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1、第 29 卷，总第 168 期2011 年 7 月，第 4 期 节 能 技 术 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.29，Sum.No.168Jul.2011，No.4蒸汽再压缩热泵系统用于固体干燥节能分析戴群特1，2，杨鲁伟1，张振涛1，庞卫科1，2(1 中国科学院理化技术研究所，北京100190;2 中国科学院研究生院，北京100190)摘要:机械式蒸汽再压缩(MVR)热泵系统是一种新型高效节能装置，完全回收利用了蒸发过程产生水蒸气的潜热。本文分别计算了蒸发温度为 100和 80时蒸汽再压缩热泵系统在各种传热温差下的 COP 值，结果显示 MVR 系统具有良
2、好的节能优势。此外，本文还将蒸汽再压缩热泵系统应用于固体干燥，并对各种固体干燥实验系统做出设计分析。关键词:蒸汽再压缩;节能;MVR;二次蒸汽中图分类号:TQ051 5文献标识码:A文章编号:1002 6339(2011)04 0353 04Energy Saving Analysis of Vapor Recompression Heat Pump and ItsApplication Study on DryingDAI Qun Te1，2，YANG Lu wei1，ZHANG Zhen tao1，PANG Wei ke1，2(1 Technical Institute of Physic
3、s and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)Abstract:Mechanical Vapor Recompression(MVR)heat pump system is a new type of energy saving e-quipment with high effectiveness，totally recycling the latent h
4、eat by water evaporation In this article，theCOP values at different heat transfer temperature difference when evaporating temperature is 100 and80 are calculated respectively The results show great energy saving predominance of the MVR sys-tem The application of MVR in drying is also studied，and sev
5、eral drying experimental systems are de-signed and analyzedKey words:vapor recompression;energy saving;MVR;secondary steam收稿日期2011 02 16修订稿日期2011 03 30作者简介:戴群特(1988 )，女，硕士研究生，主要从事节能、制冷及干燥技术研究。0引言机械式蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Recom-pression)系统，简称 MVR 系统，也叫 MVR 热泵系统，是一种新型高效节能装置。MVR 蒸发器技术是目前国际上最先进的蒸发器技术，只有
6、少数几个国家掌握。MVR 蒸发器技术由于其节能效果显著，70年代开始在国外迅速发展，现已广泛应用于工业废水、造纸黑液的浓缩减量处理，乳品、制糖、淀粉等蒸馏浓缩处理，以及海水淡化、制盐等很多生产领域1 6。由于 MVR 蒸发器具有高效的节能优势和卓越的环保特性，在高度提倡低碳生产生活的今天，其必将在我国得到迅速发展和越来越广泛的应用。1原理简介在干燥和蒸发浓缩等工业领域，会产生大量的水蒸气，而水蒸气携带的能量中绝大部分为潜热，显热仅为很小一部分。而机械式蒸汽再压缩热泵，则353是有效回收了水蒸气的潜热，从而达到节能降耗的目的。其工作原理是对蒸发器产生的废热蒸汽经机械式蒸汽压缩机作用后，温度、压力
7、、焓值均得到提升，返回用于蒸发器作为加热的热源，使液体进一步蒸发。系统本身能基本达到热平衡，新鲜蒸汽仅用于补充系统热损失和进出料热焓，从而大幅度减少蒸发器对外来新鲜蒸汽的消耗，达到了降低能耗的目的。如图 1 所示为 MVR 热泵蒸发系统工作原理简图，系统主要由 MVR 蒸发器和蒸汽压缩机组成。原液料 4 经 MVR 蒸发器蒸发后变成浓缩液料 5 排出，而蒸发出来的二次蒸汽 1 则进入蒸汽压缩机被压缩，提高其能量品位。被压缩后的二次蒸汽 2 作为蒸发器热端用来加热液料，从而使液料蒸发，自身被冷凝为冷凝水并排出系统。在 MVR 蒸发器中，冷端液料被蒸发，热端高温水蒸气被冷凝，即冷端发生蒸发相变，热
8、端发生冷凝相变。故蒸发器的传热效率非常高。在 MVR 蒸发器中，由于蒸发过程所需的蒸发潜热与热端所释放的冷凝潜热几乎相当，故理论上系统不需要外界蒸汽的补充，即自身可达到热平衡，系统的能耗即为蒸汽压缩机的电功耗。图 1MVR 热泵蒸发系统工作原理简图2MVR 热泵系统的 COP 随传热温差的变化本节对 MVR 热泵蒸发系统的能效比，即 COP值作了理论计算。分别对常压蒸发和负压蒸发情况下蒸发器各种传热温差的工况做出计算，常压蒸发对应蒸发温度 100，本文选取蒸发温度 80 作为负压蒸发。由于蒸发器中的传热主要为热端的冷凝相变和冷端的蒸发相变传热，故传热过程中温度不变，换热器的传热温差可认为热端冷
9、凝温度与冷端蒸发温度差值。如图 2 所示为传热过程各状态的变化。热泵性能系数 COP 定义为COP=Q/PeL式中Q 蒸发器热端放热;PeL 蒸汽压缩机功耗。(1)计算各状态点参数如简图 1 所示，首先计算各点状态参数。各状态点在温熵图上的位置如图 2 所示。图 2水蒸气温熵图(a)1 点状态1 点为刚从蒸发器中蒸发出来的二次蒸汽，状态为该压力下饱和蒸汽或微过热蒸汽10。这里假设为饱和蒸汽，得 1 点温度 t1、压力 p1、焓值 h1。(b)2 点状态2 点状态为 1 点状态经多变过程压缩后得到，为高温高压的过热蒸汽。由传热温差 t 可得到冷凝温度，从而得到压缩机出口压力 p2。如图2 所示，
10、根据 p1，t1，在水蒸气的 h s 图上找到状态点 1，蒸汽经压缩机等熵压缩至图中 2s 点。过点 1 作等熵线，与 p2等压线相交点即为状态点 2s，得 t2s，h2s。实际压缩并非等熵压缩，取绝热内效率 s=h2s h1h2 h1=0.87，计算得 h2，查图得 t2。(c)3 点状态3 点由 2 点蒸汽经换热器冷却得到，状态为其压力下饱和冷凝水或微过冷水，这里假设为饱和冷凝水，压力 p3=p2，温度 t3=t1+t。(2)蒸发器热端放热量 Q 的计算在蒸发器的热端，过热蒸汽先迅速的冷却为饱和蒸汽，再发生冷凝相变，并变为冷凝水。放热量 Q由冷却显热和冷凝潜热两部分组成，其中冷凝潜热为主要
11、传热，显热仅为很小部分。传热量为Q=ct+r蒸发器中，蒸发侧所需热量为蒸发潜热，而热端放热一般比蒸发潜热略大，该部分能量可视为系统漏热损失，即蒸发器能量平衡。453(3)压缩机耗功的计算单位理论耗功wts=h2 h1取压缩机的总电效率 eL=0.458 压缩机实际电功耗为weL=wts/eL由此，可计算各工况下的 COP 值，如图 3 所示为两种蒸发温度时各种传热温差下的 COP 变化曲线。图3MVR 蒸发系统中 COP 随蒸发器传热温差的变化趋势由图 3 数据表明，当传热温差较小时，蒸汽再压缩热泵系统的 COP 值非常大，远大于传统热泵系统，故其具有极其可观的发展前景。但随着传热温差的加大，
12、该热泵系统的 COP 值会迅速减小。在蒸发浓缩领域，可有效控制蒸发器内为小温差传热，COP 值较高，故 MVR 热泵在液体蒸发领域已取得良好的应用效果。而在固体干燥领域，由于其自身特点，要求传热温差较大，COP 值有所减小，但从图中数据可看出，MVR 热泵系统依然有很可观的应用价值。3MVR 热泵系统用于固体干燥的研究MVR 热泵技术主要用于液体的蒸发浓缩，而很少用于固体物料的干燥，MVR 用于固体干燥领域的研究也少有报道。由于 MVR 蒸发干燥技术能有效节能减排，极大地提高经济效益，故研究如何把这项新型技术应用于固体干燥具有极其重要的意义。3 1固体干燥流程总体分析机械式蒸汽再压缩热泵技术是
13、一种新型的节能型热泵技术，经济效益十分显著。由于有许多固体物料多为热敏性物质，故干燥温度过高会破坏产品质量，因此对干燥温度需要严格控制。另外，干燥过程太长也会影响产品的质量，为保证干燥效果还需控制好一定的干燥速度9。综合这两点，为了降低干燥温度并同时保证一定的干燥速度，有效提高干燥质量，该流程中把 MVR 技术与真空干燥技术相结合，如图4 所示为 MVR 干燥固体物料流程图。干燥前需对干燥罐进行抽真空。这大大降低了干燥温度，使物料可以在常温或低温下即可快速蒸发干燥，大大提高了产品品质;而且有效加快了干燥速度，有效提高了产品加工效率。这尤其对热敏性物料对干燥质量要求较高的物料干燥具有十分重要的意
14、义，如海参、鲍鱼等。干燥罐中物料侧由于蒸发会产生大量蒸汽，即所谓的二次蒸汽，该二次蒸汽被压缩机压缩之后，二次蒸汽温度升高，高于干燥器内被加热介质的温度，则可返回作为加热热源再利用。该干燥流程为周期干燥，当被干燥物料在其干度达到要求后即可排出干燥器，而干燥器则可开始进行新一轮干燥周期。干燥罐为全封闭式的容器，尤其干燥罐中需要保持一定的真空度，故要求干燥罐的密封性良好。干燥器中管内为从蒸汽压缩机出来的热蒸汽;管外物料均匀平放在每层传热板上，管内蒸汽通过管壁和传热板对物料进行加热使其干燥。该间壁式传热方式主要依赖导热。蒸汽加热物料同时自身被冷凝，出口处冷凝水从系统排出。固体干燥的最大难点在于蒸汽与物
15、料之间的传热问题。如图 4 中蒸汽与物料间为间壁式换热器传热，可看出固体物料侧的传热主要为导热，而导热的最大问题是接触热阻的存在会大大减小传热。因此，如何减小接触热阻，强化传热，以提高干燥速度，是研究重点。由干燥罐传热要求，可知传热面必须规则、均匀、换热面积大。对于管内蒸汽来说，排管式的布置是简单而可靠。固体物料传热面与蒸汽排管的连接是关键。对于干燥室中工作干燥温度的选取，还需要根据实际被干燥物料的生物特性来确定，对于热敏性不强的物质，可适当提高干燥温度，以加快干燥速度，而对于热敏性要求较高的物质，则需提高干燥室内真空度，或者别的调节方法降低干燥温度，以达到干燥物料的高品质要求。本系统一个很重
16、要的优点即可根据实际需求实时调节干燥温度。3 2干燥各过程能量需求分析由于固体干燥和液体蒸发浓缩有一定的差别，在固体干燥过程中，前期干燥会相对容易，后期干燥会更难。因此，对于流程设计和分析来说，主要包括以下三个状态:干燥初期，物料蒸发速度快，经蒸汽压缩机后提供的热量也很高，能很好满足系统需要。干燥中期时，物料的蒸发速率降低，蒸发速度适中，需要适当补充能量以满足系统能耗;干燥末期，物料蒸发速度很慢，经蒸汽压缩机后提供的热量也较低，很难满足系统的加热和保温需要。同时这时的干燥温度也会553要求适当提高。这就要求提供额外能量，一般采用补充蒸汽。3 3蒸汽直接接触传热性能研究实验台本实验研究用蒸汽与物
17、料直接接触换热的方式，研究干燥机内物料与加热蒸汽间的传热性能。如图 5 所示，可看出此实验台中，蒸汽与物料的传热为直接传热，故研究如何提高蒸汽与物料间的对流换热系数为研究重点。由锅炉产生的蒸汽经风机鼓风吹入干燥机，在干燥机中传热完毕后直接排放。实验需要测量干燥机进出口蒸汽的速度、流量、温度。由此可计算干燥机内传热量，并根据传热面积可得到传热系数11 12。3 4MVR 热泵联合干燥循环实验台在图 4 和图 5 所示的干燥器内物料和蒸汽间的传热分别为导热和直接接触对流传热，前者有利于MVR 热泵的小温差设计，但传热受限，干燥速度慢;后者蒸发器内传热良好，但 MVR 热泵的传热温差较大，由图 3
18、可知，随着传热温差的增大，COP 值会有所降低。故本文设计了 MVR 热泵系统导热与直接传热联合干燥循环，如图 6 所示。图 4MVR 干燥固体物料流程简图图 5干燥机内物料与蒸汽传热性能研究实验简图图 6MVR 热泵系统导热与直接传热联合干燥循环流程图从干燥机出来的二次蒸汽被分流为两股，一部分进压缩机再压缩后升温升压，并通过间壁导热方式给物料传热，最终变为冷凝水排出;剩余部分蒸汽与外界补充新蒸汽混合后直接进入干燥机物料侧，与物料直接接触传热。前者蒸汽所占比重为 x，后者为 1 x。典型的可取 x=0.5，1 x=0.5。当然需要注意的是蒸汽循环流量 1 x 可根据干燥负荷及速度适当调节。通过
19、实验研究可确定分流最佳比例，即确定 x，使得 MVR 热泵干燥系统整体能耗及干燥速度达到最优。4结论与展望在蒸发浓缩领域，MVR 蒸汽再压缩热泵系统已有其显著的节能降耗优势，本文把 MVR 技术应用于固体物料的干燥，具有重要的意义。本文分别设计了 MVR 热泵干燥机内蒸汽导热传热、接触对流传热以及两种传热联合干燥的循环。与其他干燥方法相比，MVR 蒸汽再压缩热泵干燥方法有其明显的优势，特别是能显著降低能耗，并获得高品质水准的加工产品。目前，MVR 热泵干燥技术在干燥工艺和控制技术方面还有待深入研究。今后应加强这方面的理论和试验研究，建立和完善不同物料的干燥物理数学模型，为这项新技术在固体干燥生
20、产中的应用提供直接有力的理论依据和技术支持。参考文献 1NowaczykU，SteimleF Thermophysical Properties ofNew Working Fluid Systems for Absorption ProcessesJ IntJ，Refrig，1992，15(1):10 15 2 蒙宗信，何荣炽 蒸汽再压缩热泵的黑液降膜蒸发传热研究 J 制冷，1995 3 李树生，吴宗生 滩田饱和卤水机械式蒸汽再压缩蒸发工艺研究 J 盐业与化工，2009，38(1):18 20 4 李承志 蒸汽再压缩式蒸发器J 氯碱工业，2003(6):18 20 5 恽世昌 机械蒸汽再压缩
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