本實用新型屬于化工分離和節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域，涉及熱泵型蒸發(fā)技術(shù)，尤其涉及一種更為節(jié)能的熱泵型蒸發(fā)濃縮設備。
背景技術(shù)：
蒸發(fā)濃縮技術(shù)是一種廣泛應用于物料分離和水質(zhì)凈化的技術(shù)方法，尤其是在廢水減量化和零排放領(lǐng)域，應用越來越廣泛。以溶劑為水的物料來說，蒸發(fā)濃縮是利用蒸汽的汽化潛熱值完成物料的加熱，使得物料中的水溶劑汽化進而與物料分離，從而實現(xiàn)濃縮過程。蒸發(fā)過程是一個高能耗需求的過程，為了減少能耗需求，從理論和工程實踐上，開發(fā)了多種不同的蒸發(fā)方法。如多效蒸發(fā)、MVR蒸發(fā)、熱泵型蒸發(fā)等。
但是針對低溫(40～65℃)的水分蒸發(fā)領(lǐng)域，上述方法都存在一定的局限性。多效蒸發(fā)過程中為了克服傳熱溫差和沸點升高，通常每個效體的溫差損失達到10～15℃，因此，對于低溫水分蒸發(fā)的過程，最多只能采用2效操作。我們知道，2效操作的蒸汽噸耗比理論值為0.5，也就意味著每蒸發(fā)一噸水需要消耗0.5噸以上的蒸汽。因此多效蒸發(fā)用于低溫水分蒸發(fā)領(lǐng)域，仍然能源消耗巨大，節(jié)能效果不佳。
MVR是一種具備明顯節(jié)能效果的蒸發(fā)技術(shù)，它將二次蒸汽中的潛熱值最大程度的利用起來，從而減少了蒸發(fā)系統(tǒng)對于外界能量的需求。但是在低溫水分蒸發(fā)領(lǐng)域MVR卻存在明顯的缺陷。因為水蒸氣的比容在不同溫度條件下變化很大，在較低的溫度條件下若要完成同樣的溫升條件，MVR壓縮機的體積流量較常壓條件顯著上升，系統(tǒng)能耗效率明顯下降。因此一般認為MVR適用于85℃以上的水分蒸發(fā)過程。
熱泵型蒸發(fā)是一種較為新型的蒸發(fā)技術(shù)。它利用冷媒的蒸發(fā)-壓縮-冷凝過程，將二次蒸汽的潛熱進行熱量傳遞，滿足蒸發(fā)的加熱需求。中國專利申請?zhí)?00820177513.X公開了一種電熱激勵真空式熱泵型蒸餾裝置，其包括程序控制器、蒸發(fā)罐總稱、冷凝罐總稱、蒸餾水罐總稱、真空緩沖罐總稱、真空泵、真空泵進氣管、真空泵排氣孔、電熱棒、壓縮機、高溫冷凝器、低溫蒸發(fā)器、壓縮機進口管線、連接管、節(jié)流閥。它首先利用真空泵將裝置抽到真空狀態(tài)，然后利用電熱棒加熱自來水，使水溫達到真空度對應的沸騰溫度，一旦蒸汽進入冷凝罐就啟動熱泵，利用熱泵的低溫蒸發(fā)管吸收高溫蒸汽的能量來加熱水并使水變成蒸汽，與此同時高溫蒸汽被吸熱后冷凝為蒸餾水。中國專利申請?zhí)?00910229310.X公開了一種分段蒸發(fā)-分段壓縮熱泵，它針對余熱介質(zhì)溫度變化區(qū)間大時單一蒸發(fā)器型蒸汽壓縮式機組存在的不足,提供了由兩個以上壓縮機、兩個以上蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥等部件組成、實現(xiàn)分段蒸發(fā)-壓縮的蒸汽壓縮式機組；低溫蒸發(fā)器與第一壓縮機實現(xiàn)低溫段蒸發(fā)-壓縮,高溫蒸發(fā)器與第二壓縮機實現(xiàn)高溫段蒸發(fā)-壓縮——余熱介質(zhì)首先流經(jīng)高溫蒸發(fā)器加熱冷劑液成冷劑蒸汽向第二壓縮機提供、溫度降低后再流經(jīng)低溫蒸發(fā)器加熱冷劑液成冷劑蒸汽向第一壓縮機提供，第一壓縮機或向冷凝器提供冷劑蒸汽或向第二壓縮機提供冷劑蒸汽，被加熱介質(zhì)流經(jīng)冷凝器吸熱。中國專利申請?zhí)?01020124059.9公開了一種低溫蒸發(fā)系統(tǒng)，包括：保溫水箱、與保溫水箱連通的高溫熱泵、與高溫熱泵連通的蒸發(fā)室、兩端分別與蒸發(fā)室連通的第一高溫管道泵、通過一氣液分離器與蒸發(fā)室相連通的冷凝室、及分別與冷凝室連通的真空泵及水箱，所述保溫水箱與高溫熱泵之間通過一第二高溫管道泵連通，蒸發(fā)室一側(cè)引出一出氣管與保溫水箱相連通，冷凝室與水箱之間通過一水泵連通，該冷凝室一側(cè)還引出一冷凝管與水箱相連通。中國專利申請?zhí)?01210235112.6公開了一種熱泵型低溫蒸發(fā)裝置及方法，屬于化工分離和節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域。其特征是在載熱媒介的制熱循環(huán)過程中把溶劑蒸發(fā)、冷凝以達到低溫下蒸發(fā)濃縮熱敏料液或回收有機溶劑的目的；裝置主要由料液蒸發(fā)器、氣液分離器、二次蒸汽冷凝器、凝液罐、熱媒儲罐、熱媒蒸汽壓縮機、過濾器、料液泵、凝液泵、節(jié)流裝置及管路閥門等組成，其中料液蒸發(fā)器采用單效或多效降膜蒸發(fā)器。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)真空度來控制料液蒸發(fā)溫度在25-60℃間；通過變頻調(diào)節(jié)壓縮機輸入功率來控制系統(tǒng)制熱量和蒸發(fā)量之間的匹配。中國專利申請?zhí)?01510872831.2公開了一種低溫蒸發(fā)系統(tǒng)，它所述系統(tǒng)包括：用于物料蒸發(fā)的蒸發(fā)室、冷凝室、真空泵、制冷劑冷凝器、制冷劑蒸發(fā)器、節(jié)流裝置和壓縮機；所述蒸發(fā)室與所述冷凝室連通，所述真空泵連接所述蒸發(fā)室或冷凝室，所述制冷劑冷凝器置于所述蒸發(fā)室內(nèi)，所述制冷劑蒸發(fā)器置于所述冷凝室內(nèi)；所述制冷劑蒸發(fā)器的制冷劑出口與所述壓縮機的一端連接，所述制冷劑冷凝器的制冷劑入口與所述壓縮機的另一端連接，所述制冷劑蒸發(fā)器的制冷劑入口與所述節(jié)流裝置的一端連接，所述制冷劑冷凝器的制冷劑出口與所述節(jié)流裝置的另一端連接。
上述專利都對于熱泵型蒸發(fā)裝置或技術(shù)進行了探討，大大豐富了熱泵型蒸發(fā)的技術(shù)深度。但是鑒于目前熱泵系統(tǒng)大多使用工況都在室溫換熱給熱領(lǐng)域，采用有機工質(zhì)多用R22或同等功能替換有機工質(zhì)。從其熱力學性質(zhì)及壓焓參數(shù)，我們可以判斷，其試用溫度范圍一般在15～25℃之間，壓縮機進口壓力一般在0.4～0.8MPa，出口壓力一般在14～20MPa。
以某R22常溫熱泵為例。蒸發(fā)器操作溫度16℃，冷凝器出水溫度55℃。考慮有機工質(zhì)蒸發(fā)傳熱溫差4℃，有機工質(zhì)冷凝傳熱溫差3度。此時有機工質(zhì)蒸發(fā)溫度即為12℃，此條件下對應的飽和蒸汽壓力為0.723MPa。壓縮機出口溫度為58℃，此條件下對應的飽和蒸汽壓力為2.323MPa。此工況條件下，蒸發(fā)系統(tǒng)理論COP值為：
理論COP值＝制熱溫度/(制熱溫度-環(huán)境溫度)
＝(58+273.15)/(58-12)＝331.15/46＝7.2。
目前一般壓縮機組效率一般在0.7～0.85之間。若以效率0.7考慮，上述蒸發(fā)系統(tǒng)實際COP值為5.04。
由此可見，采用傳統(tǒng)的有機工質(zhì)循環(huán)，如R22或同等條件的有機工質(zhì)，從熱力學上就限制了其能量效率。
即使開發(fā)了一些相關(guān)高溫型的熱泵，其本質(zhì)也沒有根本性的區(qū)別，僅僅是提升了壓縮機進出口操作壓力范圍，出口壓力最高甚至達到3.0MPa。我們知道，有機工質(zhì)在完成多變壓縮過程中，壓縮功率與壓縮比顯著相關(guān)，而且壓縮比越高，壓縮功率需求就越大。因此，傳統(tǒng)的熱泵用于低溫蒸發(fā)領(lǐng)域，雖然較多效蒸發(fā)和MVR更為適用，但是其COP必然無法提高。
同時，壓縮機出口壓力極高，也就意味著有機工質(zhì)循環(huán)體系所需設備、管件、閥門等都需要滿足較高的壓力等級。這必然也會帶來設備投資的顯著上升。
因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備，以改善傳統(tǒng)熱泵型蒸發(fā)設備的局限。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是如何突破傳統(tǒng)熱泵型蒸發(fā)工藝對于高壓縮比壓縮機的依賴。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備，所述節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備包括原料儲罐(1)、進料計量控制裝置(2)、物料蒸發(fā)器(3)、氣液分離裝置(4)、蒸發(fā)循環(huán)泵(5)、蒸發(fā)加熱器(6)、循環(huán)物料節(jié)流裝置(7)、水蒸氣冷凝器(8)、氣液分離罐(9)、真空泵(10)、冷凝液外排泵(11)、有機工質(zhì)輸送風機(12)、有機工質(zhì)節(jié)流裝置(13)、有機工質(zhì)加熱器(14)。其中，物料蒸發(fā)器(3)底部與蒸發(fā)循環(huán)泵(5)的進口相連，蒸發(fā)循環(huán)泵(5)的出口與蒸發(fā)加熱器(6)的管程進口相連，蒸發(fā)加熱器(6)的管程出口與循環(huán)物料節(jié)流裝置(7)及物料蒸發(fā)器(3)相連，物料蒸發(fā)器(3)、蒸發(fā)循環(huán)泵(5)、蒸發(fā)加熱器(6)、循環(huán)物料節(jié)流裝置(7)的連接構(gòu)成蒸發(fā)濃縮物料循環(huán)；水蒸氣冷凝器(8)殼程出口與有機工質(zhì)輸送風機(12)進口相連，有機工質(zhì)從水蒸氣冷凝器(8)殼程出口輸出，經(jīng)有機工質(zhì)加熱器(14)加熱后，進入有機工質(zhì)輸送風機(12)，有機工質(zhì)輸送風機(12)的出口與蒸發(fā)加熱器(6)的殼程進口相連，蒸發(fā)加熱器(6)的殼程出口與有機工質(zhì)節(jié)流裝置(13)相連，水蒸氣冷凝器(8)、有機工質(zhì)加熱器(14)、有機工質(zhì)輸送風機(12)、蒸發(fā)加熱器(6)、有機工質(zhì)節(jié)流裝置(13)的連接構(gòu)成有機工質(zhì)循環(huán)；物料蒸發(fā)器(3)內(nèi)設有氣液分離裝置(4)，物料蒸發(fā)器(3)的上部與水蒸氣冷凝器(8)的管程進口相連，水蒸氣冷凝器(8)的管程出口與氣液分離罐(9)相連，氣液分離罐(9)的底部冷凝液通過冷凝液外排泵(11)提升壓力轉(zhuǎn)為正壓水流輸送出所述節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備，氣液分離罐(9)的頂部不凝氣通過真空泵(10)轉(zhuǎn)為正壓或常壓氣體輸送出所述節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備。
進一步地，蒸發(fā)濃縮物料循環(huán)用于保證蒸發(fā)過程所需的熱量傳遞和溫度變化需求，原料儲罐(1)中的物料在負壓的條件下自動引入蒸發(fā)濃縮物料循環(huán)，進料計量控制裝置(2)用于對原料進行流量調(diào)控和計量。
進一步地，有機工質(zhì)輸送風機(12)的壓縮比≤2.0。
進一步地，所述節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備中的有機工質(zhì)在101.3KPa絕壓條件下飽和蒸汽溫度為20～55℃，在202.6KPa絕壓條件下飽和蒸汽溫度為40～70℃。
進一步地，蒸發(fā)加熱器(6)與水蒸氣冷凝器(8)均采用管殼式結(jié)構(gòu)換熱器，有機工質(zhì)在蒸發(fā)加熱器(6)與水蒸氣冷凝器(8)中均在殼程運行。
上述節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備選用壓縮比極低的有機工質(zhì)輸送風機(12)替代傳統(tǒng)的高壓型專用壓縮機，通過選用合適的有機工質(zhì)，控制在水蒸氣冷凝器(8)內(nèi)有機工質(zhì)蒸汽壓力處于0.8barA～1.5barA之間，通過有機工質(zhì)輸送風機(12)壓縮后的蒸汽壓力處于1.2barA～2.0barA之間。而此時物料蒸發(fā)器(3)內(nèi)蒸發(fā)溫度可控制在40～55℃之間，因而實現(xiàn)低溫蒸發(fā)。其實施步驟如下：
(1)將設備按照上述方式連接。對系統(tǒng)氣密性進行嚴格檢查。
(2)在常溫下，對有機工質(zhì)循環(huán)進行抽真空排氣操作，然后將液態(tài)有機工質(zhì)導入上述有機工質(zhì)循環(huán)。
(3)開啟真空泵，對上述蒸發(fā)濃縮物料循環(huán)進行排氣操作。
(4)對原水預熱至所需蒸發(fā)溫度，開啟進料計量控制裝置(2)，對進水量進行調(diào)節(jié)。
(5)當蒸發(fā)濃縮物料循環(huán)水量滿足系統(tǒng)要求時，開啟蒸發(fā)循環(huán)泵(5)，調(diào)節(jié)循環(huán)物料節(jié)流裝置(7)，實現(xiàn)物料加熱。
(6)啟動有機工質(zhì)輸送風機(12)，調(diào)節(jié)有機工質(zhì)節(jié)流裝置(13)，實現(xiàn)有機工質(zhì)循環(huán)。
(7)待氣液分離罐(9)液位達到一定高度時，開啟冷凝液外排泵(11)，實現(xiàn)系統(tǒng)冷凝液外排。
本實用新型的效果和益處是：采用較低的壓縮比實現(xiàn)有機工質(zhì)熱泵循環(huán)，實現(xiàn)二次蒸汽的潛熱利用。蒸發(fā)裝置僅需較少的有機工質(zhì)循環(huán)風機動力，無需外部能量輸入，較傳統(tǒng)熱泵型蒸發(fā)設備具備節(jié)能效果，COP值可達到10以上。整體設備結(jié)構(gòu)緊湊，所有管段無需傳統(tǒng)熱泵型蒸發(fā)設備的高壓管段和高壓換熱設備，材料選擇優(yōu)化，節(jié)省設備投資。所有有機工質(zhì)運行工況壓力較低，泄漏量明顯減少，更加環(huán)保。同時，整體工藝實現(xiàn)低溫蒸發(fā)，對于熱敏性物料、高腐蝕物料適用性較強，應用面廣泛。其與其他蒸發(fā)技術(shù)的對比可見下表：
以下將結(jié)合附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。
附圖說明
圖1是本實用新型的節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備的工作流程圖，
其中：原料儲罐1、進料計量控制裝置2、物料蒸發(fā)器3、氣液分離裝置4、蒸發(fā)循環(huán)泵5、蒸發(fā)加熱器6、循環(huán)物料節(jié)流裝置7、水蒸氣冷凝器8、氣液分離罐9、真空泵10、冷凝液外排泵11、有機工質(zhì)輸送風機12、有機工質(zhì)節(jié)流裝置13、有機工質(zhì)加熱器14。
具體實施方式
下面通過一個實施例并結(jié)合附圖對本實用新型做進一步說明。
如圖1所示，本實用新型所述的節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備，包括原料儲罐1、進料計量控制裝置2、物料蒸發(fā)器3、氣液分離裝置4、蒸發(fā)循環(huán)泵5、蒸發(fā)加熱器6、循環(huán)物料節(jié)流裝置7、水蒸氣冷凝器8、氣液分離罐9、真空泵10、冷凝液外排泵11、有機工質(zhì)輸送風機12、有機工質(zhì)節(jié)流裝置13、有機工質(zhì)加熱器14。
物料蒸發(fā)器3底部與蒸發(fā)循環(huán)泵5的進口相連，蒸發(fā)循環(huán)泵5的出口與蒸發(fā)加熱器6的管程進口相連，蒸發(fā)加熱器6的管程出口與循環(huán)物料節(jié)流裝置7及物料蒸發(fā)器3相連，上述連接構(gòu)成蒸發(fā)濃縮物料循環(huán)。
水蒸氣冷凝器8殼程出口與有機工質(zhì)輸送風機12進口相連，有機工質(zhì)從水蒸氣冷凝器8殼程出口輸出，經(jīng)有機工質(zhì)加熱器14加熱后，進入有機工質(zhì)輸送風機12，有機工質(zhì)輸送風機12的出口與蒸發(fā)加熱器6的殼程進口相連，蒸發(fā)加熱器6的殼程出口與有機工質(zhì)節(jié)流裝置13相連，上述連接構(gòu)成有機工質(zhì)循環(huán)。
物料蒸發(fā)器3內(nèi)設有氣液分離裝置4，物料蒸發(fā)器3的上部與水蒸氣冷凝器8的管程進口相連，水蒸氣冷凝器8的管程出口與氣液分離罐9相連。
原水采用10％硫酸鈉鹽水溶液。外部加熱原水至53度，送入原料儲罐1。進水自原料儲罐經(jīng)進料計量控制裝置2送入物料蒸發(fā)器3。節(jié)能的蒸發(fā)濃縮設備工作一段時間后，氣液分離罐9內(nèi)冷凝液達到一定液位，經(jīng)冷凝液外排泵11外排。
選用有機工質(zhì)為R113，蒸發(fā)溫度為47℃，有機工質(zhì)風機進口壓力為1barA，出口壓力為1.6barA。
結(jié)果表明：本蒸發(fā)濃縮設備蒸發(fā)一噸水傳質(zhì)所需功耗為24kw，總消耗功率為32kw。實際COP值為20.6。
以上詳細描述了本實用新型的較佳具體實施例。應當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。