论文总字数：29456字

摘 要

机械式蒸汽再压缩技术，通常也被人们称为MVR技术，其自身具有相应的蒸发系统。在该系统中能产生携带着一定热量的二次蒸汽，利用这些具有热量的蒸汽经过蒸汽压缩机的压缩做功，再次提高自身所具有的热量，并能够通过这种方式实现循环向蒸发系统进行热量的供给，减少从外界摄取能量的技术，有很好地节能效果。因而在化工、制药行业都得到了广泛应用。

在MVR蒸发流程中，水蒸气压缩机的压缩过程是最主要过程。压缩机在运行时的效率高低、工况范围大小、运行过程中的安全性和稳定性都对机组的整体性能和整个蒸发流程有着重要影响。叶轮作为水蒸气压缩机中提高气体能量的主要部件，其效率影响着压缩机整体的效率。

本文选用高压比、高效率的Krain离心式叶轮，应用三维粘性流动分析的方法对空气工质在Krain离心式叶轮的整个流动过程进行数值模拟，根据数值模拟结果来分析空气在Krain叶轮内部的流动情况。并进一步基于Krain叶轮，将工质改变为水蒸气，重新对其进行数值模拟，效率最高达89.9971%，压比在2.2左右，工况流量在3~3.6t/h，达到水蒸气压缩机的各项要求，完全可以直接应用于水蒸气压缩机中。为了进一步提高压缩机的压缩性能，根据叶轮内部流场情况，提出了对叶轮轮缘面改型的想法。将原始Krain叶轮应用到压缩机中，完成压缩机的完整设计，得到能应用于工业中机械式蒸汽再压缩技术的压缩机。

关键词：Krain叶轮；数值模拟；离心式蒸汽压缩机；变型设计。

The Internal Flow Analysis and Variant Design of Centrifugal Compressor

Abstract

Mechanical Vapor Re-compression, which is also known as MVR，has its own evaporation system. This system can generate the secondary steam carried energy. Using these heat, it can raise the energy of the secondary vapor by the compression work of steam compressor. Through this way, it can obtain the purpose of saving energy by providing the heat to the evaporation system circularly and decreasing the necessity for the heat from the external one. Its advantages make it widely applied in the chemical and pharmaceutical industry.

The compression work done by the water vapor compressor is the core process during the MVR evaporation. Thus, the compressor’s operating efficiency, operating range, safety and stability have direct influence on the overall performance of the unit and the entire process of evaporation. As the main component to improve the gas’s energy in the water vapor compressor, the efficiency of the impeller influences the overall efficiency of the compressor.

This paper adopts an impeller of high pressure ratio and high efficiency, Krain centrifugal impeller. First of all, using the method of 3D-viscous flow calculations to make numerical analysis on the high pressure ratio Krain centrifugal impeller with air, we can get the flow field inside the Krain impeller. Secondly, Based on the Krain impeller, the author make numerical analysis with changing the working fluid into water vapor and get the flow field inside the impeller again. The numerical results reveal that the highest efficiency can obtain 89.4369%, the pressure ratio is approximately 2.2, and the quantity of flow ranges from 3 to 4 ton per hour, which can be used in the water vapor compressor for obtaining each request. In order to get much higher pressure ratio and efficiency furthermore, I put forward some ideas on the shroud’s variant design of impeller in accordance with the flow field. Finally, applying the impeller into the compressor, the author finish the complete design of the compressor, getting one which can be used in the technology of MVR.

Key words: Krain impeller; numerical analysis; centrifugal steam compressor; variant design

目 录

摘 要 I

Abstract II

主要符号表 V

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究与应用现状 2

1.3 研究内容 4

第二章 基于Krain原始叶轮的数值模拟 6

2.1 Krain原始叶轮相关数据 6

2.2 Krain原始叶轮数值模拟过程 7

2.2.1 CFX求解过程介绍……………………………………………………………………………………………… 7

2.2.2 UG软件简介……………………………………………………………………………………………………….8

2.2.3 BladeGen几何模型建立……………………………………………………………………………………..9

2.2.4 控制方程与湍流模型……………………………………………………………………………………….12

2.2.5 网格绘制…………………………………………………………………………………………………………. 14

2.3 小结 ……………19

第三章 水蒸气与空气在Krain叶轮中的流动分析 20

3.1 水蒸气热力学性质 20

3.1.1 水和水蒸气状态方程……………………………………………………………………………………….20

3.1.2 水和水蒸气的性质…………………………………………………………………………………………..21

3.2 空气在原始Krain叶轮中的流动分析 21

3.3 水蒸气在原始Krain叶轮中的流动分析 28

3.4 小结 35

第四章 MVR水蒸气压缩机完整设计 37

4.1 设计参数的整理与计算 37

4.2 蒸汽压缩机的级数确定 38

4.3 叶轮设计 39

4.4 无叶扩压器的设计 40

4.5 小结 41

第五章 总结与展望 42

5.1 结论 42

5.2 展望 42

致 谢 44

参考文献 45

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

我国虽然占地面积广阔、各种资源种类繁多，可是由于人口众多，资源匮乏依然是我国正面临着并急需解决的重大问题。由于这几年经济的大幅度增长，外加我国一直始终使用着能源耗量大、各项污染严重的发展模式，这对能源、环境都是一种巨大的浪费。随着人们对地球环境的重视度越来越高，在工业发展中更是将节能环保作为发展前提。追求可持续发展，就必须做到各个方面的节能环保，因而各种类型的节能环保产业也就成为了我国目前发展的重点产业。

机械式蒸汽再压缩技术，通常也被人们称为MVR技术，其自身具有相应的蒸发系统。在该系统中能产生携带着一定热量的二次蒸汽，利用这些具有热量的蒸汽经过蒸汽压缩机的压缩做功，再次提高自身所具有的热量，并能够通过这种方式实现循环向蒸发系统进行热量的供给，减少从外界摄取能量的技术，有很好地节能效果。MVR技术的使用设备最早出现于20世纪初，由瑞士苏尔寿公司研发生产，并主要于工业过程中使用。纵然MVR技术已经是一项成熟技术并且具有巨大的发展潜力，却因为无法找到更为合适的应用场合而极大地制约了MVR技术的发展速度。不久之后，MVR会被更多地在各种环保、化工、食品等行业中使用，对其他的由于设备影响导致生产地需扩建或对蒸发设备有改造生产需求的企业和一些常见的低温蒸发场合，MVR便显示出了自己极为明显的优势。因为MVR这项技术对于其使用的机械设备、加工技术等方面都有着极为严苛的精度和技术要求，现在这项技术中的核心过程技术还掌握在了国外的GE、GEA和Messo等公司手中。国内压缩机还是以进口为主，包括苏尔寿(Sulzer)、泰悉尔(Tuthill)、西门子(Siemens)等国外知名压缩机品牌。目前中国在蒸汽压缩机的设备改进及对生产设备的应用方面都做了大量的研究，并取得了一定的研究成果，不断推动着蒸汽压缩机往国产化方向发展，为将来我国在MVR技术中能做到自给自足而积累了大量的经验。所以，进一步提高中国的MVR技术，对中国在各大产业中的世界水平的进步和中国自身实现可持续发展都有着很大的帮助。

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