空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水技術(shù)探討

文_林金成 福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

由于我國能源消耗以化石能源為主，環(huán)境問題日益突出，單位GDP能耗較高，節(jié)能減排壓力日益嚴(yán)峻。作為能源消耗大戶和碳排放主要源頭的工業(yè)建筑，在碳達(dá)峰和碳中和的背景下扮演著重要角色。壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域的主要?jiǎng)恿χ?，制備壓縮空氣的空氣壓縮機(jī)是工業(yè)建筑中的主要能耗設(shè)備,也是節(jié)能減排的主要研究對(duì)象，其節(jié)能減排的措施除了提高輸功效率外，還應(yīng)考慮將空氣壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收利用，避免能源浪費(fèi)。利用空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水是余熱利用的主要方式之一，進(jìn)行余熱回收利用時(shí)應(yīng)保證空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及輸功效率，同時(shí)保證制備的生活熱水滿足安全、衛(wèi)生等基本要求。

1 空氣壓縮原理及空氣壓縮機(jī)的余熱分布

1.1 空氣壓縮過程

壓縮空氣由于其具有便于輸送、安全性高、適用性好等特點(diǎn)，因此作為重要的動(dòng)力源廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑中。理想狀態(tài)的空氣壓縮過程有絕熱壓縮和等溫壓縮，空氣壓縮機(jī)壓縮空氣的過程是介于這兩種狀態(tài)之間的多變過程?？諝鈮嚎s過程如圖1所示， W表示壓縮功， H表示空氣焓值， Q表示與外界換熱量， P表示絕對(duì)壓力， V表示體積。

圖1 空氣壓縮過程示意圖

①等溫壓縮：壓縮過程中壓縮空氣產(chǎn)生的熱量均散發(fā)到環(huán)境中，即W=Q， H=0，PV圖中的1a曲線。

②絕熱壓縮：壓縮過程中壓縮空氣與外界環(huán)境不進(jìn)行熱交換，即Q=0, W=H+Q，PV圖中的1c曲線。

③多變過程：壓縮過程中壓縮空氣產(chǎn)生的熱量部分散發(fā)到環(huán)境中去，即Q>0， H>0， W>H，PV圖中的1b曲線。

1.2 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行效率

根據(jù)工程熱力學(xué)原理，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)空氣所做壓縮功的大小介于等溫壓縮與絕熱壓縮之間，機(jī)組散熱越充分，壓縮功越接近等溫壓縮功，機(jī)組的輸功效率越高。根據(jù)有關(guān)設(shè)備廠家提供的資料顯示，空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行溫度每上升1℃，產(chǎn)氣量就下降0.5%。因此，為了提高空氣壓縮機(jī)的輸功效率、降低能耗，在制備壓縮空氣過程中，空氣壓縮機(jī)應(yīng)具備充分散熱的條件。

1.3 空氣壓縮機(jī)基本的工作原理和余熱分布

為了在保證空氣壓縮機(jī)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和輸功效率的前提下合理利用空氣壓縮機(jī)的余熱制備生活熱水，首先應(yīng)充分了解空氣壓縮機(jī)基本的工作原理和余熱分布。空氣壓縮機(jī)的種類繁多，從工作原理上，可分為容積型、動(dòng)力型和熱力型；從潤滑方式上，可分為機(jī)油潤滑和無油方式。常見的空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)主要余熱分布：機(jī)組外表面散熱量Qm、 油冷卻器散熱量Qy、 高溫壓縮氣體散熱量Qq、 壓縮氣體潛熱散熱量Qd、 壓縮空氣帶走的熱量Qh。如圖2～4所示，m、t、d、h分別表示空氣質(zhì)量、溫度、濕度、焓值，下標(biāo)o和z分別表示初始狀態(tài)和終了狀態(tài)，不同機(jī)型的壓縮方式、溫度均有所差異。

圖2 噴油螺桿機(jī)余熱分布示意圖

圖3 無油兩級(jí)壓縮機(jī)余熱分布示意圖

圖4 無油三級(jí)壓縮機(jī)余熱分布示意圖

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)壓縮空氣冷卻至環(huán)境溫度時(shí)，壓縮機(jī)向外散發(fā)的熱量等于空氣壓縮機(jī)對(duì)空氣所做的功，因此空氣壓縮機(jī)對(duì)空氣所做的功W=Qm+Qy+Qq+Qh。壓縮氣體潛熱Qd是壓縮空氣中部分高溫水蒸汽經(jīng)冷卻凝結(jié)成水帶來的熱量即汽化潛熱，與空氣壓縮機(jī)所做的功無關(guān)。

1.4 空壓機(jī)組運(yùn)行時(shí)可回用的余熱量計(jì)算

根據(jù)上述空氣壓縮機(jī)的基本工作原理和余熱分布示意圖，可得出空壓機(jī)組運(yùn)行時(shí)可回用的余熱量Ql、油冷卻器散熱量Qy、高溫壓縮空氣散熱量Qq、壓縮氣體冷凝水的潛熱量Qd, 即Ql=W－Qm－Qh+Qd。

①空壓機(jī)組外表面散熱量Qm的計(jì)算見式（1）：

式中Qm—換熱量，kW；α—平均換熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；Δt—換熱平均溫差，℃。

②空氣含濕量d的計(jì)算見式（2）：

式中d—空氣含濕量，kg/kg干空氣；φ—空氣相對(duì)濕度，%；P—空氣壓力，Pa；Ps—水蒸汽分壓力，Pa。

③壓縮氣體帶走的熱量為進(jìn)出口空氣的焓差，即Qh=hz-h0，濕空氣的焓值計(jì)算見式（3）：

式中h—濕空氣的焓值，kJ/kg干空氣；t—濕空氣溫度，℃。④壓縮氣體冷凝水的潛熱量Qd的計(jì)算見式（4）：

式中m—干空氣的質(zhì)量流量，kg/s；Δd—空氣含濕量差(do-dz)，kg/kg干空氣；γ—?dú)饣瘽摕?，kJ/kg。

空氣壓縮機(jī)組可回用的余熱量Ql可根據(jù)上述公式計(jì)算得出。理論上，Ql占比較高，約占W的85%左右，甚至當(dāng)壓縮空氣進(jìn)出口含濕量差大、汽化潛熱高時(shí)可達(dá)100%以上，不同進(jìn)氣濕度冷凝水潛熱量Qd計(jì)算如表1所示。目前， 諸多余熱回收設(shè)備廠家提供的噴油螺桿機(jī)回收資料顯示，單油路回收時(shí)熱回收量達(dá)機(jī)組輸入功率的80%，油氣雙回路回收時(shí)熱回收量達(dá)機(jī)組輸入功率的88%，均有較好的熱回收效果。但在實(shí)際熱回收應(yīng)用中，由于受熱回收的載體溫度過高，機(jī)組進(jìn)出口空氣含濕量差小和熱回收系統(tǒng)不合理等因素影響，造成實(shí)際的熱回收量偏低。

表1 不同進(jìn)氣濕度冷凝水的潛熱量計(jì)算表

2 空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水的思路

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和生活水平的提高，現(xiàn)代工業(yè)建筑的生活間、公共淋浴間、宿舍已基本采用集中生活熱水系統(tǒng)以改善職工的生活條件。為了節(jié)能減排、綠色環(huán)保，集中生活熱水系統(tǒng)的熱源應(yīng)優(yōu)先采用工業(yè)余熱。

進(jìn)行余熱利用時(shí)，首先應(yīng)了解空氣壓縮機(jī)的基本工作原理，再根據(jù)余熱溫度、散熱量及冷卻溫度等參數(shù)，合理確定余熱回收方案。利用空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水時(shí)，在保證空氣壓縮機(jī)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和輸功效率的前提下，還應(yīng)確保制備的生活熱水滿足安全、衛(wèi)生等基本要求，且能最大限度的對(duì)余熱進(jìn)行回收利用并滿足熱水供應(yīng)的要求。因此，不建議采用循環(huán)加熱的方式，宜采用自來水冷水直接加熱至設(shè)計(jì)溫度的方式，這比循環(huán)加熱的溫差大，余熱回收效率高，且高溫壓縮氣體冷卻后的溫度也更低，利于提高空氣壓縮機(jī)的輸功效率。綜合上述因素，對(duì)利用空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水的思路詳見圖5～7。

圖5 噴油螺桿機(jī)余熱制備生活熱水示意圖

圖6 無油兩級(jí)壓縮機(jī)余熱制備生活熱水示意圖

圖7 無油三級(jí)壓縮機(jī)余熱制備生活熱水示意圖

3 空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水應(yīng)注意的要點(diǎn)

為保證空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和輸功效率，應(yīng)保留機(jī)組原有的冷卻系統(tǒng)，當(dāng)余熱回收后余熱載體的溫度達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)自動(dòng)開啟機(jī)組冷卻系統(tǒng)，保證空氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行。

對(duì)高溫油路余熱回收利用時(shí)，余熱回收后的油溫應(yīng)滿足機(jī)組運(yùn)行的要求，避免出現(xiàn)因油溫不足時(shí)機(jī)組自動(dòng)進(jìn)行加熱而產(chǎn)生電耗的現(xiàn)象。當(dāng)油溫<40℃時(shí)，油的粘度系統(tǒng)和機(jī)械摩阻較大,不利于設(shè)備運(yùn)行，更重要的是易產(chǎn)生大量積碳,造成空氣壓縮機(jī)在高溫條件下發(fā)生燃燒或爆炸的事故。

對(duì)高溫壓縮氣體的余熱應(yīng)最大限度的利用，較低的進(jìn)氣溫度，可節(jié)省機(jī)組冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的能耗，提高壓縮機(jī)的工作效率。采用自來水冷水直接加熱至設(shè)計(jì)溫度的方式可實(shí)現(xiàn)最大限度降低高溫壓縮氣體冷卻后的溫度。

應(yīng)根據(jù)不同余熱載體的特性合理選用換熱器，不僅要考慮換熱效率，還應(yīng)從衛(wèi)生、安全及摩阻系數(shù)等因素綜合考慮。應(yīng)選用無滯流區(qū)且不易結(jié)垢的高效換熱器，同時(shí)涉水部位應(yīng)采用食品級(jí)的耐腐蝕材料。高溫油路宜采用阻力系數(shù)小的油水管式換熱器，高溫壓縮氣體宜采用換熱面積較大的氣水板式換熱器。

4 生活熱水的供水保障

生活熱水應(yīng)確保水質(zhì)、水溫、水量和水壓滿足用戶要求，因此在利用空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水時(shí)，還應(yīng)綜合考慮水質(zhì)防污、溫度控制、供熱需求量及防結(jié)垢等因素。為避免水質(zhì)在余熱回收時(shí)造成二次污染，余熱利用時(shí)應(yīng)采用間接加熱的方式，嚴(yán)禁將自來水直接導(dǎo)入機(jī)組冷卻系統(tǒng)進(jìn)行加熱； 對(duì)高溫回油進(jìn)行余熱回收， 應(yīng)考慮換熱器腐蝕破損漏油造成水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)，宜采用二次換熱方式或配置油質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。換熱器出水溫度應(yīng)滿足使用要求，同時(shí)最高出水溫度不宜超過60℃，水溫過高容易造成人員燙傷及設(shè)備、管道結(jié)垢，設(shè)備及管路的熱損也大。另外，應(yīng)采用防結(jié)垢設(shè)備或采取有效的除垢措施，避免影響熱交換器和空壓機(jī)運(yùn)行效率。

利用空壓機(jī)余熱制備生活熱水，還應(yīng)保證供熱量滿足使用要求。首先應(yīng)對(duì)空氣壓縮機(jī)組的工作原理和可回收的余熱量進(jìn)行分析；再采取合理的回收利用系統(tǒng)，最大限度的回收余熱，并根據(jù)回收利用系統(tǒng)計(jì)算出回收的熱量或產(chǎn)水量；最后根據(jù)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行規(guī)律、回收的熱量或產(chǎn)水量和熱水用戶的需求量對(duì)鋪助熱源和儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行合理配置。生活熱水系統(tǒng)中的鋪助熱源、儲(chǔ)熱水箱、水泵等的計(jì)算及選型要求在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、資料已明確，本文不再贅述。

5 結(jié)語

利用空氣壓縮機(jī)余熱制備生活熱水，可避免能源浪費(fèi)，提高空氣壓縮機(jī)的輸功效率，節(jié)約能耗；制備的生活熱水應(yīng)滿足安全、衛(wèi)生等基本要求，余熱回收方案應(yīng)根據(jù)空氣壓縮機(jī)工作原理、散熱參數(shù)及熱水需求等方面進(jìn)行合理確定；加熱方式應(yīng)采用間接加熱或二次換熱，采用自來水冷水直接加熱至設(shè)計(jì)溫度可最大限度的回收余熱。在碳達(dá)峰和碳中和的背景下，在工業(yè)建筑中充分回收利用工業(yè)余熱對(duì)節(jié)能減排有著重要意義。