蒸汽压缩式热泵用于蜂蜜浓缩可行性研究

■ 向忠纯

(作者向忠纯单位为中船重工第719研究所)

随着可持续发展理念日益深入人心，保护生态环境的要求越来越高，然而在燃料资源储量有限的情况下具有较高热效率、对环境污染小的热泵蒸发技术在蜂蜜浓缩加工工艺中应用方面具有巨大的潜力。

传统蜂蜜浓缩加工都是采用热效率低，而且容易造成环境污染的锅炉提供饱和蒸汽给蒸发器供热，蜂蜜在浓缩过程中产生的具有潜热的二次蒸汽都随冷却水排入了地沟。

采用蒸汽压缩式热泵蜂蜜浓缩加工工艺，能使二次蒸汽的潜热得到充分利用，即通过给二次蒸汽补充一定的压缩功（耗电），使其产生高温高压蒸汽，以提供蒸发器蜂蜜浓缩所需要的热量，从而代替了消耗大量的由锅炉提供的饱和蒸汽（耗煤），能达到既节能又环保的目的。

工艺要求较高

通过真空浓缩的办法加工不成熟蜂蜜是我国蜂业界普遍采用的加工方法，然而用此方法既要获得高质量的蜂蜜产品，又要节省能源，就必须要用先进的加工工艺和先进的供热技术。

目前蜂业界普遍采用水力喷射冷凝器和蒸发器组成的开式真空浓缩的加工工艺，这种工艺最大的缺点是在浓缩过程中蜂蜜的芳香味会随喷射冷凝器的冷却水大量散失到大气中。如果采用机械真空泵，通过冷凝器和蒸发器组成的闭式真空浓缩加工工艺，蜂蜜芳香味就能得到很好地保留。但是无论是哪种加工工艺，蜂蜜在蒸发器浓缩过程中均需要提供足够的热量维持蜂蜜中水分的蒸发。

这里以8小时浓缩25吨含水量为30%的原蜂蜜加工成含水量为18%（42波美度）的成品蜂蜜为例，需锅炉提供的热量如下：

8小时浓缩25吨原蜂蜜，即要求每小时将原蜂蜜中375千克的水分蒸发出来，如果进入蒸发器的原蜂蜜温度为45℃，蒸发器真空表读数为-0.096Mpa，则供热锅炉每小时必须提供大约22万大卡的热量。目前我国蜂业界蜂蜜加工单位几乎都采用锅炉供汽的办法提供热源，给蒸发器供汽的参数一般为0.3～0.5Mpa的饱和蒸汽，8小时浓缩25吨原蜂蜜就必须要产汽量为0.5吨/时的锅炉不断供热，无论是以常规的燃煤方法，还是以燃油或烧天然气的方法提供热源，均需消耗可观的能源。不仅如此，锅炉效率较低，易造成污染，既浪费资源，又会对环境造成破坏。当前能源价格不断上涨以及人们对能源需求量的日益增长，节省能源成为当务之急。

随着可持续发展理念日益深入人心，保护生态环境的要求越来越高，然而在燃料资源储量有限的情况下具有较高热效率、对环境污染小的热泵蒸发技术在蜂蜜浓缩加工工艺中应用方面具有巨大的潜力。热泵能把还没有完全做完功（有潜热）的低温热能“泵”回到高温位热能中，使其与其他高温位热能一起做功，在完成这轮功的同时，还会有低温位热能产生，热泵再次将其“泵”回到高温热能中使其再做功，如此反复，这就大大提高了能源有效利用率，而且热泵的这个功能完全可以用到蜂蜜浓缩的工艺过程。

“二次蒸汽”收集利器

蒸汽压缩式热泵按其工作原理可分为蒸汽压缩式热泵，吸收式热泵和化学式热泵三大类，其中蒸汽压缩式热泵按压缩方式不一样又分为机械压缩式热泵和蒸汽喷射压缩式两种。

本文主要介绍机械蒸汽压缩式热泵用于蜂蜜蒸发浓缩的工艺流程。

热泵蒸发原理用于稀溶液浓缩时，其低温的稀溶液经预热器预热后进入蒸发器被浓缩的同时产生二次蒸汽经蒸汽压缩式热泵压缩（耗电）提高了压力、温度和焓值，然后送回蒸发器的加热室中，作为加热蒸汽用于蒸发稀溶液；被加热的稀溶液吸收其泛热后又产生二次蒸汽再进入蒸汽压缩式热泵压缩。如此不断循环，稀溶液就逐渐被浓缩成所要求的浓溶液。由于蜂蜜浓缩的全过程也是由稀浓度经不断蒸发逐渐变成高浓度的过程，整个过程也都是通过外界不断提供热量维持蜂蜜中水分蒸发生成二次蒸汽，故蒸汽压缩式热泵蒸发原理与我国普遍采用的用蒸发器蒸发浓缩获得高浓度蜂蜜的工艺过程相结合，就可以得到一个如下图所示的先进的蜂蜜浓缩工艺流程：

原蜂蜜经预热器预热，进入外加热式蒸发器加热室管程后被壳程的加热蒸汽加热而沸腾产生二次蒸汽；从蒸发器出来的二次蒸汽进入机械蒸汽压缩式热泵经绝热压缩（耗电），温度、压力升高后（温度一般可升高20℃左右），进入蒸发器加热室壳程与管程内沸腾的蜂蜜形成足够的传热温差，从而使蒸发器内蜂蜜浓缩的过程得到维持，这过程只须补充一定量的压缩功便可利用二次蒸汽的大量潜热。压缩后的二次蒸汽经蒸发器加热室冷凝后作为预热器的加热介质，使其经压缩后的二次蒸汽的泛热得到完全的利用。即以少量高质能机械功，电能等，通过热泵蒸发装置把大量的低温位热能转化为有用的高温位热能加以利用，从而节省了大量的锅炉产生的新蒸汽。

工艺流程效益高

由此可以看出，机械蒸汽压缩式热泵组成的蜂蜜浓缩工艺流程显著优点是：虽然机械蒸汽压缩式热泵蒸发是用补充一定的压缩功（耗电）代替了消耗大量的加热蒸汽（耗煤或天然气），但由于前者的热效率高，故节省能源。然而电煤比价，电天然气比价是决定机械压缩式热泵蒸发技术用于蜂蜜浓缩加工经济效益高低的关键因素。无疑，在目前我国电煤比价偏高的情况下，机械压缩式热泵对于蜂蜜浓缩时沸点升高不大的物料来说，不仅合适而且能耗小、经济效益高。

据有关文献介绍，采用MVR罗茨压缩机系统的热泵，蒸发一吨水能耗大约是传统蒸汽浓缩工艺流程的1/6到1/5，运行成本只是传统工艺的1/3到1/2。

值得提出的是，由于蜂蜜呈弱酸性，浓缩过程中产生的二次蒸汽也必然呈弱酸性，浓缩时如果分离效果不好，二次蒸汽里也必然含有一定量的呈弱酸性的蜂蜜，这样就要求凡与二次蒸汽接触的设备包括蒸汽压缩式热泵、蒸发器和预热器的选材就必须要求用抗腐蚀能力强的奥氏体不锈钢，不过这就增加了热泵蒸发技术用于蜂蜜浓缩工艺过程的成本。