CN109939454A - 一种热泵真空浓缩系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热泵真空浓缩系统，包括：加热室、蒸发室、板式换热器、第一循环泵和热泵单元；蒸发室用于蒸发分离待浓缩液体与水分，蒸发室的入液口和加热室的出液口连通，蒸发室的出液口和加热室的入液口连通；蒸发室的排气口和板式换热器第一管道进口连通，热泵单元的第一出口经过第一循环泵与板式换热器第二管道进口连通，板式换热器第二管道出口和热泵单元的第一进口连通；热泵单元用于热交换，热泵单元的第二进口和加热室的出气口连通，热泵单元的第二出口和加热室的进气口连通。本发明提出的上述系统解决了浓缩过程中产生的二次蒸汽余热回收利用的问题，降低成本的同时又有利于环境保护。
Description
技术领域
本发明涉及真空浓缩器技术领域，特别是涉及一种热泵真空浓缩系统。
背景技术
真空浓缩器是适用于化工、食品、医药等行业液体物料精制提纯的通用设备，主要有单效外循环浓缩器、双效外循环浓缩器、三效外循环浓缩器、球星浓缩器、盘管蒸发器等，其主要功能是利用蒸汽加热液体物料，在真空作用下降低沸点蒸发溶剂，产生的二次蒸汽通过冷凝器被冷却为液体后排出，达到提高液体物料浓度提纯的目的。普遍的做法是用冷却循环水将二次蒸汽冷却，通过冷却塔将热量交换到大气中。然而，二次蒸汽的热量完全散失不仅需要耗费冷却水和电能，而且将热量排放到大气中会造成废热污染。
并且，冷却循环水需要设置水箱、水泵、冷却水循环管路、冷却塔，为保证冷凝器换热效率，系统补水需要软化处理，系统水的蒸发损失量约为循环水量的1-2％，需要补充的水量大，成本高。冷却循环水系统温度适宜微生物生长，冷却水在与大气交换过程中会吸入尘埃等杂质，因此还须设置杀菌、灭藻和过滤装置，增加了设备投资，运行成本。
目前，浓缩器二次蒸汽热能回收的相关技术有多效浓缩器、MVR浓缩器。
多效浓缩器属于传统工艺，效数越多设备越复杂，投资大，性价比低，回收期长，一般为二效、三效浓缩器，因为仍需要冷却水系统，依然存在热量损失和冷却水系统的诸多弊端。
MVR浓缩器是采用压缩机将二次蒸汽压缩升温回用给初效加热室，回收热效率高，但因为二次蒸汽直接进入压缩机，对物料洁净度要求很高，不适合粘度大的品种。二次蒸汽夹带物会对初效加热室壳程造成污染，不符合化工设计规范，适用范围窄，而且MVR压缩机造价高，运行维护量大、维护专业性强、费用高。
发明内容
基于此，有必要提供一种热泵真空浓缩系统，解决浓缩过程中产生的二次蒸汽余热回收利用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种热泵真空浓缩系统，包括：加热室、蒸发室、板式换热器、第一循环泵和热泵单元；
所述蒸发室用于蒸发分离待浓缩液体与水分，所述蒸发室的入液口和所述加热室的出液口连通，所述蒸发室的出液口和所述加热室的入液口连通；
所述蒸发室的排气口和所述板式换热器第一管道进口连通，所述热泵单元的第一出口经过所述第一循环泵与所述板式换热器第二管道进口连通，所述板式换热器第二管道出口和所述热泵单元的第一进口连通；所述热泵单元用于热交换，所述热泵单元的第二进口和所述加热室的出气口连通，所述热泵单元的第二出口和所述加热室的进气口连通。
可选的，所述热泵单元包括冷凝器和第一蒸发器，所述第一蒸发器和所述冷凝器连通，所述第一蒸发器用于利用所述冷凝器中的低温水对所述第一蒸发器中的高温水进行热交换。
可选的，所述热泵单元包括第二蒸发器，所述第二蒸发器用于利用制冷剂对所述第二蒸发器中的高温水进行热交换。
可选的，所述系统还包括第二循环泵，所述第二循环泵的输入端和所述热泵单元的第二出口连通，所述第二循环泵的输出端和所述加热室的进气口连通。
可选的，所述系统还包括第一定压补水罐和第二定压补水罐，所述热泵单元的第一出口和所述第一循环泵间的管道与所述第一定压补水罐连通；所述热泵单元的第二出口和所述第二循环泵间的管道与所述第二定压补水罐连通。
可选的，所述系统还包括第一加热器，所述第一加热器的输入端和所述热泵单元的第二出口连通，所述第一加热器的输出端和所述第二循环泵的输入端连通。
可选的，所述系统还包括第二加热器，所述第二加热器的输入端和所述加热室的出气口连通，所述第二加热器的输出端和所述热泵单元的第二进口连通。
可选的，所述系统还包括第三定压补水罐，所述热泵单元的第一出口和所述第一循环泵间的管道与所述第三定压补水罐连通。
可选的，所述加热室的入液口位于第一水平面，所述蒸发室的出液口位于第二水平面，所述第一水平面低于所述第二水平面。
可选的，所述系统还包括收液罐，所述板式换热器第一管道出口和所述收液罐连通。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过热泵单元输出低温水，吸收浓缩过程中二次蒸汽的热量，在二次蒸汽冷凝的同时完成余热回收和改善冷却工况的目的，并将热量传送至加热室，解决了浓缩过程中二次蒸汽余热回收利用的难题，降低成本的同时又有利于环境保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种热水机型热泵真空浓缩系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一种直膨机型热泵真空浓缩系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种热泵真空浓缩系统，解决浓缩过程中产生的二次蒸汽余热回收利用的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种热水机型热泵真空浓缩系统的结构示意图，图2为本发明实施例一种直膨机型热泵真空浓缩系统的结构示意图，如图1和图2所示，一种热泵真空浓缩系统，该系统包括：加热室1、蒸发室2、板式换热器3、第一循环泵5和热泵单元27。
所述蒸发室2用于蒸发分离待浓缩液体与水分，所述蒸发室2的循环入液口13和所述加热室1的管程出液口12连通，所述蒸发室2的循环出液口14和所述加热室1的管程入液口15连通。
所述蒸发室2的二次蒸汽排气口16和所述板式换热器3第一(二次蒸汽)管道进口17连通，所述热泵单元27的第一(低温冷却水)出口22经过所述第一(冷却水)循环泵5与所述板式换热器3第二(低温冷却水)管道进口20连通，所述板式换热器3第二(高温冷却水)管道出口19和所述热泵单元27的第一(高温冷却水)进口21连通；所述热泵单元27用于热交换即吸收冷却水低热值热量交换输出高热值热能，所述热泵单元27的第二(低温热媒)进口23和所述加热室1的壳程出气口25连通，所述热泵单元27的第二(高温热媒)出口24和所述加热室1的壳程进气口26连通。
所述板式换热器3作为浓缩系统二次蒸汽的冷却器，冷却介质为热泵单元输出的低温冷却循环水。
热泵单元27是成熟的设备，输出的冷却循环水利用浓缩系统的二次蒸汽升温，并回到热泵单元27中，热泵单元输出的高温热水输送至加热室1，液体物料自下而上吸热达到蒸发临界温度，形成气液混合物进入蒸发室2闪蒸，产生的二次蒸汽在真空作用下进入板式换热器3被冷凝进入收液罐4，间歇排出。蒸发室2内的液体进入加热室1管程底部，逐步升温汽化，密度差逐渐增大，在重力作用下形成剧烈循环，实现物料连续蒸发、冷凝分离，到达提纯精制的目的。
作为一种可选的实施方式，所述热泵真空浓缩系统还包括：
收液罐4，所述板式换热器3第一管道出口18和所述收液罐4连通。
优选的，所述收液罐4设置在所述板式换热器3的正下方。
优选的，所述加热室1的入液口15位于第一水平面，所述蒸发室2的出液口14位于第二水平面，所述第一水平面低于所述第二水平面。
本实施例热泵真空浓缩系统加热物料分为热水机型和直膨机型。
图1为本发明实施例一种热水机型热泵真空浓缩系统的结构示意图，如图1所示，所述热泵单元27包括冷凝器7和第一蒸发器8，所述第一蒸发器8和所述冷凝器7连通，所述第一蒸发器8用于利用所述冷凝器7中的低温水对所述第一蒸发器8中的高温水进行热交换。
具体的，第一蒸发器8的出口为所述热泵单元27的第一出口22，即第一蒸发器8的出口和所述第一循环泵5的输入端连通，所述第一循环泵5的输出端和所述板式换热器3第二管道进口20连通；第一蒸发器8的进口为所述热泵单元27的第一进口21，即第一蒸发器8的进口和所述板式换热器3第二管道出口19连通。冷凝器7的出口为所述热泵单元27的第二出口24，即所述冷凝器7的出口和所述加热室1的进气口26连通，冷凝器7的进口为所述热泵单元27的第二进口23，即所述冷凝器7的进口和所述加热室(1)的出气口(25)连通。
作为一种可选的实施方式，所述热泵真空浓缩系统还包括：
第二循环泵6，所述第二循环泵6的输入端和所述热泵单元27的第二出口24连通，所述第二循环泵6的输出端和所述加热室1的进气口26连通。
作为一种可选的实施方式，所述热泵真空浓缩系统还包括：
第一定压补水罐10和第二定压补水罐11，所述热泵单元27的第一出口22和所述第一循环泵5间的管道与所述第一定压补水罐10连通；所述热泵单元27的第二出口24和所述第二循环泵6间的管道与所述第二定压补水罐11连通。
作为一种可选的实施方式，所述热泵真空浓缩系统还包括：
第一加热器9，所述第一加热器9的输入端和所述热泵单元27的第二出口24连通，所述第一加热器9的输出端和所述第二循环泵6的输入端连通。
图2为本发明实施例一种直膨机型热泵真空浓缩系统的结构示意图，如图2所示，所述热泵单元27包括第二蒸发器28，所述第二蒸发器28用于利用制冷剂对所述第二蒸发器28中的高温水进行热交换。
作为一种可选的实施方式，所述热泵真空浓缩系统还包括：
第二加热器29，所述第二加热器29的输入端和所述加热室1的出气口25连通，所述第二加热器29的输出端和所述热泵单元27的第二进口23连通。
作为一种可选的实施方式，所述热泵真空浓缩系统还包括：
第三定压补水罐30，所述热泵单元27的第一出口22和所述第一循环泵5间的管道与所述第三定压补水罐30连通。
直膨机型热泵真空浓缩系统无需热水循环系统，由热泵单元直接驱动制冷剂(如R410A等)蒸汽给物料加热。
本实施例热泵真空浓缩系统工作(运转)过程如下：
1)开启外部真空阀门，通过冷凝液收液罐4连接板式换热器3、蒸发室2、加热室2建立物料一侧系统真空，蒸发室2进料充注待浓缩液体。
2)在系统初启动时，使用第一加热器9或第二加热器29使待浓缩液体达到蒸发温度形成循环蒸发，加热室1使用热泵单元27回收的热能，利用高温热水作为加热源，待达到稳定循环蒸发状态，关闭第一加热器9或第二加热器29。
3)蒸发室2内蒸汽(二次蒸汽)通过上方管道流经板式换热器3，在板式换热器3内被冷却循环水冷却变成液体，被下方收液罐4收集。
4)热泵单元27吸收冷却循环水回水中的热量，将冷却循环水温度降低，输出低温冷却循环水供水至板式换热器3，使二次蒸汽冷凝至收液罐4，被二次蒸汽加热后的冷却循环水回流到热泵单元27，完成冷却循环水的循环。
5)热泵单元27利用回收的热能，输出高温热水至浓缩系统的加热室1作为热源使用，流过加热室1的热水温度降低，回到热泵单元27再次加热，循环使用。
6)浓缩系统内物料循环蒸发浓缩至规定比重，系统完成工作关闭。
本实施例热泵真空浓缩系统工作原理如下：
1)第一加热器9或第二加热器29在系统初启动时作为热源，以蒸汽或电加热为系统提供高温热水，作为热源驱动系统的循环运行。待浓缩液体通过热媒(热水或制冷剂蒸汽)加热后，其中的水分变成二次蒸汽，二次蒸汽经板式换热器3冷却后冷凝成水被收液罐4收集，实现了待浓缩液体中水分的分离，完成浓缩任务。第一加热器9或第二加热器29在系统启动时工作，以蒸汽或电加热为系统提供初始热源，待第二循环泵6回收热能与自身输出热能满足循环热平衡后关闭。
2)蒸发器8做为冷源，使冷却循环水的温度降低。低温的冷却循环水在冷却二次蒸汽的过程中吸热温度升高，温度升高的冷却循环水回到蒸发器8中，循环使用。冷却循环水系统通过第一定压补水罐10保持冷却循环水系统的补水和压力稳定。
3)冷凝器7做为热源，输出高温热水至浓缩系统的加热室1作为热源，热能释放后水温降低，再次回到冷凝器7进行再次加热，完成循环。热水循环系统通过第二定压补水罐11保持压力与水量稳定。(采用制冷剂直接加热的直膨机型无需热水循环系统)
4)设计条件：以水源热泵机型为例，选取水源热泵能稳定高效运行的工况，第二循环泵6的输出端即供热侧输出55℃热水，温差ΔTr＝5℃，第一循环泵5的输出端即冷却侧输出15℃冷水，温差ΔTL＝10℃，COP＝5。以此为标准工况，加热室1的进气口26进入的水的温度是TRIN＝55℃，加热室1的出气口25流出的水的温度是TROUT＝TLIN-ΔTr＝50℃，蒸发室2设计真空度-0.09MPa，对应蒸发温度45℃；板式换热器3冷却水进水温度TLIN＝15℃(即板式换热器3第二管道进口20的进水温度是15℃)，冷却水出水温度TLOUT＝TLIN+ΔT＝25℃(即板式换热器3第二管道出口19流出的水温度是25℃)，二次蒸汽由45℃被冷凝为液体，降温至30℃，对应水的蒸发真空度-0.0957MPa。加热室1加热待浓缩液体和板式换热器3冷凝二次蒸汽均有5℃传热温差，满足换热设计要求。系统所需真空度通用2BV型液环真空泵亦可满足。
热量衡算：45℃水的汽化潜热2393.9KJ/KG，每小时蒸发/冷凝1t水蒸汽吸收或释放潜热2.39×106KJ，折合热能2.39×106KJ÷3600s＝664kw。按系统热损失10％计，热泵单元可吸收热能664KW×(1-10％)＝598kw。热泵COP＝5(COP表示热泵的循环性能系数，等于制热量与输入功率的比值)，输入电热能598kw÷5＝119.6kw，总输出热能598kw+119.6kw＝717.6kw，大于系统浓缩蒸发所需热量，并留有可靠余量，可以满足自身循环工作所需。
本实施例热泵真空浓缩系统的有益效果：
1、传统的浓缩器冷凝分离二次蒸汽不仅热能完全损失，而且需要冷却水系统耗费能量和补充水，本实施例中的热泵真空浓缩系统采用循环泵技术回收浓缩过程中二次蒸汽余热从而填补了浓缩器余热回收空白，回收热能量大，效益显著。
2、本实施例中的热泵真空浓缩系统无需传统的冷却循环水系统，不需要设置水箱、冷却塔、高扬程冷却循环水泵、冷却水循环管路；不需要设置冷却塔补水的水软化处理系统，在大量节约投资的同时，节约了生产场地和运行维护费用。
3、传统冷却塔水的蒸发损失量约为3％，不仅需要补充大量的水，而且会对环境产生影响。本实施例中的热泵真空浓缩系统为密闭循环系统，不会造成水的蒸发损失，节省水资源且对环境无影响。
4、传统冷却水循环系统温度适宜微生物生长，冷却水在与大气交换过程中会吸入尘埃等杂质，须设置杀菌、灭藻和过滤装置。为减少换热器结垢影响热效率，还需设软化水装置，不仅增加了设备投资，而且运行和维护成本高、难度大，本实施例中的热泵真空浓缩系统采用密闭循环，系统无冷媒/热媒散失，可一次性加注纯化水或载冷剂，避免了这些缺点。
5、传统的多效浓缩器不仅结构复杂、故障点多、维护难度大，而且必须有冷却水系统、存在上述缺点。本实施例中的热泵真空浓缩系统结构简单、故障点少、节约投资、易于维护。
6、MVR浓缩器直接对二次蒸汽进行压缩，不适用结垢、盐析、粘附的或具腐蚀性物料的物料，应用范围受限较严重，本实施例中的热泵真空浓缩系统在热能回收过程中与二次蒸汽不直接接触，加热室和蒸发室不会受到污染，应用范围不受限制，适用广泛。
7、由于采用循环泵技术回收二次蒸汽，制冷剂在蒸发器中蒸发吸热，冷却循环水可以达到10℃以下，二次蒸汽冷凝彻底，系统可以维持高真空运转，物料在低温下蒸发，对保持物料有效成分和活性十分有力，尤其适用于热敏性物料浓缩。
8、经济效益测算，以浓缩系统水蒸发量1t/h计，每小时回收热量664千瓦时,按系统热损失10％计，回收热能约折合664*(1-10％)＝598度电，按热泵输入功率161千瓦时，每天运行8小时，每年工作260天，满负荷运行系数0.7计，可节约电能(598-161)*8*260*0.7＝63.63万度/年，按每度电0.7元，节约电费44.54万元。传统浓缩器每吨蒸发量须配套55t/h冷却循环水量，以冷却塔1％散失量计，可节约水55*8*260*1％＝1144吨/年，以哈尔滨每吨工业用水7元计(含排污费)，可节约水费0.8万元。循环泵消耗的电能小于传统冷却水系统，忽略不计。以一般中小型中药厂为例，提取车间的浓缩能力在6-10t/h，则每年可节约270-450万元，节约用水0.7万-1.1万吨。生产规模越大节约潜力越大，经济效益显著，而且减少了碳排放量和废热污染，符合绿色可持续发展国策。
9、由于本实施例中的热泵真空浓缩系统，不受外部工况影响，不改变原浓缩器结构，适用于成套机组生产，应用前景广阔。
本实施例利用热泵单元回收热泵真空浓缩系统中二次蒸汽余热，并用于浓缩系统自身循环加热，解决了制药、食品、化工等行业液体物料浓缩系统二次蒸汽余热回收利用的难题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种热泵真空浓缩系统，其特征在于，包括：加热室(1)、蒸发室(2)、板式换热器(3)、第一循环泵(5)和热泵单元(27)；
所述蒸发室(2)用于蒸发分离待浓缩液体与水分，所述蒸发室(2)的入液口(13)和所述加热室(1)的出液口(12)连通，所述蒸发室(2)的出液口(14)和所述加热室(1)的入液口(15)连通；
所述蒸发室(2)的排气口(16)和所述板式换热器(3)第一管道进口(17)连通，所述热泵单元(27)的第一出口(22)经过所述第一循环泵(5)与所述板式换热器(3)第二管道进口(20)连通，所述板式换热器(3)第二管道出口(19)和所述热泵单元(27)的第一进口(21)连通；所述热泵单元(27)用于热交换，所述热泵单元(27)的第二进口(23)和所述加热室(1)的出气口(25)连通，所述热泵单元(27)的第二出口(24)和所述加热室(1)的进气口(26)连通。
2.根据权利要求1所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述热泵单元(27)包括冷凝器(7)和第一蒸发器(8)，所述第一蒸发器(8)和所述冷凝器(7)连通，所述第一蒸发器(8)用于利用所述冷凝器(7)中的低温水对所述第一蒸发器(8)中的高温水进行热交换。
3.根据权利要求1所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述热泵单元(27)包括第二蒸发器(28)，所述第二蒸发器(28)用于利用制冷剂对所述第二蒸发器(28)中的高温水进行热交换。
4.根据权利要求2所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述系统还包括第二循环泵(6)，所述第二循环泵(6)的输入端和所述热泵单元(27)的第二出口(24)连通，所述第二循环泵(6)的输出端和所述加热室(1)的进气口(26)连通。
5.根据权利要求4所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述系统还包括第一定压补水罐(10)和第二定压补水罐(11)，所述热泵单元(27)的第一出口(22)和所述第一循环泵(5)间的管道与所述第一定压补水罐(10)连通；所述热泵单元(27)的第二出口(24)和所述第二循环泵(6)间的管道与所述第二定压补水罐(11)连通。
6.根据权利要求5所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述系统还包括第一加热器(9)，所述第一加热器(9)的输入端和所述热泵单元(27)的第二出口(24)连通，所述第一加热器(9)的输出端和所述第二循环泵(6)的输入端连通。
7.根据权利要求3所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述系统还包括第二加热器(29)，所述第二加热器(29)的输入端和所述加热室(1)的出气口(25)连通，所述第二加热器(29)的输出端和所述热泵单元(27)的第二进口(23)连通。
8.根据权利要求7所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述系统还包括第三定压补水罐(30)，所述热泵单元(27)的第一出口(22)和所述第一循环泵(5)间的管道与所述第三定压补水罐(30)连通。
9.根据权利要求1所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述加热室(1)的入液口(15)位于第一水平面，所述蒸发室(2)的出液口(14)位于第二水平面，所述第一水平面低于所述第二水平面。
10.根据权利要求1所述的热泵真空浓缩系统，其特征在于，所述系统还包括收液罐(4)，所述板式换热器(3)第一管道出口(18)和所述收液罐(4)连通。
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