一種基于熱泵循環(huán)的分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種利用熱泵濃縮堿液的工藝，屬于化工分離和節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域。涉及到制冷劑制熱制冷雙重作用的循環(huán)、制冷劑兩級(jí)壓縮、溶液分級(jí)濃縮和溶劑冷凝耦合的熱泵節(jié)能技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)日益突出，這對(duì)節(jié)能技術(shù)提出了更高的要求。熱泵技術(shù)是一項(xiàng)高效、環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于化工、低品位熱能利用、海水淡化、污水處理等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。印染、紙廠的廢液中包含濃度較低的NaOH溶液，通常的做法是將其直接排掉，這不僅污染環(huán)境，還浪費(fèi)了堿液，將熱泵技術(shù)與堿液濃縮結(jié)合起來(lái)，可以很好地回收利用工廠廢液，具有節(jié)能環(huán)保雙重功效。一些學(xué)者將機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于堿液濃縮回收，并設(shè)計(jì)出單效、多效蒸發(fā)濃縮堿液系統(tǒng)，取得了很好的節(jié)能效果，但機(jī)械蒸汽壓縮方法需要對(duì)水蒸氣進(jìn)行壓縮，對(duì)壓縮機(jī)性能提出了較高的要求，并且水蒸氣中可能參雜著其他成分，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)壓縮機(jī)及其他部件產(chǎn)生不良影響。
[0003]傳統(tǒng)蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)中冷凝器管內(nèi)的溫度約為40°C，高于有一定真空度時(shí)堿液的泡點(diǎn)，因此可以利用熱泵冷凝熱加熱蒸發(fā)濃縮堿液。一些學(xué)者研宄了基于熱泵循環(huán)的低壓力下熱敏性物料的蒸發(fā)濃縮，并達(dá)到了回收高濃度物料和溶劑的目的。但是堿液的泡點(diǎn)與濃度的關(guān)系符合杜林法則:泡點(diǎn)隨堿液濃度升高而升高，隨壓力降低而降低。因此隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，堿液濃度升高，堿液與制冷劑蒸汽的溫差逐漸減小，這會(huì)減緩蒸發(fā)濃縮堿液的進(jìn)度，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)停止。為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明做了有益改進(jìn)，將堿液蒸發(fā)濃縮分為兩個(gè)階段，分別在低、高濃度堿液蒸發(fā)器中進(jìn)行，其中高濃度堿液蒸發(fā)器中堿液側(cè)壓力低于低濃度堿液蒸發(fā)器中堿液側(cè)壓力，從而可以保證兩種堿液出口濃度的泡點(diǎn)相同，且均低于制冷劑蒸汽在冷凝管中的溫度。此舉綜合考慮了制冷劑冷凝放熱溫度與堿液蒸發(fā)泡點(diǎn)的關(guān)系，保證了堿液蒸發(fā)有效、可靠的運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提供一種基于熱泵循環(huán)分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的裝置，該裝置充分利用熱泵冷凝熱對(duì)稀堿液分級(jí)蒸發(fā)濃縮，同時(shí)熱泵低溫端制冷可冷凝堿液蒸發(fā)出來(lái)的二次蒸汽，從而達(dá)到回收高濃度堿液再利用的目的。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種基于熱泵循環(huán)的分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的裝置包括熱泵回路、堿液回路及蒸汽和冷凝水回路三個(gè)子回路，其中:
[0006]熱泵回路包括低濃度堿液蒸發(fā)器，高濃度堿液蒸發(fā)器，制冷劑儲(chǔ)液罐，第一熱力膨脹閥，第二熱力膨脹閥，制冷劑高壓干式蒸發(fā)器，制冷劑低壓干式蒸發(fā)器，高壓壓縮機(jī)，羅茨鼓風(fēng)機(jī)；低濃度堿液蒸發(fā)器的下部制冷劑出口與制冷劑儲(chǔ)液罐上部入口相連，高濃度堿液蒸發(fā)器的下部制冷劑出口與制冷劑儲(chǔ)液罐側(cè)面上部入口相連，制冷劑儲(chǔ)液罐下部出口分為兩路，一路經(jīng)第一熱力膨脹閥與高壓干式蒸發(fā)器下部進(jìn)口相連，另一路經(jīng)第二熱力膨脹閥與制冷劑低壓干式蒸發(fā)器的下部入口相連，制冷劑低壓干式蒸發(fā)器的上部制冷劑出口與羅茨鼓風(fēng)機(jī)入口相連，制冷劑高壓干式蒸發(fā)器上部制冷劑出口與羅茨鼓風(fēng)機(jī)出口匯合后的總管與高壓壓縮機(jī)入口相連，高壓壓縮機(jī)的出口分成兩路，分別與低濃度堿液蒸發(fā)器，高濃度堿液蒸發(fā)器的上部制冷劑入口相連；
[0007]堿液回路包括真空泵、濃堿液泵、低濃度堿液蒸發(fā)器、高濃度堿液蒸發(fā)器、第一閥門、第二閥門、第三閥門、第一液位控制閥；堿液回路中，稀堿液輸入端經(jīng)第一閥門與低濃度堿液蒸發(fā)器上部的稀堿液入口相連，低濃度堿液蒸發(fā)器的下部堿液出口經(jīng)第一液位控制閥與高濃度堿液蒸發(fā)器上部堿液入口相連，高濃度堿液蒸發(fā)器下部堿液出口與濃堿液泵相連，第一液位控制開(kāi)關(guān)位于高濃度堿液蒸發(fā)器中，低濃度堿液蒸發(fā)器和高濃度堿液蒸發(fā)器的側(cè)面上方各自有一個(gè)出口，分別通過(guò)第二閥門、第三閥門匯總后與真空泵入口相連；
[0008]蒸汽及冷凝水回路中，低濃度堿液蒸發(fā)器的上部蒸汽出口經(jīng)過(guò)第一盤管與制冷劑高壓干式蒸發(fā)器的上部蒸汽入口相連，高濃度堿液蒸發(fā)器的上部蒸汽出口經(jīng)過(guò)第二盤管與制冷劑低壓干式蒸發(fā)器的上部蒸汽入口相連，制冷劑高壓干式蒸發(fā)器的下部冷凝水出口通過(guò)第二液位控制閥與冷凝水箱上部入口相連，制冷劑低壓干式蒸發(fā)器的下部冷凝水出口通過(guò)第三液位控制閥與冷凝水箱側(cè)面入口相連，冷凝水箱下部出口與冷凝水泵進(jìn)口相連，第二液位控制開(kāi)關(guān)位于冷凝水箱中，水泵出口排出冷凝水。
[0009]低濃度堿液蒸發(fā)器和高濃度堿液蒸發(fā)器采用立式管殼降膜結(jié)構(gòu)，它利用高壓制冷劑的冷凝將低溫堿液蒸發(fā)，它既是制冷劑冷凝器，又是堿液的蒸發(fā)器，堿液在管內(nèi)汽化濃縮，制冷劑在管外冷凝；為了使堿液均勻地分配到每根換熱管內(nèi)并形成旋轉(zhuǎn)膜下流，每根降液換熱管入口處均裝有分液器。分液器結(jié)構(gòu)如圖2所示，堿液從分液器側(cè)面導(dǎo)流口進(jìn)入分液器外部螺旋下流槽道，建議以螺旋狀沿?fù)Q熱管內(nèi)壁下流蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽由分液器中部上升通道流出。
[0010]通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)高、低壓干式蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度來(lái)調(diào)節(jié)其管外水蒸汽的冷凝的溫度，達(dá)到控制高、低濃度堿液蒸發(fā)器內(nèi)壓力的目的，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)低濃度堿液蒸發(fā)器和高濃度堿液蒸發(fā)器內(nèi)堿液蒸發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)的堿液泡點(diǎn)來(lái)控制蒸發(fā)溫度在21?35°C范圍內(nèi)，由于堿液蒸發(fā)器堿液側(cè)及制冷劑蒸發(fā)器二次蒸汽冷凝側(cè)壓力較低，所以對(duì)設(shè)備的氣密性要求較高。全部溶液泵、冷凝水泵均采用結(jié)構(gòu)緊湊、密封性良好的屏蔽泵，調(diào)節(jié)閥門采用真空隔膜閥，以及其他的密封性措施。
[0011]兩個(gè)堿液蒸發(fā)器中堿液最終濃度的泡點(diǎn)是相同的，所以低濃度堿液蒸發(fā)器中蒸發(fā)壓力大于高濃度堿液蒸發(fā)器中蒸發(fā)壓力，因此制冷劑高壓干式蒸發(fā)器的殼側(cè)溫度高于制冷劑低壓干式蒸發(fā)器的殼側(cè)溫度，進(jìn)一步?jīng)Q定了制冷劑高壓干式蒸發(fā)器的管側(cè)溫度高于制冷劑低壓干式蒸發(fā)器的管側(cè)溫度，即高壓干式蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)溫度高于低壓干式蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)溫度。制冷劑低壓干式蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑蒸汽先經(jīng)過(guò)羅茨鼓風(fēng)機(jī)壓縮，然后與制冷劑高壓干式蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑蒸汽混合，再經(jīng)高壓壓縮機(jī)升壓升溫，進(jìn)入堿液蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮堿液，此舉充分考慮了制冷劑蒸發(fā)器出口壓力不同的特點(diǎn)，對(duì)壓力較低的制冷劑蒸汽采用兩級(jí)壓縮，降低了壓縮機(jī)的壓縮比，既節(jié)省了電能，又可以很好地保護(hù)壓縮機(jī)。
[0012]制冷劑蒸發(fā)器采用干式蒸發(fā)器，它利用二次蒸汽的冷凝將低溫制冷劑蒸發(fā)，因此它既是二次蒸汽的冷凝器，又是制冷劑的蒸發(fā)器。制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，二次蒸汽在管外冷凝。機(jī)器運(yùn)行時(shí)制冷劑從下部端口進(jìn)入，在管內(nèi)經(jīng)一次(或多次)往返后汽化，全部汽化后的蒸氣由上部端口出去；二次蒸汽冷凝成水后從底部排出。
[0013]堿液蒸發(fā)器采用立式管殼降膜結(jié)構(gòu)，它利用高溫制冷劑的冷凝將低溫堿液蒸發(fā)，因此它既是制冷劑冷凝器，又是堿液的蒸發(fā)器。堿液在管內(nèi)汽化，制冷劑在管外冷凝。為了使堿液均勻地分配到每根換熱管內(nèi)并形成旋轉(zhuǎn)膜下流，每個(gè)降液換熱管入口均裝有分液器，分液器剖面圖如圖2所示，堿液從分液器側(cè)面導(dǎo)流口進(jìn)入分液器外部螺旋下流槽道，以螺旋狀沿?fù)Q熱管內(nèi)壁下流蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽由分液器中部上升通道流出。換熱管內(nèi)壁能夠很好地形成一層螺旋狀的水膜，增大了管內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)，有利于堿液充分吸收制冷劑放出的熱量，因此提高了冷凝器的換熱效果。
[0014]堿液蒸發(fā)的吸熱量與制冷劑放熱量相匹配，二次蒸汽冷凝放熱量與盤管散熱和干式蒸發(fā)器中制冷劑的吸熱量匹配，為了保證蒸發(fā)連續(xù)、可靠的運(yùn)行，本發(fā)明采取堿液側(cè)流量閥+變頻壓縮機(jī)(羅茨鼓風(fēng)機(jī))雙重控制的方法。通過(guò)堿液側(cè)的閥門控制堿液的流量，從而保證堿液的吸熱量與制冷劑的放熱量大致匹配。鑒于本發(fā)明系統(tǒng)是連續(xù)運(yùn)行的，低濃度堿液蒸發(fā)器與高濃度堿液蒸發(fā)器需要的熱量不一樣，通過(guò)改變壓縮機(jī)或羅茨鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)頻率來(lái)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，制冷劑熱力膨脹閥會(huì)根據(jù)制冷劑蒸發(fā)器出口溫度自動(dòng)調(diào)整閥門開(kāi)度，從而改變制冷劑流量，保證了兩個(gè)堿液均能吸收到足夠的熱量。
[0015]低濃度堿液蒸發(fā)器、兩個(gè)制冷劑蒸發(fā)器底部出口裝有浮球式液位控制閥，通過(guò)浮球調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用，在堿液蒸發(fā)器和制冷劑蒸發(fā)器底部可以保持大致恒定的液面。浮球閥有一個(gè)鑄鐵的外殼，用液體連接管與氣體連接管分別與被控制容器的液體和蒸氣兩部分相連接，因而浮球閥殼體的液面與蒸發(fā)器內(nèi)的液面一致。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液面升高時(shí)，殼體內(nèi)的液面也隨之升高，浮子上升，在浮子的牽連作用下閥針便將孔口開(kāi)大，則閥門流量增大；反之，閥門開(kāi)度減小，流量減少，當(dāng)殼體內(nèi)的液面下降到浮子下限位時(shí)，閥針便將孔口關(guān)閉。
[0016]高濃度堿液蒸發(fā)器和冷凝水箱出口裝有浮球式液位控制開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)分別與濃堿液泵和冷凝水泵開(kāi)關(guān)相連。當(dāng)液位上升，磁鐵制成的浮環(huán)上升到一定高度時(shí)，在磁環(huán)的吸力下磁簧開(kāi)關(guān)閉合，泵啟動(dòng)；當(dāng)液位低于此高度時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，泵停止，從而控制液位在合理范圍。
[0017]有益效果:本發(fā)明采用制冷劑循環(huán)輔助的熱泵型低溫蒸發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)了熱泵一端提供熱量加熱堿液使其蒸發(fā)，另一端吸收熱量冷凝二次蒸汽，在制冷劑蒸發(fā)、冷凝的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了熱能的回收和再利用；并且充分考慮了堿液泡點(diǎn)與濃度和壓力的關(guān)系，采用分級(jí)蒸發(fā)濃縮堿液，整個(gè)工藝結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行溫度低，僅需制冷劑蒸汽壓縮機(jī)提供動(dòng)力，無(wú)其他外界能量輸入，減少了運(yùn)行成本，環(huán)保節(jié)能。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明一種基于熱泵循環(huán)的分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的裝置示意圖。
[0019]低濃度堿液蒸發(fā)器A1;高濃度堿液蒸發(fā)器A2;制冷劑儲(chǔ)液罐B ;真空泵C ;第一熱力膨脹閥D1;第二熱力膨脹閥D 2;制冷劑高壓干式蒸發(fā)器E 1;制冷劑低壓干式蒸發(fā)器E 2;第一盤管和風(fēng)扇F1;第二盤管和風(fēng)扇F 2;高壓壓縮機(jī)G 1;羅茨鼓風(fēng)機(jī)G 2;冷凝水箱H ;冷凝水泵I ;濃堿液泵J ;第一液位控制閥K1，第二液位控制閥K2，第三液位控制閥K3;第一液位控制開(kāi)關(guān)L1，第二液位控制開(kāi)關(guān)L2;第一閥門M i，第二閥門M2，第三閥門M30
[0020]圖2是分液器剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的一種基于熱泵循環(huán)的分級(jí)低溫蒸發(fā)濃縮堿液的裝置包括熱泵回路、堿液回路及蒸汽和冷凝水回路三個(gè)子回路，其中:
[0022]熱泵回路包括低濃度堿液蒸發(fā)器A1,高濃度堿液蒸發(fā)器A2,制冷劑儲(chǔ)液罐B，第一熱力膨脹閥D1，第二熱力膨脹閥D2,制冷劑高壓干式蒸發(fā)器E1，制冷劑低壓干式蒸發(fā)器E2,高壓壓縮機(jī)G1,羅茨鼓風(fēng)機(jī)G2