楊許作

（德眾制藥機械有限公司，廣東佛山 528000）

高真空熱泵雙效濃縮機組的研制及其節(jié)能分析

楊許作

（德眾制藥機械有限公司，廣東佛山 528000）

介紹一種利用高真空“噴霧傳質(zhì)式冷凝器”與熱泵雙效配套的濃縮機組。

節(jié)能；單相流體對流換熱；相變對流換熱

在低碳經(jīng)濟時代，國家要求企業(yè)必須不斷地降低CO2排放，不久必將面臨超定額排放征重稅的威脅。這對于耗能大的中藥、食品提取生產(chǎn)的企業(yè)將越來越成為一種生死存亡的挑戰(zhàn)。而這些企業(yè)最大的耗能環(huán)節(jié)是濃縮工序，70%的蒸汽被它吃掉。濃縮設備的選擇及改造迫在眉睫地擺在企業(yè)的面前。

選什么濃縮設備最節(jié)能？經(jīng)長期在德眾藥業(yè)生產(chǎn)實踐中創(chuàng)新、改進，我們研究生產(chǎn)了高真空熱泵雙效機組。該機組最顯著的特征是節(jié)能、高真空，另外，還具有消泡、不易結垢、效率高和自動控制等特點，特別適應中藥皂苷高、含糖高、熱敏性強等特點的工藝生產(chǎn)。2010年5月經(jīng)佛山市節(jié)能檢測中心測試，3000 L高真空熱泵雙效機組，噸蒸發(fā)藥水耗汽量為0.375 t，冷凝系統(tǒng)總裝機功率為12.5 kW，真空度達到-0.08 mPa以上。該機組比原3000 L單效濃縮設備節(jié)約了蒸汽62.6%，冷凝系統(tǒng)電耗降低了73.8%，是目前國內(nèi)能耗最低的濃縮設備之一。下面就分析該機組節(jié)能、高真空等特點的結構及原理。

高真空熱泵雙效濃縮機

1 節(jié)能、高真空技術

1.1 背景

德眾藥業(yè)2002年GMP改造時使用的是3000L單效濃縮，雖然了解雙效比單效節(jié)能，但正如眾多中藥生產(chǎn)企業(yè)為了藥品質(zhì)量，不少品種必須低溫生產(chǎn)，而雙效濃縮的第Ⅰ效溫度往往在80℃以上，甚至90℃，故此被迫選用單效。德眾藥業(yè)為了濃縮全過程達到-0.08 mPa以上，每臺3000 L單效濃縮罐配用37 kW噴射泵，三臺3000 L單效共用一套北京金諾公司節(jié)能型中空涼水塔，配用一臺45 kW水泵，即平均每臺3000 L單效冷凝電耗為52 kW。

1.2 噴霧傳質(zhì)式冷凝器

德眾藥業(yè)在高耗能又無法選用較節(jié)能的濃縮設備的無奈背景下，由設備部門自主研發(fā)了噴霧傳質(zhì)式冷凝器，該項目已獲得國家發(fā)明專利。

為什么高真空熱泵雙效如此節(jié)能？眾所周知，蒸汽被冷卻凝結成液體的換熱過程稱凝結換熱，液體被加熱沸騰的換熱過程稱沸騰換熱，兩種換熱都屬有相變的對流換熱；列管冷凝器的冷卻水吸熱升溫的換熱過程屬于單相流體的對流換熱。一般情況下，相變換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比單相流的傳熱系數(shù)要高出幾倍甚至幾十倍[1]。

濃縮時二次蒸汽凝結時會迅速放出巨大的汽化潛熱，汽化潛熱的熱能是顯熱熱能的數(shù)倍，例如：將雙效濃縮Ⅱ效60℃的二次蒸汽冷凝成60℃的水所放出的熱量與涼水塔進出水溫分別為35℃和45℃所吸收得熱量進行比較。60℃飽和蒸汽的汽化潛熱為2357.6 kJ/kg，1 kg 60℃飽和蒸汽變?yōu)?0℃的水其放出的熱量為2357.6 kJ，而1 kg 35℃的冷卻水吸熱后提高了顯熱溫度升到45℃所吸收得熱焓查表得：188.42-146.59=41.83kJ，于是，可以得出1 kg蒸汽放出的汽化潛熱需要：2357.6 kJ/41.83 kJ=56.36倍的冷卻水來吸收。于是，理論可計算出：蒸發(fā)量為1000 L單效、普通雙效及普通熱泵雙效分別需要35℃升至45℃的冷卻水量約為：56 T、28 T、20 T。

那么，高真空熱泵雙效配套使用的噴霧傳質(zhì)式冷凝器需要多少冷卻水呢？如圖所示，噴霧傳質(zhì)式冷凝器把少量水采用噴霧的方式噴在翅片管上吸收翅片管內(nèi)二次蒸汽所放出的熱，由于水量少升溫快，在排風機的吹動下很快就低溫蒸發(fā)了。它屬于前面所說的相變對流換熱，水珠在蒸發(fā)時必須獲得巨大的汽化潛熱才能實現(xiàn)蒸發(fā)，這些巨大的能量是從翅片管內(nèi)二次蒸汽冷凝時釋放出來的汽化潛熱中獲得。翅片管內(nèi)外冷凝與蒸發(fā)基本在同一個溫度上，具有相等的汽化潛熱值。每小時1000 L熱泵雙效Ⅱ效需要冷凝的二次蒸汽只有357 kg，理論上，噴在翅片管上蒸發(fā)的水只需357 kg，但考慮噴淋的有效率因素應給以一定的富余量才能達到0.04~0.05 kg/m2.s的噴淋密度[2]，并且考慮霧化所需要一定的壓力，在實際安裝時1000 L~3000 L高真空熱泵雙效使用的噴霧水泵不超過1.5 kW就獲得了足夠的水量。由于不需對大量的冷卻水做功，故噴霧傳質(zhì)式冷凝系統(tǒng)能耗非常低。

下表對不同濃縮設備冷卻水的需要量進行對比。

通過對比可以看出高真空熱泵雙效機組冷卻水量比其他濃縮設備少得多。

如圖所示，為什么高真空熱泵雙效機組沒有列管冷凝器、沒有大功率循環(huán)水泵、沒有涼水塔？吸熱后升溫的冷卻水如何降溫？還是汽化潛熱的奧秘。從霧化噴頭噴出來的小水珠在未到達翅片管之前表面已開始了低溫蒸發(fā)，表面的水份要從小水珠里吸收足夠的汽化潛熱才能擺脫出去產(chǎn)生蒸發(fā)，于是，小水珠剩下部分失去了大量的能量，溫度迅速被降低了。另外，還有一個關鍵的因素是把水霧化得越小效果越好。因為，水珠的表面積S=πD2，體積V=πD3/6，當直徑D縮小n倍時，雖每個水珠表面積減為1/n2，而總個數(shù)增為n3倍，整體的表面積變?yōu)樵瓉淼膎倍。由于霧化增加了表面積強化了表面低溫蒸發(fā)，在實際測量中，小水珠在未到達翅片管前瞬間溫度降低，比水盤里的水溫低二十多度。噴霧傳質(zhì)式冷凝器沒有涼水塔卻比普通涼水塔效率高出很多。它兼?zhèn)淅淠骱蜎鏊p重功能，非常節(jié)能。

1.3 熱泵雙效

該機組節(jié)能的另一結構是使用了熱泵雙效，熱泵的節(jié)能效果已逐漸被大家認識。通過拉伐爾噴嘴的抽吸作用重復地使用了部分Ⅰ效的二次蒸汽進入Ⅰ效的加熱器，從而達到了節(jié)能作用。另外，鍋爐蒸汽在拉伐爾噴嘴里絕熱膨脹時聚然降低了溫度，使可利用的汽化潛熱量增大，例：165℃飽和蒸汽汽化潛熱為2065 kJ/kg，而降溫到90℃后其可利用的汽化潛熱卻有2283 kJ/kg，可利用的汽化潛熱提高了10.6%。熱泵的原理和作用很多資料介紹過，這里不詳細解釋了。要提出注意的是熱泵雙效容易出現(xiàn)熱平衡問題，失控時罐內(nèi)真空度下降甚至正壓，藥水溫度迅速上升，只能作為普通雙效使用。國內(nèi)藥機廠生產(chǎn)的熱泵雙效普遍存在這個問題。我們經(jīng)長期在德眾藥業(yè)的實踐已成功地解決了熱平衡控制問題。

不同濃縮設備冷卻水需要量對比表

2 消泡技術

中藥材普遍存在含糖高、含皂苷高，濃縮時易產(chǎn)生泡沫，常出現(xiàn)暴沸、跑料現(xiàn)象，增加操作難度并降低生產(chǎn)效率。本人在1999年《制藥機械》第三期曾發(fā)表《高效濃縮設備-真空噴霧濃縮器》一文，曾介紹了我們成功解決濃縮中消泡問題。到目前為止我們還沒有哪一種藥材的多泡問題解決不了。

3 防垢技術

國內(nèi)藥機廠生產(chǎn)的外循環(huán)真空濃縮的加熱器出液口高度一般在蒸發(fā)室的下半部分，為了不增加設備的整體高體，普遍把加熱器設計得短短粗粗。同樣加熱面積條件下管數(shù)增多了，自然流速慢了。往往流速只有零點幾米。故此很多藥廠使用幾年的自然外循環(huán)真空濃縮罐生產(chǎn)速度下降得非常嚴重，其原因就是加熱器設計問題。

中藥及食品由于是高分子有機物，碳分子含量高。流速低了遇高溫焦化極易出現(xiàn)在加熱器列管內(nèi)壁上，管壁結垢后傳熱系數(shù)立即降低，直接影響生產(chǎn)效率。有的品種極短時間就出現(xiàn)結垢，生產(chǎn)速度降到很慢，被迫采用堿液強洗后才能生產(chǎn)。藥液在加熱器列管內(nèi)的流速不到1 m/s，加熱溫度在120℃以上。高真空熱泵雙效機組采用強制外循環(huán)三管程設計，大大增加了藥液在列管中的流速，達到2 m/s以上。另外，高真空熱泵雙效加熱器的混合蒸汽溫度不超過90℃，因此，大大延長了強洗周期，并且藥垢極薄易清洗。

4 高效技術

采用熱泵拉伐爾噴射技術，具有較高的引流系數(shù)，使其混合后的加熱溫度很低，這對藥物生產(chǎn)的質(zhì)量來說當然是及其有利，但對于提高蒸發(fā)量是很不利的，因為，蒸發(fā)量大小由加熱器的換熱量決定的，換熱量Q=K?A?Δt，從公式可看出當溫差Δt小了，就必須設法增大加熱面積A和提高換熱系數(shù)K值。我們研制的高真空熱泵雙效Ⅰ效加熱面積是普通雙效的兩倍以上。

如何提高K值？

公式中：h1－管內(nèi)對流換熱系數(shù)；

h2－管外冷凝換熱系數(shù)；

d0、d1－管內(nèi)外徑；

λ－不銹鋼導熱系數(shù)。

我們對管徑形狀及材質(zhì)不討論。至于h2在實際中參數(shù)值通常很大，其倒數(shù)已經(jīng)極小了，我們不需要特別采取措施來提高它，而需要防止降低其參數(shù)值。實踐告訴我們，換熱器中存在1%的不凝氣體，列管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將降低60%[3]。我們設計的噴霧傳質(zhì)式冷凝器配置了小功率的水環(huán)真空泵，它主要目的不是用來抽二次蒸汽，而是通過分離技術專門用于抽取泄露到機組中的不凝氣體，這樣就能保證h2值不降低。

要提高效率剩下的就是分析h1，而要提高h1的最簡單的方法是采取強制循環(huán)和增加管程數(shù)來達到提高管程流速。高真空熱泵雙效機組Ⅰ效、Ⅱ效都采用強制循環(huán)泵。當然，采取了強制循環(huán)會增加能耗，然而，增加循環(huán)帶來提高傳熱系數(shù)、提高效率，單位藥材耗能還是降低了，并且不易結垢和有利于消泡多重作用。從德眾藥業(yè)長期使用的實踐分析，結論是利多弊少。

5 自動控制技術

高真空熱泵雙效機組自動化程度已達到液位自動控制、蒸汽壓力自動控制、進液溫度自動控制、消泡自動控制。要實現(xiàn)以上自動控制，難度不大，造價不高，但對于濃縮的高溫環(huán)境和眾多的操作人員來說，小小的空調(diào)室集中控制，減少人員、減輕勞動強度、減少跑料，還是有很大意義。

[1] 楊世銘等.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2] 朱冬生等.換熱器技術及進展[M].北京：中國石化出版社，2008.

[3] 鄒華生等.流體力學與傳熱[M].廣州：華南理工大學出版社，2006.

Study and Manufacture of Double Stage Concentration Machine Set Using Extreme Vacuum Heat Pump and Energy Saving Analysis

Yang Xuzuo
( De Zhong Pharmaceutical Machinery Co., Ltd Fushan, 528000 ）

One concentration machine set coupled with heat pump in double stages and by using extreme vacuum spray condenser was introduced in this article.

energy saving; convective heat transfer with single phase fluid; convective heat transfer with changing phase fluid

TQ460.5

A

1008-455X(2010)-06-0034-03

2010-10-08

楊許作（1946-），男，高級工程師，從事中藥提取、濃縮、干燥設備的應用、研究、設計和制造工作。

Tel：13902806235 Email：dzyj3333@126.com