工藝排風(fēng)熱值回收的節(jié)能分析

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(中原工學(xué)院, 鄭州450007)

機器對電能的消耗，除部分以機械能的形式轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品中外，大多以摩擦熱的形式存在。這些熱量若不及時排出，會使機器運行溫度升高，功率消耗增大，最終可能導(dǎo)致機器損壞。為了維持機器的正常運轉(zhuǎn)，需要對機器進(jìn)行冷卻、抽風(fēng)或者清潔處理，將這部分排風(fēng)稱為工藝排風(fēng)。一般情況下，工藝排風(fēng)溫度比車間溫度高5～15 ℃[1]，其攜帶大量熱量，而這部分熱量中很大一部分是可以被回收利用的，若將其全部排出室外是極大的浪費。鑒于此，有必要對工藝排風(fēng)中的熱值進(jìn)行回收。本文針對大發(fā)熱量車間的情況，對如何回收利用工藝排風(fēng)中的熱值進(jìn)行了分析和探討，為改善車間工作條件、空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排設(shè)計和改造提供技術(shù)依據(jù)。

1 原 理

機器密集型車間散熱量較大，即使在冬季，車間溫度也偏高，需要將較高溫度的工藝排風(fēng)排出室外，同時不停地向車間送冷風(fēng)，以確保車間溫度不會過高。而機器設(shè)備較少的車間，因為整體發(fā)熱量小，在冬季僅靠機器發(fā)熱量不足以保證車間的溫度。為滿足人體衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和工藝生產(chǎn)要求，在冬季必須對機器較少的車間補充熱量。這樣便出現(xiàn)了缺熱的車間需補熱，而溫度較高車間的工藝排風(fēng)卻大量外排的矛盾。

為解決此類矛盾，在冬季，只需在原基礎(chǔ)上設(shè)置工藝排風(fēng)遷移風(fēng)道，將工藝排風(fēng)中的熱值回收至缺熱的車間，工藝排風(fēng)量遷移示意圖如圖1所示。將機器密集型車間1的工藝排風(fēng)部分或全部轉(zhuǎn)移至機器較少的車間2，同時對車間1加大新風(fēng)量，保障車間的風(fēng)量平衡和正壓要求，減少空調(diào)室的需冷量。而在夏季及其他季節(jié)，則關(guān)閉遷移風(fēng)道。

圖1 工藝排風(fēng)熱量遷移示意圖

在夏季，當(dāng)工藝排風(fēng)焓值低于新風(fēng)焓值時，將全部或部分工藝排風(fēng)與新風(fēng)混合以降低新風(fēng)焓值，從而減少空調(diào)室需冷量和新風(fēng)使用量。但當(dāng)工藝排風(fēng)焓值高于室外新風(fēng)時，目前常用的方法是把工藝排風(fēng)全部外排，但由于工藝排風(fēng)量較大，車間新風(fēng)使用量過多，增加空調(diào)運行費用。因此，本文提出更節(jié)能的措施，即不論工藝排風(fēng)焓值是否高于室外新風(fēng)，全部回收工藝排風(fēng)，而后使用空調(diào)室的循環(huán)回水對其進(jìn)行預(yù)冷，使其焓值低于新風(fēng)焓值，這樣可大大減少新風(fēng)使用量，同時也降低了空調(diào)室的需冷量。

2 熱濕處理過程

在冬季，新風(fēng)與回風(fēng)混合至狀態(tài)C′后，與工藝排風(fēng)混合到送風(fēng)狀態(tài)點O送入車間，缺熱車間全部由工藝排風(fēng)補熱，全部使用工藝排風(fēng)補熱的處理過程如圖2所示。如果新風(fēng)與回風(fēng)、工藝排風(fēng)混合后低于室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)O的要求，可將新風(fēng)與回風(fēng)混合空氣分成兩部分，一部分與工藝排風(fēng)混合到狀態(tài)點O″，另一部經(jīng)噴淋室絕熱加濕到機器露點K′，表面器再熱到O′狀態(tài)后，兩者再混合至送風(fēng)狀態(tài)O送入車間，聯(lián)合補熱的處理過程如圖3所示。

圖2 全部使用工藝排風(fēng)補熱的處理過程

圖3 聯(lián)合補熱的處理過程

圖2、圖3中虛線表示工藝排風(fēng)全部外排的熱濕處理過程，實線是工藝排風(fēng)熱值回收的過程；N、N′分別是大發(fā)熱量和小發(fā)熱量車間內(nèi)的設(shè)計狀態(tài)點；W為室外狀態(tài)點；N1為工藝排風(fēng)狀態(tài)點；C為新風(fēng)與回風(fēng)的混和狀態(tài)點；K為大發(fā)熱量車間的機器露點。

在夏季，將新風(fēng)與工藝排風(fēng)混合經(jīng)空調(diào)室的循環(huán)水預(yù)冷后，再與回風(fēng)混合至C′，過程如圖4所示?；?qū)⒐に嚺棚L(fēng)預(yù)冷后再與空調(diào)回風(fēng)混合至C′，過程如圖5所示。

圖4 工藝排風(fēng)和新風(fēng)混合預(yù)處理過程圖

圖5 僅預(yù)處理工藝排風(fēng)的過程圖

圖4、圖5中，虛線表示工藝排風(fēng)全部外排；而實線和短劃線表示回收工藝排風(fēng)的熱濕處理過程；D表示工藝排風(fēng)或工藝排風(fēng)與新風(fēng)混合后的預(yù)冷狀態(tài)點；D′是工藝排風(fēng)與新風(fēng)的混合狀態(tài)點。

3 節(jié)能性分析及相應(yīng)措施

3.1 夏季工藝排風(fēng)熱值回收節(jié)能分析和相應(yīng)措施

3種不同工藝排風(fēng)處理方式的熱濕處理過程如圖6所示。

圖6 3種不同工藝排風(fēng)處理方式熱濕處理過程圖

圖6中C點是工藝排風(fēng)全部外排，新風(fēng)與回風(fēng)混合的混合點；虛線表示當(dāng)前應(yīng)用較多的方式，即將工藝排風(fēng)全部回用，與回風(fēng)混合后，再與新風(fēng)混合到C″，然后經(jīng)噴淋室處理回用。本文提出將工藝排風(fēng)用表冷器預(yù)冷到室內(nèi)焓值，再與空調(diào)回風(fēng)口的回風(fēng)一起與新風(fēng)混合到C′，經(jīng)噴水室處理后送入室內(nèi)。工藝排風(fēng)是否回用直接影響著車間新風(fēng)比。假設(shè)送風(fēng)量G不變，工藝排風(fēng)量為G2，占總風(fēng)量的n%，通過空調(diào)回風(fēng)口的回風(fēng)量G1，占總風(fēng)量的p%，車間正壓滲透排風(fēng)量為5%×G。當(dāng)工藝排風(fēng)全部外排時車間出現(xiàn)負(fù)壓，空調(diào)無風(fēng)可回, 只能用室外新風(fēng)補充，致使新風(fēng)比劇增，此時新風(fēng)量為GW=G2+5%×G；當(dāng)工藝排風(fēng)全部回用時，新風(fēng)量最小。參照文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]，最小新風(fēng)比m取5%。

當(dāng)G2全部外排時，新風(fēng)量GW=G2+m%×G，則混合點C的焓值為：

(1)

其中,hN、hw分別為室內(nèi)外狀態(tài)點的焓值。

當(dāng)工藝排風(fēng)G2全部回收，與空調(diào)回風(fēng)混合到N2，再與新風(fēng)混合到C″時，使用最小新風(fēng)量，則混合點C″的焓值為

(2)

其中,hN1為工藝排風(fēng)狀態(tài)點焓值；hN2為工藝排風(fēng)與空調(diào)回風(fēng)混合狀態(tài)點焓值。

當(dāng)工藝排風(fēng)G2全部回收后預(yù)處理到N，與新風(fēng)混合，使用最小新風(fēng)量，則

(3)

工藝排風(fēng)被全部回收和外排時，進(jìn)入空調(diào)室前混合點的焓值比較為

hc″-hc=(hN1-hW)·n%

(4)

由式(4)可知，當(dāng)hN1>hW時，hc″>hc，說明將工藝排風(fēng)全部外排，空調(diào)室需冷量較少，即此時將工藝排風(fēng)全部外排，空調(diào)室節(jié)能效果較明顯。而當(dāng)hN1

若將工藝排風(fēng)預(yù)處理后，再與空調(diào)回風(fēng)口的回風(fēng)和新風(fēng)混合，或?qū)⒐に嚺棚L(fēng)全部回收但不預(yù)處理時，二者的混合點焓值比較為

hc″-hc′=(hN1-hN)·n%

(5)

假定空調(diào)室處理空氣的機器露點K不變，則空調(diào)室需冷量減少為

G[(hc″-hK)-(hc′-hK)]=G(hc″-hc′)=

G(hN1-hN)·n%=G2(hN1-hN)

(6)

其中，hK為空調(diào)室處理空氣的機器露點焓值。

若按工藝排風(fēng)溫度比車間溫度高5～15 ℃，車間設(shè)計溫度32.0 ℃，相對濕度58%計算，每回收1 kg工藝排風(fēng)，空調(diào)室可節(jié)約需冷量7.29～15.63 kJ。以紡織廠細(xì)紗車間為例，按每錠細(xì)紗機工藝排風(fēng)量3.75～4.5 m3/h[4]進(jìn)行計算，每10萬錠細(xì)紗空調(diào)可節(jié)約需冷量972～ 2 084 kW，具有較好的經(jīng)濟效益。進(jìn)一步研究表明，若利用空調(diào)室循環(huán)水預(yù)處理工藝排風(fēng)，室外濕球溫度越低，空調(diào)室節(jié)能量越大，即若將工藝排風(fēng)與新風(fēng)混合后，經(jīng)空調(diào)室循環(huán)水預(yù)處理，讓一部分新風(fēng)負(fù)荷也由預(yù)處理的循環(huán)水承擔(dān)，可以更進(jìn)一步降低空調(diào)室的需冷量，節(jié)能更可觀，預(yù)處理工藝排風(fēng)和新風(fēng)的熱濕處理過程如圖7所示。

圖7 預(yù)處理工藝排風(fēng)和新風(fēng)的熱濕處理過程圖

3.2 冬季工藝排風(fēng)熱值回收節(jié)能分析和相應(yīng)措施

以紡織設(shè)備為例進(jìn)行分析。經(jīng)測試冬季紡織設(shè)備排風(fēng)溫度比車間設(shè)計溫度高3.5～9 ℃，即相當(dāng)于增焓3.5～9 kJ/kg，則每10萬錠細(xì)紗機工藝排風(fēng)量相當(dāng)于車間的每小時補充熱量，即

100 000×1.2×4×5=2 400 000 kJ/h

標(biāo)準(zhǔn)煤熱值29 308 kJ/kg，則對冬季缺熱車間加熱1 h 消耗標(biāo)準(zhǔn)煤量為：

2 400 000/29 308=82 kg/h

冬季加熱時間按90 d計，設(shè)備一天運行24 h，則節(jié)煤量為：

82×90×24=176 t

原煤單價約為760 元/t，折合為標(biāo)煤[5]約為1 064元/t,則冬季節(jié)省費用約為：

1 064×176=18.8 萬元

在工程實踐中針對這一問題, 提出了相應(yīng)的解決辦法：

(1)設(shè)置專用工藝排風(fēng)遷移風(fēng)道，使產(chǎn)熱量大的車間與產(chǎn)熱量小的車間空調(diào)室相連通，在其上設(shè)置調(diào)節(jié)窗，冬季打開，夏季關(guān)閉。遷移風(fēng)道可采用普通的磚墻風(fēng)道或玻璃鋼風(fēng)道。對于產(chǎn)熱量大的車間，使其空調(diào)室的工藝排風(fēng)調(diào)節(jié)窗可調(diào)，以保證在冬季工藝排風(fēng)可送至其他車間。工程實踐證明，該方法節(jié)能減排效果良好。

(2)若產(chǎn)熱量大的車間與產(chǎn)熱量小的車間相鄰，可在兩個車間的隔墻上設(shè)置可調(diào)的調(diào)節(jié)窗，冬季打開，夏季關(guān)閉。冬季增加產(chǎn)熱量大的車間的新風(fēng)量，既補充了因大量工藝排風(fēng)外排所降低的壓力，又降低車間溫度，同時延遲制冷機開啟時間。

4 結(jié) 語

(1)設(shè)備密集型車間發(fā)熱量大，工藝排風(fēng)溫度高。采用傳統(tǒng)的處理方式會出現(xiàn)夏季空調(diào)室需冷量大，冬季在發(fā)熱量小的車間需額外補熱，發(fā)熱量大的車間大量余熱外排的現(xiàn)象。

(2)在冬季，大發(fā)熱量車間的余熱可以通過熱量遷移風(fēng)道對冬季缺熱的車間進(jìn)行補熱。以紡織廠細(xì)紗設(shè)備為例，每小時可節(jié)能2 400 000 kJ；整個冬季可節(jié)省標(biāo)煤量約176 t，節(jié)省費用18.8萬元。

(3)在夏季，采用表冷器將工藝排風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，工藝排風(fēng)負(fù)荷和一部分新風(fēng)負(fù)荷由空調(diào)室的循環(huán)水承擔(dān)，特別是使用深井水的用戶節(jié)能效果更明顯。按車間設(shè)計溫度32.0 ℃，相對濕度58%計算，每回收1 kg工藝排風(fēng)，空調(diào)室可節(jié)省需冷量7.29～15.63 kJ。

參考文獻(xiàn)：

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