置，熱泵與蒸發(fā)單元結(jié)合具有結(jié)構(gòu)緊湊、耗能少等突出優(yōu)勢(shì)。熱泵與蒸發(fā)單元結(jié)合時(shí)可有多種技術(shù)方案，下面對(duì)五種典型技術(shù)方案進(jìn)行介紹和對(duì)比分析。

2 蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發(fā)裝置

蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發(fā)裝置的基本構(gòu)成如圖1所示。由圖1可見，蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發(fā)裝置由兩個(gè)處理單元組成：蒸汽處理單元和料液處理單元。蒸汽處理單元由壓縮機(jī)、加熱器及管路組成。料液處理單元由進(jìn)料閥、蒸發(fā)器、放料閥及管路組成。

該裝置的工作過(guò)程為：蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮升壓升溫后再進(jìn)入蒸發(fā)器中的加熱器內(nèi)，在加熱器管內(nèi)冷凝放熱變?yōu)槔淠懦觯淮凉饪s的料液通過(guò)進(jìn)料閥進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中被加熱沸騰，蒸汽從蒸發(fā)器上端排出，濃縮液在蒸發(fā)器下端經(jīng)放料閥排出。

該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，壓縮機(jī)直接壓縮二次蒸汽的效率高，裝置運(yùn)行的能耗低[5]；但要求進(jìn)入壓縮機(jī)的二次蒸汽潔凈度高，料液處理量一般要求較大且運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定，處理蒸發(fā)溫度較低的熱敏料液時(shí)有一定難度。

圖1 蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發(fā)裝置

3 熱泵真空多效蒸發(fā)裝置

對(duì)于需要低溫蒸發(fā)濃縮的熱敏料液可采用熱泵真空多效蒸發(fā)裝置[6]。熱泵真空多效蒸發(fā)裝置的基本構(gòu)成如圖2所示。

圖2 熱泵真空多效蒸發(fā)裝置

由圖2可見，熱泵真空多效蒸發(fā)裝置由三個(gè)處理單元組成：熱泵工質(zhì)循環(huán)單元、料液處理單元和蒸汽處理單元。熱泵工質(zhì)循環(huán)單元由壓縮機(jī)、一效加熱器、節(jié)流閥、冷卻器及管路組成，其中充注有熱泵工質(zhì)；料液處理單元由進(jìn)料閥、一效蒸發(fā)器、二效蒸發(fā)器、放料閥及管路組成；蒸汽處理單元由一效蒸發(fā)器、二效蒸發(fā)器、二效加熱器、蒸汽凝結(jié)器、汽液分離器、真空裝置、冷凝水儲(chǔ)罐及管路組成。

該裝置的工作過(guò)程為：在熱泵工質(zhì)循環(huán)單元中，熱泵工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，在一效蒸發(fā)器內(nèi)的一效加熱器中冷凝放熱變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪汗べ|(zhì)進(jìn)入蒸汽凝結(jié)器中的冷卻器內(nèi)，在冷卻器內(nèi)吸熱氣化變?yōu)榈蜏氐蛪赫魵猓龠M(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行下一輪循環(huán)；在料液處理單元中，料液由進(jìn)料閥進(jìn)入一效蒸發(fā)器后被一效加熱器加熱至沸騰狀態(tài)，蒸汽從一效蒸發(fā)器上部排出，中間液從一效蒸發(fā)器下部排出進(jìn)入二效蒸發(fā)器，在二效蒸發(fā)器中被來(lái)自一效蒸發(fā)器的二次蒸汽加熱汽化，料液被進(jìn)一步濃縮為濃縮液，通過(guò)二效蒸發(fā)器下端的放料閥排出；在蒸汽處理單元中，一效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入到二效蒸發(fā)器內(nèi)的二效加熱器中，二次蒸汽在二效加熱器中凝結(jié)放熱變?yōu)槔淠M(jìn)入汽液分離器；二效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入蒸汽凝結(jié)器中被低溫?zé)岜霉べ|(zhì)冷卻為冷凝水進(jìn)入汽液分離器，經(jīng)汽液分離后排入冷凝水儲(chǔ)罐。整個(gè)裝置通過(guò)真空裝置的工作使一效蒸發(fā)器與二效蒸發(fā)器內(nèi)的料液蒸發(fā)處于低于大氣壓的負(fù)壓狀態(tài)，因此可以通過(guò)控制一、二效蒸發(fā)器內(nèi)的真空度來(lái)滿足不同熱敏料液的不同蒸發(fā)溫度要求。

熱泵真空多效蒸發(fā)裝置的基本特點(diǎn)為：料液蒸發(fā)可以在低溫低壓下進(jìn)行，充分保護(hù)料液中的熱敏成分不被破壞，使?jié)饪s液產(chǎn)品具有較好的品質(zhì)；通過(guò)采用多效流程可以使熱能與冷能在前后效蒸發(fā)器之間梯級(jí)利用，使裝置能耗進(jìn)一步降低；其不足是裝置運(yùn)行需要配備真空裝置，因此對(duì)部件及管路的承壓與密封要求較高，維護(hù)管理較復(fù)雜。

4 熱泵膜蒸餾裝置

當(dāng)料液為熱敏料液，需要低溫蒸發(fā)，同時(shí)出于裝置投資等考慮，不適宜采用熱泵真空多效蒸發(fā)裝置時(shí)，可以考慮采用熱泵膜蒸餾裝置。熱泵膜蒸餾裝置的基本構(gòu)成如圖3所示。

由圖3可見，熱泵膜蒸餾裝置由三個(gè)處理單元組成：熱泵工質(zhì)循環(huán)單元、料液處理單元和冷凝水處理單元。熱泵工質(zhì)循環(huán)單元由壓縮機(jī)、節(jié)流閥、加熱器、冷卻器及管路組成，其中充注有熱泵工質(zhì)；料液處理單元由膜組件、料液循環(huán)泵、加熱器及管路組成；冷凝水處理單元由膜組件、冷凝水泵、冷卻器及管路組成。

圖3 熱泵膜蒸餾裝置

該裝置的工作過(guò)程：在熱泵工質(zhì)循環(huán)單元中，熱泵工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，所產(chǎn)生高溫高壓的工質(zhì)在加熱器中冷凝放熱變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪汗べ|(zhì)進(jìn)入冷卻器中，在冷卻器內(nèi)吸熱氣化變?yōu)榈蜏氐蛪赫魵猓龠M(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行下一輪循環(huán)；在料液處理單元中，料液由進(jìn)料閥進(jìn)入加熱器，由料液泵送入膜組件，膜組件中的膜是由疏水材料組成，具有允許料液中，水蒸氣通過(guò)而其他成分無(wú)法通過(guò)的特性，因此料液在流過(guò)膜組件的料液側(cè)時(shí)形成水蒸氣穿過(guò)膜進(jìn)入另一側(cè)，剩余部分再返回加熱器進(jìn)行下一輪循環(huán)，實(shí)現(xiàn)料液中水分與其他溶質(zhì)的分離，當(dāng)料液濃縮達(dá)到一定濃度時(shí)，可通過(guò)放料閥排出裝置；在冷凝水處理單元中，料液中的水蒸氣穿過(guò)膜孔進(jìn)入冷側(cè)后被溫度較低的冷凝水冷凝液化，跨膜蒸汽在冷凝液化的過(guò)程中冷凝放熱，冷凝水溫度上升，經(jīng)過(guò)冷凝水泵輸送到冷卻器中，被冷卻器中的低溫?zé)岜霉べ|(zhì)冷卻降溫，再返回到膜組件的冷凝水側(cè)繼續(xù)吸收跨膜水蒸氣；冷凝水經(jīng)冷凝水閥排出裝置，通過(guò)控制冷凝水閥的開度，可使冷凝水排出量和跨膜水蒸氣的量相匹配。

該裝置的主要特點(diǎn)為：料液中的水分能在疏水膜的表面實(shí)現(xiàn)汽化，料液可在常壓下實(shí)現(xiàn)低溫濃縮；熱泵為膜組件的熱側(cè)與冷側(cè)提供熱源與冷源，裝置能耗較低；但目前膜組件的品類較少，尤其與熱泵相匹配的專用膜組件還有待開發(fā)，膜組件在工作中也需要考慮工作壽命與污染再生等問(wèn)題，裝置的運(yùn)行維護(hù)要求較高。

5 空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置

當(dāng)需要料液在常壓下低溫蒸發(fā)，又要求裝置運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單時(shí)，可考慮空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置[7]。空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置的基本構(gòu)成如圖4所示。

圖4 空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置

由圖4可見，空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置由三個(gè)循環(huán)單元組成：熱泵工質(zhì)循環(huán)單元、料液處理單元和空氣循環(huán)單元。熱泵工質(zhì)循環(huán)單元由壓縮機(jī)、加熱器、節(jié)流閥、輔冷器、冷卻器及管路組成，其中充注有熱泵工質(zhì)；料液處理單元由料液泵、進(jìn)料放料閥、加熱器、噴頭、料液池、下隔板及管路組成；空氣循環(huán)單元由風(fēng)機(jī)、冷卻器、上隔板、冷凝水池及管路組成。

該裝置的工作過(guò)程為：在熱泵工質(zhì)循環(huán)單元中，熱泵工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)中壓縮所產(chǎn)生的高溫高壓工質(zhì)在加熱器中冷凝放熱變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪汗べ|(zhì)進(jìn)入輔冷器，經(jīng)輔冷器預(yù)冷，再進(jìn)入冷卻器，在冷卻器內(nèi)吸熱氣化變?yōu)榈蜏氐蛪赫魵猓龠M(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行下一輪循環(huán)；在料液處理單元中，料液由料液池進(jìn)入料液泵，送入加熱器被加熱升溫，升溫后的料液通過(guò)噴頭噴灑而下與逆流上升的循環(huán)空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，料液中的水分汽化進(jìn)入空氣，被濃縮的料液繼續(xù)下落進(jìn)入料液池，如此循環(huán)，料液池中的料液濃度不斷升高，當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開進(jìn)料放料閥將濃縮液排出，再通過(guò)進(jìn)料放料閥補(bǔ)充原料液；在空氣循環(huán)單元中，料液池上方吸收了料液中水分的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)流往冷卻器，在冷卻器外被冷卻器中低溫的熱泵工質(zhì)冷卻降溫，空氣中攜帶的水蒸氣被凝結(jié)為液滴，滴落至冷凝水池中，空氣再通過(guò)上隔板與下隔板之間的通道回到料液噴淋空間，再與料液逆流進(jìn)行熱質(zhì)交換，開始下一循環(huán)，當(dāng)冷凝水中的液位達(dá)到一定高度時(shí)，打開冷凝水閥將冷凝水排出。

該裝置的主要特點(diǎn)為：由于通過(guò)常壓空氣將料液中的水分帶出，因此該裝置可以在常壓下實(shí)現(xiàn)料液的低溫濃縮（對(duì)于含有氧敏性成分的料液，可將空氣改為氮?dú)膺M(jìn)行濃縮），裝置部件較簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)要求低、工作壽命長(zhǎng)；但是該裝置由于需要空氣循環(huán)，風(fēng)道等部件占用空間較大，空氣作為載體在循環(huán)過(guò)程中要消耗少量無(wú)效熱能與冷能，裝置能量效率受到影響。

6 蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置

上述四種熱泵蒸發(fā)裝置均采用電能來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行，當(dāng)電能缺乏或較貴時(shí)，可考慮采用蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置[8]。蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置的基本構(gòu)成如圖5所示。

圖5 蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置

由圖5可見，蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置由兩個(gè)處理單元組成：料液處理單元和蒸汽處理單元。料液處理單元由進(jìn)料閥、蒸發(fā)器、放料閥及管路組成；蒸汽處理單元由噴射器、加熱器及管路組成。

該裝置的工作過(guò)程為：在蒸汽處理單元中，料液蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽被工作蒸汽在噴射器內(nèi)產(chǎn)生的低壓吸入，工作蒸汽與二次蒸汽混合后產(chǎn)生的中壓加熱蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的加熱器中，在加熱器中冷凝放熱，最后變?yōu)槔淠懦鲅b置；在料液處理單元中，料液在蒸發(fā)器中被加熱器中的中壓蒸汽加熱升溫至沸騰，產(chǎn)生二次蒸汽由蒸發(fā)器的上端排出進(jìn)入噴射器，濃縮液通過(guò)蒸發(fā)器下方的放料閥排出裝置。

該裝置的主要特點(diǎn)為：裝置運(yùn)行靠工作蒸汽驅(qū)動(dòng)，工作蒸汽可通過(guò)燃料燃燒與太陽(yáng)能等方式生產(chǎn)，裝置運(yùn)行幾乎不消耗電能，裝置中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；但噴射器是靠高速工作蒸汽產(chǎn)生的真空來(lái)吸收蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽，其工作效率較低，同時(shí)在噴射器工作時(shí)內(nèi)部存在分離渦流等不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，噴射器內(nèi)部流場(chǎng)較為復(fù)雜，對(duì)噴射器的設(shè)計(jì)要求較高。

7 結(jié)論與建議

熱泵與蒸發(fā)單元結(jié)合，組成熱泵蒸發(fā)裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、耗能少等突出優(yōu)勢(shì)。熱泵與蒸發(fā)單元結(jié)合時(shí)，可有蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發(fā)裝置、熱泵真空多效蒸發(fā)裝置、熱泵膜蒸餾裝置、空氣循環(huán)熱泵蒸發(fā)裝置、蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)裝置等技術(shù)方案。在實(shí)際運(yùn)用中，可根據(jù)料液特性、生產(chǎn)規(guī)模及能源供應(yīng)等狀況選擇適宜的熱泵蒸發(fā)方案，并針對(duì)蒸發(fā)工況對(duì)部件及裝置進(jìn)行優(yōu)化匹配。

[1]謝玉健，洪厚勝，王亞利.間隔式熱泵流程在多效蒸發(fā)中的應(yīng)用研究[J].鹽業(yè)與化工，2008，37(5)：23-27.

[2]李東山.多效蒸發(fā)節(jié)能的研究[J].包裝與食品機(jī)械，2002(6)：5-8.

[3]鄭曉桂，阮奇，江浩，等.高效節(jié)能熱泵錯(cuò)流多效蒸發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2014，31(12): 1531-1538.

[4]邢曉康，魏峰，史曉平，等.三效順流蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的計(jì)算[J].現(xiàn)代化工，2013，33(8): 117-119.

[5]倪思梅，周亞素，石成君，等.機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[J].上海節(jié)能，2013(3)：39-42.

[6]周文生.基于熱泵原理的低溫蒸發(fā)器設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[7]謝繼紅，周紅，陳東.新型常壓低溫?zé)岜谜舭l(fā)濃縮裝置[J].輕工機(jī)械,2008,26(1)：25-27.

[8]陶金亮.變工況蒸汽噴射式熱泵蒸發(fā)噴射器的實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2004.

Analysis of Technical Solution for Heat Pump Evaporation Equipment

Yang RongxinChen DongXie JihongJin Cheng

Heat pump evaporation has many characteristics such as low energy consumption and simple structure.Five typical plans are given,including direct vapor-compression heat pump evaporation equipment, vacuum multi-effect evaporation equipment based on heat pump,membrane distillation equipment with heat pump, heat pump evaporation equipment based on air circulation,and steam jet heat pump evaporation equipment. Fundamental structures,working processes and main characteristics of the five programs are introduced respectively, which provides good references for choosing suitable heat pump evaporation equipment in engineering practice.

Heat pump;Evaporation;Energy consumption;Energy-saving;Vacuum;Membrane distillation; Heater

TQ 028.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.002

2016-07-15）

*楊榮欣，男，1992年生，碩士研究生。天津市，300222。