Теплонасос

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 разность температур и давлений между полученным паром и жиДКО - 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.

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].

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 кoндeнcaтqpoм 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 колонн показаны на рис. 7.21.

При экономических оценках установлено [22], что теплонасос - ные 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).

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

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.

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 НЄ требуется никаких изменений существующей технологии дистил-

ЛяЦий, ЯуЖнй лиіпь Повысить Давление в колонке, ч1~обы 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.