Тепловые насосы

ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ И КИПЯЧЕНИЯ

Как упоминалось в предыдущих разделах, рабочим телом при рекомпрессии служит вода. Кроме того, в выпарных аппаратах рекомпрессия пара представляет собой тепловой насос открытого цикла, когда и конденсат (вода), и упаренный концентрат непре­рывно удаляются из установ-

Ки и замещаются подаваемым сырьем. Как показано на рис. 7.2, испаритель и конденсатор фактически представляют одно целое и выделение скрытой теплоты конденсации обеспе­чивает испарение жидкости.

Энергетические преимуще­ства рекомпрессии при выпа­ривании такие же, как и при сушке. Поскольку скрытая теп­лота испарения возвращается при конденсации пара затраты энергии требуются только на привод компрессора. Если раз­ность температур испарения и

Конденсации поддерживается в пределах 7 °С, затраты энер­гии с учетом КПД компрессора составляют около 70 кДж/кг. В обычном одноступенчатом выпарном аппарате затрачивается около 2790 кДж/кг, а в шестиступенчатой установке с высокой эф­фективностью требуется 465 кДж/кг.

Опишем кратко процесс многоступенчатого выпаривания. Он изобретен Рийу в 1843 г. для производства сахара и состоит в по­вторном использовании скрытого тепла для испарения без реком­прессии. В одноступенчатом аппарате полученный пар выбрасыва­ется в атмосферу, но при введении второй ступени испарения пар первой ступени можно использовать в замкнутом контуре для ис­парения второй ступени. Если второй сосуд поддерживается при атмосферном давлении, то давление в контуре первой ступени должно быть повышенным.

Предположим, что второй сосуд, как показано на рис. 7.17, сообщается с атмосферой. Когда пар поступает для нагрева первого сосуда, в нем начинается кипение, но во втором сосуде кипения еще нет. По мере возрастания давления внутри первого сосуда раз­ность температур между греющим и полученным паром снижается, что уменьшает теплообмен. В то же самое время повышается разнбсть температур и давлений между полученным паром и жиДКб - стью во втором сосуде, что вначале вызывает конденсацию пара из первого сосуда. Скрытая теплота его конденсации дает доста­точно энергии для испарения во втором сосуде, обеспечивая эф­фективное выпаривание. Количество таких ступеней может дости­гать шести. В молочной промышленности при реконструкции уста­новок число ступеней постепенно увеличивалось от двух до пяти [19]. После этого логично применить рекомпрессию пара, особен­но на крупных установках. Эффект экономии энергии при упари­вании 450 000 л/ч снятого молока до содержания твердой фазы 48% приведен в табл. 7.7, откуда 'видно, что полное потребление энергии снижено почти на 80% и даже с учетом потерь при полу­чении электроэнергии рекомпрессия пара дает экономию более 40% топлива.

Таблица 7.7. Энергия, затрачиваемая иа испарение

Энергия, МДж/л

Процесс

Электроэнер - гия, кВтч/л

Расход пара, кг/л

По теплу

По расходу топлива

Четырехступенчатая

Парка Рекомпрессия пара

Вы-

0,0027 0,0230

0,16 0,01

0,49 0,11

0,58 0,39

Механическая рекомпрессия пара применяется для трех основ­ных процессов: 1) получение более концентрированного продукта; 2) уменьшение объема жидких стоков; 3) восстановление воды для повторного использования.

Наиболее успешно рекомпрессия применяется для концентрации очень разбавленного сырья, поскольку требуется возможно мень­шая разность температур конденсации пара и кипения втекающей жидкости. По мере повышения концентрации повышается и темпе­ратура кипения раствора. Она может стать чрезмерной для паро - компрессионных систем. Другое ограничение — невозможность ра­боты на жидкостях с высокой вязкостью. В многоступенчатых вы­парных аппаратах можно использовать рекомпрессию пара только на первой ступени, где раствор еще сравнительно разбавленный.

Высоковязкие жидкости обычно обрабатываются в специаль­ных испарителях с тонкой пленкой. Они работают при большой разности температур, около 80 °С, при высокой плотности теплово­го потока и максимальном использовании поверхностей нагрева [20]. Повышение температуры до такого уровня и использование сжатого пара в том же аппарате требуют степени сжатия около 10, однако максимально достижимая степень сжатия в одной ступени компрессора не превышает 1,8.

Реализованные системы с рекомпрессией пара включают кон­центрацию пульпы и отходов бумажной промышленности, произ­водство спирта и многочисленные установки химической промыш­ленности. Типичная установка с рекомпрессией пара (или термо­компрессором) на первой ступени показана на рис. 7.18. Термин «термокомпрессор» введен потому, что рекомпрессия - пара может быть не только механической. Зачастую применяется пароэжектор - ная рекомпрессия для повышения потенциала мятого пара. Пар низкого давления может быть сжат до несколько более высокого давления с помощью острого пара в соответствующем эжекторе. Результирующий поток пара повышенного давления удается полез­но использовать. Такая система работает только в случае, если требуемое повышение давления невелико. Недостаток такой систе­мы состоит в том, что требуемое давление острого пара сравни­тельно велико (около 1 МПа) [21].

ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ И КИПЯЧЕНИЯ

Рис. 7.18. Схема трех­ступенчатой сушилки со стекающей пленкой и рекомпрессией пара.

1—3 — ступени выпарки; 4 — термокомпрессор; 5 — водя­ной пар; 6 — вакуум; 7 — подогреватель и конденса­тор; 8 — сырье; 9 — к ба­рометру; 10 — концентриро­ванный продукт.

Другая большая область применения тепловых насосов — ди­стилляция. Как правило, в дистилляционных колоннах получается не водяной пар, поэтому здесь требуются компрессоры, способные работать на продуктах дистилляции или в замкнутом цикле на обычных хладоагентах.

Обычная дистилляционная колонна (рис. 7.19) снабжена ри - бойлером и конденсатором [22]. Рибойлер подогревается водяным паром, а конденсатор охлаждается специальной системой, поддер­живающей необходимую температуру конденсации. Прямым путем применение теплового насоса для сокращения энергии дистилля­ции является использование теплоты конденсации для замещения парового подогрева рибойлера (рис. 7.20). Следовательно, рибой­лер становится KOHfleHcaTqpoM теплового насоса. Для снижения мощности компрессора требуется поддерживать возможно мень­шую разницу температур между рибойлером и конденсатором, но при этом возрастают поверхность и стоимость теплообменников, так что ищется компромиссное решение.

Другим путем применения теплового насоса является исполь­зование продуктов колонны в качестве хладоагента, если их свой­ства этому не препятствуют. Это исключает перепад температур в

Конденсаторе или рибойлера, т. е. повышает КОП. Схемы таких колони показаны на рис. 7.21.

При экономических оценках установлено [22], что теплонасос­ные схемы неконкурентоспособны по сравнению с обычной схемой,

Рис. 7.19. Схема обычной ди - стилляциопиой колонны. / — сырье; 2 —колонна; 3 — пар; 4 — конденсатор; 5 — охлаждаю­щая среда; 6 — жидкость; 7 — верхний продукт; 8 — рнбойлер; 9 — водяной пар; 10 — конденсат; 11 — нижний продукт.

Рис. 7.20. Дистилляциоппая ко­лонна с тепловым насосом замкнутого цикла (па специ­альном рабочем теле).

ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ И КИПЯЧЕНИЯ

ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ И КИПЯЧЕНИЯ

/ — сырье; 2 —колонна; 3—пар; 4 — испаритель; 5 — дроссель; 6 — жидкость; 7 — верхний продукт; 8— рибойлер-кондеисатор; 9 — компрес­сор; >0 — ннжинії продукт.

ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ И КИПЯЧЕНИЯ

Получающей тепло от теплоэлектроцентрали, если температура конденсации находится в пределах 35—110 °С. Основной областью применения являются дистилляционные колонны с холодильными циклами, а также многие другие новые процессы.

ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ И КИПЯЧЕНИЯ

Рис. 7.21. Схемы теплового насоса па верхнем продукте (а), нижнем продукте (б) и открытого цикла с паротурбинным приводом (в).

4 — бак; Л—турбина; 12 — регулировочный холодильник. Остальные обозначения см. в подписи к рис. 7.20.

Схема колонны, продукт которой используется в качестве хла­доагента [23] с обычным газовым компрессором, выполняющим функции теплового насоса, приведена на рис. 7.21. Первоначальные оценки показали, что тепловой насос повышает стоимость колон­ны примерно на 10%, но дает экономию 25% энергии. При этом це требуется никаких изменений существующей технологии ДИСТИЛЛяЦий, ЯуЖнй лиШь Повысить Давление в колонне, чтобы уменьшить размеры компрессора. Необходима тщательная проработка кон­струкции теплообменника, так как тепловой насос повышает темпе­ратуру не более чем на 20 °С и требуется очень малая разность температур при теплообмене.

Технические проблемы удалось преодолеть сравнительно легко, и срок окупаемости капиталовложений был коротким. Экономия энергии позволяет получить в промышленных процессах срок оку­паемости не более 2 лет.

Более подробные оценки преимуществ тепловых насосов по схеме рис. 23, б в дистилляционных установках [24] приведены в табл. 7.8. Сначала дистилляционная система представляла собой обычную колонну с водяным охлаждением конденсатора и прямым подогревом рибойлера, а затем ее модифицировали с включением теплового насоса, что снизило размеры колонны и исключило кон­денсатор. Сильно снизились и капитальные, и эксплуатационные затраты. Здесь же приведено сравнение с системой подогрева ко­лонны с помощью сбросного тепла, получаемого от другой установ­ки. Рассматриваются также системы с использованием нагретой технической воды, применение которой исключает потребность в градирнях и других теплообменниках. Вполне возможно, что даль­нейшая проработка выявит оптимум в совместном использовании как сбросного тепла, так и теплового насоса с компрессором уменьшенной мощности.

Таблица 7.8. Сравнение характеристик тепловых насосов н других систем в днстилляцноиных колоннах

Характеристика

Паровой нагрев, водяное охлаждение

Теплонасос - ная Система

Нагрев сбросным теплом, водяное охлаждение

Температура колонны, °С

37

4,5

37

Оптимальное рефлюкспое отношение

6,9

5,6

7,2

Процент превышения рефлюкса

5

7

13

Диаметр колонны, м

4,7

4,4

4,8

Высота колонны, м

66

46

56

Толщина стенки, мм

36

14

35

Тепловая мощность конденсатора, МВт

37

39

Поверхность конденсатора, м2

5260

5680

Тепловая мощность рибойлера, МВт

37

36,7

40

Поверхность рибойлера, м2

310

10 600

2760

Мощность компрессора, кВт

4200

4,3

Полные капиталовложения, млн. долл.

4,2

4,9

Охлаждающая среда

Вода

Вода

Стоимость воды, цент/л

0,27

■—

0,27

Полная стоимость системы охлаждения,

1,9

2

МЛІІ. долл.

Греющий агент

Пар низко­

Горячая

Го давления

Вода

Стоимость нагревающей установки, млн.

1,6

0,7

Долл.

Тепловые насосы

Геотремальное отопление загородного дома

Тепловой насос получает тепло от земли и подает его в дом. Таким образом, это один из самых дешевых способов отопления загородного дома.

Как работает кондиционер и какие режимы поддерживает

Несмотря на многообразие модельного ряда, и богатые функциональные возможности, главной задачей кондиционеров является все же охлаждение воздушных масс в помещении

Преимущества тепловых насосов

Mожно не проводить газ в дом, а отапливать, охлаждать его, получать горячую воду именно при помощи тепловых насосов

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.