空壓機(jī)熱能在汽配座椅發(fā)泡工藝的回收利用裝置研究

摘 要：通過對(duì)某汽配廠發(fā)泡車間的用熱工藝及要求的分析，調(diào)研了現(xiàn)場(chǎng)螺桿空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合車間實(shí)際用熱需求，回收利用螺桿壓縮機(jī)壓縮空氣及潤滑油熱能，用于烘房空氣加熱及富產(chǎn)模具加熱用熱水。通過模擬計(jì)算，換熱器相關(guān)工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了熱能利用裝置替代原電加熱裝置，其有效加熱功率達(dá)74KW，具有明顯的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī);熱能;利用;高效換熱器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.020

1 概述

汽車產(chǎn)業(yè)已成是我國工業(yè)的基礎(chǔ)，在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的低位，已成為影響世界的產(chǎn)業(yè)之一。空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，在汽配行業(yè)亦是重要的氣體動(dòng)力設(shè)備。根據(jù)美國能源署統(tǒng)計(jì)。壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，真正用于增加空氣勢(shì)能所消耗的電能，在總耗電量中只占15%，約85%的電能轉(zhuǎn)化為熱量，通過風(fēng)冷或者水冷的方式排放到空氣中。這些“多余”熱量被排放到空氣中被浪費(fèi)。如何高效回收利用這些被浪費(fèi)的熱量，是實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、節(jié)能降耗的有效途徑[1]。

2 車間用熱需求及空壓機(jī)熱能利用方案

現(xiàn)對(duì)重慶某汽車配件制造有限公司發(fā)泡車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)用熱需求調(diào)研，主要有發(fā)泡工藝中對(duì)于模具的熱水及烘房空氣加熱的熱需求。其中座椅發(fā)泡采用冷發(fā)泡工藝，模具需要溫度約45℃熱水進(jìn)行加熱，模壓發(fā)泡成型的制品從模具取出后需進(jìn)烘房（80—100℃）干燥，脫去制品表面潮氣，以及對(duì)于發(fā)泡成型后的成品粘合劑等具有刺激性氣體的氣體進(jìn)行充分的揮發(fā)?，F(xiàn)烘房采用電加熱器加熱烘房內(nèi)空氣，烘房正常工作溫區(qū)為80℃至100℃。烘房內(nèi)空氣通過風(fēng)機(jī)抽風(fēng)送至電加熱器加熱，經(jīng)加熱后的高溫空氣再返回烘房內(nèi)，反復(fù)閉式循環(huán)加熱以達(dá)到要求溫度。

該汽配公司發(fā)泡車間有一臺(tái)風(fēng)冷式螺桿空壓機(jī)，常年24小時(shí)不間斷運(yùn)行，該車間配套一臺(tái)螺桿空壓機(jī)，額定功率90KW，額定流量為15m3/min，排氣壓力為0.8MPa，潤滑油量為60L，其中排氣溫度（未經(jīng)風(fēng)冷）正常情況為80—85℃，到夏季會(huì)因環(huán)境溫度的升高而升高。潤滑油油溫平均溫度為85℃?？諌簷C(jī)后端外接一臺(tái)冷干機(jī)，對(duì)壓縮空氣進(jìn)行降溫脫水干燥，保證空氣露點(diǎn)控制在2—8℃，以滿足后續(xù)聚氨酯發(fā)泡工藝的要求。由空壓機(jī)潤滑油與高壓空氣的攜帶的熱量均被風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻排向大氣中，因此造成能源浪費(fèi)。

3 空壓機(jī)熱能利用裝置設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算

3.1 流程設(shè)計(jì)

為充分利用空壓機(jī)產(chǎn)生熱能，結(jié)合發(fā)泡車間的用熱需求，即加熱烘房和模具加熱的熱水需求。本方案綜合利用其利用空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱潤滑油及熱空氣的熱能，將熱能利用循環(huán)過程分為潤滑油換熱流路和壓縮空氣換熱流路，其原理如圖1所示。

（1）壓縮空氣換熱流路：壓縮空氣（熱）經(jīng)油氣分離器后，經(jīng)高效熱水換熱器1與常溫水進(jìn)行強(qiáng)制換熱，常溫水吸收壓縮空氣（熱）的熱量，被加溫至約70℃。被加熱的熱水經(jīng)水泵輸送至高效熱水換熱器2，與小烘房空氣進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)換熱，空氣吸收熱水熱量后升溫，后返回烘房;熱水被熱交換后返回至高效熱水器1進(jìn)水（冷），再次與壓縮空氣（熱）換熱，被加熱升溫。一個(gè)完整的壓縮空氣換熱循環(huán)完成。熱水不斷在高效熱水換熱器1和高效熱水換熱器2中循環(huán)，作為中間傳熱介質(zhì)，不斷將壓縮空氣中所含熱量傳遞給烘房空氣，烘房溫度不斷上升，高效熱水換熱器1，高效熱水換熱器2均采用板式換熱器。

（2）潤滑油換熱流路：高溫潤滑油由油氣分離器經(jīng)油泵加壓輸送至高效熱油換熱器的油路通道，通過與烘房低溫空氣換熱，使烘房空氣被加熱升溫后返回壓縮機(jī)油路管道;烘房常溫空氣被高溫潤滑油加熱后，返回烘房，一個(gè)換熱循環(huán)結(jié)束。烘房循環(huán)風(fēng)機(jī)不斷抽風(fēng)送至高效熱油換熱器換熱升溫后返回烘房，綜合考慮潤滑油回油溫度和壓縮使用工況，在壓縮空氣、高溫潤滑油初始溫度為80℃的情況下，在余熱加熱器烘房空氣出口段溫度可加熱至約70℃。高效換熱器3采用板式換熱器。

（3）負(fù)荷切換：熱水換熱器熱負(fù)荷與高效熱油換熱器熱負(fù)荷相比，相對(duì)較小，在考慮小烘房如需緊急加溫或者其他情況需要，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大小烘房熱負(fù)荷的切換，將小烘房空氣接入熱油換熱器3進(jìn)行加熱升溫。此操作為考慮換熱效果，可將大烘房循環(huán)風(fēng)機(jī)關(guān)閉或者減小循環(huán)風(fēng)量，以此平衡熱負(fù)荷。

（4）在后期烘房溫度達(dá)到預(yù)期設(shè)置后，逐步降低至高效熱水器2的循環(huán)熱水量。進(jìn)水與高效熱水換熱器1進(jìn)行充分的反復(fù)循環(huán)，即可產(chǎn)生富裕熱水，用于模具加熱的使用要求。

3.2 換熱效果模擬計(jì)算

對(duì)于空壓機(jī)熱能利用設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料為：油氣分離器中的高溫潤滑油溫度80℃;油氣分離器中壓縮空氣溫度80℃;烘房空氣初始溫度20℃;潤滑油回油溫度60℃;空壓機(jī)額定氣量為15m3/min;壓縮空氣壓力0.8MPa（G）;潤滑油壓力等于壓縮空氣壓力，為0.8MPa（G）。通過HYSYS模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算相關(guān)工藝參數(shù)及換熱器，其中換熱器采用板式換熱器，換熱溫差為10℃，模擬計(jì)算出高效熱水換熱器1換熱功率為13.7KW，高效熱水換熱器2換熱功率為10.97KW，高效換熱器3換熱功率為63.08KW，相關(guān)參數(shù)如下：高效熱水換熱器1熱源為壓縮空氣。

3.3 裝置設(shè)計(jì)

通過原題圖，設(shè)計(jì)該熱能利用裝置總結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。黃色標(biāo)示壓縮空氣管路、紅色表示潤滑油管路、綠色標(biāo)示熱水管路，黑色為烘房空氣流路。

為充分利用空壓機(jī)熱油及熱氣熱能，其換熱流路主要分為兩路，分別為高溫潤滑油及高溫壓縮空氣，空壓機(jī)余熱利用裝置采用預(yù)先組裝成撬，集成相應(yīng)設(shè)備，以減小現(xiàn)場(chǎng)安裝位置及施工工程量。整個(gè)裝置大致分為余熱加熱撬裝置、熱水撬裝置、以及和空壓機(jī)之間的連接管路三個(gè)部分，其主要組成部件及工作原理為：

（1）高溫潤滑油流路：潤滑油經(jīng)壓頭壓縮后產(chǎn)生高溫?zé)嵊停?jīng)油氣分離器分離潤滑油和壓縮空氣。其中高溫潤滑油通過本身油壓，輸送至緩沖油箱，再經(jīng)輸送油泵輸送至烘房換熱器油路接口。高溫?zé)嵊驮诤娣靠諝鈸Q熱器與烘房空氣進(jìn)行換熱，將高溫潤滑油熱量傳遞給烘房空氣。為保障空壓機(jī)正常運(yùn)行，對(duì)空壓機(jī)高溫潤滑油熱量進(jìn)行選擇性回收，以控制回油溫度。潤滑油返回油溫控制不低于60℃。高溫潤滑油經(jīng)換熱器換熱降溫后回流至回油管路溫控器前，經(jīng)油冷器后返回至機(jī)頭。

（2）高溫壓縮空氣流路：高溫壓縮空氣經(jīng)油氣分離器后，管路輸送至高效熱水換熱1與傳熱媒介水進(jìn)行熱交換，經(jīng)充分換熱后，水被加熱至約70℃，熱水經(jīng)管路輸送至烘房，流經(jīng)高效熱水換熱器2，與烘房空氣進(jìn)行充分換熱，加熱烘房空氣。

（3）電氣控制系統(tǒng)。為防止烘房溫度升溫后，回油溫度過高對(duì)空壓機(jī)的影響，通過電氣系統(tǒng)保證回油溫度可控及安全。當(dāng)回油過高時(shí)，電磁閥切斷換熱外循環(huán)油路，油路通過空壓機(jī)內(nèi)部油路實(shí)現(xiàn)循環(huán)，潤滑油自動(dòng)通過空壓機(jī)溫控系統(tǒng)，通過風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)冷卻潤滑油的目的。同時(shí)對(duì)于油泵、水泵實(shí)行聯(lián)鎖控制，啟停保護(hù)。同時(shí)對(duì)烘房配置熱負(fù)荷切換系統(tǒng)，分別對(duì)兩個(gè)不同烘房進(jìn)行空氣加熱。

4 節(jié)能效益分析

空壓機(jī)型號(hào)為額定功率為90KW，綜合利用其高溫潤滑油及壓縮空氣熱能，折合等效加熱功率74kW，在烘房初始溫度為20℃時(shí)，單次循環(huán)可把烘房空氣加熱至47℃。經(jīng)加熱后的空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)返回至烘房，烘房空氣反復(fù)循環(huán)，通過高效余熱換熱器與潤滑油、壓縮空氣換熱，直至達(dá)到換熱極限。

空壓機(jī)為24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，每天可回收熱量1776kWh，折合等效加熱功耗為1776kWh，節(jié)約電費(fèi)支出1065元/天（電費(fèi)按0.6元/KWh計(jì)），年運(yùn)行時(shí)間按8000小時(shí)計(jì)，可節(jié)約電費(fèi)支出約35.5萬元，節(jié)能效果明顯。

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作者簡介：王勇（1985-），男，四川廣安人，碩士，工程師，現(xiàn)從事多元?dú)怏w凈化分離、工業(yè)節(jié)能技術(shù)及裝備設(shè)計(jì)。