摘 要：采用空氣壓縮理論與實(shí)踐過(guò)程多變指數(shù)相結(jié)合的方法，探討不同環(huán)境溫度和兩級(jí)壓縮中間冷卻熱回收供水溫度對(duì)水冷無(wú)油空壓機(jī)熱回收的影響。研究結(jié)果表明，不同環(huán)境溫度影響空壓機(jī)排氣溫度，環(huán)境溫度越低，排氣溫度越低，熱回收熱量也越低，兩級(jí)壓縮中間冷卻熱回收供水溫度越低，能量回收效率越高。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；熱回收；環(huán)境溫度；壓縮比；多變指數(shù)

中圖分類號(hào)：TH455" " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）10-0126-03

0 引言

空氣壓縮機(jī)工作原理是從外界吸入空氣并將其壓縮為高壓空氣，在此過(guò)程中，電能通過(guò)空氣內(nèi)能的變化轉(zhuǎn)化為熱能。研究數(shù)據(jù)表明，近八成的電能都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。這些熱能通常會(huì)通過(guò)排風(fēng)扇散發(fā)到空氣中，或者通過(guò)冷循環(huán)系統(tǒng)帶走。然而，如果能通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將這些廢熱回收利用，將會(huì)真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保目標(biāo)。部分項(xiàng)目?jī)H僅是為了回收而回收，沒(méi)有考慮到環(huán)境溫度對(duì)回收水溫穩(wěn)定性的影響，也沒(méi)有考慮到回收要求的水溫對(duì)空壓機(jī)的影響。這種情況導(dǎo)致了空壓系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，或者熱回收系統(tǒng)的節(jié)能效果與預(yù)期大相徑庭。

基于此，本文以水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)為研究對(duì)象，深入探討環(huán)境溫度對(duì)空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)供水溫度的影響，以及熱回收系統(tǒng)供水溫度對(duì)空壓機(jī)的影響，以期為相關(guān)領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

1 無(wú)油螺桿空壓機(jī)熱回收工作原理

螺桿空壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是設(shè)置在機(jī)體中一對(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子，陽(yáng)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接，由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣的3個(gè)過(guò)程。為了保證空壓機(jī)正常運(yùn)行，空壓設(shè)備排氣溫度不能太高，否則含油空壓機(jī)排氣溫度過(guò)高，會(huì)使?jié)櫥驼扯冉档图皾?rùn)滑性能惡化。因排氣溫度高，潤(rùn)滑油中輕質(zhì)餾分容易揮發(fā)、裂解，并形成積炭現(xiàn)象。實(shí)踐證明，積炭和排氣溫度有關(guān)，溫度在180～210℃時(shí)積炭最嚴(yán)重。無(wú)油空壓機(jī)排氣溫度過(guò)高，會(huì)使充填氟塑料活塞環(huán)變形或者迷宮密封熱膨脹與變形，無(wú)油螺桿空壓機(jī)排氣溫度一般為160℃[1]。無(wú)油螺桿空壓機(jī)壓縮過(guò)程中沒(méi)有液體內(nèi)冷卻和潤(rùn)滑，在壓縮腔與軸承、齒輪之間設(shè)有可靠的隔離軸封。

水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)利用冷卻水對(duì)螺桿機(jī)空腔外表面和排出壓縮空氣進(jìn)行冷卻，從而使排氣溫度降低。根據(jù)對(duì)排出空氣的位置，水氣熱交換的設(shè)備分別稱為中間冷卻器和后冷卻器。中間冷卻器是設(shè)置在多級(jí)壓縮機(jī)之間，用來(lái)中間冷卻的設(shè)備。后冷卻器是設(shè)置在壓縮機(jī)最后，用來(lái)冷卻最終排氣的設(shè)備。熱回收就是回收中間冷卻器或者后冷卻器中壓縮空氣釋放的熱量。

為了定性分析，介紹理想氣體壓縮過(guò)程常用的計(jì)算公式及圖表。壓縮過(guò)程所涉及的公式如式（1）（2）所示[2]。

（1）

（2）

式中：T1為吸氣溫度，單位為K；T2為排氣溫度，單位為K；P1為吸氣絕對(duì)壓力，單位為Pa；P2為排氣絕對(duì)壓力，單位為Pa；n為壓縮過(guò)程多變指數(shù)； W為壓縮過(guò)程輸入的技術(shù)功，本壓縮過(guò)程等于軸功，單位為J/Kg；R為空氣的氣體常數(shù)。理想氣體一級(jí)壓縮指示圖如圖1所示。

熱回收空氣冷卻器接管原理圖如圖2所示，左側(cè)空氣冷卻器是空壓機(jī)內(nèi)部自帶設(shè)備，不對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行改造；右側(cè)為常用的熱水熱回收裝置，通過(guò)檢測(cè)熱水出水管溫度來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)水管比例積分閥門(mén)的開(kāi)度，當(dāng)檢測(cè)出水溫度大于設(shè)定值時(shí)候，開(kāi)大調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，當(dāng)檢測(cè)出水溫度小于設(shè)定值，關(guān)小進(jìn)水管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供水溫度。根據(jù)英格索蘭空壓機(jī)廠家反饋，在不改造空壓機(jī)冷卻器的前提下，空氣高溫溫度與熱回收供水溫度溫差要在10℃以上，這個(gè)溫差在工程實(shí)踐中是比較合理的。

2 不同環(huán)境溫度對(duì)空壓機(jī)排氣溫度影響

水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)對(duì)于所處的環(huán)境是敏感的，然而很多項(xiàng)目總是忽視環(huán)境對(duì)空壓機(jī)的影響，導(dǎo)致熱回收系統(tǒng)供水溫度不穩(wěn)定，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)空壓設(shè)備廠家反饋，由于空壓機(jī)壓縮過(guò)程外表面設(shè)置了缸套水冷卻，無(wú)油螺桿空壓機(jī)多變指數(shù)一般為1.20，該指數(shù)在項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中印證，排氣溫度貼近實(shí)際，是比較可靠的。

對(duì)理想氣體多變壓縮過(guò)程進(jìn)行定性分析，分析不同環(huán)境溫度對(duì)空壓機(jī)排氣溫度的影響，其計(jì)算結(jié)果列表如表1所示。

根據(jù)表1可知，在一定的壓縮過(guò)程，一定的壓縮比，空壓機(jī)排氣溫度是隨著環(huán)境溫度變大而變大的。當(dāng)環(huán)境溫度為-20℃，排氣溫度僅為92℃，一般工業(yè)廠房常用工藝熱水溫度在40～95℃，如果該環(huán)境要求空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)供水溫度要穩(wěn)定達(dá)到95℃以上，基本是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。如果為了進(jìn)行排氣熱回收，采用對(duì)環(huán)境加熱，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)排氣溫度的提高，從而得到可以回收的排氣溫度，這樣的做法提高了系統(tǒng)前期的投入，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，熱回收系統(tǒng)就不一定是節(jié)能的了。

3 兩級(jí)壓縮中間冷卻熱回收溫度對(duì)空壓機(jī)的影響

水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)熱回收就是在不進(jìn)行空壓機(jī)改造的前提下，利用了原有空壓機(jī)內(nèi)置冷卻器來(lái)進(jìn)行熱回收，熱回收水路就是空壓機(jī)冷卻水路，熱回收系統(tǒng)供水溫度對(duì)空壓機(jī)的影響就是冷卻水出水溫度對(duì)空壓機(jī)的影響。一級(jí)水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa（abs），排氣壓力為0.9 MPa（abs），多變指數(shù)n為1.20，這時(shí)候排氣溫度為150℃，此時(shí)回收水溫80℃是可行的。

隨著空壓設(shè)備技術(shù)在進(jìn)步，市面大用氣量螺桿空壓機(jī)基本都是雙級(jí)甚至多級(jí)螺桿空壓機(jī)。隨著對(duì)壓縮空氣壓力露點(diǎn)要求的不斷提高，各種干燥設(shè)備的不斷出現(xiàn)，使得空壓系統(tǒng)余熱利用可以有更多的選擇。例如一般工業(yè)廠房項(xiàng)目，壓力漏點(diǎn)為-40℃，采用水冷無(wú)油雙級(jí)螺桿空壓機(jī)+壓縮熱再生吸附干燥機(jī)的形式供氣；水冷無(wú)油雙級(jí)螺桿空壓機(jī)的中間冷卻用來(lái)做熱回收工藝熱水，取消后冷卻器，利用高溫壓縮空氣對(duì)壓縮熱再生吸附干燥機(jī)再生罐加熱再生；這種中間冷卻熱回收系統(tǒng)供水溫度的確定既要考慮一級(jí)壓縮排氣溫度，也要考慮中間熱回收后排氣溫度對(duì)第二級(jí)壓縮的影響。

當(dāng)環(huán)境溫度為20℃，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa（abs），一級(jí)壓縮排氣壓力為0.3 MPa（abs），多變指數(shù)n為1.20，這時(shí)候排氣溫度為79℃，此時(shí)工藝設(shè)備要求回收系統(tǒng)供水溫50℃，實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證是可行的。但是如果工藝設(shè)備要求回收系統(tǒng)供水溫度80℃及以上，該系統(tǒng)是不能實(shí)現(xiàn)的。一級(jí)壓縮后中間冷卻空氣的溫度，會(huì)影響第二級(jí)壓縮系統(tǒng)的功耗，根據(jù)公式（2）可知，當(dāng)壓縮起點(diǎn)壓力和壓縮終了壓力不變，多變指數(shù)不變，壓縮機(jī)做功跟起點(diǎn)溫度成正比，一級(jí)壓縮冷卻后溫度越高，二級(jí)壓縮進(jìn)氣溫度就越大，壓縮機(jī)耗功就越大。根據(jù)廠家提供資料，在不對(duì)水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)進(jìn)行改造時(shí)，排氣溫度需要高于熱回收供水溫度10℃以上。一級(jí)壓縮中間冷卻熱回收，排氣溫度為79℃，排氣冷卻溫度為59℃，熱回收供水溫度為60℃，熱回收的能量占一級(jí)壓縮功耗的比例為33.8%。一級(jí)壓縮中間冷卻熱回收，排氣溫度為79℃，排氣冷卻后溫度為49℃，熱回收供水溫度為50℃，熱回收的能量占一級(jí)壓縮功耗的比例為50.8%，根據(jù)研究可知，熱回收供水溫度越低，能量回收效率越高。

4 結(jié)束語(yǔ)

一般工業(yè)廠房水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)用壓縮空氣系統(tǒng)，壓縮比在9.0左右，工藝要求熱回收系統(tǒng)供水溫度40～95℃，是能夠?qū)崿F(xiàn)熱回收系統(tǒng)的。但是需要關(guān)注項(xiàng)目地點(diǎn)對(duì)環(huán)境溫度對(duì)熱回收系統(tǒng)的影響，環(huán)境溫度越低，壓縮空氣排氣溫度越低，熱回收系統(tǒng)供水溫度不變的情況下，能夠回收的熱量就越少。當(dāng)采用兩級(jí)壓縮水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)和壓縮熱再生吸附干燥機(jī)組成的節(jié)能系統(tǒng)，一級(jí)壓縮比為3.0，壓縮比減少，中間冷卻熱回收系統(tǒng)供水溫度就會(huì)降低，熱回收系統(tǒng)供水溫度越低，熱回收系統(tǒng)回收效率就越高，二級(jí)壓縮功耗就會(huì)越低。

參考文獻(xiàn)

[1] 全國(guó)勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)工程師公用設(shè)備專業(yè)管理委員會(huì)秘書(shū)處.全國(guó)勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)公用設(shè)備工程師動(dòng)力專業(yè)執(zhí)業(yè)職格考試教材[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[2] 譚羽非，吳家正，朱彤.工程熱力學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.