MVR机械式再压缩蒸发器知识汇总.docx

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MVR机械式再压缩蒸发器知识汇总

MVR——机械式蒸汽再压缩技术

第一章MVR概述

MVR:

（mechanicalvaporrecompression）的简称。

MVR是重新利用它自

身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术.

1、原理

利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发系统产生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的

焓，提高热焓的二次蒸汽进入蒸发系统作为热源循环使用，替代绝大部分

生蒸汽，生蒸汽仅用于系统初启动用、补充热损失和补充进出料温差所需

热焓，从而大幅度降低蒸发器的生蒸汽消耗，达到节能目的。

MVR的理论基础是波义耳定律

推导而出，即PV/T=K，其含义是一定质量的气体的压强*体积/温度为

常数，也就意味着当气体的体积减小，压强增大时，气体的温度也会随即

升高；

根据此原理，当稀薄的二次蒸汽在经体积压缩后其温度会随之升高，

从而实现将低温、低压的蒸汽变成高温高压的蒸汽，进而可以作为热源再

次加热需要被蒸发的原液，从而达到可以循环回收利用蒸汽的目的。

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2、工艺流程

原料

压缩机

热损失

电能

物料

蒸汽

冷凝

二次蒸汽

浓缩液

成品

图1

机械式蒸汽再压缩技术原理图

图2机械式蒸汽再压缩工艺流程图

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第二章压缩机详解

一、压缩机

用来压缩气体借以提高气体压力或输送气体的机械称为压缩机。

也有

把压缩机称为“压气机”和“气泵”的。

提升的压力小于0.2MPa时，称为

鼓风机。

提升压力小于0.02MPa时称为通风机。

1、压缩机分类

1.1按工作原理分类

（1）容积式压缩机直接对一可变容积中的气体进行压缩，使该部分气

体容积缩小、压力提高。

其特点是压缩机具有容积可周期变化的工

作腔。

（2）动力式压缩机它首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动

能；然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气

体容积也相应减小。

其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的

叶轮。

动力式压缩机也称为速度式压缩机。

按工作

容积式

动力式

原理

按运动

往复式

回转式

离

轴

旋

喷

件工作

心

流

涡

射

特性

式

式

式

式

按运动

活

隔

柱

转

滑

液

三涡

罗

双

单

叶轮（透平）

喷

件结构塞膜塞子片环角旋茨

螺螺式

射

特征

式

式

式

式

式

式

转式

杆

杆

泵

子

1.2按排气压力分类

分类

名称

排气压力（表压）

风机

通风机

<15kPa

鼓风机

0.015～0.2Mpa

压缩机

低压压缩机

0.3

～1.0Mpa

中压压缩机

1.0

～10Mpa

高压压缩机

10～100Mpa

超高压压缩机

>100Mpa

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1.3按压缩级数分类

单级压缩机气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩

两级压缩机气体顺次通过两次工作腔或叶轮压缩

多级压缩机气体顺次通过多次工作腔或叶轮压缩，相应通过几

次便是几级压缩机

1.4按容积流量分类

名

称

容积流量／（m3／min）

微型压缩机

<1

小型压缩机

1～10

中型压缩机

10～100

大型压缩机

≥100

活塞式转子式滑片式

涡旋式

单螺杆

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几种特殊的压缩机

二、离心压缩机

离心压缩机是产生压力的机械，是透平压缩机的一种。

透平是英译音

“TURBINE”，即旋转的叶轮。

离心压缩机：

指气体在压缩机中的运动是沿垂直于压缩机轴的径向进行的。

所以也称径流压缩机。

2.1离心式压缩机工作原理

具有叶片的工作轮在压缩机的轴上旋转，进入工作轮的气体被带着旋

转，增加了动能（速度）和静压头（压力），然后出工作轮进入扩压器内，

在扩压器内气体的速度转变为压力，进一步提高压力，经过压缩的气体再经

弯道和回流器进入下一级叶轮进一步压缩至所需的压力。

气体在叶轮中提高压力的原因有两个：

一是气体在叶轮叶片作用下，跟着叶轮做高速的旋转，而气体由于受旋转所产生的离心力的作用使气体的压力升高；二是叶轮是从里到外逐渐扩大的，气体在叶轮里扩压流动，使气体通过叶轮后压力提高。

2.2离心式压缩机分类

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（1）按轴的型式分：

单轴多级式，一根轴上串联几个叶轮；双轴四级式，

四个叶轮分别悬臂地装在两个小齿轮的两端，旋转靠电机通过大齿轮

驱动小齿轮。

（2）按气缸的型式分：

水平剖分式和垂直剖分式。

（3）按级间冷却形式分类：

级外冷却，每段压缩后气体输出机外进入冷却

器；机内冷却，冷却器和机壳铸为一体。

（4）按压缩介质分类：

空气压缩机、氮气压缩机、氧气压缩机等。

2.3离心式压缩机的特点

优点：

（1）由于是连续旋转式机械，可以大大地提高进入其中的工质量，提高功率。

所以，离心式压缩机的第一个特点是：

功率大。

（2）由于工质量可以提高，必然导致叶片转速的提高，所以第二个特点是高速性。

（3）无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单；

（4）易损部件少，故障少、工作可靠、寿命长；

（5）机组单位功的重量、体积及安装面积小；

（6）机组的运行自动化程度高，调节范围广，且可连续无级调节；

（7）在多级压缩机中容易实现一机多种蒸发温度；

（8）润滑油与介质基本上不接触，从而提高了冷凝器及蒸发器的传热性能；

（9）对大型压缩机，可由蒸气动力机或燃气动力机直接带动，能源使用经济合理；

缺点：

（1）单机容量不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率；

（2）因依靠速度能转化成压力能，速度又受到材料强度等因素的限制，故压缩机每级的压力比不大，在压力比较高时，需采用多级压缩；

（3）特别情况下，机器会发生喘振而不能正常工作；

2.4离心机压缩机的工作原理分析

2.4.1常用名词解释：

（1）级：

每一级叶轮和与之相应配合的固定元件（如扩压器等）构成一个基本

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的单元，叫一个级。

（2）段：

以中间冷却器隔开级的单元，叫段。

这样以冷却器的多少可以将压缩机分成很多段。

一段可以包括很多级。

也可仅有一个级。

（3）标态：

0℃，1标准大气压。

（4）进气状态：

一般指进口处气体当时的温度、压力。

（5）重量流量：

一秒时间内流过气体的重量。

（6）容积流量：

一秒时间内流过气体的体积。

（7）表压（G）：

以当地大气为基准所计量的压强。

（8）绝压（A）：

以完全真空为基准所计量的压强。

（9）真空度：

与当地大气负差值。

（10）压比：

出口压力与进口压力的比值。

（11）比容：

单位质量的物质所占有的容积，符号V表示，数值为密度的倒数。

2.4.2离心式压缩机性能参数：

离心压缩机的主要性能参数是流量、排气压力、有效功率、效率、轴功率、转速、压缩比和温度。

（1）流量：

单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体量，通常以体积流量和

质量流量两种方法来表示。

体积流量——是指单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体体积，其单

位为m3/s。

因气体的体积随温度和压力的变化而变化，当流量以体

积流量表示时，须注明温度和压力。

质量流量——是指单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体质量，其单

位为kg/s。

（2）排气压力:

即指压缩机出口压力。

（3）有效功率：

有效功率是指在气体的压缩过程中，叶轮对气体所作的功，绝大部分

转变为气体的能量，另有一部分能量损失，该损失基本上包括流动损失、

轮阻损失和漏气损失三部分，我们将被压缩气体的能量与叶轮对气体所作

功的比值称为有效功率。

（4）轴功率：

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离心式压缩机的转子在为气体升压提供有用功率，以及在气体升压过程中产生的流动损失功率、轮阻损失功率和漏气损失功率外，其本身也产

生机械损失，即轴承的摩擦损失，这部分功率消耗约占总功率的2%~3%。

如果有齿轮传动，则传动功率消耗同样存在，约占总功率的2%~3%。

以上六个方面的功率消耗，都是在转子对气体作功的过程中产生的，它们的总

和即为离心式压缩机的轴功率。

轴功率是选择驱动机功率的依据

（5）效率：

效率主要用来说明传递给气体的机械能的利用程度。

由于气体的压缩有等温压缩、绝热压缩和多变压缩等三种过程，所以，压缩机的效率也有等温效率、绝热效率和多变效率之分。

A、等温效率

是指气体在压缩过程中，等温压缩功和叶轮对气体所作功的比值。

B、绝热效率

是指气体在压缩过程中，绝热压缩功和叶轮对气体所作功的比值。

C、多变效率

是指气体在压缩过程中，多变压缩功和叶轮对气体所作功的比值。

（6）转速：

转速是指压缩机转子旋转的速度。

其单位是r/min。

（7）压缩比：

出口压力与进口压力的比值。

（8）温度：

一般用t℃表示，工程上也用绝对温度TK来表示，两者换算关系为

TK=t+273。

2.4.3压缩机“级”中的气体流动：

叶轮被驱动机拖动而旋转，气体进入叶轮后，对气体作功。

那么气体既随叶轮转动，又在叶轮槽中流动。

反映出气体的压力升高、温度升高，比容降低。

叶轮转动的速度即气体的圆周速度，在不同的半径上有不同的数值，叶轮出口处的圆周速度最大。

气体在叶轮槽道内相对叶轮的流动速度为相对速度。

因叶片槽道截面积从进口到出口逐渐增大，因此相对速度逐渐减少。

气体的实际速度是圆周速度与相对速度的合成，又称之为绝对速度。

级是压缩机作功的最基本的单元，在级中叶片带动气体转动，把功传递给

介质，使介质获得动能。

通过由隔板构成的扩压流道和扩压槽,介质的一部分

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动能转化为压力势能，并被导入下一级继续压缩。

中间级有叶轮、隔板、级间密封等，末级是由叶轮、隔板和蜗壳组成。

“级”内气体流动的能量损失分析：

（1）、能的定义

度量物质运动的一种物质量，一般解释为物质作功的能力。

能的基本类型

有势能、动能、热能、电能、磁能、光能、化学能、原子能等。

一种能可以转化

为另一种能。

能的单位和功的单位相同。

能也叫能量。

（2）、级内气体流动的能量损失分析

压缩机组实际运行中，通过叶轮向气体传递能量，即叶轮通过叶片对气体作

功消耗的功和功率外，还存在着叶轮的轮盘、轮盖的外侧面及轮缘与周围气体的

摩擦产生的轮阻损失，还存在着工作轮出口气体通过轮盖气封漏回到工作轮进口

低压低压端的漏气损失。

都要消耗功。

这些损失在级内都是不可避免的，只有在

设计中精心选择参数，再制造中按要求加工，在操作中精心操作使其尽量达到设

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计工况，来减少这些损失。

另外，还存在流动损失以及动能损失以及在级内在非工况时产生冲击损失。

冲击损失增大将引起压缩机效率很快降低。

还有高压轴端，如果密封不好，向外界漏气，引起压出的有用流量减少。

故此，我们有必要研究这些损失的原因，以便在设计、安装、操作中尽量减少损失，维持压缩机在高效率区域运行，节省能耗。

①.流动损失：

定义：

就是气流在叶轮内和级的固定元件中流动时的能量损失。

产生的原因：

主要由于气体有粘性，在流动中引起摩擦损失，这些损失又变

成热量使气体温度升高，在流动中产生旋涡，加剧摩擦损耗和

流动能量损失，因旋涡的产生就要消耗能量；在工作轮中还有

轴向涡流等第二次流动产生，引起流量损失。

在叶轮出口由于

出口叶片厚度影响产生尾迹损失。

弯道和回流器的摩擦阻力和

局部阻力损失等。

②.冲击损失：

定义：

是一种在非设计工况下产生的流动损失。

产生原因：

叶轮进口叶片安装角β1A（实际）一般是按照设计气流的进口角β1（设计）来决定的。

一般是β1=β1A，此时进气为无冲击进气。

但是当工况发生偏离设计工况时，气流进口角β1大于或小于β1A将发生气流冲击叶片的现象。

习惯把叶轮进口叶片安装角β1A（实际）与设计气流的进口角β1（设计）之差叫做冲击角，简称冲角。

用i表示。

β1A＜β1，i＜0，叫负冲角。

β1A＞β1，i＞0，叫正冲角。

在正负冲角的情况下，都将出现气流与叶片表面的脱离，形成旋涡区，使

能量损失。

冲击损失的增加与流量偏离设计流量的绝对值的平方成正比。

③.轮阻损失

叶轮的不工作面与机壳之间的空间，是充满气体的，叶轮旋转时，由于气体有粘性，也会产生摩擦损失。

又由于旋转的叶轮产生离心力，靠轮的一边气

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体向上流，靠壳的一边气体向下流，形成涡流，引起损失。

④.漏气损失：

漏气损失包括内漏和外漏。

内漏气是指泄露的气体又漏回到压缩气体中。

包括两种情况：

一种是从叶轮出口的气体从叶轮与机壳的空间漏回到进口。

另一种是单轴的离心压缩

机，由于轴与机壳之间也有间隙，气体从高压的一边经过间隙流入低压一边。

外漏是指压缩气体通过轴与机壳密封处间隙或机体的间隙直接漏到大气中。

漏气损失是一个不可忽视的问题，有些空压机出现气量达不到设计值就是内漏和外漏引起的。

2.5离心压缩机的构造

扩压槽

吸入室

蜗壳

回流器弯道

干气密封

平衡鼓

支撑轴承

干气密封

叶轮

支撑轴承

吸入室：

作用是将介质均匀地引导至叶轮的进口，以减少气流的扰动和分离损失。

它

的结构比较简单，有轴向进气和径向进气两种。

径向进气结构多采用于多级双支

承压缩机中。

图4-6吸入室的结构示意图

（a）轴向进气（b）径向进气

离心压缩机基本结构

整套离心压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组成的一个系

统。

虽然由于输送的介质、压力和输气量的不同，而有许多种规格、型式和结构，但组成的基本元件大致是相同的，主要由转子、定子、辅助设备等部件组成。

离心压缩机的转子

转子是离心压缩机的关键部件，它高速旋转。

转子是由叶轮、主轴、平衡盘、推力盘等部件组成。

叶轮：

叶轮也叫工作轮，是离心式压缩机的一个重要部件，气体在工作轮中流动，其压力、流速都增加，同时气体的温度也升高。

叶轮是离心式压缩机对气体作功的唯一元件。

通过叶轮将能量传递给气体，使气体的速度及压力都得到提高。

1、在结构上叶轮有三种型式：

（1）闭式叶轮：

由轮盘、轮盖、叶片三部分组成。

（2）半开式式叶轮：

无轮盖、只有轮盘、叶片。

（3）双面进气式叶轮：

两套轮盖、两套叶片，共用一个轮盘。

2、叶轮的结构以叶片的弯曲形式来分

（1）前弯叶片式叶轮：

叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相同。

叶片出口角＞90°

（2）后弯叶片式叶轮：

叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反，叶片出口角＜90°

（3）径向叶片式叶轮：

叶片出口方向与叶轮半径方向一致，叶片出口角＝90°

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图4-8半开式和闭式叶轮

（a）开式（b）闭式

1、轮盘2、叶片3、轮盖

影响叶轮性能的主要因素是叶片的弯曲形状。

按叶片出口端弯曲方向的不同，可

分为后弯、前弯及径向叶轮三种

类型。

由于后弯式叶片的级效率

较高，因此被广泛采用。

叶轮是

高速旋转的部件，要求材料具有

足够的强度。

为了减少振动，叶

轮和轴必须经过动平衡试验，以

达到规定的动平衡要求。

主轴

主轴的作用就是支撑安装其上的

旋转零部件（叶轮、平衡盘等）

图4-9后弯、前弯和径向叶轮

及传递扭矩。

设计轴确定尺寸时，（a）后弯式（b）前弯式（c）径向式

不仅考虑轴的强度问题，而且要仔细计算轴的临界转速。

所谓临界转速就是轴的转速等于轴的固有频率时的转速。

平衡盘，推力盘

在多级离心压缩机中，由于每级叶轮两侧的气体作用力不一致，就会使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力，我们称为轴向力。

轴向力对于压缩机的正常运转是不利的，它使转子向一端窜动，甚至使转子与机壳相碰，发生事故。

因此

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应设法平衡它，平衡盘就是利用它的两侧气体的压力差来平衡轴向力的零件。

热

套在主轴上，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承来承受。

推力盘是固定在主轴上的止推轴承中的一部分，它的作用就是将转子剩余的

轴向力通过油膜作用在止推轴承上，同时还确定了转子与固定元件的位置。

平衡盘

由于叶轮两侧的压力不相等，在转子上

受到一个指向叶轮进口方向的轴向椎力。

为了减少止推轴承的载荷，往往在末级

之后设置一个平衡盘。

因平衡盘左侧为

高压，右侧与进气压力相通，因而形成

一个相反的轴向推力，承担了大部分的

轴向推力，减轻了止推轴承的负荷。

图4-13平衡盘

平衡鼓

大型离心式压缩机和离心泵的轴向力是相当大的，相应需要的平衡力也很

大。

在这种情况下，平衡盘自身的强度以及它跟轴的结合难以满足要求，因此在大型离心式压缩机和离心泵上通常使用有足够轴向厚度的平衡鼓结构。

平衡鼓和平衡盘平衡原理一致，结构相似，只是由于结构的原因，平衡鼓不能实现结构上自动调节。

在实际设计中也有采用“鼓+盘”的方式将两者的优势结合起来。

离心压缩机的定子

定子是压缩机的固定元件，由扩压器、弯道、回流器、蜗壳及机壳组成。

1、扩压器：

扩压器的功能主要是使从叶轮出来的具有较大动能的气流减速，把

气体动能有效地转化为压力能。

扩压器一般分为：

无叶扩压器、叶片扩压器、直壁式扩压器。

2、弯道：

其作用使气流转弯进入回流器，气流在转弯时略有加速。

3、回流器：

其作用使气流按所须方向均匀的进入下一级。

4、蜗壳：

其主要作用是把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，并把他们引

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出压缩机，流向输送管道或气体冷却器，此外，在会聚气体过程中，大多数情况

下，由于蜗壳外径逐渐增大和流通面积的逐渐增大，也起到了一定的降速扩压作

用。

蜗壳：

图4-11蜗壳的横断面的形状

（a）蜗壳外（b）梯形形（c）正置圆（d）偏形置圆形

5、机壳：

压缩机机壳是将介质与大气隔绝，使介质在其间完成能量转换的重要部件。

它还具有支承其他静止部件，如隔板、密封等的功能。

机壳重量大，形状复杂，在其外部连接有进气、排气、润滑油、密封介质等管道，两侧的端盖上带有轴承箱和轴向密封室。

对于高压压缩机，

水平剖分结构，烯烃工厂的机组均采用水平剖分。

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