热泵式冷冻浓缩装置的研制及其性能实验

李银星 陈东 郭全举 谢继红 樊佳琪 金程

（天津科技大学机械工程学院）

应用研究

热泵式冷冻浓缩装置的研制及其性能实验

李银星*陈东 郭全举 谢继红 樊佳琪 金程

（天津科技大学机械工程学院）

冷冻浓缩具有能耗小、设备腐蚀弱、产品质量好等特点，特别适合食品、生物、医药、化工等行业中热敏性料液的浓缩处理。给出了一种热泵式冷冻浓缩装置，对其构成、工作过程、应用特点进行了系统介绍，并以质量分数为5‰和10‰的NaCl水溶液进行实验，研究了该装置工作时料液预冷、结冰速率、盐分去除率、融冰速率的变化规律，为该装置的工程应用提供了较好的参考。

热泵 冷冻 浓缩 热敏性 换热器 分离 结冰

0 背景

冷冻浓缩是使料液中水分结冰而实现料液浓缩的处理方法，在常压、0℃以下的低温条件下进行，可最大限度地保留料液中的有益成分[1-3]，在食品、生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景。

根据料液中水分结冰方式不同，冷冻浓缩可分为悬浮结晶冷冻浓缩和界面渐进冷冻浓缩。前者料液在换热器中预冷后泵入再结晶罐，发生奥斯特瓦尔德效应生成冰晶，再通过洗净塔洗净冰晶上的料液，此方法设备复杂，操作要求较高。后者是通过冷介质将固体壁面降温至冰点以下，料液中的水分在固体壁面结冰，再通过适当方法将冰层与固体壁面或料液分离，此方法设备简单，控制方便，具有较好的综合应用优势[4-6]。

基于此，研制了一种采用界面渐进原理、半连续工作、便于处理小批量料液的热泵式冷冻浓缩装置，对其工作原理及应用效果进行了系统介绍。

1 热泵式冷冻浓缩装置的工作原理

热泵式冷冻浓缩装置的基本构成和工作原理如图1所示。

图1 热泵式冷冻浓缩装置结构原理

由图1可见，热泵式冷冻浓缩装置由结冰融冰单元、料液循环单元和冰水循环单元构成。结冰融冰单元由压缩机、辅冷器、换向阀、换热器2、节流阀和换热器1组成；料液循环单元由料液罐、料液泵和浓液阀组成；冰水循环单元由冰水罐、冰水泵和冰水阀组成。装置工作时，结冰融冰单元可固定不动，而料液循环单元和冰水循环单元整体升降和旋转；也可料液循环单元和冰水循环单元固定不动，而结冰融冰单元升降和旋转。下面以后者为例介绍其工作过程。

热泵式冷冻分离装置是周期性半连续工作的，每个周期包含两个工作阶段：冷冻模式阶段和热泵模式阶段。冷冻模式时，如图1（a）所示，换热器1在料液罐中，换热器2在冰水罐中，压缩机工作，低温液态制冷剂在换热器1内蒸发吸热使换热器外壁冷却，料液罐中的料液温度降低，料液中的水分沿着换热器外壁结冰，料液增浓，压缩机排出的高温制冷剂加热换热器2外的冰层，冰层逐渐融化。当换热器1表面的冰层达到一定厚度时，冷冻模式阶段结束，压缩机停机，结冰融冰单元升起，使换热器1和换热器2提升出料液罐和冰水罐，结冰融冰单元旋转180°，再下降把换热器1放入冰水罐中，把换热器2放入料液罐中，换向阀转向，装置进入热泵模式阶段。在热泵模式阶段，如图1（b）所示，压缩机排出的高温工质经辅冷器和换向阀后进入换热器1，加热冷冻模式阶段换热器表面所结的冰，热泵工质出换热器1并经节流阀降压闪蒸后产生的低温工质进入换热器2内，在换热器2内吸热制冷使料液中的水分在换热器表面结冰，料液被浓缩；当换热器2表面的冰层达到一定厚度且换热器1表面在冷冻模式阶段所结的冰融化完毕时，压缩机停机，热泵模式结束，结冰融冰单元再提升、旋转180°、放下，装置再开始下一周期的冷冻模式阶段。装置按此一侧结冰、一侧融冰的模式循环工作，料液不断增浓，当浓度满足要求后，打开浓液阀将浓缩液排出，打开冰水阀将融冰水排出。

热泵式冷冻浓缩装置结构简单、操作方便、料液适应性好、运行参数调控方便，较适于小批量料液处理。

2 热泵式冷冻浓缩实验装置的研制

所研制的热泵式冷冻浓缩实验装置结冰融冰单元照片如图2所示。

图2 结冰融冰单元

热泵式冷冻浓缩实验装置中主要部件和实验所用仪表的规格参数如表1所示。

表1 主要部件和仪表的规格参数

3 热泵式冷冻浓缩装置的性能实验

料液采用质量分数为5‰的NaCl水溶液10 L，注入料液罐中；冰水采用自来水10 L，也注入冰水罐。

（1）料液预冷实验

实验装置首次开机时，需把料液从室温预冷到3℃左右；预冷时有料液泵运行和料液泵不运行两种方式，其预冷效果如图3所示。

图3 料液温度随时间的变化

由图3可见，采用料液泵循环时，不但料液降温平稳，且降温速度较快；而不采用料液泵循环时，料液降温慢，且料液罐内温度分布不均匀，易导致预冷过程中料液温度波动。所以，预冷阶段应采用料液泵循环方式。

（2）结冰速率实验

换热器表面冰层厚度不同时，结冰速率的变化规律如图4所示。

图4 结冰速率随冰层厚度变化的规律

结冰速率受冰层厚度、换热器内工质温度和换热器外料液温度的影响。随着冰层厚度的增加，结冰速率迅速下降。但当冰层厚度超过5 mm时，由于工质过冷度加大，结冰速率又略有上升，此时冰中溶质的夹带量也相对较多。因此装置工作时，结冰厚度以不超过5 mm为宜。

（3）盐分去除率实验

料液中水分冷冻结冰时会夹带少量溶质成分。当NaCl水溶液浓度为5‰和10‰料液时，其冰层中NaCl夹带如图5所示。

图5 含盐量随盐水浓度的变化规律

由图5可见，料液浓度增加，冰中含NaCl量也增加，而冰中NaCl含量与料液中NaCl含量之比则变化不大。实践中应根据料液特性通过工艺参数优化，尽量减小冰中的溶质夹带。

（4） 融冰实验

冰水罐中换热器表面从料液中带出的冰要在温度高于冰点的水中融化，融化过程水温度变化如图6所示。

由图6可见，融冰前期，由于换热器表面大块冰的存在，水温上升缓慢，待大块冰基本融下进入冰水罐后，则冰水罐中水的温度快速上升，经8 min左右完成全部融冰过程。

图6 冰水罐中水温度随时间变化的规律

装置按热泵模式运行时，冷冻模式下由料液中带出的冰从换热器表面脱落的过程如图7所示。

图7中，热泵模式运行不到1 min，冰内表面与换热器外表面即开始出现融化松脱，如图7(a)~(d)所示；随着过程进行，冰与换热器之间开始有融冰水流动；再后则冰与换热器外表面之间的间隙越来越大，直至脱落下来，如图7(e)~(h)所示。

4 结论

图7 冰层形态随时间变化

热泵式冷冻浓缩装置结构简单、操作方便、料液适应性好、运行参数调控方便，较适于小批量料液处理。经实验发现，预冷时采用料液泵运行方式，料液降温平稳，降温速度较快，料液温度波动小；结冰时结冰速率随冰层厚度增加而迅速下降，但当冰层厚度超过5 mm时，结冰速率又略有上升，此时冰中溶质的夹带量也增加，故结冰厚度不宜超过5 mm；料液浓度增加，冰中溶质夹带量也增加，而浓缩比则变化不大；融冰前期，由于大块冰贴在换热器表面，冰水罐内水温上升缓慢，待大块冰基本融下后，则温度快速上升，经8 min左右完成全部融冰过程。

[1]陈毅鹏，姜琼一，方婷，等.不同方法处理荔枝的品质研究 [J].安徽农学报，2010，16（21）：135-137.

[2]张裕中，藏其梅.食品加工技术装备[M].北京：中国轻工业出版社，2001.

[3]HERNÁNDEZ E，RAVENTÓS M，AULEDA J M，et al.Freeze concentration of must in a pilot plant falling film cryoconcentrator[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies， 2010， 11（1）： 130-136.

[4]刘冬雪.冷冻浓缩装置的参数优化与控制研究 [D].天津：天津科技大学，2008.

[5]胡涛.转筒式冷冻浓缩装置的结构与调控研究 [D].天津：天津科技大学，2009.

[6]郭全举.界面渐进冷冻分离装置的研究 [D].天津：天津科技大学，2016.

Development and Performance Test of Heat Pump Type Freezing Concentration Equipment

Li Yinxing Chen Dong Guo Quanju Xie Jihong Fan JiaqiJin Cheng

Freezing concentration technology owns numerous advantages,such as small consumption of energy,weak corrosion of equipment and the good quality of products,etc.It can be widely used in concentrating heat-sensitive liquid in areas like food,biology,medicine and chemical industries.A heat pump type freezing concentration equipment is developed,and its constitution,working process and application characteristics are introduced in detail.We use NaCl solution with mass faction of 5‰ and 10‰ as experimental liquid,and the precooling of the feed liquid,icing rate,removing of the salt and ice melting process are studied.The gained conclusions can be helpful reference to its practical applications.

Heat pump;Freeze;Concentration;Heat sensitive;Heat exchanger;Separation;Icing

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.001

*李银星，女，1993年生，硕士研究生。天津市，300222。

2017-06-08）