摘要：分析了大型空压机组的热能散发的基本规律，介绍了目前主要的余热回收模式，并对其使用范围及节能效率进行了探讨。
关键词：空压机；余热回收；水源热泵
空压机是现代机械制造及金属冷加工企业主要耗能设备之一，特别是钢铁、造船、汽车、化工等领域，大型空压机组的能耗占比可达30%~50%以上。大型空压机运行过程中会产生大量的热能，该部分能量须采取必要措施给予排除，以免对机组正常运转产生影响。若能采取一定措施，将该部分热能加以回收，并用于诸如淋浴热水制备等常规耗能领域，则即可减少常规热能的使用，又可降低空压机组热能的排放，可谓一举两得，是现代制造企业节能的一个颇有意义的发展方向。
1 大型空压机组散热分析
大型空压机组主要由“空压机—过滤装置—冷却干燥装置—贮气罐”等设备组成，一般采用多机并联的模式。空气经压缩后，形成高温高压气体，并进入冷却干燥装置以降低温度、排除水份，形成高压常温气体，经管道配送供应生产使用。
系统的主要热量由空压机及冷却干燥装置产生。此外，空气中的水分子在过程中冷凝析出也会产生一定的热量。
1.1、空压机散热分析：
大型空压机主要包括螺杆式机组和离心式机组。
1.1.1、螺杆式空压机：
螺杆式机组设有一对转子作回转运动，利用容积的变化实现对气体的压缩。设备分为喷油式与无油式两类。
喷油式机组的热量散发包括：电机冷却散热、主机外表的散热、油分管路外表散热、油冷却器外表的散热、压缩空气额外带走的热量、油冷却散热等。表面散热以外的部分，理论上均可回收【1】。
无油式机组的热量散发包括：电机冷却散热、主机及齿轮箱外表的散热、中间冷却器外表的散热、油泵及润滑系统的散热、压缩空气额外带走的热量、中间冷却散热等。表面散热以外的部分，理论上均可回收【1】。
1.1.2、离心式空压机：
离心式空压机是由叶轮带动气体做高速旋转，是气体产生离心力，依靠动能的变化来提高气体的压力。当叶片转子转动时，叶片带动气体转动，把能量传递给气体，进入定子部分后，速度能量转换为压力提高，并利用定子的导向作用排出或进入下一级压缩段。为了达到设定的压力，离心空压机一般都采用多级串联压缩模式。
离心空压机组的热量散发包括：电机冷却散热、主机外表的散热、中间冷却器外表的散热、压缩空气（温度高于进气温度）额外带走的热量、各级冷却器散热等。表面散热以外的部分，理论上均可回收，热量利用冷却水介质带走。
下图为典型离心空压机多级冷却系统：
图1 离心空压机多级冷却示意图
1.2、后冷却设备散热分析：
当空压机的排气温度较高（超过80℃）时，压缩空气中会含带大量水份和油污，无法满足生产使用要求，必须进行降温除水处理。
目前，大型空压机配置的后冷却干燥装置一般采用冷冻干燥或余热再生吸附式干燥。
12.1、冷冻干燥：
利用冷媒与压缩空气进行热交换，把压缩空气温度降到2~10℃范围的露点温度，水蒸汽冷凝成液态，经气水分离后被除去。常见冷冻干燥机包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器及膨胀阀等主要部件。
冷冻干燥机的主要散热包括：后冷却器散热、进出口空气含湿量差（冷凝水）的热量等，理论上均可实现回收。
1.2.2、余热再生吸附式干燥
余热再生吸附式干燥属吸附除湿法，设备利用空压机压缩后高温高压气体的热能作为吸附剂再生能源，无需外加电源，可有效降低能耗【2】。
机组一般为双塔交替模式，A塔吸附过程中，B塔利用空压机出口高温气体进行再生。此类装置除表面散热及用于再生的热能外，理论上其余热能可实现回收。
下图为典型余热再生吸附干燥装置原理：
图2 余热再生吸附干燥原理图
2 大型空压机组余热回收的方式选择
大型空压机组余热的产生主要集中在空压机本体及后冷却干燥设备及空气中冷凝排除的水分子中。传统模式是以水为介质，利用循环管路将热量带出、并采用冷却水塔等散热设备将之排放至大气中。热能回收的难点在于：水介质的温度不高（20~40℃），无法利用常规的温度梯度传导模式取热。
目前，主流的空压机余热提取方式有两类：直接置换提取、外加水源热泵提取。对于大型机组而言，如何合理的选择提取模式，对于余热回收系统的可靠性、节能效果均由十分重要的意义。
2.1 直接置换提取余热方式的应用
热能直接置换的原理是：改造传统的冷却系统，以缩小流量或替换介质的方法提高冷却介质的温度，进而实现温度梯度传导热能的加热方式。
该模式需要对空压机各级冷却器进行改造，降低冷却介质的过流量，提高换热温差，逐级提取的热能以高温水（或介质）的形式进入热回收装置（65~85℃），并于冷水（5~20℃）进行热交换，制备生活热水（50~60℃）。
下图为典型空压机多级余热置换系统：
图3 空压机多级余热置换示意图
本模式热源与冷却介质为一次换热，冷却介质与被加热水之间再行二次换热，环节简洁，损耗小，传热效率高，节能效果好。
本模式直接对空压机的各级冷却器进行改造，因此提取热能的同时，如何确保各级出口温度及压力的稳定，是该模式应用的主要难点。对于常见的三级加压机组，大多仅对末级冷却系统进行改造提取余热，以避免对空压机产生不利影响。
根据三级压缩的空压机的构造形式，其各级热能产生比例为4：3：3，因此本模式一般可提取30%左右的余热，效率高但总取热量有限。此模式可应用于机组规模较大，运行规律，余热提取需求相对较少的系统中。
需要注意的是，对于采用余热再生吸附干燥作为后冷却干燥形式时，由于空压机排出的高温高压气体需作为吸附剂再生的热源使用，因此不得对末级压缩系统进行热能提取，本模式不适用。
2.2、水源热泵技术提取余热方式的应用
水源热泵技术提取余热的原理是：以低温的冷却水为热源，加装水源热泵，利用热泵内封闭循环的热工介质，将低温冷却水中的热能吸收，额外输入电能将低温气态介质压缩为高温高压状态，再通过冷凝放热原理将能量传递给被加冷水，以制备高温生活热水。
该模式无需对传统冷却系统进行改造，冷却水系统与热水制备系统被水源热泵机组隔离，空压机的运行可靠性有充分保证。由于是以整个冷却 水系统作为热源，因此理论上可实现全热能的回收，最大限度提升热水的产量。
本模式在热源与被加热水之间增加了水源热泵环节，以外加电能为代价，实现了热能传递，因此机组的传热效率需要计入输入电能的因素。
假设：空压机组可回收热能为E，冷却水热能散失率10%，水源热泵cop值（输入输出比）4.5，则系统产热量为E*（1-10%）*（1-1/4.5）=0.7E。
同样情况下，采用直接置换模式提取末级余热，不考虑热损失，则系统可回收热能为E*（1-10%）*30%=0.27E。
可见，对于单位余热提取而言，直接置换模式效率较高；就整体取热能力而言，水源热泵机组优势较大。
3、结语
对于大型空压机组而言，通过改造原先的冷却换热模式或者外加水源热泵机组提取热能的方式，可有效提取散发的热能，具有显著的节能意义。
空压机余热的收集提取，应根据机组的形式、运行规律、制备热水的需求等因素综合分析，合理选择余热提取模式，在确保机组稳定运行的前提下，使加热系统高效运行。
参考文献：
[1]林子良等.螺杆空压机组的热量分析与计算[J].流体机械，2014，03.
[2]邵浔峰，王天龙.余热再生吸附式干燥机在船厂应用的研究[J].石油化工勘察设计2011年会论文集，2011，10.
论文作者:杨浩俊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/20
标签：余热论文; 空压机论文; 热能论文; 机组论文; 模式论文; 热量论文; 干燥论文; 《基层建设》2017年第22期论文;