CN112870741A - 一种基于外部热泵的蒸发*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热泵与蒸发技术领域,公开了一种基于外部热泵的蒸发***,包括热泵子***和蒸发子***;热泵子***包括通过第一管路依次构成闭环连通的压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器;蒸发子***连接在冷凝器与蒸发器之间,并用于利用冷凝器的热能进行单次或多次蒸发浓缩,蒸发产生的二次蒸汽通过蒸发器进行冷凝;本发明通过设计热泵子***和蒸发子***的耦合结构,使得蒸发子***产生的二次蒸汽的比容及夹带的腐蚀性物质不会对热泵子***中的压缩机造成影响,从而提高了***的运行可靠性,并大大提升了***的整体能效。

Description

一种基于外部热泵的蒸发***
技术领域
本发明涉及热泵与蒸发技术领域,特别是涉及一种基于外部热泵的蒸发***,可应用于海水淡化、废水蒸发浓缩、果蔬汁浓缩的蒸发技术领域。
背景技术
热泵技术具有高效节能特性,在果汁浓缩、蛋白质浓缩以及海水淡化等领域具有明显的优势。
MVR是机械式蒸汽再压缩技术(mechanical vapor recompression)的简称,是利用蒸发***自身产生的二次蒸汽及其能量,将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功,提升为高品位的蒸汽热源,从而以此循环,向蒸发***提供热能,进而减少对外界能源的需求的一项节能技术。
尽管MVR技术在压缩利用***产生的二次蒸汽方面,具有明显的节能性能,但是,直接压缩二次蒸汽也带来一定的局限性。首先,低温度增大了蒸汽的比容,例如:20℃的饱和蒸汽与100℃的饱和蒸汽相比,其比容增大34.5倍,这使在同样的蒸发量条件下压缩机的容量增大34.5倍,其次,二次蒸汽夹带一些低沸点的腐蚀物质,如维生素C,与压缩机的直接接触会腐蚀压缩机,降低其寿命。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例提供一种基于外部热泵的蒸发***,用于解决或部分解决现有的MVR技术在直接压缩二次蒸汽时,存在二次蒸汽的比容以及夹带的腐蚀性物质会对压缩机造成影响的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种基于外部热泵的蒸发***,包括热泵子***和蒸发子***;所述热泵子***包括通过第一管路依次构成闭环连通的压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器;所述蒸发子***连接在所述冷凝器与所述蒸发器之间,并用于利用所述冷凝器的热能进行单次或多次蒸发浓缩,蒸发产生的二次蒸汽通过所述蒸发器进行冷凝。
其中,所述蒸发子***包括多个依次串联的蒸发单元;所述蒸发单元包括分离器、循环水泵和冷凝器,所述分离器的液相出口、所述循环水泵、所述冷凝器及所述分离器的入口通过第二管路依次构成闭环连通;位于首效的所述蒸发单元采用所述热泵子***的冷凝器;上一效的所述蒸发单元中分离器的气相出口通过第三管路连通下一效的所述蒸发单元中的冷凝器,末效的所述蒸发单元中分离器的气相出口通过所述第三管路连通所述蒸发器。
其中,所述蒸发单元中分离器的液相出口连通第四管路,所述第四管路上装有排液泵;和/或,下一效的所述蒸发单元中分离器的液相出口通过所述第四管路连通上一效的所述蒸发单元中的第三管路。
其中,所述蒸发子***还包括冷凝单元;所述冷凝单元包括与每效的所述蒸发单元相对应的冷凝水罐;每效的所述冷凝水罐通过第五管路连通下一效的所述蒸发单元中的冷凝器,末效的所述冷凝水罐通过所述第五管路连通蒸发器;所述冷凝水罐通过第六管路连通真空泵。
其中,还包括预热子***;所述预热子***包括与每效的所述蒸发单元相对应的预热器;每效的所述冷凝水罐通过第七管路连通位于同一效的所述预热器,所述第七管路上装有冷凝水泵;各效的所述预热器通过第八管路依次串联,并与末效的所述蒸发单元中的第二管路相连通,或各效的所述预热器通过第八管路对应与相应效的所述蒸发单元中的第二管路相连通。
其中,各效所述蒸发单元中的所述分离器的结构各不相同,所述分离器的气相出口处设有除沫器。
其中,所述热泵子***还包括经济器;所述经济器的其中一个换热通道串联在所述冷凝器与所述节流元件之间,另一个换热通道串联在所述蒸发器与所述压缩机之间。
其中,所述压缩机为变频压缩机,所述节流元件为电子膨胀阀,所述冷凝器、所述蒸发器及所述经济器均为板式换热器。
(三)技术效果
本发明实施例提供的基于外部热泵的蒸发***,通过设计由压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器构成的封闭式的热泵子***,这使得蒸发子***中的溶液或水蒸气与冷凝器中的高温高压制冷剂进行间壁式地换热,以进行蒸发浓缩,蒸发浓缩过程中产生的二次蒸汽再与蒸发器中低温低压的制冷剂进行间壁式地换热,从而被蒸发器冷凝,并回收废热,在此过程中,蒸发子***产生的二次蒸汽的比容及夹带的腐蚀性物质不会对压缩机造成影响,从而提高了***的运行可靠性,且相对于MVR***而言,该***设备投资成本相对较少,***结构相对较为简单,操作相对较为便捷,可广泛应用于热敏性物料浓缩、海水淡化以及废水蒸发浓缩。
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,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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为本发明实施例所示的基于外部热泵的蒸发***的结构示意图。
附图标记说明:1、压缩机;2、冷凝器;3、节流元件;4、蒸发器;5、第一管路;6、分离器;7、循环水泵;8、第二管路;9、第三管路;10、第四管路;11、排液泵;12、冷凝水罐;13、第五管路;14、第六管路;15、真空泵;16、预热器;17、第七管路;18、冷凝水泵;19、第八管路;20、经济器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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作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。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1,本发明实施例提供了一种基于外部热泵的蒸发***,包括热泵子***和蒸发子***;热泵子***包括通过第一管路5依次构成闭环连通的压缩机1、冷凝器2、节流元件3和蒸发器4;蒸发子***连接在冷凝器2与蒸发器4之间,并用于利用冷凝器2的热能进行单次或多次蒸发浓缩,蒸发产生的二次蒸汽通过蒸发器4进行冷凝,其中,在图1中,压缩机1、节流元件3和蒸发器4依次表示为comp、ev、evap。
具体的,本实施例通过设计由压缩机1、冷凝器2、节流元件3和蒸发器4构成的封闭式的热泵子***,这使得蒸发子***中的溶液或水蒸气与冷凝器2中的高温高压制冷剂进行间壁式地换热,以进行单次或多次蒸发浓缩,蒸发浓缩过程中产生的二次蒸汽再与蒸发器4中低温低压的制冷剂进行间壁式地换热,从而被蒸发器4冷凝,并回收废热,在此过程中,蒸发子***产生的二次蒸汽的比容及夹带的腐蚀性物质不会对压缩机1造成影响,从而提高了***的运行可靠性。
进一步的,本实施例中蒸发子***包括多个依次串联的蒸发单元;蒸发单元包括分离器6、循环水泵7和冷凝器2,分离器6的液相出口、循环水泵7、冷凝器2及分离器6的入口通过第二管路8依次构成闭环连通;位于首效的蒸发单元采用热泵子***的冷凝器2;上一效的蒸发单元中分离器6的气相出口通过第三管路9连通下一效的蒸发单元中的冷凝器,末效的蒸发单元中分离器6的气相出口通过第三管路9连通蒸发器4。
具体的,根据图1所示的结构可知,蒸发子***由第一效蒸发单元、第二效蒸发单元、第三效蒸发单元、…第N效蒸发单元依次串联而成,N为大于1的自然数。第一效蒸发单元的热源为热泵子***的冷凝器2,冷源为第二效蒸发单元的冷凝器,而第一效蒸发单元的冷源又作为第二效蒸发单元的热源,以此类推,第N-1效蒸发单元的冷源为第N效蒸发单元的热源,在第N效蒸发单元为末效时,其冷源为热泵子***的蒸发器4,其中,图1中相应的各级冷凝器依次表示为cond1、cond2、…condN,并且相应的各级循环水泵7依次表示为cp1、cp2、…cpN。
在实际工作时,热泵子***的冷凝器2中流动的高温高压制冷剂与第一效蒸发单元中循环流动的溶液进行热交换,溶液被加热升温,加热后的溶液在分离器6内进行沸腾蒸发,蒸发产生的二次蒸汽进入至第二效蒸发单元,被第二效蒸发单元中的冷凝器冷凝,而第二效蒸发单元中循环流动的溶液又通过与其冷凝器的热交换的能量,以此促使其分离器6进行气液分离,并在对溶液蒸发浓缩的过程中再次产生二次蒸汽,如此,依次进行多效蒸发浓缩,在热泵子***的蒸发器4中流动的低温低压制冷剂与末效蒸发单元产生的二次蒸汽进行热交换,二次蒸汽被冷凝。由此,通过将热泵子***与多效蒸发单元相耦合,可有效回收二次蒸发的废热,并大大提升***的整体能效。
进一步的,本实施例中蒸发单元中分离器6的液相出口连通第四管路10,第四管路10上装有排液泵11;和/或,下一效的蒸发单元中分离器6的液相出口通过第四管路10连通上一效的蒸发单元中的第三管路9,其中,图1中相应的各级排液泵11依次表示为ep1、ep2、…epN。
具体的,在实际工作中,每一效的蒸发单元在进行蒸发浓缩时,产生的饱和液一部经排液泵11排出***,而另一部分饱和液还可与其相应的下一效分离器6排出的浓缩液进行混合,继续进行蒸发浓缩,该效分离器6产生的二次蒸汽作为下一效的蒸发单元的热源,以加热循环溶液,进行蒸发浓缩,其中,各效蒸发单元的浓缩比由排液量控制。
进一步的,本实施例中蒸发子***还包括冷凝单元;冷凝单元包括与每效的蒸发单元相对应的冷凝水罐12;每效的冷凝水罐12通过第五管路13连通下一效的蒸发单元中的冷凝器2,末效的冷凝水罐12通过第五管路13连通蒸发器4;冷凝水罐12通过第六管路14连通真空泵15,其中,图1中相应的各级冷凝水罐12依次表示为dw1、dw2、…dwN,真空泵15表示为vp。
具体的,每一效分离器6蒸发浓缩产生的二次蒸汽被其下一效的冷凝器2或蒸发器4进行冷凝并回收废热,冷凝水依靠自身重力排入冷凝水罐12。由于真空泵15通过第六管路14连通各个冷凝水罐12,由此可通过真空泵15抽取各效蒸发单元中的不凝气体,在维持各效蒸发单元的蒸发压力,使单效蒸发的冷凝水罐12与分离器6的存在一定的压差。
进一步的,本实施例中还包括预热子***;预热子***包括与每效的蒸发单元相对应的预热器16;每效的冷凝水罐12通过第七管路17连通位于同一效的预热器16,第七管路17上装有冷凝水泵18;各效的预热器16通过第八管路19依次串联,并与末效的蒸发单元中的第二管路8相连通,或各效的预热器16通过第八管路19对应与相应效的蒸发单元中的第二管路8相连通,其中,图1中相应的各级预热器16依次表示为ph1、ph2、…phN;相应的各级冷凝水泵18依次表示为dp1、dp2、…dpN。
具体的,***在其中一种具体实施方式中,原液从预热子***进入,首先被第N效蒸发单元对应的预热器16到第一效蒸发单元对应的预热器16依次加热,从第N效蒸发单元进入蒸发子***。根据第N效的浓缩比,控制第N效的排液量,第N效蒸发单元的浓缩液在分离器6出口排入第N-1效蒸发单元。经预热子***预热的原液与循环水泵7出口的饱和液进行混合后,被第N效冷凝器2将其加热为过热溶液,过热溶液在该效分离器6内部进行蒸发浓缩,蒸发产出的二次蒸发器4被热泵子***中的蒸发器4冷凝,并回收废热。冷凝水依靠自身重力排入冷凝水罐12,然后利用冷凝水泵18将冷凝水通过预热器16排出***,并在预热器16内与原液进行热交换,回收废热。
***在另一种具体实施方式中,原液直接通过各效的预热器16进入至相应效的蒸发单元,以进行蒸发浓缩,相应效的蒸发单元对应的冷凝水罐12中的冷凝水在冷凝水泵18的作用下输送至该效的预热器16,以此排出***,并在预热器16内与原液进行热交换,回收废热。
进一步的,本实施例中各效蒸发单元中的分离器6的结构各不相同,分离器6的气相出口处设有除沫器。
具体的,在实际设计时,可根据需求将各效蒸发单元中的分离器6设计为全部相同或部分相同或者结构各异的气液分离结构,并且通过在分离器6的气相出口处设置除沫器,可以有效除去产出的二次蒸汽中的液滴。
进一步的,本实施例中热泵子***还包括经济器20,经济器20在图1中表示为ec;经济器20的其中一个换热通道串联在冷凝器2与节流元件3之间,另一个换热通道串联在蒸发器4与压缩机1之间。
具体的,通过在热泵子***中设置经济器20,可通过膨胀制冷的方式来稳定液态制冷介质,有效降低压缩机1的功耗,以大大提高***的容量和效率。
进一步的,本实施例中压缩机1优选为变频压缩机1;节流元件3优选为电子膨胀阀;冷凝器2、蒸发器4、经济器20及预热器16均优选为板式换热器;循环水泵7、排液泵11和冷凝水泵18均优选为变频泵;冷凝水罐12和分离器6优选为不锈钢双层保温罐体。
进一步的,本实施例中热泵子***的第一管路5中可以使用有机制冷剂,也可以使用无机制冷剂,但优选为有机制冷剂。
具体的,热泵子***采用有机制冷剂有效解决了低温蒸发过程水蒸气比容较大,造成压缩机1的排气量增大的问题,另外,可降低蒸发***的初投资,相对于水蒸气压缩机1,采用有机制冷剂的压缩机1的规格也得以显著降低。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于外部热泵的蒸发***,其特征在于,
包括热泵子***和蒸发子***;
所述热泵子***包括通过第一管路依次构成闭环连通的压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器;
所述蒸发子***连接在所述冷凝器与所述蒸发器之间,并用于利用所述冷凝器的热能进行单次或多次蒸发浓缩,蒸发产生的二次蒸汽通过所述蒸发器进行冷凝。
2.根据权利要求1所述的基于外部热泵的蒸发***,其特征在于,
所述蒸发子***包括多个依次串联的蒸发单元;
所述蒸发单元包括分离器、循环水泵和冷凝器,所述分离器的液相出口、所述循环水泵、所述冷凝器及所述分离器的入口通过第二管路依次构成闭环连通;
位于首效的所述蒸发单元采用所述热泵子***的冷凝器;
上一效的所述蒸发单元中分离器的气相出口通过第三管路连通下一效的所述蒸发单元中的冷凝器,末效的所述蒸发单元中分离器的气相出口通过所述第三管路连通所述蒸发器。
3.根据权利要求2所述的基于外部热泵的蒸发***,其特征在于,
所述蒸发单元中分离器的液相出口连通第四管路,所述第四管路上装有排液泵;
和/或,下一效的所述蒸发单元中分离器的液相出口通过所述第四管路连通上一效的所述蒸发单元中的第三管路。
4.根据权利要求3所述的基于外部热泵的蒸发***,其特征在于,
所述蒸发子***还包括冷凝单元;
所述冷凝单元包括与每效的所述蒸发单元相对应的冷凝水罐;
每效的所述冷凝水罐通过第五管路连通下一效的所述蒸发单元中的冷凝器,末效的所述冷凝水罐通过所述第五管路连通蒸发器;
所述冷凝水罐通过第六管路连通真空泵。
5.根据权利要求4所述的基于外部热泵的蒸发***,其特征在于,
还包括预热子***;
所述预热子***包括与每效的所述蒸发单元相对应的预热器;
每效的所述冷凝水罐通过第七管路连通位于同一效的所述预热器,所述第七管路上装有冷凝水泵;
各效的所述预热器通过第八管路依次串联,并与末效的所述蒸发单元中的第二管路相连通,或各效的所述预热器通过第八管路对应与相应效的所述蒸发单元中的第二管路相连通。
6.根据权利要求2所述的基于外部热泵的蒸发***,其特征在于,
各效所述蒸发单元中的所述分离器的结构各不相同。
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