空气压缩机系统余热回收在空调系统中的应用

0 引言

空气压缩机，是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空压机，作为一种重要的能源产生形式，被广泛应用于生活生产的各个环节，尤其是双螺杆式的空气压缩机被广泛应用于机械、冶金、电子电力、医药、纺织、食品、制药工业、金属冶炼、交通、煤矿开采等工业领域，成为压缩空气的主流产品。

1 空压机的余热回收

空压机的余热一般指的是螺杆式空压机在生产高压空气过程中随之产生的多余热量。螺杆式空气压缩机在长期连续的运行过程中，空气得到高压压缩，温度骤升；同时，空压机螺杆的高速旋转也会摩擦发热，这些热量相当于空压机输入功率的25%，它的温度通常在80℃~100℃。生产过程中需要的只是空气的压力，这些热能作为副产品需要空压机的散热系统快速的冷却，以满足空压机正常工作的温度要求，如不加以有效利用，这巨大的热量就被白白浪费，并且在冷却的过程中还需要消耗额外的电能。

空压机余热回收系统可以根据空压机的散热方式分为两种：风冷型空压机余热回收系统和水冷型空压机余热回收系统。本文主要对水冷型空压机余热应用于空调系统进行探讨和经济性评价。

2 空压机余热回收系统的设计

2.1 余热回收系统设计背景苏州某工厂安装有6 台无油螺杆式空气压缩机和5 台空气干燥机，总散热负荷为1600kW，采用水冷却方式，冷却水进出口温度分别为40℃和46℃。冷却水采用闭式循环，利用水冷却塔对冷却水降温（图1）。现考虑将空压机余热作为空调系统冬季采暖热源和预热生活热水，这两项总负荷均为1000kW。

2.2 余热回收系统控制策略通过调节冷却水的流量，空压机余热优先满足生活热水系统的热负荷。夏季时，供暖系统支路关闭，系统的控制集中在生活热水系统上，通过某时刻生活热水负荷的大小，调节流入生活热水系统的冷却水流量。冬季时，空压机的余热优先满足生活热水系统，余者作为供暖系统热源，如热量不足，空调供暖系统通过配置的辅助热源进行供热。

2.3 板式换热器设计和选型余热回收系统中需要两台换热器，一台用于压缩机的冷却水和冷却塔的回水换热，另一台用于压缩机的冷却水与生活热水换热。经过综合考虑，两台均选用板式换热器。如图2 和图3，为板式换热器A和板式换热器B 示意图。

文章选取兰州石油化工机械厂制造的BP 型板片。板式换热器的设计计算结果如表1 所示。

表1 板式换热器计算结果

3 空压机余热回收系统经济性评价

3.1 生活热水系统未利用空压机预热时，由燃煤锅炉加热生活热水，为便于比较，假设预热过程（10℃加热到38℃）由单独的锅炉完成。根据厂区生活热水预热负荷为1000kW，选取山东省泰安市山口兴发常压锅炉厂生产的CLHG 立式火管燃煤锅炉。费用包括锅炉设备费与使用年限内的耗煤费。

利用空压机余热时，采用高效板式换热器B 将空压机的冷却水用于加热生活热水。费用为板式换热器B 的设备费，约为4 万元。

对于生活热水系统，利用空压机余热前后的费用对比详见表2。

表2 生活热水系统费用比较

将空压机余热回收用于预热生活热水，相比于普通的燃煤锅炉加热方式，年平均节省56.05 万元，经济效益显著。

3.2 空调供热系统冬季厂区需供热，在未利用空压机余热时，空调系统热源可选锅炉或者风冷热泵。在利用余热时，空压机能提供的热负荷为1600kW，冬季优先满足1000kW 的生活热水负荷，最不利情况余热利用系统只能为供热系统提供600kW 的热负荷，按总采暖负荷1000kW 计，少的400kW 需有其它辅助热源提供。辅助热源也有风冷热泵和锅炉两种方案。

对于空调供暖系统，利用空压机余热前后的费用对比详见表3。

由表3 可知，采用空压机余热作为冬季空调系统供暖的部分热源，无论另外的辅助热源是风冷热泵还是燃煤锅炉，也无论是何种组合方式，都能节省冬季的采暖费用。空压机余热除了能节省生活热水系统和冬季空调供暖系统的设备及运行费之外，还能节省冷却水泵的运行费用，减少冷却水泵的热负荷，延长设备的使用年限。

综上所述，对于整个空压机余热回收系统，利用空压机余热前后费用对比如表4。

无论哪种方案，每年都能节省60 万元以上的开支，经济性良好，符合国家节能减排的政策。

表3 空调供暖系统费用比较

注：①表中，风冷热泵均选用Airwell（欧威尔）公司生产的风冷螺杆热泵机组R22多机系列。②表中，锅炉均选用山东省泰安市山口兴发常压锅炉厂生产的CLHG 立式火管燃煤锅炉系列。

表4 空压机余热回收系统费用比较

4 结语

将空压机运行中产生的热能有效回收利用，既满足了厂区的生活热水负荷和冬季空调的供热负荷，减少了冷却塔的能耗，同时降低了空压机的运行功耗，有利于提高生产力，具有推广应用的价值。相信将来对空压机余热回收利用方面的研究会更加具体和深入，把余热资源应用于各个系统、各个生产环节中去，真正实现绿色环保、节能降耗的目标。

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