[科普中國]-二次壓縮

二次壓縮系統(tǒng)可用來替代傳統(tǒng)的閥門節(jié)流減壓供汽系統(tǒng)，回收蒸汽利用過后的廢熱蒸汽及冷凝水中的熱量，使蒸汽熱能數(shù)量和品位得到充分合理利用，達(dá)到優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)、節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境等目的。

概念空壓機(jī)制氣過程是：吸氣 → 壓縮 → 排氣。因此當(dāng)空壓機(jī)吸氣壓縮排氣后空壓機(jī)中還有部分空氣未完全排盡，這部分空氣會參與空壓機(jī)的第二次壓縮。因此被稱為“ 二次壓縮 ”?？梢詫?shí)現(xiàn)對換熱后的低品位副產(chǎn)蒸汽和冷
凝水系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸發(fā)氣進(jìn)行充分的回收，并回用到工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)蒸汽能量在數(shù)量上的充分利用，以及在使用方式和部位上的最佳利用。1

蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)供汽系統(tǒng)狀況及存在的問題上海氯堿化工股份有限公司是一家大型氯堿生產(chǎn)企業(yè)，年耗各種壓力等級的蒸汽 200 萬噸，占公司總能耗的 18%。公司蒸汽減壓系統(tǒng)中，普遍采用閥門進(jìn)行節(jié)流，將高壓（高品位）蒸汽節(jié)流后，向工業(yè)生產(chǎn)中的用熱部位供汽。 換熱設(shè)備換熱后的蒸汽冷凝水大多只進(jìn)行簡單的回收利用，冷凝水平均溫度大于 100℃。 由于蒸汽的使用壓力大于大氣壓力，所以凝結(jié)水所具有的熱量可達(dá)蒸汽全熱量的20%-30%，且壓力、 溫度越高，凝結(jié)水具有的熱量就越多，占蒸汽總熱量的比例也就越大。

由于工藝條件的要求，送達(dá)終端的蒸汽所需的壓力等級各不相同，需要進(jìn)行一定的減壓。常規(guī)的閥門節(jié)流減壓造成了能量的無效貶值，使高品位（壓力） 的蒸汽在沒有對外做功的情況下轉(zhuǎn)化為低品位（壓力）的蒸汽，屬于用能質(zhì)量上的浪費(fèi)。供汽系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸發(fā)氣（或副產(chǎn)蒸汽）以及疏水系統(tǒng)產(chǎn)生的泄漏蒸汽，通常直接對空排放，或者沒有進(jìn)行合理的回收利用，屬于用能數(shù)量上的浪費(fèi)。常規(guī)的閥門節(jié)流供汽系統(tǒng)從用能質(zhì)量和用能數(shù)量上，都存在著用能不合理和未能綜合利用能量的問題。如何降低減壓過程中的能量損失和實(shí)現(xiàn)對換熱后的低品位副產(chǎn)蒸汽和冷凝水系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸發(fā)氣進(jìn)行充分的回收利用，蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)能解決這個問題，它可以實(shí)現(xiàn)：

1） 最大限度的減少蒸汽減壓過程中的能量損失，實(shí)現(xiàn)蒸汽能量的梯級利用，實(shí)現(xiàn)對蒸汽所含值（即對外作功能力）進(jìn)行合理和充分的使用；

2）可以增加換熱設(shè)備的排水壓差，實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備暢通排出蒸汽冷凝水，充分挖掘換熱設(shè)備的換熱能力，提高換熱效果，以利于產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)率的提高。

能量的品位及節(jié)流減壓過程中的能量損失（1）能量的品位

能量是物質(zhì)的基本特性參數(shù)，它表示物質(zhì)所具有的做功能力，熱力學(xué)第一定律指出不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中數(shù)量守恒。熱力學(xué)第二定律指出能量除了有數(shù)量上的多少外，還有品位的高低，不同品位的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰Σ煌Ｎ镔|(zhì)的總能量中，可用能所占的比例代表了能量的品質(zhì)，能量中可轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)功的部分稱為?（ Exergic）。

（2）節(jié)流過程中的能量損失

蒸汽截流通常是利用閥門的阻力特性，控制閥后蒸汽流量，達(dá)到蒸汽減壓的目的。 這種減壓方式，是對外界不作功的等焓熵增過程，是典型的不可逆過程。蒸汽在截流減壓過程中，由于摩擦、 渦流等，使大量有規(guī)則熱運(yùn)動的分子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序運(yùn)動，產(chǎn)生耗散功，導(dǎo)致在沒有對外做功的情況下產(chǎn)生熵的增加，降低了蒸汽對外做功的能力，致使蒸汽產(chǎn)生了無形的能量損失。

蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)的工作機(jī)理蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)，利用熱平衡、 ?平衡和能級平衡理論，在工業(yè)生產(chǎn)中，利用新型的蒸汽二次壓縮供汽系統(tǒng)替代常規(guī)的閥門節(jié)流供汽系統(tǒng)，使蒸汽中的能量在品位和數(shù)量上都能夠得到充分合理的使用。1

（1）噴射壓縮系統(tǒng)工作機(jī)理

利用蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)組成引射式減壓系統(tǒng)，按蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)制作引射減壓設(shè)備，利用蒸汽減壓前后的能量差為動力，提升低品位蒸汽的 值，將高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽噴射二次壓縮過程中進(jìn)行速度均衡和能量均衡，擴(kuò)壓后進(jìn)入熱力管網(wǎng)供用戶使用。 采用蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)引射式減壓系統(tǒng)，可以避免蒸汽節(jié)流減壓過程中產(chǎn)生的?值損失，同時(shí)利用蒸汽減壓前后的能量差作為動力，提升低品位蒸汽的壓力等級，在避免蒸汽減壓損失的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對低品位蒸汽的回收利用，實(shí)現(xiàn)對能量從數(shù)量和質(zhì)量上都進(jìn)行充分和合理的使用。

蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)由噴嘴、 接受室、 混合室和擴(kuò)壓室共四個部分組成，高品位蒸汽稱為工作蒸汽 PP，低品位蒸汽稱為引射蒸汽PH，混合后的蒸汽稱為壓縮蒸汽 PC(參見圖 1）。

工作蒸汽在噴嘴內(nèi)， 由于流通截面逐漸變小，工作蒸汽流速逐漸增加，蒸汽的壓力勢能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，壓力逐漸降低。 當(dāng)工作蒸汽通過噴嘴后，在噴嘴出口達(dá)到極高的速度（超音速），大部分壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，使蒸汽壓力降低到引射蒸汽壓力以下，形成局部相對負(fù)壓，將引射蒸汽抽吸到接受室。兩股共軸流體在混合室內(nèi)進(jìn)行充分混合并使速度與能量均衡，在混合室的出口截面，建立起均勻速度場和能量場，形成穩(wěn)定均一的高速度蒸汽流。蒸汽流進(jìn)入擴(kuò)壓室后，隨著流通截面面積的逐漸擴(kuò)大，蒸汽流速逐漸降低，蒸汽動能逐漸轉(zhuǎn)化為勢能，壓力逐漸得到恢復(fù)，當(dāng)達(dá)到擴(kuò)壓室末端時(shí)，壓力得到完全恢復(fù)，達(dá)到工藝所要求的壓力，供工業(yè)生產(chǎn)中的換熱設(shè)備使用。

（2）蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)的基本流程

基本的蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)由蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)、 高效擴(kuò)容閃蒸罐、 壓差疏水器、 換熱器、 自動控制系統(tǒng)等組成(見圖 2）。

（3）蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)的運(yùn)行

蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)全部采用自動化控制技術(shù)，各壓力、 溫度、 液位等參數(shù)的采集均使用相應(yīng)的變送傳感器，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動或電動調(diào)節(jié)閥門，控制中心為工控機(jī)或可編程控制器（ PLC）。系統(tǒng)設(shè)定好各個參數(shù)后，自動穩(wěn)定運(yùn)行。

研究結(jié)論利用蒸汽二次壓縮技術(shù)對高品位蒸汽進(jìn)行引射式節(jié)流替代傳統(tǒng)的閥門節(jié)流，向用汽系統(tǒng)提供所需要品位和數(shù)量的蒸汽，即可以實(shí)現(xiàn)蒸汽無損耗節(jié)流，又可以利用高品位蒸汽節(jié)流后的壓力差為動力，回收工業(yè)廢熱蒸汽（或冷凝水系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸發(fā)汽或副產(chǎn)低品位蒸汽） 并回用到工業(yè)生產(chǎn)，可以靈活地實(shí)現(xiàn)能級的梯級利用和能量平衡，從而實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)用汽數(shù)量上和質(zhì)量上的平衡，達(dá)到優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)用汽網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)廢熱資源化，提高能源利用率，降低單位產(chǎn)品能耗，節(jié)約能源和保護(hù)自然環(huán)境的目的。1

二次壓縮氣流法測試棉纖維細(xì)度成熟度研究背景棉纖維細(xì)度 、成熟度是棉花的重要幾何特征，影響著棉紗棉布質(zhì)量和紡紗工藝，是棉紡配棉的主要依據(jù)馬克隆值是細(xì)度、成熟度的綜合指標(biāo)，在國際棉花貿(mào)易中是計(jì)價(jià)指標(biāo)之一。細(xì)度和成熟度是表征棉花物理性能的重要指標(biāo)，對紡紗工藝和織物質(zhì)量有著重要的影響。棉纖維的細(xì)度對紗線條干、強(qiáng)力及捻度影響很大；纖維的成熟度越高，紗線和織物的色澤、吸色能力和染色均勻度越高，彈性也越好。

中段稱重法( GB/T 6100 -2007)、排列法( GB/T 17686 -1999) 用于測量棉纖維細(xì)度，中腔胞壁對比法 ( GB/T 6099 . 1 -1985)、顯微鏡法 ( GB/ T13777 -2006)、偏光儀法( GB/T 6099.2 -1992) 用于測量棉纖維成熟度。這些方法有幾個共同點(diǎn)：一是測試指標(biāo)單一，只能單獨(dú)測量成熟度或線密度一個指標(biāo)；二是速度很慢，這在講究效率和人工成本日益提高的社會背景下顯得很不合時(shí)宜，限制了其實(shí)用性；三是重復(fù)性比較差，原因是這些方法幾乎都是人工、半人工測量，受人為因素影響較大。氣流法能測試馬克隆效率和重復(fù)性，但測試出的馬克隆值反映的是棉花成熟度和細(xì)度的綜合效果，無法測量紡織企業(yè)十分關(guān)心的成熟度和細(xì)度指標(biāo)。基于上述背景，二次壓縮氣流法測試棉纖維成熟度、細(xì)度就顯得十分必要，它克服了上述測試方法指標(biāo)單一、速度慢和重復(fù)性差的缺陷，能快速、全面、準(zhǔn)確地測量棉花的馬克隆、細(xì)度 、成熟度。2

氣流法測量棉纖維馬克隆 、成熟度和細(xì)度氣流法測試棉花馬克隆值 、細(xì)度和成熟度，具有自動快速、效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。氣流法又可分為一次壓縮氣流法(用于測量馬克隆值)和二次壓縮氣流法(用于測試馬克隆值、成熟度和細(xì)度)。氣流法的理論基礎(chǔ)是苛仁納( Kozeny) 公式。

（1）一次壓縮氣流法的應(yīng)用

根據(jù)以上原理，測量棉纖維馬克隆值有定流量式氣流儀和定壓式氣流儀。定壓式氣流儀需要測試通過纖維塞的流量Q，根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型得到馬克隆值。主要儀器為Y145C 型馬克隆值測定儀。定流量式氣流儀需要測試?yán)w維塞兩端的壓力差 Δp，根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型得到馬克隆值。主要儀器有多家儀器公司生產(chǎn)的 175 型便攜式棉纖維氣流儀和 M C 型棉纖維馬克隆儀。其中，陜西華斯特儀器公司的產(chǎn)品 SJ175 棉纖維氣流儀的特點(diǎn)為電子稱重、氣壓傳感器測定馬克隆值、數(shù)字顯示、語音報(bào)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)棉樣自動校正、馬克隆值自動分級、智能剔除異常數(shù)據(jù)等功能；蘇州市光華電測技術(shù)研究所研制的MC型棉纖維馬克隆儀，利用全數(shù)字化的測試系統(tǒng)，微電腦完成測量的自動控制和數(shù)據(jù)處理，具有對馬克隆值校準(zhǔn)棉樣的自動校正功能。

（2）二次壓縮氣流法的應(yīng)用

二次壓縮氣流法主要采用固定氣流流量，測試2 次壓縮的壓力差，根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型得到棉纖維的馬克隆值、細(xì)度和成熟度。具體測試流程為：試樣筒內(nèi)放入開松良好、清潔、調(diào)濕(置于大氣中)、無規(guī)則取向的指定質(zhì)量的棉纖維試樣，先后壓縮成2種不同的固定體積，形成纖維多孔塞。測量試樣在不同壓縮狀態(tài)下的透氣性。在每一種壓縮狀態(tài)下，氣流以指定的流量通過試樣，在壓力計(jì)上指示出試樣上的壓力降(以 mm H2O 水柱高度表示)，得到2個壓力降：一個松壓纖維塞的壓力降(用 PL 表示)，另一個緊壓纖維塞的壓力降(用PH表示)。用相應(yīng)的計(jì)算模型和公式可以得到棉纖維的馬克隆值Mic、細(xì)度LD、成熟度比M、成熟纖維百分率PM。

當(dāng)前國內(nèi)市場上采用二次壓縮氣流法測試棉纖維細(xì)度、成熟度的主要有以下4個生產(chǎn)廠家：英國錫萊(SDL)、英國維拉( WIRA)、常州第一紡織設(shè)備有限公司、長嶺紡電公司。這些采用二次壓縮氣流法則試棉纖維細(xì)度、成熟度的儀器均能同時(shí)測試棉纖維的馬克隆值、細(xì)度、成熟度比和成熟纖維百分率指標(biāo)，同時(shí)它們各有其特點(diǎn)，詳細(xì)對比見表1。采用二次壓縮氣流法的棉纖維細(xì)度、成熟度測試儀相對于傳統(tǒng)測試方法來說，具有測試指標(biāo)全、適
合紡織廠使用，測試速度快、適合棉花的大容量測試，測試質(zhì)量大、代表性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，細(xì)度、成熟度比、成熟纖維百分率的測試與傳統(tǒng)測試方法在理論上存在差異，同時(shí)溫濕度對測試指標(biāo)有一定的影響，但通過軟件修正、棉花校正能達(dá)到測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確要求；馬克隆值的測量也一樣，需要軟件修正，才能使其測試指標(biāo)與國際指標(biāo)統(tǒng)一。

研究結(jié)論在闡述氣流法測試棉纖維馬克隆值、細(xì)度、成熟度的原理和一次壓縮氣流法、二次壓縮氣流法的實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)上，應(yīng)用二次壓縮氣流法測試了棉纖維細(xì)度、成熟度 ，從系統(tǒng)組成、工作原理方面與傳統(tǒng)測試方法測試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二次壓縮氣流法測試棉纖維細(xì)度、成熟度和馬克隆值與傳統(tǒng)測試方法結(jié)果相當(dāng)。二次壓縮氣流法測試棉纖維細(xì)度、成熟度的指標(biāo)全、速度快、質(zhì)量大、代表性強(qiáng)。這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于棉花科研領(lǐng)域、生產(chǎn)、收購、貿(mào)易、加工等各部門，對紡織行業(yè)有重大意義。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)