热泵蒸发装置的技术方案分析

杨荣欣陈东 谢继红 金程

（天津科技大学机械工程学院)

热泵蒸发装置的技术方案分析

杨荣欣*陈东 谢继红 金程

（天津科技大学机械工程学院)

热泵蒸发技术具有能耗低、结构简单等特点。给出了热泵与蒸发单元相结合的五种典型技术方案，即蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置、热泵真空多效蒸发装置、热泵膜蒸馏装置、空气循环热泵蒸发装置、蒸汽喷射式热泵蒸发装置。分别介绍了这些热泵蒸发装置的基本构成、工作过程和主要特点，可为工程实践中选用适宜的热泵蒸发装置提供较好的参考。

热泵蒸发能耗节能真空膜蒸馏加热器

1 背景

蒸发是料液处理的基本单元之一，即用加热料液的方法，使料液中的溶剂汽化从而与溶质分离，以提高料液的浓度，或为溶质析出创造条件。蒸发在化工、轻工、食品、制药、海水淡化、污水处理等领域有着广泛的应用[1-4]。

蒸发过程中料液加热需要热源，蒸发所产生的二次蒸汽冷凝又需要冷源。而热泵是消耗少量电能（或燃料能）并可同时制取多倍热能和冷能的装置，热泵与蒸发单元结合具有结构紧凑、耗能少等突出优势。热泵与蒸发单元结合时可有多种技术方案，下面对五种典型技术方案进行介绍和对比分析。

2 蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置

蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置的基本构成如图1所示。由图1可见，蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置由两个处理单元组成：蒸汽处理单元和料液处理单元。蒸汽处理单元由压缩机、加热器及管路组成。料液处理单元由进料阀、蒸发器、放料阀及管路组成。

该装置的工作过程为：蒸发器产生的二次蒸汽进入压缩机，被压缩升压升温后再进入蒸发器中的加热器内，在加热器管内冷凝放热变为冷凝水排出；待浓缩的料液通过进料阀进入蒸发器，在蒸发器中被加热沸腾，蒸汽从蒸发器上端排出，浓缩液在蒸发器下端经放料阀排出。

该装置结构紧凑，压缩机直接压缩二次蒸汽的效率高，装置运行的能耗低[5]；但要求进入压缩机的二次蒸汽洁净度高，料液处理量一般要求较大且运行工况相对稳定，处理蒸发温度较低的热敏料液时有一定难度。

图1 蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置

3 热泵真空多效蒸发装置

对于需要低温蒸发浓缩的热敏料液可采用热泵真空多效蒸发装置[6]。热泵真空多效蒸发装置的基本构成如图2所示。

图2 热泵真空多效蒸发装置

由图2可见，热泵真空多效蒸发装置由三个处理单元组成：热泵工质循环单元、料液处理单元和蒸汽处理单元。热泵工质循环单元由压缩机、一效加热器、节流阀、冷却器及管路组成，其中充注有热泵工质；料液处理单元由进料阀、一效蒸发器、二效蒸发器、放料阀及管路组成；蒸汽处理单元由一效蒸发器、二效蒸发器、二效加热器、蒸汽凝结器、汽液分离器、真空装置、冷凝水储罐及管路组成。

该装置的工作过程为：在热泵工质循环单元中，热泵工质通过压缩机压缩，在一效蒸发器内的一效加热器中冷凝放热变为液态工质，经节流阀节流后变为低温低压工质进入蒸汽凝结器中的冷却器内，在冷却器内吸热气化变为低温低压蒸气，再进入压缩机进行下一轮循环；在料液处理单元中，料液由进料阀进入一效蒸发器后被一效加热器加热至沸腾状态，蒸汽从一效蒸发器上部排出，中间液从一效蒸发器下部排出进入二效蒸发器，在二效蒸发器中被来自一效蒸发器的二次蒸汽加热汽化，料液被进一步浓缩为浓缩液，通过二效蒸发器下端的放料阀排出；在蒸汽处理单元中，一效蒸发器产生的二次蒸汽进入到二效蒸发器内的二效加热器中，二次蒸汽在二效加热器中凝结放热变为冷凝水进入汽液分离器；二效蒸发器产生的二次蒸汽进入蒸汽凝结器中被低温热泵工质冷却为冷凝水进入汽液分离器，经汽液分离后排入冷凝水储罐。整个装置通过真空装置的工作使一效蒸发器与二效蒸发器内的料液蒸发处于低于大气压的负压状态，因此可以通过控制一、二效蒸发器内的真空度来满足不同热敏料液的不同蒸发温度要求。

热泵真空多效蒸发装置的基本特点为：料液蒸发可以在低温低压下进行，充分保护料液中的热敏成分不被破坏，使浓缩液产品具有较好的品质；通过采用多效流程可以使热能与冷能在前后效蒸发器之间梯级利用，使装置能耗进一步降低；其不足是装置运行需要配备真空装置，因此对部件及管路的承压与密封要求较高，维护管理较复杂。

4 热泵膜蒸馏装置

当料液为热敏料液，需要低温蒸发，同时出于装置投资等考虑，不适宜采用热泵真空多效蒸发装置时，可以考虑采用热泵膜蒸馏装置。热泵膜蒸馏装置的基本构成如图3所示。

由图3可见，热泵膜蒸馏装置由三个处理单元组成：热泵工质循环单元、料液处理单元和冷凝水处理单元。热泵工质循环单元由压缩机、节流阀、加热器、冷却器及管路组成，其中充注有热泵工质；料液处理单元由膜组件、料液循环泵、加热器及管路组成；冷凝水处理单元由膜组件、冷凝水泵、冷却器及管路组成。

图3 热泵膜蒸馏装置

该装置的工作过程：在热泵工质循环单元中，热泵工质通过压缩机压缩，所产生高温高压的工质在加热器中冷凝放热变为液态工质，经节流阀节流后变为低温低压工质进入冷却器中，在冷却器内吸热气化变为低温低压蒸气，再进入压缩机进行下一轮循环；在料液处理单元中，料液由进料阀进入加热器，由料液泵送入膜组件，膜组件中的膜是由疏水材料组成，具有允许料液中，水蒸气通过而其他成分无法通过的特性，因此料液在流过膜组件的料液侧时形成水蒸气穿过膜进入另一侧，剩余部分再返回加热器进行下一轮循环，实现料液中水分与其他溶质的分离，当料液浓缩达到一定浓度时，可通过放料阀排出装置；在冷凝水处理单元中，料液中的水蒸气穿过膜孔进入冷侧后被温度较低的冷凝水冷凝液化，跨膜蒸汽在冷凝液化的过程中冷凝放热，冷凝水温度上升，经过冷凝水泵输送到冷却器中，被冷却器中的低温热泵工质冷却降温，再返回到膜组件的冷凝水侧继续吸收跨膜水蒸气；冷凝水经冷凝水阀排出装置，通过控制冷凝水阀的开度，可使冷凝水排出量和跨膜水蒸气的量相匹配。

该装置的主要特点为：料液中的水分能在疏水膜的表面实现汽化，料液可在常压下实现低温浓缩；热泵为膜组件的热侧与冷侧提供热源与冷源，装置能耗较低；但目前膜组件的品类较少，尤其与热泵相匹配的专用膜组件还有待开发，膜组件在工作中也需要考虑工作寿命与污染再生等问题，装置的运行维护要求较高。

5 空气循环热泵蒸发装置

当需要料液在常压下低温蒸发，又要求装置运行维护简单时，可考虑空气循环热泵蒸发装置[7]。空气循环热泵蒸发装置的基本构成如图4所示。

图4 空气循环热泵蒸发装置

由图4可见，空气循环热泵蒸发装置由三个循环单元组成：热泵工质循环单元、料液处理单元和空气循环单元。热泵工质循环单元由压缩机、加热器、节流阀、辅冷器、冷却器及管路组成，其中充注有热泵工质；料液处理单元由料液泵、进料放料阀、加热器、喷头、料液池、下隔板及管路组成；空气循环单元由风机、冷却器、上隔板、冷凝水池及管路组成。

该装置的工作过程为：在热泵工质循环单元中，热泵工质通过压缩机中压缩所产生的高温高压工质在加热器中冷凝放热变为液态工质，经节流阀节流后变为低温低压工质进入辅冷器，经辅冷器预冷，再进入冷却器，在冷却器内吸热气化变为低温低压蒸气，再进入压缩机进行下一轮循环；在料液处理单元中，料液由料液池进入料液泵，送入加热器被加热升温，升温后的料液通过喷头喷洒而下与逆流上升的循环空气进行热质交换，料液中的水分汽化进入空气，被浓缩的料液继续下落进入料液池，如此循环，料液池中的料液浓度不断升高，当浓度达到设定值时，打开进料放料阀将浓缩液排出，再通过进料放料阀补充原料液；在空气循环单元中，料液池上方吸收了料液中水分的空气通过风机的运转流往冷却器，在冷却器外被冷却器中低温的热泵工质冷却降温，空气中携带的水蒸气被凝结为液滴，滴落至冷凝水池中，空气再通过上隔板与下隔板之间的通道回到料液喷淋空间，再与料液逆流进行热质交换，开始下一循环，当冷凝水中的液位达到一定高度时，打开冷凝水阀将冷凝水排出。

该装置的主要特点为：由于通过常压空气将料液中的水分带出，因此该装置可以在常压下实现料液的低温浓缩（对于含有氧敏性成分的料液，可将空气改为氮气进行浓缩），装置部件较简单、运行维护要求低、工作寿命长；但是该装置由于需要空气循环，风道等部件占用空间较大，空气作为载体在循环过程中要消耗少量无效热能与冷能，装置能量效率受到影响。

6 蒸汽喷射式热泵蒸发装置

上述四种热泵蒸发装置均采用电能来驱动热泵运行，当电能缺乏或较贵时，可考虑采用蒸汽喷射式热泵蒸发装置[8]。蒸汽喷射式热泵蒸发装置的基本构成如图5所示。

图5 蒸汽喷射式热泵蒸发装置

由图5可见，蒸汽喷射式热泵蒸发装置由两个处理单元组成：料液处理单元和蒸汽处理单元。料液处理单元由进料阀、蒸发器、放料阀及管路组成；蒸汽处理单元由喷射器、加热器及管路组成。

该装置的工作过程为：在蒸汽处理单元中，料液蒸发产生的二次蒸汽被工作蒸汽在喷射器内产生的低压吸入，工作蒸汽与二次蒸汽混合后产生的中压加热蒸汽进入蒸发器内的加热器中，在加热器中冷凝放热，最后变为冷凝水排出装置；在料液处理单元中，料液在蒸发器中被加热器中的中压蒸汽加热升温至沸腾，产生二次蒸汽由蒸发器的上端排出进入喷射器，浓缩液通过蒸发器下方的放料阀排出装置。

该装置的主要特点为：装置运行靠工作蒸汽驱动，工作蒸汽可通过燃料燃烧与太阳能等方式生产，装置运行几乎不消耗电能，装置中无运动部件，运行稳定可靠；但喷射器是靠高速工作蒸汽产生的真空来吸收蒸发器产生的二次蒸汽，其工作效率较低，同时在喷射器工作时内部存在分离涡流等不稳定流动状态，喷射器内部流场较为复杂，对喷射器的设计要求较高。

7 结论与建议

热泵与蒸发单元结合，组成热泵蒸发装置，具有结构紧凑、耗能少等突出优势。热泵与蒸发单元结合时，可有蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置、热泵真空多效蒸发装置、热泵膜蒸馏装置、空气循环热泵蒸发装置、蒸汽喷射式热泵蒸发装置等技术方案。在实际运用中，可根据料液特性、生产规模及能源供应等状况选择适宜的热泵蒸发方案，并针对蒸发工况对部件及装置进行优化匹配。

[1]谢玉健，洪厚胜，王亚利.间隔式热泵流程在多效蒸发中的应用研究[J].盐业与化工，2008，37(5)：23-27.

[2]李东山.多效蒸发节能的研究[J].包装与食品机械，2002(6)：5-8.

[3]郑晓桂，阮奇，江浩，等.高效节能热泵错流多效蒸发复杂系统[J].计算机与应用化学，2014，31(12): 1531-1538.

[4]邢晓康，魏峰，史晓平，等.三效顺流蒸汽喷射式热泵蒸发系统的计算[J].现代化工，2013，33(8): 117-119.

[5]倪思梅，周亚素，石成君，等.机械蒸汽再压缩系统的设计与分析[J].上海节能，2013(3)：39-42.

[6]周文生.基于热泵原理的低温蒸发器设计研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[7]谢继红，周红，陈东.新型常压低温热泵蒸发浓缩装置[J].轻工机械,2008,26(1)：25-27.

[8]陶金亮.变工况蒸汽喷射式热泵蒸发喷射器的实验研究[D].天津：河北工业大学，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）

*杨荣欣，男，1992年生，硕士研究生。天津市，300222。