综述
SUMMARY

论述热泵蒸发技术中蒸汽压缩机的应用

 
  热泵蒸发技术是一项成熟且应用可靠的技术,随着蒸汽压缩机的广泛应用,这项技术的工业应用在这几年也得到了快速发展,尤其在节约能源,环境保护方面做出了贡献。
 
  一.热泵的基本概念
  概括地说,凡是能把低温处的热量抽取出来,让低温处达到制冷的目的,或者把低温处的热量抽取出来并把它送到用热的高温处成为有用的热能的机械设备,均可称为热泵。热泵在运行时要消耗外功,而不是对外做功。消耗一定量的外功,才能把低温处的热量送往高温处并成为有用的热能。
  热泵的工作过程不是热泵(压缩机)装置本身,而是要有一套与其匹配的设备,如蒸发器、冷凝器等串联在一起组成一个完整的系统,称为回路。工作介质在密闭回路中运行一圈,则为循环一次,或者工作介质从进入回路到排出回路也是循环一次。要达到供热或其它目的,在上述回路中还必须要有工作介质起到桥梁作用,来转运热量。必须连续不断的循环运行,而这种循环就形成了闭式循环或开式循环的回路。在开式循环中,载热的工作介质就是送入系统的物料本身(水溶液),通过物料中溶剂水的变化(即物料中的水吸热变为蒸汽,蒸汽冷凝放出汽化潜热又凝结为水)来传递热量。同时蒸汽经压缩机压缩消耗的外功所转变成的热量,也补充进系统之中。这样就实现热泵运行供热的目的。运行过程中要被处理的水溶液连续不断地排出系统之外,热力循环系统的首末端并不是连接在一起形成密闭回路的,进出的物料都是敞开的。在闭式循环中,载热介质是在一个密闭的环路中运行,在一定时间内不会有新的介质加入,也不会有介质从密闭环路中向外泄漏。运行过程中密闭环路中的介质在蒸发器中吸收低温热源的热量而汽化,汽化了的介质蒸汽经压缩后去冷凝器放热而冷凝,经膨胀阀进一步降温,变为原液态介质。蒸发端即吸热端有风扇不断向蒸发器管外送风供蒸发器吸热来保证蒸发器内介质的汽化。在冷凝端也有风扇连续不断地送风,冷凝器放出的热量扩散到环境中去,使冷凝器内的蒸汽介质转变为液体回到蒸发器中再次循环,而介质在相变的吸热放热过程中是完全被封闭在密闭的环路中与外界不直接接触。
  热泵供热,只有热泵(压缩机)本身是不能完成供热任务的,必须要有一套巧妙设计与之相匹配的设备组成一个回路,由于在回路中所采用的设备种类不同,便构成了不同类型的热泵生产流程。
  1.空气压缩式热泵
  这是以空气作为介质,主要是根据气体本身的温度随其压力的增高而升高,随其压力的降低而下降的原理设计的设备,它的回路是由空气压缩机、冷凝器、膨胀机和热交换器所组成,其工作介质是空气,由于空气的比容小,从低温热源吸取的热量少,实际工作中用的不多。
  2.蒸汽压缩式热泵
  这是以系统中工作介质的物态变化,即汽化吸热冷凝放热的特性来实现供热的设备,由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀以及系统中的工作介质所组成,其循环是以对蒸汽状态的工作介质进行压缩做功作为补偿,以干蒸汽压缩代替湿蒸汽压缩过程,这种热泵是工业生产中使用较多的一种。
  3.蒸汽喷射式热泵
  这种热泵和蒸汽压缩式热泵都属于以蒸汽为工作介质的压缩式热泵。但两者的运行方式是不同的;蒸汽喷射式热泵是以消耗高压蒸汽的热能作为补偿来工作的,而机械蒸汽压缩式热泵则是以对工作介质做功,消耗外功为补偿来工作的。喷射式热泵用喷射器达到对蒸汽的压缩,即从锅炉来的高压蒸汽进入喷射器的喷嘴,在排出高压蒸汽的同时从喉管吸入并载带低压低温蒸汽,使其压力温度升高。由锅炉来的高压蒸汽同蒸发器出来的二次蒸汽在喷射出口混合,一同在喷射器的扩压器中被压缩,然后进入蒸发器的加热室,在此释放出潜热,使蒸发器内溶液继续沸腾蒸发,蒸汽本身则被冷凝。冷凝液流入收集槽后再用泵送回锅炉,如果冷凝液不送回锅炉连续使用,将作为蒸馏水或净化水排走。
  4.吸收式热泵
  这种热泵是利用溶液的特性来完成工作循环和实现供热的,是以消耗热能为补偿,以废热热能为主要动力的热泵。它用的工作介质是一种二元溶液,这种溶液由两种相互溶解,而沸点截然不同的物质所组成。溶液中沸点较低受热容易挥发的物质就是溶质(制冷剂),而沸点较高的就是溶剂(吸收剂)。二元溶液(以水为溶剂的氨水、硫酸溶液或以水为溶质的溴化锂溶液等)所以能制热就是利用溶质在溶液中,溶解度随温度的变化而改变的特性,即在一定的压力下温度越高溶解度越小,从而产生所需要的高压蒸汽;反之,温度越低溶解度越大,易于被吸收溶解。其循环系统一般由发生器、冷凝器、调节阀、蒸发器和吸收器组成。
  5.半导体热泵
  半导体热泵又称为温差电热热泵或热电式热泵,其工作原理是把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件用铜连接片焊接成电偶对,当直流电流从N型半导体元件流向P型半导体元件时,进入端接头附近产生电子,空穴对,使接头处的热能减少,温度降低,并从周围介质吸热,此端称为冷端;而另外两端接头处电流方向相反,电子,空穴对在接头附近复合,使接头处热能增加,温度升高,并且向周围介质放热,这个接头称为热端。如果将电流方向反过来,则冷端和热端将互换。这种热泵的特点是没有机械运转部件,无噪声、无振动、体积小、重量轻,在车、船、核潜艇、卫星站、飞机、地下建筑中得到广泛应用,但耗电量大,造价高,应用受到限制。
 
  二.机械蒸汽再压缩式热泵的应用
  从经验和实际的经济效果来看,目前机械蒸汽再压缩式热泵效率及经济效益高,适合工业生产应用。在工业生产上,一般多采用开式热泵循环,尤其在蒸发、浓缩过程中更是如此,在设备的配置上不用膨胀机或者节流阀,并且要压缩干蒸汽,工业生产绝大多数是以溶液中的溶剂(水)做为工作介质,以生产目的不同而可把浓缩物作为产品,也有把蒸馏液用作产品的。
  (一)工业用机械蒸汽压缩式热泵特点
  生产中,机械蒸汽压缩式热泵在压缩过程中,都会过热,为了消除过热对压缩机的影响,会在压缩机进口或出口喷水,确保干饱和蒸汽进入压缩机,有时为了保险起见,希望进入压缩机之前的蒸汽略有过热。
  1.系统所处理的蒸汽量大,蒸汽量小则每小时几吨到几十吨上下,大则每小时处理上百吨,生产能力越大则越加节能。
  2.供热温度高,压缩机出口的温度即压力就要求高。
  3.多采用敞开式机械蒸汽压缩循环过程。在适宜场合下,也可以采用蒸汽喷射式热泵。
  4.为了使系统启动运行,要有启动热源,正常运行后要有适当的热量补充以达到系统热量的平衡,系统有散热的损失。
  5.处理对象多为水溶液,循环介质正是溶液中的溶剂(水)。
  (二)机械蒸汽再压缩式热泵在生产工艺中的应用
  热泵蒸发技术是一项高效节能技术,具有突出的经济效益,应用范围广泛,如海水淡化、废水处理、化工生产、造纸工业、食品工业、制药工业等,其所采用的热泵类型一般多为蒸汽再压缩式热泵。
  1.化工生产过程
  (1)溶液的浓缩
  在化工生产过程中的蒸发操作单元是消耗热能较多的工段,这是因为加热蒸汽消耗的热量转换成具有很高热量的二次蒸汽,而高热的二次蒸汽往往都是用大量的冷却水冷凝后排掉。这样就造成大量的热能损失且耗费大量冷却水。为了回收二次蒸汽中的热量重新加以利用以减少热能消耗,其方法是在传统蒸发操作中常用多效蒸发,但多效蒸发设备庞大,投资大,故现多采用热泵蒸发技术进行代替。热泵蒸发的经济程度取决于压缩机内压缩蒸汽所需要的压力和温度,而热泵蒸发技术最适合于那些沸点升高不大的溶液的蒸发浓缩,如药物的浓缩,无机盐的制备,造纸黑液的浓缩和净化,贵重溶剂的回收,以及食品工业的浓缩和消毒等。
  (2)精馏作业过程
  在化工生产中,特别是石油化工常用的精馏单元操作,在精馏过程中耗用大量热能,因此热能利用率很低,进入再沸器的能量(加热蒸汽提供的热能)有95%在塔顶冷凝器中被冷却水或空气带走,仅有5%被加以利用。在一个典型的石油化工厂中,精馏操作的能耗约占总能耗的40%左右。因此,在精馏过程中采用有效的节能技术是很有意义的,例如乙烯---乙烷,丙烯---丙烷等物系的分离。
  2.海水淡化
  海水淡化中采用热泵蒸发技术是在一般操作过程中,为使蒸发器中的溶液盐分不能过高,便控制淡化水的产率为进料海水的一半,这样保持蒸发器内沸腾溶液的沸点升高不大,因而能耗也少。为了充分节约热能,在淡化水和浓盐水排出系统时,先经过热交换器,在此将热量传给进来的冷海水,使冷海水得到了预热,同时也使淡化水和浓盐水得到了冷却。这样余热得到了充分的回收,所以经济效益很高。
  3.放射性废水处理
  在核工业系统的各个部门的试验和生产线中,经常要产生大量的低放射性废水,其特点是数量大,含盐量低,放射性水平不高,适宜用热泵蒸发法进行处理。在用常规蒸发法处理放射性废水时,蒸汽所产生的二次蒸汽,一般都用大量冷凝水将其冷凝后而排掉,这样,二次蒸汽的潜热被冷却水带走,热量白白被浪费掉了,用热泵蒸发法代替常规蒸发,将二次蒸汽的潜热回收加以利用,可提高热效率,节省燃料,降低热量消耗,提高经济效益。
  4.蒸发过程的预浓缩
  机械蒸汽再压缩热泵的蒸发过程消耗能量的多少与溶液的浓度及其沸点升高有关。要求把溶液蒸煮的越浓,沸点相应要升高,能耗就会增加。所以,热泵技术用于稀溶液或预浓缩比较合适。如果所处理的料液,要求最终浓度较高时,可采用双效热泵蒸发,即第二效用作预浓缩,在此去掉初始溶液中大部分水分,余下浓缩了的溶液已比初始溶液的量少多了,这部分溶液再进入第一效,用生蒸汽来加热,蒸浓到所要求的最终浓度。第一、第二效出来的二次蒸汽进入第二效的压缩机,经压缩提高压力和温度后进入第二效蒸发器的加热室,作为二效的加热热源,这样第一效仅需要少量的一次蒸汽,以达到节约热能的目的。
  5.热泵的干燥过程
  干燥的目的是借热能除去物料中所含的水分,类似于蒸发,实质上干燥属于扩散过程的范围。当物体受热时,其表面水分将传播到周围的介质中,而物体内部的水分又不断的扩散到物体的表面。如果过程连续不断的进行,就能达到所要求的干燥程度。常规的厢式或窑式干燥器,一般是由热空气吸收了被干燥物料的水分后少部分回流而绝大部分排掉,大量热能被损失掉了,如果将排到空气中所含水蒸气冷凝到其饱和温度以下,使其凝结成水而排掉,并同时将凝结热和干燥结热,以及干燥空气回收利用,热效率就会大大提高。为此可采用热泵技术,这是因为水蒸气向干燥空气转移,蒸发时的热量由热泵低温部分冷却吸收,而又可在高温部分再利用的缘故。热泵技术可用于木材、粮食、纸张、污水废水处理中污泥等工艺段的干燥。
  6.机械蒸汽压缩式制盐
  盐田卤水,首先在预热器用加热器冷凝水的余热加热后,送入蒸发器,在这里用循环管中的推进器,使卤水在循环中由蒸汽加热,以过热状态从管道上升而在蒸发器内喷出,压力降低发生急剧地蒸发,由导气管经汽水分离器进入蒸汽压缩机,然后用电力加压经过热缸送到加热器的汽室。在蒸发器中,一部分蒸发的卤水将析出物留在底部,由管道下降,用涡轮泵向加热管强制循环。各加热管内部都设有刮取器,由加热器的旋转而防止结垢。加热器的汽室中产生的高温冷凝水,经捕集器至预热器或温水槽等,在与卤水进行热交换后,用作锅炉用水。而结晶部用于蒸煮饱和卤水和采盐,在期间适当交替使用,能够长期继续制盐。
  常规蒸发操作单元几乎遍及化工、食品、制药、造纸、海水淡化、无机盐制备、废水处理以及放射性废水的净化等生产领域,热泵蒸发技术在这些生产领域有着显著的高效节能和环境保护作用,其应用有着广阔的空间。

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