在紡織廠中，由于無油螺桿空壓機制得的壓縮空氣潔凈無油，因此被大量應用，但是高溫壓縮空氣中大量余熱通過冷卻塔被排放到大氣中，不僅造成了能源的極大浪費而且產生了廢熱污染大氣。為此，提出合理的改造方案來回收這部分余熱，對其可行性和經濟性進行分析，并對中間冷卻器進行改造設計。此設計方案是在原有中間冷卻器的基礎上進行的合理改造，只需要投資4.75萬元，每年就可以為該紡織廠節約洗浴用水所需要的8.03萬元燃煤費，而且杜絕了燃煤產生的污染物。該方案可為空氣壓縮機余熱回收利用技術在紡織廠的應用提供參考。

關鍵詞：中間冷卻器 熱回收 改造節能

引言

紡織廠中，空壓機作為動力源，用于氣動加壓、氣動輸送、氣動引緯等方面。空壓機將電動機的部分機械能轉化成空氣的壓力能，在此過程中，會產生大量的熱能。美國能源局的一項統計顯示：壓縮機運行過程中真正用于增加空氣勢能而消耗的電量僅占其總電耗的15%，其余的幾乎都轉化為熱量[1]。為了保證空壓機的正常運行，這部分熱量主要通過空氣冷卻或水冷卻排到大氣中去，這樣造成了能源的極大浪費而且產生了廢熱污染大氣。當前，紡織工業“十二五”發展規劃要求加快綠色環保、資源循環利用及節能減排等先進適用技術和裝備的研發和推廣應用。組織實施節能、降耗、減排的共性、關鍵技術開發和產業化應用示范[2]。為了響應國家節能減排的方針政策，對西安某紡織廠空壓站提出可行的方法和合理的方案，對熱量進行回收利用，達到節能減排的目的，提出了一種紡織廠余熱回收的方案。

無油螺桿空壓機工作原理

目前，該紡織廠采用的是AtlasZR5-53型無油螺桿空壓機。冷卻方式采用的是水冷卻，再利用冷卻塔將水降溫的方式將壓縮空氣產生的大量廢熱排出。在現有的空氣冷卻中，進入冷卻器水的溫度為18℃，出水溫度為34℃，本研究方案可以在空氣狀態參數不變的情況下，制得60℃左右的熱水，這部分水可以滿足日常生活用水、空調用水以及漿鍋的沖洗等所需熱水要求。

無油螺桿空壓機工作原理如圖1，外界空氣經過過濾器后進入一級壓縮機進行壓縮，空氣溫度急劇升高到186℃，壓力增大，然后進入中間冷卻器，經過冷卻后，空氣溫度降低到54℃;再進入二級壓縮機，再次被加壓升溫，然后進入后冷卻器進行降溫，最后制得需要的高壓低溫壓縮空氣。目前，該紡織廠無油螺桿空壓機的中間冷卻器和后冷卻器都是采用管殼式換熱器，高溫高壓空氣走管程，經過冷卻塔冷卻的冷卻水走的是殼程。


無油螺桿空壓機中間冷卻器的改造方案

目前，只對圖1中虛線部分的中間冷卻器進行分析改造。此次改造是把現用的中間冷卻器換為符合出水溫度要求的管殼式換熱器，只是在換熱面積上作出合理的改變，使通過中間冷卻器的冷卻水達到所需熱水的溫度要求。在未改造前，中間冷卻器通入的是冷卻塔的循環水;改造后，通入自來水，經過換熱后，可以直接得到符合溫度要求的生活熱水。

在改造中間冷卻器時，為了滿足紡織廠工藝的需求，盡量減少壓縮空氣通過中間冷卻器的壓降，因此改造后的換熱器只是略微增加了換熱器的長度，對整個空壓系統而言，換熱器本身帶來的氣體壓降非常小。因此，改造后，增加的阻力對壓縮空氣的影響是可以忽略不計的。

對于冷卻水，改造后，直接把自來水通入到改造后的管殼式換熱器，出水溫度在60℃左右，這樣就可以滿足日常生活用水、空調用水以及漿鍋的沖洗等的水溫要求，根據紡織廠的具體需要，合理分配制得的熱水。

可行性分析

1、中間冷卻器換熱量

改造前，對于中間冷卻器，其進出空氣溫度及進出冷卻水溫度，如表1所示：


由于空氣比熱容是隨溫度變化的，所以，先計算出不同溫度下的空氣比熱容值，在特定溫度下空氣的比熱容如表2：


利用內差法得


對于該紡織廠采用的AtlasZR5-53型無油螺桿空壓機，其銘牌參數是：氣體溫度為20℃;大氣壓力為0.1MPa；相對濕度為0%；空氣流量為69m3/min。

根據理想氣體公式：PV=m1RT(1)

式中：P-大氣壓力(Pa)；

V-空氣的體積流量(m3/s)；

m1-空氣的質量流量(kg/s)；

R-空氣氣體常數，為287(J/(kg˙k)；

T氣體溫度(K)。


根據熱量計算公式Q=m1(c1t1'-c2t1")(2)

式中：Q-中間冷卻器的換熱量(kW);

t1'、t1"-中間冷卻器進、出氣溫度(K);

c1、c2-分別為t1'、t1"下的比熱容(kJ/(kg˙K))。

得Q=1.37×[1.011×(273+186)-1.005×(273+54)]=185.3kW

2、改造前換熱器傳熱系數和冷卻水質量流量的計算

根據傳熱方程式

Q=kA△tm(3)

式中：k-傳熱系數(kW/(m2˙K))；

A-中間冷卻器的換熱面積(m2)；

△t-對數平均溫差(K)。

及熱平衡方程式


式中：c3-水的比熱容(kJ/(kg˙K));

m2-中間冷卻器冷卻水的質量流量(kg/s);

t2'、t2"-中間冷卻器進、出水溫度(K);

改造前的中間冷卻器換熱面積的計算如下：

已知，改造前中間冷卻器是由292根管長為1.2m、管子直徑為12mm的管子組成，所以中間冷卻器換熱面積A=3.14×12×10-3×1.2×292=13.20m2。

因此，根據公式3和公式4能夠計算出中間冷卻器的傳熱系數k以及冷卻水的質量流量m2。計算結果見表3。


3、改造后的中間冷卻器的換熱面積和冷卻水的質量流量

為了滿足紡織廠對用水溫度的要求，冷卻水的出水溫度要求在60℃，進水為19℃的自來水。對于壓縮空氣，進出口溫度差是保持不變的，空氣質量流量已經通過公式(1)計算得出m1=1.37kg/s。所以根據公式(4)得出改造后中間冷卻器的質量流量


因此，在換熱器的計算中，要選擇合理換熱面積和傳熱系數的換熱器。這里要綜合阻力、換熱效率、投資等問題。

為了研究以及改造的方便，選擇的是現有的換熱器形式，這樣在承壓、空氣壓降等方面都是符合要求的，只是改變現有換熱器的面積。在面積改造上，是采用增加換熱器的長度;改造前后中間冷卻器的換熱系數變化可以忽略不計。因此，利用公式(3)得出計算結果，見表4。


對比表3和表4，可以看出，經過改造之后，在得到60℃的熱水時，中間冷卻器的長度由以前的1.2m增加到1.33m，只增加了0.13m，增加的這部分長度對壓縮空氣帶來的壓降可以忽略，而且改造中間冷卻器增加的成本也很少；對于冷卻水的質量流量，由原來的2.94kg/s降低到了1.05kg/s，這樣在水泵的能耗方面有了一定的減少。

4、經濟性分析

咸陽某紡織廠，職工1086人，每人平均每天在廠內洗浴0.5次，每次洗浴大約20分鐘左右，洗浴用水溫度40℃。經過統計，洗浴用水量為每10分鐘0.08噸。每天總的用水量大約在2×0.08×0.5×1086=86.88t。

目前，該紡織廠應用的是鍋爐加熱熱水的方法來獲得洗浴用水，鍋爐的熱效率為80%。采用的是熱值為24244kJ/kg的煤，根據西安物價局給出的數據，此種煤的標準價格為530元/噸。具體數據見表5。

由表5知，該紡織廠每年用于員工洗澡燃煤的費用需要8.03萬元。


對于一臺改造后的中間冷卻器，每天可以得到60℃的熱水90.72t，用這部分熱水和19℃的自來水混合，得到40℃的洗浴用水。

根據熱平衡方程可以計算得出：混合后總共可以得到40℃的熱水165.86t。因此，一個中間冷卻器回收的熱水不僅可以滿足員工洗浴用水的需要，而且剩余熱水可以用來供其它需要熱水的設備使用。綜上得，經過改造之后，每年可以為該紡織廠節省8.03萬元的支出。

5投資預算

具體投資見表6。


由表6可以得出：總共的設備投資為4.75萬元，而每年可以節約購買煤的費用8.03萬元，回收期為8個月，收益很可觀。而且，杜絕了燒煤產生的二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物質，減少了對大氣環境的污染。

結束語

紡織廠空壓機中間冷卻器最初采用的是水冷卻，再利用冷卻塔將水降溫的方式將壓縮空氣產生的大量廢熱排出，造成熱量的浪費。經過改造后，不僅為節能減排做出貢獻，而且還帶來了可觀的經濟效益。改造系統需要投資4.75萬元，每年就可以為該紡織廠節約洗浴用水所需費用8.03萬元，而且杜絕了燒煤產生的污染。由此看來，此方案的設計不僅簡單可行，更重要的是達到了合理高效的節能減排，此方案還可以應用在后冷卻器上，如果需要，可以節省更多的資源。

來源:壓縮機網  作者:鄧澤民