高真空热泵双效浓缩机组的研制及其节能分析

杨许作

（德众制药机械有限公司，广东佛山 528000）

高真空热泵双效浓缩机组的研制及其节能分析

杨许作

（德众制药机械有限公司，广东佛山 528000）

介绍一种利用高真空“喷雾传质式冷凝器”与热泵双效配套的浓缩机组。

节能；单相流体对流换热；相变对流换热

在低碳经济时代，国家要求企业必须不断地降低CO2排放，不久必将面临超定额排放征重税的威胁。这对于耗能大的中药、食品提取生产的企业将越来越成为一种生死存亡的挑战。而这些企业最大的耗能环节是浓缩工序，70%的蒸汽被它吃掉。浓缩设备的选择及改造迫在眉睫地摆在企业的面前。

选什么浓缩设备最节能？经长期在德众药业生产实践中创新、改进，我们研究生产了高真空热泵双效机组。该机组最显著的特征是节能、高真空，另外，还具有消泡、不易结垢、效率高和自动控制等特点，特别适应中药皂苷高、含糖高、热敏性强等特点的工艺生产。2010年5月经佛山市节能检测中心测试，3000 L高真空热泵双效机组，吨蒸发药水耗汽量为0.375 t，冷凝系统总装机功率为12.5 kW，真空度达到-0.08 mPa以上。该机组比原3000 L单效浓缩设备节约了蒸汽62.6%，冷凝系统电耗降低了73.8%，是目前国内能耗最低的浓缩设备之一。下面就分析该机组节能、高真空等特点的结构及原理。

高真空热泵双效浓缩机

1 节能、高真空技术

1.1 背景

德众药业2002年GMP改造时使用的是3000L单效浓缩，虽然了解双效比单效节能，但正如众多中药生产企业为了药品质量，不少品种必须低温生产，而双效浓缩的第Ⅰ效温度往往在80℃以上，甚至90℃，故此被迫选用单效。德众药业为了浓缩全过程达到-0.08 mPa以上，每台3000 L单效浓缩罐配用37 kW喷射泵，三台3000 L单效共用一套北京金诺公司节能型中空凉水塔，配用一台45 kW水泵，即平均每台3000 L单效冷凝电耗为52 kW。

1.2 喷雾传质式冷凝器

德众药业在高耗能又无法选用较节能的浓缩设备的无奈背景下，由设备部门自主研发了喷雾传质式冷凝器，该项目已获得国家发明专利。

为什么高真空热泵双效如此节能？众所周知，蒸汽被冷却凝结成液体的换热过程称凝结换热，液体被加热沸腾的换热过程称沸腾换热，两种换热都属有相变的对流换热；列管冷凝器的冷却水吸热升温的换热过程属于单相流体的对流换热。一般情况下，相变换热的表面传热系数要比单相流的传热系数要高出几倍甚至几十倍[1]。

浓缩时二次蒸汽凝结时会迅速放出巨大的汽化潜热，汽化潜热的热能是显热热能的数倍，例如：将双效浓缩Ⅱ效60℃的二次蒸汽冷凝成60℃的水所放出的热量与凉水塔进出水温分别为35℃和45℃所吸收得热量进行比较。60℃饱和蒸汽的汽化潜热为2357.6 kJ/kg，1 kg 60℃饱和蒸汽变为60℃的水其放出的热量为2357.6 kJ，而1 kg 35℃的冷却水吸热后提高了显热温度升到45℃所吸收得热焓查表得：188.42-146.59=41.83kJ，于是，可以得出1 kg蒸汽放出的汽化潜热需要：2357.6 kJ/41.83 kJ=56.36倍的冷却水来吸收。于是，理论可计算出：蒸发量为1000 L单效、普通双效及普通热泵双效分别需要35℃升至45℃的冷却水量约为：56 T、28 T、20 T。

那么，高真空热泵双效配套使用的喷雾传质式冷凝器需要多少冷却水呢？如图所示，喷雾传质式冷凝器把少量水采用喷雾的方式喷在翅片管上吸收翅片管内二次蒸汽所放出的热，由于水量少升温快，在排风机的吹动下很快就低温蒸发了。它属于前面所说的相变对流换热，水珠在蒸发时必须获得巨大的汽化潜热才能实现蒸发，这些巨大的能量是从翅片管内二次蒸汽冷凝时释放出来的汽化潜热中获得。翅片管内外冷凝与蒸发基本在同一个温度上，具有相等的汽化潜热值。每小时1000 L热泵双效Ⅱ效需要冷凝的二次蒸汽只有357 kg，理论上，喷在翅片管上蒸发的水只需357 kg，但考虑喷淋的有效率因素应给以一定的富余量才能达到0.04~0.05 kg/m2.s的喷淋密度[2]，并且考虑雾化所需要一定的压力，在实际安装时1000 L~3000 L高真空热泵双效使用的喷雾水泵不超过1.5 kW就获得了足够的水量。由于不需对大量的冷却水做功，故喷雾传质式冷凝系统能耗非常低。

下表对不同浓缩设备冷却水的需要量进行对比。

通过对比可以看出高真空热泵双效机组冷却水量比其他浓缩设备少得多。

如图所示，为什么高真空热泵双效机组没有列管冷凝器、没有大功率循环水泵、没有凉水塔？吸热后升温的冷却水如何降温？还是汽化潜热的奥秘。从雾化喷头喷出来的小水珠在未到达翅片管之前表面已开始了低温蒸发，表面的水份要从小水珠里吸收足够的汽化潜热才能摆脱出去产生蒸发，于是，小水珠剩下部分失去了大量的能量，温度迅速被降低了。另外，还有一个关键的因素是把水雾化得越小效果越好。因为，水珠的表面积S=πD²，体积V=πD³/6，当直径D缩小n倍时，虽每个水珠表面积减为1/n²，而总个数增为n³倍，整体的表面积变为原来的n倍。由于雾化增加了表面积强化了表面低温蒸发，在实际测量中，小水珠在未到达翅片管前瞬间温度降低，比水盘里的水温低二十多度。喷雾传质式冷凝器没有凉水塔却比普通凉水塔效率高出很多。它兼备冷凝器和凉水塔双重功能，非常节能。

1.3 热泵双效

该机组节能的另一结构是使用了热泵双效，热泵的节能效果已逐渐被大家认识。通过拉伐尔喷嘴的抽吸作用重复地使用了部分Ⅰ效的二次蒸汽进入Ⅰ效的加热器，从而达到了节能作用。另外，锅炉蒸汽在拉伐尔喷嘴里绝热膨胀时聚然降低了温度，使可利用的汽化潜热量增大，例：165℃饱和蒸汽汽化潜热为2065 kJ/kg，而降温到90℃后其可利用的汽化潜热却有2283 kJ/kg，可利用的汽化潜热提高了10.6%。热泵的原理和作用很多资料介绍过，这里不详细解释了。要提出注意的是热泵双效容易出现热平衡问题，失控时罐内真空度下降甚至正压，药水温度迅速上升，只能作为普通双效使用。国内药机厂生产的热泵双效普遍存在这个问题。我们经长期在德众药业的实践已成功地解决了热平衡控制问题。

不同浓缩设备冷却水需要量对比表

2 消泡技术

中药材普遍存在含糖高、含皂苷高，浓缩时易产生泡沫，常出现暴沸、跑料现象，增加操作难度并降低生产效率。本人在1999年《制药机械》第三期曾发表《高效浓缩设备-真空喷雾浓缩器》一文，曾介绍了我们成功解决浓缩中消泡问题。到目前为止我们还没有哪一种药材的多泡问题解决不了。

3 防垢技术

国内药机厂生产的外循环真空浓缩的加热器出液口高度一般在蒸发室的下半部分，为了不增加设备的整体高体，普遍把加热器设计得短短粗粗。同样加热面积条件下管数增多了，自然流速慢了。往往流速只有零点几米。故此很多药厂使用几年的自然外循环真空浓缩罐生产速度下降得非常严重，其原因就是加热器设计问题。

中药及食品由于是高分子有机物，碳分子含量高。流速低了遇高温焦化极易出现在加热器列管内壁上，管壁结垢后传热系数立即降低，直接影响生产效率。有的品种极短时间就出现结垢，生产速度降到很慢，被迫采用碱液强洗后才能生产。药液在加热器列管内的流速不到1 m/s，加热温度在120℃以上。高真空热泵双效机组采用强制外循环三管程设计，大大增加了药液在列管中的流速，达到2 m/s以上。另外，高真空热泵双效加热器的混合蒸汽温度不超过90℃，因此，大大延长了强洗周期，并且药垢极薄易清洗。

4 高效技术

采用热泵拉伐尔喷射技术，具有较高的引流系数，使其混合后的加热温度很低，这对药物生产的质量来说当然是及其有利，但对于提高蒸发量是很不利的，因为，蒸发量大小由加热器的换热量决定的，换热量Q=K•A•Δt，从公式可看出当温差Δt小了，就必须设法增大加热面积A和提高换热系数K值。我们研制的高真空热泵双效Ⅰ效加热面积是普通双效的两倍以上。

如何提高K值？

公式中：h1－管内对流换热系数；

h2－管外冷凝换热系数；

d0、d1－管内外径；

λ－不锈钢导热系数。

我们对管径形状及材质不讨论。至于h2在实际中参数值通常很大，其倒数已经极小了，我们不需要特别采取措施来提高它，而需要防止降低其参数值。实践告诉我们，换热器中存在1%的不凝气体，列管表面传热系数将降低60%[3]。我们设计的喷雾传质式冷凝器配置了小功率的水环真空泵，它主要目的不是用来抽二次蒸汽，而是通过分离技术专门用于抽取泄露到机组中的不凝气体，这样就能保证h2值不降低。

要提高效率剩下的就是分析h1，而要提高h1的最简单的方法是采取强制循环和增加管程数来达到提高管程流速。高真空热泵双效机组Ⅰ效、Ⅱ效都采用强制循环泵。当然，采取了强制循环会增加能耗，然而，增加循环带来提高传热系数、提高效率，单位药材耗能还是降低了，并且不易结垢和有利于消泡多重作用。从德众药业长期使用的实践分析，结论是利多弊少。

5 自动控制技术

高真空热泵双效机组自动化程度已达到液位自动控制、蒸汽压力自动控制、进液温度自动控制、消泡自动控制。要实现以上自动控制，难度不大，造价不高，但对于浓缩的高温环境和众多的操作人员来说，小小的空调室集中控制，减少人员、减轻劳动强度、减少跑料，还是有很大意义。

[1] 杨世铭等.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2] 朱冬生等.换热器技术及进展[M].北京：中国石化出版社，2008.

[3] 邹华生等.流体力学与传热[M].广州：华南理工大学出版社，2006.

Study and Manufacture of Double Stage Concentration Machine Set Using Extreme Vacuum Heat Pump and Energy Saving Analysis

Yang Xuzuo
( De Zhong Pharmaceutical Machinery Co., Ltd Fushan, 528000 ）

One concentration machine set coupled with heat pump in double stages and by using extreme vacuum spray condenser was introduced in this article.

energy saving; convective heat transfer with single phase fluid; convective heat transfer with changing phase fluid

TQ460.5

A

1008-455X(2010)-06-0034-03

2010-10-08

杨许作（1946-），男，高级工程师，从事中药提取、浓缩、干燥设备的应用、研究、设计和制造工作。

Tel：13902806235 Email：dzyj3333@126.com