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(天津中醫(yī)藥大學(xué) 中藥制藥工程學(xué)院，天津 300192)

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器是實驗室廣泛應(yīng)用的一種蒸發(fā)儀器，適用于回流操作、大量溶劑的快速蒸發(fā)、微量組分的濃縮和需要攪拌的反應(yīng)過程等。接通真空泵，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器系統(tǒng)可以密封減壓至幾千帕；通電加熱水浴鍋中的溶劑，通過控制溫度使得蒸餾瓶中的液體沸騰汽化；同時還可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使液體形成薄膜，增大蒸發(fā)面積。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行的蒸發(fā)過程屬于單效蒸發(fā)，實驗室使用過程中通常需要加熱和冷肼同時使用，能耗很高。由于實驗室用設(shè)備規(guī)模小，很少有人考慮到它的節(jié)能問題[1-3]，但往往一個實驗室就有數(shù)臺設(shè)備，積累起來，能耗的絕對值并不小。

工業(yè)上應(yīng)用的節(jié)能措施有：多效蒸發(fā)[4]、利用二次蒸汽汽化潛熱的蒸汽噴射式熱泵技術(shù)[5]、機(jī)械壓縮式熱泵技術(shù)[6-8]、引出額外蒸汽預(yù)熱原料液[9]和利用系統(tǒng)余熱(如冷凝水閃蒸和溶液閃蒸)。噴射式熱泵需要高壓蒸汽，實驗室一般不具備條件，引出額外蒸汽并不能省略冷阱，系統(tǒng)的余熱也不好利用，只有壓縮式熱泵[10-12]更適合應(yīng)用于實驗室規(guī)模的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的節(jié)能設(shè)計。壓縮式熱泵分為開式和閉式。開式熱泵與用熱裝置結(jié)合為一體，二次蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)直接壓縮，增壓增溫后引入蒸發(fā)器加熱物料，系統(tǒng)中的工質(zhì)不循環(huán)，節(jié)能效果顯著，但是考慮到實驗室蒸發(fā)溶劑的多樣性，會對壓縮機(jī)有不同的要求，而且蒸汽溫度低時需要大容量的壓縮機(jī)，使得設(shè)備費(fèi)用增加。閉式壓縮式熱泵，內(nèi)部充滿制冷劑工質(zhì)，消耗少量的電能就能在冷凝器處提供熱量，而在蒸發(fā)器處吸收熱量，與旋蒸蒸發(fā)器系統(tǒng)配合使用，可節(jié)省加熱和冷阱設(shè)備的使用，減少能源的浪費(fèi)。

本研究自行設(shè)計并搭建了閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)，配合實驗室的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器使用，試驗操作工藝，以期達(dá)到最大程度節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)原理

圖1所示為閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器配合使用的工藝流程圖。閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)相對獨立，包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥，內(nèi)部充滿R22工質(zhì)。壓縮機(jī)排出的高溫、高壓工質(zhì)蒸氣，經(jīng)水冷冷凝器將熱量傳遞給水后變?yōu)楦邏阂后w，升溫后的水置于熱水儲槽，用于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器水浴鍋內(nèi)蒸餾瓶的加熱。從冷凝器出來的高壓液體工質(zhì)經(jīng)過電子膨脹閥降壓為低壓的氣液混合物，進(jìn)入水熱蒸發(fā)器，從水中吸收熱量變?yōu)榈蛪簹怏w，再被壓縮機(jī)吸入，構(gòu)成封閉的工作循環(huán)。降溫后的水置于冷水儲槽，作為旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蛇形冷凝管內(nèi)的冷卻介質(zhì)。熱水儲槽和冷水儲槽中的水分別通過水泵進(jìn)行輸送。樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)列于表1中。閉式壓縮式熱泵裝置見圖2。

圖1 裝置示意圖

圖2 閉式壓縮式熱泵裝置圖

表1閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)裝置參數(shù)

設(shè)備型號參數(shù)廠家壓縮機(jī)PH165X1CY-8DZC2定頻,功率:920 W;制冷量2810 W;COP:3.05東芝冷凝器/蒸發(fā)器B3-014-16D-3.0-316L板式,換熱面積:0.196 m2江陰市亞龍換熱設(shè)備有限公司電子膨脹閥Q12-GL-07北京三花制冷設(shè)備有限責(zé)任公司控制器SKL888觸摸式過熱度控制蘇州新亞科技有限公司離心水泵直流24 V,揚(yáng)程:9 m深圳華信電子有限公司

2 實驗方法

開啟SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵，控制旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器內(nèi)達(dá)到極限真空度并維持恒定，熱水儲槽和冷水儲槽中均為室溫自來水(17±1℃)。蒸餾瓶中放500 mL水，打開熱泵以及水泵，熱水儲槽內(nèi)(初始水量2 L)水溫升高，冷水儲槽內(nèi)(初始水量2 L)水溫降低。熱水儲槽中水溫達(dá)到35℃，蒸餾瓶內(nèi)水開始沸騰汽化。通過熱泵系統(tǒng)熱端最高可以加熱到75℃，更換冷端介質(zhì)為95%乙醇，可以使得冷端溫度達(dá)到-5℃，能夠滿足實驗室旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)所需的溫度。為了控制旋蒸的操作溫度，先通過熱泵的啟停來實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)冷水溫度會持續(xù)升高，而且頻繁啟停容易造成壓縮機(jī)壽命縮短，因此采用向熱水儲槽加入室溫自來水的方式控制操作溫度在50～70℃，從而控制蒸發(fā)速率。蒸出大部分水后停機(jī)，記錄熱水儲槽水溫、冷水儲槽水溫、熱水儲槽增加的水量、水分蒸發(fā)量、從實驗開始到停機(jī)總的蒸發(fā)時間以及整個過程的耗電量，以電表記錄的實際耗電量包括旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)、真空泵的全部電能消耗。具體原始數(shù)據(jù)見表2。

表2基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)在不同操作溫度下的數(shù)據(jù)

熱端溫度/℃冷端溫度/℃熱水儲槽增加水量/mL水分蒸發(fā)量/mL蒸發(fā)時間/min耗電量/kWh5034 415260400.6556.53 900310400.6560122 990390430.86517950475580.957022830465490.89

對比正常旋蒸的能耗。由旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器自帶的加熱器加熱，用冷阱來控制冷端溫度，同樣的實驗條件，記錄水分蒸發(fā)量、總的蒸發(fā)時間、從開始到蒸發(fā)結(jié)束整個過程的耗電量，以電表記錄的實際耗電量包括旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、冷阱、真空泵的全部電能消耗，具體原始數(shù)據(jù)見表3。

表3正常旋蒸系統(tǒng)在不同操作溫度下的數(shù)據(jù)表

熱端溫度/℃冷端溫度/℃水分蒸發(fā)量/mL蒸發(fā)時間/min耗電量/kWh503240430.97556.5335400.856012210280.66517440571.067022460511.17

為了考察對不同處理原料的適用性，對20%蔗糖水溶液進(jìn)行了濃縮，具體原始數(shù)據(jù)見表4。

表4原料為20%蔗糖水溶液時，兩個系統(tǒng)在不同操作溫度下的數(shù)據(jù)表

熱端溫度/℃冷端溫度/℃基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)正常旋蒸系統(tǒng)水分蒸發(fā)量/mL蒸發(fā)時間/min耗電量/kWh熱水儲槽增加水量/mL水分蒸發(fā)量/mL蒸發(fā)時間/min耗電量/kWh504270520.784 440260430.75556330500.742 445315430.85607.5370550.852 215305380.846514360530.84995328420.867017.5360550.95735330430.86

3 閉式壓縮式熱泵性能

閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)能夠配合實驗室的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器使用，只是壓縮機(jī)消耗電能，即在冷凝器處提供熱源使得原料蒸發(fā)，在蒸發(fā)器處提供冷源使得蒸氣冷凝，取代了正常旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器需要同時使用的加熱器和冷肼，熱源溫度最高可達(dá)75℃，冷源溫度最低可達(dá)-5℃。

計算熱泵的COP值。根據(jù)能量守恒定律：放出熱量=輸入電能+吸收熱量+熱損失。放出熱量包括熱水儲槽內(nèi)2 L水加上增加水量從室溫升至操作溫度吸熱，蒸發(fā)瓶內(nèi)500 mL水從室溫升至沸點吸熱，以及在沸點下沸騰汽化吸熱三項。吸收熱量包括冷水儲槽內(nèi)2 L水從室溫下降至控制溫度放熱，蒸發(fā)的水蒸氣冷凝放熱兩項。熱損失忽略不計，以表2中操作溫度60℃時為例進(jìn)行計算，得到熱泵系統(tǒng)的輸入電能為875 kJ，單位時間蒸出單位體積水分熱泵系統(tǒng)能耗為0.87 J·mL-1·s-1，熱泵的COP值，即有效致熱量/總輸入能量，為2.08。不同操作溫度下，熱泵系統(tǒng)的平均能耗為0.89 J·mL-1·s-1，平均COP值為2.21。

4 基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)的節(jié)能效果

用實驗開始到蒸發(fā)結(jié)束整個過程的耗電量除以總的蒸發(fā)時間再除以水分蒸發(fā)量，得到單位時間蒸出單位體積水分耗電量作為能耗值，對比基于熱泵的旋蒸和正常旋蒸的能耗，如圖3所示。不同的操作溫度下，基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)的能耗均小于正常旋蒸系統(tǒng)，這很容易理解，因為冷阱作為一種熱泵系統(tǒng)，在正常旋蒸過程中，冷凝器放出的熱量都沒有被利用。閉式壓縮式熱泵在冷凝器處放熱給原料，原料汽化變?yōu)檎魵?，蒸氣在蒸發(fā)器處放熱冷凝，能量通過熱泵實現(xiàn)了回收再利用，因此實現(xiàn)了節(jié)能?；跓岜玫男粝到y(tǒng)節(jié)能量在17%～53%。60℃蒸發(fā)時節(jié)能最顯著，節(jié)能53%。若減去額外多獲得熱水的能量，則節(jié)能量在22%～61%之間。

圖3 原料為水，基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)與正常旋蒸系統(tǒng)的能耗對比

原料為20%蔗糖水溶液時，與純水有所不同，因為蔗糖水溶液隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，濃度增大，沸點升高，更類似于普通的待濃縮原料。對比兩種系統(tǒng)的能耗，如圖4所示。不同的操作溫度下，基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)的能耗同樣小于正常旋蒸系統(tǒng)，基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)能夠節(jié)能17%～42%，同樣在60℃蒸發(fā)時節(jié)能效果最顯著，節(jié)能42%。

圖4 原料為20%蔗糖水溶液時，基于熱泵旋蒸系統(tǒng)與正常旋蒸系統(tǒng)的能耗對比

5 結(jié)論

實驗證明，閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)能夠配合實驗室的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器使用，加熱溫度最高可達(dá)75℃，冷卻溫度最低可達(dá)-5℃。進(jìn)行純水的蒸發(fā)和20%蔗糖水溶液的蒸發(fā)，與正常旋蒸系統(tǒng)對比，基于熱泵的旋蒸系統(tǒng)節(jié)能量均大于17%，在60℃時蒸發(fā)節(jié)能效果最顯著。閉式壓縮式熱泵系統(tǒng)具有相對獨立性，特別適用于實驗室用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的節(jié)能。