CN109289238A - 热泵蒸发结晶系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵蒸发结晶系统，包括：产生第一换热介质的热泵；第一热交换装置，流过第一热交换装置的溶液的温度升高到非蒸发的温度；蒸发罐，该蒸发罐与第一热交换装置输出端连接；具有第二换热介质的第二热交换装置，第二热交换装置与热泵连接，第二热交换装置与蒸发罐连接，第二热交换装置还与第一热交换装置连接，第一交换装置和第二交换装置形成使第二换热介质循环流动的通道；第一冷却装置，第一冷却装置的一端与第一热交换装置连接，第一冷却装置的另一端与热泵连接，第一冷却装置接收从第二热交换装置输出的第一换热介质，并将第一换热介质降温后输送给热泵。本发明具有提高能效的优点。

Description

热泵蒸发结晶系统

技术领域

本发明涉及一种蒸发结晶技术领域，尤其涉及一种热泵蒸发结晶系统。

背景技术

酸洗工艺在我国许多工业部门中被广泛应用，钢铁工业、金属制品业在生产过程中需要清除金属材料表面氧化层而使用盐酸进行酸洗，酸洗过程中会产生大量的酸洗废液，盐酸酸洗废液的成分主要是:游离酸、金属盐和水。其含量随酸洗工艺、操作温度、金属材质、规格不同而异。依据国家环保条例规定，废酸不允许直接排放，而我国此类酸洗废液的产出量惊人，偷排现象屡禁不止。如钢材镀锌行业:一般生产一吨镀锌钢材可产生酸洗废液约据有关部门统计，仅重点钢铁企业每年产出的酸洗废液量就有一亿多吨。

CN103394206A公开了一种高效节能型盐酸酸洗废液三效负压石墨蒸发结晶装置，该蒸发结晶装置由于进行三效蒸发，后效蒸发器内的压强和溶液的沸点较前效蒸发器内的压强和溶液的沸点低，引入前效蒸发器的二次蒸汽作为后效蒸发器的加热介质，仅一效蒸发器消耗生蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，提高经济性。

然而，对于三效蒸发的处理方式而言，首先，蒸发需要的蒸汽通过烧煤或用电能产生，不仅需要大量的能源，而且蒸汽是单向作功致使效率低。蒸汽与废液进行热交换后，蒸汽需排放到装置外部，这样需要增加制冷设备，提高了处理的成本。而且在三效蒸发的每一效一般都采用的是MVR蒸发器(单体蒸发器)，效体内部为排列的细管，管内部为产品，外部为蒸汽，在产品由上而下的流动过程中由于管内面积增大而使产品呈膜状流动，以增加受热面积，通过真空泵在效体内形成负压，降低产品中水的沸点，从而达到浓缩，在工作时随着水份的蒸发容易使盐类结垢在细管的内壁面上，加上MVR蒸发器内的管道内径小，因此，使用一段时间后容易引起堵塞。

发明内容

本发明提供了一种提高能效的热泵蒸发结晶系统。

本发明通过以下技术方案实现：

热泵蒸发结晶系统，包括：

产生第一换热介质的热泵；

第一热交换装置，流过第一热交换装置的溶液的温度升高到非蒸发的温度；

蒸发罐，该蒸发罐与第一热交换装置输出端连接；

具有第二换热介质的第二热交换装置，第二热交换装置与热泵连接，第二热交换装置与蒸发罐连接，第二热交换装置还与第一热交换装置连接，第一交换装置和第二交换装置形成使第二换热介质循环流动的通道，系统运行时第二换热介质与所述第一换热介质的热量进行热交换，第一热交换装置获得使溶液温度升高到非蒸发温度的能量，进入到蒸发罐内的溶液与第二换热介质进行热交换后蒸发，溶液蒸发后剩余的结晶浓缩物在蒸发罐内；

第一冷却装置，第一冷却装置的一端与第一热交换装置连接，第一冷却装置的另一端与热泵连接，第一冷却装置接收从第二热交换装置输出的第一换热介质，并将第一换热介质降温后输送给热泵。

采用了上述方案，通过第一热交换装置使溶液的温度提高到非蒸发温度，这样有利于使溶液进入到蒸发罐中后进行蒸发，并且，本发明的方案与现有技术相比，溶液不在第一热交换装置内进行蒸发，即不让溶液在第一热交换装置内进行蒸发，从而可避免因蒸发后留下的盐类结垢在第一热交换装置内，防止了堵塞第一热交换装置。通过第一交换装置和第二交换装置形成使第二换热介质循环流动的通道，并且，通过第一交换装置、第二交换装置以及第一冷却装置还形成了使第一换热介质循环流动的通道，第一换热介质循环做功使得系统的能效获得提升，而且这种结构兼顾了溶液蒸发前的和第二换热介质的温度提升，无需再增设热源为溶液蒸发前进行温度提升，因此具有布具合理以及使第一换热介质得到合理运用的优点。

附图说明

图1为本发明的热泵蒸发结晶系统的示意图。

附图中的标记：

B1为第一水泵，B2为第二水泵，B3为真空泵；

1为蒸发罐，2为空气冷却器，3为冷凝器，4为冷交换器，5为热泵，6为溶液池，7为第三交换器，8为第四交换器，9为第二交换器，10为第一交换器，11为第五交换器，12为中冷罐，13为过滤器，14为温度补偿器，15为螺旋绞龙，16为干燥器；

另外，关于附图中几种箭头的说明：

→实心箭头表示第一换热介质的流动路径；

空心箭头表示第二换热介质的流动路径；

半实心箭头表示溶液的流动路径；

非封闭箭头表示冷却后的液体的流动路径；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明的热泵蒸发结晶系统，包括：热泵5、第一热交换装置、蒸发罐1、第二热交换装置、第一冷却装置，下面对各部分以及它们之间的关系进行详细说明：

热泵5产生第一换热介质，热泵5产生的第一换热介质为溶液蒸发时提供所需热量，以及在溶液蒸发使溶液的温度上升提供所需热量，所述热泵5优先采用二氧化碳热泵(即制冷剂为R744的热泵)，二氧化碳热泵产生的第一换热介质为二氧化碳气体，由二氧化碳热泵产生的二氧化碳气体的温度最达温度为130℃，因此，本实施例中，第一换热介质的温度无论是在平原地带还是在高原地带，均能满足溶液蒸发所需要的温度。

流过第一热交换装置的溶液的温度升高到非蒸发的温度，第一热交换装置与提供所需蒸发的溶液设备连接，本实施例中，溶液设备包括第一水泵B1以及溶液池6，在溶液池6内存储有由本发明的系统进行待处理的溶液，第一水泵B1与溶液池6连接，第一水泵B1将溶液池6内的溶液输送到第一热交换装置中，溶液在流过第一热交换装置时与第一热交换装置进行热交换，溶液与第一热交换装置进行热交换并输出后，溶液的温度优先升至55℃。

第一热交换装置优先采用的结构方式为：包括第一交换器10和第二交换器9，第一交换器10分别与第二热交换装置和第一冷却装置连接，第二交换器9分别与第一交换器10、第二热交换装置以及蒸发罐1连接。第一交换器10和第二交换器9优先采用板式换热器，第一交换器10和第二交换器9还可以采用管式换热器。

第一交换器10与第一水泵B1连接，溶液池6内的溶液通过第一水泵B1输送到第一交换器10内，溶液与第一交换器10进行第一次热交换，经过第一次热交换的溶液的温度优先升至45℃，从第一交换器10输出的溶液进入到第二交换器9内进行第二次热交换，经过第一次热交换的溶液的温度优先升至55℃，从第二交换器9输出的溶液进入到蒸发罐1内进行蒸发结晶。

蒸发罐1与第一热交换装置输出端连接；蒸发罐1与第一热交换装置中的第二交换器9的输出端连接，蒸发罐1优先采用的结构方式为：包括罐体以及设置于罐体内的换热器(图中未示出)，换热器优先采用板式换热器。

第二交换器9输出端连接管道，管道通入到罐体体，管道位于罐体内的端部设有喷头，因此，溶液以喷洒的形式喷至罐体内的换热器的表面，由于换热器上的温度较高(达至90至100℃)，喷洒到换热器表面上的溶液的水份蒸发，剩余的浓缩物则留在罐体内。通过刮动机构(例如由驱动器驱动的刮刀)将换热器表面上的浓缩物刮落到罐体底部，并由与蒸发罐1连接的螺旋绞龙15将浓缩物送入干燥器16内进行干燥，浓缩物经干燥后进行装袋。干燥器16优先采用桨叶干燥器。

第二热交换装置内具有第二换热介质，第二换热介质优先采用液体，该液体优先采用水。第二热交换装置与热泵5连接，第二热交换装置与蒸发罐1连接，第二热交换装置还与第一热交换装置连接，第一交换装置和第二交换装置形成使第二换热介质循环流动的通道，系统运行时第二换热介质与所述第一换热介质的热量进行热交换，第一热交换装置获得使溶液温度升高到非蒸发温度的能量，进入到蒸发罐1内的溶液与第二换热介质进行热交换后蒸发，溶液蒸发后剩余的浓缩物残留在蒸发罐1内。

第二热交换装置的优先采用的结构方式为：包括第三交换器7和第四交换器8，第三交换器7和第四交换器8优先采用板式换热器，第三交换器7和第四交换器8还可以采用管式换热器。第三交换器7分别与热泵5、第四交换器8以及蒸发罐1连接，第四交换器8还与第一热交换装置连接，即第四交换器8分别第一交换器10和第二交换器9连接，第三交换器7将第二换热介质输入到蒸发罐1内的换热器内，经过换热后的第二换热介质温度降低后经输送管道输送至第二交换器9中，此时，第二换热介质与进入到第二交换器9内溶液进行第二次热交换，溶液的温度优先升至55℃。由于四交换器8与第一交换器10连接，因此，热泵5输出的第一换热介质依次通过第三交换器7、第四交换器8之后，第一换热介质进入到第一交换器10内，与进入到第一交换器10内的溶液进行热交换，使得第一次热交换的溶液的温度优先提升至45℃。

本实施例中，第二换热介质与所述第一换热介质的热量进行热交换的过程为：从热泵5优先输出例如120℃的第一换热介质，120℃的第一换热介质进入到第三交换器7后与第二换热介质进行热交换后，从第三交换器7输出的第一换热介质的温度优先降低至110℃，110℃的第一换热介质进入到第四交换器8后与第二换热介质进行热交换后，从第四交换器8输出的第一换热介质的温度优先降低至80℃。从第二交换器9内输出的第二换热介质依次与第四交换器8和第三交换器7进行换热，由于热泵5输出的第一换热介质依次流过第三交换器7、第四交换器8，从第二交换器9内输出的第二换热介质通过第四交换器8后温度优先上升至80℃，从第四交换器8内输出的第二换热介质通过第三交换器7后温度优先上升至90℃。

第一冷却装置的一端与第一热交换装置连接，第一冷却装置的另一端与热泵5连接，第一冷却装置接收从第一热交换装置输出的第一换热介质，并将第一换热介质降温后输送给热泵5。优选地，第一冷却装置的一端与第一交换器10连接。

第一冷却装置包括第五交换器11、中冷罐12，第五交换器11与第一热交换装置连接，中冷罐12与第五交换器11连接。第五交换器11优先采用板式换热器，第五交换器11还可以采用管式换热器。热泵5输出的第一换热介质依次通过第三交换器7、第四交换器8之后，进入到第一交换器10进入热交换，第五交换器11优先与第一热交换装置中的第一交换器10连接，因此，第一换热介质从第一交换器10输出到第五交换器11内，再由第五交换器11输出到中冷罐12中，第一换热介质在中冷罐12内进行热交换，从而使第一换热介质的温度进一步降低。

本发明不限于上述实施例的结构，还包括：

(a)还包括温度补偿器14，该温度补偿器14设置于第二热交换装置与蒸发罐1之间，温度补偿器14优先采用蒸汽温度补偿器，对于有的溶液而言，可能需要更高的蒸发温度，而通过热泵5产生的第一换热介质无法使第二换热介质达到这种溶液的蒸发温度，因此，通过温度补偿器14使得从第三交换器7输出的第二换热介质的温度进一步获得提高。

(b)进一步地，还包括与蒸发罐1连接的第二冷却装置以及与第二冷却装置连接的负压装置，第二冷却装置将溶液蒸发时产生的水蒸气转换成液体(冷凝水)，负压装置存放第二冷却装置冷却后形成的液，负压装置优先采用真空负压装置，通过第二冷却装置和负压装置使溶液低温蒸发(使本发明在高原地区也能适用)，降低了能耗以及溶液蒸发时需要的温度，提高了蒸发速度和蒸发量。

所述第二冷却装置包括空气冷却器2、冷凝器3，空气冷却器2优先采用风机，空气冷却器2的一端与蒸发罐1连接，空气冷却器2使从蒸发罐1输出的水蒸汽的进行重力分离，空气冷却器2的另一端与负压装置连接，一部分通过空气冷却器2降低温度的水蒸汽通过负压装置的作用进入到负压装置中。

冷凝器3分别与空气冷却器2、第一冷却装置、负压装置连接。冷凝器3与第一冷却装置的中冷罐12的输出端连接，冷凝器3对从中冷罐12输出的第一换热介质的温度再进一步地降低。另一部分通过空气冷却器2降低温度的水蒸汽进入到冷凝器3中，通过冷凝器3的作用，被空气冷却器2处理过的气液重力分离再进入低温冷凝器3进行深度冷却，冷却后的温度优先降低至25℃度，从而将水蒸汽转换成液体，这些液体在负压装置的作用下进入到负压装置中。

负压装置包括过滤器13以及真空泵B3，真空泵B3与过滤器13连接，过滤器13分别与空气冷却器2以及冷凝器3连接，以接收水蒸汽和液体，真空泵B3产生负压，使空气冷却器2冷却后的一部分水蒸汽输送到过滤器13内，与冷凝器3输送到过滤器13内的液体进行热交换，使水蒸汽转换成液体。

(c)进一步地，还包括冷交换装置，冷交换装置设有第一输入端和第二输入端，冷交换装置还设有第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与负压装置连接，所述第二输入端与第一冷却装置连接，所述第一输出端与热泵5连接。冷交换装置包括冷交换器4以及与该冷却器4连接的第二水泵B2，所述第一输入端和第二输入端设置于冷交换器上，第一输出端和第二输出端设置于冷交换器上。冷交换器4上的第一输入端与所述真空泵B3连接，冷交换器4上的第二输入端与中冷罐12的输出端连接，冷交换器4上的第一输出端与热泵5连接，冷交换器4上第二输出端与第二水泵B2连接。

中冷罐12输出的第一换热介质的一部分进入到冷交换器4中，真空泵B3将过滤器13内的液体输送到冷交换器4中，第一换热介质与液体进行热交换，热交换后的第一换热介质通过所述第一输出端输送到热泵5，真空泵B3将冷凝后第一换热介质(二氧化碳气体)利用冷凝水循环喷射式建立前期真空，当冷交换器4水温高于设定值，热泵5给予冷源降温提高真空泵B3效率，当冷交换器4液位到达设定水位，第二水泵B2将冷凝水通过第二水泵B2输出到第五交换器11内，再次与流过第五交换器11的第一换热介质进行热交换后输出，以进行二次利用。

在上述实施例中，通过第一热交换装置使溶液的温度提高到非蒸发温度，这样有利于使溶液进入到蒸发罐1中后进行蒸发，并且，本发明的方案与现有技术相比，溶液不在第一热交换装置内进行蒸发，即不让溶液在第一交换器10和第二交换器9内进行蒸发，从而可避免因蒸发后留下的盐类结垢在第一热交换装置内，防止堵塞第一热交换装置。通过第一交换装置和第二交换装置形成使第二换热介质循环流动的通道，并且，通过第一交换装置和第二交换装置还形成了使第一换热介质循环流动的一部分通道，这种结构设计兼顾了溶液蒸发前的和第二换热介质的温度提升，无需再增设热源为溶液蒸发前进行温度提升，因此，本发明的系统具有布具合理以及使第一换热介质得到合理运用的优点。另外，通过第二冷却装置、负压装置以及冷交换装置的作用，使蒸发后的水蒸汽转换为冷却水，通过各种热交换的作用，使得本发明的系统具有制冷的作用，因此，本发明的热泵与第一热交换装置、第二热交换装置、第一冷却装置、第一冷却装置、负压装置形成了制冷制热双向换热单循环，既提供在处理液体中蒸发水需要的热量，又提供了蒸汽冷凝所需的冷源，并且降低了热泵的能耗以及溶液蒸发时需要的温度，提高了蒸发速度和蒸发量。

采用德国生产的型号为：380-420V Y/YY-3-50Hz PW的热泵进行模拟试验，模拟完后，在计算机上显示出如下数据：

热泵5排气温度最高130度，热泵5最大制热量313KW，蒸发温度25度，热泵5最大蒸发制冷量260KW，消耗功率53.1KW，消耗电流(400V)90.5A，制冷剂R744，交换器压力大于70bar。

上述的数据表明，单台热泵5每消耗功率53.1KW，转换的制热量为313KW，转换的制冷量260KW，制热量为消耗功率的5.89倍，制冷量为消耗功率的4.89倍。现有技术中采用多效蒸发的处理方式，制热功率与消耗功率相比，制热功率为消耗功率两倍左右，并且，现有技术中的多效蒸发所用的换热介质(蒸汽)不能进行制冷。

Claims (10)

1.热泵蒸发结晶系统，其特征在于，包括：

产生第一换热介质的热泵；

第一热交换装置，流过第一热交换装置的溶液的温度升高到非蒸发的温度；

蒸发罐，该蒸发罐与第一热交换装置输出端连接；

具有第二换热介质的第二热交换装置，第二热交换装置与热泵连接，第二热交换装置与蒸发罐连接，第二热交换装置还与第一热交换装置连接，第一交换装置和第二交换装置形成使第二换热介质循环流动的通道，系统运行时第二换热介质与所述第一换热介质的热量进行热交换，第一热交换装置获得使溶液温度升高到非蒸发温度的能量，进入到蒸发罐内的溶液与第二换热介质进行热交换后蒸发，溶液蒸发后剩余的浓缩物残留在蒸发罐内；

第一冷却装置，第一冷却装置的一端与第一热交换装置连接，第一冷却装置的另一端与热泵连接，第一冷却装置接收从第一热交换装置输出的第一换热介质，并将第一换热介质降温后输送给热泵。

2.根据权利要求1所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，还包括：

与蒸发罐连接的第二冷却装置，第二冷却装置将溶液蒸发时产生的水蒸气转换成液体；

与第二冷却装置连接的负压装置，负压装置存放第二冷却装置冷却后形成的液体。

3.根据权利要求2所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，所述第二冷却装置包括：

空气冷却器，该空气冷却器与蒸发罐连接，空气冷却器还与负压装置连接；

冷凝器，冷凝器分别与空气冷却器、第一冷却装置、负压装置连接。

4.根据权利要求2所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，还包括：

冷交换装置，冷交换装置设有第一输入端和第二输入端，冷交换装置还设有第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与负压装置连接，所述第二输入端与第一冷却装置连接，所述第一输出端与热泵连接。

5.根据权利要求3所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，冷交换装置包括：

冷交换器以及与该冷却器连接的第二水泵，所述第一输入端和第二输入端设置于冷交换器上，第一输出端和第二输出端设置于冷交换器上。

6.根据权利要求1所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，还包括温度补偿器，该温度补偿器设置于第二热交换装置与蒸发罐之间。

7.根据权利要求1至6之一所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，所述热泵为二氧化碳热泵。

8.根据权利要求1至6之一所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，所述第一热交换装置包括第一交换器和第二交换器，第一交换器分别与第二热交换装置和第一冷却装置连接；第二交换器分别与第一交换器、第二热交换装置以及蒸发罐连接。

9.根据权利要求1至6之一所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，第二热交换装置包括第三交换器和第四交换器，第三交换器分别与热泵、第四交换器以及蒸发罐连接，第四交换器还与第一热交换装置连接。

10.根据权利要求1至6之一所述的热泵蒸发结晶系统，其特征在于，第一冷却装置包括：

第五交换器，第五交换器与第一热交换装置连接；

中冷罐，该中冷罐与第五交换器连接。