劉權(quán)，馬旭，宋印東，郭斌

（1.舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江 舟山 316131；2.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

現(xiàn)在部分企業(yè)普遍采用空壓機(jī)作為生產(chǎn)動(dòng)力，用于工業(yè)控制動(dòng)力、大型船用柴油機(jī)的起動(dòng)和儀表控制及自動(dòng)化裝置等方面。但伴隨著空壓機(jī)普及而來的是其能源的消耗與浪費(fèi)，這成為桎梏空壓機(jī)推廣的主要原因。因此，在空壓機(jī)的運(yùn)行過程研究中，回收熱量、減少能源消耗與浪費(fèi)成為空壓機(jī)工程運(yùn)用的重中之重。目前，國內(nèi)外學(xué)者與工程技術(shù)人員對(duì)空壓站進(jìn)行了技術(shù)改造，從理論與實(shí)踐上取得了支撐與效益。

廣州市能源檢測(cè)研究院張金寶提出了汽車輪轂制造業(yè)的空壓機(jī)余熱回收利用方案，并對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、技術(shù)、設(shè)備以及其節(jié)能效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為汽車輪轂制造業(yè)節(jié)能減排提供了優(yōu)化措施。中電投東北電力有限公司申曉光等人采用余熱利用技術(shù)，合理利用空壓機(jī)余熱，根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行工況，對(duì)余熱回收量及空壓機(jī)全年所制熱水量進(jìn)行了計(jì)算分析。周關(guān)福翻譯了William McCray發(fā)表的一篇空壓機(jī)的預(yù)熱循環(huán)利用的文章，分析了某款空壓機(jī)理論可回收預(yù)熱量。熊寵民翻譯了ATLAS COPCO發(fā)表在《Canadian Mining Journal》上的一篇介紹空壓機(jī)余熱回收方法的文章，并設(shè)計(jì)了一種水冷無油空壓機(jī)的熱回收設(shè)備。

本文指出了余熱回收在空壓機(jī)上運(yùn)用的理論性，敘述了空氣壓縮機(jī)余熱利用的方法以及設(shè)備組成。對(duì)空氣站各個(gè)組成部分的可利用熱量進(jìn)行計(jì)算分析，在理論上計(jì)算出空壓站的理論可利用熱量的比例，分析出影響可回收熱量的因素，如排氣溫度、噴油溫度及潤滑油循環(huán)量等。最后，考慮到空壓站的型號(hào)，應(yīng)用環(huán)境；并且設(shè)計(jì)了板式換熱器來加熱自來水，用于員工的生活用水，并通過計(jì)算熱量與壓降校核換熱器的設(shè)計(jì)合理性。

1 空壓機(jī)熱量系統(tǒng)分析

本文采用的噴油螺桿空壓機(jī)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿嚙合旋轉(zhuǎn)，利用壓差將空氣吸入工作腔中進(jìn)行壓縮。同時(shí)，潤滑油噴入工作腔內(nèi)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行冷卻，以改善工作條件和壓縮效果。壓縮后的油氣混合物進(jìn)入油氣分離器進(jìn)行分離，分離出的高溫潤滑油經(jīng)油冷卻器冷卻后重新進(jìn)入工作腔循環(huán)使用，而分離出的壓縮空氣進(jìn)入后冷卻器進(jìn)行降溫冷凝，并排出冷凝水，達(dá)到使用要求的壓縮空氣將被儲(chǔ)存起來備用。

1.1 噴油空壓機(jī)熱力學(xué)原理

實(shí)際空壓機(jī)壓縮過程所做的功處于等溫壓縮與絕熱壓縮過程中間，而隨著壓縮空氣最終溫度的提高，壓縮所消耗的功越來越多。由此可見，在空壓機(jī)做功時(shí)，應(yīng)盡量降低壓縮空氣的溫度。這也是空壓機(jī)將潤滑油噴向工作腔的重要原因。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際工作空壓機(jī)的實(shí)驗(yàn)得知，對(duì)空壓機(jī)實(shí)際余熱回收的效果有重要影響的參數(shù)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）空壓機(jī)的排氣溫度，溫度越高，空壓機(jī)余熱利用效果越差。

（2）潤滑油的噴油量，噴油量越大，換熱溫差越大，效果越好。

（3）空壓機(jī)潤滑油的噴入溫度，噴入溫度影響了空壓機(jī)壓縮效果，以及換熱效果，同時(shí)，受噴油量和油冷卻器的影響。

1.2 空壓機(jī)工作熱量分析

圖1 水冷噴油螺桿空壓機(jī)組的熱量分布示意

根據(jù)文獻(xiàn)[7]空壓機(jī)工作熱量的計(jì)算方法進(jìn)行分析。對(duì)于不同型號(hào)、不同類型的噴油螺桿空壓機(jī)，其各組成設(shè)備的可利用熱量的占比不盡相同。本文采用水冷的方式進(jìn)行余熱利用?，F(xiàn)在，對(duì)其進(jìn)行熱量分析，空壓機(jī)內(nèi)部產(chǎn)熱有：電機(jī)發(fā)熱所產(chǎn)生的對(duì)流散熱量Qdj，，空壓機(jī)外表面散去熱量Qzj，潤滑油和管路散去的熱量Qyf，油冷卻器和外界交換的熱量Qyl，后冷卻器與外界交換的熱量Qhl，壓縮空氣溫度差引起的熱量Qkq，油冷卻散熱量Qys，后冷卻空氣的散熱消耗量Qqs，冷凝水的散熱量Qds。在這幾部分散熱中可分為兩種，即冷凝水的熱量差和可利用的熱量，它主要包括油冷卻散熱量、后冷卻器散熱量。

由圖1可以看出，空壓機(jī)的熱量總體分布，其中空氣的質(zhì)量流量可以表示為qm，所需計(jì)算的空氣狀態(tài)參數(shù)分別設(shè)在空壓機(jī)進(jìn)口處、油氣分離器出口處以及后冷卻器出口處。三處分別在圖中表示出。而總的能量WR=與各處熱量相等，其數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

空氣壓縮機(jī)內(nèi)部各設(shè)備的表面與環(huán)境的對(duì)流散熱量可由對(duì)流換熱計(jì)算公式計(jì)算出：

其中，Q為各表面換熱量，kW；α表示的是表面對(duì)流換熱系數(shù)，kW/（m2·K）；F是表面換熱面積，m2；Δtm則為平均換熱溫差，℃。

從外界吸入經(jīng)空壓機(jī)的空氣并非干空氣，而空氣含濕量在空壓機(jī)各個(gè)部分的數(shù)值不同，其計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，d為空氣含濕量，kg/kg，φ為當(dāng)?shù)乜諝獾南鄬?duì)濕度，%；ps代表飽和蒸汽壓力，hPa；p為當(dāng)?shù)乜諝獾慕^對(duì)壓力，hPa。

濕空氣的焓值的計(jì)算公式：

其中，h代表空氣焓值的大小，kJ/kJ；t表示濕空氣的溫度用。

在壓縮空氣冷凝器中，空氣中水蒸氣冷凝成液態(tài)水，則釋放的熱量表達(dá)式為：

其中，Qds為水蒸氣冷凝潛熱量；qm為干空氣的質(zhì)量流量，kJ/s；γ則為飽和水的汽化潛熱，取2407kJ/kg。下標(biāo)1、3則代表圖1、3兩點(diǎn)的空氣狀態(tài)參數(shù)。

從進(jìn)入空壓機(jī)到排除空壓機(jī)，到達(dá)油氣冷卻器之前的這部分壓縮過程，空氣溫度上升，內(nèi)能增加，增加熱量即為空氣帶走的熱量，計(jì)算表達(dá)式為：

壓縮空氣隨后進(jìn)入后冷卻器，再后冷卻器內(nèi)降溫，則氣體散熱量的計(jì)算公式可表達(dá)為：

然后，可由平衡關(guān)系式計(jì)算出潤滑油冷卻器消散掉的熱量：

最后，就可以將理論上可以加以利用的三部分熱量相加計(jì)算出其值：

將計(jì)算所得的數(shù)值與輸入功率相比，即可獲得可以用熱量占比，以及各部分設(shè)備熱量占比，這樣可針對(duì)空壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，了解其各部分消耗的熱量的可利用性。

1.3 實(shí)例分析

本文選定某一特定運(yùn)行的空壓機(jī)，確定了此空壓機(jī)站的型號(hào)和運(yùn)行參數(shù)，測(cè)量運(yùn)行參數(shù)，對(duì)此空壓機(jī)進(jìn)行實(shí)際熱量計(jì)算，并計(jì)算各部分熱量占比。本文前一節(jié)已經(jīng)列出計(jì)算所需的基本相關(guān)參數(shù)和計(jì)算熱力狀態(tài)的計(jì)算公式，根據(jù)這些公式可進(jìn)行具體實(shí)例分析。

現(xiàn)有一臺(tái)在役的噴油螺桿空壓機(jī)，功率為315kW，產(chǎn)氣量60m3/min，空壓機(jī)吸入的空氣溫度為環(huán)境溫度，可設(shè)為25.5℃，空氣相對(duì)濕度設(shè)置為41%，進(jìn)氣壓力一般為大氣壓，100kPa。最后，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離器時(shí)溫度為80℃，通過后冷卻器后溫度為43℃。除去空氣中水蒸氣后，空壓機(jī)各部分設(shè)備的對(duì)流散熱表面積分別為：空壓機(jī)主機(jī)表面積測(cè)得為3.5m2，潤滑油各部分管路表面積為3.5m2，空壓機(jī)后冷卻器和油冷卻器的表面積各自約為2.5m2。測(cè)得各表面的溫度為60℃，自然對(duì)流的對(duì)流換熱系數(shù)一般可設(shè)為8W/(m2·℃)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)名牌可知其輸出效率為。

通過計(jì)算可以得到空壓機(jī)各部分熱量估算結(jié)果，空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)所消耗的熱量占輸入功率的5.2%，主要由空壓機(jī)內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的效率所決定；空壓機(jī)可與外界空氣進(jìn)行自然對(duì)流的表面所散發(fā)的總熱量占比為1.44%，其中空氣壓縮機(jī)的后冷卻其表面散發(fā)熱量占比大概為0.30%，由壓縮空氣前后溫度便可知引起的熱量轉(zhuǎn)移占比約為5.5%；后冷卻器內(nèi)水蒸氣冷凝放熱量占比為4.17%；后冷卻器冷卻帶走壓縮空氣的熱量占比約為17.66%；最大散熱量發(fā)生在空壓機(jī)內(nèi)，由潤滑油循環(huán)系統(tǒng)帶走，占比約為70.20%，這樣，可以列出此空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)各運(yùn)行設(shè)備消耗熱量占比分布表如表1。

表1 空壓機(jī)可利用熱量分布占比表

通過對(duì)空壓機(jī)實(shí)際熱量分布和占比進(jìn)行分析，可以看出，空壓機(jī)可進(jìn)行余熱回收的熱量大部分位于空壓機(jī)油冷卻部分。同時(shí)，也要考慮到，在進(jìn)行余熱回收效果盡量好時(shí)，必須保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行，不能本末倒置，得不償失。在空壓機(jī)余熱利用方向上，可以利用其低品質(zhì)熱量加熱生產(chǎn)設(shè)備，如水的預(yù)熱、油的加熱、除濕機(jī)吸附劑再生等。本文著重對(duì)余熱回收器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 余熱回收換熱器分析

根據(jù)前文介紹，一般空壓機(jī)余熱可回收利用的熱量占比很高，但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，余熱回收利用量的比例又相對(duì)減少，其原因也在上文有所總結(jié)，尤其是余熱利用設(shè)計(jì)的效率對(duì)其有很大影響。本文著重對(duì)空壓機(jī)油冷卻器部分的可利用熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)利用，換熱器對(duì)于余熱的回收主要體現(xiàn)在自來水對(duì)潤滑油的冷卻，水溫度提升，就可以作為企業(yè)員工的生活用水，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2.1 換熱器選擇與結(jié)構(gòu)

目前，應(yīng)用于工程中的換熱器有很多種類型，有管殼式、板式、蓄熱式、管翅式換熱器等，本文采用可拆卸板式換熱器。該類型換熱器有許多金屬箔板組成的并列流動(dòng)空間，冷熱流體分別在相鄰的通道流動(dòng)，互不直接接觸。在換熱器工作時(shí)，相鄰的換熱片組成流動(dòng)通道，相鄰板片相反180°安裝，并且半片接觸邊緣安裝密封墊片防止冷熱流體泄漏。

通常來說，可拆卸的板式換熱器一般由換熱片、密封片、固定用的壓緊板以及上下導(dǎo)桿等組成，流體在換熱器中流動(dòng)，可有多個(gè)流程，每個(gè)流程又可設(shè)置多個(gè)通道，已達(dá)到多次換熱并減小換熱器體積與阻力的目的。大部分換熱器會(huì)將冷熱流體布置成逆流，以增加對(duì)流傳熱溫差，同時(shí)，減小換熱面積。

2.2 換熱板片類型與選擇

換熱片并列豎直排在換熱器中，承擔(dān)著冷熱流體換熱的作用。一般來說，換熱片兩側(cè)有波紋狀結(jié)構(gòu)，可以增大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。又根據(jù)波紋傾斜度分為兩個(gè)形式，分別命名為L型和H型。

H型的波紋板傾斜度較小，人字角β取60°，換熱效果好，但流動(dòng)阻力較大。L型換熱板波紋傾斜度大，人字角β取30°。凹槽沿著液體主流方向，流動(dòng)阻力小，換熱系數(shù)小一些。實(shí)際換熱器換熱板的選取取決于使用環(huán)境或者流體性質(zhì)等，也有部分換熱器將此兩種換熱板混合使用，達(dá)到更好的換熱效果。

2.3 換熱器流程組合數(shù)

在實(shí)際的板式換熱器結(jié)構(gòu)上，并非是冷熱流體通過一次逆流換熱即可完成的，可以多次多個(gè)通道并列換熱，這種多流程多通道的換熱排列方式叫作流程組合。這樣冷熱流體換熱效率高，節(jié)省換熱面積，并且很好地考慮了流體的物性參數(shù)對(duì)換熱過程的影響。

在板式換熱器實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般遵循流程數(shù)較少的準(zhǔn)則，并使冷熱流體逆向流動(dòng)布置。串聯(lián)的流程數(shù)較多，造成的流動(dòng)阻力大，而且冷熱流體會(huì)有順流現(xiàn)象。而并聯(lián)布置的換熱器流程數(shù)小，液體流動(dòng)速度小，但流動(dòng)阻力較小。混合流動(dòng)的布置是將串并聯(lián)布置結(jié)合起來，流速提高換熱效果也好，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。一般而言，當(dāng)對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后，需要進(jìn)行校核計(jì)算，其中壓降阻力校核是重點(diǎn)。如果換熱器阻力符合所設(shè)計(jì)類型的要求，則視為合格，負(fù)責(zé)需對(duì)換熱器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)直至滿足一定的限定值，一般不超過2MPa。

2.4 板式換熱器實(shí)例設(shè)計(jì)計(jì)算

本節(jié)仍以前文噴油螺桿空壓機(jī)的工作參數(shù)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。此臺(tái)在役的噴油螺桿空壓機(jī)工作的具體工況見本文1.3節(jié)實(shí)例計(jì)算部分。

2.4.1 換熱器進(jìn)出口溫度設(shè)置

本次換熱器設(shè)計(jì)，以這臺(tái)空壓機(jī)潤滑油所形成的溫差為熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)利用。

在對(duì)空壓機(jī)熱量分析后，可知，潤滑油在換熱器進(jìn)口出的溫度為80℃。對(duì)于一般的潤滑油，若其在空壓機(jī)內(nèi)的噴油溫度過高，則會(huì)因潤滑油品質(zhì)問題，導(dǎo)致潤滑油在工作腔內(nèi)發(fā)生碳化問題，嚴(yán)重時(shí)影響空壓機(jī)的正常運(yùn)行，所以一般而言，潤滑油在空壓機(jī)的噴油溫度限定在40～70℃，不宜過高，本文設(shè)其溫度為50℃，此溫度也是潤滑油在板式換熱器的出口溫度。在本文空壓站余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，余熱回收的利用設(shè)定在企業(yè)員工的生活用水，可用于洗浴熱水，故而板式換熱器的冷卻水出水溫度可設(shè)為50℃，且不宜過低，以便于在空壓機(jī)功率下降導(dǎo)致可利用余熱下降時(shí)有調(diào)節(jié)余地。對(duì)于換熱器冷卻水進(jìn)口處溫度可設(shè)為自來水平常溫度，但自來水一日之內(nèi)或四季溫度皆有變化，不是定值，故本文取夏季一天之內(nèi)的平均溫度，設(shè)為20℃。

2.4.2 換熱器流體參數(shù)計(jì)算

確定空壓機(jī)的軸功率，壓縮氣體質(zhì)量流量，進(jìn)出口溫度以及潤滑油進(jìn)出口溫度后，接下來就確定了氣體與潤滑油的各項(xiàng)物性參數(shù)，則可以由熱量平衡方程式計(jì)算出空壓機(jī)潤滑油的質(zhì)量流量，其計(jì)算方程為：

在方程式中，左邊P表示壓縮機(jī)的軸功率，kW；qmg代表壓縮空氣的質(zhì)量流量，kg/s；qmo表示潤滑油的質(zhì)量流量，kg/s；同理，cpg和cpo分別代表壓縮空氣和潤滑油的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；Tsg、Tso、Td分別表示壓縮空氣的進(jìn)氣溫度，潤滑油的噴油溫度以及二者的排除溫度，單位℃。

在上式各參數(shù)中，除了潤滑油質(zhì)量流量以外都已經(jīng)得出，查閱傳熱學(xué)書籍可得潤滑油和空氣的在各自平均溫度下的定壓比熱容分別為2.1kJ/（kg·K）和1.005kJ/(kg·K)，故可以求得潤滑油質(zhì)量流量為qmo=3.96 kg/s。同時(shí)，可以計(jì)算可以利用的熱量為：

潤滑油體積流量qvo=4.59×10-3m3/s；進(jìn)出口平均溫度t=65℃，物性參數(shù)分別為ρ1=863.13kg/m3，cp1=2.1kJ/（kg·K），λ1=0.138w/(m·k)，υ1=27.0×10-6m2/s，Pr1=367.7。同理，冷卻水進(jìn)出口平均溫度tm2=35℃，物性 參 數(shù) 分 別 為ρ2=993.78kg/m3，cp2=4.174kJ/(kg·K)，λ2=0.627w/(m·k)，υ2=0.725×10-6m2/s，Pr2=4.81。

一步算出可利用熱量為249.27kW，又知道冷卻水的溫差與定壓比熱容，故可以算得冷卻水的質(zhì)量流量qm2=1.99kg/s，體積流量qv2=2.00×10-3m3/s。

2.4.3 換熱片選擇及估算組合數(shù)

本文采用的換熱片由不銹鋼制成，人字角取為60°，單片有效換熱面積為As=0.21m2，板片厚度為0.8mm，當(dāng)量直徑de=7.6×10-3m，每個(gè)流道的橫截面面積A是7.19×10-4m2。

現(xiàn)有換熱器的換熱公式：

式中，h為換熱器的總傳熱系數(shù)，F(xiàn)為換熱器的換熱面積。一般而言，換熱器傳熱系數(shù)由換熱熱阻大的一側(cè)決定，即為潤滑油側(cè)換熱熱阻，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，板式換熱器油水換熱的總傳熱系數(shù)范圍為400～580W/(m2·K)，設(shè)定其為500W/(m2·K)?？倐鳠崃縌=249.27kW，△tm為30℃，故可以估算出總的換熱面積約為：

又As=0.21m2，則換熱板片數(shù)約為：

因此，取82片。

將換熱器冷熱流體流程數(shù)都設(shè)為3，且取二者每個(gè)流程的流道數(shù)相等，設(shè)為E1和E2。則有：

由此解得E1=E2=14，即每個(gè)流程有14個(gè)流道。

2.4.4 計(jì)算兩側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

通過公式依次計(jì)算出冷流體流速、雷諾數(shù)等數(shù)值，可根據(jù)努塞爾特?cái)?shù)公式計(jì)算出兩側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)。

冷熱流體流速：

冷熱流體雷諾數(shù)：

努塞爾特?cái)?shù)：流體冷卻n取0.3，流體加熱n取0.4。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

根據(jù)換熱板所處環(huán)境溫度，由文獻(xiàn)[10]查得，此材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=14W/(m2·K)，這樣可計(jì)算可出換熱板導(dǎo)熱熱阻為r2=σ/λ=0.0008/14=5.71×10-5m2·K/W。

通過文獻(xiàn)[11]中的換熱器無垢熱阻值參考表可以得知，城市飲用水無垢熱阻和潤滑油無垢熱阻值為：r1=9×10-6m2·K/W，r3=1.7×10-5m2·K/W。

計(jì)算總熱阻值為：

所以，總傳熱系數(shù)為：

與原先估算的500W/(m2·K)相差7.267%，取二者平均值，為h=513.16W/(m2·K)。

實(shí)際換熱量：

因此，有Q′＞Q，與所假設(shè)符合，故換熱器流程組合為：3×13/3×13。

2.4.5 計(jì)算壓降

在本文中需要對(duì)設(shè)計(jì)好的換熱設(shè)備要進(jìn)行壓降校核，校核換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)合理性。因此，本節(jié)分別計(jì)算出歐拉數(shù)、密度和流速等值，再計(jì)算壓降，并進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

壓降為：通過計(jì)算可知，壓降均在2MPa以下，因此，換熱器設(shè)計(jì)假設(shè)的流程和流道數(shù)符合要求，設(shè)計(jì)合格。

3 結(jié)語

本文對(duì)噴油螺桿空壓站的余熱進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)回收預(yù)熱的方法，利用換熱器對(duì)空壓站潤滑油冷卻以獲得熱水，供員工生活使用，且降低了壓縮空氣溫度，即減少油冷卻器的工作量。總結(jié)如下：

（1）對(duì)特定運(yùn)行的空壓機(jī)進(jìn)行熱量分析后發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)可利用熱量占比92%，而潤滑油可利用熱量占比70%，但由于換熱器效率或空壓機(jī)運(yùn)行狀況的影響，實(shí)際預(yù)熱回收效率要低于此值。

（2）在對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行預(yù)熱利用回收進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證潤滑油的溫降不會(huì)影響空壓機(jī)的正常運(yùn)行；設(shè)計(jì)好的換熱設(shè)備要進(jìn)行壓降校核，校核換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)合理性。