摘要：在纺织厂中，由于无油螺杆空压机制得的压缩空气洁净无油，因此被大量应用，但是高温压缩空气中大量余热通过冷却塔被排放到大气中，不仅造成了能源的极大浪费而且产生了废热污染大气。为此，提出合理的改造方案来回收这部分余热，对其可行性和经济性进行分析，并对中间冷却器进行改造设计。此设计方案是在原有中间冷却器的基础上进行的合理改造，只需要投资4.75万元，每年就可以为该纺织厂节约洗浴用水所需要的8.03万元燃煤费，而且杜绝了燃煤产生的污染物。该方案可为空气压缩机余热回收利用技术在纺织厂的应用提供参考。
关键词：中间冷却器 热回收 改造节能
引言
纺织厂中，空压机作为动力源，用于气动加压、气动输送、气动引纬等方面。空压机将电动机的部分机械能转化成空气的压力能，在此过程中，会产生大量的热能。美国能源局的一项统计显示：压缩机运行过程中真正用于增加空气势能而消耗的电量仅占其总电耗的15%，其余的几乎都转化为热量[1]。为了保证空压机的正常运行，这部分热量主要通过空气冷却或水冷却排到大气中去，这样造成了能源的极大浪费而且产生了废热污染大气。当前，纺织工业“十二五”发展规划要求加快绿色环保、资源循环利用及节能减排等先进适用技术和装备的研发和推广应用。组织实施节能、降耗、减排的共性、关键技术开发和产业化应用示范[2]。为了响应国家节能减排的方针政策，对西安某纺织厂空压站提出可行的方法和合理的方案，对热量进行回收利用，达到节能减排的目的，提出了一种纺织厂余热回收的方案。
无油螺杆空压机工作原理
目前，该纺织厂采用的是AtlasZR5-53型无油螺杆空压机。冷却方式采用的是水冷却，再利用冷却塔将水降温的方式将压缩空气产生的大量废热排出。在现有的空气冷却中，进入冷却器水的温度为18℃，出水温度为34℃，本研究方案可以在空气状态参数不变的情况下，制得60℃左右的热水，这部分水可以满足日常生活用水、空调用水以及浆锅的冲洗等所需热水要求。
无油螺杆空压机工作原理如图1，外界空气经过过滤器后进入一级压缩机进行压缩，空气温度急剧升高到186℃，压力增大，然后进入中间冷却器，经过冷却后，空气温度降低到54℃;再进入二级压缩机，再次被加压升温，然后进入后冷却器进行降温，最后制得需要的高压低温压缩空气。目前，该纺织厂无油螺杆空压机的中间冷却器和后冷却器都是采用管壳式换热器，高温高压空气走管程，经过冷却塔冷却的冷却水走的是壳程。
无油螺杆空压机中间冷却器的改造方案
目前，只对图1中虚线部分的中间冷却器进行分析改造。此次改造是把现用的中间冷却器换为符合出水温度要求的管壳式换热器，只是在换热面积上作出合理的改变，使通过中间冷却器的冷却水达到所需热水的温度要求。在未改造前，中间冷却器通入的是冷却塔的循环水;改造后，通入自来水，经过换热后，可以直接得到符合温度要求的生活热水。
在改造中间冷却器时，为了满足纺织厂工艺的需求，尽量减少压缩空气通过中间冷却器的压降，因此改造后的换热器只是略微增加了换热器的长度，对整个空压系统而言，换热器本身带来的气体压降非常小。因此，改造后，增加的阻力对压缩空气的影响是可以忽略不计的。
对于冷却水，改造后，直接把自来水通入到改造后的管壳式换热器，出水温度在60℃左右，这样就可以满足日常生活用水、空调用水以及浆锅的冲洗等的水温要求，根据纺织厂的具体需要，合理分配制得的热水。
可行性分析
1、中间冷却器换热量
改造前，对于中间冷却器，其进出空气温度及进出冷却水温度，如表1所示：
由于空气比热容是随温度变化的，所以，先计算出不同温度下的空气比热容值，在特定温度下空气的比热容如表2：
利用内差法得
对于该纺织厂采用的AtlasZR5-53型无油螺杆空压机，其铭牌参数是：气体温度为20℃;大气压力为0.1MPa；相对湿度为0%；空气流量为69m³/min。
根据理想气体公式：PV=m1RT(1)
式中：P-大气压力(Pa)；
V-空气的体积流量(m3/s)；
m1-空气的质量流量(kg/s)；
R-空气气体常数，为287(J/(kg˙k)；
T气体温度(K)。
根据热量计算公式Q=m1(c1t1'-c2t1")(2)
式中：Q-中间冷却器的换热量(kW);
t1'、t1"-中间冷却器进、出气温度(K);
c1、c2-分别为t1'、t1"下的比热容(kJ/(kg˙K))。
得Q=1.37×[1.011×(273+186)-1.005×(273+54)]=185.3kW
2、改造前换热器传热系数和冷却水质量流量的计算
根据传热方程式
Q=kA△tm(3)
式中：k-传热系数(kW/(m2˙K))；
A-中间冷却器的换热面积(m2)；
△t-对数平均温差(K)。
及热平衡方程式
式中：c3-水的比热容(kJ/(kg˙K));
m2-中间冷却器冷却水的质量流量(kg/s);
t2'、t2"-中间冷却器进、出水温度(K);
改造前的中间冷却器换热面积的计算如下：
已知，改造前中间冷却器是由292根管长为1.2m、管子直径为12mm的管子组成，所以中间冷却器换热面积A=3.14×12×10-3×1.2×292=13.20m2。
因此，根据公式3和公式4能够计算出中间冷却器的传热系数k以及冷却水的质量流量m²。计算结果见表3。
3、改造后的中间冷却器的换热面积和冷却水的质量流量
为了满足纺织厂对用水温度的要求，冷却水的出水温度要求在60℃，进水为19℃的自来水。对于压缩空气，进出口温度差是保持不变的，空气质量流量已经通过公式(1)计算得出m1=1.37kg/s。所以根据公式(4)得出改造后中间冷却器的质量流量
因此，在换热器的计算中，要选择合理换热面积和传热系数的换热器。这里要综合阻力、换热效率、投资等问题。
为了研究以及改造的方便，选择的是现有的换热器形式，这样在承压、空气压降等方面都是符合要求的，只是改变现有换热器的面积。在面积改造上，是采用增加换热器的长度;改造前后中间冷却器的换热系数变化可以忽略不计。因此，利用公式(3)得出计算结果，见表4。
对比表3和表4，可以看出，经过改造之后，在得到60℃的热水时，中间冷却器的长度由以前的1.2m增加到1.33m，只增加了0.13m，增加的这部分长度对压缩空气带来的压降可以忽略，而且改造中间冷却器增加的成本也很少；对于冷却水的质量流量，由原来的2.94kg/s降低到了1.05kg/s，这样在水泵的能耗方面有了一定的减少。
4、经济性分析
咸阳某纺织厂，职工1086人，每人平均每天在厂内洗浴0.5次，每次洗浴大约20分钟左右，洗浴用水温度40℃。经过统计，洗浴用水量为每10分钟0.08吨。每天总的用水量大约在2×0.08×0.5×1086=86.88t。
目前，该纺织厂应用的是锅炉加热热水的方法来获得洗浴用水，锅炉的热效率为80%。采用的是热值为24244kJ/kg的煤，根据西安物价局给出的数据，此种煤的标准价格为530元/吨。具体数据见表5。
由表5知，该纺织厂每年用于员工洗澡燃煤的费用需要8.03万元。
对于一台改造后的中间冷却器，每天可以得到60℃的热水90.72t，用这部分热水和19℃的自来水混合，得到40℃的洗浴用水。
根据热平衡方程可以计算得出：混合后总共可以得到40℃的热水165.86t。因此，一个中间冷却器回收的热水不仅可以满足员工洗浴用水的需要，而且剩余热水可以用来供其它需要热水的设备使用。综上得，经过改造之后，每年可以为该纺织厂节省8.03万元的支出。
5投资预算
具体投资见表6。
由表6可以得出：总共的设备投资为4.75万元，而每年可以节约购买煤的费用8.03万元，回收期为8个月，收益很可观。而且，杜绝了烧煤产生的二氧化碳、二氧化硫、粉尘等污染物质，减少了对大气环境的污染。
结束语
纺织厂空压机中间冷却器最初采用的是水冷却，再利用冷却塔将水降温的方式将压缩空气产生的大量废热排出，造成热量的浪费。经过改造后，不仅为节能减排做出贡献，而且还带来了可观的经济效益。改造系统需要投资4.75万元，每年就可以为该纺织厂节约洗浴用水所需费用8.03万元，而且杜绝了烧煤产生的污染。由此看来，此方案的设计不仅简单可行，更重要的是达到了合理高效的节能减排，此方案还可以应用在后冷却器上，如果需要，可以节省更多的资源。
原标题：案例分析丨空压机冷却器余热回收应用
