空壓機余熱利用在精密銅管生產中的應用

曾何生

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

銅管廣泛應用于電子、機械、建筑、制冷行業(yè)，銅管因制造特性主要生產方法有擠壓-拉拔法、軋制-拉拔法（既鑄軋法），而鑄軋法具有工藝流程短、能耗低、生產效率高、成本低等特點，所以被廣泛應用于精密銅盤管生產工藝［1］。為了避免無氟制冷劑帶來的高能耗、高污染等問題，內螺紋銅管在空調和制冷行業(yè)應用不斷推廣［2］。鑄軋法生產精密銅盤管主要工藝包括水平連鑄、銑面、三輥行星軋制、三聯(lián)拉、盤拉、在線退火、成型、精整、成品退火等，在上述工序中大部分要應用壓縮空氣，確保生產的穩(wěn)定運行，為此空壓機是精密銅管生產中重要的輔助設備之一。

空壓機在實際運行中有效能源利用率僅為15%左右，隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，國家提出了一系列的節(jié)能、減排的政策，這對空壓機的余熱利用提出了新的要求。近年來，國內外有許多學者對空壓機預熱利用做了深入的研究，楊林［3］等系統(tǒng)分析了空壓機余熱回收系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)中的應用及研究，并提出了相應措施，黃平安［4］對啤酒生產中的熱能回收與綜合利用進行了研究分析，張帆［5］對無油螺桿式空壓機的壓縮和冷卻過程進行分析計算,得出空壓機可供回收的熱量,結合熱用戶的用熱參數，設計出余熱回收系統(tǒng)，唐良剛［6］研究了用空氣壓縮機產生的余熱來替代天然氣為燙干池提供熱源。但是，對精密銅管生產系統(tǒng)空壓機的余熱利用研究太少，實際銅管生產中包裝材料還需要大量電來取暖烘烤木制品。

本文以JTLC公司連鑄連軋銅盤管生產線中的空壓機系統(tǒng)為研究對象，通過分析空壓機工作原理，結合木制品烘干系統(tǒng)進行余熱回收的系統(tǒng)設計。

2 工況特點

2.1 空壓機工況

JT L C公司有四條連鑄連軋銅盤管生產線，為了確保生產線的穩(wěn)定運行空壓房共配有2臺阿特拉斯GA132工頻機空壓機、1臺阿特拉斯GA132WVSD水冷機空壓機，2臺柳富達LU160W工頻機空壓機，如圖1所示，裝機總功率約為716kW。五臺空壓機為四臺正常運行一臺備用，用氣量大時需全部開啟，整個空壓房空壓機的加載率約為90%。

圖1 空壓機工藝流程示意圖

空壓機轉子循環(huán)運動產生大量的熱量，需通過冷卻水和冷卻塔來循環(huán)降溫，空壓機自身產生的熱能沒有得到充分利用外還需通過相關設施進行降溫處置。

2.2 烘干系統(tǒng)工況

精密銅盤管根據客戶的需要對產品包裝有嚴格的要求，尤其是確保包裝的穩(wěn)定性，對包裝材料的濕度有明確的要求，包裝材料主要是定位木托、蓋板、木條等木制品。地處南方的JTTL公司控制包裝材料的干濕度就更難，尤其是雨水天氣，南方的精密銅管生產線均配備了專有的烘干房，JTLC公司配備了約600m2的烘干房，配有2臺56 kW抽濕機和2臺27.2kW抽濕機，供熱抽濕機總裝機功率約166.4kW。

2.3 空壓機與烘干系統(tǒng)用電成本

空壓機和烘干系統(tǒng)獨立運行，空壓機熱量散漫空氣中，烘干系統(tǒng)用電供暖，按照空壓機裝機總功率716kW、烘干系統(tǒng)裝機總功率166.4kW計算，全年電費約380余萬元。

3 熱回收系統(tǒng)設計

3.1 熱能回收原理

根據熱力學理論，流動空氣的絕對能量由焓、運動能和勢能組成。其中，運動能和勢能比較小以致基本可以忽略不計，而焓由內能與傳遞能組成。所以，空氣流動過程中所具有的絕對能量可表示為：

空氣的絕對能量取決于空氣的質量和溫度，與壓力無關。即使是大氣狀態(tài)的空氣，也含有大量的焓。

圖2 空壓機能量原理

假設比熱不變，如果壓縮機出口溫度與初始狀態(tài)的入口溫度相同，則壓縮空氣中的能量與壓縮前的能量相同。當壓縮空氣在用氣端被排出時,空氣發(fā)生膨脹并從環(huán)境中吸收熱量，這個過程會使得周邊范圍內的環(huán)境溫度降低。

所以，能量回收系統(tǒng)事實上從環(huán)境中得到了能量，可以看作是100%回收電能，而得到免費的壓縮空氣。

3.2 余熱利用設計

將5臺空壓機運行產生的余熱通過全智能熱能回收控制主機收集到一個20t集熱循環(huán)保溫水箱，再通過相關管道及自動控制系統(tǒng)，將熱水傳送到木托烘干房的28臺熱交換機組，對4個木托烘干房進行加熱升溫，烘干房內配備溫度、濕度自動檢測控制裝置，最終烘干房溫度可達到50～55℃、環(huán)境濕度≤30%、木托材料含水率≤8%的生產條件。

圖3 余熱利用工作示意圖

圖4 余熱回收系統(tǒng)流程圖

通過系統(tǒng)改造，將空壓機油冷卻系統(tǒng)納入交換模塊進行換熱，使回收的目標終端水箱的水溫控制在用戶生產工藝所需的溫度帶內。而且會將全天和全月水箱溫度變化數據顯示和保存?？刂葡到y(tǒng)完全智能化，無需人為操作，系統(tǒng)會根據用戶設置的各項數據來監(jiān)測循環(huán)水箱中溫度、水位的情況，及使用終端的工藝需求來做出判斷，自行決定換熱方式、供熱方式。空壓機原有冷卻系統(tǒng)完全保留。與能量回收系統(tǒng)是兩套完全獨立的系統(tǒng)，加裝后只是增加了空壓機二次降溫過程，使用企業(yè)不用擔心由于新增熱能回收系統(tǒng)的原因而影響空壓機的正常運行。在保證生產工藝上用熱的前提下，系統(tǒng)可根據用戶的設定，自動將多余的熱水用于其它用途。考慮到工廠節(jié)假日、晚班用氣量變化，空壓機停機檢修、冬季氣溫下降等因素影響，使回收的熱量滿足不了生產工藝用熱時，系統(tǒng)將自動啟用輔助加熱設備來保證生產工藝用熱的持續(xù)性，使整個回收系統(tǒng)可在任何外部條件變化下自動為工藝點提供穩(wěn)定的熱源。

3.3 實施效果

空壓機余熱利用后，對包裝材料的烘干效果進行統(tǒng)計分析，如表1所示。購進包裝材料濕度均在20%左右，均通過烘干24h進行檢測，余熱利用前后烘干的包裝材料濕度均能達到≤8%，在5%左右，與僅用電烘干效果相當。

表1 余熱利用前后包裝材料烘干效果統(tǒng)計表

余熱利用后，電耗顯著下降，停用電加熱除濕機前兩個烘干房運行功率為166.4kW，實際功率為116.5kW，改后平均為12kW，按月運行28天，每天20小時計算，月節(jié)約電量為：（116.5-12）×28×20=58520kW·h，年 節(jié) 約 電 量 為：58520×12=702240kW·h。

4 結語

通過對連鑄連軋精密銅盤管生產線的空壓機系統(tǒng)、烘干房系統(tǒng)使用現狀進行分析，研究空壓機余熱利用的工作原理，設計余熱回收系統(tǒng)，大幅提升了空壓機的余熱利用，降低了烘干房的電耗。

空壓機余熱得到較好的利用，符合國家綠色發(fā)展理念，反復應用了熱能的快速交換和熱能的傳遞技術，同時烘干房溫度、濕度實現無級自動可調。