建筑熱源-水冷無油螺桿空壓機熱回收系統(tǒng)供水溫度探討

摘 要：采用空氣壓縮理論與實踐過程多變指數(shù)相結合的方法，探討不同環(huán)境溫度和兩級壓縮中間冷卻熱回收供水溫度對水冷無油空壓機熱回收的影響。研究結果表明，不同環(huán)境溫度影響空壓機排氣溫度，環(huán)境溫度越低，排氣溫度越低，熱回收熱量也越低，兩級壓縮中間冷卻熱回收供水溫度越低，能量回收效率越高。

關鍵詞：空壓機；熱回收；環(huán)境溫度；壓縮比；多變指數(shù)

中圖分類號：TH455" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）10-0126-03

0 引言

空氣壓縮機工作原理是從外界吸入空氣并將其壓縮為高壓空氣，在此過程中，電能通過空氣內能的變化轉化為熱能。研究數(shù)據(jù)表明，近八成的電能都會轉化為熱能。這些熱能通常會通過排風扇散發(fā)到空氣中，或者通過冷循環(huán)系統(tǒng)帶走。然而，如果能通過合理的系統(tǒng)設計，將這些廢熱回收利用，將會真正實現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保目標。部分項目僅僅是為了回收而回收，沒有考慮到環(huán)境溫度對回收水溫穩(wěn)定性的影響，也沒有考慮到回收要求的水溫對空壓機的影響。這種情況導致了空壓系統(tǒng)無法正常運行，或者熱回收系統(tǒng)的節(jié)能效果與預期大相徑庭。

基于此，本文以水冷無油螺桿空壓機為研究對象，深入探討環(huán)境溫度對空壓機熱回收系統(tǒng)供水溫度的影響，以及熱回收系統(tǒng)供水溫度對空壓機的影響，以期為相關領域提供有價值的參考。

1 無油螺桿空壓機熱回收工作原理

螺桿空壓機的主要結構是設置在機體中一對相互嚙合的陰陽轉子，陽轉子與原動機連接，由陽轉子帶動陰轉子轉動，以實現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣的3個過程。為了保證空壓機正常運行，空壓設備排氣溫度不能太高，否則含油空壓機排氣溫度過高，會使?jié)櫥驼扯冉档图皾櫥阅軔夯?。因排氣溫度高，潤滑油中輕質餾分容易揮發(fā)、裂解，并形成積炭現(xiàn)象。實踐證明，積炭和排氣溫度有關，溫度在180～210℃時積炭最嚴重。無油空壓機排氣溫度過高，會使充填氟塑料活塞環(huán)變形或者迷宮密封熱膨脹與變形，無油螺桿空壓機排氣溫度一般為160℃[1]。無油螺桿空壓機壓縮過程中沒有液體內冷卻和潤滑，在壓縮腔與軸承、齒輪之間設有可靠的隔離軸封。

水冷無油螺桿空壓機利用冷卻水對螺桿機空腔外表面和排出壓縮空氣進行冷卻，從而使排氣溫度降低。根據(jù)對排出空氣的位置，水氣熱交換的設備分別稱為中間冷卻器和后冷卻器。中間冷卻器是設置在多級壓縮機之間，用來中間冷卻的設備。后冷卻器是設置在壓縮機最后，用來冷卻最終排氣的設備。熱回收就是回收中間冷卻器或者后冷卻器中壓縮空氣釋放的熱量。

為了定性分析，介紹理想氣體壓縮過程常用的計算公式及圖表。壓縮過程所涉及的公式如式（1）（2）所示[2]。

（1）

（2）

式中：T1為吸氣溫度，單位為K；T2為排氣溫度，單位為K；P1為吸氣絕對壓力，單位為Pa；P2為排氣絕對壓力，單位為Pa；n為壓縮過程多變指數(shù)； W為壓縮過程輸入的技術功，本壓縮過程等于軸功，單位為J/Kg；R為空氣的氣體常數(shù)。理想氣體一級壓縮指示圖如圖1所示。

熱回收空氣冷卻器接管原理圖如圖2所示，左側空氣冷卻器是空壓機內部自帶設備，不對空壓機進行改造；右側為常用的熱水熱回收裝置，通過檢測熱水出水管溫度來調節(jié)進水管比例積分閥門的開度，當檢測出水溫度大于設定值時候，開大調節(jié)閥開度，當檢測出水溫度小于設定值，關小進水管電動調節(jié)閥開度，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的供水溫度。根據(jù)英格索蘭空壓機廠家反饋，在不改造空壓機冷卻器的前提下，空氣高溫溫度與熱回收供水溫度溫差要在10℃以上，這個溫差在工程實踐中是比較合理的。

2 不同環(huán)境溫度對空壓機排氣溫度影響

水冷無油螺桿空壓機對于所處的環(huán)境是敏感的，然而很多項目總是忽視環(huán)境對空壓機的影響，導致熱回收系統(tǒng)供水溫度不穩(wěn)定，達不到設計要求。根據(jù)空壓設備廠家反饋，由于空壓機壓縮過程外表面設置了缸套水冷卻，無油螺桿空壓機多變指數(shù)一般為1.20，該指數(shù)在項目實踐過程中印證，排氣溫度貼近實際，是比較可靠的。

對理想氣體多變壓縮過程進行定性分析，分析不同環(huán)境溫度對空壓機排氣溫度的影響，其計算結果列表如表1所示。

根據(jù)表1可知，在一定的壓縮過程，一定的壓縮比，空壓機排氣溫度是隨著環(huán)境溫度變大而變大的。當環(huán)境溫度為-20℃，排氣溫度僅為92℃，一般工業(yè)廠房常用工藝熱水溫度在40～95℃，如果該環(huán)境要求空壓機熱回收系統(tǒng)供水溫度要穩(wěn)定達到95℃以上，基本是不能夠實現(xiàn)的。如果為了進行排氣熱回收，采用對環(huán)境加熱，實現(xiàn)空壓機排氣溫度的提高，從而得到可以回收的排氣溫度，這樣的做法提高了系統(tǒng)前期的投入，增加了系統(tǒng)的復雜程度，熱回收系統(tǒng)就不一定是節(jié)能的了。

3 兩級壓縮中間冷卻熱回收溫度對空壓機的影響

水冷無油螺桿空壓機熱回收就是在不進行空壓機改造的前提下，利用了原有空壓機內置冷卻器來進行熱回收，熱回收水路就是空壓機冷卻水路，熱回收系統(tǒng)供水溫度對空壓機的影響就是冷卻水出水溫度對空壓機的影響。一級水冷無油螺桿空壓機，當環(huán)境溫度為20℃，進氣壓力為0.1 MPa（abs），排氣壓力為0.9 MPa（abs），多變指數(shù)n為1.20，這時候排氣溫度為150℃，此時回收水溫80℃是可行的。

隨著空壓設備技術在進步，市面大用氣量螺桿空壓機基本都是雙級甚至多級螺桿空壓機。隨著對壓縮空氣壓力露點要求的不斷提高，各種干燥設備的不斷出現(xiàn)，使得空壓系統(tǒng)余熱利用可以有更多的選擇。例如一般工業(yè)廠房項目，壓力漏點為-40℃，采用水冷無油雙級螺桿空壓機+壓縮熱再生吸附干燥機的形式供氣；水冷無油雙級螺桿空壓機的中間冷卻用來做熱回收工藝熱水，取消后冷卻器，利用高溫壓縮空氣對壓縮熱再生吸附干燥機再生罐加熱再生；這種中間冷卻熱回收系統(tǒng)供水溫度的確定既要考慮一級壓縮排氣溫度，也要考慮中間熱回收后排氣溫度對第二級壓縮的影響。

當環(huán)境溫度為20℃，進氣壓力為0.1 MPa（abs），一級壓縮排氣壓力為0.3 MPa（abs），多變指數(shù)n為1.20，這時候排氣溫度為79℃，此時工藝設備要求回收系統(tǒng)供水溫50℃，實際項目驗證是可行的。但是如果工藝設備要求回收系統(tǒng)供水溫度80℃及以上，該系統(tǒng)是不能實現(xiàn)的。一級壓縮后中間冷卻空氣的溫度，會影響第二級壓縮系統(tǒng)的功耗，根據(jù)公式（2）可知，當壓縮起點壓力和壓縮終了壓力不變，多變指數(shù)不變，壓縮機做功跟起點溫度成正比，一級壓縮冷卻后溫度越高，二級壓縮進氣溫度就越大，壓縮機耗功就越大。根據(jù)廠家提供資料，在不對水冷無油螺桿空壓機進行改造時，排氣溫度需要高于熱回收供水溫度10℃以上。一級壓縮中間冷卻熱回收，排氣溫度為79℃，排氣冷卻溫度為59℃，熱回收供水溫度為60℃，熱回收的能量占一級壓縮功耗的比例為33.8%。一級壓縮中間冷卻熱回收，排氣溫度為79℃，排氣冷卻后溫度為49℃，熱回收供水溫度為50℃，熱回收的能量占一級壓縮功耗的比例為50.8%，根據(jù)研究可知，熱回收供水溫度越低，能量回收效率越高。

4 結束語

一般工業(yè)廠房水冷無油螺桿空壓機用壓縮空氣系統(tǒng)，壓縮比在9.0左右，工藝要求熱回收系統(tǒng)供水溫度40～95℃，是能夠實現(xiàn)熱回收系統(tǒng)的。但是需要關注項目地點對環(huán)境溫度對熱回收系統(tǒng)的影響，環(huán)境溫度越低，壓縮空氣排氣溫度越低，熱回收系統(tǒng)供水溫度不變的情況下，能夠回收的熱量就越少。當采用兩級壓縮水冷無油螺桿空壓機和壓縮熱再生吸附干燥機組成的節(jié)能系統(tǒng)，一級壓縮比為3.0，壓縮比減少，中間冷卻熱回收系統(tǒng)供水溫度就會降低，熱回收系統(tǒng)供水溫度越低，熱回收系統(tǒng)回收效率就越高，二級壓縮功耗就會越低。

參考文獻

[1] 全國勘察設計注冊工程師公用設備專業(yè)管理委員會秘書處.全國勘察設計注冊公用設備工程師動力專業(yè)執(zhí)業(yè)職格考試教材[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019.

[2] 譚羽非，吳家正，朱彤.工程熱力學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.