蒸汽壓縮式熱泵用于蜂蜜濃縮可行性研究

■ 向忠純

(作者向忠純單位為中船重工第719研究所)

隨著可持續(xù)發(fā)展理念日益深入人心，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高，然而在燃料資源儲(chǔ)量有限的情況下具有較高熱效率、對(duì)環(huán)境污染小的熱泵蒸發(fā)技術(shù)在蜂蜜濃縮加工工藝中應(yīng)用方面具有巨大的潛力。

傳統(tǒng)蜂蜜濃縮加工都是采用熱效率低，而且容易造成環(huán)境污染的鍋爐提供飽和蒸汽給蒸發(fā)器供熱，蜂蜜在濃縮過(guò)程中產(chǎn)生的具有潛熱的二次蒸汽都隨冷卻水排入了地溝。

采用蒸汽壓縮式熱泵蜂蜜濃縮加工工藝，能使二次蒸汽的潛熱得到充分利用，即通過(guò)給二次蒸汽補(bǔ)充一定的壓縮功（耗電），使其產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，以提供蒸發(fā)器蜂蜜濃縮所需要的熱量，從而代替了消耗大量的由鍋爐提供的飽和蒸汽（耗煤），能達(dá)到既節(jié)能又環(huán)保的目的。

工藝要求較高

通過(guò)真空濃縮的辦法加工不成熟蜂蜜是我國(guó)蜂業(yè)界普遍采用的加工方法，然而用此方法既要獲得高質(zhì)量的蜂蜜產(chǎn)品，又要節(jié)省能源，就必須要用先進(jìn)的加工工藝和先進(jìn)的供熱技術(shù)。

目前蜂業(yè)界普遍采用水力噴射冷凝器和蒸發(fā)器組成的開(kāi)式真空濃縮的加工工藝，這種工藝最大的缺點(diǎn)是在濃縮過(guò)程中蜂蜜的芳香味會(huì)隨噴射冷凝器的冷卻水大量散失到大氣中。如果采用機(jī)械真空泵，通過(guò)冷凝器和蒸發(fā)器組成的閉式真空濃縮加工工藝，蜂蜜芳香味就能得到很好地保留。但是無(wú)論是哪種加工工藝，蜂蜜在蒸發(fā)器濃縮過(guò)程中均需要提供足夠的熱量維持蜂蜜中水分的蒸發(fā)。

這里以8小時(shí)濃縮25噸含水量為30%的原蜂蜜加工成含水量為18%（42波美度）的成品蜂蜜為例，需鍋爐提供的熱量如下：

8小時(shí)濃縮25噸原蜂蜜，即要求每小時(shí)將原蜂蜜中375千克的水分蒸發(fā)出來(lái)，如果進(jìn)入蒸發(fā)器的原蜂蜜溫度為45℃，蒸發(fā)器真空表讀數(shù)為-0.096Mpa，則供熱鍋爐每小時(shí)必須提供大約22萬(wàn)大卡的熱量。目前我國(guó)蜂業(yè)界蜂蜜加工單位幾乎都采用鍋爐供汽的辦法提供熱源，給蒸發(fā)器供汽的參數(shù)一般為0.3～0.5Mpa的飽和蒸汽，8小時(shí)濃縮25噸原蜂蜜就必須要產(chǎn)汽量為0.5噸/時(shí)的鍋爐不斷供熱，無(wú)論是以常規(guī)的燃煤方法，還是以燃油或燒天然氣的方法提供熱源，均需消耗可觀的能源。不僅如此，鍋爐效率較低，易造成污染，既浪費(fèi)資源，又會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。當(dāng)前能源價(jià)格不斷上漲以及人們對(duì)能源需求量的日益增長(zhǎng)，節(jié)省能源成為當(dāng)務(wù)之急。

隨著可持續(xù)發(fā)展理念日益深入人心，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高，然而在燃料資源儲(chǔ)量有限的情況下具有較高熱效率、對(duì)環(huán)境污染小的熱泵蒸發(fā)技術(shù)在蜂蜜濃縮加工工藝中應(yīng)用方面具有巨大的潛力。熱泵能把還沒(méi)有完全做完功（有潛熱）的低溫?zé)崮堋氨谩被氐礁邷匚粺崮苤?，使其與其他高溫位熱能一起做功，在完成這輪功的同時(shí)，還會(huì)有低溫位熱能產(chǎn)生，熱泵再次將其“泵”回到高溫?zé)崮苤惺蛊湓僮龉?，如此反?fù)，這就大大提高了能源有效利用率，而且熱泵的這個(gè)功能完全可以用到蜂蜜濃縮的工藝過(guò)程。

“二次蒸汽”收集利器

蒸汽壓縮式熱泵按其工作原理可分為蒸汽壓縮式熱泵，吸收式熱泵和化學(xué)式熱泵三大類，其中蒸汽壓縮式熱泵按壓縮方式不一樣又分為機(jī)械壓縮式熱泵和蒸汽噴射壓縮式兩種。

本文主要介紹機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵用于蜂蜜蒸發(fā)濃縮的工藝流程。

熱泵蒸發(fā)原理用于稀溶液濃縮時(shí)，其低溫的稀溶液經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器被濃縮的同時(shí)產(chǎn)生二次蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮式熱泵壓縮（耗電）提高了壓力、溫度和焓值，然后送回蒸發(fā)器的加熱室中，作為加熱蒸汽用于蒸發(fā)稀溶液；被加熱的稀溶液吸收其泛熱后又產(chǎn)生二次蒸汽再進(jìn)入蒸汽壓縮式熱泵壓縮。如此不斷循環(huán)，稀溶液就逐漸被濃縮成所要求的濃溶液。由于蜂蜜濃縮的全過(guò)程也是由稀濃度經(jīng)不斷蒸發(fā)逐漸變成高濃度的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程也都是通過(guò)外界不斷提供熱量維持蜂蜜中水分蒸發(fā)生成二次蒸汽，故蒸汽壓縮式熱泵蒸發(fā)原理與我國(guó)普遍采用的用蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮獲得高濃度蜂蜜的工藝過(guò)程相結(jié)合，就可以得到一個(gè)如下圖所示的先進(jìn)的蜂蜜濃縮工藝流程：

原蜂蜜經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，進(jìn)入外加熱式蒸發(fā)器加熱室管程后被殼程的加熱蒸汽加熱而沸騰產(chǎn)生二次蒸汽；從蒸發(fā)器出來(lái)的二次蒸汽進(jìn)入機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵經(jīng)絕熱壓縮（耗電），溫度、壓力升高后（溫度一般可升高20℃左右），進(jìn)入蒸發(fā)器加熱室殼程與管程內(nèi)沸騰的蜂蜜形成足夠的傳熱溫差，從而使蒸發(fā)器內(nèi)蜂蜜濃縮的過(guò)程得到維持，這過(guò)程只須補(bǔ)充一定量的壓縮功便可利用二次蒸汽的大量潛熱。壓縮后的二次蒸汽經(jīng)蒸發(fā)器加熱室冷凝后作為預(yù)熱器的加熱介質(zhì)，使其經(jīng)壓縮后的二次蒸汽的泛熱得到完全的利用。即以少量高質(zhì)能機(jī)械功，電能等，通過(guò)熱泵蒸發(fā)裝置把大量的低溫位熱能轉(zhuǎn)化為有用的高溫位熱能加以利用，從而節(jié)省了大量的鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽。

工藝流程效益高

由此可以看出，機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵組成的蜂蜜濃縮工藝流程顯著優(yōu)點(diǎn)是：雖然機(jī)械蒸汽壓縮式熱泵蒸發(fā)是用補(bǔ)充一定的壓縮功（耗電）代替了消耗大量的加熱蒸汽（耗煤或天然氣），但由于前者的熱效率高，故節(jié)省能源。然而電煤比價(jià)，電天然氣比價(jià)是決定機(jī)械壓縮式熱泵蒸發(fā)技術(shù)用于蜂蜜濃縮加工經(jīng)濟(jì)效益高低的關(guān)鍵因素。無(wú)疑，在目前我國(guó)電煤比價(jià)偏高的情況下，機(jī)械壓縮式熱泵對(duì)于蜂蜜濃縮時(shí)沸點(diǎn)升高不大的物料來(lái)說(shuō)，不僅合適而且能耗小、經(jīng)濟(jì)效益高。

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，采用MVR羅茨壓縮機(jī)系統(tǒng)的熱泵，蒸發(fā)一噸水能耗大約是傳統(tǒng)蒸汽濃縮工藝流程的1/6到1/5，運(yùn)行成本只是傳統(tǒng)工藝的1/3到1/2。

值得提出的是，由于蜂蜜呈弱酸性，濃縮過(guò)程中產(chǎn)生的二次蒸汽也必然呈弱酸性，濃縮時(shí)如果分離效果不好，二次蒸汽里也必然含有一定量的呈弱酸性的蜂蜜，這樣就要求凡與二次蒸汽接觸的設(shè)備包括蒸汽壓縮式熱泵、蒸發(fā)器和預(yù)熱器的選材就必須要求用抗腐蝕能力強(qiáng)的奧氏體不銹鋼，不過(guò)這就增加了熱泵蒸發(fā)技術(shù)用于蜂蜜濃縮工藝過(guò)程的成本。