压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一。由于其具有安全、无公害、调节性能、输送方便等诸多优点,使其在现代工业领域中应用越来越广泛。但要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源。在大多数生产型企业中,压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%～35%。在不断提高压缩空气系统效率的同时,空压机运行时会产生大量的压缩热,压缩热消耗的能量占机组运行功率的85%以上,通常这部分能量通过机组的风冷或水冷系统释放到大气当中。

 

所以，压缩机的热回收是持续降低空气系统损耗,提高客户生产力的必要手段。余热回收的节能技术目前研究很多,但大多只针对喷油螺杆式空压机的油路改造而言。本文通过对几种典型空压机的工作原理和余热回收系统特点进行详细介绍,更加丰富地了解空压机余热回收的途径和形式,可以更地进行余热回收,降低企业的能源费用,达到节能环保的目的。

 

现将几种典型的空压机余热回收途径和形式作一介绍。

 

1 喷油螺杆空压机余热回收分析

 

1)喷油螺杆空压机工作原理分析

 

喷油螺杆空压机是目前市场上占有率较高的一种空压机类型,其工作原理见图1。

 

喷油螺杆空压机的油有三个作用:冷却吸收压缩热、密封和润滑。

 

气路:外部空气通过空气过滤器进入机头经过螺杆压缩后,油气混合物由排气口排出,经过管路系统和油气分离系统,进入空气冷却器,将高温的压缩空气降低到可接受的程度。

 

油路:油气混合物由主机出口排出,在油气分离筒体内冷却油与压缩空气分离后进入油冷却器,将高温油的热量带走,冷却后的油经过相应的油路重新喷入主机,进行冷却、密封和润滑。如此反复。

 

2)喷油螺杆空压机余热回收原理

 

喷油螺杆空压机余热回收的示意图和流程图见图2和图3。

 

由图2、图3可见,经压缩机头压缩形成的高温高压油气混合物在油气分离器中被分离,通过对油气分离器出油管路进行改造,将高温油引入一热交换器,热交换器旁通阀实时对进入热交换器和旁通管的油量进行分配,从而保证回油温度不低于空压机回油保护温度,热交换器水侧的冷水与高温油进行热交换,被加热后的热水可以用于生活热水、空调采暖、锅炉进水预热、工艺用热水等。

 

3)一次换热余热回收

 

喷油螺杆空压机的余热回收系统形式较多,下面列举两种最常见的系统。图4为喷油螺杆空压机的一次换热系统流程图。由图可见,保温水箱中的冷水通过循环水泵直接与空压机内部的能量回收装置进行换热,然后回到保温水箱。此种系统的特点是设备少,换热效率高,但必须注意的是,需要选择材质较的能量回收装置,且需定期清洗,否则容易由于高温结垢而引起堵塞或者换热装置发生泄漏污染应用端。

 

4)二次换热余热回收

 

图5为喷油螺杆空压机的二次换热系统流程图,由图可见,此系统进行两次换热,与能量回收装置换热的一次侧系统为闭式系统,二次侧系统可以为开式系统,也可以为闭式系统。一次侧的闭式系统,采用纯水或蒸馏水循环,可以减少由于水结垢对能量回收装置造成的损坏。万一换热器损坏,应用端的加热介质不会被污染。

 

5)喷油螺杆空压机加装热能回收装置的优点

 

喷油螺杆空压机安装了热能回收装置之后,会有如下处：

 

(1) 停止空压机自身的冷却风机或减少风机的运行时间,热能回收装置要用到循环水泵, 水泵电机要消耗一定量的电能,但是在空压机主机的排气口温度未达到80～95℃时(可以在这个范围内进行设定),空压机自身冷却风机是不工作的,这个风机的功率一般要比循环水泵的功率大4～6倍,因此风机一停,比循环泵的用电要节能4～6倍。另外,因为油温可以得到很的控制,所以机房的排风扇就可以少开或完全不开,这又可以节能。

 

(2) 将余热转换为热水,不需要任何额外能耗。

 

(3) 增加空压机的排气量。由于空压机的运行温度可以被回收装置有效地控制在80～95℃的范围内,机油的浓度可以保持较,空压机的排气量就会增加,增加量为2%～6%,这一点也相当于节约了能源。这对夏季运行的空压机尤为重要,因为一般到了夏季,环境温度较高,油温往往可升至100℃左右,机油变稀,气密性变差,排气量就要减少。因此热能回收装置在夏季更能彰显出它的优势。

 

2 无油螺杆空压机余热回收

 

1)无油螺杆空压机工作原理分析

 

空气压缩机等温压缩时最省功,所消耗的电能主要转化为空气的压缩势能,可按式(1)进行计算：

 

式中m一空压机的空气质量流量,kg/s

 

R-气体常数,空气为287J/(kg·K)

 

T。-吸气温度,K

 

Q-气体体积流量,m?/s

 

P0-吸气压力,Pa

 

P2-排气压力,Pa

 

P福-空压机的热辐射耗功,W

 

P传动-动空压机的传动耗功,W;

 

ρ---空气密度kg/m?

 

由于没有喷油的冷却作用,无油螺杆空压机的工作过程近似为绝热压缩过程。有级间冷却的两级无油螺杆压空机,相对省功。含有水套或油套的螺杆主机,工作过程指数略低于等熵绝热指数,约为1.3。空压机功耗可按式(3)计算:

 

式中n-过程指数

 

Rg﹣气体常数，空气为287J/kg·k

 

T0,T1-一、二级吸气温度，k

 

P0- 一级吸气压力，pad

 

P1,P2- 一、二级排气压力,Pa;

 

P传动-空压机热辐射功耗，W

 

无油螺杆空压机相对于喷油空压机,更具有余热回收的潜能。由于没有油的冷却作用,使得压缩过程更偏离等温压缩,而导致大部分的功率转化成压缩空气的压缩热,这也是导致无油螺杆空压机排气温度过高的原因。将这一部分热能回收,用于用户的工业用水、预热器和浴室用水等,将会大大降低工程的能源消耗,从而实现低碳和环保。

 

图6为无油螺杆空压机的能量分布图,由图可以看出,理论上水冷无油螺杆空压机的产热可以100%进行回收。

 

2)无油螺杆空压机余热回收

 

图7为无油螺杆空压机的能量回收空压机内部流程图。由图所示,冷水依次经过油冷却器,高压压缩系统,低压压缩系统中间冷却器以及后冷却器进行换热,其中油冷却器须加大。

 

3 离心式空压机余热回收

 

1）离心式空压机工作原理分析

 

离心式空气压缩机是由叶轮带动气体做高速旋转,使气体产生离心力,由于气体在叶轮里的扩压流动,从而使气体通过叶轮后的流速和压力得到提高,连续地生产出压缩空气。离心空压机主要由转子和定子两大部分组成,转子包括叶轮和轴。叶轮上有叶片,此外还有平衡盘和轴封的一部分,定子的主体是机壳(气缸),定子上还安排有扩压器、弯道、回流器、进气管、排气管及部分轴封等。离心压缩机的工作原理为,当叶轮高速旋转时气体随着旋转,在离心力作用下,气体被甩到后面的扩压器中去,而在叶轮处形成真空地带,这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮不断旋转,气体不断地吸入并甩出,从而保持了气体的连续流动。离心式空压机依靠动能的变化来提高气体的压力。当带叶片的转子即工作轮转动时,叶片带动气体转动,把功传递给气体,使气体获得动能。进入定子部分后,因定子的扩亚作用速度能量压头转换成所需的压力,速度降低,压力升高,同时利用定子部分的导向作用进入下一级叶轮继续升压,最后由蜗壳排出。对于每一台压缩机,为了达到设计需要压力,每台压缩机都设有不同数量的级数和段数,甚至有几个缸体组成。

 

2)离心式空压机余热回收流程

 

离心机一般经过三级压缩,一二级压缩空气由于受到出口温度和压力的影响,不宜进行余热回收,一般对第三级压缩空气进行余热回收,需要增加一个空气后冷却器,如图8所示,在用热端不需要用热的时候,对压缩空气进行冷却,不影响系统的运行。

 

4水冷式空压机的另外一种余热回收途径

 

对于水冷式喷油螺杆机、无油螺杆机、离心机等空压机而言,除了对其内部结构改造进行余热回收以外,还可以不改动其本体结构,直接对冷却水管路进行改造实现余热回收。

 

1)水冷式空压机余热回收简图。

 

图9为利用水源热泵进行能量提升的空压机余热回收简图。由图可见,通过在空压机冷却水出水管路上加装二次泵把冷却水引入水源热泵主机,主机蒸发器进口的温度传感器对电动三通调节阀实时进行调节,控制蒸发器的进口温度在某一设定值,通过水源热泵机组就可以制取50-55℃的热水供生活、生产工艺用。

 

如果没有高温热水需求,还可以在空压机循环冷却水路中串联一个板式换热器,高温冷却水与来自软水箱的软水进行换热,既降低了内部水温,又提高了外部水温。被加热的水在蓄热水箱处储存,然后再输送到热网,用到需要低温热源之处,如图10所示当冷却水热量被利用后,水冷却器的负荷大大降低,甚至不再需要冷却塔。但为了保证系统运行安全可靠,一般仍会保留冷却塔,只是在冷却塔的入口和出口管道上加装了处于常闭状态的控制阀门。控制阀门采用温度控制,一旦废热回收系统出现故障后,内部水温上升到限定温度,则阀门打开,使原有的冷却塔降温系统投入使用,确保了空压机能可靠冷却。

 

2)水冷式空压机余热回收分析

 

直接对空压机冷却水管路进行改造简单方便,且不对空压机本体结构改造,可以减少改造风险,增加了余热回收系统运行的可靠性。

 

结束语

 

空压机运行产生的热量,如果不释放掉,可引起电机高温及排气高温,不但影响空压机的使用寿命,更影响压缩空气的质量;如直接由冷却系统将热量排放,不但浪费了能源,更会造成热污染。本文介绍了几种典型的空压机余热回收系统,包括喷油螺杆空压机、无油螺杆空压机、离心式空压机并单独分析了水冷式空压机,使得各种空压机都有适合其的余热回收系统,这些丰富的空压机余热回收的途径和形式,可供有关单位和工程技术人员更地进行余热回收,降低企业的能源费用,减少对环境的热污染,达到节能环保的目的。