離心式空壓機(jī)的熱量回收途徑分析

茍永福

（西安紡織集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西西安，710025）

壓縮空氣是現(xiàn)代紡織企業(yè)生產(chǎn)重要的動(dòng)力源，空壓機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱，通常這些熱量是通過(guò)冷卻塔排散到空氣中，如能將其回收則可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。近年來(lái)，離心式空壓機(jī)在紡織廠使用越來(lái)越多，其裝機(jī)容量已占空壓機(jī)總?cè)萘考s75%，運(yùn)行產(chǎn)生的壓縮熱非?？捎^，且紡織廠空壓機(jī)基本是全天運(yùn)行，回收熱源穩(wěn)定。因此離心機(jī)熱回收改造不僅必要，而且可行。

1 熱量回收的基本要求

離心式空壓機(jī)進(jìn)行熱量回收的基本要求［1］：一是熱回收水溫必須達(dá)到一定值；二是熱回收不能影響空壓機(jī)正常運(yùn)行。紡織廠用離心式空壓機(jī)多為水冷式三級(jí)壓縮，因此離心式空壓機(jī)有3 個(gè)冷卻器。空氣經(jīng)過(guò)每一級(jí)壓縮后，需進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入下一級(jí)壓縮。在冷卻器中，110 ℃左右的壓縮空氣被冷卻至50 ℃以下，30 ℃左右的冷卻水被加熱至40 ℃左右。由于冷卻水溫度過(guò)低無(wú)法被使用，要使用空壓機(jī)的熱量，必須提高冷卻水出水溫度。而日常不同用途對(duì)水溫的要求：洗浴用水和地輻熱采暖用水的溫度不低于50 ℃；暖氣片采暖用水的溫度不低于70 ℃。

在常規(guī)情況下，冷卻水對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行冷卻后，通過(guò)冷卻塔將熱量排放掉。冷卻壓縮空氣和空壓機(jī)是目的，壓縮空氣的溫度是控制目標(biāo)，水的溫度不是控制的目標(biāo)，尤其是出水溫度基本不需關(guān)注。如果進(jìn)行熱量回收，那么不僅要控制壓縮空氣的溫度，還要控制冷卻水的溫度，即在保證空壓機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上回收熱量。

2 熱量回收的方法

離心式空壓機(jī)熱量回收的基本原理：通過(guò)改造冷卻器、冷卻管路的方法得到熱水，同時(shí)增加再冷卻器、保障換熱器等設(shè)備保證空壓機(jī)正常運(yùn)行。根據(jù)離心式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和回收熱量的使用要求，目前熱回收有以下3 種方法。

2.1 方法一：串聯(lián)二三級(jí)冷卻器

這種方法最為簡(jiǎn)單，將二級(jí)、三級(jí)冷卻器的冷卻水串聯(lián)，提高冷卻水的出水溫度，并在空壓機(jī)出口增加一個(gè)再冷卻器，具體見(jiàn)圖1。

圖1 二三級(jí)冷卻器串聯(lián)熱回收流程簡(jiǎn)圖

空壓機(jī)進(jìn)行熱回收，其冷卻水實(shí)際上就是熱回收水。圖1 中，熱回收水先進(jìn)入二級(jí)冷卻器，再進(jìn)入三級(jí)冷卻器，溫度升至75 ℃以上。由三級(jí)壓縮轉(zhuǎn)子排出的高溫壓縮空氣，經(jīng)過(guò)三級(jí)冷卻器后溫度仍然較高，影響后續(xù)干燥和使用，為此設(shè)計(jì)了再冷卻器，對(duì)壓縮空氣再次冷卻，使其溫度達(dá)到要求。需要注意的是，增加再冷卻器就增加了壓縮空氣的阻力，因此在設(shè)計(jì)選用再冷卻器時(shí)，要盡量降低其阻力，建議其阻力不大于0.03 MPa。第三級(jí)壓縮后，空氣已經(jīng)完成了壓縮，因此，提高第三級(jí)冷卻水（熱回收水）的溫度，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行基本沒(méi)有影響。這種方法的缺點(diǎn)就是回收熱量少，只回收約48%的空壓機(jī)熱量。

2.2 方法二：改造冷卻器芯

如果空壓機(jī)配套的干燥機(jī)采用了壓縮熱吸干機(jī)，三級(jí)壓縮熱已經(jīng)用于壓縮空氣干燥就不能再采用二級(jí)、三級(jí)串聯(lián)的熱回收方法。通過(guò)提高冷卻器換熱效率的方法可以提高出水溫度，進(jìn)行各級(jí)熱量回收?？諌簷C(jī)在一定工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量是一定的，這些熱量要通過(guò)冷卻器換出。冷卻器的換熱量受其傳熱系數(shù)、換熱面積和傳熱溫差影響［2］，具體見(jiàn)公式（1）。

式 中：Q為 換 熱 量（W）；K為 傳 熱 系 數(shù)［W/（m2·K）］；B為污垢系數(shù)，一般為0.7~0.9；A為換熱器的傳熱面積（m2）；ΔtPJ為對(duì)數(shù)平均溫差（℃）。

回收使用空壓機(jī)的熱量，就必須提高冷卻水的出水溫度，使得壓縮空氣和冷卻水之間的溫差降低。為保證冷卻換熱器換出的熱量不變，就必須提高傳熱系數(shù)或增大換熱面積。

將冷卻器芯更換為高效冷卻器芯是提高冷卻器傳熱系數(shù)的主要方法。高效的冷卻器芯一般是采用換熱效率高的翅型、熱阻比較低的翅管和翅片材料以及更為合理高效的介質(zhì)通道。由于采用了新材料、新技術(shù)，換熱器芯的傳熱系數(shù)可提高20%~50%。使用時(shí)，為了進(jìn)一步提高出水溫度，可以適度提高壓縮空氣出口溫度，但應(yīng)控制在報(bào)警值以內(nèi)。經(jīng)數(shù)月試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此改造方案出水溫度達(dá)到60 ℃，壓縮空氣出口溫度可控制在52 ℃以內(nèi)。52 ℃是一般空壓機(jī)的報(bào)警值，在此溫度以內(nèi)空壓機(jī)完全可以正常運(yùn)行，雖然空壓機(jī)的效率降低約0.6%，但是相對(duì)回收熱量的收益還是十分值得。改造中應(yīng)注意將油冷卻器與熱回收系統(tǒng)分開(kāi)，油冷卻器仍采用原有冷卻方式，保證潤(rùn)滑油溫。同時(shí)，這種改造方法提高了換熱器芯的傳熱系數(shù)，換熱量基本不減小，所以各級(jí)排氣溫度基本不變，或在允許范圍內(nèi)有所上升，因此不需要增加再冷卻器。這種方法回收熱水的溫度最高達(dá)60 ℃，可用于地敷采暖和洗浴，不能用于暖氣片采暖?；厥諟囟炔桓呤沁@種方法的短板。

2.3 方法三：重新設(shè)計(jì)冷卻器

2.2 中通過(guò)提高冷卻器芯傳熱系數(shù)的方法可以獲取熱水，但提高傳熱系數(shù)是有限的，而增大換熱面積的方法可發(fā)揮的空間較大。因此，要回收冷卻器內(nèi)全部熱量，獲得高溫?zé)崴?，就必須重新設(shè)計(jì)適合熱回收狀態(tài)的冷卻器。新冷卻器傳熱溫差小，換熱面積大，但換熱量與原有冷卻器的相等。新冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，只提高了冷卻水的出口溫度，而壓縮空氣出口溫度等參數(shù)不變，依此計(jì)算出的冷卻器，壓縮空氣出口溫度和改造前的相同，因此，不需要增加再冷卻器。另外，為了保證潤(rùn)滑油的冷卻，應(yīng)將油冷卻器與熱回收系統(tǒng)分開(kāi)，油冷卻器仍采用原有冷卻方式，這一點(diǎn)與方法二相同。

冷卻換熱器計(jì)算步驟：按照應(yīng)用端要求確定冷卻水的進(jìn)出溫度，根據(jù)空壓機(jī)的各級(jí)參數(shù)確定各級(jí)冷卻器的進(jìn)出空氣溫度，進(jìn)而確定各級(jí)冷卻器的對(duì)數(shù)平均溫差；根據(jù)空壓機(jī)各級(jí)參數(shù)確定各級(jí)冷卻器的換熱量；確定冷卻器的傳熱系數(shù)；根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算冷卻器的換熱面積；核對(duì)一、二次側(cè)阻力，調(diào)整冷卻器結(jié)構(gòu)和面積。

假定空壓機(jī)熱回收前壓縮空氣的進(jìn)出溫度110 ℃/40 ℃、冷卻水的進(jìn)出溫度35 ℃/45 ℃，則可計(jì)算出其對(duì)數(shù)平均溫差為23.4 ℃；熱回收狀態(tài)下，冷卻水出口溫度75 ℃，其他3 個(gè)溫度不變，計(jì)算出其對(duì)數(shù)平均溫差為15.4 ℃。改造前的對(duì)數(shù)平均溫差是改造后的1.52 倍，根據(jù)公式（1），改造后的冷卻器的換熱面積應(yīng)是原先的1.52 倍，才能保證換熱量不變?？梢?jiàn)新?lián)Q熱器尺寸較大。由于空壓機(jī)一般結(jié)構(gòu)緊湊，因此需要在空壓機(jī)外側(cè)另行安裝。

2.4 各回收方案對(duì)比

3 種離心空壓機(jī)熱回收方法對(duì)比見(jiàn)表1。表1熱量回收率不考慮使用環(huán)節(jié)。3 種方法各有所長(zhǎng)，選取時(shí)需要綜合考慮。熱回收改造要根據(jù)熱量需求大小和溫度高低確定回收方法，同時(shí)必須考慮兼顧設(shè)備自身的特點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)可行的方法。

表1 離心空壓機(jī)熱回收方法對(duì)比

3 回收熱量的使用

3.1 熱回收使用流程

由于回收熱量應(yīng)用端使用溫度的不同、負(fù)荷的變化，造成使用后的水溫度過(guò)高，不能滿足空壓機(jī)要求，必須在回收系統(tǒng)中增加一個(gè)保障換熱器，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，保證進(jìn)空壓機(jī)的熱回收水溫度低于38 ℃。通常一個(gè)熱回收系統(tǒng)設(shè)一組總保障換熱器。圖2 是配置保障換熱器的流程。

圖2 增設(shè)保障換熱器的熱回收系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

圖2 中使用后的熱回收水溫度仍然較高，保障換熱器會(huì)繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行冷卻，使之溫度達(dá)到要求。保障換熱器使用的冷卻水由冷卻塔提供。熱回收的55 ℃熱水經(jīng)保障換熱器后被冷卻至35 ℃，供空壓機(jī)使用。同時(shí)從冷卻塔出來(lái)的冷卻水流過(guò)保障換熱器，冷卻熱回收水，自身被加熱至45 ℃左右再進(jìn)入冷卻塔，完成一個(gè)循環(huán)。

3.2 熱回收利用率

我們定義熱回收利用率為被有效利用的回收熱量占總回收熱量的比例。其計(jì)算見(jiàn)公式（2）。

式中：ηs為熱回收利用率；Δth為經(jīng)過(guò)回收換熱器的熱回收水溫差（℃）；Δtb為經(jīng)過(guò)保障換熱器的熱回收水溫差（℃）；t1為回收換熱器的熱回收水進(jìn)口溫度（℃）；t2為回收換熱器的熱回收水出口溫度（℃）；t3為保障換熱器的熱回收水出口溫度（℃）。

從公式（2）可以看出，提高熱回收利用率有兩條途徑；一是提高空壓機(jī)熱回收水的溫度，即提高t1；二是降低熱回收水使用后的溫度，即降低t2。途徑一：對(duì)于離心式空壓機(jī)，可以通過(guò)方法一和方法三獲得較高的熱回收水溫，方法二獲得的水溫一般較低。溫度越高，空壓機(jī)熱回收利用率會(huì)越高。如圖2 中，熱回收水進(jìn)出回收換熱器的溫度為75 ℃/55 ℃，其熱回收利用率為50%；如果熱回收水溫度為80 ℃/55 ℃，其熱回收利用率為55.6%。途徑二：通常需要降低應(yīng)用端的使用溫度來(lái)降低熱回收水使用后的溫度。情況允許時(shí)，應(yīng)選用熱溫度低的用熱需求。對(duì)于采暖，如果能使用地暖就盡量不用暖氣片采暖，這樣熱回收利用率要高得多。如圖2 中，采用地暖時(shí)回收換熱器的采暖水進(jìn)出口溫度可降到35 ℃/45 ℃，回收換熱器熱回收水進(jìn)出的溫度就將為75 ℃/40 ℃，則回收利用率就能提高到87.5%。同時(shí)，要盡量減少換熱次數(shù)，每換一次，都會(huì)將熱回收水出口溫度抬高5 ℃，降低回收率。

4 熱量回收系統(tǒng)

圖3 是離心式空壓機(jī)簡(jiǎn)單熱回收系統(tǒng)流程，該系統(tǒng)可分別在熱回收狀態(tài)和冷卻狀態(tài)下運(yùn)行。圖中略去了再冷卻器（如果有）和油冷卻器，再冷卻器和油冷卻器采用冷卻塔直接冷卻。其中，熱回收狀態(tài)時(shí)，閥門(mén)F1R、F2R、F3R 和F4R 打開(kāi)，閥門(mén)F1L、F2L、F3L 和F4L 關(guān)閉；冷卻狀態(tài)時(shí)，閥門(mén)F1L、F2L、F3L 和F4L 打開(kāi)，閥門(mén)F1R、F2R、F3R和F4R 關(guān)閉?？諌簷C(jī)的油冷卻器、改造后增加的再冷卻器（如果有）均由冷卻塔直接冷卻，圖3 中略去未畫(huà)出。

圖3 離心式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

熱回收水流程：熱回收水箱→熱回收泵→空壓機(jī)→回收換熱器→保障換熱器→熱回收水箱。

冷卻水流程：冷卻塔→冷卻水泵→保障換熱器→冷卻塔。

應(yīng)用端流程：循環(huán)泵→回收換熱器→應(yīng)用端→循環(huán)泵。

主要改造要點(diǎn)如下。

（1）由于用熱需求在不斷變化，當(dāng)回收熱量大于用熱需求時(shí)，就必須依靠保障換熱器將多余熱量排放掉。因此空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)中保障換熱器必不可少。保障換熱器冷卻能力應(yīng)按照全部回收熱量的大小設(shè)計(jì)。

（2）如果生產(chǎn)中空壓機(jī)時(shí)常需要停運(yùn)，同時(shí)用熱需求又不允許斷供，則還需考慮輔助加熱系統(tǒng)。

（3）熱回收狀態(tài)下，由于水溫升高，空壓機(jī)十分容易結(jié)垢，如果采用冷卻塔直接冷卻，在水質(zhì)較差的情況下，空壓機(jī)內(nèi)特別易結(jié)垢，導(dǎo)致其不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，熱回收水系統(tǒng)應(yīng)采用軟水密閉循環(huán)。

（4）熱回收泵、冷卻水泵、保障換熱器應(yīng)考慮備臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

紡織廠壓縮空氣用量巨大，離心式空壓機(jī)是主要機(jī)型，進(jìn)行離心空壓機(jī)熱回收改造非常必要。選取熱量回收方法，要綜合考慮自身的用量、設(shè)備特點(diǎn)、改造投入等因素，選取適合的回收方法。設(shè)計(jì)熱回收使用流程，要盡量選用溫度較低的用熱需求，要盡量減少換熱次數(shù)，提高熱回收率；同時(shí)還必須設(shè)置保障換熱器，確?？諌簷C(jī)正常運(yùn)行。