机械式蒸汽再压缩（mechanical vapor recompression, MVR）技术是利用电机驱动蒸汽压缩机工作, 高压蒸汽需求量降低, 在干燥、蒸馏等过程中节能效果非常明显。用于MVR系统中的蒸汽压缩机有离心式、罗茨式和螺杆式蒸汽压缩机。

2.2.1 离心式蒸汽压缩技术

根据离心风机出口压力的不同将风机分为通风机、鼓风机和压缩机。当出口压力在350 kPa以上时, 属于压缩机。离心式蒸汽压缩属于速度性压缩机。低压蒸汽被吸入离心式压缩机后, 在高速旋转的离心机叶片间获得较大的动能离开叶片通道后, 在离心力的作用下被甩入扩压室中, 在扩压室内蒸汽的动能转换为压力势能。气体被甩到后面的扩压器中后, 在叶轮吸入口处形成负压, 环境气体被持续吸入叶轮。离心式蒸汽压缩机容积流量大、动平衡特性好、振动小, 但单级压比小、对工质中的雾粒敏感、容易发生喘振及易于腐蚀、应用范围窄。

虽然在化工领域也有出口压力在15 ~ 30 MPa之间的高压离心机, 但对于蒸汽再压缩领域, 因其成本过高, 难以让市场接受。传统的离心式蒸汽压缩机升温一般在10℃以下, 升压比不超过2.5。如图5所示, 离心式蒸汽压缩机因高速蒸汽在通道中流动, 叶片材质不但要有一定的刚度和强度, 还要耐磨。在远离设计工况时, 离心压缩机会出现喘振的现象, 这种情况对离心式蒸汽压缩机损害很严重, 应尽量避免。

2.2.2 罗茨式蒸汽压缩机

罗茨式蒸汽压缩机因动平衡特性好、振动小、对粉尘不敏感、结构简单而获得广泛应用。低压蒸汽从进气端被吸入后, 在回转的叶轮内被挤入高压端排气腔, 过程中蒸汽容积腔逐渐变小, 蒸汽温升10 ~ 25℃, 升压比不超过2.5, 大多数工况在2左右。由于蒸汽压缩过程接近绝热压缩, 如果不采取相应的措施, 在压缩终了时排气温度可能会过高, 热量可能会沿主轴向机械密封或轴承处传递, 当轴承处温度超过正常工作温度时, 会影响轴承的使用寿命, 温度过高, 对机械密封也有负面影响, 因此, 长期过热温度下运行会对设备性能带来不良影响。

中间补气或喷水, 可以在一定程度上缓和蒸汽过热带来的安全隐患。带补气的罗茨式蒸汽压缩系统如图6所示。在压缩过程中, 向其内部预先导入高压低温气体, 提高腔内压力, 以降低压缩机排气温度。中间补气在一定程度是以减少压缩机的输出高压蒸汽量为代价。中间喷水是在压缩蒸汽过程中喷入适量的饱和水, 系统与中间补气相似, 不同之处在于从汽液分离器下部饱和水进入压缩腔内, 通过水分的蒸发吸收过热蒸汽的热量, 最终使蒸汽处于饱和状态, 这种方式在系统功率不变的情况下增加了蒸汽的产量。俞丽华等[16]在罗茨式蒸汽压缩机压缩过程中采取补气技术, 有效降低了压缩机的排气温度。沈九兵等[17]通过喷水实现压缩机排气为饱和状态。与离心式蒸汽压缩机比较, 罗茨式蒸汽压缩机容积流量小、压比小、单机效率低且噪声大、密封要求高、调节困难, 调节过程中系统不稳定, 随着压比的增大系统效率显著地降低, 因此, 罗茨压缩机主要适用于流量稳定、升压比小的中、小型系统。

2.2.3 螺杆式蒸汽压缩机

螺杆式蒸汽压缩机属于容积旋转型压缩机, 依靠转子和腔体间基元容积的周期性变化完成吸气、压缩及排气过程[18, 19]。根据压缩机螺杆的数量, 分为双螺杆和单螺杆蒸汽压缩机。如图7所示, 双螺杆压缩机由阴阳转子啮合进行工作, 双螺杆间距通过定位齿轮进行调整。如图8所示, 单螺杆压缩机由转子和星轮啮合进行工作[20], 星轮片与螺槽直接接触, 转子由电机驱动, 是主动部件。螺杆蒸汽压缩机性能稳定、运行可靠、压比大、不会发生喘振, 适用于多相流压缩, 允许压缩过程喷水, 从而降低对压缩机设备材质的要求和成本[21]。

日本学者松田润二[22]在1986年将螺杆压缩机成功用于MVR系统。1987年, 吴亚勤等[23]验证了以水蒸气作为工质的螺杆式蒸汽压缩机压缩比大、经久耐用、可靠性高, 在广泛的运行范围内稳定性好, 对负荷变化适应性强。1988年杨志才等[24]发现直接压缩水蒸气并向里面喷液可以增加压缩机流量, 提高压缩机总效率。张良等[25]对螺杆压缩机进行湿压缩以利用水滴升温显热和汽化潜热来降低压缩终了排汽温度。沈九兵等[17]研究了双螺杆式蒸汽压缩机通过喷水实现压缩机排气为饱和状态, 克服高排气温度导致的机械及安全问题[21]。双螺杆转子径向负荷及轴向推力大, 轴承要求高, 转子啮合之间存在漏气三角形[20]。

单螺杆蒸汽压缩机转子径向和轴向受力完全平衡, 轴承可靠性高, 使用寿命长; 转子啮合面不受力, 星轮可采用润滑性能良好的有机材料, 噪声及振动小, 无泄漏三角形等。转子与星轮间的啮合实现柔性零间隙接触密封, 系统泄漏少。系统拆卸及维修简便, 排气平稳, 振动小[26, 27]。

2.2.4 不同形式蒸汽压缩机的比较

如图9所示, 不同形式的蒸汽压缩机有不同的流量和压力适用范围。离心式蒸汽压缩机压缩比一般不高于2.5, 流量在100 ~ 10 000 m3/min之间, 适合作为一级压缩。罗茨蒸汽压缩机压缩比为1 ~ 3, 技术成熟, 流量不大于40 m3/min, 适合小流量工况。螺杆蒸汽压缩机压缩比在1 ~ 9之间, 流量不高于400 m3/min都可以使用。

不同领域对再压缩后的高压蒸汽含油量有不同的要求, 特别是食品或化工行业, 要根据生产工艺或食品规范的要求, 保证高压蒸汽中含油量不高于规定值。离心式蒸汽压缩机可以做到不含油, 双螺杆式蒸汽压缩机不能完全避免润滑油的介入。水润滑轴承单螺杆蒸汽压缩机主轴的机械密封及星轮的轴承都采用水润滑, 可以满足大多数企业的要求。对于对润滑油含量有严格要求的领域, 建议在使用高压水蒸气加热或干燥时采用间壁式换热方式, 以确保食品的安全。