張建軍，李帥旗，陳永珍，黎華玲，陳小強(qiáng)，馮自平

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 前 言

存量有限的化石能源供應(yīng)會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展出現(xiàn)短缺現(xiàn)象。要滿足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)快速發(fā)展對(duì)能源的需求，不但需要大力開(kāi)發(fā)和利用可再生能源，如生物質(zhì)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、太陽(yáng)能、天然氣水合物、海洋能等，以減少對(duì)化石能源的依賴，還要研發(fā)節(jié)能技術(shù)，提高傳統(tǒng)能源的用能效率，降低單位產(chǎn)品能耗。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中重點(diǎn)能耗工序研發(fā)高效節(jié)能技術(shù)是減少能源的消耗及緩和能源危機(jī)重要有效的措施。

乏蒸汽是干燥、濃縮等生產(chǎn)過(guò)程隨著水分逸出而形成的副產(chǎn)品，這些乏蒸汽攜帶了數(shù)量可觀的汽化潛熱，由于壓力和溫度偏低，達(dá)不到工藝要求而無(wú)法直接利用，因此會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)[1]。在果汁濃縮、海水淡化、廢水濃縮、蒸餾等工藝生產(chǎn)過(guò)程，大量乏蒸汽的汽化潛熱無(wú)法利用造成能源綜合利用效率偏低[2]。蒸汽再壓縮技術(shù)只需消耗部分電能就可以對(duì)乏蒸汽升溫升壓，讓其重新返回生產(chǎn)過(guò)程[3]。

1 蒸發(fā)與閃蒸

溫差和水蒸氣分壓差的存在使得生活中水的蒸發(fā)過(guò)程無(wú)處不在。但生活中蒸發(fā)過(guò)程是緩慢的，難以對(duì)蒸汽潛熱加以利用，如湖面水分蒸發(fā)，晾曬衣服水分的蒸發(fā)等[4]。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，如干燥、蒸餾、濃縮，由于溫差和壓差大，蒸發(fā)過(guò)程劇烈，多數(shù)是沸騰過(guò)程，這種工況便于收集和利用蒸汽的余熱。生產(chǎn)過(guò)程中最基本的蒸發(fā)方式為單效蒸發(fā)（single effect evaporation,SE），利用高壓蒸汽加熱物料促使其中水分蒸發(fā)，從而完成干燥等過(guò)程。為了提高高壓蒸汽使用效率，人們開(kāi)發(fā)出多效蒸發(fā)（multi-effect evaporation,ME）、多級(jí)閃蒸（multi-stage flash,MSF）技術(shù)，單位產(chǎn)品蒸汽消耗量明顯減少[1,5]。無(wú)論是單效蒸發(fā)，還是多效蒸發(fā)及多效閃蒸，在初效蒸發(fā)過(guò)程都首先要消耗大量的高壓水蒸氣，且末效的乏蒸汽難以利用，直接排出造成了能源的浪費(fèi)。

1.1 單效蒸發(fā)

單效蒸發(fā)是最基本的蒸發(fā)過(guò)程。高溫高壓水蒸氣通入蒸發(fā)器后通過(guò)間壁換熱方式加熱原料稀溶液至沸騰，原料液中水分蒸發(fā)，完成濃縮或干燥，二次蒸汽直接排放。如圖1 所示，單效蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)，待濃縮的稀溶液送入蒸發(fā)器殼側(cè)，高壓蒸汽在管內(nèi)凝結(jié)放熱，稀溶液吸熱沸騰，溶液中水分汽化后排出，被冷卻并收集，溶液濃度升高達(dá)到要求后從蒸發(fā)器的底部排出，完成蒸發(fā)過(guò)程。單效蒸發(fā)過(guò)程中只注重濃縮過(guò)程原料液中水分蒸發(fā)，沒(méi)有考慮對(duì)二次蒸汽的回收和利用，造成二次蒸汽中蘊(yùn)含潛能的極大浪費(fèi)。

圖1 單效蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of single effect evaporation system

1.2 多效蒸發(fā)

多效蒸發(fā)是在單效蒸發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，單位產(chǎn)品的蒸汽消耗明顯減少。如圖2 所示，多效蒸發(fā)系統(tǒng)中多個(gè)蒸發(fā)器首尾相連，前一效的二次蒸汽還可以用于下一效蒸發(fā)過(guò)程的加熱，多效蒸發(fā)將大溫差一次蒸發(fā)變?yōu)樾夭钫舭l(fā)，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的次數(shù)增加。末效的二次蒸汽雖然攜帶有汽化潛熱，但壓力和溫度過(guò)低，無(wú)法直接利用。系統(tǒng)中各效蒸發(fā)器內(nèi)的壓力和蒸發(fā)溫度逐漸降低。多效蒸發(fā)系統(tǒng)蒸汽消耗單位高壓蒸汽完成的蒸發(fā)量對(duì)于單效蒸發(fā)為0.91，雙效蒸發(fā)為1.76，三效蒸發(fā)為2.5 等，即1 kg 高壓蒸汽在單效狀態(tài)下可蒸發(fā)0.91 kg 的水分，而在雙效蒸發(fā)時(shí)可以完成1.76 kg 水分的蒸發(fā)。

圖2 多效蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of multi-effect evaporation system

1.3 多級(jí)閃蒸

多級(jí)閃蒸技術(shù)與多效蒸發(fā)不同，是將低濃度原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱到一定溫度后，依次進(jìn)入多個(gè)壓力逐級(jí)降低的閃蒸罐，相應(yīng)壓力要低于待蒸發(fā)原料液溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，從而實(shí)現(xiàn)溶液在相應(yīng)閃蒸罐內(nèi)的汽化。多級(jí)閃蒸的驅(qū)動(dòng)力是壓差，即當(dāng)進(jìn)入閃蒸罐內(nèi)原料液溫度高于罐內(nèi)壓力對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和溫度，就有閃蒸現(xiàn)象發(fā)生[6]。由于罐內(nèi)壓力可以通過(guò)真空泵以較低能源成本獲得，相鄰兩級(jí)可設(shè)計(jì)比較小的溫差，同樣的預(yù)熱溫度可以實(shí)現(xiàn)更多蒸發(fā)級(jí)數(shù)[7]。圖3 為三級(jí)閃蒸系統(tǒng)的流程。原料液先由閃蒸汽預(yù)熱，在加熱器內(nèi)進(jìn)一步被蒸汽加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后進(jìn)入一級(jí)閃蒸室，完成閃蒸后的母液溫度降低，排入二級(jí)閃蒸室，因二級(jí)閃蒸室壓力較一級(jí)閃蒸室低，原料液可繼續(xù)閃蒸。第三級(jí)閃蒸室產(chǎn)生的二次蒸汽由抽真空系統(tǒng)持續(xù)排出以保證系統(tǒng)各級(jí)閃蒸室的真空度。排出的二次蒸汽雖然溫度和壓力都較低，卻攜帶了大量的汽化潛熱[8-9]。

圖3 多級(jí)閃蒸系統(tǒng)流程圖Fig.3 Schematic of multistate flash evaporation system

2 蒸汽壓縮技術(shù)

水蒸氣屬于實(shí)際氣體，尤其是飽和水蒸氣，與空氣壓縮過(guò)程區(qū)別較大。壓縮空氣使用過(guò)程中，空氣壓力是關(guān)鍵參數(shù)，溫度可以是常溫，因遠(yuǎn)離三相點(diǎn)，可以按理想氣體進(jìn)行分析。蒸汽壓縮技術(shù)主要應(yīng)用在制冷、干燥等過(guò)程，與壓縮空氣相比，水蒸氣的壓縮出口需要溫度較高，同時(shí)，要保持相應(yīng)的壓力才可以在飽和溫度下釋放潛熱，如果壓力過(guò)低，水蒸氣會(huì)先進(jìn)行顯熱放熱，達(dá)到壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度后，才開(kāi)始釋放潛熱。蒸汽壓縮技術(shù)包括熱力蒸汽壓縮和機(jī)械式蒸汽壓縮，其中機(jī)械式蒸汽壓縮技術(shù)又包括離心式、羅茨式及螺桿式蒸汽壓縮，各種蒸汽壓縮技術(shù)有各自的特點(diǎn)和使用范圍。

2.1 熱力蒸汽再壓縮技術(shù)

熱力蒸汽再壓縮（thermal vapor recompression,TVR）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有活動(dòng)和易損部件，在設(shè)計(jì)工況下可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。在TVR 系統(tǒng)內(nèi)，高壓驅(qū)動(dòng)蒸汽通過(guò)噴嘴后達(dá)到極高的速度，壓力降低到被引射的閃蒸氣壓力以下，被引射蒸汽抽吸到混合段進(jìn)行充分混合，混合蒸汽進(jìn)入擴(kuò)壓管后，隨著流通截面積的逐步增大，蒸汽流速逐步降低，蒸汽動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，壓力得以恢復(fù)[10]。通過(guò)TVR技術(shù)，低壓蒸汽的壓力和溫度可以得到提升，因此TVR 屬于熱力型熱泵技術(shù)[10-12]。TVR 系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，需要消耗一定量的高壓蒸汽，核心部件是引射器。引射器是根據(jù)特定工況設(shè)計(jì)，當(dāng)工況發(fā)生改變時(shí)，引射器效率會(huì)降低。如圖4 所示，引射器由噴嘴、引射室、混合室、擴(kuò)壓室組成[13-14]。當(dāng)供應(yīng)蒸汽的壓力、溫度均大于工藝需要，蒸汽壓縮式噴射器可以使用。一般情況下，噴管效率約為95%，混合效率約為90%、壓縮效率約為90%。根據(jù)能量守恒原理，TVR 系統(tǒng)需要高壓蒸汽作為充分條件，且只能部分回收余熱。以淀粉制糖液化工藝中的TVR為例，驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力為1 MPa、溫度為210℃、流量為1.63 t/h，被引射蒸汽壓力為0.085 MPa、溫度為95℃、流量為0.59 t/h。在混合室內(nèi)充分混合后，混合氣體經(jīng)擴(kuò)壓段內(nèi)擴(kuò)壓后混合蒸汽壓力為0.35 MPa、溫度為170℃、流量為2.22 t/h。

圖4 引射器示意圖Fig.4 Schematic diagram of supersonic ejector

2.2 機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)

機(jī)械式蒸汽再壓縮（mechanical vapor recompression,MVR）技術(shù)是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮機(jī)工作，高壓蒸汽需求量降低，在干燥、蒸餾等過(guò)程中節(jié)能效果非常明顯。用于MVR 系統(tǒng)中的蒸汽壓縮機(jī)有離心式、羅茨式和螺桿式蒸汽壓縮機(jī)。

2.2.1 離心式蒸汽壓縮技術(shù)

根據(jù)離心風(fēng)機(jī)出口壓力的不同將風(fēng)機(jī)分為通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。當(dāng)出口壓力在350 kPa 以上時(shí)，屬于壓縮機(jī)。離心式蒸汽壓縮屬于速度性壓縮機(jī)。低壓蒸汽被吸入離心式壓縮機(jī)后，在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)葉片間獲得較大的動(dòng)能離開(kāi)葉片通道后，在離心力的作用下被甩入擴(kuò)壓室中，在擴(kuò)壓室內(nèi)蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力勢(shì)能。氣體被甩到后面的擴(kuò)壓器中后，在葉輪吸入口處形成負(fù)壓，環(huán)境氣體被持續(xù)吸入葉輪。離心式蒸汽壓縮機(jī)容積流量大、動(dòng)平衡特性好、振動(dòng)小，但單級(jí)壓比小、對(duì)工質(zhì)中的霧粒敏感、容易發(fā)生喘振及易于腐蝕、應(yīng)用范圍窄。

雖然在化工領(lǐng)域也有出口壓力在15～30 MPa之間的高壓離心機(jī)，但對(duì)于蒸汽再壓縮領(lǐng)域，因其成本過(guò)高，難以讓市場(chǎng)接受。傳統(tǒng)的離心式蒸汽壓縮機(jī)升溫一般在10℃以下，升壓比不超過(guò)2.5。如圖5 所示，離心式蒸汽壓縮機(jī)因高速蒸汽在通道中流動(dòng)，葉片材質(zhì)不但要有一定的剛度和強(qiáng)度，還要耐磨。在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況時(shí)，離心壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)喘振的現(xiàn)象，這種情況對(duì)離心式蒸汽壓縮機(jī)損害很嚴(yán)重，應(yīng)盡量避免。

圖5 離心式蒸汽壓縮機(jī)的葉片[15]Fig.5 A picture of a centrifugal steam compressor impeller[15]

2.2.2 羅茨式蒸汽壓縮機(jī)

羅茨式蒸汽壓縮機(jī)因動(dòng)平衡特性好、振動(dòng)小、對(duì)粉塵不敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而獲得廣泛應(yīng)用。低壓蒸汽從進(jìn)氣端被吸入后，在回轉(zhuǎn)的葉輪內(nèi)被擠入高壓端排氣腔，過(guò)程中蒸汽容積腔逐漸變小，蒸汽溫升10～25℃，升壓比不超過(guò)2.5，大多數(shù)工況在2 左右。由于蒸汽壓縮過(guò)程接近絕熱壓縮，如果不采取相應(yīng)的措施，在壓縮終了時(shí)排氣溫度可能會(huì)過(guò)高，熱量可能會(huì)沿主軸向機(jī)械密封或軸承處傳遞，當(dāng)軸承處溫度超過(guò)正常工作溫度時(shí)，會(huì)影響軸承的使用壽命，溫度過(guò)高，對(duì)機(jī)械密封也有負(fù)面影響，因此，長(zhǎng)期過(guò)熱溫度下運(yùn)行會(huì)對(duì)設(shè)備性能帶來(lái)不良影響。

中間補(bǔ)氣或噴水，可以在一定程度上緩和蒸汽過(guò)熱帶來(lái)的安全隱患。帶補(bǔ)氣的羅茨式蒸汽壓縮系統(tǒng)如圖6 所示。在壓縮過(guò)程中，向其內(nèi)部預(yù)先導(dǎo)入高壓低溫氣體，提高腔內(nèi)壓力，以降低壓縮機(jī)排氣溫度。中間補(bǔ)氣在一定程度是以減少壓縮機(jī)的輸出高壓蒸汽量為代價(jià)。中間噴水是在壓縮蒸汽過(guò)程中噴入適量的飽和水，系統(tǒng)與中間補(bǔ)氣相似，不同之處在于從汽液分離器下部飽和水進(jìn)入壓縮腔內(nèi)，通過(guò)水分的蒸發(fā)吸收過(guò)熱蒸汽的熱量，最終使蒸汽處于飽和狀態(tài)，這種方式在系統(tǒng)功率不變的情況下增加了蒸汽的產(chǎn)量。俞麗華等[16]在羅茨式蒸汽壓縮機(jī)壓縮過(guò)程中采取補(bǔ)氣技術(shù)，有效降低了壓縮機(jī)的排氣溫度。沈九兵等[17]通過(guò)噴水實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣為飽和狀態(tài)。與離心式蒸汽壓縮機(jī)比較，羅茨式蒸汽壓縮機(jī)容積流量小、壓比小、單機(jī)效率低且噪聲大、密封要求高、調(diào)節(jié)困難，調(diào)節(jié)過(guò)程中系統(tǒng)不穩(wěn)定，隨著壓比的增大系統(tǒng)效率顯著地降低，因此，羅茨壓縮機(jī)主要適用于流量穩(wěn)定、升壓比小的中、小型系統(tǒng)。

圖6 羅茨蒸汽壓縮系統(tǒng)Fig.6 Roots vapor compressor system

2.2.3 螺桿式蒸汽壓縮機(jī)

螺桿式蒸汽壓縮機(jī)屬于容積旋轉(zhuǎn)型壓縮機(jī)，依靠轉(zhuǎn)子和腔體間基元容積的周期性變化完成吸氣、壓縮及排氣過(guò)程[18-19]。根據(jù)壓縮機(jī)螺桿的數(shù)量，分為雙螺桿和單螺桿蒸汽壓縮機(jī)。如圖7 所示，雙螺桿壓縮機(jī)由陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合進(jìn)行工作，雙螺桿間距通過(guò)定位齒輪進(jìn)行調(diào)整。如圖8 所示，單螺桿壓縮機(jī)由轉(zhuǎn)子和星輪嚙合進(jìn)行工作[20]，星輪片與螺槽直接接觸，轉(zhuǎn)子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是主動(dòng)部件。螺桿蒸汽壓縮機(jī)性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、壓比大、不會(huì)發(fā)生喘振，適用于多相流壓縮，允許壓縮過(guò)程噴水，從而降低對(duì)壓縮機(jī)設(shè)備材質(zhì)的要求和成本[21]。

圖7 雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)Fig.7 Picture of a twin screw steam compressor

圖8 單螺桿蒸汽壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.8 Picture of a single screw steam compressor rotor

日本學(xué)者松田潤(rùn)二[22]在1986 年將螺桿壓縮機(jī)成功用于MVR 系統(tǒng)。1987 年，吳亞勤等[23]驗(yàn)證了以水蒸氣作為工質(zhì)的螺桿式蒸汽壓縮機(jī)壓縮比大、經(jīng)久耐用、可靠性高，在廣泛的運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)。1988 年楊志才等[24]發(fā)現(xiàn)直接壓縮水蒸氣并向里面噴液可以增加壓縮機(jī)流量，提高壓縮機(jī)總效率。張良等[25]對(duì)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行濕壓縮以利用水滴升溫顯熱和汽化潛熱來(lái)降低壓縮終了排汽溫度。沈九兵等[17]研究了雙螺桿式蒸汽壓縮機(jī)通過(guò)噴水實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣為飽和狀態(tài)，克服高排氣溫度導(dǎo)致的機(jī)械及安全問(wèn)題[21]。雙螺桿轉(zhuǎn)子徑向負(fù)荷及軸向推力大，軸承要求高，轉(zhuǎn)子嚙合之間存在漏氣三角形[20]。

單螺桿蒸汽壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子徑向和軸向受力完全平衡，軸承可靠性高，使用壽命長(zhǎng)；轉(zhuǎn)子嚙合面不受力，星輪可采用潤(rùn)滑性能良好的有機(jī)材料，噪聲及振動(dòng)小，無(wú)泄漏三角形等。轉(zhuǎn)子與星輪間的嚙合實(shí)現(xiàn)柔性零間隙接觸密封，系統(tǒng)泄漏少。系統(tǒng)拆卸及維修簡(jiǎn)便，排氣平穩(wěn)，振動(dòng)小[26-27]。

2.2.4 不同形式蒸汽壓縮機(jī)的比較

如圖9 所示，不同形式的蒸汽壓縮機(jī)有不同的流量和壓力適用范圍。離心式蒸汽壓縮機(jī)壓縮比一般不高于2.5，流量在100～10 000 m3/min 之間，適合作為一級(jí)壓縮。羅茨蒸汽壓縮機(jī)壓縮比為1～3，技術(shù)成熟，流量不大于40 m3/min，適合小流量工況。螺桿蒸汽壓縮機(jī)壓縮比在1～9 之間，流量不高于400 m3/min 都可以使用。

圖9 不同壓縮機(jī)壓縮比與吸氣量的適用范圍[28]Fig.9 The compression ratio and suction volume flow of different steam compressors[28]

不同領(lǐng)域?qū)υ賶嚎s后的高壓蒸汽含油量有不同的要求，特別是食品或化工行業(yè)，要根據(jù)生產(chǎn)工藝或食品規(guī)范的要求，保證高壓蒸汽中含油量不高于規(guī)定值。離心式蒸汽壓縮機(jī)可以做到不含油，雙螺桿式蒸汽壓縮機(jī)不能完全避免潤(rùn)滑油的介入。水潤(rùn)滑軸承單螺桿蒸汽壓縮機(jī)主軸的機(jī)械密封及星輪的軸承都采用水潤(rùn)滑，可以滿足大多數(shù)企業(yè)的要求。對(duì)于對(duì)潤(rùn)滑油含量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，建議在使用高壓水蒸氣加熱或干燥時(shí)采用間壁式換熱方式，以確保食品的安全。

3 蒸汽壓縮及再壓縮技術(shù)應(yīng)用

蒸汽壓縮技術(shù)最早用于空調(diào)系統(tǒng)，水蒸氣作為最早的制冷工質(zhì)之一。新制冷工質(zhì)氟利昂的出現(xiàn)取代了水蒸氣作為制冷工質(zhì)。由于氟利昂等工質(zhì)會(huì)破壞臭氧層及帶來(lái)溫室效應(yīng)，水蒸氣作為環(huán)保型制冷工質(zhì)再次成為研究焦點(diǎn)。蒸汽再壓縮技術(shù)主要應(yīng)用在熱泵、MVR 等方面。

3.1 蒸汽再壓縮制冷技術(shù)

面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)及環(huán)境問(wèn)題，水作為一種綠色環(huán)保、安全穩(wěn)定的天然制冷劑，在節(jié)能領(lǐng)域及制冷行業(yè)中已成為新一代制冷工質(zhì)的研究焦點(diǎn)。

在水蒸氣制冷系統(tǒng)中，水作為工作介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)傳遞能量。如圖10 所示，系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹裝置4 部分組成。在蒸發(fā)器中，低壓低溫液態(tài)水從環(huán)境中吸熱蒸發(fā)，變?yōu)榈蜏氐蛪旱乃魵?，完成制冷過(guò)程，水蒸氣被吸入到壓縮機(jī)后溫度和壓力都得到升高變?yōu)楦邷馗邏旱乃魵猓M(jìn)入冷凝器放熱冷凝，變?yōu)榈蜏馗邏旱囊簯B(tài)水。經(jīng)過(guò)膨脹閥后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)水，從而完成一個(gè)制冷循環(huán)。由于水在0℃時(shí)結(jié)冰，因此，用水作為制冷劑，主要用于空調(diào)工況下比較適合，對(duì)于更低溫度的制冷，仍需要其他制冷工質(zhì)的輔助。目前，關(guān)于新一代制冷介質(zhì)的蒸汽壓縮制冷的研究主要集于理論分析和仿真研究。由于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)正常工作時(shí)的蒸發(fā)壓力遠(yuǎn)低于環(huán)境壓力，不凝結(jié)氣體易于滲入系統(tǒng)影響系統(tǒng)效率。

圖10 單級(jí)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)流程圖Fig.10 Flow chart of single stage steam compression refrigeration system

3.2 蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)

蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)的工作原理與制冷系統(tǒng)基本相同，但熱泵系統(tǒng)運(yùn)行目的是將低溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f到高溫區(qū)域，主要是利用冷凝器釋放的熱量。與氟利昂工質(zhì)相比，水蒸氣難以壓縮，單位體積蒸汽的能量小，壓縮過(guò)程中溫度高。為防止蒸汽過(guò)熱，向壓縮腔內(nèi)噴入飽和水降溫，同時(shí)部分液態(tài)水的存在也可以對(duì)轉(zhuǎn)子與殼體間隙起到密封的作用。噴入的飽和水吸收過(guò)熱蒸汽顯熱蒸發(fā)，因而可以很好地控制壓縮腔內(nèi)蒸汽的過(guò)熱度。飽和蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻后變?yōu)榈蜏馗邏旱囊簯B(tài)水，期間釋放大量的汽化潛熱，這正是熱泵系統(tǒng)循環(huán)的目的。高壓冷凝水一部分經(jīng)膨脹閥門進(jìn)入蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)從環(huán)境中泵入熱量，另一部分作為冷卻劑噴入壓縮機(jī)。進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪旱恼羝俦晃雺嚎s機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)將環(huán)境或工業(yè)余熱的能量傳遞到高溫側(cè)，完成一個(gè)熱泵循環(huán)。

3.3 機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)的應(yīng)用

除了在制冷及熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用外，機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)在濃縮或干燥領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。機(jī)械蒸汽再壓縮的概念是瑞士Sulzer-Escher Wyss Ltd 公司在1917 年提出，1925 年完成了第一套MVR 系統(tǒng)的安裝調(diào)試。由于節(jié)能效果顯著，20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始在發(fā)達(dá)國(guó)家已獲得廣泛應(yīng)用，80 年代得到國(guó)內(nèi)相關(guān)人士的重視。MVR 系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械壓縮的方式，將閃蒸出來(lái)的低壓蒸汽升溫升壓再作為熱源用于系統(tǒng)持續(xù)的加熱[29]。MVR 技術(shù)主要用于濃縮、干燥、蒸餾等工藝過(guò)程[30]。啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需要高壓蒸汽補(bǔ)充，在正常運(yùn)行期間，不再需要外加高壓蒸汽作為熱源。只要消耗部分電能，就可以回收利用二次蒸汽的全部能量，從而節(jié)省了大量的高壓蒸汽[30-31]。如圖11所示，MVR 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備是蒸發(fā)器和蒸汽壓縮機(jī)。為了提高系統(tǒng)能源綜合利用效率，另外配備了預(yù)熱器、氣液分離器。MVR 系統(tǒng)對(duì)于蒸汽壓縮機(jī)的要求相對(duì)較低，溫升達(dá)到20℃就可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖11 MVR 熱泵系統(tǒng)Fig.11 MVR heat pump system

4 MVR 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

蒸汽壓縮技術(shù)在制冷和熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用研究還沒(méi)有廣泛應(yīng)用推廣。蒸汽再壓縮技術(shù)在濃縮、干燥、濃縮、蒸餾等多個(gè)工業(yè)過(guò)程中得到廣泛使用。

4.1 MVR 在海水淡化中的應(yīng)用

海水淡化是海島獲得淡水的重要方式。蒸餾法淡化是海水淡化的主要工藝。蒸餾法主要包括多級(jí)閃蒸、低溫多效蒸餾等。為提高系統(tǒng)效率，田曉亮等[32]將熱泵技術(shù)用于海水淡化系統(tǒng)，分別對(duì)多級(jí)閃蒸、低溫壓汽蒸餾、MVR 熱泵循環(huán)這3 種海水淡化技術(shù)進(jìn)行能耗估算，MVR 熱泵循環(huán)的海水淡化單位能耗最低?；贛VR 技術(shù)的海水淡化應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛推廣。AL-JUWAYHEL 等[33]通過(guò)比較TVR、MVR、吸收蒸汽壓縮和吸附蒸汽壓縮這四種不同類型的單效海水淡化技術(shù)發(fā)現(xiàn)，MVR 技術(shù)節(jié)能優(yōu)勢(shì)最顯著。我國(guó)科研人員也積極進(jìn)行MVR 技術(shù)應(yīng)用于海水淡化的研究。劉鵬等[34]提出將MVR 技術(shù)與多效蒸發(fā)結(jié)合進(jìn)行海水淡化的工藝，并通過(guò)性能對(duì)比，得出多效蒸發(fā)及MVR 相結(jié)合技術(shù)不僅充分回收了余熱，節(jié)能效果顯著，并具有較高的熱效率。

4.2 MVR 在濃縮工藝中的應(yīng)用

通過(guò)加熱使得物料或稀溶液中水分蒸發(fā)變成濃溶液，是食品、中藥及廢酸處理等多種生產(chǎn)過(guò)程中常用的工藝過(guò)程，同時(shí)，又是能源消耗巨大的工藝環(huán)節(jié)。如何提高系統(tǒng)效率關(guān)系到生產(chǎn)成本能否顯著降低的關(guān)鍵。在食品加工行業(yè)有很多乳漿液比如玉米漿、果汁、蔬菜汁和乳制品等的蒸發(fā)濃縮，占生產(chǎn)工藝能耗的60%以上。采用MVR 技術(shù)后，可以將二次蒸汽回收、升溫、加壓后重返系統(tǒng)用于加熱，以較低的電功率置換大量高壓蒸汽，蒸汽節(jié)約達(dá)60%以上。傳統(tǒng)的中藥濃縮生產(chǎn)過(guò)程與果汁濃縮相似，都屬于高能耗工藝。利用MVR 技術(shù)后，較傳統(tǒng)的蒸汽模式，可以節(jié)約蒸汽達(dá)70%左右。劉旭海等[35]在中藥濃縮過(guò)程中，將傳統(tǒng)的濃縮技術(shù)與MVR技術(shù)進(jìn)行了能耗對(duì)比，得出MVR 技術(shù)節(jié)能效果明顯，MVR 蒸發(fā)技術(shù)在中藥濃縮方面的應(yīng)用具有廣泛的前景。在有效解決了蒸汽壓縮及換熱器方面的防腐蝕問(wèn)題后，MVR 技術(shù)還可以用在廢酸處理領(lǐng)域，不僅濃縮后的酸可以重回系統(tǒng)，而且節(jié)約了中和過(guò)程用去的堿液及相應(yīng)的后續(xù)處理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的雙重目標(biāo)。

4.3 MVR 在干燥工藝的應(yīng)用

飼料、污泥等物料的干燥等過(guò)程中，需要消耗大量的蒸汽，能耗很大。將MVR 技術(shù)用在干燥過(guò)程中可以大幅度節(jié)省高壓蒸汽。這是由于在干燥過(guò)程中生成大量的低壓水蒸氣，其中蘊(yùn)藏著大量的汽化潛熱。傳統(tǒng)的干燥技術(shù)認(rèn)為二次蒸汽是需要剔除的部分，因此被視為無(wú)用的副產(chǎn)品直接排放。MVR技術(shù)正是基于這部分被視為無(wú)用的二次蒸汽的回收利用，可節(jié)省大約65%～70%的飽和蒸汽。

4.4 MVR 在蒸餾工藝中的應(yīng)用

蒸餾過(guò)程需要大量的高壓蒸汽，同時(shí)大量的水分蒸發(fā)與冷凝（圖3）。多效精餾利用一效蒸餾出的二次蒸汽作為熱源繼續(xù)完成下一效的蒸餾過(guò)程，由于利用二次蒸汽的汽化潛熱，降低了單位產(chǎn)品的能耗。要保證多效精餾過(guò)程正常運(yùn)行，首效蒸餾塔首先需要消耗大量的高壓蒸汽，且末效蒸餾塔二次蒸汽的熱量因溫度和壓力過(guò)低回收較為困難。MVR 技術(shù)與多效精餾相結(jié)合后，不僅可以減少首效蒸汽的用量，還可以對(duì)末效二次蒸汽的汽化潛熱回收利用。楊德明等[36]針對(duì)稀DMF 水溶液的蒸餾提出了多級(jí)MVR 熱泵蒸餾工藝，與常規(guī)的三效蒸餾工藝相比，其能耗可節(jié)約83.2%。

4.5 MVR 在其他工藝中的應(yīng)用

除在海水淡化、濃縮、干燥及蒸餾過(guò)程得到應(yīng)用外，MVR 技術(shù)在造紙、制鹽等耗能工藝也得到推廣。造紙工業(yè)生產(chǎn)中，MVR 技術(shù)可用于化學(xué)制漿、黑液蒸發(fā)、化學(xué)機(jī)械制漿廢水預(yù)濃縮過(guò)程。在制鹽行業(yè)，多效蒸發(fā)制鹽與MVR 制鹽技術(shù)都可以很大程度地降低能耗。徐敏等[37]根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，將ME 技術(shù)和MVR 技術(shù)的能耗做了比較，發(fā)現(xiàn)ME 噸鹽平均消耗為99.58 kg 標(biāo)煤，MVR 噸鹽平均消耗為79.07 kg 標(biāo)煤?？梢?jiàn)，MVR 技術(shù)節(jié)能效果更明顯。

5 蒸汽再壓縮技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)蒸汽再壓縮的方式，不但可以回收二次蒸汽攜帶的大量汽化潛熱，而且可以實(shí)現(xiàn)二次蒸汽的升溫升壓，直接減少了對(duì)一次蒸汽的需求。在蒸汽再壓縮技術(shù)中，其中已經(jīng)成熟的壓縮技術(shù)如TVR 及羅茨蒸汽再壓縮技術(shù)，只在適合的工況進(jìn)行選擇，就可以直接達(dá)到節(jié)能效果。不同的蒸汽再壓縮機(jī)有各自的特點(diǎn)，單獨(dú)的壓縮方案難以達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)具體的生產(chǎn)工況，不同蒸汽再壓縮技術(shù)的有機(jī)組合將成為研究重點(diǎn)之一。如離心式再壓縮機(jī)雖然流量大、壓比小，但與高壓比的螺桿壓縮機(jī)匹配后，可以實(shí)現(xiàn)20 以上的升壓比，可以有更廣泛的使用范圍。螺桿式蒸汽再壓縮技術(shù)因流量范圍較大，壓比高，能滿足大部分蒸汽再壓縮工藝，因此，將成為蒸汽再壓縮技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一。螺桿蒸汽壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在雙螺桿蒸汽壓縮機(jī)的噴水增焓技術(shù)的研發(fā)，單螺桿蒸汽壓縮機(jī)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但目前需要關(guān)注的是主軸的密封和星輪的軸承需要承受一定的溫度，也可以通過(guò)噴飽和水的方式進(jìn)行解決。這些難點(diǎn)的克服將有利于蒸汽再壓縮技術(shù)的推廣應(yīng)用。

6 結(jié) 論

分析了蒸汽再壓縮技術(shù)的研究現(xiàn)狀與該技術(shù)相關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)。利用蒸汽再壓縮技術(shù)可以將乏汽壓力與溫度同時(shí)升高重新返回生產(chǎn)工藝從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。介紹了不同的蒸發(fā)方式如單效蒸發(fā)、多效蒸發(fā)及多效閃蒸等的特點(diǎn)及原理，分析了熱力蒸汽升壓技術(shù)和機(jī)械式蒸汽升壓技術(shù)的各自特點(diǎn)。簡(jiǎn)要介紹了蒸汽壓縮技術(shù)在制冷、熱泵的研發(fā)情況。對(duì)蒸汽再壓縮技術(shù)在干燥與濃縮等領(lǐng)域的應(yīng)用作了較為詳細(xì)的介紹。雖然MVR 技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)尚處于初級(jí)階段，但該技術(shù)的節(jié)能效果得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，應(yīng)用前景十分廣闊。