CN114522433B - 一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统及其工作方法。涉及食品/中药等热敏性物料浓缩技术领域。包括进料罐（23）、分离室（1）和出料罐（21），其特征在于，还包括换热器（2）、热泵系统和真空装置，所述分离室（1）设有位于中部的分离室进料口（a）、位于顶部分离室二次蒸汽出口（b）和位于底部分离室循环口（c），在所述分离室（1）的上部还设有分离室阀门（29）；所述进料罐（23）通过进料泵（24）连接所述换热器（2）的进料口，所述换热器（2）的出料口连接所述分离室进料口（a）；本发明系统有结构简单、紧凑，占地面积小，投资小，成本低的优点。

Description

一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法

技术领域

本发明涉及食品/中药等热敏性物料浓缩技术领域，尤其涉及一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统及其工作方法。

背景技术

食品（饮料、果蔬汁）、中医药品等在生产加工中，为了实现物料的性能、色泽、口感、味道的产品品质，往往需要对物料进行超低温（24~32℃）浓缩，以达到物料所含物质的目标浓度和标志性物质的浓度。通常的蒸发浓缩方式是物料经过蒸汽加热，保持一定的真空度，物料沸腾，产生二次蒸汽，二次蒸汽通过冷水换热冷凝成液态。

具体地说，现有技术中的蒸发浓缩技术手段，一是物料蒸发温度高（蒸发温度达到60~100℃），易导致物料中的低沸点香气物质、维生素、含有的热敏性物质发生变性和蒸发损失。

二是蒸发浓缩系统能耗大，不能符合能源节约和低碳的要求。

三是蒸发浓缩系统蒸发量小、生产效率低，导致系统整体能效差。

如“CN113877224A，一种低温高真空度的浓缩系统和方法”专利技术，提供了一种优化的真空浓缩方法，通过空间一体化的蒸发器、冷凝器的布局使得冷凝器与蒸发器的压力差极小，蒸发压力可以更低而实现高真空度下的低温蒸发特性。使物料处于较低的温度(20—30℃)下实现较高真空度的蒸发浓缩，同时还应避免相变浓缩高能耗的缺陷，实现高品质、高效率低能耗的浓缩工艺手段。“在较底的温度下实现较高真空度的蒸发浓缩的优点，解决了蒸发面积有限、蒸发阻力较大而且传热效率不高、蒸汽无法回收、导致物料中的低沸点香气物质以及维生素、热敏性内含物发生变性和蒸发损失和设备投资大、效率较低，残留于冰晶中有效物质损失也不可小视，同时还存在蛋白质成分冷冻变性产生沉淀的问题。”提供了一种蒸发浓缩系统，其技术方案包括：包括蒸发器、冷凝器、原液储液罐、完成液缓冲罐、外散热器、热水储罐、冰水罐、热泵机组和真空机组，所述蒸发器的顶部连接所述冷凝器，所述冷凝器的外壁分别连接所述原液储液罐和所述热水储罐，所述热泵机组分别连接所述冷凝器、所述冰水罐、所述热水储罐和所述蒸发器，所述完成液缓冲罐分别连接所述冷凝器、所述蒸发器和所述真空机组，所述真空机组输气端连接所述冷凝器，所述外散热器分别与所述蒸发器和所述热水储罐连接。

最终实现了通过空间一体化的蒸发器、冷凝器的布局使得冷凝器与蒸发器的压力差极小，蒸发压力可以更低而实现高真空度下的低温蒸发特性；多层层叠布置的双面蒸发锥结构特性以及旋转喷头与刮板装置使得极小的空间占用情况下得到了较大的蒸发面积，同时薄膜布料的传热效率和蒸发效率都有了较大的提升，保障了原液结存少、蒸发速度快，物料温度低的优势；使用热泵机组进行冷凝吸热和蒸发供热的技术手段，使得整个系统的能耗大幅降低避免了蒸汽供热方式的高能耗缺点。

设置了真空泵，使得整个蒸发浓缩过程在负压状态下进行，使得蒸发浓缩室内的可以在一个较低的温度下进行蒸发浓缩，同时可以降低敏性物料的营养成分或活性成分的损失；热泵机组将蒸发浓缩室里蒸发出来的蒸汽里所带的热量回收起来，并直接给物料进行加热，替代了传统的蒸发浓缩系统直接提供蒸汽给物料加热，使得整个系统更加高效节能。

但该文献存在以下技术问题：第一，系统结构复杂，需设置大型运动型的蒸发器，导致整体的成本昂贵。第二，系统启动时，需要热泵以外的能源进行启动。第三，热泵部分的冷媒蒸发器没有直接利用二次蒸汽的冷凝潜热，导致效能低。第四，高温冷媒与介质换热时，高温冷媒以过热状态开始换热，无法充分相变释放潜热，能量利用效能低。第五，未能解决热泵系统并联的工程问题。

再如现有“CN 211676327 U一种高效节能型蒸发浓缩系统”专利技术，蒸发浓缩时加热物料是用高温冷媒，高温冷媒气体快、温度高，冲击换热面后，使得物料出现局部焦糊，破坏热敏性物料的有效成分，降低产品品质。也就是该技术由于利用高温冷媒直接与物料“换热”，导致在换热过程中的稳定性差，局部呈现高温点易糊化。高温冷媒加热物料前处于过热状态，高温冷媒与物料换热时，高温冷媒无法充分相变释放潜热，能量利用效能低。同时，不具备规模化生产的能力。

总结起来，现有技术中的浓缩装备存在结构方面：构造复杂、成本高；生产性能方面：换热稳定性差；整机效能方面：能耗较大，生产效能低的问题。

发明内容

本发明针对以上技术问题，提供了一种在超低温（24~32℃）蒸发温度下，系统构造简约、能耗低、热交换稳定性好的闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统及其工作方法。

本发明一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统，1、一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统，包括进料罐（23）、分离室（1）和出料罐（21），其特征在于，还包括换热器（2）、热泵系统和真空装置，

所述分离室（1）设有位于中部的分离室进料口（a）、位于顶部分离室二次蒸汽出口（b）和位于底部分离室循环口（c），在所述分离室（1）的上部还设有分离室阀门（29）；

所述进料罐（23）通过进料泵（24）连接所述换热器（2）的进料口，所述换热器（2）的出料口连接所述分离室进料口（a）；

所述分离室循环口（c）通过循环泵（3）连接所述换热器（2）的进料口，在所述循环泵（3）和所述换热器（2）之间的连接管路上还通过一旁路连接有出料泵（22），所述出料泵（22）连接所述出料罐（21）；

所述热泵系统包括冷凝器（5、6）、压缩机（11、12）、去过热风机（13）、水加热器（14）、过冷风机（15）、冷媒储罐（28）、截止阀（26）和膨胀阀（27）；

所述冷凝器（5、6）的进口连接所述分离室二次蒸汽出口（b）、出口连接冷凝水罐（17）；

所述冷凝器（5、6）的冷媒介质出口依次连接所述的压缩机（11、12）、去过热风机（13）；所述去过热风机（13）再连接所述水加热器（14）的加热介质进口，所述水加热器（14）的加热介质出口再连接所述过冷风机（15），所述过冷风机（15）再连接所述的冷媒储罐（28），所述冷媒储罐（28）后接所述截止阀（26）和膨胀阀（27），再连通所述冷凝器的冷媒介质进口；

所述水加热器再与所述换热器通过水循环泵（16）形成换热循环；

所述真空装置连接所述冷凝水罐（17）的气相出口。

所述热泵系统中的冷凝器和压缩机并联设置有至少二组。

在所述分离室的中下部还设有分离室浓缩液回流口（d），在所述出料泵（22）与所述出料罐（21）之间旁接有回料管路，所述回料管路的出口连接所述分离室浓缩液回流口（d）。

所述真空装置包括相互串联连接的罗茨真空泵（18）和水环式真空泵（19），所述罗茨真空泵（18）连接所述冷凝水罐（17）顶端的气相出口，所述冷凝水罐（17）的底部设排水口，所述排水口再连接冷凝水泵（25）为冷却水箱（20）供冷却水，所述冷却水箱（20）内部设有换热盘管、冷却所述水环式真空泵（19）。

所述冷却水箱（20）还设有直排口。

本发明的工作方法，包括以下步骤：

1）开启分离室阀门(29)、水环式真空泵(19)；

2）开启进料泵(24)，物料从进料罐（23），经过换热器（2）进入分离室（1）；

3）当物料达到设定液位时，启动循环泵（3），使物料在分离室和换热器（2）之间大流量循环；

4）开启热泵系统，加热循环水至设计温度；

5）循环水进入换热器（2），加热物料至设计温度；

6）关闭分离室阀门(29)，开启罗茨真空泵（18），使分离室内压力下降至设定真空压力；

7） 物料在分离室开始蒸发，二次蒸汽进入热泵系统冷却成冷凝水后，进入冷凝水罐（17）；

8）随着物料中水分的蒸发，物料浓度在大流量循环中达到设计浓度时，在循环泵（3）的后道进行分流，通过出料泵（22）出料。

所述冷凝水再通过在冷凝水泵（25），输送至冷却水箱（20），对真空发生装置进行降温作业后外排。

在所述出料泵（22）后道设浓度检测装置，在出料浓度低于设计浓度时，出料泵（22）接通分离室浓缩液回流口（d）。

所述步骤4）热泵系统的工作流程为：当分离室阀门（29）开启时，空气经过冷凝器（5、6），冷媒介质通过冷凝器（5、6）以换热的方式吸收空气中的热能，使冷媒介质气化升温；气化升温后的冷媒介质经过气液分离器进入压缩机，压缩机对冷媒介质做功使冷媒转化为高温高压状态（温度大约为60~70℃），再经回油器，经过去过热风机，冷媒介质处于饱和状态；冷媒介质继续进入水加热器（14）对水加热器（14）中的加热水加热，同时冷媒介质在换热过程中冷凝为液态，再经过冷风机（15）充分冷凝后回流至冷媒储罐（28）。

本发明利用“负压+低温冷凝”技术来实现低温蒸发浓缩。罗茨真空泵与水环式真空泵的组合成真空发生装置，使得整个蒸发浓缩过程在负压和较低的温度状态下进行，可以降低热敏性物料的营养成分或活性成分的损失。其中热泵系统对“加热水介质”升温并维持温度，“加热水介质”加热物料，替代了传统的物料加热方式。通过水介质加热的物料，温度柔和、温差小，质量稳定，不会出现局部焦糊、结膜等情况，系统节能、高效、可靠、稳定。

本发明系统的启动无需外部能源介入。初始利用常温空气启动系统，以冷媒为介质，在热泵系统中实现初始能量转换，为蒸发储能。然后，在蒸发过程中，二次蒸汽进入热泵系统，同样以冷媒为介质，一边实现能量转换，一边冷凝成冷凝水。转换后的能量继续维持换热器潜热，将“加热水介质”升温，维持在40-50℃，用于对物料温度维持。冷凝水又被用于真空发生装置降温，整个蒸发过程中，能量和介质都得到了充分利用，本发明系统做到了节能、降耗。

本发明系统具备规模化生产能力，热泵系统中实现多组冷凝器和压缩机并联，大大提高了产能和效益，物料连续进料、连续出料，物料受热时间仅为10s~20s，系统蒸发量能达到6000kg/h(水)~10000kg/h（水）。同时，本发明系统有结构简单、紧凑，占地面积小，投资小，成本低的优点。

附图说明

图1是本发明系统的原理图，

图2是本发明的工作流程图；

图中1是分离室、2是换热器、3是循环泵、4是除沫器、5 是冷凝器一、6是冷凝器二、

7是气液分离器一、8是气液分离器二、9是回油器一、10是回油器二、11是压缩机二、12是压缩机一、13是去过热风机、14是水加热器、15是过冷风机、16是水循环泵、17是冷凝水罐、18是罗茨真空泵、19水环式真空泵、20是冷却水箱、21是出料罐、22是出料泵、23是进料罐、24是进料泵，25是冷凝水泵、26是截止阀、27是膨胀阀、28是冷媒储罐、29是分离室阀门、30是回流阀、31是出料阀；

a是分离室进料口，b是分离室二次蒸汽出口，c是分离室循环口，d是分离室浓缩液回流口。

具体实施方式

本发明的闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统如图1所示，包括进料罐23、分离室1和出料罐21，还包括换热器2、热泵系统和真空装置，

分离室1设有位于中部的分离室进料口a、位于顶部分离室二次蒸汽出口b和位于底部分离室循环口c，在分离室1的上部还设有分离室阀门29；

进料罐23通过进料泵24连接换热器2的进料口，换热器2的出料口连接分离室进料口a；

分离室循环口c通过循环泵3连接换热器2的进料口，在循环泵3和换热器2之间的连接管路上还通过一旁路连接有出料泵22，出料泵22连接出料罐21；本案中的循环泵3采用流量200-2000立方米/小时的大流量泵，出料泵22采用500-5000升/小时的泵；保障物料在循环过程中主要是去往换热器2进行换热，旁路接通出料管路以小流量维持正常出料作业。如图1中在循环泵3右侧以双点划线显示的路径循环、旁路流出。

热泵系统包括冷凝器一5、压缩机二11、去过热风机13、水加热器14、过冷风机15、冷媒储罐28、截止阀26和膨胀阀27；

冷凝器一5的进口连接分离室二次蒸汽出口b、出口连接冷凝水罐17；物料中的二次蒸汽经由分离室1顶部的分离室二次蒸汽出口b、除沫器4、冷凝器一5充分液化后进入冷凝水罐17。保障物料中的水分冷凝为液态后，从系统排出。本发明用冷媒与二次蒸汽在冷凝器里热交换，使二次汽冷凝，直接吸收冷凝潜热，能量利用率高，而且不需要现有技术中采用冷冻水循环泵和冷冻水管道，节约设备投资和能耗。

冷凝器一5的冷媒介质出口依次连接气液分离器二8、压缩机二11、回油器二10、去过热风机13；去过热风机13再连接水加热器14的加热介质进口，水加热器14的加热介质出口再连接过冷风机15，过冷风机15再连接冷媒储罐28，冷媒储罐28后接截止阀26和膨胀阀27，再连通冷凝器的冷媒介质进口；

去过热风机13在本案中使被压缩机做功后的冷媒介质处于饱和状态，利于冷媒介质在水加热器14中快速冷凝、释放潜热，促进换热，提升效率。

水加热器14再与换热器2通过水循环泵16形成换热循环，加热物料；水加热器14中循环水的温度为40℃～55℃，在换热器2中对物料加热“柔和”，相比于现有技术不会导致物料局部过热，产生糊化现象，确保产品品质。

真空装置连接冷凝水罐17的气相出口。

热泵系统中的冷凝器和压缩机并联设置有至少二组；热泵系统的并联能够大幅度提高蒸发量，提高产能。如图1，本案中与冷凝器一5还并联有冷凝器二6，冷凝器二6后接气液分离器一7、压缩机一12、回油器一9，再连接去过热风机13。

在分离室1的中下部还设有分离室浓缩液回流口d，在出料泵22与出料罐21之间旁接有回料管路，回料管路的出口连接分离室浓缩液回流口d。在回料管路与出料管路的分叉口分别设有回流阀30、出料阀31。在系统运行过程中如检测到物料浓度低于设计浓度时，则关断出料阀31，开通回流阀30，让物料再次进入分离室1浓缩。

真空装置包括相互串联连接的罗茨真空泵18和水环式真空泵19，罗茨真空泵18连接冷凝水罐17顶端的气相出口，冷凝水罐17的底部设排水口，排水口再连接冷凝水泵25为冷却水箱20供冷却水，冷却水箱20内部设有换热盘管、冷却水环式真空泵19。充分利用冷凝水来冷却真空设备。

冷却水箱20还设有直排口。冷却过真空设备的冷凝水再通过直排口排出。

本发明闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，如图2所示，包括以下步骤：

1）开启分离室阀门29、水环式真空泵19；以最大吸气量运转，为系统提供初始热能；

2）开启进料泵24，物料从进料罐23，经过换热器2进入分离室1；

3）当物料达到设定液位时，启动循环泵3，使物料在分离室和换热器2之间大流量循环；

4）开启热泵系统，加热循环水至设计温度40℃～55℃；

5）循环水进入换热器2，加热物料至设计温度24℃～32℃；

6）关闭分离室阀门29，开启罗茨真空泵18，使分离室内压力下降至设定真空压力，分离室1与冷凝器5中的绝对压力达到1.22kpa~4.5kpa；

7）物料在分离室开始蒸发，二次蒸汽进入热泵系统冷却成冷凝水后，进入冷凝水罐17；

8）随着物料中水分的蒸发，物料浓度在大流量循环中达到设计浓度时，在循环泵3的后道进行分流，通过出料泵22出料。

冷凝水再通过在冷凝水泵25，输送至冷却水箱20，对真空发生装置进行降温作业后外排。

在出料泵22后道设浓度检测装置，在出料浓度低于设计浓度时，出料泵22接通分离室浓缩液回流口d。

步骤4）热泵系统的工作流程为：当分离室阀门开启时，空气经过冷凝器，冷媒介质通过冷凝器以换热的方式吸收空气中的热能，使冷媒介质气化升温；二次汽进入冷凝器，换热表面温度-10~5℃；气化升温后的冷媒介质经过气液分离器进入压缩机，压缩机对冷媒介质做功使冷媒转化为高温高压状态（温度为60~70℃），再经回油器，经过去过热风机，冷媒介质处于饱和状态；冷媒介质继续进入水加热器对水加热器中的加热水加热，同时冷媒介质在换热过程中冷凝为液态，再经过冷风机充分冷凝后回流至冷媒储罐。冷媒介质从冷媒储罐再经由截止阀，再经膨胀阀节流循环进入冷凝器。

本发明具有以下特点：

a.能量闭式循环，能效比达到1/6~1/7，高效节能，冷凝温度不受环境温度的影响，运转更稳定，系统启动时冷媒吸收空气的能量，启动能耗低，结构简单；

b.冷媒吸热的冷凝器一与冷凝器二是独立设备，对应各自独立的压缩机，解决了大能量热泵稳定并联的问题，可以继续增加热泵并联组数，因此本发明的系统蒸发量能达到6000kg/h(水)~10000kg/h（水），满足规模化产品生产的能力，经济效益高；

c.物料能满足连续进料连续出料的加工要求，系统稳定运行后，物料受热时间仅为10s~20s，且物料温度仅为24~32℃，物料受热时间短、温度低，保护热敏性物料效果极好；

d.物料在系统里流动状态，不形成薄膜，物料粘度适用范围广，解决不溶性物质含量高的的物料超低温蒸发浓缩，不溶性物质含量可以达到60%~70%，物料浓度提高的高，物料浓度可以提高到6~7倍；

e.整套系统性结构紧凑，占地面积小，节约土地资源；

f.创新设有冷媒去过热风机，使冷媒气体处于饱和状态，进入水加热器换热效率高，减小换热面积，缩小设备尺寸，设有过冷风机，可使得冷媒充分冷凝和降温，为下一个热循环提供更大的温差，提高冷媒的吸热能力，提高系统热能利用效率，经济效益高；

g.设备投资小，运行稳定，杜绝了冰晶夹带物质的现象，没有蛋白质冷冻变性沉淀的现象；

h.物料运转没有死角，清洗效果好，安全卫生条件好，符合GMP相关要求。

Claims (6)

1.一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，所述闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统包括进料罐（23）、分离室（1）和出料罐（21），还包括换热器（2）、热泵系统和真空装置，

所述分离室（1）设有位于中部的分离室进料口（a）、位于顶部分离室二次蒸汽出口（b）和位于底部分离室循环口（c），在所述分离室（1）的上部还设有分离室阀门（29）；

所述进料罐（23）通过进料泵（24）连接所述换热器（2）的进料口，所述换热器（2）的出料口连接所述分离室进料口（a）；

所述分离室循环口（c）通过循环泵（3）连接所述换热器（2）的进料口，在所述循环泵（3）和所述换热器（2）之间的连接管路上还通过一旁路连接有出料泵（22），所述出料泵（22）连接所述出料罐（21）；

所述热泵系统包括冷凝器（5、6）、压缩机（11、12）、去过热风机（13）、水加热器（14）、过冷风机（15）、冷媒储罐（28）、截止阀（26）和膨胀阀（27）；

所述冷凝器（5、6）的进口连接所述分离室二次蒸汽出口（b）、出口连接冷凝水罐（17）；

所述冷凝器（5、6）的冷媒介质出口依次连接所述的压缩机（11、12）、去过热风机（13）；所述去过热风机（13）再连接所述水加热器（14）的加热介质进口，所述水加热器（14）的加热介质出口再连接所述过冷风机（15），所述过冷风机（15）再连接所述的冷媒储罐（28），所述冷媒储罐（28）后接所述截止阀（26）和膨胀阀（27），再连通所述冷凝器的冷媒介质进口；

所述水加热器再与所述换热器通过水循环泵（16）形成换热循环；

所述真空装置连接所述冷凝水罐（17）的气相出口；

所述真空装置包括相互串联连接的罗茨真空泵（18）和水环式真空泵（19），所述罗茨真空泵（18）连接所述冷凝水罐（17）顶端的气相出口，所述冷凝水罐（17）的底部设排水口，所述排水口再连接冷凝水泵（25）为冷却水箱（20）供冷却水，所述冷却水箱（20）内部设有换热盘管、冷却所述水环式真空泵（19）；

其特征在于，

所述工作方法包括以下步骤：

1）开启分离室阀门(29)、水环式真空泵(19)；

2）开启进料泵(24)，物料从进料罐（23），经过换热器（2）进入分离室（1）；

3）当物料达到设定液位时，启动循环泵（3），使物料在分离室和换热器（2）之间大流量循环；

4）开启热泵系统，加热循环水至设计温度；

5）循环水进入换热器（2），加热物料至设计温度；

6）关闭分离室阀门(29)，开启罗茨真空泵（18），使分离室内压力下降至设定真空压力；

7）物料在分离室开始蒸发，二次蒸汽进入热泵系统冷却成冷凝水后，进入冷凝水罐（17）；

8）随着物料中水分的蒸发，物料浓度在大流量循环中达到设计浓度时，在循环泵（3）的后道进行分流，通过出料泵（22）出料；

所述步骤4）热泵系统的工作流程为：当分离室阀门开启时，空气经过冷凝器，冷媒介质通过冷凝器以换热的方式吸收空气中的热能，使冷媒介质气化升温；气化升温后的冷媒介质经过气液分离器进入压缩机，压缩机对冷媒介质做功使冷媒转化为高温高压状态，再经回油器，经过去过热风机，冷媒介质处于饱和状态；冷媒介质继续进入水加热器对水加热器中的加热水加热，同时冷媒介质在换热过程中冷凝为液态，再经过冷风机充分冷凝后回流至冷媒储罐。

2.根据权利要求1所述的一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，其特征在于，所述热泵系统中的冷凝器和压缩机并联设置有至少二组。

3.根据权利要求1所述的一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，其特征在于，在所述分离室的中下部还设有分离室浓缩液回流口（d），在所述出料泵（22）与所述出料罐（21）之间旁接有回料管路，所述回料管路的出口连接所述分离室浓缩液回流口（d）。

4.根据权利要求1所述的一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，其特征在于，所述冷却水箱（20）还设有直排口。

5.根据权利要求1所述的一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，其特征在于，所述冷凝水再通过在冷凝水泵（25），输送至冷却水箱（20），对真空发生装置进行降温作业后外排。

6.根据权利要求1所述的一种闭式热循环热泵超低温蒸发浓缩系统的工作方法，其特征在于，在所述出料泵（22）后道设浓度检测装置，在出料浓度低于设计浓度时，出料泵（22）接通回料口（d）。