龐衛(wèi)科，林文野，戴群特，楊魯偉，張振濤

(1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100190)

近年來，由于人類對能源的需求越來越大，能源供應(yīng)成為瓶頸問題。面對如此情況，節(jié)能成為目前擺脫能源短缺束縛的重要途徑之一。機(jī)械蒸汽再壓縮(Mechanical Vapor Recompression)熱泵技術(shù)是一項高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于溶液的蒸發(fā)工藝過程中，如化工、輕工、食品、制藥、海水淡化、污水處理等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。國外早在1834年就已有人提出MVR熱泵的構(gòu)想［1］，而最終應(yīng)用該項技術(shù)的產(chǎn)品是由瑞士的一家企業(yè)Sulzer－EscherWyss Ltd于1917年制造。1925年，奧地利設(shè)計安裝了一套設(shè)備，由此出現(xiàn)了實際運行中使用的MVR裝置［2］。上世紀(jì)70年代石油問題造成了能源危機(jī)，在節(jié)能降耗的大勢所趨下，MVR熱泵得到了迅速發(fā)展。

我國的相關(guān)研究起步較晚，發(fā)展也慢。上世紀(jì)70年代末，有研究人員進(jìn)行了初步試驗，其良好的節(jié)能效果在國內(nèi)得到展示［1］。四川省自貢市張家壩化工廠于1989年引進(jìn)了此種裝置，運行四年后由于各種原因而淘汰［2］。此后國內(nèi)雖也一直在進(jìn)行這方面的研究，但取得的實質(zhì)性成果很少。

該技術(shù)主要為國外的美國GE、德國GEA和Messo等公司壟斷。國內(nèi)目前沒有完全獨立開發(fā)的系統(tǒng)，小型系統(tǒng)依靠進(jìn)口壓縮機(jī)組裝來實現(xiàn)，大型系統(tǒng)或全部進(jìn)口或依靠國外設(shè)計并進(jìn)口關(guān)鍵部件。我國很多公司看好該技術(shù)的前景，但技術(shù)開發(fā)的實力有限，急需技術(shù)積累。

1 MVR熱泵特性與分析

MVR熱泵蒸發(fā)系統(tǒng)的開式循環(huán)機(jī)理是基于回收利用物料蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽(也是此工作周期結(jié)束后即將冷凝成水的蒸汽)的潛熱而進(jìn)行。其基本流程如圖1所示。蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽1先進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮以實現(xiàn)其熱力品質(zhì)的提升，壓力和溫度提高后，再重新進(jìn)入蒸發(fā)器作為加熱蒸汽2利用;釋放出冷凝潛熱的蒸汽成為冷凝水3，料液中吸收了其潛熱而產(chǎn)生的新蒸汽1則繼續(xù)下一個循環(huán)過程。由于在蒸發(fā)器中二次蒸汽所需的潛熱來自外排蒸汽本身冷凝所放出的潛熱，因此蒸發(fā)所耗的能量僅僅是壓縮機(jī)所耗的能量。實際表明，壓縮機(jī)所耗能量比鍋爐產(chǎn)生蒸汽所耗能量少，具有明顯的節(jié)能性。

圖1 MVR熱泵流程圖

根據(jù)MVR熱泵系統(tǒng)的工作原理可知，其效率取決于回收利用的潛熱值與輸入的機(jī)械功之間的比較。表1以常壓下基本循環(huán)的狀態(tài)變化為例，通過計算表明其在能源利用效率方面的優(yōu)勢。

表1 MVR熱泵效率計算分析

從表1中可以看出，系統(tǒng)消耗90.5 kJ/kg的壓縮功，就可以回收利用2 257.6 kJ/kg的潛熱，熱功比達(dá)到了24.9。工質(zhì)的熱焓僅增加0.8%，但其溫度提高了13%，相當(dāng)于輸入少量的高品位機(jī)械能，卻把大量的低品位熱能轉(zhuǎn)化成為可資利用的高品位熱能，從而提高了能源利用效率。

MVR熱泵的研究主要涉及系統(tǒng)流程工藝設(shè)計、蒸汽壓縮機(jī)和蒸發(fā)換熱器等三方面的發(fā)展近況和最新進(jìn)展。

2 機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵的系統(tǒng)流程工藝進(jìn)展

MVR熱泵裝置結(jié)合不同的處理工藝過程，需要提供適宜的傳熱溫差。蒸發(fā)過程中傳熱溫差和壓差大小一般與處理料液的熱敏性有關(guān)，高熱敏性料液適宜于小溫差條件下多梯度分階段進(jìn)行。因此，MVR熱泵系統(tǒng)的工藝流程也設(shè)計成單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。

單效蒸發(fā)系統(tǒng)的流程簡單，操作較方便，適合于水分蒸發(fā)量大，熱敏物性較弱，允許大溫差傳熱，只需蒸發(fā)一次就可達(dá)到濃縮要求的溶液。目前，國內(nèi)已有學(xué)者在對麻黃素廢液的處理過程中設(shè)計采用了機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)的單效蒸發(fā)方案［3］。另外，制鹽工藝也適合采用單效蒸發(fā)的方式，中鹽金壇引進(jìn)的生產(chǎn)能力120萬噸/年MVR裝置應(yīng)用在井礦鹽的制取上［2］。含鹽鹵水同樣具有需去除的水量大，且熱敏物性弱的特點，因此選擇單效一次蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性更合理。雖然系統(tǒng)由于大溫差傳熱可能導(dǎo)致熱平衡穩(wěn)定性差、需不斷補(bǔ)充新蒸汽的問題，不過，單效蒸發(fā)情況下采用增大換熱器面積以適當(dāng)減小傳熱溫差的方式，可在一定程度上解決上述問題，同時系統(tǒng)效率有所提升［4］。圖2為制鹽工藝上采用的MVR單效蒸發(fā)系統(tǒng)。

圖2 制鹽工藝用MVR單效蒸發(fā)系統(tǒng)

MVR系統(tǒng)多效蒸發(fā)方式適合于處理熱敏性較敏感，不宜進(jìn)行大溫差傳熱的溶液蒸發(fā)，同時其也可用于蒸發(fā)量較大的工藝場合。王海澍等［5］首先從理論上分析了多效蒸發(fā)方式的耗能經(jīng)濟(jì)性，給出了效數(shù)合理確定的理論依據(jù)。金世琳［6］研究了在牛奶乳品工業(yè)中采用MVR多效蒸發(fā)的實驗方案，分別列舉了三效、五效和七效蒸發(fā)系統(tǒng)的性能參數(shù)。其中提到，此類型的多效蒸發(fā)系統(tǒng)在壓縮機(jī)提供大約16℃的溫差前提下即可進(jìn)行，但未提到效間溫差的設(shè)計大小。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上的乳品工業(yè)界共約100臺MVR多效蒸發(fā)系統(tǒng)在運行［6］。惲世昌［7］在分析降低乳粉制取過程中蒸汽消耗量的措施時，從傳統(tǒng)的蒸汽多效蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性考慮認(rèn)為效間溫差取5℃左右較合適，且效數(shù)最多為七效。這種思想也可以在MVR熱泵多效系統(tǒng)中借鑒采用。圖3為MVR熱泵的多效蒸發(fā)流程工藝。

圖3 MVR熱泵多效蒸發(fā)系統(tǒng)

3 MVR熱泵蒸汽壓縮機(jī)的研究進(jìn)展

1970年前后，離心式或軸向式壓縮機(jī)在MVR熱泵系統(tǒng)上的應(yīng)用已出現(xiàn)在國外的媒體報道中［6］。芬蘭于1981年開始試用風(fēng)機(jī)型壓縮器，經(jīng)多年的實踐和逐步完善，現(xiàn)在這種壓縮器已在西歐各國普遍使用［7］。早于這個時期，高壓型壓縮器或壓縮機(jī)應(yīng)用較廣，這類壓縮器可提高蒸汽溫度15℃左右，能將第三四效的二次蒸汽壓縮后作為一效加熱室的熱源。缺點是運行壓力高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)能的收益幾乎全被高昂的機(jī)器價格和維修費用所抵消，后來逐漸退出市場［7］。

近幾年來，國內(nèi)行業(yè)也加快了國產(chǎn)蒸汽壓縮機(jī)的開發(fā)進(jìn)程，沈陽化工機(jī)械廠已生產(chǎn)出螺桿式蒸汽壓縮機(jī)，其最初是用于科研試驗［1］。受國外同行的影響，我國研究人員在蒸汽壓縮機(jī)的選型上也較多關(guān)注于活塞、螺桿和離心式壓縮機(jī)［5］。不過，同時期也有學(xué)者提出了使用羅茨風(fēng)機(jī)作為提升水蒸氣壓力的思想［8］。隨著蒸汽壓縮機(jī)國產(chǎn)化研究的深入，防腐防銹、密封、耐高溫和長期運行時的安全可靠性成為其主要的技術(shù)難題［9－12］。

蒸汽壓縮機(jī)的工作介質(zhì)是水蒸氣，由于這一特點其面臨的一個重要問題就是與水直接接觸的零部件的防腐防銹保護(hù)。綜合有關(guān)此方面的研究成果看，關(guān)鍵部件采用抗腐蝕和抗生銹的特殊材料進(jìn)行加工制造，或?qū)ζ胀ú牧系谋砻孢M(jìn)行特殊化處理是一項簡易可行的措施。另一方面，蒸汽容易侵入壓縮機(jī)內(nèi)潤滑油或潤滑脂工作的地方，這將對其安全運行非常不利。因此，隔離油脂和水的高效密封方式成為壓縮機(jī)壓縮水蒸氣時需要突破的關(guān)鍵技術(shù)難點之一。同時，普通制冷或空氣壓縮機(jī)的實際壓縮介質(zhì)是制冷劑或空氣與油霧的混合物，如果直接用來壓縮水蒸氣必會造成蒸汽含油，由此也將給后續(xù)生產(chǎn)工藝帶來麻煩。近年來業(yè)內(nèi)新開發(fā)的無油潤滑和水潤滑技術(shù)或許將為解決該問題指出一個方向［13］。

4 MVR熱泵蒸發(fā)換熱器的研究進(jìn)展

如前所述MVR系統(tǒng)節(jié)能顯著，但也需要高效的換熱裝置與之相匹配。其小溫差特點決定了換熱器的選擇上應(yīng)考慮傳熱效率高的蒸發(fā)裝置，其中降膜蒸發(fā)器是比較合適的一種，其具有物料停留時間短，可低溫操作等優(yōu)點，非常適合于熱敏性物料的濃縮。經(jīng)多年的實踐應(yīng)用證明，機(jī)械蒸汽再壓縮降膜蒸發(fā)技術(shù)日臻成熟。

圖4 傘板式降膜蒸發(fā)器

圖5 用于大型降膜蒸發(fā)器的液體分布器

換熱管內(nèi)的成膜均勻程度和成膜厚度是降膜蒸發(fā)器安全高效工作的重要保證，溶液分布器的布液效果優(yōu)劣，換熱管管壁出現(xiàn)液膜不均時產(chǎn)生的后果不僅僅是蒸發(fā)效率大大降低，同時可能造成換熱管局部溫度過高，出現(xiàn)“干燒”現(xiàn)象，長期持續(xù)下去將明顯減少其使用壽命。管內(nèi)液膜不均導(dǎo)致的蒸發(fā)不均問題還會在蒸發(fā)過度的管壁處析出部分溶質(zhì)，集聚其表面后形成結(jié)垢。此外，高溫下蒸發(fā)溶液內(nèi)所含物質(zhì)會呈現(xiàn)較強(qiáng)的腐蝕特性，在工藝設(shè)計過程中需要引起注意，可通過采取使用防腐性換熱器材料等措施來解決?；谝延械慕的ふ舭l(fā)器結(jié)構(gòu)型式，有研究者將相關(guān)的傳熱強(qiáng)化措施融入其中，進(jìn)一步提高了換熱效果，如閃蒸——降膜蒸發(fā)系統(tǒng)［14］。另有研究人員設(shè)計了全新的降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，以解決常規(guī)換熱器型式所面臨的問題，如傘板型換熱面、酒窩狀豎板換熱面等［15－16］，圖4為傘板式降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。傘板降膜蒸發(fā)器的傳熱性能優(yōu)于豎管降膜蒸發(fā)器，可解決小流量下蒸發(fā)管下端出現(xiàn)“干燒”的問題。為進(jìn)一步提高降膜蒸發(fā)器的性能，布液器的結(jié)構(gòu)和布孔方式也出現(xiàn)了一些新改進(jìn)［17－18］，圖5為三層式布液器的布孔位置示意圖。

5 結(jié)論

綜合目前MVR系統(tǒng)和蒸汽壓縮機(jī)以及降膜蒸發(fā)器的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展而看，這項高效節(jié)能技術(shù)在國內(nèi)廣泛推廣，需注意和解決以下問題:

(1)MVR熱泵技術(shù)是一項高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，我國在此領(lǐng)域的研究尚處于追趕國外的水平，我們應(yīng)關(guān)注國外已經(jīng)應(yīng)用于實際中的成熟產(chǎn)品和技術(shù)成果，多吸收借鑒，立足國內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀，加快發(fā)展自主技術(shù)。結(jié)合工藝過程科學(xué)合理地設(shè)計系統(tǒng)流程，單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)的選擇上應(yīng)因地制宜，全面考慮，充分利用各自的優(yōu)勢。

(2)蒸汽壓縮機(jī)的防腐防銹、密封和長壽命問題成為影響這項技術(shù)國產(chǎn)化的關(guān)鍵所在，亟待國內(nèi)研究人員解決。無油式壓縮在空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用有望為蒸汽壓縮機(jī)的開發(fā)與改進(jìn)提供可行的方案，其中無油水潤滑方式與水蒸氣介質(zhì)的壓縮過程具有較高的兼容性值得研究人員進(jìn)一步探討。

(3)降膜蒸發(fā)技術(shù)已比較成熟，將其運用到MVR熱泵系統(tǒng)上時需注意系統(tǒng)的匹配優(yōu)化問題。影響換熱管內(nèi)溶液均勻成膜的溶液分布器將成為提高降膜蒸發(fā)器性能和可靠性的研究熱點之一。另外，適宜于降膜蒸發(fā)的換熱面新結(jié)構(gòu)型式開發(fā)也逐漸成為人們感興趣的研究方向。

［1］楊向陽，趙翔涌.機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用實驗研究［J］.動力工程，1999，19(增刊):255－258.

［2］黃成.機(jī)械壓縮式熱泵制鹽工藝簡述［J］.鹽業(yè)與化工，2010，39(4):42－44.

［3］周桂英，曲景奎，等.機(jī)械壓縮蒸發(fā)在麻黃素廢液處理中的應(yīng)用與分析［J］.過濾與分離，2002，12(3):14－16.

［4］戴群特，楊魯偉，等.蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)節(jié)能分析及用于固體干燥的研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(4):353－356.

［5］王海澍，郝大雪.熱泵蒸發(fā)節(jié)能減排［J］.鹽業(yè)與化工，2009，38(6):31－34.

［6］金世琳.帶有機(jī)械再壓縮(MVR)的蒸發(fā)器［J］.食品與機(jī)械，1990(2):25－28.

［7］惲世昌.機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)［J］.中國乳品工業(yè)，1998，21(2):78－81.

［8］朱平.機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)的優(yōu)化計算［J］.徐州師范大學(xué)學(xué)報，2009，27(1):84－86.

［9］劉曉莉，顧兆林，等.蒸汽壓縮加熱造紙黒液濃縮新工藝［J］.節(jié)能技術(shù)，2003，21(5):27－28.

［10］蔣國.丁二烯螺桿壓縮機(jī)國產(chǎn)化的研究［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2010(1):21－23.

［11］雷霞洪.淺談國產(chǎn)化羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)械密封的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30(4):52－54.

［12］Keith Alexander，Brian Donohue，F(xiàn)ailure analysis of an MVR(mechanical vapor recompressor)Impeller，Engineering Failure Analysis，17(2010):1345－1358.

［13］陳偉成，鄧謙.全無油噴水單螺桿壓縮機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用［J］.流體機(jī)械，2010，38(10):51－52.

［14］朱路甲，郝云龍，等.閃蒸－三效降膜蒸發(fā)器在木糖生產(chǎn)中的應(yīng)用研究［J］.中國食品添加劑，2010，56－59.

［15］張立強(qiáng)，楊春光，等.傘板式降膜蒸發(fā)器傳熱性能研究［J］.化學(xué)工程，2006，34(6):17－20.

［16］宋繼田，劉文武，等.酒窩狀豎板降膜蒸發(fā)器強(qiáng)化傳熱性能研究［J］.化工機(jī)械，2010，37(3):270－272.

［17］杜啟忠.影響降膜蒸發(fā)器成膜原因分析及應(yīng)對措施［J］.鋁鎂通訊，2009(4):9－10.

［18］朱玉峰，王薇，等.大型降膜蒸發(fā)器液體分布器的設(shè)計［J］.食品與機(jī)械，2007，23(1):104－106.