Heat recovery from air compressor in factories

XIAO Yongwei

(Shanghai Electronic Engineering Design & Research Institute,
Shanghai 200023, China)

　　Abstract: This paper analyses the feasibility to recover heat energy from air compressor cooling system in factories and introduces ways used in some factory to heat fresh air, hot water for AHU, domestic hot water and its process.
　　Keywords: air compressor; heat recovery; fresh air preheating; AHU hot water; energy saving

　　能源消耗是工廠的一項重要支出，尤其在生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大的今天，巨大的能耗越來越成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。因此如何從節(jié)約能源入手，進(jìn)一步降低成本也就成為一項刻不容緩的課題。要節(jié)約能源，一個良好的經(jīng)過節(jié)能優(yōu)化的設(shè)計是運(yùn)行過程中降低能耗的先決條件。這里 就筆者遇到過的設(shè)計實(shí)例談一下工業(yè)廠房空壓機(jī)壓縮熱的熱回收問題。

1空壓機(jī)散熱量的計算
　　空壓機(jī)是常見的動力設(shè)備，它與空調(diào)冷水機(jī)組都是工廠的耗電大戶。通常情況下空壓機(jī)排出的大量熱量都是通過風(fēng)冷直接排放或水冷通過冷卻塔放散到大氣中，這部分能量（由電能轉(zhuǎn)化而來）就白白浪費(fèi)掉了。
　　空壓機(jī)的氣體壓縮過程可看作絕熱壓縮過程，其溫度關(guān)系按下式計算：
　　
式中：T2——壓縮后空氣的絕對溫度，K；
　　　T1——壓縮前空氣的絕對溫度，K；
　　　P2——壓縮后空氣的絕對壓力，Pa；
　　　P1——壓縮前空氣的絕對壓力，Pa；
　　　k——絕熱指數(shù)，對于空氣，取1.4。
　　壓縮后對空氣的冷卻過程為定壓冷卻，其放熱量按下式計算：
　　
式中：Q——壓縮空氣冷卻過程中的散熱量，kJ；
　　　ρ——吸入空氣的密度，kg/m3；
　　　V——吸入空氣的體積，m3；
　　　cp——空氣的定壓比熱，取1.005kJ/(kg·℃)；
　　　t0——冷卻后空氣的溫度，即空壓機(jī)的排氣溫度，一般比環(huán)境溫度高10℃；
　　　t2——冷卻前空氣的溫度，℃，t2=T2-273。
　　以一臺輸入功率為250kW，自由排氣量45m3/min，排氣壓力7.5×105Pa的空壓機(jī)為例，計算其散熱量。取環(huán)境溫度20℃，壓力9.8×104Pa，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，計算可得該機(jī)器的冷卻散熱量為214kW，同時可得壓縮空氣冷卻前的溫度t2高達(dá)265℃。可以看出空壓機(jī)的冷卻散熱不但量大，而且溫度高，完全可以回收利用。

2空壓機(jī)散熱量的回收利用
　　筆者在某半導(dǎo)體封裝工廠的設(shè)計過程中就充分利用了這部分熱量，用于空調(diào)冬季新風(fēng)預(yù)熱，純水制備工藝原料水的冬季預(yù)熱等。
　　該工程設(shè)排氣量45m3/min，排氣壓力7.5×105Pa的空壓機(jī)4臺，其中3用1備。根據(jù)前面的計算，3臺空壓機(jī)同時開啟將有642kW的散熱量。這部分熱量在冬季回收利用，用來為制備純水的原料水加熱和加熱空調(diào)新風(fēng)。純水車間熱負(fù)荷為350kW，空調(diào)新風(fēng)熱負(fù)荷為280kW，兩項合計630kW。為保證夏季空壓機(jī)的正常運(yùn)行，設(shè)置了冷卻塔系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置如圖1所示。圖中，冷卻塔仍按照3臺空壓機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行的散熱量來選型，以應(yīng)付夏季上述熱負(fù)荷為零時的散熱需要。

　　從圖1可以看出，與單純的空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)增加了泵和換熱器等設(shè)備及閥門等控制切換裝置，使設(shè)備初投資略有增加，但與630kW的回收熱量相比完全可以忽略。

3利用空壓機(jī)的散熱量實(shí)現(xiàn)吸附式干燥器的再生
　　電子行業(yè)對壓縮空氣的品質(zhì)要求比較高，除了對顆粒物等雜質(zhì)的限制外，對氣體的含水量也非常敏感，多數(shù)工藝都要求常壓露點(diǎn)在-40℃以下，要求高的甚至低于-70℃，這種情況下必須使用吸附式干燥器。而吸附式干燥器的再生有兩種方式，無熱再生和有熱再生。無熱再生需要消耗一定量的壓縮空氣，通常對于露點(diǎn)-40℃的干燥器再生的平均耗氣量約為15%，這是一筆不小的動力消耗。如果采用有熱再生，則需要熱源供應(yīng)，而空壓機(jī)壓縮熱正好派上用場。
　　一部分被壓縮后尚未經(jīng)空壓機(jī)后冷卻器冷卻的高溫壓縮空氣被引出，并被輸送到干燥器的吸附劑中用于再生，再生后含大量水分的高溫氣體經(jīng)冷卻干燥后與被干燥的氣體匯合，因此該再生過程沒有產(chǎn)品氣體消耗。壓縮干燥的流程如圖2所示。

        現(xiàn)在有些空壓機(jī)的生產(chǎn)商已經(jīng)在他們的產(chǎn)品中綜合了上述過程，在其空壓機(jī)和干燥器上分別設(shè)置了相應(yīng)的熱空氣引出接口和引入接口，使得系統(tǒng)變得簡單，安裝者只需將兩者連接起來就可以。圖3是某印刷線路板廠使用該形式的空壓機(jī)及干燥器并對冷卻水熱量進(jìn)行回收的例子。

　　該例中的熱回收體現(xiàn)在氣體系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)兩個方面。由于要求進(jìn)入吸附干燥器的壓縮空氣溫度不能太高，因此在空壓機(jī)出口又加了一級后冷卻器，并單獨(dú)采用18℃的低溫冷卻水（該工程的工藝?yán)鋮s水溫度）進(jìn)行冷卻，以保證進(jìn)入干燥器的氣體溫度不超過35℃。水系統(tǒng)方面，根據(jù)熱用戶的不同溫度要求，實(shí)行兩級熱回收，先對供回水溫度為90℃/60℃的空調(diào)熱水進(jìn)行加熱，剩余熱量用來預(yù)熱生活熱水的補(bǔ)充水。兩級冷卻塔的設(shè)置充分保證了冷卻水的供水溫度不超過35℃。

4小結(jié)
　　工業(yè)廠房大量的空壓機(jī)放熱量完全可以加以回收，用于冬季空調(diào)新風(fēng)預(yù)熱，純水車間加熱以及生活熱水的預(yù)熱等方面，還可以作為吸附干燥器的再生熱源。同時，回收系統(tǒng)增加了泵、換熱器等設(shè)備和閥門等控制切換裝置，不可避免地增加了設(shè)備初投資并且管路布置變的復(fù)雜。但是與熱量回收帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益相比是非常值得的。

（轉(zhuǎn)載）