蒸发浓缩是工业中典型的化工单元操作,因此提高蒸发浓缩系统的运行效率对降低能耗具有重要作用。高温热泵双效蒸发系统是一种新型的蒸发浓缩系统,它在常规双效蒸发浓缩系统中引入热泵循环子系统,替代了高能耗的蒸汽热源,实现了能源的高效应用与回收。同时它也避免了MVR系统中压缩机制造工艺复杂、体积偏大、成本较高的问题。本文在对系统运行流程的分析与研究的基础上,通过实验测试系统的运行效果,并对系统的节能性与经济性进行评价,研究该系统的优化设计与运行模拟的方法。(1)为实现蒸汽冷凝热的高效回收利用,本文构建了高温热泵双效蒸发系统。依据实际工况条件对各部件能量收支进行了简单的估算,对比分析系统的能量利用效率,指明系统内能量的传递方向与量级,为系统模型的建立提供了基础。综合考虑蒸发浓缩工艺参数和热泵工质的普适性原则,选择R245fa作为高温热泵的制冷剂工质。(2)数学模型是进行热力系统设计与性能分析的前提。以系统能流图为基础,根据质量守恒和能量守恒关系,完成了高温热泵双效蒸发系统热力计算模型、计算传热模型和系统评价模型的构建,包括:双效蒸发子系统设备模型、高温热泵子系统设备模型、相变传热系数计算模型、节能和经济评价指标。(3)为了掌握高温热泵双效蒸发系统的性能,验证系统的可实现性,本文设计并搭建了实验台对系统进行测试实验和变工况实验。实验结论如下:系统的总蒸发量可达到1917kg/h,热泵COP为4.62,单位电耗蒸发量为11.62kg/kW·h;压缩机负荷的增加会提高总蒸发量并且降低单位电耗蒸发量;蒸发器采用双流程的系统性能优于三流程系统;新系统的节能性和经济性均全面优于常规系统,且新系统的年总费用为73.53万元,年总蒸发量可达到1.66万吨。(4)在系统数学模型的基础上,完成了高温热泵双效蒸发系统的优化设计和运行模拟。为了对系统经济性进行优化,以系统单位费用下的蒸发量为优化目标,利用遗传算法对系统进行优化设计,得到系统单位费用下的蒸发量最大值为16.656kg/元。为研究系统运行特性,采用迭代的计算方法求解系统的运行模拟模型,研究了换热器的传热特性、不凝性气体占比和压缩机容积流量对系统运行效果的影响,其中不凝性气体占比由0增加到30%时,总蒸发量减少16.01%,单位电耗蒸发量减少11.11%。本文研究了高温热泵双效蒸发系统的热力特性和影响因素,为系统的实际工程应用、高效化设计与优化提供理论依据与指导。