一种热泵多效蒸发耦合式水处理系统及其工作方法

1.本发明涉及工业水处理及热回收领域，尤其涉及热泵热回收与多效蒸发相耦合的水处理系统及其工作方法。


背景技术：

2.在化工、石油、制药等行业，大多会利用蒸发技术蒸发、浓缩、结晶、干燥、灭菌，而蒸发技术则是一道能耗较高的单元操作，一直是化工生产工艺或废水处理方面的耗能大户，蒸发工艺主要用于回收高浓度的废水浓缩液简单的来说，蒸发浓缩就是使指加热溶液使部分水分挥发，溶质增大的过程，在蒸发浓缩的过程中需要不断的供给热能，在工业中采用的热源通常为水蒸汽，而蒸发浓缩的物料大部分是水溶液，此操作过程中会产生较多的二次蒸汽，若直接将二次蒸汽排放不仅浪费了蒸汽的潜热而且部分物料也会随着二次蒸汽一同流出蒸发系统，会对环境造成一定的污染。
3.传统工业在能源的消耗和蒸发系统余热的浪费还是比较严重的，传统单效蒸馏的浓缩方法，二次蒸汽得不到再利用，其中大多仅循环利用和回收了约30％的废热和余热。因此废热的循环利用和余热回收是节能减排的重要环节之一，也是为企业降本、环保、增效的必要措施。
4.机械蒸汽再压缩是目前最为常用的低温二次蒸汽余热回收方法，然而，当废水温度过低时，二次蒸汽压力和温度低，蒸汽比容大，压缩机流量和压比大，而当下大流量大压比的蒸汽压缩机技术尚不成熟，压缩机故障率高，系统稳定性差，所以亟需一种能替代机械蒸汽压缩机，用于回收多效蒸发系统二次蒸汽热量实现废水的热回收与浓缩处理，最好还能取消多效蒸发系统对热源蒸汽的依赖。


技术实现要素：

5.本发明目的是针对上述现有技术存在的问题和不足，提出一种热泵多效蒸发耦合式水处理系统。
6.为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种热泵多效蒸发耦合式水处理系统，包括多效蒸发循环系统、溴化锂吸收式热泵循环系统以及压缩式热泵循环系统，其特征在于，所述多效蒸发循环系统包括：第一离心泵1、预热器2、一效蒸发器3、第一减压阀4、二效蒸发器5；待处理水通过管路连通到第一离心泵1入口，第一离心泵1出口通过管路连接到预热器2入口a1，预热器2出口a2通过管路连接到一效蒸发器3的溶液入口b1，所述一效蒸发器3溶液出口b2通过第一减压阀4接至二效蒸发器5溶液入口c1，并由浓溶液出口c2排出，一效蒸发器3蒸汽出口b5通过管路接至二效蒸发器5的蒸汽入口c3；二效蒸发器5的凝结水出口c2通过管路接至预热器2的冷凝水入口a3，并由出口a4排出；
8.所述溴化锂吸收式热泵循环系统包括：发生器6、冷凝器7、第二离心泵8、第一蒸发器9、吸收器10、溶液热交换器11、第三离心泵12、第二减压阀13；所述发生器6的蒸汽入口d1
通过管路连接二效蒸发器5的蒸汽出口c5,发生器6的冷凝水由出口d2排出，所述发生器6的上部蒸汽出口d6连接冷凝器7的蒸汽入口e1，所述冷凝器7的出口e2通过管路经第二离心泵8连接至第一蒸发器9的水入口f1，第一蒸发器9的蒸汽出口f2连接至吸收器10的顶部蒸汽入口g1；发生器6底部浓溶液出口d7经第三离心泵12接至溶液热交换器11入口h3，所述溶液热交换器11出口h4接至吸收器10的溶液入口g2；所述溶液热交换器11的溶液入口h1通过管道接至一效蒸发器3的溶液出口b4，所述溶液热交换器11的溶液出口h2经第二减压阀13连接至发生器6的溶液入口d5；所述吸收器10的稀溶液出口g3连接一效蒸发器3的入口b3；
9.所述压缩式热泵循环系统包括：压缩机14、第四离心泵15、第二蒸发器16、第三蒸发器17、第一节流阀18、第二节流阀19、蒸发压力调节阀20；所述压缩机14的出口分别连接至发生器6的制冷剂入口d4、第一蒸发器9的制冷剂入口f3；发生器6的制冷剂出口d3和第一蒸发器9的制冷剂出口f4通过管路汇合后，分别连接至第一截止阀23的入口和第一节流阀18的入口,所述第一节流阀18出口连接至第二蒸发器16的溶液入口i1，第二蒸发器16的溶液出口i2连接至蒸发压力调节阀20入口；所述第一截止阀23出口通过管道连接至第二节流阀19的入口，第二节流阀19的出口连接至第三蒸发器17入口，第三蒸发器17的出口和蒸发压力调节阀20的出口通过管道共同连接至压缩机14；第四离心泵15出口连接冷凝器7的出口e3,冷凝器7出口e4连接第二蒸发器16的入口i4，第二蒸发器16出口i3接至第四离心泵15的入口。
10.进一步，所述第二蒸发器16的出口i3管路上设置有第一温度控制器21，所述第一温度控制器21的控制信号通过导线连接第一节流阀18，压缩机14入口处设置第二温度控制器22，第二温度控制器22的控制信号通过导线连接至第二节流阀19。
11.进一步，所述压缩机14的出口还通过第二截止阀24连接至第三蒸发器17的入口。
12.进一步，所述压缩式热泵循环系统中的热泵循环工质为能实现冷凝温度为55℃～75℃、蒸发温度为-5℃～35℃的工质。
13.进一步，所述第三蒸发器17为空气源蒸发器。
14.进一步，所述第一节流阀18和第二节流阀19为外平衡式热力膨胀阀或电子膨胀阀，当第一节流阀18和第二节流阀19为外平衡式热力膨胀阀时，所述第一温度控制器21和第二温度控制器22对应为热力膨胀阀的感温包。
15.本发明的一种热泵多效蒸发耦合式水处理系统的工作方法，具体方法步骤是，当存在待处理水溶液时，打开第一减压阀4、第二减压阀13、第一截止阀23，待处理水溶液进入第一离心泵1内加压，再通过预热器2预热后由溶液入口b1进入一效蒸发器3内，一效蒸发器3内的待处理水被加热产生的蒸汽由一效蒸发器3顶部出口b5经蒸汽入口c3流入二效蒸发器5内，未蒸发的水由一效蒸发器3的出口b2流出，经第一减压阀4降压后继续进入二效蒸发器5内与由一效蒸发器3流入的蒸汽进行换热，蒸发产生的蒸汽同时自身被浓缩为浓溶液，由二效蒸发器5出口c2流出，蒸汽放热冷凝得到的冷凝水由二效蒸发器5出口c4流入预热器2内换热，二效蒸发器5内产生的二次蒸汽由顶部出口c5通入发生器6的蒸发器入口d1内被冷凝，释放的热量用于发生器6内的溴化锂稀溶液蒸发；
16.发生器6内的稀溴化锂溶液同时吸收来自二效蒸发器5产生的二次蒸汽以及由入口d4流入的压缩机14压缩的制冷剂气体的冷凝热，产生的蒸汽进入冷凝器7内冷凝，冷凝水被第二离心泵8升压后进入第一蒸发器9蒸发为水蒸汽后再进入吸收器10内，发生器6内的
溴化锂溶液则被第三离心泵12泵入溶液热交换器11吸热升温后喷入吸收器10内吸收水蒸汽得到高温溴化锂溶液，吸收器10内的溴化锂溶液进入一效蒸发器3的换热管内发热蒸发管外被处理的水或溶液，降温后继续进入溶液热交换器11与溴化锂溶液进行热交换，温度降低后经第二减压阀13进入发生器6内进入下一步循环；
17.压缩机热泵循环的压缩机4压缩后的制冷剂气体，一路进入发生器6内发热冷凝，提供稀溶液再生需要的热量，另一路则进入第一蒸发器9内提供水蒸发需要的热量，冷凝后的制冷剂液体汇合后再次分两路，一路经第一节流阀18节流降压后进入第二蒸发器16内蒸发，另一路则经第一截止阀23和第二节流阀19进入第三蒸发器17内蒸发，第二蒸发器16流出的制冷剂气体经蒸发压力调节阀20调压后与第三蒸发器17流出的制冷剂气体汇合后共同进入压缩机4被压缩后进入下一个循环；
18.冬季因第三蒸发器17为空气源蒸发器，当表面结霜需要除霜时，打开第二截止阀24，压缩机14产生的制冷剂气体一部分由管路进入第三蒸发器17内进行热气旁通除霜。
19.进一步，第一节流阀18受第一温度控制器21的温度控制，第一节流阀18的开度与第二蒸发器16的出口i3处的水温度成正比例调节；
20.进一步，第二节流阀19受第二温度控制器22的温度控制，第二节流阀19的开度与压缩机14的入口温度成正比例调节。
21.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
22.多效蒸发循环的末端蒸发器内蒸汽通入吸收式热泵内的发生器内放热冷凝，吸收式热泵吸收器内稀溶液通入一效蒸发器内被处理水蒸发，溴化锂吸收式热泵可以输出100℃以上的热源，能够为多效蒸发系统提供热量，性能稳定的压缩机热泵通过回收吸收式蒸汽的冷凝热以及利用空气源蒸发器从环境空气吸收热量，通过热泵冷凝器为发生器供给热能，进而不需要额外热源就能够实现污水或者废水的蒸发处理。多效蒸发循环、溴化锂吸收式热泵循环和压缩式热泵循环的共同使用，不仅能够结合蒸汽压缩式循环与溴化锂吸收式热泵循环各自的优点使其得到较大的温升和较高的热力性能，而且多效蒸发循环利用蒸发器压差回收自身系统的蒸汽潜热实现多次蒸发和冷凝，结合溴化锂吸收式热泵循环对多效蒸发循环末级蒸发器产生的二次蒸气进行升温再利用，能极大限度地降低蒸发过程的能耗，提高系统的能源效率。
附图说明
23.图1为本发明流程系统图。
24.图中：1是第一离心泵、2是预热器、3是一效蒸发器、4是第一减压阀、5是二效蒸发器、6是发生器、7是冷凝器、8是第二离心泵、9是第一蒸发器、10是吸收器、11是溶液热交换器、12是第三离心泵、13是第二减压阀、14是压缩机、15是第四离心泵、16是第二蒸发器、17是第三蒸发器、18是第一节流阀、19是第二节流阀、20是蒸发压力调节阀、21是第一温度控制器、22是第二温度控制器、23是第一截止阀、24是第二截止阀。
具体实施方案
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
26.一种热泵多效蒸发耦合式水处理系统，包括多效蒸发循环系统、溴化锂吸收式热泵循环系统以及压缩式热泵循环系统，其特征在于，所述多效蒸发循环包括：第一离心泵1、预热器2、一效蒸发器3、第一减压阀4、二效蒸发器5；待处理水通过管路连通到第一离心泵1入口，第一离心泵1出口通过管路连接到预热器2入口a1，预热器2出口a2通过管路连接到一效蒸发器3的溶液入口b1，所述一效蒸发器3溶液出口b2通过第一减压阀4接至二效蒸发器5溶液入口c1，并由浓溶液出口c2排出，一效蒸发器3蒸汽出口b5通过管路接至二效蒸发器5的蒸汽入口c3；二效蒸发器5的凝结水出口c4通过管路接至预热器2的冷凝水入口a3，并由出口a4排出；
27.所述溴化锂吸收式热泵循环系统包括：发生器6、冷凝器7、第二离心泵8、第一蒸发器9、吸收器10、溶液热交换器11、第三离心泵12、第二减压阀13；所述发生器6的蒸汽入口d1通过管路连接二效蒸发器5的蒸汽出口c5,发生器6的冷凝水由出口d2排出，所述发生器6的上部蒸汽出口d6连接冷凝器7的蒸汽入口e1，所述冷凝器7的出口e2通过管路经第二离心泵8连接至第一蒸发器9的水入口f1，第一蒸发器9的蒸汽出口f2连接至吸收器10的顶部蒸汽入口g1；发生器6底部浓溶液出口d7经第三离心泵12接至溶液热交换器11入口h3，所述溶液热交换器11出口h4接至吸收器10的溶液入口g2；所述溶液热交换器11的溶液入口h1通过管道接至一效蒸发器3的溶液出口b4，所述溶液热交换器11的溶液出口h2经第二减压阀13连接至发生器6的溶液入口d5；所述吸收器10的稀溶液出口g3连接一效蒸发器3的入口b3；
28.所述压缩式热泵循环系统包括：压缩机14、第四离心泵15、第二蒸发器16、第三蒸发器17、第一节流阀18、第二节流阀19、蒸发压力调节阀20；所述压缩机14的出口分别连接至发生器6的制冷剂入口d4、第一蒸发器9的制冷剂入口f3；发生器6的制冷剂出口d3和第一蒸发器9的制冷剂出口f4通过管路汇合后，分别连接至第一截止阀23的入口和第一节流阀18的入口,所述第一节流阀18出口连接至第二蒸发器16的溶液入口i1，第二蒸发器16的溶液出口i2连接至蒸发压力调节阀20入口；所述第一截止阀23出口通过管道连接至第二节流阀19的入口，第二节流阀19的出口连接至第三蒸发器17入口，第三蒸发器17的出口和蒸发压力调节阀20的出口通过管道共同连接至压缩机14；第四离心泵15出口连接冷凝器7的出口e3,冷凝器7出口e4连接第二蒸发器16的入口i4，第二蒸发器16出口i3接至第四离心泵15的入口。
29.所述第二蒸发器16的出口i3管路上设置有第一温度控制器21，所述第一温度控制器21的控制信号通过导线连接第一节流阀18，压缩机14入口处设置第二温度控制器22，第二温度控制器22的控制信号通过导线连接至第二节流阀19。
30.所述压缩机14的出口还通过第二截止阀24连接至第三蒸发器17的入口。
31.所述压缩式热泵循环系统中的热泵循环工质为能实现冷凝温度为55℃～75℃、蒸发温度为-5℃～35℃的工质。
32.所述第三蒸发器17为空气源蒸发器。
33.所述第一节流阀18和第二节流阀19为外平衡式热力膨胀阀或电子膨胀阀，当第一节流阀18和第二节流阀19为外平衡式热力膨胀阀时，所述第一温度控制器21和第二温度控制器22可对应为热力膨胀阀的感温包。
34.一种热泵多效蒸发耦合式水处理系统的工作方法，其特征在于，当存在待处理水溶液时，打开第一减压阀4、第二减压阀13、第一截止阀23，待处理水溶液进入第一离心泵1
内加压，再通过预热器2预热后由溶液入口b1进入一效蒸发器3内，一效蒸发器3内的待处理水被加热产生的蒸汽由一效蒸发器3顶部出口b5经蒸汽入口c3流入二效蒸发器5内，未蒸发的水由一效蒸发器3的出口b2流出，经第一减压阀4降压后继续进入二效蒸发器5内与由一效蒸发器3流入的蒸汽进行换热，蒸发产生的蒸汽同时自身被浓缩为浓溶液，由二效蒸发器5出口c2流出，蒸汽放热冷凝得到的冷凝水由二效蒸发器5出口c4流入预热器2内换热，二效蒸发器5内产生的二次蒸汽由顶部出口c5通入发生器6的蒸发器入口d1内被冷凝，释放的热量用于发生器6内的溴化锂稀溶液蒸发；
35.发生器6内的稀溴化锂溶液同时吸收来自二效蒸发器5产生的二次蒸汽以及由入口d4流入的压缩机14压缩的制冷剂气体的冷凝热，产生的蒸汽进入冷凝器7内冷凝，冷凝水被第二离心泵8升压后进入第一蒸发器9蒸发为水蒸汽后再进入吸收器10内，发生器6内的溴化锂溶液则被第三离心泵12泵入溶液热交换器11吸热升温后喷入吸收器10内吸收水蒸汽得到高温溴化锂溶液，吸收器10内的溴化锂溶液进入一效蒸发器3的换热管内发热蒸发管外被处理的水或溶液，降温后继续进入溶液热交换器11与溴化锂溶液进行热交换，温度降低后经第二减压阀13进入发生器6内进入下一步循环；
36.压缩机热泵循环的压缩机14压缩后的制冷剂气体，一路进入发生器6内发热冷凝，提供稀溶液再生需要的热量，另一路则进入第一蒸发器9内提供水蒸发需要的热量，冷凝后的制冷剂液体汇合后再次分两路，一路经第一节流阀18节流降压后进入第二蒸发器16内蒸发，另一路则经第一截止阀23和第二节流阀19进入第三蒸发器17内蒸发，第二蒸发器16流出的制冷剂气体经蒸发压力调节阀20调压后与第三蒸发器17流出的制冷剂气体汇合后共同进入压缩机4被压缩后进入下一个循环；
37.冬季因第三蒸发器17为空气源蒸发器，当表面结霜需要除霜时，打开第二截止阀24，压缩机14产生的制冷剂气体一部分由管路进入第三蒸发器17内进行热气旁通除霜。
38.所述第一节流阀18受第一温度控制器21的温度控制，第一节流阀18的开度与第二蒸发器16的出口i3处的水温度成正比例调节关系，该水温的控制主要是为了保障冷凝器7的工作要求，使冷凝器7内蒸汽完全液化，当第二蒸发器16的出口i3处的水温度过高时，说明第二蒸发器16的制冷量不足，此时增大第一节流阀18的阀门开度，增加制冷剂的流量；
39.所述第二节流阀19受第二温度控制器22的温度控制，第二节流阀19的开度与压缩机14的入口温度成正比例调节，该温度为压缩机吸气温度，是为了稳定压缩机的运行工况，由于第二蒸发器16出口制冷剂的温度和压力主要受第一温度控制器21的控制调节，所以压缩机14的吸气温度主要通过第三蒸发器17来调节，当压缩机14的吸气温度过高时，可增大第二节流阀19的阀门开度，增加制冷剂的流量。
40.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种变更与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。