熱泵式冷凍濃縮裝置的研制及其性能實(shí)驗(yàn)

李銀星 陳東 郭全舉 謝繼紅 樊佳琪 金程

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

應(yīng)用研究

熱泵式冷凍濃縮裝置的研制及其性能實(shí)驗(yàn)

李銀星*陳東 郭全舉 謝繼紅 樊佳琪 金程

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

冷凍濃縮具有能耗小、設(shè)備腐蝕弱、產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn)，特別適合食品、生物、醫(yī)藥、化工等行業(yè)中熱敏性料液的濃縮處理。給出了一種熱泵式冷凍濃縮裝置，對(duì)其構(gòu)成、工作過(guò)程、應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5‰和10‰的NaCl水溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了該裝置工作時(shí)料液預(yù)冷、結(jié)冰速率、鹽分去除率、融冰速率的變化規(guī)律，為該裝置的工程應(yīng)用提供了較好的參考。

熱泵 冷凍 濃縮 熱敏性 換熱器 分離 結(jié)冰

0 背景

冷凍濃縮是使料液中水分結(jié)冰而實(shí)現(xiàn)料液濃縮的處理方法，在常壓、0℃以下的低溫條件下進(jìn)行，可最大限度地保留料液中的有益成分[1-3]，在食品、生物、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)料液中水分結(jié)冰方式不同，冷凍濃縮可分為懸浮結(jié)晶冷凍濃縮和界面漸進(jìn)冷凍濃縮。前者料液在換熱器中預(yù)冷后泵入再結(jié)晶罐，發(fā)生奧斯特瓦爾德效應(yīng)生成冰晶，再通過(guò)洗凈塔洗凈冰晶上的料液，此方法設(shè)備復(fù)雜，操作要求較高。后者是通過(guò)冷介質(zhì)將固體壁面降溫至冰點(diǎn)以下，料液中的水分在固體壁面結(jié)冰，再通過(guò)適當(dāng)方法將冰層與固體壁面或料液分離，此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，具有較好的綜合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[4-6]。

基于此，研制了一種采用界面漸進(jìn)原理、半連續(xù)工作、便于處理小批量料液的熱泵式冷凍濃縮裝置，對(duì)其工作原理及應(yīng)用效果進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。

1 熱泵式冷凍濃縮裝置的工作原理

熱泵式冷凍濃縮裝置的基本構(gòu)成和工作原理如圖1所示。

圖1 熱泵式冷凍濃縮裝置結(jié)構(gòu)原理

由圖1可見，熱泵式冷凍濃縮裝置由結(jié)冰融冰單元、料液循環(huán)單元和冰水循環(huán)單元構(gòu)成。結(jié)冰融冰單元由壓縮機(jī)、輔冷器、換向閥、換熱器2、節(jié)流閥和換熱器1組成；料液循環(huán)單元由料液罐、料液泵和濃液閥組成；冰水循環(huán)單元由冰水罐、冰水泵和冰水閥組成。裝置工作時(shí)，結(jié)冰融冰單元可固定不動(dòng)，而料液循環(huán)單元和冰水循環(huán)單元整體升降和旋轉(zhuǎn)；也可料液循環(huán)單元和冰水循環(huán)單元固定不動(dòng)，而結(jié)冰融冰單元升降和旋轉(zhuǎn)。下面以后者為例介紹其工作過(guò)程。

熱泵式冷凍分離裝置是周期性半連續(xù)工作的，每個(gè)周期包含兩個(gè)工作階段：冷凍模式階段和熱泵模式階段。冷凍模式時(shí)，如圖1（a）所示，換熱器1在料液罐中，換熱器2在冰水罐中，壓縮機(jī)工作，低溫液態(tài)制冷劑在換熱器1內(nèi)蒸發(fā)吸熱使換熱器外壁冷卻，料液罐中的料液溫度降低，料液中的水分沿著換熱器外壁結(jié)冰，料液增濃，壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑加熱換熱器2外的冰層，冰層逐漸融化。當(dāng)換熱器1表面的冰層達(dá)到一定厚度時(shí)，冷凍模式階段結(jié)束，壓縮機(jī)停機(jī)，結(jié)冰融冰單元升起，使換熱器1和換熱器2提升出料液罐和冰水罐，結(jié)冰融冰單元旋轉(zhuǎn)180°，再下降把換熱器1放入冰水罐中，把換熱器2放入料液罐中，換向閥轉(zhuǎn)向，裝置進(jìn)入熱泵模式階段。在熱泵模式階段，如圖1（b）所示，壓縮機(jī)排出的高溫工質(zhì)經(jīng)輔冷器和換向閥后進(jìn)入換熱器1，加熱冷凍模式階段換熱器表面所結(jié)的冰，熱泵工質(zhì)出換熱器1并經(jīng)節(jié)流閥降壓閃蒸后產(chǎn)生的低溫工質(zhì)進(jìn)入換熱器2內(nèi)，在換熱器2內(nèi)吸熱制冷使料液中的水分在換熱器表面結(jié)冰，料液被濃縮；當(dāng)換熱器2表面的冰層達(dá)到一定厚度且換熱器1表面在冷凍模式階段所結(jié)的冰融化完畢時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)，熱泵模式結(jié)束，結(jié)冰融冰單元再提升、旋轉(zhuǎn)180°、放下，裝置再開始下一周期的冷凍模式階段。裝置按此一側(cè)結(jié)冰、一側(cè)融冰的模式循環(huán)工作，料液不斷增濃，當(dāng)濃度滿足要求后，打開濃液閥將濃縮液排出，打開冰水閥將融冰水排出。

熱泵式冷凍濃縮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、料液適應(yīng)性好、運(yùn)行參數(shù)調(diào)控方便，較適于小批量料液處理。

2 熱泵式冷凍濃縮實(shí)驗(yàn)裝置的研制

所研制的熱泵式冷凍濃縮實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)冰融冰單元照片如圖2所示。

圖2 結(jié)冰融冰單元

熱泵式冷凍濃縮實(shí)驗(yàn)裝置中主要部件和實(shí)驗(yàn)所用儀表的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 主要部件和儀表的規(guī)格參數(shù)

3 熱泵式冷凍濃縮裝置的性能實(shí)驗(yàn)

料液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5‰的NaCl水溶液10 L，注入料液罐中；冰水采用自來(lái)水10 L，也注入冰水罐。

（1）料液預(yù)冷實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置首次開機(jī)時(shí)，需把料液從室溫預(yù)冷到3℃左右；預(yù)冷時(shí)有料液泵運(yùn)行和料液泵不運(yùn)行兩種方式，其預(yù)冷效果如圖3所示。

圖3 料液溫度隨時(shí)間的變化

由圖3可見，采用料液泵循環(huán)時(shí)，不但料液降溫平穩(wěn)，且降溫速度較快；而不采用料液泵循環(huán)時(shí)，料液降溫慢，且料液罐內(nèi)溫度分布不均勻，易導(dǎo)致預(yù)冷過(guò)程中料液溫度波動(dòng)。所以，預(yù)冷階段應(yīng)采用料液泵循環(huán)方式。

（2）結(jié)冰速率實(shí)驗(yàn)

換熱器表面冰層厚度不同時(shí)，結(jié)冰速率的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 結(jié)冰速率隨冰層厚度變化的規(guī)律

結(jié)冰速率受冰層厚度、換熱器內(nèi)工質(zhì)溫度和換熱器外料液溫度的影響。隨著冰層厚度的增加，結(jié)冰速率迅速下降。但當(dāng)冰層厚度超過(guò)5 mm時(shí)，由于工質(zhì)過(guò)冷度加大，結(jié)冰速率又略有上升，此時(shí)冰中溶質(zhì)的夾帶量也相對(duì)較多。因此裝置工作時(shí)，結(jié)冰厚度以不超過(guò)5 mm為宜。

（3）鹽分去除率實(shí)驗(yàn)

料液中水分冷凍結(jié)冰時(shí)會(huì)夾帶少量溶質(zhì)成分。當(dāng)NaCl水溶液濃度為5‰和10‰料液時(shí)，其冰層中NaCl夾帶如圖5所示。

圖5 含鹽量隨鹽水濃度的變化規(guī)律

由圖5可見，料液濃度增加，冰中含NaCl量也增加，而冰中NaCl含量與料液中NaCl含量之比則變化不大。實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)料液特性通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化，盡量減小冰中的溶質(zhì)夾帶。

（4） 融冰實(shí)驗(yàn)

冰水罐中換熱器表面從料液中帶出的冰要在溫度高于冰點(diǎn)的水中融化，融化過(guò)程水溫度變化如圖6所示。

由圖6可見，融冰前期，由于換熱器表面大塊冰的存在，水溫上升緩慢，待大塊冰基本融下進(jìn)入冰水罐后，則冰水罐中水的溫度快速上升，經(jīng)8 min左右完成全部融冰過(guò)程。

圖6 冰水罐中水溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律

裝置按熱泵模式運(yùn)行時(shí)，冷凍模式下由料液中帶出的冰從換熱器表面脫落的過(guò)程如圖7所示。

圖7中，熱泵模式運(yùn)行不到1 min，冰內(nèi)表面與換熱器外表面即開始出現(xiàn)融化松脫，如圖7(a)~(d)所示；隨著過(guò)程進(jìn)行，冰與換熱器之間開始有融冰水流動(dòng)；再后則冰與換熱器外表面之間的間隙越來(lái)越大，直至脫落下來(lái)，如圖7(e)~(h)所示。

4 結(jié)論

圖7 冰層形態(tài)隨時(shí)間變化

熱泵式冷凍濃縮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、料液適應(yīng)性好、運(yùn)行參數(shù)調(diào)控方便，較適于小批量料液處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)冷時(shí)采用料液泵運(yùn)行方式，料液降溫平穩(wěn)，降溫速度較快，料液溫度波動(dòng)??；結(jié)冰時(shí)結(jié)冰速率隨冰層厚度增加而迅速下降，但當(dāng)冰層厚度超過(guò)5 mm時(shí)，結(jié)冰速率又略有上升，此時(shí)冰中溶質(zhì)的夾帶量也增加，故結(jié)冰厚度不宜超過(guò)5 mm；料液濃度增加，冰中溶質(zhì)夾帶量也增加，而濃縮比則變化不大；融冰前期，由于大塊冰貼在換熱器表面，冰水罐內(nèi)水溫上升緩慢，待大塊冰基本融下后，則溫度快速上升，經(jīng)8 min左右完成全部融冰過(guò)程。

[1]陳毅鵬，姜瓊一，方婷，等.不同方法處理荔枝的品質(zhì)研究 [J].安徽農(nóng)學(xué)報(bào)，2010，16（21）：135-137.

[2]張?jiān)Ｖ校仄涿?食品加工技術(shù)裝備[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)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]劉冬雪.冷凍濃縮裝置的參數(shù)優(yōu)化與控制研究 [D].天津：天津科技大學(xué)，2008.

[5]胡濤.轉(zhuǎn)筒式冷凍濃縮裝置的結(jié)構(gòu)與調(diào)控研究 [D].天津：天津科技大學(xué)，2009.

[6]郭全舉.界面漸進(jìn)冷凍分離裝置的研究 [D].天津：天津科技大學(xué)，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

*李銀星，女，1993年生，碩士研究生。天津市，300222。

2017-06-08）