[科普中国]-热泵蒸发

热泵蒸发是指将蒸发器蒸出的二次蒸汽用压缩机压缩，提高其压力,使其饱和温度超过溶液的沸点，然后送回蒸发器的加热室作为加热蒸汽,此种方法称为热泵蒸发。采用热泵蒸发只需在蒸发器开工阶段供应加热蒸汽，当操作达到稳定后，不再需要加热蒸汽，只需提供使二次蒸汽升压所需要的功，因而节省了大量的生蒸汽。

热泵蒸发器热泵蒸发器工作原理是二次蒸汽与生蒸汽的焓差并不大，只是二次蒸汽的压力和温度比较低，采用某种办法提高二次蒸汽的压力，则二次蒸汽中的热能可得到反复应用，而此过程需要的外加能量远小于由此可收回的可利用能量，从而达到节能的目的。在乳品厂，采用带一个热泵的双效蒸发系统，蒸发1kg水，仅需生蒸汽0.44kg，与三效蒸发的效果接近。

食品厂中经常使用的一种蒸汽压缩方式，采用热能压缩器，利用较高压力的工作蒸汽，将蒸发出来二次蒸汽压缩，提高其压力。进而作为蒸发器加热蒸汽。工作蒸汽通过喷嘴绝热膨胀，以极高的速度进入吸气室，由于流动速度增加．在吸人室造成低压，二次蒸汽被吸人而与工作蒸汽混合，相互混合的蒸汽进行速度的等化及升压。在扩压器的喉部，混合蒸汽的速度降低而压力升高。结果是消耗一部分工作蒸汽的能量，将二次蒸汽压缩，压力提高到较高水平。整个过程包括静压能与动能转换、吸入、混合及能量交换等系列操作。1

装置的设计要实现热泵蒸发系统的完好正常运行必须消耗外功，此外功即为热能回收再利用的推动力。任何气体被压缩时其温度就会随压力的升高而升高。热泵蒸发就是把蒸发器内沸腾溶液所产生的二次蒸汽，经压缩机的压缩提高压力、温度，再送回蒸发器加热室管束的壳程间，同时放出蒸汽的汽化潜热，并传递给加热室管束管程内的溶液，使其继续沸腾蒸发。由于二次蒸汽的潜热得到反复的利用，热泵蒸发仅需从外界(压缩机)供给较少的能量，就可提供使热量传递给蒸发溶液所需要的推动力，保持蒸发器内溶液连续不断的沸腾蒸发。实质上热泵蒸发过程是个热传递过程，要进行传热就必须要有传递的推动力。在热泵蒸发过程中利用压缩功的热当量使溶液不断地蒸发，不需要从别处供给加热蒸汽，无论采用何种类型的压缩机，在相同的吸人压力和排出压力的情况下其对蒸汽所做的压缩功都是相同的。在热泵蒸发操作中要以最小的输入功达到最大的蒸发效率，而最小输入功则以最高的传热速率来达到。当传热系数和温差经过试算初定后，问题就变成了在最小输入功的条件下，满足总传热量所需要而凑合传热面积的问题了。例如，在海水蒸馏中必须使传热系数最大，温差最小以便使压缩功率最小。然而，在化工生产中，有许多其他因素也是和设备的热衡算有关的，这些因素在设计时都要考虑进去。1

蒸发器选用要点蒸发器的设计：蒸发器和压缩机一样也是热泵蒸发系统中的重要设备，一定要根据所浓缩的物料的性质来认真考虑。

(1)热泵蒸发器的类型：工业用热泵蒸发器一般多采用外加热自然循环型，中央循环管式及升膜或降膜式蒸发器。其他型式较少。

(2)蒸发器材质的选择：要根据蒸煮溶液是酸性条件，还是碱性条件来确定。

(3)蒸发器内操作压力：食品和药物的浓缩一般要求蒸发器内沸腾溶液在负压条件下操作，以防浓缩物质在高温下变质，这就要求蒸发器的加工质量要高，以防外部空气向内渗漏。但在废水处理及无机盐类等的浓缩生产时，蒸发器一般最好常压操作。

(4)设备费和运行费的考虑：在同等的节能条件下，如果着眼点是减少运行费，那就要把蒸发器加热面积设计大一些，使传热推动力Δt变小。因而，驱动压缩机的电机耗电会减小，这样运行费便降低。不锈钢材质已属普通材料。应使运行降低，则必须多用一些材料，但从总的经济效益来考虑还是合算的。2

热泵蒸发的控制热泵蒸发与其他化工单元的操作一样，系统的启动、运行和停车，都必须严格按操作程序进行。否则，将会损坏设备或者会发生危及人身安全事故。热泵蒸发系统的操作程序如下。

(1)启动供料泵：使料液通过第一预热器及第二预热器送人蒸发器的加热室，待液位达到分离室窥视玻璃镜能看到的规定液位时停止供料。此时，打开供料泵的回流循环阀门同时关闭供料阀门，使料液在供料泵和原液槽之间进行循环，等待蒸发器液位降低需要补充料液时再缓慢打开供料阀门，同时关小回流阀门使供料量调整到合适的量以保持蒸发液位恒定。

(2)开启启动热源：当蒸发器内液位已到达规定液位后，即可开启启动热源使蒸发器内的料液受热沸腾蒸发产生二次蒸汽。如果启动热源为系统自身带的电热水箱(锅炉)，应事先将去离子水注入电热水箱到规定的量，通电满功率加热(正常运行后90%功率便可停掉)，产生的二次蒸汽通人蒸发器的加热室。若为系统外的蒸汽或其他废热用作启动热源则可直接连接管线，将蒸汽引入蒸发器的加热室并用阀门进行调节。启动热源蒸汽通人加热室去加热列管内的料液，使其沸腾蒸发产生二次蒸汽。

(3)启动压缩机：启动热源使料液产生的二次蒸汽被压缩机吸入，经压缩提高压力温度后送往加热室。若压缩机是带变频可调式的，则由慢到快直到设计最大转速。再次打开供料阀门给蒸发器供料。通过流量计进行调节，使蒸发器的蒸发液位保持恒定。回收二次蒸汽的热量再加上压缩机运转消耗的电能所转变的热量，总起来的热量便可满足系统加热的需要热量，但由于系统热辐射的散热损失，可能造成系统的热量不平衡。

(4)调节电热水箱(锅炉)中的电功率：由于系统的散热损失，造成系统热量的不平衡，所以系统正常运行后，电热水箱中的电热功率90%停掉，只保留10%～20%作为系统散热的补充，以维持系统的热平衡，使系统始终处在正常运行条件下。若为热网蒸汽或其他废热气，将控制阀门调小到进汽量以满足补充系统的热损失即可。

(5)启动热水泵和浓缩液泵：电热水箱不只是起到启动热源和补充系统散热损失的作用，还起到收集二次蒸汽冷凝水进行周转的作用。二次蒸汽由压缩机送入蒸发器的加热室并将热量传给列管内的料液而自身则冷凝为冷凝水，靠自重流入电热水箱中，启动热水泵将热水箱中的热水送入第一预热器，去预热进入系统的冷料液并保持电热水箱中的水位始终恒定。若浓缩液为直排式的，只启动热水泵即可。

(6)打开不凝性气体排放阀门：系统中的不凝性气体，随二次蒸汽经压缩机进入到加热室的管壳之间，积累过多会影响传热，使蒸发效率大大降低。所以，必须定时排放。但是，在排放不凝性气体时，又不能把不凝性气体同蒸汽截然分开。因此，设置了第二预热器，这样便可将不凝性气体和蒸汽混合体通入第二预热器，使料液得到进一步的预热，蒸汽便冷凝下来而不凝性气体则得到排放。

(7)停车：停车时，首先关闭补充热源的电热元件，关闭供料泵停止供料。蒸发器内二次蒸汽的压力逐渐下降同时使压缩机慢慢减速直到停止运转。最后关闭热水泵，但必须保留足够水量在电热水箱中以备再启动时用。热泵蒸发系统的操作。可采用自动或手动。也可用作处理机进行程序控制。2

本词条内容贡献者为:

周敏 - 副教授 - 西南大学