螺桿空氣壓縮機(jī)熱能回收的原理及利用

張霞，鄒江，秦翊

(1. 英格索蘭壓縮機(jī)有限公司,江蘇 南京 210019； 2. 無錫德寶水務(wù)投資有限公司，江蘇 無錫 214028)

螺桿空氣壓縮機(jī)熱能回收的原理及利用

張霞1，鄒江1，秦翊2

(1. 英格索蘭壓縮機(jī)有限公司,江蘇 南京 210019； 2. 無錫德寶水務(wù)投資有限公司，江蘇 無錫 214028)

空氣壓縮機(jī)長時間工作時，排氣溫度往往高達(dá)85 ℃～ 102 ℃，這里蘊藏著大量的熱能，這部份熱能在未被利用之前，被稱為廢熱，被風(fēng)扇或冷卻水帶走，排放于周圍環(huán)境中，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，污染環(huán)境。在加裝空壓機(jī)熱能回收裝置后，大部份熱能被充分利用，對環(huán)境起到保護(hù)作用，同時降低能耗，還可以改善空壓機(jī)的運行工況。介紹了兩種實用的空壓機(jī)熱能回收裝置，裝置已經(jīng)投入實際生產(chǎn)使用，效益顯著。

空氣壓縮機(jī); 熱能; 熱能回收裝置; 廢熱

0 前言

空壓機(jī)長時間工作時，其潤滑油的溫度漸漸升高，可以使排氣溫度高達(dá)85 ℃～ 102 ℃，這里蘊藏著大量的熱能，這部份熱能在未被利用之前，被稱為廢熱，被風(fēng)扇或冷卻水帶走，排放于周圍環(huán)境中，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，污染環(huán)境。在加裝空壓機(jī)熱能回收裝置后，大部份熱能被充分利用，對環(huán)境起到保護(hù)作用，同時降低能耗，還可以改善空壓機(jī)的運行工況?？諌簷C(jī)熱能回收再利用，是目前廣泛應(yīng)用于空壓機(jī)站房節(jié)能環(huán)保項目。它是利用一款新型高效的余熱利用設(shè)備，將空壓機(jī)余熱100%回收。利用空壓機(jī)冷卻潤滑油中的余熱，讓空壓機(jī)的廢熱把冷水轉(zhuǎn)換成熱水，熱水溫度在50 ℃～85 ℃可以任意調(diào)節(jié)。在當(dāng)今提倡節(jié)能環(huán)保的時代，需要大力推廣。

1 空氣壓縮機(jī)熱能回收的必要性

按照普通工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計的空氣壓縮機(jī)，它的絕熱效率在0.65～0.85之間。對于空氣壓縮機(jī)，設(shè)計供油溫度一般在50℃～60℃， 實際運行時的排氣溫度往往在80℃～90℃之間。高的排氣溫度會導(dǎo)致更多的潤滑油處于氣相，增加油氣分離的難度，降低潤滑油的使用壽命。除了機(jī)械摩擦導(dǎo)致的熱能損失外，主要是因為空氣壓縮機(jī)在壓縮氣體時熱能轉(zhuǎn)換的熱能損失，壓縮機(jī)的絕熱效率僅有60%～80%。根據(jù)美國能源署的統(tǒng)計，空壓機(jī)在運行時，真正用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占很小的一部分，約15%左右。約85%的耗電轉(zhuǎn)化為熱量，通過風(fēng)冷或者水冷的方式排放到空氣中去了。為此，多數(shù)空壓機(jī)設(shè)計了散熱系統(tǒng)，讓運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量能被及時排放，保證設(shè)備正常運行。“多余”的熱量如果不排放，不僅會影響空壓機(jī)的正常工作，導(dǎo)致高溫報警、縮短使用壽命、甚至燒毀；壓縮空氣溫度過高、增加冷干機(jī)工作負(fù)荷,會影響壓縮空氣的品質(zhì)；“多余”的熱量如果任意排放，不僅浪費了大量的熱能，還加劇大氣“溫室效應(yīng)”，造成熱污染。

例如：分析1臺英格索蘭160kW空壓機(jī)有多少余熱[1]。用于壓縮空氣的消耗的電能只有160×15%=24kW，余熱浪費的電能竟然需要160×85%=136kW，1h浪費熱量489.7MJ，1年360天浪費熱量4234.4×109J。如果采用英格索蘭空壓機(jī)配套熱回收系統(tǒng)，大約可以回收50%余熱，即占空壓機(jī)軸功率的40%。則1臺160kW空壓機(jī)每年可回收熱量 4234.4×109×50%=2117.2×109J，相當(dāng)于每年可以節(jié)省#0柴油46t，折合用電55.3×104kWh，也相當(dāng)于每年節(jié)省用電55.3萬度，折合35.9萬元，如表1所示。

表1 空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益分析表

分析依據(jù)：

1) 空壓機(jī)24 h加載，全年運行360d；

2) 回收熱量百分比空壓機(jī)軸功率×40%；

3) 標(biāo)準(zhǔn)煤熱值 ——29.288MJ/kg

#0柴油熱值 ——43.1MJ/kg

燃煤熱值 ——20.92MJ/kg

天然氣熱值 ——37.66MJ/Nm3

煤氣熱值 ——18.828MJ/Nm3

電/熱轉(zhuǎn)換 ——3.6MJ/kw·h

實際使用中按照熱力學(xué)計算常用數(shù)值：1t水溫度上升1℃需要熱量4 186.8KJ；夏/冬季補(bǔ)水平均溫度25 ℃/ 10 ℃；生活熱水常規(guī)蓄熱溫度50 ℃～55 ℃；洗澡熱水常規(guī)用量100 L/人·次；RO反滲透純水生產(chǎn)溫度25 ℃；鍋爐補(bǔ)水常規(guī)預(yù)熱溫度60 ℃～70 ℃。按某工廠有工人300名，分三班工作，洗澡用水為1臺燃油鍋爐供應(yīng)；廠內(nèi)有空壓機(jī)M75 1臺，M160 2臺，其中M75空壓機(jī)全年運行，加載率90%，M160空壓機(jī)一備一用，平均加載率80%?，F(xiàn)用回收空壓機(jī)廢熱加熱洗澡用水：每班洗澡水用量G=100L×100=10000L=10t，冬季洗澡用熱：

Q1=1000×10×(55-5)=2 092MJ

空壓機(jī)回收廢熱可提供熱量：

Q2=(75×90%+160×80%)×8×860×40% =2 251MJ

Q2>Q1，空壓機(jī)廢熱完全可以滿足要求。

全年可以節(jié)約燃油39.32t，節(jié)約燃料費用7000×39.32=275243元。

回收后的空壓機(jī)余熱加熱自來水到50℃～60℃，供職工洗澡、洗手使用。原來需要耗費較高成本的福利，現(xiàn)在可以免費提供。也可以將鍋爐補(bǔ)給水在進(jìn)入鍋爐之前由較低的溫度先一步提升，再由鍋爐加熱到設(shè)定溫度?？梢源蟠蠼档湾仩t使用過程中的燃料成本。

此外，還可以用于:

1) 工藝用水加熱：反滲透純水制取用熱(RO)：保溫工藝、沖洗工藝、堿洗工序、防結(jié)露工藝等用熱水的升溫。

2) 采暖用熱：工藝空調(diào)、舒適空調(diào)、車間溫濕度控制等系統(tǒng)，可將熱回收并入原有采暖系統(tǒng)，降低或消除原有采暖系統(tǒng)的能源成本。

3) 類采暖用熱：船廠涂裝車間、油漆噴刷車間、洗衣烘干房等場合，可提高生產(chǎn)效率。

可見，回收后的空壓機(jī)余熱具有很大的使用空間，發(fā)展空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)可以大量節(jié)省企業(yè)開支，提高經(jīng)濟(jì)效益，更重要的還可以減少污染、保護(hù)環(huán)境。因此，發(fā)展空壓機(jī)余熱回收是個一舉兩得的重要舉措。

2 空氣壓縮機(jī)熱能回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

空壓機(jī)熱能回收系統(tǒng)包含兩個組成部分，經(jīng)過重新改造的空壓機(jī)內(nèi)部冷卻管路和熱回收裝置。熱回收裝置是安裝在緊靠壓縮機(jī)與壓縮機(jī)連接的一個外部熱交換系統(tǒng)。熱回收裝置供熱端是系統(tǒng)提供給客戶熱水的供熱出口，給客戶的熱水流回來回到熱回收裝置的入口回水端[2]。

2.1 無油壓縮機(jī)熱回收裝置

a) 無油機(jī)熱回收裝置工作原理

無油機(jī)熱回收裝置的熱交換系統(tǒng)原理如圖1所示。來自壓縮機(jī)熱水出口的80℃的熱水，經(jīng)過客戶使用，回到熱回收裝置的熱交換系統(tǒng)，冷卻成為35℃冷水，流回壓縮機(jī)，保證壓縮機(jī)不會過熱。由水泵不斷提供壓縮機(jī)與熱回收裝置之間循環(huán)需要的水。來自壓縮機(jī)的熱水連接到應(yīng)用端，應(yīng)用端是系統(tǒng)提供給客戶熱水的供熱出口，客戶使用過的熱水流回來回到熱回收裝置應(yīng)用端，進(jìn)入換熱器充分冷卻。

圖1 無油螺桿機(jī)熱回收系統(tǒng)的工作原理圖

b) 無油機(jī)熱回收裝置主要部件

1) 板式換熱器。是由一系列具有波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。

2) 水泵。水泵采用2臺葉輪泵，當(dāng)一臺水泵損壞維修時，另一個水泵進(jìn)行工作。

3) 比例調(diào)節(jié)閥。比例調(diào)節(jié)閥+電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)合流與分流功能達(dá)到溫度控制。

4) 電控模塊。電控系統(tǒng)采用程序邏輯控制器，能根據(jù)需要實現(xiàn)多種功能。控制器對比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行無間斷的無級調(diào)速，實現(xiàn)水溫的持續(xù)穩(wěn)定。

5) 安全閥。是一種安全保護(hù)用閥，當(dāng)管道內(nèi)的水壓力升高超過規(guī)定值時自動開啟排水，對人身安全和設(shè)備運行起保護(hù)作用[3]。

6) 壓力膨脹罐。壓力膨脹罐是一個由氣囊將氣體(通常為氮氣)與系統(tǒng)水分成兩部分的密閉式容器。當(dāng)系統(tǒng)水溫升高時，壓力增大，水壓高于預(yù)充氣壓力，膨脹的水量進(jìn)入膨脹罐；系統(tǒng)冷卻時，預(yù)充氣的壓力將氣囊推到底部，將氣囊內(nèi)的水?dāng)D出補(bǔ)充到系統(tǒng)?？梢云胶馑考皦毫Γ苊獍踩y頻繁開啟和頻繁補(bǔ)水[4]。

無油螺桿機(jī)的熱能回收裝置技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過現(xiàn)場驗證?，F(xiàn)裝置已經(jīng)在10多個單位安裝可靠使用，效果良好。

2.2 噴油螺桿壓縮機(jī)熱回收裝置

工作原理如圖2。

1—主機(jī)；2—油氣分離筒；3—油濾；4—溫控閥；5—油冷卻器； 6—溫控閥；7—板式換熱器；8—溫度傳感器；9—水流量控制閥 圖2 噴油螺桿機(jī)熱回收系統(tǒng)的工作原理圖

空壓機(jī)主機(jī)1的油經(jīng)過油分離筒2進(jìn)入熱回收裝置7進(jìn)行降溫后，通過油路上的溫控閥4給出信號，是否超過溫控閥設(shè)定的溫度，如果超過需要經(jīng)過油冷卻器冷卻5，經(jīng)過油冷卻器冷卻后經(jīng)油過濾器3返回主機(jī)，若從熱回收裝置出來的油溫度未超過溫控閥設(shè)置的油溫，將直接經(jīng)過油過濾器3返回主機(jī)。在熱回收裝置的另一端分別有進(jìn)水口(低溫進(jìn))和出水口(高溫出)，通過熱回收裝置的出油口溫度傳感器8，發(fā)出信號給到熱回收裝置的溫控閥6來達(dá)到調(diào)節(jié)水溫的目的。

設(shè)計要點：

a) 壓縮機(jī)采用可靠性工程設(shè)計，獨特的3路管道設(shè)計提供了與壓縮機(jī)冷卻劑回路的快速隔離，從而保證壓縮機(jī)的可靠性。

b) 采用模塊化設(shè)計,使安裝維修方便。

熱能回收的關(guān)鍵技術(shù)：熱回收裝置采用獨特的熱交換器，是不銹鋼換熱器，具有最佳的熱傳遞，損失最小，效率高達(dá)90%，如圖3所示。

圖3 熱回收裝置圖

熱回收裝置具有使用操作簡單的優(yōu)點。 使用和安裝簡單，最低限度的維護(hù)、所有的面板可以拆卸。采用模塊化設(shè)計，通用部分可以用于不同規(guī)格的熱交換器，檢修方便。

該熱能回收裝置技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過現(xiàn)場驗證，裝置已經(jīng)在200多個單位安裝使用，效果良好。

3 經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)初步計算：一臺250kW的無油螺桿機(jī)，按全年運行7300h計算，可回收熱能4596.8MJ；可節(jié)約電能128×104kW/h；節(jié)省運營成本89萬元；運行半年就可以收回投資成本！

案例：上海XX有限公司空壓機(jī)熱回收項目。

1) 空壓機(jī)型號：英格索蘭R160IU 1臺

2) 客戶要求：平均每天將30t水由20℃加熱至60℃存入蓄熱水箱，再送入燃油鍋爐加熱生成飽和蒸汽或者用作其他用途。

3) 分析：如直接使用燃油蒸汽鍋爐將30t 20℃水加熱至60℃，需要熱量：

Q=30×1000×(60-20)=5GJ

考慮燃油鍋爐的燃燒效率為85%，折合柴油137kg。

英格索蘭R160IU空壓機(jī)軸功率160kW，采用英格索蘭空壓機(jī)熱回收技術(shù)，理論每天可回收熱量5.5GJ滿足客戶的要求。

4) 改造后，經(jīng)多日跟蹤觀察，現(xiàn)階段進(jìn)水溫度25℃，蓄水溫度由于受用水量波動影響在65℃～70℃之間，客戶反應(yīng)節(jié)能效果明顯。

5) 投資回報分析：本項目投資15萬人民幣，全年節(jié)約柴油G=137×360=49320kg，折合人民幣34.5萬元，約6個月收回全部投資。

安裝熱回收裝置后，這部分的熱量能以熱的空氣或熱水的方式被回收利用，主要用于工廠供暖及加熱。

從當(dāng)今提倡環(huán)保的角度來說，推廣普及空氣壓縮機(jī)的熱回收裝置，不僅提高客戶的社會責(zé)任感，也為綠色地球做出一份不小的貢獻(xiàn)！

[1] 英格索蘭內(nèi)部培訓(xùn)資料[Z]. 上海：英格索蘭公司.

[2] 郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊. 容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 邱曉來，林潔. 閥門產(chǎn)品樣本[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4] 活塞式壓縮機(jī)設(shè)計編寫組. 活塞式壓縮機(jī)設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

Principle of Screw Air Compressor Heat Recovery and Its Heat Utilization

ZHANG Xia,ZOU Jiang,QIN Yi

(1. Ingersoll rand compressor Co., Ltd., Nanjing 210019, China;2. Wuxi Deppel Water Investment Co., Ltd,. Wuxi 214028,China)

Discharge temperature of air compressor is often up to 85 ℃～ 102 ℃ when it runs for long time. A large amount of heat energy exists in the discharge air. The heat before is unused, it is referred to as waste heat, taken away by the fan or cooling water and it is discharged to atmosphere, it could come into a “greenhouse effect” and pollute the environment. After installing the air compressor heat recovery unit, most of the heat energy is fully used the energy consumption is reduced and the environment is protected. This paper introduces two practical air compressor heat recovery units. The units are put into use in the process of production and the benefit is remarkable.

air compressor; heat energy; heat energy recovery unit; waste heat

張霞(1963-)，女，江蘇南京人，工程師，本科，主要從事壓縮機(jī)的設(shè)備制造與售后服務(wù)工作。

TH45

B

1671-5276(2015)05-0073-03

2014-03-03