机械蒸汽再压缩热泵技术研究进展

庞卫科，林文野，戴群特，杨鲁伟，张振涛

(1.中国科学院理化技术研究所，北京 100190;2.中国科学院研究生院，北京 100190)

近年来，由于人类对能源的需求越来越大，能源供应成为瓶颈问题。面对如此情况，节能成为目前摆脱能源短缺束缚的重要途径之一。机械蒸汽再压缩(Mechanical Vapor Recompression)热泵技术是一项高效环保的节能技术，广泛应用于溶液的蒸发工艺过程中，如化工、轻工、食品、制药、海水淡化、污水处理等工业生产领域。国外早在1834年就已有人提出MVR热泵的构想［1］，而最终应用该项技术的产品是由瑞士的一家企业Sulzer－EscherWyss Ltd于1917年制造。1925年，奥地利设计安装了一套设备，由此出现了实际运行中使用的MVR装置［2］。上世纪70年代石油问题造成了能源危机，在节能降耗的大势所趋下，MVR热泵得到了迅速发展。

我国的相关研究起步较晚，发展也慢。上世纪70年代末，有研究人员进行了初步试验，其良好的节能效果在国内得到展示［1］。四川省自贡市张家坝化工厂于1989年引进了此种装置，运行四年后由于各种原因而淘汰［2］。此后国内虽也一直在进行这方面的研究，但取得的实质性成果很少。

该技术主要为国外的美国GE、德国GEA和Messo等公司垄断。国内目前没有完全独立开发的系统，小型系统依靠进口压缩机组装来实现，大型系统或全部进口或依靠国外设计并进口关键部件。我国很多公司看好该技术的前景，但技术开发的实力有限，急需技术积累。

1 MVR热泵特性与分析

MVR热泵蒸发系统的开式循环机理是基于回收利用物料蒸发所产生的二次蒸汽(也是此工作周期结束后即将冷凝成水的蒸汽)的潜热而进行。其基本流程如图1所示。蒸发器蒸发产生的二次蒸汽1先进入压缩机压缩以实现其热力品质的提升，压力和温度提高后，再重新进入蒸发器作为加热蒸汽2利用;释放出冷凝潜热的蒸汽成为冷凝水3，料液中吸收了其潜热而产生的新蒸汽1则继续下一个循环过程。由于在蒸发器中二次蒸汽所需的潜热来自外排蒸汽本身冷凝所放出的潜热，因此蒸发所耗的能量仅仅是压缩机所耗的能量。实际表明，压缩机所耗能量比锅炉产生蒸汽所耗能量少，具有明显的节能性。

图1 MVR热泵流程图

根据MVR热泵系统的工作原理可知，其效率取决于回收利用的潜热值与输入的机械功之间的比较。表1以常压下基本循环的状态变化为例，通过计算表明其在能源利用效率方面的优势。

表1 MVR热泵效率计算分析

从表1中可以看出，系统消耗90.5 kJ/kg的压缩功，就可以回收利用2 257.6 kJ/kg的潜热，热功比达到了24.9。工质的热焓仅增加0.8%，但其温度提高了13%，相当于输入少量的高品位机械能，却把大量的低品位热能转化成为可资利用的高品位热能，从而提高了能源利用效率。

MVR热泵的研究主要涉及系统流程工艺设计、蒸汽压缩机和蒸发换热器等三方面的发展近况和最新进展。

2 机械蒸汽再压缩热泵的系统流程工艺进展

MVR热泵装置结合不同的处理工艺过程，需要提供适宜的传热温差。蒸发过程中传热温差和压差大小一般与处理料液的热敏性有关，高热敏性料液适宜于小温差条件下多梯度分阶段进行。因此，MVR热泵系统的工艺流程也设计成单效蒸发和多效蒸发。

单效蒸发系统的流程简单，操作较方便，适合于水分蒸发量大，热敏物性较弱，允许大温差传热，只需蒸发一次就可达到浓缩要求的溶液。目前，国内已有学者在对麻黄素废液的处理过程中设计采用了机械蒸汽再压缩系统的单效蒸发方案［3］。另外，制盐工艺也适合采用单效蒸发的方式，中盐金坛引进的生产能力120万吨/年MVR装置应用在井矿盐的制取上［2］。含盐卤水同样具有需去除的水量大，且热敏物性弱的特点，因此选择单效一次蒸发的经济性更合理。虽然系统由于大温差传热可能导致热平衡稳定性差、需不断补充新蒸汽的问题，不过，单效蒸发情况下采用增大换热器面积以适当减小传热温差的方式，可在一定程度上解决上述问题，同时系统效率有所提升［4］。图2为制盐工艺上采用的MVR单效蒸发系统。

图2 制盐工艺用MVR单效蒸发系统

MVR系统多效蒸发方式适合于处理热敏性较敏感，不宜进行大温差传热的溶液蒸发，同时其也可用于蒸发量较大的工艺场合。王海澍等［5］首先从理论上分析了多效蒸发方式的耗能经济性，给出了效数合理确定的理论依据。金世琳［6］研究了在牛奶乳品工业中采用MVR多效蒸发的实验方案，分别列举了三效、五效和七效蒸发系统的性能参数。其中提到，此类型的多效蒸发系统在压缩机提供大约16℃的温差前提下即可进行，但未提到效间温差的设计大小。据统计，目前世界上的乳品工业界共约100台MVR多效蒸发系统在运行［6］。恽世昌［7］在分析降低乳粉制取过程中蒸汽消耗量的措施时，从传统的蒸汽多效蒸发的经济性考虑认为效间温差取5℃左右较合适，且效数最多为七效。这种思想也可以在MVR热泵多效系统中借鉴采用。图3为MVR热泵的多效蒸发流程工艺。

图3 MVR热泵多效蒸发系统

3 MVR热泵蒸汽压缩机的研究进展

1970年前后，离心式或轴向式压缩机在MVR热泵系统上的应用已出现在国外的媒体报道中［6］。芬兰于1981年开始试用风机型压缩器，经多年的实践和逐步完善，现在这种压缩器已在西欧各国普遍使用［7］。早于这个时期，高压型压缩器或压缩机应用较广，这类压缩器可提高蒸汽温度15℃左右，能将第三四效的二次蒸汽压缩后作为一效加热室的热源。缺点是运行压力高，结构复杂，节能的收益几乎全被高昂的机器价格和维修费用所抵消，后来逐渐退出市场［7］。

近几年来，国内行业也加快了国产蒸汽压缩机的开发进程，沈阳化工机械厂已生产出螺杆式蒸汽压缩机，其最初是用于科研试验［1］。受国外同行的影响，我国研究人员在蒸汽压缩机的选型上也较多关注于活塞、螺杆和离心式压缩机［5］。不过，同时期也有学者提出了使用罗茨风机作为提升水蒸气压力的思想［8］。随着蒸汽压缩机国产化研究的深入，防腐防锈、密封、耐高温和长期运行时的安全可靠性成为其主要的技术难题［9－12］。

蒸汽压缩机的工作介质是水蒸气，由于这一特点其面临的一个重要问题就是与水直接接触的零部件的防腐防锈保护。综合有关此方面的研究成果看，关键部件采用抗腐蚀和抗生锈的特殊材料进行加工制造，或对普通材料的表面进行特殊化处理是一项简易可行的措施。另一方面，蒸汽容易侵入压缩机内润滑油或润滑脂工作的地方，这将对其安全运行非常不利。因此，隔离油脂和水的高效密封方式成为压缩机压缩水蒸气时需要突破的关键技术难点之一。同时，普通制冷或空气压缩机的实际压缩介质是制冷剂或空气与油雾的混合物，如果直接用来压缩水蒸气必会造成蒸汽含油，由此也将给后续生产工艺带来麻烦。近年来业内新开发的无油润滑和水润滑技术或许将为解决该问题指出一个方向［13］。

4 MVR热泵蒸发换热器的研究进展

如前所述MVR系统节能显著，但也需要高效的换热装置与之相匹配。其小温差特点决定了换热器的选择上应考虑传热效率高的蒸发装置，其中降膜蒸发器是比较合适的一种，其具有物料停留时间短，可低温操作等优点，非常适合于热敏性物料的浓缩。经多年的实践应用证明，机械蒸汽再压缩降膜蒸发技术日臻成熟。

图4 伞板式降膜蒸发器

图5 用于大型降膜蒸发器的液体分布器

换热管内的成膜均匀程度和成膜厚度是降膜蒸发器安全高效工作的重要保证，溶液分布器的布液效果优劣，换热管管壁出现液膜不均时产生的后果不仅仅是蒸发效率大大降低，同时可能造成换热管局部温度过高，出现“干烧”现象，长期持续下去将明显减少其使用寿命。管内液膜不均导致的蒸发不均问题还会在蒸发过度的管壁处析出部分溶质，集聚其表面后形成结垢。此外，高温下蒸发溶液内所含物质会呈现较强的腐蚀特性，在工艺设计过程中需要引起注意，可通过采取使用防腐性换热器材料等措施来解决。基于已有的降膜蒸发器结构型式，有研究者将相关的传热强化措施融入其中，进一步提高了换热效果，如闪蒸——降膜蒸发系统［14］。另有研究人员设计了全新的降膜蒸发器结构，以解决常规换热器型式所面临的问题，如伞板型换热面、酒窝状竖板换热面等［15－16］，图4为伞板式降膜蒸发器的结构图。伞板降膜蒸发器的传热性能优于竖管降膜蒸发器，可解决小流量下蒸发管下端出现“干烧”的问题。为进一步提高降膜蒸发器的性能，布液器的结构和布孔方式也出现了一些新改进［17－18］，图5为三层式布液器的布孔位置示意图。

5 结论

综合目前MVR系统和蒸汽压缩机以及降膜蒸发器的应用现状和研究进展而看，这项高效节能技术在国内广泛推广，需注意和解决以下问题:

(1)MVR热泵技术是一项高效环保的节能技术，我国在此领域的研究尚处于追赶国外的水平，我们应关注国外已经应用于实际中的成熟产品和技术成果，多吸收借鉴，立足国内行业现状，加快发展自主技术。结合工艺过程科学合理地设计系统流程，单效蒸发和多效蒸发的选择上应因地制宜，全面考虑，充分利用各自的优势。

(2)蒸汽压缩机的防腐防锈、密封和长寿命问题成为影响这项技术国产化的关键所在，亟待国内研究人员解决。无油式压缩在空气压缩机领域的应用有望为蒸汽压缩机的开发与改进提供可行的方案，其中无油水润滑方式与水蒸气介质的压缩过程具有较高的兼容性值得研究人员进一步探讨。

(3)降膜蒸发技术已比较成熟，将其运用到MVR热泵系统上时需注意系统的匹配优化问题。影响换热管内溶液均匀成膜的溶液分布器将成为提高降膜蒸发器性能和可靠性的研究热点之一。另外，适宜于降膜蒸发的换热面新结构型式开发也逐渐成为人们感兴趣的研究方向。

［1］杨向阳，赵翔涌.机械蒸汽再压缩热泵系统在工业中的应用实验研究［J］.动力工程，1999，19(增刊):255－258.

［2］黄成.机械压缩式热泵制盐工艺简述［J］.盐业与化工，2010，39(4):42－44.

［3］周桂英，曲景奎，等.机械压缩蒸发在麻黄素废液处理中的应用与分析［J］.过滤与分离，2002，12(3):14－16.

［4］戴群特，杨鲁伟，等.蒸汽再压缩热泵系统节能分析及用于固体干燥的研究［J］.节能技术，2011，29(4):353－356.

［5］王海澍，郝大雪.热泵蒸发节能减排［J］.盐业与化工，2009，38(6):31－34.

［6］金世琳.带有机械再压缩(MVR)的蒸发器［J］.食品与机械，1990(2):25－28.

［7］恽世昌.机械蒸汽再压缩(MVR)［J］.中国乳品工业，1998，21(2):78－81.

［8］朱平.机械压缩式热泵蒸发的优化计算［J］.徐州师范大学学报，2009，27(1):84－86.

［9］刘晓莉，顾兆林，等.蒸汽压缩加热造纸黒液浓缩新工艺［J］.节能技术，2003，21(5):27－28.

［10］蒋国.丁二烯螺杆压缩机国产化的研究［J］.压缩机技术，2010(1):21－23.

［11］雷霞洪.浅谈国产化罗茨风机机械密封的应用［J］.石油化工设备技术，2009，30(4):52－54.

［12］Keith Alexander，Brian Donohue，Failure analysis of an MVR(mechanical vapor recompressor)Impeller，Engineering Failure Analysis，17(2010):1345－1358.

［13］陈伟成，邓谦.全无油喷水单螺杆压缩机的研发与应用［J］.流体机械，2010，38(10):51－52.

［14］朱路甲，郝云龙，等.闪蒸－三效降膜蒸发器在木糖生产中的应用研究［J］.中国食品添加剂，2010，56－59.

［15］张立强，杨春光，等.伞板式降膜蒸发器传热性能研究［J］.化学工程，2006，34(6):17－20.

［16］宋继田，刘文武，等.酒窝状竖板降膜蒸发器强化传热性能研究［J］.化工机械，2010，37(3):270－272.

［17］杜启忠.影响降膜蒸发器成膜原因分析及应对措施［J］.铝镁通讯，2009(4):9－10.

［18］朱玉峰，王薇，等.大型降膜蒸发器液体分布器的设计［J］.食品与机械，2007，23(1):104－106.