熱泵蒸發裝置的技術方案分析

楊榮欣陳東 謝繼紅 金程

（天津科技大學機械工程學院)

熱泵蒸發裝置的技術方案分析

楊榮欣*陳東 謝繼紅 金程

（天津科技大學機械工程學院)

熱泵蒸發技術具有能耗低、結構簡單等特點。給出了熱泵與蒸發單元相結合的五種典型技術方案，即蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發裝置、熱泵真空多效蒸發裝置、熱泵膜蒸餾裝置、空氣循環熱泵蒸發裝置、蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置。分別介紹了這些熱泵蒸發裝置的基本構成、工作過程和主要特點，可為工程實踐中選用適宜的熱泵蒸發裝置提供較好的參考。

熱泵蒸發能耗節能真空膜蒸餾加熱器

1 背景

蒸發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分離，以提高料液的濃度，或為溶質析出創造條件。蒸發在化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等領域有著廣泛的應用[1-4]。

蒸發過程中料液加熱需要熱源，蒸發所產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）并可同時制取多倍熱能和冷能的裝置，熱泵與蒸發單元結合具有結構緊湊、耗能少等突出優勢。熱泵與蒸發單元結合時可有多種技術方案，下面對五種典型技術方案進行介紹和對比分析。

2 蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發裝置

蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發裝置的基本構成如圖1所示。由圖1可見，蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發裝置由兩個處理單元組成：蒸汽處理單元和料液處理單元。蒸汽處理單元由壓縮機、加熱器及管路組成。料液處理單元由進料閥、蒸發器、放料閥及管路組成。

該裝置的工作過程為：蒸發器產生的二次蒸汽進入壓縮機，被壓縮升壓升溫后再進入蒸發器中的加熱器內，在加熱器管內冷凝放熱變為冷凝水排出；待濃縮的料液通過進料閥進入蒸發器，在蒸發器中被加熱沸騰，蒸汽從蒸發器上端排出，濃縮液在蒸發器下端經放料閥排出。

該裝置結構緊湊，壓縮機直接壓縮二次蒸汽的效率高，裝置運行的能耗低[5]；但要求進入壓縮機的二次蒸汽潔凈度高，料液處理量一般要求較大且運行工況相對穩定，處理蒸發溫度較低的熱敏料液時有一定難度。

圖1 蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發裝置

3 熱泵真空多效蒸發裝置

對于需要低溫蒸發濃縮的熱敏料液可采用熱泵真空多效蒸發裝置[6]。熱泵真空多效蒸發裝置的基本構成如圖2所示。

圖2 熱泵真空多效蒸發裝置

由圖2可見，熱泵真空多效蒸發裝置由三個處理單元組成：熱泵工質循環單元、料液處理單元和蒸汽處理單元。熱泵工質循環單元由壓縮機、一效加熱器、節流閥、冷卻器及管路組成，其中充注有熱泵工質；料液處理單元由進料閥、一效蒸發器、二效蒸發器、放料閥及管路組成；蒸汽處理單元由一效蒸發器、二效蒸發器、二效加熱器、蒸汽凝結器、汽液分離器、真空裝置、冷凝水儲罐及管路組成。

該裝置的工作過程為：在熱泵工質循環單元中，熱泵工質通過壓縮機壓縮，在一效蒸發器內的一效加熱器中冷凝放熱變為液態工質，經節流閥節流后變為低溫低壓工質進入蒸汽凝結器中的冷卻器內，在冷卻器內吸熱氣化變為低溫低壓蒸氣，再進入壓縮機進行下一輪循環；在料液處理單元中，料液由進料閥進入一效蒸發器后被一效加熱器加熱至沸騰狀態，蒸汽從一效蒸發器上部排出，中間液從一效蒸發器下部排出進入二效蒸發器，在二效蒸發器中被來自一效蒸發器的二次蒸汽加熱汽化，料液被進一步濃縮為濃縮液，通過二效蒸發器下端的放料閥排出；在蒸汽處理單元中，一效蒸發器產生的二次蒸汽進入到二效蒸發器內的二效加熱器中，二次蒸汽在二效加熱器中凝結放熱變為冷凝水進入汽液分離器；二效蒸發器產生的二次蒸汽進入蒸汽凝結器中被低溫熱泵工質冷卻為冷凝水進入汽液分離器，經汽液分離后排入冷凝水儲罐。整個裝置通過真空裝置的工作使一效蒸發器與二效蒸發器內的料液蒸發處于低于大氣壓的負壓狀態，因此可以通過控制一、二效蒸發器內的真空度來滿足不同熱敏料液的不同蒸發溫度要求。

熱泵真空多效蒸發裝置的基本特點為：料液蒸發可以在低溫低壓下進行，充分保護料液中的熱敏成分不被破壞，使濃縮液產品具有較好的品質；通過采用多效流程可以使熱能與冷能在前后效蒸發器之間梯級利用，使裝置能耗進一步降低；其不足是裝置運行需要配備真空裝置，因此對部件及管路的承壓與密封要求較高，維護管理較復雜。

4 熱泵膜蒸餾裝置

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

由圖3可見，熱泵膜蒸餾裝置由三個處理單元組成：熱泵工質循環單元、料液處理單元和冷凝水處理單元。熱泵工質循環單元由壓縮機、節流閥、加熱器、冷卻器及管路組成，其中充注有熱泵工質；料液處理單元由膜組件、料液循環泵、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

該裝置的工作過程：在熱泵工質循環單元中，熱泵工質通過壓縮機壓縮，所產生高溫高壓的工質在加熱器中冷凝放熱變為液態工質，經節流閥節流后變為低溫低壓工質進入冷卻器中，在冷卻器內吸熱氣化變為低溫低壓蒸氣，再進入壓縮機進行下一輪循環；在料液處理單元中，料液由進料閥進入加熱器，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，水蒸氣通過而其他成分無法通過的特性，因此料液在流過膜組件的料液側時形成水蒸氣穿過膜進入另一側，剩余部分再返回加熱器進行下一輪循環，實現料液中水分與其他溶質的分離，當料液濃縮達到一定濃度時，可通過放料閥排出裝置；在冷凝水處理單元中，料液中的水蒸氣穿過膜孔進入冷側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程中冷凝放熱，冷凝水溫度上升，經過冷凝水泵輸送到冷卻器中，被冷卻器中的低溫熱泵工質冷卻降溫，再返回到膜組件的冷凝水側繼續吸收跨膜水蒸氣；冷凝水經冷凝水閥排出裝置，通過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。

該裝置的主要特點為：料液中的水分能在疏水膜的表面實現汽化，料液可在常壓下實現低溫濃縮；熱泵為膜組件的熱側與冷側提供熱源與冷源，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，膜組件在工作中也需要考慮工作壽命與污染再生等問題，裝置的運行維護要求較高。

5 空氣循環熱泵蒸發裝置

當需要料液在常壓下低溫蒸發，又要求裝置運行維護簡單時，可考慮空氣循環熱泵蒸發裝置[7]。空氣循環熱泵蒸發裝置的基本構成如圖4所示。

圖4 空氣循環熱泵蒸發裝置

由圖4可見，空氣循環熱泵蒸發裝置由三個循環單元組成：熱泵工質循環單元、料液處理單元和空氣循環單元。熱泵工質循環單元由壓縮機、加熱器、節流閥、輔冷器、冷卻器及管路組成，其中充注有熱泵工質；料液處理單元由料液泵、進料放料閥、加熱器、噴頭、料液池、下隔板及管路組成；空氣循環單元由風機、冷卻器、上隔板、冷凝水池及管路組成。

該裝置的工作過程為：在熱泵工質循環單元中，熱泵工質通過壓縮機中壓縮所產生的高溫高壓工質在加熱器中冷凝放熱變為液態工質，經節流閥節流后變為低溫低壓工質進入輔冷器，經輔冷器預冷，再進入冷卻器，在冷卻器內吸熱氣化變為低溫低壓蒸氣，再進入壓縮機進行下一輪循環；在料液處理單元中，料液由料液池進入料液泵，送入加熱器被加熱升溫，升溫后的料液通過噴頭噴灑而下與逆流上升的循環空氣進行熱質交換，料液中的水分汽化進入空氣，被濃縮的料液繼續下落進入料液池，如此循環，料液池中的料液濃度不斷升高，當濃度達到設定值時，打開進料放料閥將濃縮液排出，再通過進料放料閥補充原料液；在空氣循環單元中，料液池上方吸收了料液中水分的空氣通過風機的運轉流往冷卻器，在冷卻器外被冷卻器中低溫的熱泵工質冷卻降溫，空氣中攜帶的水蒸氣被凝結為液滴，滴落至冷凝水池中，空氣再通過上隔板與下隔板之間的通道回到料液噴淋空間，再與料液逆流進行熱質交換，開始下一循環，當冷凝水中的液位達到一定高度時，打開冷凝水閥將冷凝水排出。

該裝置的主要特點為：由于通過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現料液的低溫濃縮（對于含有氧敏性成分的料液，可將空氣改為氮氣進行濃縮），裝置部件較簡單、運行維護要求低、工作壽命長；但是該裝置由于需要空氣循環，風道等部件占用空間較大，空氣作為載體在循環過程中要消耗少量無效熱能與冷能，裝置能量效率受到影響。

6 蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置

上述四種熱泵蒸發裝置均采用電能來驅動熱泵運行，當電能缺乏或較貴時，可考慮采用蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置[8]。蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置的基本構成如圖5所示。

圖5 蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置

由圖5可見，蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置由兩個處理單元組成：料液處理單元和蒸汽處理單元。料液處理單元由進料閥、蒸發器、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。

該裝置的工作過程為：在蒸汽處理單元中，料液蒸發產生的二次蒸汽被工作蒸汽在噴射器內產生的低壓吸入，工作蒸汽與二次蒸汽混合后產生的中壓加熱蒸汽進入蒸發器內的加熱器中，在加熱器中冷凝放熱，最后變為冷凝水排出裝置；在料液處理單元中，料液在蒸發器中被加熱器中的中壓蒸汽加熱升溫至沸騰，產生二次蒸汽由蒸發器的上端排出進入噴射器，濃縮液通過蒸發器下方的放料閥排出裝置。

該裝置的主要特點為：裝置運行靠工作蒸汽驅動，工作蒸汽可通過燃料燃燒與太陽能等方式生產，裝置運行幾乎不消耗電能，裝置中無運動部件，運行穩定可靠；但噴射器是靠高速工作蒸汽產生的真空來吸收蒸發器產生的二次蒸汽，其工作效率較低，同時在噴射器工作時內部存在分離渦流等不穩定流動狀態，噴射器內部流場較為復雜，對噴射器的設計要求較高。

7 結論與建議

熱泵與蒸發單元結合，組成熱泵蒸發裝置，具有結構緊湊、耗能少等突出優勢。熱泵與蒸發單元結合時，可有蒸汽直接壓縮式熱泵蒸發裝置、熱泵真空多效蒸發裝置、熱泵膜蒸餾裝置、空氣循環熱泵蒸發裝置、蒸汽噴射式熱泵蒸發裝置等技術方案。在實際運用中，可根據料液特性、生產規模及能源供應等狀況選擇適宜的熱泵蒸發方案，并針對蒸發工況對部件及裝置進行優化匹配。

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

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[3]鄭曉桂，阮奇，江浩，等.高效節能熱泵錯流多效蒸發復雜系統[J].計算機與應用化學，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系統的計算[J].現代化工，2013，33(8): 117-119.

[5]倪思梅，周亞素，石成君，等.機械蒸汽再壓縮系統的設計與分析[J].上海節能，2013(3)：39-42.

[6]周文生.基于熱泵原理的低溫蒸發器設計研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[7]謝繼紅，周紅，陳東.新型常壓低溫熱泵蒸發濃縮裝置[J].輕工機械,2008,26(1)：25-27.

[8]陶金亮.變工況蒸汽噴射式熱泵蒸發噴射器的實驗研究[D].天津：河北工業大學，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。