常压低温热泵蒸发系统的研究

摘要

热泵蒸发技术具有低能耗浓缩料液的特点，该技术广泛应用于化工、食品、海水淡化等领域。常压低温热泵蒸发装置是一种基于介质循环的，能在常压、低温条件下对料液进行蒸发浓缩分离的装置。该装置能耗较低，料液适应性好，结构较简单。本文较系统地对该装置进行了理论分析和实验研究。
　　本文给出了低温热泵蒸发装置的五种技术方案:蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置、热泵真空多效蒸发装置、热泵多效膜蒸馏装置、空气循环常压低温热泵蒸发装置和蒸气喷射式热泵蒸发装置，对其工作原理和装置特性进行了简要介绍，并对采用电能驱动热泵运行的前四种热泵蒸发装置的初投资、压缩机能耗、能源年费用、料液适用范围等进行了综合评估，表明了相较于蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置、热泵真空多效蒸发装置和热泵多效膜蒸馏装置，空气循环常压低温热泵蒸发装置具有较好的综合优势。
　　建立了空气循环常压低温热泵蒸发装置物理模型，将空气循环常压低温热泵蒸发装置分为热泵循环单元、料液循环单元和空气循环单元，给出了相应的数学模型。计算分析了热泵制热量、热泵制热系数、压缩机功率、产水速率和单位质量产水能耗随料液喷淋温度、热泵蒸发温度、空气介质循环流量等参数的变化规律。结果显示，当空气循环常压低温热泵蒸发装置在给定工艺参数下调控时，产水速率为1.37×10-3kg/s，单位质量产水能耗约为300kJ/kg。
　　设计并搭建了空气循环常压低温热泵蒸发装置，分别进行了布液流量测试实验、热泵单元性能测试实验、整体装置预热升温实验和变工况条件下空气循环常压低温热泵蒸发装置正常运行性能测试实验，结果表明，①当空气介质循环风道内径为309mm时，布液器外径为309mm，孔数为172，孔径为2mm时，料液均布最佳;②装置热泵单元当料液出口温度22～46℃之间时，其制热系数达到最高，其值为4.2;③装置料液喷淋温度在26～46℃之间时，热泵制热量始终高于2.1kW，空气介质与料滴传质充分，相对湿度接近100％，所选热泵单元与装置整体较匹配。但装置产水速率偏低、单位质量产水能耗偏高，空气介质与料滴换热性能有待改进。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 蒸发浓缩的典型料液简介

1．1．1 废水

1．1．2 果蔬汁

1．1．3 药液

1．1．4 海水淡化尾水

1．2 蒸发技术研究现状概述

1．2．1 自然蒸发技术

1．2．2 沸腾蒸发技术

1．2．3 膜汽化分离技术

1．2．4 介质循环蒸发技术

1．2．5 蒸发技术的发展方向

1．3 热泵蒸发技术综述

1．4 本文主要工作

2 低温热泵蒸发装置的技术方案分析

2．1 蒸汽直接压缩式热泵蒸发装置

2．2 热泵真空多效蒸发装置

2．3 热泵多效膜蒸馏装置

2．4 空气循环常压低温热泵蒸发装置

2．5 蒸汽喷射式热泵蒸发装置

2．6 低温热泵蒸发装置技术方案的综合对比研究

3 空气循环常压低温热泵蒸发装置性能模拟研究

3．1 空气循环常压低温热泵蒸发装置的物理模型

3．2 空气循环常压低温热泵蒸发装置的数学模型

3．2．1 热泵循环单元基本方程

3．2．2 料液循环单元基本方程

3．2．3 空气循环单元的基本方程

3．3．1 空气循环常压低温热泵蒸发装置性能指标

3．3．2 空气循环常压低温热泵蒸发装置性能模拟计算流程

3．4 空气循环常压低温热泵蒸发装置性能变化规律

3．4．1 料液喷淋温度对装置性能的影响

3．4．2 热泵工质蒸发温度对装置性能的影响

3．4．3 空气介质循环流量对装置性能的影响

4 空气循环常压低温热泵蒸发装置实验研究

4．1 实验目的

4．2 实验装置简介

4．3．1 实验方法

4．3．2 实验步骤

4．4 实验数据及分析

4．4．1 布液流量变化规律

4．4．2 热泵单元性能参数变化规律

4．4．3 装置预热模式性能参数变化规律

4．4．4 装置正常运行模式(封闭循环)下性能参数变化规律

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

7攻读硕士学位期间论文发表情况

致谢