CN103908788B - 一种mvr热泵蒸发系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种MVR热泵蒸发系统，其包括水蒸汽压缩系统、蒸发器、分离器、蓄能水箱和余热回收系统，蓄能水箱的蒸汽出口和分离器的蒸汽出口均与水蒸汽压缩系统的蒸汽入口相连，水蒸汽压缩系统的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口相连，蒸发器的蒸汽出口与分离器的蒸汽入口相连，蒸发器的原液入口和浓缩液出口均与余热回收系统相连。本发明的MVR热泵蒸发系统通过回收低品位余热，即在启动过程中利用蓄能水箱将热水显热转化为低压蒸汽潜热并回收利用，提高了系统的启动速度，避免了系统中不凝气空气循环对压缩机性能的影响，回收了溶液蒸发过程中产生的二次蒸汽的全部潜热，节约了一次能源，大大降低了溶液蒸发时的能源消耗，并避免了污染。

Description

一种MVR热泵蒸发系统

技术领域

本发明涉及工业热泵蒸发技术领域，尤其涉及一种MVR热泵蒸发系统。

背景技术

随着能源消耗的增长，尤其是一次能源消费的强劲增长，全球二氧化碳排放量的持续增加，到2030年的排放比目前将高出27%。一次能源的消耗造成的二氧化碳排放是造成全球变暖的主要原因，为了缓解化石能源的过渡消耗及其带来的气候问题，国际上采取了诸多措施减少碳排放。作为世界最大能源消耗大国，我国的节能减排任务艰巨，为了能实现减少碳排放的承诺，在“十二五”规划中，我国将节能环保技术作为“战略新兴产业”的主要内容。

工业蒸发是一次能源的消耗大户，在化工、食品、医药、环保等领域，溶液的浓缩、结晶都是利用工业蒸发来实现。传统的蒸发工艺多采用多效蒸发技术，其能耗高、占地面积大。MVR技术与多效蒸发技术相比，完全回收量二次蒸汽，摆脱了对蒸汽锅炉的依赖，并避免了冷却塔和冷却水的消耗、能耗。由于其显著的节能特性，MVR系统只需要注入少量能量就可维持系统运行。

但是，现有的MVR技术还存在着一些缺陷，由于注入的能量少。造成了系统启动速度慢，并仍需要一次蒸汽作为预热能源，降低了其减少一次能源消耗的优势。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种MVR热泵蒸发系统，以克服现有技术系统启动速度慢，消耗一次能源多等问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MVR热泵蒸发系统，包括水蒸汽压缩系统、蒸发器、分离器、蓄能水箱和余热回收系统；所述蓄能水箱的蒸汽出口和分离器的蒸汽出口均与水蒸汽压缩系统的蒸汽入口相连，所述水蒸汽压缩系统的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口相连，所述蒸发器的蒸汽出口与分离器的蒸汽入口相连，所述蒸发器的原液入口和浓缩液出口均与余热回收系统相连。

优选地，所述蒸发器包括下封头，筒体和上封头，所述上封头和下封头位于筒体的上下两端；所述下封头设有浓缩液出口和原液入口；所述筒体的内部设有列管、上管板、下管板、蒸汽入口和冷凝水出口，所述上管板和下管板分别固定在筒体的上部和下部，所述列管固定在上管板和下管板之间，且所述列管为多个，沿竖直方向布置，所述蒸汽入口位于筒体的中下部，所述冷凝水出口位于筒体的下部，且位于下管板的上方；所述上封头设有蒸汽出口。

优选地，所述蒸发器还包括循环泵，所述下封头设有循环液入口，所述筒体设有循环液出口，所述循环液出口位于上管板的上方，所述循环液出口与循环泵相连，所述循环泵又与循环液入口相连。

优选地，所述水蒸汽压缩系统包括水蒸汽压缩机、流量旁通阀、冷凝水罐和喷水泵；所述水蒸气压缩机的蒸汽入口分别与蓄能水箱和分离器的蒸汽出口相连，且水蒸气压缩机的蒸汽入口处设有喷水口，所述冷凝水罐与喷水泵相连，所述喷水泵又与水蒸汽压缩机的喷水口相连；所述水蒸汽压缩机的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口相连。

优选地，所述水蒸汽压缩机的喷水口设有雾化喷头。

优选地，所述冷凝水罐包括罐体、液位计、注水阀和冷凝水入口，所述冷凝水入口与蒸发器的冷凝水出口相连。

优选地，所述分离器包括下筒体和上筒体，所述上筒体和下筒体连接在一起，且上筒体的直径大于下筒体的直径；所述上筒体设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与水蒸汽压缩机的蒸汽入口相连；所述上筒体与下筒体的交接处设有不锈钢丝网；所述下筒体设有折流套筒、蒸汽入口和分离液出口，所述蒸汽入口为旋流入口，其位于下筒体的中部，所述折流套筒位于蒸汽入口的上方，所述分离液出口位于下筒体的下部，且与循环泵相连。

优选地，所述蓄能水箱的箱体上部设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与水蒸汽压缩机的蒸汽入口相连，所述蓄能水箱的箱体下部设有辅助加热装置。

优选地，所述辅助加热装置为进水阀和排水阀的组合、进料阀与换热管路的组合以及电辅助加热器中的一种或多种。

优选地，所述余热回收系统包括冷凝水板式换热器、冷凝水泵、进料泵和浓缩液板式换热器；所述余热回收系统外接原液、浓缩液和冷凝水；原液输入口分成两条线路与进料泵相连，一条线路经过浓缩液板式换热器，另一条直接与进料泵相连，所述进料泵又经过冷凝水板式换热器与蒸发器的原液入口相连；冷凝水输入口经过冷凝水板式换热器与喷水泵相连；所述蒸发器的浓缩液出口分成两条线路与两个浓缩液输出口相连，一条线路经过浓缩液板式换热器，另有一条线路直接与一个浓缩液输出口相连。

（三）有益效果

本发明的MVR热泵蒸发系统通过回收低品位余热，即在启动过程中利用蓄能水箱将热水显热转化为低压蒸汽潜热并回收利用，提高了系统的启动速度，避免了系统中不凝气空气循环对压缩机性能的影响，回收了溶液蒸发过程中产生的二次蒸汽的全部潜热，节约了一次能源，大大降低了溶液蒸发时的能源消耗，并避免了污染。

附图说明

图1为本发明实施例的MVR热泵蒸发系统的连接示意图；

图2为本发明实施例的MVR热泵蒸发系统的水蒸汽压缩系统的连接示意图；

图3为本发明实施例的MVR热泵蒸发系统的蒸发器的结构示意图；

图4为本发明实施例的MVR热泵蒸发系统的分离器的结构示意图；

图5为本发明实施例的MVR热泵蒸发系统的蓄能水箱的结构示意图；

图6为本发明实施例的MVR热泵蒸发系统的余热回收系统的连接示意图。

图中，1：水蒸汽压缩系统；2：蒸发器；3：分离器；4：蓄能水箱；5：余热回收系统；6：原液输入口；7：冷凝水输入口；8：浓缩液输出口；11：水蒸汽压缩机；12：喷水口；13：喷水泵；14：冷凝水罐；15：流量旁通阀；21：下封头；22：筒体；23：上封头；31：下筒体；32：上筒体；41：箱体；42：电辅助加热器；43：蒸汽出口；44：换热管路；45：不凝气排气阀；46：进水阀；47：进料阀；48：排水阀；51：冷凝水板式换热器；52：进料泵；53：冷凝水泵；54：浓缩液板式换热器；141：罐体；142：液位计；143：注水阀；144：冷凝水入口；211：原液进口；212：浓缩液出口；213：循环液入口；221：上管板；222：列管；223：蒸汽入口；224：冷凝水出口；225：循环液出口；226：不凝气排气阀；227：下管板；231：蒸汽出口；232：视镜；311：蒸汽入口；312：分离液出口；313：折流套筒；314：液位计；321：蒸汽出口；322：不锈钢丝网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实施例的MVR热泵蒸发系统包括水蒸汽压缩系统1、蒸发器2、分离器3、蓄能水箱4和余热回收系统5，其中，蒸发器2为升膜蒸发器，分离器3为三级分离器，余热回收系统5为二级余热回收系统，各部分通过管路相连。整套系统有两种工况，两种工况分别为：启动工况和稳定运行工况。

如图3，蒸发器2包括下封头21、筒体22、上封头23和循环泵，上封头23和下封头21均固定连接在筒体22的上下两端，循环泵设置在筒体22外部；下封头21设有浓缩液出口212、原液入口211和循环液入口213，且下封头21设有浓缩液出口212、原液入口211和循环液入口213均开口朝下的设在下封头21的下部；筒体22的内部设有列管222、上管板221和下管板227、蒸汽入口223、冷凝水出口224和循环液出口225，上管板221和下管板227分别固定在筒体的上部和下部，管板221上部设置一定的高度空间，所述空间与上封头23形成上部液室，列管222固定在上管板221和下管板227之间，且列管222为多个，沿竖直方向均匀布置，蒸汽入口223位于筒体的中下部，其与水蒸汽压缩系统1的蒸汽出口相连，冷凝水出口224位于筒体的下部，且位于下管板227的上方，循环液出口225位于上管板221的上方，循环液出口225与循环泵相连，循环泵又与循环液入口213相连；上封头23设有蒸汽出口231和视镜232，蒸汽出口231开口朝上的设在上封头23的上部，视镜232用于观察蒸发器2中的蒸发情况。筒体22还设有不凝汽排气阀226，系统中的不凝气可以通过不凝汽排气阀，226外接水环真空泵进行抽除。

在系统的启动工况，原液在循环泵的作用下，在列管222、循环液出口213和循环液入口225间循环，此时由于原液的温度没有达到饱和温度，其不蒸发而只是被单相加热，加热溶液的热量来自压缩蒸汽冷凝的放热，再压缩蒸汽来源于水蒸汽压缩系统1对蓄能水箱4产生水蒸汽的再压缩，再压缩蒸汽通过蒸汽入口223进入筒体22，其冷凝水通过冷凝水出口224排出筒体22。

在系统的稳定运行工况，原料液通过原液入口211进入蒸发器2后，沿列管222升膜蒸发产生蒸汽和浓缩溶液的混合物，加热溶液的热量来自再压缩蒸汽冷凝的放热，再压缩蒸汽来源于水蒸汽压缩系统1对蒸发器2产生二次蒸汽的再压缩，再压缩蒸汽通过压缩蒸汽入口223进入筒体22的壳侧冷凝，冷凝后的冷凝水从冷凝水出口224引出，原液在上部液室初步分离，浓缩液通过循环液出口225流出，并经过循环泵返回到循环液入口213，进行料液循环，分离出的蒸汽由蒸汽出口231引出，去往分离器3。

蒸发器2具有初步分离浓缩液和蒸汽的效果，减少了蒸汽中的液量夹带。

如图2所示，水蒸汽压缩系统1包括水蒸汽压缩机11、流量旁通阀15、冷凝水罐14和喷水泵13；水蒸气压缩机11的蒸汽入口分别与蓄能水箱4的蒸汽出口43和分离器3的蒸汽出口321相连，且水蒸气压缩机11的蒸汽入口处设有喷水口12，喷水口12设有雾化喷头，喷水可以消除过热度，水蒸汽压缩机11采用再压缩蒸汽的冷凝水作为水蒸气压缩机喷水，回收冷凝水部分余热，同时避免喷水温度过低造成系统的热平衡失衡，而采用雾化喷头进行喷水，可以细化液滴，避免大液滴对水蒸气压缩机11的冲击而影响水蒸气压缩机11的使用寿命，冷凝水罐14与喷水泵13相连，喷水泵13又与水蒸汽压缩机11的喷水口12相连，流量旁通阀15起到平衡水压的作用；水蒸汽压缩机11的蒸汽出口与蒸发器2的蒸汽入口223相连，冷凝水罐14包括罐体141、液位计142、注水阀143和冷凝水入口144，液位计142用于观察罐体141内的液面高度，冷凝水入口144与蒸发器2的冷凝水出口224相连。

水蒸汽压缩机11可以是离心压缩机、单螺杆压缩机或罗茨压缩机中的一种。水蒸汽压缩机11工作时，从分离器3的蒸汽出口321或蓄能水箱4的蒸汽出口43抽吸水蒸汽，同时在冷凝水箱14中的冷凝水通过喷水泵13输送至喷水口12，通过雾化喷头喷入水蒸汽压缩机11，其在蒸汽的压缩过程中蒸发，消除蒸汽压缩后产生的过热度，起冷却压缩蒸汽的作用。

如图4所示，分离器3包括下筒体31和上筒体32，上筒体32和下筒体31固定连接在一起，且上筒体32的直径大于下筒体31的直径；上筒体32设有蒸汽出口321，蒸汽出口321与水蒸汽压缩机11的蒸汽入口相连；上筒体32与下筒体31的交接处设有不锈钢丝网322；下筒体31设有折流套筒313、蒸汽入口311和分离液出口312，蒸汽入口311为旋流入口，其开口水平的位于下筒体31的中部，折流套筒313位于蒸汽入口311的上方，分离液出口312开口朝下的设在下筒体31的下部，且与循环泵相连。

分离器3是在稳定运行工况时对来膜蒸发器2的二次蒸汽进行分离，分离其中夹带的溶液液滴，其采用三种分离方式：入口旋流分离，中部折流分离和出口的丝网过滤分离；二次蒸汽通过蒸汽入口311进入分离器3下筒体31，通过蒸汽入口31的旋流结构形成旋流，旋流的离心力将较大的液滴甩到下筒体31壁面，实现第一级分离；旋流后的蒸汽引流进入折流套筒313，通过蒸汽在折流套筒313内的上下往返折流，进一步甩出液滴，实现第二级分离；最后，蒸汽通过不锈钢丝网322，再次捕捉出去较小的溶液液滴，实现第三级分离。

如图5所示，蓄能水箱4的箱体41上部设有蒸汽出口43，蒸汽出口43与水蒸汽压缩机11的蒸汽入口相连，蓄能水箱4的箱体41下部设有辅助加热装置，所述辅助加热装置为进水阀46和排水阀48的组合、进料阀47与换热管路44的组合以及电辅助加热器42中的一种或多种。

蓄能水箱4的主要作用是存储低品位的热水，热水可直接来自废弃的或利用太阳能加热的低温热水，也可利用低品位废水加热蓄热水箱4中的水而获得。直接回收利用低品位热水时候，热水通过进水阀46和排水阀48进出蓄能水箱4；当利用低品位废水等时，废水从进料阀47，通过非水流体换热管路44与蓄能水箱4中的水换热，回收其余热；为了补充系统热平衡所需的热量，还利用电辅助加热器42调节蓄能水箱4的温度，当然也可以为其他加热设备。箱体41还设有不凝气排气阀45，如果箱体41中引入了不凝气，可以通过不凝气排气阀45外接水环真空泵进行抽除。

在系统的启动工况时，电磁阀先关闭，水蒸汽压缩机11启动，抽除蒸发器2和分离器3中的大部分空气，然后打开电磁阀，水蒸汽压缩机11吸气造成蓄能水箱4中的低压，热水蒸发产生自发蒸汽，蒸发产生的蒸汽通过水蒸气压缩机11再压缩后进入蒸发器2中冷凝放热，预热原溶液。此时，由于原液不蒸发，再压缩蒸汽冷凝放热用于加热单相原溶液。

在系统的稳定运行工况时，蓄能水箱4仅起到热平衡补偿的作用，其设有电磁阀，电磁阀常闭，当系统由于扰动热平衡失衡时候，电磁阀打开，使蓄能水箱4与水蒸气压缩机11的蒸汽入口相连，在水蒸气压缩机11的抽吸下，蓄能水箱4中的压力降低到热水温度对应的饱和温度，热水蒸发产生自发蒸汽，同时热水温度降低，蒸发产生的蒸汽作为系统热量的补充，在蒸发器2中冷凝放热。

如图6所示，余热回收系统5包括冷凝水板式换热器51、冷凝水泵53、进料泵52和浓缩液板式换热器54；余热回收系统5外接原液、浓缩液和冷凝水；原液输入口8分成两条线路与进料泵52相连，一条线路经过浓缩液板式换热器54，另一条直接与进料泵52相连，进料泵52又经过冷凝水板式换热器51与蒸发器2的原液入口211相连；冷凝水输入口6经过冷凝水板式换热器51与喷水泵13相连；蒸发器2的浓缩液出口212分成两条线路与两个浓缩液输出口7相连，一条线路经过浓缩液板式换热器54，另有一条线路直接与一个浓缩液输出口7相连。

余热回收系统5用于充分回收MVR热泵蒸发系统中冷凝水和浓缩液的余热。当所处理的物料为非温度敏感性物料，不易因为降温而出现结晶、结垢时，可回收浓缩液余热，此时，打开浓缩料板式换热器54前后相关阀门，回收浓缩料余热，加热原溶液；当所处理的物料为温度敏感性物料，易因为降温而结晶、结垢时，则关闭浓缩料板式换热器4前后相关阀门，直接通过另一条浓缩液输出口排料，不回收其余热。

本实施例的MVR热泵蒸发系统的快速、高效启动过程的工作原理为：在水蒸汽压缩机11先抽出系统内的大部分空气后，打开蓄能水箱4的电磁阀，水蒸气压缩机11抽吸造成蓄能水箱4中的低压；当压力降低到热水温度对应的饱和温度时，热水开始吸收自身显热蒸发，产生自发蒸汽，同时热水温度降低，热水显热被利用；产生的蒸汽通过水蒸汽压缩机11的再压缩，提高了蒸汽焓值，进入蒸发器2中，加热原液；原液在循环泵的作用下，在列管222中强制循环，换热系数较大，吸收列管222外蒸汽冷凝所释放的热量，提高自身显热，以实现原液的预热；在原液预热到蓄能水箱4中热水降温后的温度时候，关闭电磁阀，系统此时可实现正常运行；此时，原液蒸发产生的二次蒸汽，进入水蒸汽压缩机11再压缩后，提高温度、压力，返回到蒸发器2的壳侧冷凝放热，加热原液，直至蒸发压力达到所需要的工况参数时，实现稳定运行工况。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种MVR热泵蒸发系统，其特征在于，包括水蒸汽压缩系统、蒸发器、分离器、蓄能水箱和余热回收系统；所述蓄能水箱的蒸汽出口和分离器的蒸汽出口均与水蒸汽压缩系统的蒸汽入口相连，所述水蒸汽压缩系统的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口相连，所述蒸发器的蒸汽出口与分离器的蒸汽入口相连，所述蒸发器的原液入口和浓缩液出口均与余热回收系统相连；所述蒸发器包括下封头，筒体和上封头，所述上封头和下封头位于筒体的上下两端；所述下封头设有浓缩液出口和原液入口；所述筒体的内部设有列管、上管板、下管板、蒸汽入口和冷凝水出口，所述上管板和下管板分别固定在筒体的上部和下部，所述列管固定在上管板和下管板之间，且所述列管为多个，沿竖直方向布置，所述蒸汽入口位于筒体的中下部，所述冷凝水出口位于筒体的下部，且位于下管板的上方；所述上封头设有蒸汽出口；所述水蒸汽压缩系统包括水蒸汽压缩机、流量旁通阀、冷凝水罐和喷水泵；所述水蒸气压缩机的蒸汽入口分别与蓄能水箱和分离器的蒸汽出口相连，且水蒸气压缩机的蒸汽入口处设有喷水口，所述冷凝水罐与喷水泵相连，所述喷水泵又与水蒸汽压缩机的喷水口相连；所述水蒸汽压缩机的蒸汽出口与蒸发器的蒸汽入口相连。

2.根据权利要求1所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述蒸发器还包括循环泵，所述下封头设有循环液入口，所述筒体设有循环液出口，所述循环液出口位于上管板的上方，所述循环液出口与循环泵相连，所述循环泵又与循环液入口相连。

3.根据权利要求1所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述水蒸汽压缩机的喷水口设有雾化喷头。

4.根据权利要求1所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述冷凝水罐包括罐体、液位计、注水阀和冷凝水入口，所述冷凝水入口与蒸发器的冷凝水出口相连。

5.根据权利要求1所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述分离器包括下筒体和上筒体，所述上筒体和下筒体连接在一起，且上筒体的直径大于下筒体的直径；所述上筒体设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与水蒸汽压缩机的蒸汽入口相连；所述上筒体与下筒体的交接处设有不锈钢丝网；所述下筒体设有折流套筒、蒸汽入口和分离液出口，所述蒸汽入口为旋流入口，其位于下筒体的中部，所述折流套筒位于蒸汽入口的上方，所述分离液出口位于下筒体的下部，且与循环泵相连。

6.根据权利要求1所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述蓄能水箱的箱体上部设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与水蒸汽压缩机的蒸汽入口相连，所述蓄能水箱的箱体下部设有辅助加热装置。

7.根据权利要求6所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述辅助加热装置为进水阀和排水阀的组合、进料阀与换热管路的组合以及电辅助加热器中的一种或多种。

8.根据权利要求4所述的MVR热泵蒸发系统，其特征在于，所述余热回收系统包括冷凝水板式换热器、冷凝水泵、进料泵和浓缩液板式换热器；所述余热回收系统外接原液、浓缩液和冷凝水；原液输入口分成两条线路与进料泵相连，一条线路经过浓缩液板式换热器，另一条直接与进料泵相连，所述进料泵又经过冷凝水板式换热器与蒸发器的原液入口相连；冷凝水输入口经过冷凝水板式换热器与喷水泵相连；所述蒸发器的浓缩液出口分成两条线路与两个浓缩液输出口相连，一条线路经过浓缩液板式换热器，另有一条线路直接与一个浓缩液输出口相连。