在紡織廠中，由于無油螺桿空壓機(jī)制得的壓縮空氣潔凈無油，因此被大量應(yīng)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(fèi)而且產(chǎn)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(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并對中間冷卻器進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)方案是在原有中間冷卻器的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jié)約洗浴用水所需要的8.03萬元燃煤費(fèi)，而且杜絕了燃煤產(chǎn)生的污染物。該方案可為空氣壓縮機(jī)余熱回收利用技術(shù)在紡織廠的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：中間冷卻器 熱回收 改造節(jié)能

引言

紡織廠中，空壓機(jī)作為動(dòng)力源，用于氣動(dòng)加壓、氣動(dòng)輸送、氣動(dòng)引緯等方面?？諌簷C(jī)將電動(dòng)機(jī)的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成空氣的壓力能，在此過程中，會產(chǎn)生大量的熱能。美國能源局的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)顯示：壓縮機(jī)運(yùn)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(zhuǎn)化為熱量[1]。為了保證空壓機(jī)的正常運(yùn)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(fèi)而且產(chǎn)生了廢熱污染大氣。當(dāng)前，紡織工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃要求加快綠色環(huán)保、資源循環(huán)利用及節(jié)能減排等先進(jìn)適用技術(shù)和裝備的研發(fā)和推廣應(yīng)用。組織實(shí)施節(jié)能、降耗、減排的共性、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范[2]。為了響應(yīng)國家節(jié)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(jìn)行回收利用，達(dá)到節(jié)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(jī)工作原理

目前，該紡織廠采用的是AtlasZR5-53型無油螺桿空壓機(jī)。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(chǎn)生的大量廢熱排出。在現(xiàn)有的空氣冷卻中，進(jìn)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(tài)參數(shù)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(diào)用水以及漿鍋的沖洗等所需熱水要求。

無油螺桿空壓機(jī)工作原理如圖1，外界空氣經(jīng)過過濾器后進(jìn)入一級壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，空氣溫度急劇升高到186℃，壓力增大，然后進(jìn)入中間冷卻器，經(jīng)過冷卻后，空氣溫度降低到54℃;再進(jìn)入二級壓縮機(jī)，再次被加壓升溫，然后進(jìn)入后冷卻器進(jìn)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(jī)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(jīng)過冷卻塔冷卻的冷卻水走的是殼程。


無油螺桿空壓機(jī)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(jìn)行分析改造。此次改造是把現(xiàn)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(dá)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(huán)水;改造后，通入自來水，經(jīng)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(shí)，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(gè)空壓系統(tǒng)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(jì)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(diào)用水以及漿鍋的沖洗等的水溫要求，根據(jù)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(jìn)出空氣溫度及進(jìn)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(jì)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(nèi)差法得


對于該紡織廠采用的AtlasZR5-53型無油螺桿空壓機(jī)，其銘牌參數(shù)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(jù)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(zhì)量流量(kg/s)；

R-空氣氣體常數(shù)，為287(J/(kg˙k)；

T氣體溫度(K)。


根據(jù)熱量計(jì)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(jìn)、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(shù)和冷卻水質(zhì)量流量的計(jì)算

根據(jù)傳熱方程式

Q=kA△tm(3)

式中：k-傳熱系數(shù)(kW/(m2˙K))；

A-中間冷卻器的換熱面積(m2)；

△t-對數(shù)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(zhì)量流量(kg/s);

t2'、t2"-中間冷卻器進(jìn)、出水溫度(K);

改造前的中間冷卻器換熱面積的計(jì)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(jù)公式3和公式4能夠計(jì)算出中間冷卻器的傳熱系數(shù)k以及冷卻水的質(zhì)量流量m2。計(jì)算結(jié)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(zhì)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(jìn)水為19℃的自來水。對于壓縮空氣，進(jìn)出口溫度差是保持不變的，空氣質(zhì)量流量已經(jīng)通過公式(1)計(jì)算得出m1=1.37kg/s。所以根據(jù)公式(4)得出改造后中間冷卻器的質(zhì)量流量


因此，在換熱器的計(jì)算中，要選擇合理換熱面積和傳熱系數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)變化可以忽略不計(jì)。因此，利用公式(3)得出計(jì)算結(jié)果，見表4。


對比表3和表4，可以看出，經(jīng)過改造之后，在得到60℃的熱水時(shí)，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(zhì)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(jīng)濟(jì)性分析

咸陽某紡織廠，職工1086人，每人平均每天在廠內(nèi)洗浴0.5次，每次洗浴大約20分鐘左右，洗浴用水溫度40℃。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，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(yīng)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(jù)西安物價(jià)局給出的數(shù)據(jù)，此種煤的標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格為530元/噸。具體數(shù)據(jù)見表5。

由表5知，該紡織廠每年用于員工洗澡燃煤的費(fèi)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(jù)熱平衡方程可以計(jì)算得出：混合后總共可以得到40℃的熱水165.86t。因此，一個(gè)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(shè)備使用。綜上得，經(jīng)過改造之后，每年可以為該紡織廠節(jié)省8.03萬元的支出。

5投資預(yù)算

具體投資見表6。


由表6可以得出：總共的設(shè)備投資為4.75萬元，而每年可以節(jié)約購買煤的費(fèi)用8.03萬元，回收期為8個(gè)月，收益很可觀。而且，杜絕了燒煤產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物質(zhì)，減少了對大氣環(huán)境的污染。

結(jié)束語

紡織廠空壓機(jī)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(chǎn)生的大量廢熱排出，造成熱量的浪費(fèi)。經(jīng)過改造后，不僅為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，而且還帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。改造系統(tǒng)需要投資4.75萬元，每年就可以為該紡織廠節(jié)約洗浴用水所需費(fèi)用8.03萬元，而且杜絕了燒煤產(chǎn)生的污染。由此看來，此方案的設(shè)計(jì)不僅簡單可行，更重要的是達(dá)到了合理高效的節(jié)能減排，此方案還可以應(yīng)用在后冷卻器上，如果需要，可以節(jié)省更多的資源。

來源:壓縮機(jī)網(wǎng)  作者:鄧澤民