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壓縮機網 >雜志精華>正文

論述熱泵蒸發技術中蒸汽壓縮機的應用

 
  【壓縮機網】熱蒸發技術是一項成熟且應用可靠的技術,隨著蒸汽壓縮機的廣泛應用,這項技術的工業應用在這幾年也得到了快速發展,尤其在節約能源,環境保護方面做出了貢獻。
 
  一.熱的基本概念
  概括地說,凡是能把低溫處的熱量抽取出來,讓低溫處達到制冷的目的,或者把低溫處的熱量抽取出來并把它送到用熱的高溫處成為有用的熱能的機械設備,均可稱為熱泵。熱泵在運行時要消耗外功,而不是對外做功。消耗一定量的外功,才能把低溫處的熱量送往高溫處并成為有用的熱能。
  熱泵的工作過程不是熱泵(壓縮機)裝置本身,而是要有一套與其匹配的設備,如蒸發器、冷凝器等串聯在一起組成一個完整的系統,稱為回路。工作介質在密閉回路中運行一圈,則為循環一次,或者工作介質從進入回路到排出回路也是循環一次。要達到供熱或其它目的,在上述回路中還必須要有工作介質起到橋梁作用,來轉運熱量。必須連續不斷的循環運行,而這種循環就形成了閉式循環或開式循環的回路。在開式循環中,載熱的工作介質就是送入系統的物料本身(水溶液),通過物料中溶劑水的變化(即物料中的水吸熱變為蒸汽,蒸汽冷凝放出汽化潛熱又凝結為水)來傳遞熱量。同時蒸汽經壓縮機壓縮消耗的外功所轉變成的熱量,也補充進系統之中。這樣就實現熱泵運行供熱的目的。運行過程中要被處理的水溶液連續不斷地排出系統之外,熱力循環系統的首末端并不是連接在一起形成密閉回路的,進出的物料都是敞開的。在閉式循環中,載熱介質是在一個密閉的環路中運行,在一定時間內不會有新的介質加入,也不會有介質從密閉環路中向外泄漏。運行過程中密閉環路中的介質在蒸發器中吸收低溫熱源的熱量而汽化,汽化了的介質蒸汽經壓縮后去冷凝器放熱而冷凝,經膨脹進一步降溫,變為原液態介質。蒸發端即吸熱端有風扇不斷向蒸發器管外送風供蒸發器吸熱來保證蒸發器內介質的汽化。在冷凝端也有風扇連續不斷地送風,冷凝器放出的熱量擴散到環境中去,使冷凝器內的蒸汽介質轉變為液體回到蒸發器中再次循環,而介質在相變的吸熱放熱過程中是完全被封閉在密閉的環路中與外界不直接接觸。
  熱泵供熱,只有熱泵(壓縮機)本身是不能完成供熱任務的,必須要有一套巧妙設計與之相匹配的設備組成一個回路,由于在回路中所采用的設備種類不同,便構成了不同類型的熱泵生產流程。
  1.空氣壓縮式熱泵
  這是以空氣作為介質,主要是根據氣體本身的溫度隨其壓力的增高而升高,隨其壓力的降低而下降的原理設計的設備,它的回路是由空氣壓縮機、冷凝器、膨脹機和熱交換器所組成,其工作介質是空氣,由于空氣的比容小,從低溫熱源吸取的熱量少,實際工作中用的不多。
  2.蒸汽壓縮式熱泵
  這是以系統中工作介質的物態變化,即汽化吸熱冷凝放熱的特性來實現供熱的設備,由蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流以及系統中的工作介質所組成,其循環是以對蒸汽狀態的工作介質進行壓縮做功作為補償,以干蒸汽壓縮代替濕蒸汽壓縮過程,這種熱泵是工業生產中使用較多的一種。
  3.蒸汽噴射式熱泵
  這種熱泵和蒸汽壓縮式熱泵都屬于以蒸汽為工作介質的壓縮式熱泵。但兩者的運行方式是不同的;蒸汽噴射式熱泵是以消耗高壓蒸汽的熱能作為補償來工作的,而機械蒸汽壓縮式熱泵則是以對工作介質做功,消耗外功為補償來工作的。噴射式熱泵用噴射器達到對蒸汽的壓縮,即從鍋爐來的高壓蒸汽進入噴射器的噴嘴,在排出高壓蒸汽的同時從喉管吸入并載帶低壓低溫蒸汽,使其壓力溫度升高。由鍋爐來的高壓蒸汽同蒸發器出來的二次蒸汽在噴射出口混合,一同在噴射器的擴壓器中被壓縮,然后進入蒸發器的加熱室,在此釋放出潛熱,使蒸發器內溶液繼續沸騰蒸發,蒸汽本身則被冷凝。冷凝液流入收集槽后再用泵送回鍋爐,如果冷凝液不送回鍋爐連續使用,將作為蒸餾水或凈化水排走。
  4.吸收式熱泵
  這種熱泵是利用溶液的特性來完成工作循環和實現供熱的,是以消耗熱能為補償,以廢熱熱能為主要動力的熱泵。它用的工作介質是一種二元溶液,這種溶液由兩種相互溶解,而沸點截然不同的物質所組成。溶液中沸點較低受熱容易揮發的物質就是溶質(制冷劑),而沸點較高的就是溶劑(吸收劑)。二元溶液(以水為溶劑的氨水、硫酸溶液或以水為溶質的溴化鋰溶液等)所以能制熱就是利用溶質在溶液中,溶解度隨溫度的變化而改變的特性,即在一定的壓力下溫度越高溶解度越小,從而產生所需要的高壓蒸汽;反之,溫度越低溶解度越大,易于被吸收溶解。其循環系統一般由發生器、冷凝器、調節閥、蒸發器和吸收器組成。
  5.半導體熱泵
  半導體熱泵又稱為溫差電熱熱泵或熱電式熱泵,其工作原理是把一個P型半導體元件和一個N型半導體元件用銅連接片焊接成電偶對,當直流電流從N型半導體元件流向P型半導體元件時,進入端接頭附近產生電子,空穴對,使接頭處的熱能減少,溫度降低,并從周圍介質吸熱,此端稱為冷端;而另外兩端接頭處電流方向相反,電子,空穴對在接頭附近復合,使接頭處熱能增加,溫度升高,并且向周圍介質放熱,這個接頭稱為熱端。如果將電流方向反過來,則冷端和熱端將互換。這種熱泵的特點是沒有機械運轉部件,無噪聲、無振動、體積小、重量輕,在車、船、核潛艇、衛星站、飛機、地下建筑中得到廣泛應用,但耗電量大,造價高,應用受到限制。
 
  二.機械蒸汽再壓縮式熱泵的應用
  從經驗和實際的經濟效果來看,目前機械蒸汽再壓縮式熱泵效率及經濟效益高,適合工業生產應用。在工業生產上,一般多采用開式熱泵循環,尤其在蒸發、濃縮過程中更是如此,在設備的配置上不用膨脹機或者節流閥,并且要壓縮干蒸汽,工業生產絕大多數是以溶液中的溶劑(水)做為工作介質,以生產目的不同而可把濃縮物作為產品,也有把蒸餾液用作產品的。
 ?。ㄒ唬┕I用機械蒸汽壓縮式熱泵特點
  生產中,機械蒸汽壓縮式熱泵在壓縮過程中,都會過熱,為了消除過熱對壓縮機的影響,會在壓縮機進口或出口噴水,確保干飽和蒸汽進入壓縮機,有時為了保險起見,希望進入壓縮機之前的蒸汽略有過熱。
  1.系統所處理的蒸汽量大,蒸汽量小則每小時幾噸到幾十噸上下,大則每小時處理上百噸,生產能力越大則越加節能。
  2.供熱溫度高,壓縮機出口的溫度即壓力就要求高。
  3.多采用敞開式機械蒸汽壓縮循環過程。在適宜場合下,也可以采用蒸汽噴射式熱泵。
  4.為了使系統啟動運行,要有啟動熱源,正常運行后要有適當的熱量補充以達到系統熱量的平衡,系統有散熱的損失。
  5.處理對象多為水溶液,循環介質正是溶液中的溶劑(水)。
 ?。ǘC械蒸汽再壓縮式熱泵在生產工藝中的應用
  熱泵蒸發技術是一項高效節能技術,具有突出的經濟效益,應用范圍廣泛,如海水淡化、廢水處理、化工生產、造紙工業、食品工業、制藥工業等,其所采用的熱泵類型一般多為蒸汽再壓縮式熱泵。
  1.化工生產過程
 ?。?)溶液的濃縮
  在化工生產過程中的蒸發操作單元是消耗熱能較多的工段,這是因為加熱蒸汽消耗的熱量轉換成具有很高熱量的二次蒸汽,而高熱的二次蒸汽往往都是用大量的冷卻水冷凝后排掉。這樣就造成大量的熱能損失且耗費大量冷卻水。為了回收二次蒸汽中的熱量重新加以利用以減少熱能消耗,其方法是在傳統蒸發操作中常用多效蒸發,但多效蒸發設備龐大,投資大,故現多采用熱泵蒸發技術進行代替。熱泵蒸發的經濟程度取決于壓縮機內壓縮蒸汽所需要的壓力和溫度,而熱泵蒸發技術最適合于那些沸點升高不大的溶液的蒸發濃縮,如藥物的濃縮,無機鹽的制備,造紙黑液的濃縮和凈化,貴重溶劑的回收,以及食品工業的濃縮和消毒等。
 ?。?)精餾作業過程
  在化工生產中,特別是石油化工常用的精餾單元操作,在精餾過程中耗用大量熱能,因此熱能利用率很低,進入再沸器的能量(加熱蒸汽提供的熱能)有95%在塔頂冷凝器中被冷卻水或空氣帶走,僅有5%被加以利用。在一個典型的石油化工廠中,精餾操作的能耗約占總能耗的40%左右。因此,在精餾過程中采用有效的節能技術是很有意義的,例如乙烯---乙烷,丙烯---丙烷等物系的分離。
  2.海水淡化
  海水淡化中采用熱泵蒸發技術是在一般操作過程中,為使蒸發器中的溶液鹽分不能過高,便控制淡化水的產率為進料海水的一半,這樣保持蒸發器內沸騰溶液的沸點升高不大,因而能耗也少。為了充分節約熱能,在淡化水和濃鹽水排出系統時,先經過熱交換器,在此將熱量傳給進來的冷海水,使冷海水得到了預熱,同時也使淡化水和濃鹽水得到了冷卻。這樣余熱得到了充分的回收,所以經濟效益很高。
  3.放射性廢水處理
  在核工業系統的各個部門的試驗和生產線中,經常要產生大量的低放射性廢水,其特點是數量大,含鹽量低,放射性水平不高,適宜用熱泵蒸發法進行處理。在用常規蒸發法處理放射性廢水時,蒸汽所產生的二次蒸汽,一般都用大量冷凝水將其冷凝后而排掉,這樣,二次蒸汽的潛熱被冷卻水帶走,熱量白白被浪費掉了,用熱泵蒸發法代替常規蒸發,將二次蒸汽的潛熱回收加以利用,可提高熱效率,節省燃料,降低熱量消耗,提高經濟效益。
  4.蒸發過程的預濃縮
  機械蒸汽再壓縮熱泵的蒸發過程消耗能量的多少與溶液的濃度及其沸點升高有關。要求把溶液蒸煮的越濃,沸點相應要升高,能耗就會增加。所以,熱泵技術用于稀溶液或預濃縮比較合適。如果所處理的料液,要求最終濃度較高時,可采用雙效熱泵蒸發,即第二效用作預濃縮,在此去掉初始溶液中大部分水分,余下濃縮了的溶液已比初始溶液的量少多了,這部分溶液再進入第一效,用生蒸汽來加熱,蒸濃到所要求的最終濃度。第一、第二效出來的二次蒸汽進入第二效的壓縮機,經壓縮提高壓力和溫度后進入第二效蒸發器的加熱室,作為二效的加熱熱源,這樣第一效僅需要少量的一次蒸汽,以達到節約熱能的目的。
  5.熱泵的干燥過程
  干燥的目的是借熱能除去物料中所含的水分,類似于蒸發,實質上干燥屬于擴散過程的范圍。當物體受熱時,其表面水分將傳播到周圍的介質中,而物體內部的水分又不斷的擴散到物體的表面。如果過程連續不斷的進行,就能達到所要求的干燥程度。常規的廂式或窯式干燥器,一般是由熱空氣吸收了被干燥物料的水分后少部分回流而絕大部分排掉,大量熱能被損失掉了,如果將排到空氣中所含水蒸氣冷凝到其飽和溫度以下,使其凝結成水而排掉,并同時將凝結熱和干燥結熱,以及干燥空氣回收利用,熱效率就會大大提高。為此可采用熱泵技術,這是因為水蒸氣向干燥空氣轉移,蒸發時的熱量由熱泵低溫部分冷卻吸收,而又可在高溫部分再利用的緣故。熱泵技術可用于木材、糧食、紙張、污水廢水處理中污泥等工藝段的干燥。
  6.機械蒸汽壓縮式制鹽
  鹽田鹵水,首先在預熱器用加熱器冷凝水的余熱加熱后,送入蒸發器,在這里用循環管中的推進器,使鹵水在循環中由蒸汽加熱,以過熱狀態從管道上升而在蒸發器內噴出,壓力降低發生急劇地蒸發,由導氣管經汽水分離器進入蒸汽壓縮機,然后用電力加壓經過熱缸送到加熱器的汽室。在蒸發器中,一部分蒸發的鹵水將析出物留在底部,由管道下降,用渦輪泵向加熱管強制循環。各加熱管內部都設有刮取器,由加熱器的旋轉而防止結垢。加熱器的汽室中產生的高溫冷凝水,經捕集器至預熱器或溫水槽等,在與鹵水進行熱交換后,用作鍋爐用水。而結晶部用于蒸煮飽和鹵水和采鹽,在期間適當交替使用,能夠長期繼續制鹽。
  常規蒸發操作單元幾乎遍及化工、食品、制藥、造紙、海水淡化、無機鹽制備、廢水處理以及放射性廢水的凈化等生產領域,熱泵蒸發技術在這些生產領域有著顯著的高效節能和環境保護作用,其應用有著廣闊的空間。

來源:本站原創

標簽: 熱泵壓縮機蒸汽  

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