【壓縮機(jī)網(wǎng)】熱泵蒸發(fā)技術(shù)是一項(xiàng)成熟且應(yīng)用可靠的技術(shù)，隨著蒸汽壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用在這幾年也得到了快速發(fā)展，尤其在節(jié)約能源，環(huán)境保護(hù)方面做出了貢獻(xiàn)。

 

　　一．熱泵的基本概念

　　概括地說(shuō)，凡是能把低溫處的熱量抽取出來(lái)，讓低溫處達(dá)到制冷的目的，或者把低溫處的熱量抽取出來(lái)并把它送到用熱的高溫處成為有用的熱能的機(jī)械設(shè)備，均可稱為熱泵。熱泵在運(yùn)行時(shí)要消耗外功，而不是對(duì)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(guò)程不是熱泵（壓縮機(jī)）裝置本身，而是要有一套與其匹配的設(shè)備，如蒸發(fā)器、冷凝器等串聯(lián)在一起組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，稱為回路。工作介質(zhì)在密閉回路中運(yùn)行一圈，則為循環(huán)一次，或者工作介質(zhì)從進(jìn)入回路到排出回路也是循環(huán)一次。要達(dá)到供熱或其它目的，在上述回路中還必須要有工作介質(zhì)起到橋梁作用，來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)熱量。必須連續(xù)不斷的循環(huán)運(yùn)行，而這種循環(huán)就形成了閉式循環(huán)或開(kāi)式循環(huán)的回路。在開(kāi)式循環(huán)中，載熱的工作介質(zhì)就是送入系統(tǒng)的物料本身（水溶液），通過(guò)物料中溶劑水的變化（即物料中的水吸熱變?yōu)檎羝?，蒸汽冷凝放出汽化潛熱又凝結(jié)為水）來(lái)傳遞熱量。同時(shí)蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮消耗的外功所轉(zhuǎn)變成的熱量，也補(bǔ)充進(jìn)系統(tǒng)之中。這樣就實(shí)現(xiàn)熱泵運(yùn)行供熱的目的。運(yùn)行過(guò)程中要被處理的水溶液連續(xù)不斷地排出系統(tǒng)之外，熱力循環(huán)系統(tǒng)的首末端并不是連接在一起形成密閉回路的，進(jìn)出的物料都是敞開(kāi)的。在閉式循環(huán)中，載熱介質(zhì)是在一個(gè)密閉的環(huán)路中運(yùn)行，在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)有新的介質(zhì)加入，也不會(huì)有介質(zhì)從密閉環(huán)路中向外泄漏。運(yùn)行過(guò)程中密閉環(huán)路中的介質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收低溫?zé)嵩吹臒崃慷说慕橘|(zhì)蒸汽經(jīng)壓縮后去冷凝器放熱而冷凝，經(jīng)膨脹閥進(jìn)一步降溫，變?yōu)樵簯B(tài)介質(zhì)。蒸發(fā)端即吸熱端有風(fēng)扇不斷向蒸發(fā)器管外送風(fēng)供蒸發(fā)器吸熱來(lái)保證蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)的汽化。在冷凝端也有風(fēng)扇連續(xù)不斷地送風(fēng)，冷凝器放出的熱量擴(kuò)散到環(huán)境中去，使冷凝器內(nèi)的蒸汽介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w回到蒸發(fā)器中再次循環(huán)，而介質(zhì)在相變的吸熱放熱過(guò)程中是完全被封閉在密閉的環(huán)路中與外界不直接接觸。

　　熱泵供熱，只有熱泵（壓縮機(jī)）本身是不能完成供熱任務(wù)的，必須要有一套巧妙設(shè)計(jì)與之相匹配的設(shè)備組成一個(gè)回路，由于在回路中所采用的設(shè)備種類不同，便構(gòu)成了不同類型的熱泵生產(chǎn)流程。

　　1.空氣壓縮式熱泵

　　這是以空氣作為介質(zhì)，主要是根據(jù)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(shè)計(jì)的設(shè)備，它的回路是由空氣壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹機(jī)和熱交換器所組成，其工作介質(zhì)是空氣，由于空氣的比容小，從低溫?zé)嵩次〉臒崃可伲瑢?shí)際工作中用的不多。

　　2.蒸汽壓縮式熱泵

　　這是以系統(tǒng)中工作介質(zhì)的物態(tài)變化，即汽化吸熱冷凝放熱的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)供熱的設(shè)備，由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥以及系統(tǒng)中的工作介質(zhì)所組成，其循環(huán)是以對(duì)蒸汽狀態(tài)的工作介質(zhì)進(jìn)行壓縮做功作為補(bǔ)償，以干蒸汽壓縮代替濕蒸汽壓縮過(guò)程，這種熱泵是工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)的壓縮式熱泵。但兩者的運(yùn)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(bǔ)償來(lái)工作的，而機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵則是以對(duì)工作介質(zhì)做功，消耗外功為補(bǔ)償來(lái)工作的。噴射式熱泵用噴射器達(dá)到對(duì)蒸汽的壓縮，即從鍋爐來(lái)的高壓蒸汽進(jìn)入噴射器的噴嘴，在排出高壓蒸汽的同時(shí)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(lái)的高壓蒸汽同蒸發(fā)器出來(lái)的二次蒸汽在噴射出口混合，一同在噴射器的擴(kuò)壓器中被壓縮，然后進(jìn)入蒸發(fā)器的加熱室，在此釋放出潛熱，使蒸發(fā)器內(nèi)溶液繼續(xù)沸騰蒸發(fā)，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(xù)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(lái)完成工作循環(huán)和實(shí)現(xiàn)供熱的，是以消耗熱能為補(bǔ)償，以廢熱熱能為主要?jiǎng)恿Φ臒岜谩Ｋ玫墓ぷ鹘橘|(zhì)是一種二元溶液，這種溶液由兩種相互溶解，而沸點(diǎn)截然不同的物質(zhì)所組成。溶液中沸點(diǎn)較低受熱容易揮發(fā)的物質(zhì)就是溶質(zhì)（制冷劑），而沸點(diǎn)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(zhì)的溴化鋰溶液等）所以能制熱就是利用溶質(zhì)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(chǎn)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(huán)系統(tǒng)一般由發(fā)生器、冷凝器、調(diào)節(jié)閥、蒸發(fā)器和吸收器組成。

　　5.半導(dǎo)體熱泵

　　半導(dǎo)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(gè)P型半導(dǎo)體元件和一個(gè)N型半導(dǎo)體元件用銅連接片焊接成電偶對(duì)，當(dāng)直流電流從N型半導(dǎo)體元件流向P型半導(dǎo)體元件時(shí)，進(jìn)入端接頭附近產(chǎn)生電子，空穴對(duì)，使接頭處的熱能減少，溫度降低，并從周圍介質(zhì)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(duì)在接頭附近復(fù)合，使接頭處熱能增加，溫度升高，并且向周圍介質(zhì)放熱，這個(gè)接頭稱為熱端。如果將電流方向反過(guò)來(lái)，則冷端和熱端將互換。這種熱泵的特點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件，無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、體積小、重量輕，在車、船、核潛艇、衛(wèi)星站、飛機(jī)、地下建筑中得到廣泛應(yīng)用，但耗電量大，造價(jià)高，應(yīng)用受到限制。

 

　　二．機(jī)械蒸汽再壓縮式熱泵的應(yīng)用

　　從經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效果來(lái)看，目前機(jī)械蒸汽再壓縮式熱泵效率及經(jīng)濟(jì)效益高，適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)上，一般多采用開(kāi)式熱泵循環(huán)，尤其在蒸發(fā)、濃縮過(guò)程中更是如此，在設(shè)備的配置上不用膨脹機(jī)或者節(jié)流閥，并且要壓縮干蒸汽，工業(yè)生產(chǎn)絕大多數(shù)是以溶液中的溶劑（水）做為工作介質(zhì)，以生產(chǎn)目的不同而可把濃縮物作為產(chǎn)品，也有把蒸餾液用作產(chǎn)品的。

　?。ㄒ唬┕I(yè)用機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵特點(diǎn)

　　生產(chǎn)中，機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵在壓縮過(guò)程中，都會(huì)過(guò)熱，為了消除過(guò)熱對(duì)壓縮機(jī)的影響，會(huì)在壓縮機(jī)進(jìn)口或出口噴水，確保干飽和蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，有時(shí)為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，希望進(jìn)入壓縮機(jī)之前的蒸汽略有過(guò)熱。

　　1.系統(tǒng)所處理的蒸汽量大，蒸汽量小則每小時(shí)幾噸到幾十噸上下，大則每小時(shí)處理上百噸，生產(chǎn)能力越大則越加節(jié)能。

　　2.供熱溫度高，壓縮機(jī)出口的溫度即壓力就要求高。

　　3.多采用敞開(kāi)式機(jī)械蒸汽壓縮循環(huán)過(guò)程。在適宜場(chǎng)合下，也可以采用蒸汽噴射式熱泵。

　　4.為了使系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，要有啟動(dòng)熱源，正常運(yùn)行后要有適當(dāng)?shù)臒崃垦a(bǔ)充以達(dá)到系統(tǒng)熱量的平衡，系統(tǒng)有散熱的損失。

　　5.處理對(duì)象多為水溶液，循環(huán)介質(zhì)正是溶液中的溶劑（水）。

　?。ǘC(jī)械蒸汽再壓縮式熱泵在生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

　　熱泵蒸發(fā)技術(shù)是一項(xiàng)高效節(jié)能技術(shù)，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用范圍廣泛，如海水淡化、廢水處理、化工生產(chǎn)、造紙工業(yè)、食品工業(yè)、制藥工業(yè)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(chǎn)過(guò)程

　?。?）溶液的濃縮

　　在化工生產(chǎn)過(guò)程中的蒸發(fā)操作單元是消耗熱能較多的工段，這是因?yàn)榧訜嵴羝牡臒崃哭D(zhuǎn)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(fèi)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(tǒng)蒸發(fā)操作中常用多效蒸發(fā)，但多效蒸發(fā)設(shè)備龐大，投資大，故現(xiàn)多采用熱泵蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行代替。熱泵蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)程度取決于壓縮機(jī)內(nèi)壓縮蒸汽所需要的壓力和溫度，而熱泵蒸發(fā)技術(shù)最適合于那些沸點(diǎn)升高不大的溶液的蒸發(fā)濃縮，如藥物的濃縮，無(wú)機(jī)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(yè)的濃縮和消毒等。

　　（2）精餾作業(yè)過(guò)程

　　在化工生產(chǎn)中，特別是石油化工常用的精餾單元操作，在精餾過(guò)程中耗用大量熱能，因此熱能利用率很低，進(jìn)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(gè)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(guò)程中采用有效的節(jié)能技術(shù)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(fā)技術(shù)是在一般操作過(guò)程中，為使蒸發(fā)器中的溶液鹽分不能過(guò)高，便控制淡化水的產(chǎn)率為進(jìn)料海水的一半，這樣保持蒸發(fā)器內(nèi)沸騰溶液的沸點(diǎn)升高不大，因而能耗也少。為了充分節(jié)約熱能，在淡化水和濃鹽水排出系統(tǒng)時(shí)，先經(jīng)過(guò)熱交換器，在此將熱量傳給進(jìn)來(lái)的冷海水，使冷海水得到了預(yù)熱，同時(shí)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(jīng)濟(jì)效益很高。

　　3.放射性廢水處理

　　在核工業(yè)系統(tǒng)的各個(gè)部門的試驗(yàn)和生產(chǎn)線中，經(jīng)常要產(chǎn)生大量的低放射性廢水，其特點(diǎn)是數(shù)量大，含鹽量低，放射性水平不高，適宜用熱泵蒸發(fā)法進(jìn)行處理。在用常規(guī)蒸發(fā)法處理放射性廢水時(shí)，蒸汽所產(chǎn)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(fèi)掉了，用熱泵蒸發(fā)法代替常規(guī)蒸發(fā)，將二次蒸汽的潛熱回收加以利用，可提高熱效率，節(jié)省燃料，降低熱量消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　4.蒸發(fā)過(guò)程的預(yù)濃縮

　　機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵的蒸發(fā)過(guò)程消耗能量的多少與溶液的濃度及其沸點(diǎn)升高有關(guān)。要求把溶液蒸煮的越濃，沸點(diǎn)相應(yīng)要升高，能耗就會(huì)增加。所以，熱泵技術(shù)用于稀溶液或預(yù)濃縮比較合適。如果所處理的料液，要求最終濃度較高時(shí)，可采用雙效熱泵蒸發(fā)，即第二效用作預(yù)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(jìn)入第一效，用生蒸汽來(lái)加熱，蒸濃到所要求的最終濃度。第一、第二效出來(lái)的二次蒸汽進(jìn)入第二效的壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮提高壓力和溫度后進(jìn)入第二效蒸發(fā)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(dá)到節(jié)約熱能的目的。

　　5.熱泵的干燥過(guò)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(fā)，實(shí)質(zhì)上干燥屬于擴(kuò)散過(guò)程的范圍。當(dāng)物體受熱時(shí)，其表面水分將傳播到周圍的介質(zhì)中，而物體內(nèi)部的水分又不斷的擴(kuò)散到物體的表面。如果過(guò)程連續(xù)不斷的進(jìn)行，就能達(dá)到所要求的干燥程度。常規(guī)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(jié)成水而排掉，并同時(shí)將凝結(jié)熱和干燥結(jié)熱，以及干燥空氣回收利用，熱效率就會(huì)大大提高。為此可采用熱泵技術(shù)，這是因?yàn)樗魵庀蚋稍锟諝廪D(zhuǎn)移，蒸發(fā)時(shí)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(shù)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(jī)械蒸汽壓縮式制鹽

　　鹽田鹵水，首先在預(yù)熱器用加熱器冷凝水的余熱加熱后，送入蒸發(fā)器，在這里用循環(huán)管中的推進(jìn)器，使鹵水在循環(huán)中由蒸汽加熱，以過(guò)熱狀態(tài)從管道上升而在蒸發(fā)器內(nèi)噴出，壓力降低發(fā)生急劇地蒸發(fā)，由導(dǎo)氣管經(jīng)汽水分離器進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)，然后用電力加壓經(jīng)過(guò)熱缸送到加熱器的汽室。在蒸發(fā)器中，一部分蒸發(fā)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(qiáng)制循環(huán)。各加熱管內(nèi)部都設(shè)有刮取器，由加熱器的旋轉(zhuǎn)而防止結(jié)垢。加熱器的汽室中產(chǎn)生的高溫冷凝水，經(jīng)捕集器至預(yù)熱器或溫水槽等，在與鹵水進(jìn)行熱交換后，用作鍋爐用水。而結(jié)晶部用于蒸煮飽和鹵水和采鹽，在期間適當(dāng)交替使用，能夠長(zhǎng)期繼續(xù)制鹽。

　　常規(guī)蒸發(fā)操作單元幾乎遍及化工、食品、制藥、造紙、海水淡化、無(wú)機(jī)鹽制備、廢水處理以及放射性廢水的凈化等生產(chǎn)領(lǐng)域，熱泵蒸發(fā)技術(shù)在這些生產(chǎn)領(lǐng)域有著顯著的高效節(jié)能和環(huán)境保護(hù)作用，其應(yīng)用有著廣闊的空間。

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