مقارنة بين تقنيات MVR والتبخير متعدد التأثير وTVR (إعادة ضغط البخار الحراري)

تقوم تقنية MVR بضغط البخار الثانوي، الذي كان سيحتاج في حالته الطبيعية إلى التكثيف، إلى ضغط أعلى باستخدام ضاغط، مما يرفع طاقته الداخلية. وهذا يتيح إعادة تدوير هذه الطاقة واستخدامها بشكل مستمر، بدلاً من الاعتماد على بخار جديد. ومن خلال استهلاك كمية ضئيلة جداً من الطاقة الكهربائية، تمكن من استعادة الطاقة الداخلية الكبيرة للبخار منخفض الضغط وإعادة استخدامها.

مبدأ MVR

1. تتيح الطاقة الكهربائية ضغط البخار الثانوي الناتج عن عملية التبخير والاستفادة الكاملة منه، مما يؤدي إلى انعدام تقريبًا لفقدان البخار داخل النظام.

2. يتم تصريف المكثف والمركز لتبادل الحرارة مع محلول التغذية.

3. يتم إجراء تبادل حراري بين الغاز غير القابل للتكثيف والسائل الأصلي.

4. يستخدم محرك الضاغط نظام التحكم في السرعة بتواتر متغير.

تقوم تقنية MVR بضغط البخار الثانوي، الذي كان سيحتاج إلى التكثيف لرفع ضغطه، باستخدام ضاغط، مما يزيد من طاقته الداخلية. وهذا يتيح إعادة تدوير هذه الطاقة واستخدامها بشكل مستمر، بدلاً من الاعتماد على البخار الجديد. ومن خلال استهلاك كمية ضئيلة جداً من الطاقة الكهربائية، تمكن من استعادة الطاقة الداخلية الكبيرة للبخار منخفض الضغط وإعادة استخدامها.

لتقليل أو إلغاء الحاجة إلى إمداد البخار الحي، واستعادة بخار الحرارة المهدرة، وتخفيض استهلاك مياه التبريد، وتعزيز كفاءة النظام.

مقارنة بين تقنيات MVR والتبخير متعدد التأثير وTVR (إعادة ضغط البخار الحراري)

مقارنة بين ثلاث تقنيات تُستخدم في أجهزة التبخير والتقطير

تستهلك معدات التبخير، والتقطير، والبلورة بالتبخير، والتجفيف بالتبخير كميات كبيرة من الطاقة.

يشكّل استهلاك الطاقة حصةً كبيرةً من تكاليف تشغيل هذه الأجهزة؛ ولذلك فإن خفض واستخدام الطاقة بشكلٍ مُحسَّن يعد أمراً بالغ الأهمية لتخفيض النفقات التشغيلية الإجمالية.

حاليًا، توجد ثلاث تقنيات رئيسية لتقليل استهلاك الطاقة النوعي، ويمكن تطبيقها إما بشكل منفرد أو بالجمع بينها:

■ المبخر متعدد التأثير (MEE)

■ تقنية المكثف البخاري الحراري (TVR)

■ تقنية الضاغط الميكانيكي للبخار (MVR)

1. تقنية متعددة التأثيرات

في نظام التبخير متعدد التأثيرات، لا يُدخل البخار الناتج عن التسخين بالبخار النقي في التأثير الأول إلى مكثف؛ بل يُعاد استخدامه كوسيلة تسخين للتأثير الثاني. يمكن بهذا النهج خفض استهلاك البخار النقي بنحو 50%. وبتوسيع هذا المبدأ ليشمل تأثيرات إضافية، يصبح بالإمكان تحقيق مزيد من التخفيض في استهلاك البخار النقي. يُوزَّع الفارق الكلي في درجة الحرارة بين أعلى درجة حرارة تسخين في التأثير الأول وأدنى درجة غليان في التأثير الأخير على التأثيرات الفردية. ونتيجةً لذلك، يتناقص الفارق في درجة الحرارة لكل تأثير مع ازدياد عدد التأثيرات. وللحفاظ على معدل تبخير محدد، يتعيّن بالتالي توسيع مساحة السطح المسخّن. وتشير التقديرات الأولية إلى أن إجمالي مساحة السطح المسخّن اللازمة لجميع التأثيرات يزداد بشكل طردي مع عدد التأثيرات؛ وبالتالي، بينما يتراجع توفير البخار تدريجياً، يرتفع الاستثمار الرأسمالي بصورة كبيرة.

أ- المنتج ب- البخار المتبقي ج- المُركَّز د- البخار الحي

إي: مكثف البخار المُنتَج من الطاقة ف: مكثف البخار الثانوي في: فقدان الحرارة

مخطط تدفق الحرارة للمبخر ذو التسخين المباشر ذي التأثير الثاني

2. تقنية إعادة ضغط البخار الحراري

في عملية إعادة ضغط البخار الحراري، وانطلاقًا من مبدأ مضخة الحرارة، يُضغط البخار الناتج عن غرفة الغليان إلى ضغط أعلى داخل غرفة التسخين، مما يُضيف طاقةً إلى البخار. ونظرًا لأن درجة حرارة التشبع المقابلة لهذا الضغط المرتفع في غرفة التسخين تكون أعلى، يمكن إعادة استخدام البخار للتسخين. وتُستخدم ضواغط البخار النفاثة لهذا الغرض. وبناءً على مبدأ المضخة النفاثة، لا تحتوي على أجزاء متحركة، وتتميز بتصميم بسيط لكن فعال، كما تضمن أقصى درجات الموثوقية التشغيلية. إن استخدام ضاغط واحد للبخار الحراري يحقق نفس فوائد توفير البخار وكفاءة الطاقة التي يوفرها إضافة مرحلة إضافية إلى المبخر. يتطلب تشغيل ضاغط البخار الحراري كمية معينة من البخار النقي، يُعرف بالبخار المحرك. ويجب إما نقل هذا البخار المحرك إلى المرحلة التالية أو تصريفه إلى المكثف كبخار متبقٍ. وتقارب الطاقة المتبقية الموجودة في البخار المتبقّي الطاقة التي يوفّرها البخار المحرك.

منتج ب بخار ثانوي ب1 بخار متبقي ج سائل مركز

د قوة البخار هـ مكثف بخار القوة في التوليد و خسارة الحرارة

مخطط تدفق الحرارة لمبخر إعادة ضغط البخار الحراري

3. تقنية إعادة ضغط البخار الميكانيكي

في نظام إعادة ضغط البخار الميكانيكي، يقوم ضاغط يعمل بالطاقة الميكانيكية بضغط البخار الناتج في المبخر إلى ضغط أعلى. ونتيجةً لذلك، يُعدّ جهاز إعادة الضغط أيضًا بمثابة مضخة حرارية، مما يؤدي إلى زيادة محتوى الطاقة في البخار. وعلى عكس مضخات الحرارة بالضغط التي تستخدم سائل عملية دائري—أي نظام مغلق يعمل وفق دورة التبريد—يعمل جهاز إعادة ضغط البخار كنظام مفتوح، ويمكن بالتالي اعتباره نوعًا خاصًا من مضخات الحرارة بالضغط. وبعد ضغط البخار وتكثيف البخار الساخن الناتج، يخرج المكثف من الدورة. ويتم فصل البخار الساخن (الجانب الساخن) عن البخار الثانوي (الجانب البارد) بواسطة سطح نقل الحرارة في المبخر. وعند مقارنة مضخات الحرارة بالضغط ذات النظام المفتوح بنظيرتها ذات النظام المغلق، يتضح أن سطح المبخر في النظام المفتوح يضطلع أساسًا بدور صمام التمدد في النظام المغلق. ومن خلال استهلاك كمية صغيرة نسبيًا من الطاقة—وهي الطاقة الميكانيكية لدوار الضاغط في مضخة الحرارة بالضغط—تُنقل الطاقة إلى وسط التسخين الخاص بالعملية وتُحافظ عليها ضمن دورة مستمرة. وفي هذه الظروف، لا يلزم وجود بخار أولي كوسيلة للتسخين.

منتج ب بخار ثانوي ب1 بخار متبقي ج سائل مركز

د الطاقة الكهربائية ه بخار التكثيف المُستعاد و فقدان الحرارة

مخطط تدفق الحرارة لمبخر إعادة ضغط البخار الميكانيكي

في نظام إعادة ضغط البخار الحراري متعدد التأثيرات، تظل كمية حرارة التكثيف التي يتعين التخلص منها كبيرة نسبيًا. وفي التكوين متعدد التأثيرات، وبوجود n تأثيرًا، تبلغ كمية حرارة التكثيف نحو 1/n من الطاقة الأولية المدخلة. علاوة على ذلك، لا يستطيع ضاغط النفاثة البخارية سوى ضغط جزء صغير من البخار الثانوي، بينما يتعين تصريف الجزء المتبقي من طاقة البخار المحرك على شكل حرارة فائضة إلى مياه التبريد. غير أنّه، من خلال اعتماد مبدأ مضخة الحرارة ذات الدورة المفتوحة، يمكن خفض حرارة التكثيف المُتخلص منها عبر المكثف بشكل كبير، بل وقد يتم القضاء عليها تمامًا. ولتحقيق التوازن الحراري الكلي، قد تبقى حاجة إلى كمية صغيرة من الطاقة المتبقية أو إلى تكثيف البخار المتبقي، مما يتيح الحفاظ على نسبة ثابتة للضغط وظروف تشغيل مستقرة. ومن أسباب اعتماد إعادة ضغط البخار الميكانيكي:

■ استهلاك منخفض للطاقة النوعية

■ يضمن فارق درجات الحرارة المنخفض تبخرًا لطيفًا للمنتج.

■ نظرًا لاستخدام مبخر أحادي التأثير، فإن زمن بقاء المنتج قصير.

■ عملية بسيطة وعملية للغاية

■ خصائص تشغيل ممتازة عند الأحمال الجزئية

■ تكاليف تشغيل منخفضة