楊許作

（德眾制藥機(jī)械有限公司，廣東佛山 528000）

高真空熱泵雙效濃縮機(jī)組的研制及其節(jié)能分析

楊許作

（德眾制藥機(jī)械有限公司，廣東佛山 528000）

介紹一種利用高真空“噴霧傳質(zhì)式冷凝器”與熱泵雙效配套的濃縮機(jī)組。

節(jié)能；單相流體對(duì)流換熱；相變對(duì)流換熱

在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，國(guó)家要求企業(yè)必須不斷地降低CO2排放，不久必將面臨超定額排放征重稅的威脅。這對(duì)于耗能大的中藥、食品提取生產(chǎn)的企業(yè)將越來(lái)越成為一種生死存亡的挑戰(zhàn)。而這些企業(yè)最大的耗能環(huán)節(jié)是濃縮工序，70%的蒸汽被它吃掉。濃縮設(shè)備的選擇及改造迫在眉睫地?cái)[在企業(yè)的面前。

選什么濃縮設(shè)備最節(jié)能？經(jīng)長(zhǎng)期在德眾藥業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中創(chuàng)新、改進(jìn)，我們研究生產(chǎn)了高真空熱泵雙效機(jī)組。該機(jī)組最顯著的特征是節(jié)能、高真空，另外，還具有消泡、不易結(jié)垢、效率高和自動(dòng)控制等特點(diǎn)，特別適應(yīng)中藥皂苷高、含糖高、熱敏性強(qiáng)等特點(diǎn)的工藝生產(chǎn)。2010年5月經(jīng)佛山市節(jié)能檢測(cè)中心測(cè)試，3000 L高真空熱泵雙效機(jī)組，噸蒸發(fā)藥水耗汽量為0.375 t，冷凝系統(tǒng)總裝機(jī)功率為12.5 kW，真空度達(dá)到-0.08 mPa以上。該機(jī)組比原3000 L單效濃縮設(shè)備節(jié)約了蒸汽62.6%，冷凝系統(tǒng)電耗降低了73.8%，是目前國(guó)內(nèi)能耗最低的濃縮設(shè)備之一。下面就分析該機(jī)組節(jié)能、高真空等特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及原理。

高真空熱泵雙效濃縮機(jī)

1 節(jié)能、高真空技術(shù)

1.1 背景

德眾藥業(yè)2002年GMP改造時(shí)使用的是3000L單效濃縮，雖然了解雙效比單效節(jié)能，但正如眾多中藥生產(chǎn)企業(yè)為了藥品質(zhì)量，不少品種必須低溫生產(chǎn)，而雙效濃縮的第Ⅰ效溫度往往在80℃以上，甚至90℃，故此被迫選用單效。德眾藥業(yè)為了濃縮全過(guò)程達(dá)到-0.08 mPa以上，每臺(tái)3000 L單效濃縮罐配用37 kW噴射泵，三臺(tái)3000 L單效共用一套北京金諾公司節(jié)能型中空涼水塔，配用一臺(tái)45 kW水泵，即平均每臺(tái)3000 L單效冷凝電耗為52 kW。

1.2 噴霧傳質(zhì)式冷凝器

德眾藥業(yè)在高耗能又無(wú)法選用較節(jié)能的濃縮設(shè)備的無(wú)奈背景下，由設(shè)備部門(mén)自主研發(fā)了噴霧傳質(zhì)式冷凝器，該項(xiàng)目已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

為什么高真空熱泵雙效如此節(jié)能？眾所周知，蒸汽被冷卻凝結(jié)成液體的換熱過(guò)程稱(chēng)凝結(jié)換熱，液體被加熱沸騰的換熱過(guò)程稱(chēng)沸騰換熱，兩種換熱都屬有相變的對(duì)流換熱；列管冷凝器的冷卻水吸熱升溫的換熱過(guò)程屬于單相流體的對(duì)流換熱。一般情況下，相變換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比單相流的傳熱系數(shù)要高出幾倍甚至幾十倍[1]。

濃縮時(shí)二次蒸汽凝結(jié)時(shí)會(huì)迅速放出巨大的汽化潛熱，汽化潛熱的熱能是顯熱熱能的數(shù)倍，例如：將雙效濃縮Ⅱ效60℃的二次蒸汽冷凝成60℃的水所放出的熱量與涼水塔進(jìn)出水溫分別為35℃和45℃所吸收得熱量進(jìn)行比較。60℃飽和蒸汽的汽化潛熱為2357.6 kJ/kg，1 kg 60℃飽和蒸汽變?yōu)?0℃的水其放出的熱量為2357.6 kJ，而1 kg 35℃的冷卻水吸熱后提高了顯熱溫度升到45℃所吸收得熱焓查表得：188.42-146.59=41.83kJ，于是，可以得出1 kg蒸汽放出的汽化潛熱需要：2357.6 kJ/41.83 kJ=56.36倍的冷卻水來(lái)吸收。于是，理論可計(jì)算出：蒸發(fā)量為1000 L單效、普通雙效及普通熱泵雙效分別需要35℃升至45℃的冷卻水量約為：56 T、28 T、20 T。

那么，高真空熱泵雙效配套使用的噴霧傳質(zhì)式冷凝器需要多少冷卻水呢？如圖所示，噴霧傳質(zhì)式冷凝器把少量水采用噴霧的方式噴在翅片管上吸收翅片管內(nèi)二次蒸汽所放出的熱，由于水量少升溫快，在排風(fēng)機(jī)的吹動(dòng)下很快就低溫蒸發(fā)了。它屬于前面所說(shuō)的相變對(duì)流換熱，水珠在蒸發(fā)時(shí)必須獲得巨大的汽化潛熱才能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，這些巨大的能量是從翅片管內(nèi)二次蒸汽冷凝時(shí)釋放出來(lái)的汽化潛熱中獲得。翅片管內(nèi)外冷凝與蒸發(fā)基本在同一個(gè)溫度上，具有相等的汽化潛熱值。每小時(shí)1000 L熱泵雙效Ⅱ效需要冷凝的二次蒸汽只有357 kg，理論上，噴在翅片管上蒸發(fā)的水只需357 kg，但考慮噴淋的有效率因素應(yīng)給以一定的富余量才能達(dá)到0.04~0.05 kg/m2.s的噴淋密度[2]，并且考慮霧化所需要一定的壓力，在實(shí)際安裝時(shí)1000 L~3000 L高真空熱泵雙效使用的噴霧水泵不超過(guò)1.5 kW就獲得了足夠的水量。由于不需對(duì)大量的冷卻水做功，故噴霧傳質(zhì)式冷凝系統(tǒng)能耗非常低。

下表對(duì)不同濃縮設(shè)備冷卻水的需要量進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比可以看出高真空熱泵雙效機(jī)組冷卻水量比其他濃縮設(shè)備少得多。

如圖所示，為什么高真空熱泵雙效機(jī)組沒(méi)有列管冷凝器、沒(méi)有大功率循環(huán)水泵、沒(méi)有涼水塔？吸熱后升溫的冷卻水如何降溫？還是汽化潛熱的奧秘。從霧化噴頭噴出來(lái)的小水珠在未到達(dá)翅片管之前表面已開(kāi)始了低溫蒸發(fā)，表面的水份要從小水珠里吸收足夠的汽化潛熱才能擺脫出去產(chǎn)生蒸發(fā)，于是，小水珠剩下部分失去了大量的能量，溫度迅速被降低了。另外，還有一個(gè)關(guān)鍵的因素是把水霧化得越小效果越好。因?yàn)?，水珠的表面積S=πD2，體積V=πD3/6，當(dāng)直徑D縮小n倍時(shí)，雖每個(gè)水珠表面積減為1/n2，而總個(gè)數(shù)增為n3倍，整體的表面積變?yōu)樵瓉?lái)的n倍。由于霧化增加了表面積強(qiáng)化了表面低溫蒸發(fā)，在實(shí)際測(cè)量中，小水珠在未到達(dá)翅片管前瞬間溫度降低，比水盤(pán)里的水溫低二十多度。噴霧傳質(zhì)式冷凝器沒(méi)有涼水塔卻比普通涼水塔效率高出很多。它兼?zhèn)淅淠骱蜎鏊p重功能，非常節(jié)能。

1.3 熱泵雙效

該機(jī)組節(jié)能的另一結(jié)構(gòu)是使用了熱泵雙效，熱泵的節(jié)能效果已逐漸被大家認(rèn)識(shí)。通過(guò)拉伐爾噴嘴的抽吸作用重復(fù)地使用了部分Ⅰ效的二次蒸汽進(jìn)入Ⅰ效的加熱器，從而達(dá)到了節(jié)能作用。另外，鍋爐蒸汽在拉伐爾噴嘴里絕熱膨脹時(shí)聚然降低了溫度，使可利用的汽化潛熱量增大，例：165℃飽和蒸汽汽化潛熱為2065 kJ/kg，而降溫到90℃后其可利用的汽化潛熱卻有2283 kJ/kg，可利用的汽化潛熱提高了10.6%。熱泵的原理和作用很多資料介紹過(guò)，這里不詳細(xì)解釋了。要提出注意的是熱泵雙效容易出現(xiàn)熱平衡問(wèn)題，失控時(shí)罐內(nèi)真空度下降甚至正壓，藥水溫度迅速上升，只能作為普通雙效使用。國(guó)內(nèi)藥機(jī)廠生產(chǎn)的熱泵雙效普遍存在這個(gè)問(wèn)題。我們經(jīng)長(zhǎng)期在德眾藥業(yè)的實(shí)踐已成功地解決了熱平衡控制問(wèn)題。

不同濃縮設(shè)備冷卻水需要量對(duì)比表

2 消泡技術(shù)

中藥材普遍存在含糖高、含皂苷高，濃縮時(shí)易產(chǎn)生泡沫，常出現(xiàn)暴沸、跑料現(xiàn)象，增加操作難度并降低生產(chǎn)效率。本人在1999年《制藥機(jī)械》第三期曾發(fā)表《高效濃縮設(shè)備-真空噴霧濃縮器》一文，曾介紹了我們成功解決濃縮中消泡問(wèn)題。到目前為止我們還沒(méi)有哪一種藥材的多泡問(wèn)題解決不了。

3 防垢技術(shù)

國(guó)內(nèi)藥機(jī)廠生產(chǎn)的外循環(huán)真空濃縮的加熱器出液口高度一般在蒸發(fā)室的下半部分，為了不增加設(shè)備的整體高體，普遍把加熱器設(shè)計(jì)得短短粗粗。同樣加熱面積條件下管數(shù)增多了，自然流速慢了。往往流速只有零點(diǎn)幾米。故此很多藥廠使用幾年的自然外循環(huán)真空濃縮罐生產(chǎn)速度下降得非常嚴(yán)重，其原因就是加熱器設(shè)計(jì)問(wèn)題。

中藥及食品由于是高分子有機(jī)物，碳分子含量高。流速低了遇高溫焦化極易出現(xiàn)在加熱器列管內(nèi)壁上，管壁結(jié)垢后傳熱系數(shù)立即降低，直接影響生產(chǎn)效率。有的品種極短時(shí)間就出現(xiàn)結(jié)垢，生產(chǎn)速度降到很慢，被迫采用堿液強(qiáng)洗后才能生產(chǎn)。藥液在加熱器列管內(nèi)的流速不到1 m/s，加熱溫度在120℃以上。高真空熱泵雙效機(jī)組采用強(qiáng)制外循環(huán)三管程設(shè)計(jì)，大大增加了藥液在列管中的流速，達(dá)到2 m/s以上。另外，高真空熱泵雙效加熱器的混合蒸汽溫度不超過(guò)90℃，因此，大大延長(zhǎng)了強(qiáng)洗周期，并且藥垢極薄易清洗。

4 高效技術(shù)

采用熱泵拉伐爾噴射技術(shù)，具有較高的引流系數(shù)，使其混合后的加熱溫度很低，這對(duì)藥物生產(chǎn)的質(zhì)量來(lái)說(shuō)當(dāng)然是及其有利，但對(duì)于提高蒸發(fā)量是很不利的，因?yàn)?，蒸發(fā)量大小由加熱器的換熱量決定的，換熱量Q=K?A?Δt，從公式可看出當(dāng)溫差Δt小了，就必須設(shè)法增大加熱面積A和提高換熱系數(shù)K值。我們研制的高真空熱泵雙效Ⅰ效加熱面積是普通雙效的兩倍以上。

如何提高K值？

公式中：h1－管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)；

h2－管外冷凝換熱系數(shù)；

d0、d1－管內(nèi)外徑；

λ－不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)。

我們對(duì)管徑形狀及材質(zhì)不討論。至于h2在實(shí)際中參數(shù)值通常很大，其倒數(shù)已經(jīng)極小了，我們不需要特別采取措施來(lái)提高它，而需要防止降低其參數(shù)值。實(shí)踐告訴我們，換熱器中存在1%的不凝氣體，列管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將降低60%[3]。我們?cè)O(shè)計(jì)的噴霧傳質(zhì)式冷凝器配置了小功率的水環(huán)真空泵，它主要目的不是用來(lái)抽二次蒸汽，而是通過(guò)分離技術(shù)專(zhuān)門(mén)用于抽取泄露到機(jī)組中的不凝氣體，這樣就能保證h2值不降低。

要提高效率剩下的就是分析h1，而要提高h(yuǎn)1的最簡(jiǎn)單的方法是采取強(qiáng)制循環(huán)和增加管程數(shù)來(lái)達(dá)到提高管程流速。高真空熱泵雙效機(jī)組Ⅰ效、Ⅱ效都采用強(qiáng)制循環(huán)泵。當(dāng)然，采取了強(qiáng)制循環(huán)會(huì)增加能耗，然而，增加循環(huán)帶來(lái)提高傳熱系數(shù)、提高效率，單位藥材耗能還是降低了，并且不易結(jié)垢和有利于消泡多重作用。從德眾藥業(yè)長(zhǎng)期使用的實(shí)踐分析，結(jié)論是利多弊少。

5 自動(dòng)控制技術(shù)

高真空熱泵雙效機(jī)組自動(dòng)化程度已達(dá)到液位自動(dòng)控制、蒸汽壓力自動(dòng)控制、進(jìn)液溫度自動(dòng)控制、消泡自動(dòng)控制。要實(shí)現(xiàn)以上自動(dòng)控制，難度不大，造價(jià)不高，但對(duì)于濃縮的高溫環(huán)境和眾多的操作人員來(lái)說(shuō)，小小的空調(diào)室集中控制，減少人員、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、減少跑料，還是有很大意義。

[1] 楊世銘等.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2] 朱冬生等.換熱器技術(shù)及進(jìn)展[M].北京：中國(guó)石化出版社，2008.

[3] 鄒華生等.流體力學(xué)與傳熱[M].廣州：華南理工大學(xué)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

楊許作（1946-），男，高級(jí)工程師，從事中藥提取、濃縮、干燥設(shè)備的應(yīng)用、研究、設(shè)計(jì)和制造工作。

Tel：13902806235 Email：dzyj3333@126.com