空压机100课之040：空气压缩机余热回收系统

上一课：空压机100课之039：《压缩空气站设计规范》详解

在大多数生产型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10%～35%，如何降低能耗是当前和未来的持续追求。降低压缩空气系统的能耗除了不断提高压缩空气系统的能源转换效率，另一重要途径就是能量回收。对于空气压缩机而言，切实可行的方案是空气压缩机的余热回收技术。

空气压缩机在压缩过程中会产生大量的压缩热。有资料认为，压缩热消耗的能量约占机组输入功率的85%以上。而这其中大部分热量是有害的“废热”，不得不想尽办法释放掉，否则可能引起电机高温及排气高温。不仅影响到空压机的使用寿命，更影响压缩空气的质量。通常这部分能量通过机组的风冷却或水冷却系统释放到大气当中。所以空气压缩机的余热回收是提升压缩空气系统能源效率，提高客户生产力的必要手段。

以下介绍了几种典型的空气压缩机余热回收系统，包括喷油螺杆空气压缩机、无油螺杆空气压缩机、离心式空气压缩机，并单独分析了水冷式空气压缩机。使得各种常用的动力用空气压缩机组都有适合其的余热回收系统。可为有关单位和工程技术人员在进行空气压缩机余热回收项目时提供参考。

1、空压机热量系统分析

以喷油螺杆空气压缩机为例，压缩机实际压缩过程所做的功处于等温压缩与绝热压缩过程之间，而随着压缩空气最终温度的提高，压缩所消耗的功越来越多。为尽量降低压缩空气的温度，向工作腔内喷入润滑油以对压缩空气进行冷却，改善工作条件和压缩效果。压缩后的油气混合物进入油气分离器进行分离，分离出的高温润滑油经油冷却器冷却后重新进入工作腔循环使用，而分离出的压缩空气进入后冷却器进行降温冷凝，并排出冷凝水，达到使用要求的压缩空气将被储存起来备用。

通过对相关文献及实际工作空压机的实验得知，对空压机实际余热回收的效果有重要影响的参数主要有以下几点：

（1）空压机的排气温度，温度越高，空压机余热利用效果越差。

（2）润滑油的喷油量，喷油量越大，换热温差越大，效果越好。

（3）空压机润滑油的喷入温度，喷入温度影响了空压机压缩效果以及换热效果，同时，受喷油量和油冷却器的影响。

空压机各部分的热量：空压机电动机所消耗的热量占输入功率的5.2%，主要由空压机电动机的效率所决定；空压机可与外界空气进行自然对流的表面所散发的总热量占比为1.44%，其中空气压缩机的后冷却器表面散发热量占比大概为0.30%，由压缩空气前后温度便可知引起的热量转移占比约为5.5%；后冷却器内水蒸气冷凝放热量占比为4.17%；后冷却器冷却带走压缩空气的热量占比约为17.66%；最大散热量发生在空压机内，由润滑油循环系统带走，占比约为70.20%。列出喷油螺杆空压机在运行时各运行设备消耗热量占比分布如表90-1。

表90-1 空压机可利用热量分布占比表

通过对空压机实际热量分布和占比进行分析，可以看出，空气压缩机机可进行余热回收的热量大部分位于空压机油冷却部分。同时也要特别注意，在追求余热回收效果时，必须保证空压机的正常运行，不能本末倒置。

2、几种典型的空气压缩机余热回收系统

（1）喷油螺杆空压机余热回收

①喷油螺杆空压机余热回收原理

喷油螺杆空气压缩机，经过压缩形成的高温高压油气混合物在油气分离器中被分离，通过对油气分离器出油管路进行改造，将高温油引入一热交换器，热交换器旁通阀实时对进入热交换器和旁通管的油量进行分配，从而保证回油温度不低于空压机回油保护温度，热交换器水侧的冷水与高温油进行热交换，被加热后的热水可以用于生活热水、空调采暖、锅炉进水预热、工艺用热水等。

a) 一次换热余热回收

喷油螺杆空压机的余热回收系统形式较多，下面列举两种最常见的系统。

喷油螺杆空压机的一次换热系统流程图

由上图可见，保温水箱中的冷水通过循环水泵直接与空压机内部的能量回收装置进行换热，然后回到保温水箱。此种系统的特点是设备少，换热效率高，但必须注意的是，需要选择材质较好的能量回收装置，且需定期清洗，否则容易由于高温结垢而引起堵塞或者换热装置发生泄漏污染应用端。

b)二次换热余热回收

喷油螺杆空压机的二次换热系统流程图

由上图可见，此系统进行两次换热，与能量回收装置换热的一次侧系统为闭式系统，二次侧系统可以为开式系统，也可以为闭式系统。一次侧的闭式系统，采用纯水或蒸馏水循环，可以减少由于水结垢对能量回收装置造成的损坏。万一换热器损坏，应用端的加热介质不会被污染。

②喷油螺杆空压机加装热能回收装置的优点

喷油螺杆空压机安装了热能回收装置之后，会有如下好处：

a)停止空压机自身的冷却风机或减少风机的运行时间。热能回收装置要用到循环水泵，水泵电机要消耗一定量的电能，但是在空压机主机的排气口温度未达到80～95℃时（可以在这个范围内进行设定），空压机自身冷却风机是不工作的，这个风机的功率一般要比循环水泵的功率大4～6 倍。另外，因为油温可以得到很好的控制，所以机房的排风扇就可以少开或完全不开，这又是另一个节能点。

b)将余热转换为热水，不需要任何额外能耗。

c)增加空压机的排气量。由于空压机的运行温度可以被回收装置有效地控制在80℃～95℃的范围内，机油的浓度可以保持较好，空压机的排气量就会增加，增加量为2%～6%，这一点也相当于节约了能源。这对夏季运行的空压机尤为重要，因为一般到了夏季，环境温度较高，油温往往可升至100℃左右，机油变稀，气密性变差，排气量就要减少。因此热能回收装置在夏季更能彰显出它的优势。

（2）无油螺杆空压机余热回收

无油螺杆空压机相对于喷油螺杆空压机，更具有余热回收的潜能。由于没有油的冷却作用，使得压缩过程更偏离等温压缩，而导致大部分的功率转化成压缩空气的压缩热，这也是导致无油螺杆空压机排气温度过高的原因。将这一部分热能回收，用于用户的工业用水、预热器和浴室用水等，将会大大降低工程的能源消耗，从而实现低碳和环保。

表90-2无油螺杆空气压缩机热量分布占比表

无油螺杆空压机的能量回收空压机内部流程图

由上图所示，冷水依次经过油冷却器，高压压缩系统，低压压缩系统，中间冷却器以及后冷却器进行换热。

（3）离心式空压机余热回收

对于每台离心空气压缩机，为了达到设计需要的压力，都设有不同数量的级数和段数，甚至有几个缸体组成。常见的是三级压缩，一二级压缩空气由于受到出口温度和压力的影响，不宜进行余热回收，一般对第三级压缩空气进行余热回收，需要增加一个空气后冷却器。

如上图所示，在用热端不需要用热的时候，对压缩空气进行冷却，不影响系统的运行。

（4）水冷式空压机的另外一种余热回收途径

对于水冷式喷油螺杆机、无油螺杆机、离心机等空压机而言，除了对其内部结构改造进行余热回收以外，还可以不改动其本体结构，直接对冷却水管路进行改造实现余热回收。

利用水源热泵进行能量提升的空压机余热回收简图

由上图可见，通过在空压机冷却水出水管路上加装二次泵把冷却水引入水源热泵主机，主机蒸发器进口的温度传感器对电动三通调节阀实时进行调节，控制蒸发器的进口温度在某一设定值，通过水源热泵机组就可以制取50～55℃的热水供生活、生产工艺用。

如果没有高温热水需求，还可以在空压机循环冷却水路中串联一个板式换热器，高温冷却水与来自软水箱的软水进行换热，既降低了内部水温，又提高了外部水温。被加热的水在蓄热水箱处储存，然后再输送到热 ，用到需要低温热源之处，如下图所示。

当冷却水热量被利用后，水冷却器的负荷大大降低，甚至不再需要冷却塔。但为了保证系统运行安全可靠，一般仍会保留冷却塔，只是在冷却塔的入口和出口管道上加装了处于常闭状态的控制阀门。控制阀门采用温度控制，一旦废热回收系统出现故障后，内部水温上升到限定温度，则阀门打开，使原有的冷却塔降温系统投入使用，确保了空压机能可靠冷却。