机械蒸汽再压缩

机械蒸汽再压缩应用于蒸发器目录机械蒸汽再压缩与蒸发机械蒸汽再压缩的原理机械蒸汽再压缩机-设计与功能范围工作原理与压缩机设计单级离心压缩机的设计细节压缩机的驱动力监测与安全设备压缩机的控制配备离心风机的蒸发装置配备离心压缩机的蒸发装置热分离，例如蒸发和蒸馏，都是高能耗的过程。在它们的发展过程中，为了节能降耗首先采用了多效装置技术，然后又出现了热力蒸汽再压缩。最终，机械蒸汽再压缩也得以应用。在传统的蒸发器中，产生的蒸汽被冷凝，这意味着其内能有很大程度的损失。相比之下，机械蒸汽再压缩可将蒸汽压缩到较高压力，因而内能得以提高，从而实现这股能量的持续循环。机械蒸汽再压缩降低了一次能源的消耗，所以也降低了环境负载。目前它主要的应用领域是食品和饮料工业（牛奶、乳清、糖溶液的蒸发）、化学工业（水溶液的蒸发）、制盐工业（盐溶液的蒸发）、环保技术（废水的浓缩）等。无论怎样，是否应该安装蒸汽压缩系统都必须在效率研究的基础上做决定。23578101314161822机械蒸汽再压缩与蒸发■重要性■背景■经济效益蒸发、蒸馏、蒸发结晶、蒸发干燥装置都是高能耗的。因此这些装置的操作成本主要取决于能耗。因此比能耗（单位能耗）的降低和优化是首要的。有三种主要的技术实现比能耗的最小化，可单独应用，也可联合应用：1.多效布置2.热力蒸汽再压缩3.机械蒸汽再压缩1．多效布置在多效蒸发装置中，由新蒸汽加热第一效产生的蒸汽不进入冷凝器，而是作为第二效的加热介质得以再次利用。这样可以将新蒸汽消耗有效降低约50%。重复利用此原理，可进一步降低新蒸汽消耗。第一效的最高加热温度与最后一效的最低沸点温度形成了总温差，分布于各个效。结果，每效温差随效数增加而减小。所以为达到指定的蒸发速率必须增大加热面积。初步估算表明，用于所有效的加热面积随效数成比例增加，这样一来蒸汽节省量逐渐减少的同时，投资费用显著增加。2．热力蒸汽再压缩热力蒸汽再压缩时，根据热泵原理，来自沸腾室的蒸汽被压缩到加热室的较高压力；即能量被加到蒸汽上。由于与加热室压力相对应的饱和蒸汽温度更高，使得蒸汽能够再用于加热。为此采用蒸汽喷射压缩器。它们是根据喷射泵原理来操作，没有活动件，设计简单而有效，并能确保最高的工作可靠性。使用一台热力蒸汽压缩器与增加一效蒸发器具有相同的节省蒸汽/节能效果。3A产品B残余蒸汽C浓缩液D动力蒸汽E加热蒸汽冷凝水F蒸汽冷凝V热损失二效直接蒸汽加热蒸发器的热流图热力蒸汽压缩器的操作需要一定数量的新蒸汽，即所谓的动力蒸汽。这些动力蒸汽必须被传送到下一效，或者被送至冷凝器作为残余蒸汽。包含在残余蒸汽中的剩余能量大约与动力蒸汽所提供的能量相当。3．机械蒸汽再压缩机械蒸汽再压缩时，通过机械驱动的压缩机将蒸发器蒸出的蒸汽压缩至较高压力。因此再压缩机也作为热泵来工作，给蒸汽增加能量。与用循环工艺流体（即封闭系统，制冷循环）的压缩热泵相反，因为蒸汽再压缩机是作为开放系统来工作，故可将其视为特殊的压缩热泵。在蒸汽压缩和随后的加热蒸汽冷凝之后，冷凝液离开循环。加热蒸汽（热的一侧）与二次蒸汽（冷的一侧）被蒸发器的换热表面分隔开来。开放式压缩热泵与封闭式压缩热泵的对比表明：在开放系统中的蒸发器表面基本上取代了封闭系统中工艺流体膨胀阀的功能。在多效热力蒸汽再压缩系统中，待释放的冷凝热仍然很高。在多效装置中，如果有n效，冷凝热约为一次能量输入的1/n。而且，蒸汽喷射压缩器只能压缩一部分的二次蒸汽，动力蒸汽的能量必须作为余热释放给冷却水。然而，开放式压缩热泵原理的使用可以显著减少甚至消除通过冷凝器释放的热量。为达到最终的热平衡，可能需要少量的剩余能量或残余蒸汽的冷凝，因此允许恒定的压力比和稳定的操作条件。采用机械蒸汽再压缩的原因■单位能量消耗低■因温差低使产品的蒸发温和■由于常用单效使产品停留时间短■工艺简单，实用性强■部分负荷运转特性优异■操作成本低通过使用相对少的能量，即在压缩热泵情况下的压缩机叶轮的机械能，能量被加入工艺加热介质中并进入连续循环。在此情况下，不需要一次蒸汽作为加热介质。A产品B蒸汽B1残余蒸汽C浓缩液D动力蒸汽E加热蒸汽冷凝水V热损失A产品B蒸汽B1残余蒸汽C浓缩液D电能E加热蒸汽冷凝水V热损失热力蒸汽再压缩加热蒸发器的热流图机械蒸汽再压缩加热蒸发器的热流图4由于成本原因，单级离心压缩机和高压风机被普遍用于机械蒸汽再压缩系统。因此下述说明是针对此类设计。离心压缩机是体积控制机器，即无论吸入压力多大，体积流率几乎保持恒定。而质量流量的变化与绝对吸入压力成比例。单级离心压缩机的压缩循环描绘在焓熵图中。单级离心压缩机需要的动力：机械蒸汽再压缩的原理比熵s(kJ/kgK)例如：将来自蒸发器的饱和水蒸汽从吸入状态p1=1.9bar,t1=119℃压缩到p2=2.7bar,t2=161℃（压缩比Π=1.4）。压缩循环沿着多变曲线1－2，蒸汽的比焓增加量Δhp。对于蒸汽的比焓h2，通过压缩机内效率（等熵效率）的等式：在此温度下，它进入到蒸发器的加热器。基于被吸入蒸汽的量，kg/hr。hp单位多变（有效）压缩功，kJ/kg。hs单位等熵压缩功，kJ/kg。压缩机的等熵效率（内效率）。而得到的值是h2=2785kJ/kg(ηs0.8适用于水蒸汽介质的单级离心压缩机)。t2=161℃相对于h2和p2。现在此蒸汽就能够用于加热第I效蒸发器。首先它失去过热并冷却至饱和温度t3（130℃），压力p2（2.7bar）。~~水蒸气在Mollier焓/熵图的状态变化（单级压缩）m5ηηηs除其他因素之外，单位多变压缩功hp取决于多方指数κ和吸入气体的摩尔质量M，以及吸入温度和要求的压升。对于原动机（电动机、燃气机、涡轮机等）的实际耦合功率，考虑了更大的机械损耗余量。叶轮由标准材料制造的单级离心压缩机能够获得压缩因子1.8的水蒸汽压升，如果采用钛等更高质量的材料，压缩因子可高达2.5。这样一来，最终压力p2就是吸入压力p1的1.8倍，或最大2.5倍，这对应于饱和蒸汽温度升高约12-18K，最大温升可到30K，这取决于吸入压力。就蒸发技术而言，通常的做法是根据相应的水沸点温度来表示其压力。这样，有效温差就被直接表示出来。例如：吸入压力p1=1bar对应于100℃最终压力p2=1.7bar对应于115.2℃压力比Π==1.7饱和蒸汽温升：15.2K传动轴需要的耦合功率(kW)压缩比Π6原动机耦合功率的选取。饱和蒸汽（摩尔质量M=18kg/kmol，多方指数κ=1.33）单级离心压缩机的等熵压缩功hs的计算图，即与压缩比Π和吸入温度的关系。p2p1机械蒸汽再压缩机-设计与功能范围用于气体压缩的机器是按照正位移原理或动力学原理来操作的。在正位移机器中，机器活动件将吸入室和压力室分隔开，操作室的体积减少而气体压力升高。在使用往复式压缩机的情况下，这样的过程通过气缸内活塞的运动来实现的。在动力式机器中，通过叶轮片高周速的旋转供给气体能量。气体首先被加速然后通过位于叶轮下游的扩散器减速。这样，高速度转化为压力能。根据流体通过叶轮的方向，将相关设备称为轴流、混流或离心式压缩机。最适用的压缩机类型取决于相关应用的操作条件。关键参数是需要达到的压升和待压缩蒸汽的流量。Π是最终压力p2与吸入压力p1的比值，定义为压缩比。由于蒸发装置经常是在真空范围内操作，加热表面负荷中等，温差小，所以通常采用离心式再压缩机。主要包括：■高压离心风机■单级离心压缩机此类机器的流量范围大（例如3,000到500,000m3/hr），压缩比1.1到2.5。离心式，单级离心式，多级轴流式，多级罗茨式螺杆式，单级往复式，单级往复式，多级离心风机压缩机设计Vk7用于蒸汽再压缩的压缩机功能范围按照制造厂数据（水蒸汽的冷凝温度的升高，初始状态为1bar、100℃）。k机械传动压缩机容积式压缩机往复式回转式旋转活塞式轴流式螺杆式压缩机罗茨式压缩机往复式压缩机的操作方式与内燃机原理类似。通过在十字头上的连杆与活塞杆，曲柄轴推拉活塞进行直线往复运动。在工作室内活塞上部和下部的气体通过气压驱动的阀门被替换。为了避免在密封面的热应力，气缸壳和密封盒可由蒸汽加热。回转式压缩机对于水蒸汽的压缩是不重要的。它们经常用于冷却剂的压缩。螺杆式压缩机的工作单元是主转子和副转子。分隔室由啮合螺杆面和壳体之间转子形成。当转子转动时，分隔室逐渐变小。装机压缩比Πin由出口的位置和转子尺寸决定。两个对称的呈“8字形旋转凸轮和罗茨压缩机的鼓风机壳体形成了分隔室。当凸轮旋转时，气体流入这些分隔室并被从吸入端传送到压力端。在回转叶片内没有内部压缩。在分隔室内的压力侧气体依照正排量原理被压缩。在旋转时凸轮之间并没有实际接触，而是保持很小的间隙。轴流式压缩机用于体积流量很大的工况。通常设计成多级系统。在单级轴流压缩时，只能获得相当于单级离心压缩机一小部分的压升。然而多级轴流压缩机的效率要高于多级离心压缩机。与离心压缩机相比，对于同类型的压缩工作能够使用尺寸小得多的轴流压缩机。Vmin=0.01m3/sVmax=6m3/sVmin=0.06m3/s/sVmax=22m3Vmin=0.05m3/sVmax=25m3/sVmin=25m3/sVmax=400m3/s8混流压缩机对于水蒸汽的压缩不重要。离心风机能够用于低压缩比最高至Π=1.25的工况。与离心压缩机相同，气体沿轴向进入叶轮入口，在离心力作用下从径向流出。风机叶轮和壳体为焊接板结构，需要时用加强肋补强。通常不需要齿轮变速箱，因为驱动系统可以做到要求的叶轮转速。单级离心压缩机此类压缩机的主要特征是悬臂叶轮和压缩机以及变速箱的紧凑布置。电机、变速箱和压缩机通常安装在同一底座上。压缩机壳体采用铸材。由于大于400m/s的高叶端速度，叶轮是高度受力的，故由高质量的材料例如铬镍钢或钛合金制成。多级离心压缩机此类型的压缩机用于大流量和高饱和蒸汽温升的工况。多级离心压缩机是通过在同一轴上布置数级而形成的。气体在离开一级之后，流过扩散器和级间通道，然后进入下一级叶轮。叶轮轴在壳体内轴承上运转，由独立的斜齿轮驱动。为了提高效率和避免壳体内不能承受的高温，可将水注入级间通道。为了达到超过Π=10的压力比，也可将单级机器串联起来。如果叶轮是由带若干小齿轮的中央驱动装置驱动，可以被称为二-、三-、或四-叶轮压缩机。工作原理与压缩机设计动力式操作压缩机混流式离心式离心风机单级离心压缩机多级离心压缩机Vmin=1m3/sVmax=140m3/sΠmax=2.5Vmin=0.5m3/sVmax=150m3/sΠmax=10(在一个壳体中)Vmin=0.8m3/sVmax=70m3/s9气体出口整体蜗壳允许最终压力高达60bar进口导向叶轮用于连续调节，达到最大的部分载荷效率气体入口单级离心压缩机的设计细节10最高质量的小齿轮轴确保安全操作免维护的小齿轮轴承具有最佳的润湿特性坚固的齿轮箱紧凑设计斜齿轮直接驱动主油泵给轴承和齿轮提供可靠的润滑半开式设计的叶轮允许每级达到最大的压力比离心压缩机的三维描述（插图：AtlasCopco）11叶轮叶轮是悬臂式设计，位于轴（对于压缩机为小齿轮轴，对于风机为主轴）的自由端。根据压缩机的设计，使用半开式或封闭式叶轮。叶片的几何形状可能是■径向式，或■后曲式径向式叶片的叶轮能够获得更高的压力，这是由于较大的强度能够达到较高的叶端速度。后曲式叶片的叶轮的允许叶端速度较低，但是它们的工作范围更宽而且更稳定。对于较低的压升，即相对于较低的叶端速度，使用封闭式叶轮，由于封闭式叶轮具有陡峭的特性曲线。叶轮能够被精确的铣制，或是焊接设计。经常采用双相不锈钢材质EN1.4462，这种材料抗腐蚀。而且能达到要求的强度。也有使用其他CrNi合金钢和特殊材质如钛合金。蜗壳离开叶轮后，加速了的气体流入蜗壳和管式扩散器。在此过程中，流速降低，高的动能转化为静压。离心压缩机壳体大多由CrNi合金钢铸造而成，而风机壳体通常都是焊接设计。为把腐蚀程度降至最低，风机采用CrNiMo合金钢，典型的材料如EN1.4571。壳体厚度和外部补强件的尺寸选择要注意不能超过容许形变，这对真空条件下