中國輕工業武漢設計工程有限責任公司      吳青嬌   肖榮子   陳飛龍

摘   要：噴油式螺桿空氣壓縮機在運行過程中，其中有超過3/4的熱能被排往大氣中，對這部分能量進行回收利用，可以減少電能消耗，對節能降耗和增加經濟效益有重要意義。本文結合工程運用實例，某PVC塑料管材生產企業對噴油螺桿壓縮機的余熱進行回收利用，用于加熱廠區內工作人員的衛生生活熱水，并對余熱回收所產生的經濟效益進行分析。

關鍵詞：壓縮機；余熱回收；節能；降耗；經濟

0   引言

噴油螺桿空氣壓縮機在運行過程中，將電能轉換為機械能，機械能壓縮空氣，空氣受到強烈的高壓壓縮，溫度驟升，與此同時，機械螺桿的高速旋轉也摩擦發熱。高溫壓縮空氣散熱和摩擦所產生的熱量通過空壓機的混合油/氣蒸汽排出空壓機體。這部分高溫油/氣氣流的熱量相當于空壓機輸入功率的3/4，它的溫度通常在80℃（冬季）至100℃（夏秋季），為了達到機器運行溫度的要求，這些熱能都在壓縮空氣進入管路系統之前被排往大氣中，即借由空壓機的散熱系統來達到機器運行的溫度要求[1]，否則機器會停止運轉。在某PVC塑料管材生產企業中，員工宿舍需大量衛生生活熱水，采用空壓機余熱回收來取代電加熱，不僅能減少大量電能，節約成本，還能改善空壓機的運行環境，延長空壓機設備的使用壽命，有效降低空壓機的后期維護和保養費用^[1]。

1   空壓機熱回收理論計算

在空氣被壓縮的過程中，假設被壓縮的空氣為理想氣體，并且為等熵絕熱過程，則壓縮機的等熵絕熱功率Wad為^[2]：

式中：W_ad為壓縮機的等熵絕熱功率（kW）；p_s為壓縮機的吸氣壓力（絕壓，kPa）；p_d為壓縮機的排氣壓力（絕壓，kPa）；k為被壓縮氣體的等熵指數，空氣的等熵指數為1.4；q_v為壓縮機的實際容積流量（m³/s）。

根據公式1，在標準大氣壓下，壓縮機吸入的空氣溫度為20℃，排出的空氣溫度為80℃，將1m³/s的空氣壓縮至8.5bar（表壓），其壓縮機的理論等熵絕熱功率Wad為：

在這個過程中，壓縮空氣所帶走的熱量Q為：

可以得到：

由上述的計算結果可以看出，壓縮空氣所帶走的熱量僅占整個絕熱壓縮過程中所消耗功率的22.3%，超過3/4的熱量被排往大氣中，其中僅很小一部分以輻射散熱的方式排往大氣中，剩下的熱量都可以進行回收利用。

2   空壓機熱交換原理

空壓機的熱交換過如程圖1所示：從大氣中吸入的空氣與機油在轉子內壓縮后產生高溫的壓縮油氣混合物，溫度約為80-95℃，然后進入油氣分離器，油氣分離后，壓縮氣體進入后冷卻器進行冷卻，通過管道進入各用壓縮空氣用氣點。而高溫潤滑油進入熱交換器與冷水進行熱交換，高溫潤滑油冷卻后重新進入壓縮機螺桿。如果潤滑油油溫仍然過高，則進入空壓機原油冷卻器系統進行冷卻，油溫達到要求后再進入空壓機。增加熱回收系統后，不但不影響原空壓機的所有性能，并且可以降低空壓機整體的溫度，提高產氣量。溫度與產氣量成反比關系：空氣排出溫度每上升1℃，產氣量就下降0.05%；上升10℃就下降0.5%；反之則相應提高產氣量^[3]。增加熱回收系統還減少后冷卻器冷卻風扇的使用時間，具有一定的節電效果，延長機器及耗材使用(如油氣分離器、潤滑油、機油格)時間，節省維保費用等多種好處。

圖1   空壓機熱交換過程原理圖

3   余熱回收原理及工藝流程

在某PVC塑料管材生產企業中，根據工藝生產使用要求，共設有四臺水冷式噴油螺桿空壓機。其中有三臺160kW定頻帶內置熱回收裝置的水冷空壓機（常用），一臺160kW變頻不帶熱回收的水冷空壓機（備用）。變頻不帶熱回收的空壓機采用屋頂冷卻塔的循環水進行冷卻。定頻帶熱回收的空壓機提供生活熱水至食堂和倒班樓。制備熱水時，打開循環水泵和生活熱水循環水泵，當生活熱水水箱中的溫度、液位達到設定值時，關閉熱回收系統的閥門及熱循環水泵，開啟冷卻塔系統，采用冷卻水進行冷卻。生活熱水系統和屋頂冷卻塔系統的啟動通過電動閥門進行轉換。空壓機余熱回收系統的原理圖如圖2所示。

圖2   空壓機余熱回收系統原理圖

如圖2所示，空壓機組平時工作時采用屋面冷卻塔的進出水進行冷卻。需要制備生活熱水時，采用空壓機余熱回收代替電加熱制備熱水供給倒班樓。空壓機組采用冷卻塔冷卻時，閥門A和閥門B關閉，閥門C和閥門D打開。當空壓機組采用熱回收制備熱水時，閥門A和閥門B打開，閥門C和閥門D關閉。當循環水箱中水溫達到設定溫度時，溫控閥門A自動關閉，同時關閉循環水泵和閥門B，閥門C和閥門D打開，轉換成冷卻塔冷卻模式。圖中循環水箱中水低于一定水位時，水箱中的浮球閥會自動打開，并向水箱中注水；當高于一定水位時，浮球閥關閉，自動停水。

4   設計計算和節能效益分析

倒班樓共計420人，其中有30間房為雙人間，90間房為4人間，共計120間房，每人每日的最高日用熱水水量按80L/d進行設計計算^[5]。每天早、晚兩班定時供應熱水，每班工作時間為8小時，每天供水兩次，每班的供應時間為1小時，一天熱水供應時間共為2小時。循環熱水供回水溫度為60/50℃，自來水進水溫度按5℃計算。

宿舍樓每天的生活熱水總量G和熱水總耗熱功率Q分別為：

生活熱水箱的容積為10m³，水箱內的熱水由非供水時間加熱，在供水時間內，當水箱內的熱水全部用完時，需補充的熱水為：

供水時間內的小時耗熱量為：

q峰 =G峰Cp水 Δt水/Δt峰

水箱內的熱水在非供水時間（共14小時）內加熱，水箱內熱水全天被放空兩次，即每次的熱水制備時間為7小時，熱水制備時間內的小時耗熱量為：

本項目采用三臺160kW的水冷空壓機，考慮到轉換效率、換熱器的換熱效率等因素，每臺空壓機的余熱回收效率按總功率的65%計算，則單臺160 kW水冷空壓機所產生的余熱q空為：

空壓機產生的余熱q總共為：

q總大于q峰和q平時，因此無論平時加熱水箱內熱水還是供水時加熱生活供水，空壓機余熱都可以滿足生活熱水所需的熱量，可直接用來加熱生活熱水。

倒班樓每天加熱生活熱水所需的耗熱量為W=6190060.8kJ/d=1719.46(kW·h)/d，即每天需1720度電。項目所在地無天然氣來源，而太陽能熱水系統投資大，對室外溫度要求高，冬天還需要增加電輔熱系統，一般都使用電加熱熱水器。當地的工業用電電價為1元/(kW·h)，每天可節約1720元，全年可節約60.2萬元（工作日350天）。此空壓機余熱回收系統僅需要購買水泵、水箱、換熱盤管、閥門、管道等，前期投資費用低，后期無其他運行費用，節能效果明顯，經濟效益也相當可觀。

5   結論

此PVC塑料管材生產線在不改變工藝生產的前提下，合理利用空壓機余熱，通過換熱盤管用生活熱水把空壓機的熱油冷卻，加熱生活熱水供給職工洗浴，減少了前期電熱水器的投資，節省大量的電能，后期維護和運行費用低，帶來巨大的經濟效益。與此同時還能改善空壓機的運行環境，延長空壓機設備的使用壽命，有效降低空壓機的后期維護和保養費用。

參考文獻

[1] 羅海華. 空氣壓縮機冷卻循環水余熱利用系統設計[J]. 華電技術, 2013(6):80–81.

[2] 全國勘察設計注冊工程師公用設備專業管理委員會秘書處. 全國勘察設計注冊公用設備工程師動力專業職業資格考試教材（第3版）.[M] 2014.

[3] 阿特拉斯.科普柯有限公司.壓縮空氣手冊（第六版）. [M] 1998.

[4] 席海濤. 空壓機余熱回收利用設計與效益分析[J].煤炭工程，2014 (6):22–24.

[5] GB 50015—2003. 建筑給水排水設計規范[S].

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。