熱泵式冷凍濃縮裝置的研制及其性能實驗

李銀星 陳東 郭全舉 謝繼紅 樊佳琪 金程

（天津科技大學機械工程學院）

應用研究

熱泵式冷凍濃縮裝置的研制及其性能實驗

李銀星*陳東 郭全舉 謝繼紅 樊佳琪 金程

（天津科技大學機械工程學院）

冷凍濃縮具有能耗小、設備腐蝕弱、產品質量好等特點，特別適合食品、生物、醫藥、化工等行業中熱敏性料液的濃縮處理。給出了一種熱泵式冷凍濃縮裝置，對其構成、工作過程、應用特點進行了系統介紹，并以質量分數為5‰和10‰的NaCl水溶液進行實驗，研究了該裝置工作時料液預冷、結冰速率、鹽分去除率、融冰速率的變化規律，為該裝置的工程應用提供了較好的參考。

熱泵 冷凍 濃縮 熱敏性 換熱器 分離 結冰

0 背景

冷凍濃縮是使料液中水分結冰而實現料液濃縮的處理方法，在常壓、0℃以下的低溫條件下進行，可最大限度地保留料液中的有益成分[1-3]，在食品、生物、醫藥、化工等領域有著廣闊的應用前景。

根據料液中水分結冰方式不同，冷凍濃縮可分為懸浮結晶冷凍濃縮和界面漸進冷凍濃縮。前者料液在換熱器中預冷后泵入再結晶罐，發生奧斯特瓦爾德效應生成冰晶，再通過洗凈塔洗凈冰晶上的料液，此方法設備復雜，操作要求較高。后者是通過冷介質將固體壁面降溫至冰點以下，料液中的水分在固體壁面結冰，再通過適當方法將冰層與固體壁面或料液分離，此方法設備簡單，控制方便，具有較好的綜合應用優勢[4-6]。

基于此，研制了一種采用界面漸進原理、半連續工作、便于處理小批量料液的熱泵式冷凍濃縮裝置，對其工作原理及應用效果進行了系統介紹。

1 熱泵式冷凍濃縮裝置的工作原理

熱泵式冷凍濃縮裝置的基本構成和工作原理如圖1所示。

圖1 熱泵式冷凍濃縮裝置結構原理

由圖1可見，熱泵式冷凍濃縮裝置由結冰融冰單元、料液循環單元和冰水循環單元構成。結冰融冰單元由壓縮機、輔冷器、換向閥、換熱器2、節流閥和換熱器1組成；料液循環單元由料液罐、料液泵和濃液閥組成；冰水循環單元由冰水罐、冰水泵和冰水閥組成。裝置工作時，結冰融冰單元可固定不動，而料液循環單元和冰水循環單元整體升降和旋轉；也可料液循環單元和冰水循環單元固定不動，而結冰融冰單元升降和旋轉。下面以后者為例介紹其工作過程。

熱泵式冷凍分離裝置是周期性半連續工作的，每個周期包含兩個工作階段：冷凍模式階段和熱泵模式階段。冷凍模式時，如圖1（a）所示，換熱器1在料液罐中，換熱器2在冰水罐中，壓縮機工作，低溫液態制冷劑在換熱器1內蒸發吸熱使換熱器外壁冷卻，料液罐中的料液溫度降低，料液中的水分沿著換熱器外壁結冰，料液增濃，壓縮機排出的高溫制冷劑加熱換熱器2外的冰層，冰層逐漸融化。當換熱器1表面的冰層達到一定厚度時，冷凍模式階段結束，壓縮機停機，結冰融冰單元升起，使換熱器1和換熱器2提升出料液罐和冰水罐，結冰融冰單元旋轉180°，再下降把換熱器1放入冰水罐中，把換熱器2放入料液罐中，換向閥轉向，裝置進入熱泵模式階段。在熱泵模式階段，如圖1（b）所示，壓縮機排出的高溫工質經輔冷器和換向閥后進入換熱器1，加熱冷凍模式階段換熱器表面所結的冰，熱泵工質出換熱器1并經節流閥降壓閃蒸后產生的低溫工質進入換熱器2內，在換熱器2內吸熱制冷使料液中的水分在換熱器表面結冰，料液被濃縮；當換熱器2表面的冰層達到一定厚度且換熱器1表面在冷凍模式階段所結的冰融化完畢時，壓縮機停機，熱泵模式結束，結冰融冰單元再提升、旋轉180°、放下，裝置再開始下一周期的冷凍模式階段。裝置按此一側結冰、一側融冰的模式循環工作，料液不斷增濃，當濃度滿足要求后，打開濃液閥將濃縮液排出，打開冰水閥將融冰水排出。

熱泵式冷凍濃縮裝置結構簡單、操作方便、料液適應性好、運行參數調控方便，較適于小批量料液處理。

2 熱泵式冷凍濃縮實驗裝置的研制

所研制的熱泵式冷凍濃縮實驗裝置結冰融冰單元照片如圖2所示。

圖2 結冰融冰單元

熱泵式冷凍濃縮實驗裝置中主要部件和實驗所用儀表的規格參數如表1所示。

表1 主要部件和儀表的規格參數

3 熱泵式冷凍濃縮裝置的性能實驗

料液采用質量分數為5‰的NaCl水溶液10 L，注入料液罐中；冰水采用自來水10 L，也注入冰水罐。

（1）料液預冷實驗

實驗裝置首次開機時，需把料液從室溫預冷到3℃左右；預冷時有料液泵運行和料液泵不運行兩種方式，其預冷效果如圖3所示。

圖3 料液溫度隨時間的變化

由圖3可見，采用料液泵循環時，不但料液降溫平穩，且降溫速度較快；而不采用料液泵循環時，料液降溫慢，且料液罐內溫度分布不均勻，易導致預冷過程中料液溫度波動。所以，預冷階段應采用料液泵循環方式。

（2）結冰速率實驗

換熱器表面冰層厚度不同時，結冰速率的變化規律如圖4所示。

圖4 結冰速率隨冰層厚度變化的規律

結冰速率受冰層厚度、換熱器內工質溫度和換熱器外料液溫度的影響。隨著冰層厚度的增加，結冰速率迅速下降。但當冰層厚度超過5 mm時，由于工質過冷度加大，結冰速率又略有上升，此時冰中溶質的夾帶量也相對較多。因此裝置工作時，結冰厚度以不超過5 mm為宜。

（3）鹽分去除率實驗

料液中水分冷凍結冰時會夾帶少量溶質成分。當NaCl水溶液濃度為5‰和10‰料液時，其冰層中NaCl夾帶如圖5所示。

圖5 含鹽量隨鹽水濃度的變化規律

由圖5可見，料液濃度增加，冰中含NaCl量也增加，而冰中NaCl含量與料液中NaCl含量之比則變化不大。實踐中應根據料液特性通過工藝參數優化，盡量減小冰中的溶質夾帶。

（4） 融冰實驗

冰水罐中換熱器表面從料液中帶出的冰要在溫度高于冰點的水中融化，融化過程水溫度變化如圖6所示。

由圖6可見，融冰前期，由于換熱器表面大塊冰的存在，水溫上升緩慢，待大塊冰基本融下進入冰水罐后，則冰水罐中水的溫度快速上升，經8 min左右完成全部融冰過程。

圖6 冰水罐中水溫度隨時間變化的規律

裝置按熱泵模式運行時，冷凍模式下由料液中帶出的冰從換熱器表面脫落的過程如圖7所示。

圖7中，熱泵模式運行不到1 min，冰內表面與換熱器外表面即開始出現融化松脫，如圖7(a)~(d)所示；隨著過程進行，冰與換熱器之間開始有融冰水流動；再后則冰與換熱器外表面之間的間隙越來越大，直至脫落下來，如圖7(e)~(h)所示。

4 結論

圖7 冰層形態隨時間變化

熱泵式冷凍濃縮裝置結構簡單、操作方便、料液適應性好、運行參數調控方便，較適于小批量料液處理。經實驗發現，預冷時采用料液泵運行方式，料液降溫平穩，降溫速度較快，料液溫度波動小；結冰時結冰速率隨冰層厚度增加而迅速下降，但當冰層厚度超過5 mm時，結冰速率又略有上升，此時冰中溶質的夾帶量也增加，故結冰厚度不宜超過5 mm；料液濃度增加，冰中溶質夾帶量也增加，而濃縮比則變化不大；融冰前期，由于大塊冰貼在換熱器表面，冰水罐內水溫上升緩慢，待大塊冰基本融下后，則溫度快速上升，經8 min左右完成全部融冰過程。

[1]陳毅鵬，姜瓊一，方婷，等.不同方法處理荔枝的品質研究 [J].安徽農學報，2010，16（21）：135-137.

[2]張裕中，藏其梅.食品加工技術裝備[M].北京：中國輕工業出版社，2001.

[3]HERNáNDEZ E，RAVENTóS M，AULEDA J M，et al.Freeze concentration of must in a pilot plant falling film cryoconcentrator[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies， 2010， 11（1）： 130-136.

[4]劉冬雪.冷凍濃縮裝置的參數優化與控制研究 [D].天津：天津科技大學，2008.

[5]胡濤.轉筒式冷凍濃縮裝置的結構與調控研究 [D].天津：天津科技大學，2009.

[6]郭全舉.界面漸進冷凍分離裝置的研究 [D].天津：天津科技大學，2016.

Development and Performance Test of Heat Pump Type Freezing Concentration Equipment

Li Yinxing Chen Dong Guo Quanju Xie Jihong Fan JiaqiJin Cheng

Freezing concentration technology owns numerous advantages,such as small consumption of energy,weak corrosion of equipment and the good quality of products,etc.It can be widely used in concentrating heat-sensitive liquid in areas like food,biology,medicine and chemical industries.A heat pump type freezing concentration equipment is developed,and its constitution,working process and application characteristics are introduced in detail.We use NaCl solution with mass faction of 5‰ and 10‰ as experimental liquid,and the precooling of the feed liquid,icing rate,removing of the salt and ice melting process are studied.The gained conclusions can be helpful reference to its practical applications.

Heat pump;Freeze;Concentration;Heat sensitive;Heat exchanger;Separation;Icing

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.001

*李銀星，女，1993年生，碩士研究生。天津市，300222。

2017-06-08）