So sánh các công nghệ MVR, bay hơi đa hiệu và TVR (tái nén hơi nước nhiệt)

Công nghệ MVR nén hơi nước thứ cấp – vốn lẽ ra phải được ngưng tụ – lên áp suất cao hơn nhờ một máy nén, từ đó làm tăng năng lượng nội tại của nó. Điều này cho phép tái tuần hoàn và tận dụng liên tục nguồn năng lượng này, thay thế cho hơi nước mới. Với việc chỉ tiêu thụ một lượng điện năng tối thiểu, công nghệ này giúp thu hồi và tái sử dụng phần lớn năng lượng nội tại của hơi nước áp suất thấp.

Nguyên lý MVR

1. Năng lượng điện giúp nén và tận dụng triệt để hơi nước thứ cấp sinh ra trong quá trình bay hơi, nhờ đó hầu như không có tổn thất hơi nước trong hệ thống.

2. Nước ngưng và dung dịch cô đặc được xả ra để trao đổi nhiệt với dung dịch đầu vào.

3. Khí không ngưng tụ được trao đổi nhiệt với chất lỏng ban đầu.

4. Động cơ máy nén sử dụng hệ thống điều khiển tốc độ biến tần.

Công nghệ MVR nén hơi nước thứ cấp – vốn lẽ ra phải được ngưng tụ – lên áp suất cao hơn bằng một máy nén, từ đó làm tăng năng lượng nội tại của nó. Điều này cho phép tái tuần hoàn và tận dụng liên tục nguồn năng lượng này, thay thế cho hơi nước mới. Với việc chỉ tiêu thụ một lượng điện năng tối thiểu, công nghệ này giúp thu hồi và tái sử dụng phần lớn năng lượng nội tại của hơi nước áp suất thấp.

Nhằm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu cung cấp hơi nước nóng, thu hồi hơi nước thải nhiệt, giảm tiêu thụ nước làm mát và nâng cao hiệu suất hệ thống.

So sánh các công nghệ MVR, bay hơi đa hiệu và TVR (tái nén hơi nước nhiệt)

So sánh ba công nghệ được sử dụng trong các thiết bị bay hơi và chưng cất

Các thiết bị bay hơi, chưng cất, kết tinh bằng bay hơi và sấy khô bằng bay hơi đều tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể.

Tiêu thụ năng lượng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong chi phí vận hành của các thiết bị này; do đó, việc giảm thiểu và tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng cụ thể là yếu tố then chốt để hạ thấp tổng chi phí vận hành.

Hiện nay, có ba công nghệ chính nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng cụ thể, có thể được áp dụng riêng lẻ hoặc kết hợp:

■ Thiết bị bay hơi nhiều tác động (MEE)

■ Công nghệ máy nén hơi nước nhiệt (TVR)

■ Công nghệ máy nén hơi nước cơ học (MVR)

1. Công nghệ đa hiệu

Trong một hệ thống bay hơi đa hiệu, hơi nước được sinh ra ở hiệu đầu tiên nhờ gia nhiệt bằng hơi nước mới không đi vào bình ngưng; thay vào đó, nó được tái sử dụng làm môi chất gia nhiệt cho hiệu thứ hai. Phương pháp này có thể giảm tiêu thụ hơi nước mới khoảng 50%. Khi áp dụng nguyên lý này cho các hiệu tiếp theo, mức tiết kiệm hơi nước mới còn có thể được nâng cao hơn nữa. Chênh lệch nhiệt độ tổng giữa nhiệt độ gia nhiệt cao nhất của hiệu đầu tiên và nhiệt độ sôi thấp nhất của hiệu cuối cùng được phân bổ cho từng hiệu riêng lẻ. Do đó, chênh lệch nhiệt độ trên mỗi hiệu càng nhỏ khi số hiệu tăng lên. Để duy trì tốc độ bay hơi theo yêu cầu, diện tích bề mặt gia nhiệt vì thế phải được mở rộng. Theo các tính toán sơ bộ, tổng diện tích bề mặt gia nhiệt cần thiết cho tất cả các hiệu tăng tỷ lệ thuận với số hiệu; kết quả là, trong khi mức tiết kiệm hơi nước dần suy giảm, vốn đầu tư lại tăng mạnh.

A Sản phẩm B Hơi dư C Nước cô đặc D Hơi sống

E Hơi nước cấp‑hơi ngưng tụ F Hơi nước thứ cấp‑hơi ngưng tụ V Tổn thất nhiệt

Sơ đồ dòng nhiệt của thiết bị bay hơi gia nhiệt trực tiếp hiệu thứ hai

2. Công nghệ tái nén hơi nước bằng nhiệt

Trong phương pháp tái nén hơi nhiệt, dựa trên nguyên lý bơm nhiệt, hơi nước từ buồng sôi được nén lên áp suất cao hơn tại buồng gia nhiệt, qua đó bổ sung năng lượng cho hơi. Do nhiệt độ bão hòa tương ứng với áp suất gia nhiệt tăng cao này lớn hơn, hơi nước có thể được tái sử dụng để làm nóng. Các máy nén hơi‑phun được sử dụng cho mục đích này. Hoạt động theo nguyên lý bơm phun, chúng không có bộ phận chuyển động, có thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả và đảm bảo độ tin cậy vận hành tối đa. Việc sử dụng một máy nén hơi nhiệt mang lại những lợi ích về tiết kiệm hơi và hiệu quả năng lượng tương đương với việc lắp thêm một tác dụng phụ vào thiết bị bay hơi. Quá trình vận hành của máy nén hơi nhiệt đòi hỏi một lượng hơi tươi nhất định, gọi là hơi động lực. Hơi động lực này hoặc phải được dẫn sang tác dụng tiếp theo, hoặc phải được xả ra bình ngưng dưới dạng hơi dư. Năng lượng dư chứa trong hơi dư gần như tương đương với năng lượng do hơi động lực cung cấp.

Một sản phẩm B hơi nước thứ cấp B1 hơi nước dư C chất lỏng cô đặc

D Hơi nước cấp D Hơi nước cấp ngưng tụ V Tổn thất nhiệt

Sơ đồ dòng nhiệt của thiết bị bay hơi tái nén hơi nóng

3. Công nghệ tái nén hơi bằng cơ học

Trong thiết bị tái nén hơi bằng cơ khí, một máy nén được dẫn động bằng cơ học sẽ nén hơi sinh ra trong thiết bị bay hơi lên áp suất cao hơn. Do đó, thiết bị tái nén này đồng thời hoạt động như một máy bơm nhiệt, qua đó làm tăng hàm lượng năng lượng của hơi. Khác với các máy bơm nhiệt nén sử dụng môi chất tuần hoàn — tức là hệ thống kín vận hành theo chu trình lạnh — thiết bị tái nén hơi hoạt động theo kiểu hệ thống mở và vì vậy có thể được xem như một dạng đặc biệt của máy bơm nhiệt nén. Sau khi hơi được nén và hơi nóng thu được ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụ sẽ thoát ra khỏi chu trình. Hơi gia nhiệt (phía nóng) và hơi thứ cấp (phía lạnh) được phân tách bởi bề mặt truyền nhiệt của thiết bị bay hơi. So sánh giữa máy bơm nhiệt nén kiểu hệ thống mở và hệ thống kín cho thấy, trong hệ thống mở, bề mặt thiết bị bay hơi về cơ bản đảm nhiệm vai trò tương tự như van tiết lưu trong hệ thống kín. Bằng cách chỉ tiêu thụ một lượng năng lượng tương đối nhỏ — cụ thể là năng lượng cơ học của cánh quạt máy nén trong máy bơm nhiệt nén — năng lượng được truyền tới môi chất gia nhiệt của quá trình và được duy trì trong một chu trình liên tục. Trong điều kiện này, không cần sử dụng hơi nước sơ cấp làm môi chất gia nhiệt.

Một sản phẩm B hơi nước thứ cấp B1 hơi nước dư C chất lỏng cô đặc

D Năng lượng điện E Hơi nước áp suất cao ngưng tụ V Tổn thất nhiệt

Sơ đồ dòng nhiệt của thiết bị bay hơi tái nén hơi cơ học

Trong một hệ thống nén hơi nước nhiệt đa tác dụng, lượng nhiệt ngưng tụ cần phải thải ra vẫn còn khá lớn. Trong cấu hình đa tác dụng, với n tác dụng, lượng nhiệt ngưng tụ xấp xỉ bằng 1/n của năng lượng đầu vào chính. Hơn nữa, máy nén kiểu phun hơi chỉ có thể nén được một phần hơi thứ cấp, còn phần năng lượng còn lại của hơi động lực phải được thải bỏ dưới dạng nhiệt thải vào nước làm mát. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng nguyên lý của máy bơm nhiệt nén chu trình mở, lượng nhiệt bị thải qua bình ngưng có thể được giảm đáng kể, thậm chí triệt tiêu hoàn toàn. Để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt tổng thể, vẫn có thể cần một lượng nhỏ năng lượng dư hoặc sự ngưng tụ của hơi thừa; nhờ đó, tỷ số áp suất có thể duy trì hằng định và các điều kiện vận hành ổn định. Những lý do để áp dụng phương pháp nén hơi nước cơ học bao gồm:

■ Tiêu thụ năng lượng riêng thấp

■ Chênh lệch nhiệt độ thấp đảm bảo quá trình bay hơi nhẹ nhàng của sản phẩm.

■ Do sử dụng thiết bị bay hơi một tác động, thời gian lưu trú của sản phẩm rất ngắn.

■ Quy trình đơn giản và mang tính thực tiễn cao

■ Đặc tính vận hành ở chế độ tải một phần rất tốt

■ Chi phí vận hành thấp