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  • 多效蒸发与热泵(MVR/TVR)蒸发的分析与比较

  • 发布人:sh-dingtai.com 发布时间:2013/11/22 15:15:43 首发:http://www.onie26.com
  • 多效蒸发与热泵(MVR/TVR)蒸发是提高蒸发操作能量利用经济性的两条最主要的途径。它们均利用了二次蒸汽的大量潜热,有着明显的节能效果。本文从节能效果和经济效益两个方面,分析、比较了多效蒸发与热泵(MVR/TVR)蒸发。

         在化工、食品、医药等工业中,液体的浓缩、脱水等哦给你一都是利用蒸发来实现的。蒸发操作是大量耗热的过程,高温位的蒸汽向低温位转化,因此较低温位的二次蒸汽的利用在很大程度上决定了蒸发操作的经济性。

    1多效蒸发系统

    将多个蒸发器串联起来,前一个蒸发器的二次蒸汽作为下一个蒸发器的加热蒸汽,下一个蒸发器的加热室便是前一个蒸发器的冷凝器,这便是多效蒸发器的原理。蒸发同样数量的水分,采用多效时所需要的生蒸汽量将远较单效时为小,因此提高了生蒸汽的利用率。

    多效蒸发中物料与二次蒸汽的流向可有并流、逆流、平流等多种组合,本文以并流多效蒸发系统为对象进行分析,其计算原则也适用于逆流、平流多效蒸发系统。图1为并流加料三效蒸发流程。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    多效计算的基本方程为物料衡算式、热量衡算式、传热速率式及物性函数式。为使问题不致过于复杂,在计算中作如下简化假定:

    1.1各效均无额外蒸汽引出;

    1.2不计热损失;

    1.3各效由沸点升高造成的温度差损失仅与溶液浓度有关,静压强及蒸汽流动的温度差损失设为常数。

    采用传统的等面积设计法,即令各效的传热面积相等。

     

    2 热泵(MVR/TVR)蒸发系统

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    在单效蒸发中,可将二次蒸汽绝热压缩,然后将其送入蒸发器的加热室。二次蒸汽经压缩后温度升高,与器内沸腾液体形成足够的传热温差,故可重新作加热蒸汽用。这样,只须补充一定量的压缩功,便可利用二次蒸汽的大量潜热。

     

    热泵(MVR/TVR)蒸发两种方式:机械压缩式和蒸汽动力压缩式。

    2.1机械压缩式(MVR)

    机械压缩式蒸发流程如图2所示。从蒸发器出来的二次蒸汽进入压缩机,在压缩机中绝热压缩,温度、压力升高,然后又送入蒸发器作加热蒸汽用,在加热室中冷凝后排出。这种蒸发器只在启动阶段需要生蒸汽,故在缺水地区、船舶上尤为适合。由于机械压缩式蒸发其是用补充一定的压缩功(耗电)代替了消耗大量的加热蒸汽(耗煤),因而电煤比价是决定机械压缩式蒸发系统是否有利的关键因素。我国目前电煤比价偏高,所以机械压缩式蒸发只适用于那些沸点升高不大的溶液的浓缩。

     再者,蒸发器的传热温差直接影响着蒸发器的传热面积和压缩机的耗功量。传热温差越大,蒸发器的传热面积越小,因而蒸发器的投资亦越小,但压缩机的耗功量与投资增加,所以存在着最佳传热温差。

    2.2蒸汽动力压缩式(TVR)

    在蒸汽动力压缩方式中,使用蒸汽喷射泵,以少量高压蒸汽为动力,将部分二次蒸汽压缩并混合后一起进入加热室作加热蒸汽用,如图3所示。

                 

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    蒸汽动力压缩式蒸发系统只能利用一部分二次蒸汽,其余的二次蒸汽送往冷凝器冷凝,因此在能量利用性上不及机械压缩式蒸发系统。但其本身结构简单,费用低廉,消耗蒸汽而不耗电,可以在投资较少的前提下取得较大的节能效果和经济效益,因而很受一些企业的欢迎。

    同机械压缩式蒸发系统一样,蒸汽动力压缩式蒸发系统也存在最佳传热温差。此外,喷射泵工作蒸汽的压力对系统的节能效果和经济效益也影响甚大。喷射泵工作蒸汽的经济压力范围为0.8-1.3MPa。

    3、多效蒸发与热泵(MVR/TVR)蒸发的节能效果比较

    定义蒸汽的经济性为单位生蒸汽所蒸发出的水量,即

    WEF=W/D kg/kg

    对于机械压缩式热泵蒸发,则为

    WEF=Wr0/Q1

    式中 W——蒸发的水量,kg/s;

         D——消耗的生蒸汽量,kg/s;

            r0——蒸发压力下水的汽化潜热,kJ/kg;

            Q1——热泵蒸发所消耗的热量,包括压缩机耗功和料液预热所消耗的蒸汽热量,kW。

    多效蒸发与热泵(MVR/TVR)蒸发相对于单效阵法的节能率如图4所示。图中点a-h表示1-8效,阴影线部分I表示蒸汽动力压缩式热泵蒸发,阴影线部分II表示机械压缩式热泵蒸发。从图中可见,对于多效蒸发,节能率随着效数的增多而增大,但增大的幅度却越来越小,从五效以后,曲线已快接近水平,此时再增加效数,节能效果就不太明显了。蒸汽动力压缩式热泵蒸发系统的节能率视喷射泵工作蒸汽压力不同、传热温差不同而不同,其正常范围均介于二效和三效之间。机械压缩式热泵蒸发系统的节能率视传热温差不同而不同,但均极高,超过十几效的多效蒸发。

    但是,多效蒸发和蒸汽动力压缩式热泵蒸发消耗的是蒸汽(燃料),而机械压缩式热泵蒸发消耗的是电能,当比较使用不同能源为动力的系统时,采用一次能源利用系数更为合理。定义一次能源利用系数为

    PER=(Wr0/Q)n0

    式中 Q——蒸发过程实际消耗的能量,kW;

    n0——一次能源转换为所用能源的效率。

    取单效蒸发时的PER为1,一次能源转换为电能的效果为0.33,则多效蒸发与热泵蒸发的一次能源利用系数如图5所示。由图可见,多效蒸发时的一次能源利用系数与蒸汽经济性的关系为一过0点的直线,直线斜率为1.1。随着效数的提高,一次能源利用系数提高,但提高的幅度越来越小。蒸汽动力压缩式热泵蒸发的一次能源利用系数范围仍介于二效与三效之间,且恰好落在多效蒸发的直线上。机械压缩式热泵蒸发的一次能源利用系数随传热温差的不同变化很大,但经优化设计的机械压缩式热泵蒸发,其一次能源利用率仍高于八效蒸发。

     

             

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    4多效蒸发与热泵蒸发的经济效益比较

         

    从图6可见,对于多效蒸发,随着效数的增加,年度总成本下降,但5效以后,下降就很缓慢。蒸汽动力压缩式热泵蒸发的年度总成本范围仍介于二效与三效之间。而机械压缩式热泵蒸发系统视传热温差的不同,年度总成本范围在一效与五效之间。经优化设计的机械压缩式热泵蒸发系统,其年度总成本介于三效到四效之间。

    5结论

    5.1对于多效蒸发,随着效数的增加,节能率逐渐增大,在八效之内成本也逐渐下降。但五效以后,节能效果与经济效益就不再明显。因此,工业用多效蒸发,一般不必多于五效。

    5.2蒸汽动力压缩式热泵蒸发(TVR),无论从节能效果还是从经济效益,均介于二效与三效之间。

    5.3机械压缩式热泵蒸发(MVR)的节能效果非常显著,一次能源利用系数高于八效,但经济效益只介于三效与四效之间。

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