3.4 Выпаривание с тепловым насосом

Выпаривание с применением теплового насоса основано на возможности использования вторичного пара для испарения растворителя в том же аппарате, если температура вторичного пара будет тем или иным способом повышена до температуры греющего пара. Температуру вторичного пара можно повысить до температуры греющего пара путем сжатия его компрессором или паровым инжектором.

В первом случае вторичный пар поступает из выпарного аппарата в турбокомпрессор, сжимается до давления, соответствующего температуре греющего пара, и вводится в греющую камеру выпарного аппарата.

Уравнение теплового баланса

	(8)

гдеD – расход греющего пара, кг/с;

H – энтальпия греющего пара, Дж/кг;

W – массовый расход выпариваемой воды, кг/с;

H _в.п.сж – энтальпия сжатого вторичного пара, Дж/кг;

G_н, G_к – массовый расход начального (исходного) раствора и конечного (упаренного) раствора, кг/с;

с_н, с_к – удельная теплоемкость исходного и упаренного раствора, Дж/кгК;

t_н, t_к – начальная и конечная температура раствора, °С;

H_в.п – энтальпия вторичного пара, Дж/кг;

х_к – конечная концентрация раствора, % масс.;

∆q – разность интегральных теплот растворения 1 кг растворенного вещества в исходном и концентрированном растворах, кДж/кг;

H_к – энтальпия конечного раствора, Дж/кг;

Q_п – расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую сре-ду, Вт.

Из уравнения теплового баланса может быть вычислен расход греющего пара

	(9)

Как следует из уравнения (9), расход пара на выпаривание с тепловым насосом значительно меньше, чем при простом выпаривании, так как резко уменьшается второе слагаемое правой части равенства. Однако наряду с этим необходимо расходовать механическую энергию на работу компрессора. Если компрессор приводится в действие электродвигателем, то его мощность (в кВт) равна

(10)

где – адиабатический коэффициент полезного действия компрессора;

–коэффициент полезного действия электродвигателя и привода.

Необходимость применения сложных машин (компрессоров), а также затрат дорогой механической энергии приводит к практической нецелесообразности теплового насоса с компрессорами.

Большой практический интерес представляют тепловые насосы с паровыми инжекторами (рисунок 5).

В этих установках исходный греющий пар поступает предварительно в паровой инжектор 2. В инжекторе каждая единица массы свежего пара инжектирует m единиц массы вторичного пара. В результате получается рабочий греющий пар в количестве , с рабочим давлением, меньшим, чем давление исходного пара, и большим, чем давление вторичного пара.

Полученный в инжекторе пар поступает на нагревание выпарного аппарата, часть вторичного пара, равная , не может быть инжектирована и поэтому в установке не используется.

1 – выпарной аппарат; 2 – паровой инжектор

Рисунок 5 – Схема тепловых потоков при выпаривании с инжекторным тепловым насосом

Тепловой баланс рассматриваемого процесса выпаривания может быть представлен равенствами

.
	(11)

	(12)

Сопоставление этих равенств с уравнениями баланса простого выпаривания показывает, что в рассматриваемом процессе выпаривания с тепловым насосом расход греющего пара уменьшается в (1+m) раз.

Паровой инжектор представляет собой сравнительно простое устройство, изготовление которого не требует больших затрат металла, поэтому установки с паровыми инжекторами в принципе должны быть признаны вполне рациональными.

Значение коэффициента инжекции m в выгодных для инжекции условиях работы выпарной установки составляет 0,5–1.

Выпарные установки в химической промышленности работают обычно в невыгодных для инжекции условиях. Вследствие высокой температурной депрессии растворов давление вторичного инжектируемого пара бывает низким. С уменьшением давления инжектируемого пара уменьшается коэффициент инжекции. С уменьшением коэффициента инжекции расход свежего греющего пара увеличивается, и применение выпарных установок с паровым инжектором становится невыгодным. Указанным обстоятельством объясняется ограниченное распространение в химической промышленности выпарных установок с тепловым насосом; эти установки применяют для выпаривания растворов с малой температурной депрессией и в условиях, когда необходимо обеспечить минимальный расход греющего пара.

11