熱能回收系統(tǒng)在螺桿壓縮機(jī)機(jī)組中的應(yīng)用

葉小芳

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 控制技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214121)

熱能回收系統(tǒng)在螺桿壓縮機(jī)機(jī)組中的應(yīng)用

葉小芳

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 控制技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214121)

壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的余熱，如果不交換掉，可引起電機(jī)高溫及排氣高溫，不但影響壓縮機(jī)的使用壽命，更影響壓縮空氣的質(zhì)量；但如果直接由冷卻系統(tǒng)將熱量排放，不但浪費(fèi)了能源，還會(huì)造成熱污染。本文介紹的螺桿壓縮機(jī)機(jī)組熱能回收系統(tǒng)正好解決了這個(gè)難題，這個(gè)問題的解決可為企業(yè)的節(jié)能減排及減緩全球氣候變暖速度提供理論依據(jù)。

螺桿壓縮機(jī)機(jī)組; 熱能回收; 節(jié)能

螺桿壓縮機(jī)在長期連續(xù)的運(yùn)行過程中，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高壓氣體的內(nèi)能，在機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能過程中，空氣得到強(qiáng)烈的高壓壓縮，使之溫度驟升。由于螺桿壓縮機(jī)在工作時(shí)需要噴入大量潤滑油，所以壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)后排出的不僅僅是高溫高壓的空氣，而是高溫高壓的油、氣混合物，這部分高溫高壓油、氣混合物在壓縮過程中所吸收的熱量相當(dāng)于壓縮機(jī)輸入功率的80%左右,它的溫度通常為80～100 ℃。

為保證潤滑油性能、控制機(jī)器運(yùn)行溫度，必須對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行冷卻處理，傳統(tǒng)的冷卻方式主要包括風(fēng)冷和水冷。不論采用風(fēng)冷還是水冷方式，壓縮機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱能全部散發(fā)到空氣中了，并且在冷卻過程中采用的軸流通風(fēng)機(jī)和水泵都需要消耗能量。這種傳統(tǒng)的配置不僅運(yùn)營成本高，而且環(huán)境污染極為嚴(yán)重，如何將該部分熱能回收利用于企業(yè)生活采暖、工業(yè)用水、熱水空調(diào)等，一直是科研工作者長期以來研究的課題。

本文將以H0135熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組為例，說明其應(yīng)用于生活熱水、空調(diào)的工作過程及及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作原理

1.1普通壓縮機(jī)工作原理

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿機(jī)旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)過濾器，被吸入螺桿壓縮機(jī)中壓縮成高溫高壓空氣，并與循環(huán)潤滑油混合形成高溫高壓油氣混合氣體，進(jìn)入油氣分離器。油氣混合氣體被分離成油氣和空氣后，其中的壓縮空氣經(jīng)后冷卻器冷卻后供給用戶；而循環(huán)油氣在油氣分離器中被分離，凝結(jié)成液態(tài)后，再經(jīng)油冷卻器冷卻及過濾器過濾，回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)過程。

1.2熱能回收型壓縮機(jī)工作原理

熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組，是利用壓縮中的高溫油氣的熱能，通過熱交換將熱能傳遞給常溫水，實(shí)現(xiàn)熱能利用。它通過能量交換和節(jié)電控制，不但收集了壓縮機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱能，同時(shí)改善了壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，是一種高效廢熱利用、零成本運(yùn)行的節(jié)能設(shè)備。

圖1為熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組的流程示意圖，從圖中看出：熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組與常規(guī)螺桿壓縮機(jī)機(jī)組在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于：在油氣分離器與油冷卻器之間串聯(lián)接入熱能回收系統(tǒng)。由此導(dǎo)致工作過程上的區(qū)別為：高溫高壓的油/氣混合氣體，經(jīng)油氣分離器分離后，高溫潤滑油進(jìn)入熱能回收系統(tǒng)，在熱能回收系統(tǒng)中與冷水進(jìn)行熱交換，熱交換后的潤滑油經(jīng)冷卻器返回壓縮機(jī)。

熱能回收系統(tǒng)的控制常采用單獨(dú)的控制柜進(jìn)行獨(dú)立控制，以便對(duì)熱能回收系統(tǒng)的進(jìn)油溫度、進(jìn)出水溫度、進(jìn)出水壓力、用戶水箱溫度、水流量等進(jìn)行監(jiān)測和顯示。同時(shí)還通過對(duì)熱能回收器進(jìn)水溫度(溫度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍：35～80 ℃)或用戶水箱溫度(溫度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍：35～80 ℃)的監(jiān)測來控制水循環(huán)管路中的水泵起停。當(dāng)進(jìn)水溫度或水箱溫度未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，水泵工作，讓水循環(huán)加熱；當(dāng)進(jìn)水溫度或水箱溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，水泵停止工作，水路停止循環(huán)。兩種控制能相互切換；另外，如果熱能回收系統(tǒng)的進(jìn)油溫度超過85℃時(shí)，則不論熱回收系統(tǒng)的進(jìn)水溫度和水箱溫度是否超過60℃，水泵都必須工作。對(duì)水泵的工作時(shí)間進(jìn)行記錄，顯示累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)回收熱量、即時(shí)回收熱量，以便進(jìn)行分析研究。

圖1 熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組的流程

2 熱回收率測試

為了準(zhǔn)確分析熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組的熱能回收率，特對(duì)H0135機(jī)組進(jìn)行測試，該機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備——熱能回收器采用傳熱效率較高的板式換熱器。其設(shè)計(jì)參數(shù)選取如下:

a．設(shè)計(jì)壓力的確定：油/氣側(cè)設(shè)計(jì)壓力為8 kg/cm2，水側(cè)設(shè)計(jì)壓力為2.2 kg/cm2；b．試驗(yàn)壓力的確定：油/氣側(cè)試驗(yàn)壓力為16 kg/cm2，水側(cè)試驗(yàn)壓力為16 kg/cm2；c．設(shè)計(jì)溫度的確定：油/氣側(cè)設(shè)計(jì)溫度為120 ℃，水側(cè)設(shè)計(jì)溫度為100 ℃。

通過對(duì)H0135熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行測試，其結(jié)果如表1所示：

表1 H0135熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組性能測試數(shù)據(jù)匯總

由此可見，熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組的熱能回收率可達(dá)到72.7%。應(yīng)該說明的是測試過程中水泵一直工作，考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中，保溫水箱有溫度控制，當(dāng)熱水溫度達(dá)到設(shè)定溫度，水泵就不工作了，潤滑油多余的熱量就只能排入大氣，所以在下面的經(jīng)濟(jì)效益分析時(shí)，我們選取一個(gè)很保守的熱能回收率，即40%。

3 可行性分析

3.1數(shù)據(jù)分析

a．1臺(tái)H0135熱能回收型螺桿壓縮機(jī)每天由潤滑油向水側(cè)釋放的熱量為：

Q=132×860×0.4×24=1 089 792 kcal

(1)

式(1)中：132為機(jī)組功率(見表1，H0135的機(jī)組功率為132 kW)；860為單位換算系數(shù)(1 kW=860 kca1/h)；0.4為熱能回收率(由表1得出熱能回收率為72.7%，考慮到工廠實(shí)際情況，熱能回收率取40%已夠工廠洗澡用水，所以取40%)；24為螺桿壓縮機(jī)一晝夜工作的時(shí)間。

b．熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組在熱能回收器中可加熱冷水量用下式計(jì)算：

(2)

式(2)中：Q為潤滑油釋放的熱量，1 089 792 kcal；C為水的比熱，1噸水每升高1 ℃所需要的熱量為1 000 cal；t1為熱能回收器的進(jìn)水溫度 (夏季25 ℃，冬季7 ℃，春秋季15 ℃) ；t2為熱能回收器的出水溫度(夏季、春秋季、冬季均設(shè)定為60 ℃)。

將以上數(shù)據(jù)代入式(1)中，經(jīng)計(jì)算得到：夏季每天可生產(chǎn)60 ℃熱水31噸，春秋季每天可生產(chǎn)60 ℃熱水24噸，冬季每天可生產(chǎn)60 ℃熱水20.5噸。按平均每人洗澡用水0.1噸(60 ℃)熱水計(jì)算，則夏季每天最多可滿足310人洗澡；春秋季每天最多可滿足240人洗澡；冬季每天最多可滿足205人洗澡。

一般來說，企業(yè)規(guī)模大小不同所配套的壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)也有所不同，相應(yīng)的熱能回收系統(tǒng)提供的熱水?dāng)?shù)量也不同，但供公司員工洗澡已經(jīng)是綽綽有余。

3.2技術(shù)分析

壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的余熱，如果不交換掉，可引起電機(jī)高溫及排氣高溫，不但影響壓縮機(jī)的使用壽命，更影響壓縮空氣的質(zhì)量；如直接由冷卻系統(tǒng)將熱量排放，不但浪費(fèi)了能源，更會(huì)造成熱污染。

合理的配置可以使熱能回收系統(tǒng)與壓縮機(jī)原有的系統(tǒng)擁有良好的兼容性，對(duì)壓縮機(jī)的使用壽命和壓縮空氣的質(zhì)量都起到積極作用。

3.3全年節(jié)能效益分析

以一年工作333天計(jì)算，一臺(tái)H0135熱能回收型螺桿壓縮機(jī)機(jī)組一年回收熱量為363 264 000 kcal，如果這部分廢熱不回收利用，采用電加熱供生活用水，則需耗電422 400千瓦時(shí)，按工業(yè)用電1元/千瓦時(shí)，則合人民幣42.24萬元；如果采用燃燒柴油來加熱生活用水，根據(jù)柴油熱值10 300 kcal/kg計(jì)算，則需消耗柴油35.614噸，合人民幣約27.6萬元(按7 775元/噸計(jì)算)；如果采用燃燒天然氣來加熱生活用水，根據(jù)天然氣熱值9 000 kcal/ m3計(jì)算，則需消耗天然氣42 737 m3，合人民幣12.8萬元(按3元/ m3計(jì)算)。

另外需說明的是，在計(jì)算柴油和天然氣消耗時(shí)，只計(jì)算原材料的消耗，沒有計(jì)算購買燃燒爐的成本以及運(yùn)行成本，如果加上這些成本節(jié)能效果將更加明顯。

綜上所述，以電費(fèi)折算為例，平均每年可減少生產(chǎn)成本達(dá)42.24萬元。

4 熱能回收系統(tǒng)在空調(diào)中的應(yīng)用

有些企業(yè)的生產(chǎn)工藝需要螺桿壓縮機(jī)機(jī)組，同時(shí)車間或辦公樓又需要空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，就可把熱能回收系統(tǒng)回收的廢熱應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，這樣既避免了螺桿壓縮機(jī)機(jī)組廢熱排放對(duì)環(huán)境造成的污染，又避免了空調(diào)運(yùn)行消耗大量的能源。下面就以螺桿壓縮機(jī)機(jī)組熱能回收系統(tǒng)與螺桿式冷水機(jī)組相組合進(jìn)行制冷制熱加以說明。

圖2為熱能回收系統(tǒng)與冷水機(jī)組聯(lián)合制冷制熱工藝流程圖。當(dāng)冬天需要制熱時(shí)，螺桿式冷水機(jī)組停用，空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)出來的熱水一部分供室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管用于加熱室內(nèi)空氣，另一部分供工廠生產(chǎn)、生活使用；當(dāng)夏天需要制冷時(shí)，螺桿式冷水機(jī)組開啟，對(duì)空調(diào)供冷，當(dāng)熱回收水箱的溫度較低時(shí)，可用熱回收水箱的水帶走冷凝器中制冷劑冷卻冷凝放出的熱量；當(dāng)熱回收水箱的溫度較高時(shí)，關(guān)閉冷凝器與熱回收水箱的通路，打開冷凝器與冷卻塔的通路，依靠冷卻塔將冷卻水的熱量散發(fā)到大氣中去。在這種系統(tǒng)中，空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)回收的熱量與從螺桿式冷水機(jī)組冷凝器中回收的熱量一起用于生產(chǎn)、生活用熱水。

在制冷制熱過程，只有當(dāng)熱水溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或晚上空壓機(jī)不工作時(shí)，才須開啟空氣源熱泵進(jìn)行輔助加熱。在實(shí)際案例中，如果企業(yè)壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)較多，熱回收的熱量已足夠供應(yīng)，幾乎用不著開啟空氣源熱泵。

圖2 熱能回收系統(tǒng)與冷水機(jī)組聯(lián)合制冷制熱工藝流程

5 螺桿壓縮機(jī)機(jī)組熱能回收系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

5.1安全可靠、維護(hù)少

壓縮機(jī)原有冷卻系統(tǒng)與熱能回收系統(tǒng)是兩套完全獨(dú)立的系統(tǒng)，壓縮機(jī)安裝熱能回收系統(tǒng)后，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)不變，工作性能不變，操作維修方式不變。熱能回收系統(tǒng)如有任何故障，甚至熱能回收系統(tǒng)停水、停用時(shí)，原壓縮機(jī)系統(tǒng)都可以照常運(yùn)行,使用企業(yè)無須擔(dān)心由于增加熱能回收系統(tǒng)影響壓縮機(jī)的運(yùn)行。兩套系統(tǒng)可方便切換，在熱能回收系統(tǒng)未啟用時(shí)，壓縮機(jī)使用機(jī)身自帶的冷卻系統(tǒng)；當(dāng)需要使用熱能回收系統(tǒng)時(shí)，可隨時(shí)啟用。

5.2可采用智能控制

熱能回收系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求，提供指定溫度的熱水。熱回收水箱、保溫水箱的出水溫度可根據(jù)用戶的需要設(shè)定調(diào)節(jié)，設(shè)定好后，通過溫度傳感器反饋，智能控制風(fēng)扇或水泵啟停，結(jié)合恒溫閥的作用，可保持供水溫度恒定。

5.3節(jié)能

熱能回收系統(tǒng)通過油溫控制壓縮機(jī)冷卻風(fēng)扇(或者冷卻塔、冷卻水泵)開停，可以最大限度回收壓縮機(jī)余熱，一方面，同時(shí)冷卻風(fēng)扇的停用，可節(jié)約用電7.5 kW(H0135機(jī)組)。另一方面，壓縮氣體得到了充分冷卻，減少了后處理設(shè)備干燥機(jī)的工作負(fù)荷，從而達(dá)到了壓縮機(jī)、干燥機(jī)省電、節(jié)能、環(huán)保、減排、降低磨損、延長壽命、安全可靠的目的。

5.4衛(wèi)生、環(huán)保

螺桿壓縮機(jī)熱能回收裝置與燃油鍋爐比較，因?yàn)闆]有一氧化碳、二氧化硫、黑煙、噪音、油污等有害物質(zhì)，一方面可減少對(duì)大氣環(huán)境的污染，另一方面對(duì)減緩全球氣候變暖速度也是利好的消息。

5.5提高了壓縮機(jī)的使用壽命

螺桿壓縮機(jī)配套了熱能回收系統(tǒng)后，由于噴油溫度的降低，可顯著降低壓縮機(jī)排氣溫度和工作溫度，有效改善了壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，減少了機(jī)器的故障，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了維修成本，增大了潤滑油、油過濾器、油分濾芯更換時(shí)限，提高了壓縮機(jī)的使用壽命。

5.6一次投資，長期受益

帶熱能回收系統(tǒng)的螺桿壓縮機(jī)機(jī)組要比普通螺桿壓縮機(jī)機(jī)組在設(shè)備價(jià)格上稍微貴一些，在運(yùn)行過程中增加了控制用電(控制水泵啟停等)，其他不需要任何費(fèi)用，但使用熱能回收系統(tǒng)可以提高壓縮機(jī)運(yùn)行效率，同時(shí)節(jié)省了壓縮機(jī)冷卻風(fēng)扇用電。

6 結(jié)語

壓縮機(jī)作為化工、電力、石油、空調(diào)等行業(yè)的必需品，其應(yīng)用面及需求量都很大，螺桿式壓縮機(jī)由于其在結(jié)構(gòu)上克服了活塞式壓縮機(jī)的許多缺點(diǎn)，使其在很多場合替代了活塞式壓縮機(jī)，故螺桿式壓縮機(jī)在目前市場上占有很大的份額，如果每臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)均配備熱回收系統(tǒng)，則節(jié)能減排效果將不可估量，所以螺桿壓縮機(jī)機(jī)組熱回收系統(tǒng)值得大力推廣和廣泛應(yīng)用。

[1] 魏龍. 熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：158-224.

[2] 劉衛(wèi)華. 制冷空調(diào)新技術(shù)及進(jìn)展[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：272-281.

[3] 朱立. 制冷壓縮機(jī)[M]. 北京：高等教育出版社，2010：106-112.

[4] 熊寵民.怎樣回收空氣壓縮機(jī)的余熱以節(jié)省能源[J].礦業(yè)工程，1983(2)：5-8.

[5] 徐樹風(fēng). 螺桿壓縮機(jī)的能量回收[J].流體機(jī)械, 2000(10)：35-36.

責(zé)任編輯陳桂梅

The Application of Heat Recovery System in the Compressor Unit

YEXiaofang

(School of Control Technology , Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214121, China)

The waste heat generated by compressor operation, if not switching off, can increase the motor temperature and exhaust temperature. It shall affect the service life of the compressor and moreover affect the quality of the compressed air; But if the waste heat was discharged directly from the cooling system， it would be a waste of energy and cause the thermal pollution. The heat recovery system of screw compressor unit introduced in this paper can solve this problem. Solving this problem can provide a theoretical basis for enterprises to save energy and reduce emission and slow down the global warming process.

screw compressor unit; heat recovery; energy saving

TH 45

： A

：1671-7880(2017)04-0043-04

2017-04-13

葉小芳(1966— )，女，江蘇宜興人，副教授，高級(jí)工程師，研究方向：熱能工程。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.04.012