熱泵蒸發(fā)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的完好正常運(yùn)行必須消耗外功，此外功即為熱能回收再利用的推動(dòng)力。任何氣體被壓縮時(shí)其溫度就會(huì)隨壓力的升高而升高。熱泵蒸發(fā)就是把蒸發(fā)器內(nèi)沸騰溶液所產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)的壓縮提高壓力、溫度，再送回蒸發(fā)器加熱室管束的殼程間，同時(shí)放出蒸汽的汽化潛熱，并傳遞給加熱室管束管程內(nèi)的溶液，使其繼續(xù)沸騰蒸發(fā)。由于二次蒸汽的潛熱得到反復(fù)的利用，熱泵蒸發(fā)僅需從外界(壓縮機(jī))供給較少的能量，就可提供使熱量傳遞給蒸發(fā)溶液所需要的推動(dòng)力，保持蒸發(fā)器內(nèi)溶液連續(xù)不斷的沸騰蒸發(fā)。實(shí)質(zhì)上熱泵蒸發(fā)過(guò)程是個(gè)熱傳遞過(guò)程，要進(jìn)行傳熱就必須要有傳遞的推動(dòng)力。在熱泵蒸發(fā)過(guò)程中利用壓縮功的熱當(dāng)量使溶液不斷地蒸發(fā)，不需要從別處供給加熱蒸汽，無(wú)論采用何種類(lèi)型的壓縮機(jī)，在相同的吸人壓力和排出壓力的情況下其對(duì)蒸汽所做的壓縮功都是相同的。在熱泵蒸發(fā)操作中要以最小的輸入功達(dá)到最大的蒸發(fā)效率，而最小輸入功則以最高的傳熱速率來(lái)達(dá)到。當(dāng)傳熱系數(shù)和溫差經(jīng)過(guò)試算初定后，問(wèn)題就變成了在最小輸入功的條件下，滿(mǎn)足總傳熱量所需要而湊合傳熱面積的問(wèn)題了。例如，在海水蒸餾中必須使傳熱系數(shù)最大，溫差最小以便使壓縮功率最小。然而，在化工生產(chǎn)中，有許多其他因素也是和設(shè)備的熱衡算有關(guān)的，這些因素在設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮進(jìn)去。

熱泵蒸發(fā)器工作原理是二次蒸汽與生蒸汽的焓差并不大，只是二次蒸汽的壓力和溫度比較低，采用某種辦法提高二次蒸汽的壓力，則二次蒸汽中的熱能可得到反復(fù)應(yīng)用，而此過(guò)程需要的外加能量遠(yuǎn)小于由此可收回的可利用能量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在乳品廠(chǎng)，采用帶一個(gè)熱泵的雙效蒸發(fā)系統(tǒng)，蒸發(fā)1kg水，僅需生蒸汽0.44kg，與三效蒸發(fā)的效果接近。

食品廠(chǎng)中經(jīng)常使用的一種蒸汽壓縮方式，采用熱能壓縮器，利用較高壓力的工作蒸汽，將蒸發(fā)出來(lái)二次蒸汽壓縮，提高其壓力。進(jìn)而作為蒸發(fā)器加熱蒸汽。工作蒸汽通過(guò)噴嘴絕熱膨脹，以極高的速度進(jìn)入吸氣室，由于流動(dòng)速度增加．在吸人室造成低壓，二次蒸汽被吸人而與工作蒸汽混合，相互混合的蒸汽進(jìn)行速度的等化及升壓。在擴(kuò)壓器的喉部，混合蒸汽的速度降低而壓力升高。結(jié)果是消耗一部分工作蒸汽的能量，將二次蒸汽壓縮，壓力提高到較高水平。整個(gè)過(guò)程包括靜壓能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換、吸入、混合及能量交換等系列操作。

蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)：蒸發(fā)器和壓縮機(jī)一樣也是熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，一定要根據(jù)所濃縮的物料的性質(zhì)來(lái)認(rèn)真考慮。

(1)熱泵蒸發(fā)器的類(lèi)型：工業(yè)用熱泵蒸發(fā)器一般多采用外加熱自然循環(huán)型，中央循環(huán)管式及升膜或降膜式蒸發(fā)器。其他型式較少。

(2)蒸發(fā)器材質(zhì)的選擇：要根據(jù)蒸煮溶液是酸性條件，還是堿性條件來(lái)確定。

(3)蒸發(fā)器內(nèi)操作壓力：食品和藥物的濃縮一般要求蒸發(fā)器內(nèi)沸騰溶液在負(fù)壓條件下操作，以防濃縮物質(zhì)在高溫下變質(zhì)，這就要求蒸發(fā)器的加工質(zhì)量要高，以防外部空氣向內(nèi)滲漏。但在廢水處理及無(wú)機(jī)鹽類(lèi)等的濃縮生產(chǎn)時(shí)，蒸發(fā)器一般最好常壓操作。

(4)設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)的考慮：在同等的節(jié)能條件下，如果著眼點(diǎn)是減少運(yùn)行費(fèi)，那就要把蒸發(fā)器加熱面積設(shè)計(jì)大一些，使傳熱推動(dòng)力Δt變小。因而，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電機(jī)耗電會(huì)減小，這樣運(yùn)行費(fèi)便降低。不銹鋼材質(zhì)已屬普通材料。應(yīng)使運(yùn)行降低，則必須多用一些材料，但從總的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)考慮還是合算的。

熱泵蒸發(fā)與其他化工單元的操作一樣，系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停車(chē)，都必須嚴(yán)格按操作程序進(jìn)行。否則，將會(huì)損壞設(shè)備或者會(huì)發(fā)生危及人身安全事故。熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的操作程序如下。

(1)啟動(dòng)供料泵：使料液通過(guò)第一預(yù)熱器及第二預(yù)熱器送人蒸發(fā)器的加熱室，待液位達(dá)到分離室窺視玻璃鏡能看到的規(guī)定液位時(shí)停止供料。此時(shí)，打開(kāi)供料泵的回流循環(huán)閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉供料閥門(mén)，使料液在供料泵和原液槽之間進(jìn)行循環(huán)，等待蒸發(fā)器液位降低需要補(bǔ)充料液時(shí)再緩慢打開(kāi)供料閥門(mén)，同時(shí)關(guān)小回流閥門(mén)使供料量調(diào)整到合適的量以保持蒸發(fā)液位恒定。

(2)開(kāi)啟啟動(dòng)熱源：當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)液位已到達(dá)規(guī)定液位后，即可開(kāi)啟啟動(dòng)熱源使蒸發(fā)器內(nèi)的料液受熱沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽。如果啟動(dòng)熱源為系統(tǒng)自身帶的電熱水箱(鍋爐)，應(yīng)事先將去離子水注入電熱水箱到規(guī)定的量，通電滿(mǎn)功率加熱(正常運(yùn)行后90%功率便可停掉)，產(chǎn)生的二次蒸汽通人蒸發(fā)器的加熱室。若為系統(tǒng)外的蒸汽或其他廢熱用作啟動(dòng)熱源則可直接連接管線(xiàn)，將蒸汽引入蒸發(fā)器的加熱室并用閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。啟動(dòng)熱源蒸汽通人加熱室去加熱列管內(nèi)的料液，使其沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽。

(3)啟動(dòng)壓縮機(jī)：?jiǎn)?dòng)熱源使料液產(chǎn)生的二次蒸汽被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮提高壓力溫度后送往加熱室。若壓縮機(jī)是帶變頻可調(diào)式的，則由慢到快直到設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速。再次打開(kāi)供料閥門(mén)給蒸發(fā)器供料。通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使蒸發(fā)器的蒸發(fā)液位保持恒定。回收二次蒸汽的熱量再加上壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)消耗的電能所轉(zhuǎn)變的熱量，總起來(lái)的熱量便可滿(mǎn)足系統(tǒng)加熱的需要熱量，但由于系統(tǒng)熱輻射的散熱損失，可能造成系統(tǒng)的熱量不平衡。

(4)調(diào)節(jié)電熱水箱(鍋爐)中的電功率：由于系統(tǒng)的散熱損失，造成系統(tǒng)熱量的不平衡，所以系統(tǒng)正常運(yùn)行后，電熱水箱中的電熱功率90%停掉，只保留10%～20%作為系統(tǒng)散熱的補(bǔ)充，以維持系統(tǒng)的熱平衡，使系統(tǒng)始終處在正常運(yùn)行條件下。若為熱網(wǎng)蒸汽或其他廢熱氣，將控制閥門(mén)調(diào)小到進(jìn)汽量以滿(mǎn)足補(bǔ)充系統(tǒng)的熱損失即可。

(5)啟動(dòng)熱水泵和濃縮液泵：電熱水箱不只是起到啟動(dòng)熱源和補(bǔ)充系統(tǒng)散熱損失的作用，還起到收集二次蒸汽冷凝水進(jìn)行周轉(zhuǎn)的作用。二次蒸汽由壓縮機(jī)送入蒸發(fā)器的加熱室并將熱量傳給列管內(nèi)的料液而自身則冷凝為冷凝水，靠自重流入電熱水箱中，啟動(dòng)熱水泵將熱水箱中的熱水送入第一預(yù)熱器，去預(yù)熱進(jìn)入系統(tǒng)的冷料液并保持電熱水箱中的水位始終恒定。若濃縮液為直排式的，只啟動(dòng)熱水泵即可。

(6)打開(kāi)不凝性氣體排放閥門(mén)：系統(tǒng)中的不凝性氣體，隨二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)入到加熱室的管殼之間，積累過(guò)多會(huì)影響傳熱，使蒸發(fā)效率大大降低。所以，必須定時(shí)排放。但是，在排放不凝性氣體時(shí)，又不能把不凝性氣體同蒸汽截然分開(kāi)。因此，設(shè)置了第二預(yù)熱器，這樣便可將不凝性氣體和蒸汽混合體通入第二預(yù)熱器，使料液得到進(jìn)一步的預(yù)熱，蒸汽便冷凝下來(lái)而不凝性氣體則得到排放。

(7)停車(chē)：停車(chē)時(shí)，首先關(guān)閉補(bǔ)充熱源的電熱元件，關(guān)閉供料泵停止供料。蒸發(fā)器內(nèi)二次蒸汽的壓力逐漸下降同時(shí)使壓縮機(jī)慢慢減速直到停止運(yùn)轉(zhuǎn)。最后關(guān)閉熱水泵，但必須保留足夠水量在電熱水箱中以備再啟動(dòng)時(shí)用。熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的操作?？刹捎米詣?dòng)或手動(dòng)。也可用作處理機(jī)進(jìn)行程序控制。

《機(jī)械蒸汽再壓縮式熱泵蒸發(fā)法》比較系統(tǒng)、全面地介紹了機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)技術(shù)的理論知識(shí)和工程應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題。內(nèi)容共分九章，包括這項(xiàng)技術(shù)的一般概念和基本理論知識(shí)，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的要點(diǎn)和應(yīng)掌握的原則；給出了一些實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)并列舉了不同領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了比較分析以及討論了生產(chǎn)運(yùn)行中的有關(guān)問(wèn)題。為了實(shí)際應(yīng)用中熱工計(jì)算的方便，在《機(jī)械蒸汽再壓縮式熱泵蒸發(fā)法》后的附錄中，收集了有關(guān)數(shù)據(jù)表和水蒸氣的焓一熵圖。這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用必將為社會(huì)帶來(lái)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的顯著效果，為企業(yè)和生產(chǎn)單位帶來(lái)突出的經(jīng)濟(jì)效益。

《機(jī)械蒸汽再壓縮式熱泵蒸發(fā)法》可供化工、石油、造紙、制藥、食品、海水淡化、廢水處理、核廢水的凈化和濃縮等部門(mén)以及科研院所科技人員、管理人員和大專(zhuān)院校師生參考。

是最近化工行業(yè)發(fā)展迅速的新型蒸發(fā)技術(shù)，其基本原理是用壓縮機(jī)或者高壓蒸汽提高二次蒸汽的壓力和溫度，然后送回原蒸發(fā)器的加熱室，作為加熱蒸汽使用，或者以二次蒸汽為低溫?zé)嵩矗厥詹糠钟酂?。提高二次蒸汽的壓力和溫度常用的有兩種方法，一種是蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)MVR(MechanicalVaporRecompression)，另一種則是蒸汽熱力再壓縮技術(shù)TVR(ThermalVapourRecompression)。

TVR蒸發(fā)器MVR蒸發(fā)器

二次蒸汽通過(guò)壓縮機(jī)的絕熱壓縮作用，提高了壓力和飽和溫度，再把壓縮后的蒸汽引入到蒸發(fā)器管外加熱物料，整個(gè)系統(tǒng)的輸入功只有壓縮機(jī)的電功，節(jié)能效果顯著，此系統(tǒng)在化工的蒸發(fā)濃縮中很常用。

TVR蒸發(fā)器TVR蒸發(fā)器

此蒸發(fā)器系統(tǒng)相對(duì)于直接排放二次蒸汽的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有所改進(jìn)，它利用噴射式熱泵來(lái)回收部分二次蒸汽，由于噴射式熱泵1kg高壓蒸汽只能引射0.3kg的二次蒸汽，因此雖然此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但是能效比較低。

熱泵蒸發(fā)常用的形式大體上有上文所述的噴射式熱泵蒸發(fā)(TVR)和直接壓縮二次蒸汽機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)(MVR)，近年來(lái)，由于工程材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)的顯著進(jìn)步以及能源價(jià)格的上漲，機(jī)械壓縮式熱泵已越來(lái)越為人們所重視。熱泵廣泛用于各種稀溶液的蒸發(fā)濃縮，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，使用熱泵蒸發(fā)技術(shù)已經(jīng)被證明有很好的經(jīng)濟(jì)性。

熱泵裝置只需消耗少量的高質(zhì)能量就能得到比較多的熱能，減少了能源的浪費(fèi)。在大多數(shù)應(yīng)用中，熱泵蒸發(fā)的能量消耗比單效或多效蒸發(fā)的低得多，并且熱泵技術(shù)的采用可以取代大量的鍋爐房，節(jié)省燃料、減少大氣的污染、余熱得到利用的同時(shí)也減少了熱污染，因而使城市的環(huán)境衛(wèi)生必然得到改善，也有利于生態(tài)平衡。熱泵蒸發(fā)是一種低能耗的十分可靠的蒸發(fā)方法，由于節(jié)能和穩(wěn)定已經(jīng)在化工過(guò)程中取得了廣泛的應(yīng)用 。2100433B

龐合鼎，1962年畢業(yè)于陜西工業(yè)大學(xué)化工系，同年到現(xiàn)中國(guó)原子能科學(xué)研究院從事放射化學(xué)、化工工作。研究員級(jí)高級(jí)工程師，主持的科研項(xiàng)目獲1985年國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)；參與的科研項(xiàng)目獲1983年國(guó)防科技工作重要成果三等獎(jiǎng)，論著一本，譯書(shū)一本，發(fā)表論文多篇。2100433B