CN119146069B - 小温升离心蒸汽压缩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了小温升离心蒸汽压缩装置，包括压缩元件、驱动器，压缩元件的进口和出口均与进口管道进和出口管道相连，进口管道和出口管道之间设有放空管道，放空管道上设有放空阀；蒸汽经过压缩元件后的温升小于10℃；压缩元件包括蜗壳和设置在蜗壳内的叶轮，驱动器通过主轴与叶轮相连并驱动叶轮旋转；蜗壳通过支撑体进行支撑，支撑体与蜗壳的连接点与主轴中心的高度一致。本发明提供的小温升离心蒸汽压缩装置，结构紧凑，运行高效，维护费用低，设备运行稳定，可广泛应用于MVR蒸发系统。

Description

小温升离心蒸汽压缩装置
技术领域
本发明涉及蒸汽压缩机技术领域，特别涉及一种小温升离心蒸汽压缩装置。
背景技术
随着全球对环保与节能要求的不断提高，MVR（机械蒸汽再压缩）系统技术被广泛应用于食品、制药、化工以及废水处理等领域。
MVR系统技术，是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，通过压缩机的机械做功，将低品位的蒸汽提升为高品位的蒸汽热源，以替代新鲜蒸汽。如此循环向蒸发系统提供热能，从而实现能量高效回收利用的一项节能技术。
其中，MVR技术的核心设备为蒸汽压缩机，特别地，离心式蒸汽压缩机凭借其大流量、高效无油和维护费用低等优越性能，被越来越多地运用于MVR系统。目前，MVR系统所使用的离心压缩机，多采用增速箱来增速传动，以提高压缩机内部叶轮的转动。
然而，由于增速箱的功率损耗，使得整机效率降低，设备维保环节增加；同时，带有增速箱的离心压缩机因转速较高，其设备运行时产生的噪音也比较大。
其次，压缩机内部的叶轮与驱动器（电机）之间通过转轴相连，而转轴会从压缩机上的静子部件（蜗壳）上的密封部件中穿过，密封部件用于防止蒸汽泄漏；但是传统离心蒸汽压缩机未充分考虑热变形对压缩机运行所带来的影响，静子部件（蜗壳）变形后会造成转轴与静子部件发生相对偏移，导致转轴与轴孔内的密封部件偏心接触，从而导致密封部件单侧发生严重磨损，进而容易导致密封效果下降，容易引起蒸汽泄漏。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中的不足之处，提供一种小温升离心蒸汽压缩装置。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：小温升离心蒸汽压缩装置，包括压缩元件、驱动器，压缩元件的进口和出口均与进口管道进和出口管道相连，进口管道和出口管道之间设有放空管道，放空管道上设有放空阀；蒸汽经过压缩元件后的温升小于10℃；
所述压缩元件包括蜗壳和设置在蜗壳内的叶轮，驱动器通过主轴与叶轮相连并驱动叶轮旋转；蜗壳通过支撑体进行支撑，支撑体与蜗壳的连接点与主轴中心的高度一致。
作为优选，根据进汽量和压比计算叶轮的直径和转速，叶轮的转速n的计算公式如下：
；
式中，n为叶轮的转速,为流量系数，为叶轮的圆周速度，为进汽量；
叶轮的直径D2的计算公式如下：
；
其中，叶轮的圆周速度的计算公式如下：
；
式中，为能量头，为能量头系数；
能量头的计算公式如下：
；
式中，ε为压比，σ为指数系数，T1为进汽温度，为气体常数。
作为优选，所述驱动器为变频电机。
作为优选，所述蜗壳的进口处设有集流器，集流器上设有用于对蒸汽进行减温的喷水装置。
作为优选，在通过喷水装置对蒸汽进行喷水减温时，减温水量d的计算公式如下：
d =((h2-h1)/η+ h1- h2’) ×D×0.95/(h2’-hs)；
其中，h1为进口蒸汽的焓值，h2为出口蒸汽的焓值，h2’为出口饱和蒸汽的焓值，η为绝热效率，hs为减温水的焓值；D为蒸汽蒸发量。
作为优选，当压缩元件的运行工况靠近喘振线时，打开放空阀并调节放空阀的开度，部分从出口管道排出的蒸汽经过放空管道和进口管道回流至压缩元件的进口，以降低压缩元件的喘振。
作为优选，叶轮与驱动器之间通过主轴相连，蜗壳上设有可使主轴穿入的主轴孔；主轴孔的外侧设有气封，气封呈环状，主轴从气封中穿过，气封与蜗壳固定连接；气封内侧采用碳环密封或迷宫密封方式与主轴相配合；
气封上设有充气口、抽气口和排水口，充气口、抽气口和排水口均贯通气封的内侧表面，排水口位于气封的下侧；
当压缩元件的内部压力低于大气压时，向气封的充气口充入洁净的蒸汽，充气的蒸汽压力比压缩元件的出口蒸汽压力高10-20kPa；
当压缩元件的内部压力大于大气压时，通过抽气口对轴封内侧进行抽气，并将抽出的蒸汽引到进口管道中；
作为优选，所述主轴安装在轴承座上，主轴上套设有挡气板，挡气板位于气封和轴承座之间，挡气板与主轴同轴设置，挡气板位于气封的一侧，挡气板上靠近气封的一侧设有若干个螺旋槽，螺旋槽的旋向与主轴的旋转方向一致，螺旋槽以圆形阵列的方式分布在挡气板上；挡气板的外围设有挡气板护罩，挡气板护罩的下端延伸至气封上的排水口处。
作为优选，所述蜗壳的下端设有排水装置。
本发明的有益效果是：
1、本发明中，蒸汽在经过压缩元件后的温升小于10℃，属于小温、升范围，要实现它，通过相对较低的叶轮转速即可实现，由于叶轮转速相对较低，故无需使用齿轮箱增速即可达到，通过驱动器与叶轮直连即可；这样便省去了中间齿轮箱，降低了结构的复杂度以及制造成本，同时也降低了维护成本；并且较低的叶轮转速也降低了压缩元件在运行时的噪音。
2、本发明中，通过支撑体对蜗壳进行支撑，支撑体与设备基础相连，使支撑体的位置保持固定；支撑体支撑在蜗壳上与主轴中心高度一致的位置（蜗壳的水平中分面）处，而蜗壳上其余的位置处处于悬空状态（未得到支撑），这样的好处是：蜗壳在受热发生变形时，蜗壳的变形是由轴心沿径向向四周扩散，而蜗壳轴心位置几乎不变，也就是说，即使蜗壳在发生热变形时，蜗壳的轴心位置与主轴始终保持同心状态，这样主轴不会与蜗壳上的密封部件发生偏心接触，从而避免密封部件受到严重的单侧磨损而造成密封性下降，进而有效防止蒸汽泄漏。
3、本发明提供的小温升离心蒸汽压缩装置，结构紧凑，运行高效，维护费用低，设备运行稳定，可广泛应用于MVR蒸发系统。
附图说明
图1为小温升离心蒸汽压缩装置的结构示意图。
图2为压缩元件的剖视图。
图3为蜗壳的正视图。
图4为压缩元件的局部放大图。
图5为挡气板的结构示意图。
图中：1、进口管道，11、进口膨胀节，2、压缩元件，21、叶轮，211、盖板，212、盖环，22、蜗壳，22、水平中分面，222、人孔，223、排水装置，224、加强筋，225、大法兰，226、法兰，227、支撑体，23、集流器，231、喷水装置，24、气封，241、充气口，242、抽气口，243、排水口，244、挡气板，244a、连接孔，244b、螺旋槽，245、挡气板护罩，25、压板，26、锁紧螺母，3、出口管道，31、出口膨胀节，4、放空管道，41、放空阀，5、轴承座，51、主轴，511、轴套，52、端盖，6、联轴器，7、驱动器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1至图5所示，一种小温升离心蒸汽压缩装置，包括压缩元件2、驱动器7，压缩元件2的进口和出口均与进口管道1进和出口管道3相连，进口管道1和出口管道3之间设有放空管道4，放空管道4上设有放空阀41；蒸汽经过压缩元件2后的温升小于10℃；压缩元件2包括蜗壳22和设置在蜗壳22内的叶轮21，驱动器7通过主轴51与叶轮21相连并驱动叶轮21旋转；蜗壳22通过支撑体227进行支撑，支撑体227与蜗壳22的连接点与主轴51中心的高度一致。
本发明中，蒸汽在经过压缩元件2后的温升小于10℃，属于小温升范围，要实现它，通过相对较低的叶轮21转速即可实现，由于叶轮21转速相对较低，故无需使用齿轮箱增速即可达到，通过驱动器7与叶轮21直连即可；这样便省去了中间齿轮箱，降低了结构的复杂度以及制造成本，同时也降低了维护成本；并且较低的叶轮21转速也降低了压缩元件2在运行时的噪音。本发明中，通过支撑体227对蜗壳22进行支撑，支撑体227与设备基础相连，使支撑体227的位置保持固定；支撑体227支撑在蜗壳22上与主轴51中心高度一致的位置(蜗壳22的水平中分面221)处，而蜗壳22上其余的位置处处于悬空状态(未得到支撑)，这样的好处是：蜗壳22在受热发生变形时，蜗壳22的变形是由轴心沿径向向四周扩散，而蜗壳22轴心位置几乎不变，也就是说，即使蜗壳22在发生热变形时，蜗壳22的轴心位置与主轴51始终保持同心状态，这样主轴51不会与蜗壳22上的密封部件发生偏心接触，从而避免密封部件受到严重的单侧磨损而造成密封性下降，进而有效防止蒸汽泄漏。
本实施例中，支撑体227共设置有四个，蜗壳22的每侧均分布有两个支撑体227，每侧的两个支撑体227分别位于蜗壳22中心的两侧。
本装置在运行时，蒸汽从进口管道1通入，蒸汽经过压缩元件2的加压后从出口管道3排出；当压缩元件2的运行工况靠近喘振线时，打开放空阀41并调节放空阀41的开度，部分从出口管道3排出的蒸汽经过放空管道4和进口管道1回流至压缩元件2的进口，以降低压缩元件2的喘振。
其中，在进口管道1上设有进口膨胀节11，在出口管道3上设有出口膨胀节31。进口膨胀节11和出口膨胀节31均用来抵消管道的轴向胀缩位移。
叶轮21作为压缩元件2的核心部件。本实施例中，叶轮21采用闭式、三元曲面叶片的焊接式叶轮21，在保证叶轮21高效气动性能的同时，降低了叶轮21的制造成本。
其中，根据进汽量和压比计算叶轮的直径和转速，叶轮的转速n的计算公式如下：
；
式中，n为叶轮的转速；为流量系数，取值范围为0.05-0.10；为叶轮的圆周速度，单位为（m/s）；为进汽量。
叶轮的直径D2的计算公式如下：
。
其中，叶轮的圆周速度的计算公式如下：
；
式中，为能量头，单位为（J/kg）；为能量头系数，取值范围为0.4-0.7；
能量头的计算公式如下：
；
式中，ε为压比；σ为指数系数，该指数系数为一无量纲的经验值，本实施例中，指数系数σ的取值为3.32；T1为进汽温度；为气体常数，单位为（J/kg·K）。
本实施例中，驱动器7为变频电机。变频电机的输出轴通过联轴器6与主轴51相连，变频电机具有较大的转速调节范围，可使压缩元件2在不同转速下运行，大大提升设备的调节范围，可满足负荷30-100%范围内的稳定运转。
蜗壳22的进口处设有集流器23，集流器23上设有用于对蒸汽进行减温的喷水装置231。其中，集流器23为筒状结构，集流器23远离叶轮21的一端直径较大，另一端直径较小，蒸气通过集流器23进入蜗壳22内。从进口管道1过来的蒸汽，经过集流器23时，通过喷水装置231对蒸气进行喷水降温处理，可有效控制调节蒸汽进口温度，防止蒸汽过热，确保设备和系统的安全运行。
具体的，在通过喷水装置对蒸汽进行喷水减温时，减温水量d的计算公式如下：
d =((h2-h1)/η+ h1- h2’) ×D×0.95/(h2’-hs)；
其中，h1为进口蒸汽的焓值，h2为出口蒸汽的焓值，h2’为出口饱和蒸汽的焓值，η为绝热效率，hs为减温水的焓值；D为蒸汽蒸发量。
值得一提的是，出口蒸汽的焓值h2为出口蒸汽在未经过喷水减温时的焓值，此时的出口蒸汽为过热状态；出口饱和蒸汽的焓值h2’为出口蒸汽经过喷水后达到饱和状态后的焓值。
叶轮21与驱动器7之间通过主轴51相连，蜗壳22上设有可使主轴51穿入的主轴51孔；主轴51孔的外侧设有气封24，气封24呈环状，主轴51从气封24中穿过，气封24与蜗壳22固定连接；气封24内侧采用碳环密封或迷宫密封方式与主轴51相配合。
气封24上设有充气口241、抽气口242和排水口243，充气口241、抽气口242和排水口243均贯通气封24的内侧表面，排水口243位于气封24的下侧；当压缩元件2的内部压力低于大气压时，向气封24的充气口241充入洁净的蒸汽，充气的蒸汽压力比压缩元件2的出口蒸汽压力高10-20kPa；这样可以避免外界大气通过气封24与主轴51之间的配合处进入压缩元件2中。当压缩元件2的内部压力大于大气压时，通过抽气口242对轴封内侧进行抽气，并将抽出的蒸汽引到进口管道1中，也可以通过真空泵将蒸气引到不冷凝气体处理罐中。泄露至气封24处的冷凝水可通过排水口243向外排出。
其中，主轴51孔的外侧设有小法兰226，气封24通过螺栓与小法兰226固定连接。叶轮21的轮毂中心设有连接孔244a，主轴51远离驱动器7的一端为连接端，连接端从叶轮21上的连接孔244a中穿过，通过压板25和锁紧螺母26使主轴51的连接端与叶轮21紧固连接。叶轮21的轮毂的两端面分别带有盖板211和盖环212。盖板211和盖板211均通过螺丝与叶轮21的轮毂固定连接，主轴51的连接端上设有与盖环212相对应的凸环结构，盖环212将凸环结构压紧，以提高叶轮21与主轴51连接的可靠性。
主轴51安装在轴承座5上，主轴51上套设有挡气板244，挡气板244位于气封24和轴承座5之间，挡气板244与主轴51同轴设置，挡气板244位于气封24的一侧，挡气板244上靠近气封24的一侧设有若干个螺旋槽244b，螺旋槽244b的旋向与主轴51的旋转方向一致，螺旋槽244b以圆形阵列的方式分布在挡气板244上；挡气板244的外围设有挡气板护罩245，挡气板护罩245的下端延伸至气封24上的排水口243处。
其中，挡气板244呈圆环状，挡气板244由两个半环形结构组合而成，两个半环形结构上均设有相对应的连接孔244a，两个半环形结构之间通过连接螺丝相连，以使两个半环形结构组合形成一个完整的挡气板244。挡气板244与主轴51紧固连接，并随主轴51的转动而转动。
挡气板护罩245呈圆筒状，挡气板护罩245与气封24的外圆侧相连。挡气板244用于防止从气封24与主轴51配合处泄漏的蒸汽轴向窜入轴承座5中而影响轴承的安全运行。主轴51在旋转过程中会带动挡气板244旋转，设置在挡气板244上的螺旋槽244b可引导并排出泄漏的蒸汽或冷凝水，通过螺旋槽244b的作用可将泄露出来的冷凝水甩向挡气板护罩245的内侧表面，冷凝水会积聚在挡气板护罩245的底部并通过排水口243向外排出。
主轴51安装在轴承座5上，通过轴承座5保证主轴51的灵活旋转。轴承座5的端部设有端盖52，主轴51从端盖52中穿过。端盖52与主轴51的配合处设有迷宫密封机构，端盖52通过迷宫密封机构与主轴51密封配合，可以防止泄露的蒸汽窜入轴承座5内。
蜗壳22的下端设有排水装置223。蜗壳22内的积水会积聚在蜗壳22的下端，通过排水装置223可将积水排出。
蜗壳22的外侧还设有人孔222，人孔222可打开，打开后可使维修人员进入蜗壳22内并对内部进行维修。
蜗壳22上设有加强筋224，加强筋224用于增强蜗壳22的强度。蜗壳22上靠近进口的一侧设有大法兰225，大法兰225的内径大于叶轮21外径，叶轮21可穿过大法兰225安装在蜗壳22的内部，便于设备检修装卸。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，包括压缩元件、驱动器，压缩元件的进口和出口均与进口管道和出口管道相连，进口管道和出口管道之间设有放空管道，放空管道上设有放空阀；蒸汽经过压缩元件后的温升小于10℃；
所述压缩元件包括蜗壳和设置在蜗壳内的叶轮，驱动器通过主轴与叶轮相连并驱动叶轮旋转；蜗壳通过支撑体进行支撑，支撑体与蜗壳的连接点与主轴中心的高度一致；
根据进汽量和压比计算叶轮的直径和转速，叶轮的转速n的计算公式如下：
；
式中，n为叶轮的转速,为流量系数，为叶轮的圆周速度，为进汽量；
叶轮的直径D2的计算公式如下：
；
其中，叶轮的圆周速度的计算公式如下：
；
式中，为能量头，为能量头系数；
能量头的计算公式如下：
；
式中，ε为压比，σ为指数系数，T1为进汽温度，为气体常数。
2.根据权利要求1所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，所述驱动器为变频电机。
3.根据权利要求1所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，所述蜗壳的进口处设有集流器，集流器上设有用于对蒸汽进行减温的喷水装置。
4.根据权利要求3所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，在通过喷水装置对蒸汽进行喷水减温时，减温水量d的计算公式如下：
d =((h2-h1)/η+ h1- h2’) ×D×0.95/(h2’-hs)；
其中，h1为进口蒸汽的焓值，h2为出口蒸汽的焓值，h2’为出口饱和蒸汽的焓值，η为绝热效率，hs为减温水的焓值；D为蒸汽蒸发量。
5.根据权利要求1所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，当压缩元件的运行工况靠近喘振线时，打开放空阀并调节放空阀的开度，部分从出口管道排出的蒸汽经过放空管道和进口管道回流至压缩元件的进口，以降低压缩元件的喘振。
6.根据权利要求1所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，叶轮与驱动器之间通过主轴相连，蜗壳上设有可使主轴穿入的主轴孔；主轴孔的外侧设有气封，气封呈环状，主轴从气封中穿过，气封与蜗壳固定连接；
气封上设有充气口、抽气口和排水口，充气口、抽气口和排水口均贯通气封的内侧表面，排水口位于气封的下侧；
当压缩元件的内部压力低于大气压时，向气封的充气口充入洁净的蒸汽，充气的蒸汽压力比压缩元件的出口蒸汽压力高10-20kPa；
当压缩元件的内部压力大于大气压时，通过抽气口对气封内侧进行抽气，并将抽出的蒸汽引到进口管道中。
7.根据权利要求1所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，所述主轴安装在轴承座上，主轴上套设有挡气板，挡气板位于气封和轴承座之间，挡气板与主轴同轴设置，挡气板位于气封的一侧，挡气板上靠近气封的一侧设有若干个螺旋槽，螺旋槽的旋向与主轴的旋转方向一致，螺旋槽以圆形阵列的方式分布在挡气板上；挡气板的外围设有挡气板护罩，挡气板护罩的下端延伸至气封上的排水口处。
8.根据权利要求1所述的小温升离心蒸汽压缩装置，其特征在于，所述蜗壳的下端设有排水装置。
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