空压机热能在汽配座椅发泡工艺的回收利用装置研究

摘 要：通过对某汽配厂发泡车间的用热工艺及要求的分析，调研了现场螺杆空压机运行参数，结合车间实际用热需求，回收利用螺杆压缩机压缩空气及润滑油热能，用于烘房空气加热及富产模具加热用热水。通过模拟计算，换热器相关工艺参数，设计了热能利用装置替代原电加热装置，其有效加热功率达74KW，具有明显的节能效果。

关键词：空压机;热能;利用;高效换热器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.020

1 概述

汽车产业已成是我国工业的基础，在我国国民经济中占有重要的低位，已成为影响世界的产业之一。空压机在工业生产中有着广泛的应用，在汽配行业亦是重要的气体动力设备。根据美国能源署统计。压缩机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占15%，约85%的电能转化为热量，通过风冷或者水冷的方式排放到空气中。这些“多余”热量被排放到空气中被浪费。如何高效回收利用这些被浪费的热量，是实现高效生产、节能降耗的有效途径[1]。

2 车间用热需求及空压机热能利用方案

现对重庆某汽车配件制造有限公司发泡车间进行现场用热需求调研，主要有发泡工艺中对于模具的热水及烘房空气加热的热需求。其中座椅发泡采用冷发泡工艺，模具需要温度约45℃热水进行加热，模压发泡成型的制品从模具取出后需进烘房（80—100℃）干燥，脱去制品表面潮气，以及对于发泡成型后的成品粘合剂等具有刺激性气体的气体进行充分的挥发。现烘房采用电加热器加热烘房内空气，烘房正常工作温区为80℃至100℃。烘房内空气通过风机抽风送至电加热器加热，经加热后的高温空气再返回烘房内，反复闭式循环加热以达到要求温度。

该汽配公司发泡车间有一台风冷式螺杆空压机，常年24小时不间断运行，该车间配套一台螺杆空压机，额定功率90KW，额定流量为15m3/min，排气压力为0.8MPa，润滑油量为60L，其中排气温度（未经风冷）正常情况为80—85℃，到夏季会因环境温度的升高而升高。润滑油油温平均温度为85℃。空压机后端外接一台冷干机，对压缩空气进行降温脱水干燥，保证空气露点控制在2—8℃，以满足后续聚氨酯发泡工艺的要求。由空压机润滑油与高压空气的携带的热量均被风机强制冷却排向大气中，因此造成能源浪费。

3 空压机热能利用装置设计及模拟计算

3.1 流程设计

为充分利用空压机产生热能，结合发泡车间的用热需求，即加热烘房和模具加热的热水需求。本方案综合利用其利用空气压缩过程中产生的热润滑油及热空气的热能，将热能利用循环过程分为润滑油换热流路和压缩空气换热流路，其原理如图1所示。

（1）压缩空气换热流路：压缩空气（热）经油气分离器后，经高效热水换热器1与常温水进行强制换热，常温水吸收压缩空气（热）的热量，被加温至约70℃。被加热的热水经水泵输送至高效热水换热器2，与小烘房空气进行强制循环换热，空气吸收热水热量后升温，后返回烘房;热水被热交换后返回至高效热水器1进水（冷），再次与压缩空气（热）换热，被加热升温。一个完整的压缩空气换热循环完成。热水不断在高效热水换热器1和高效热水换热器2中循环，作为中间传热介质，不断将压缩空气中所含热量传递给烘房空气，烘房温度不断上升，高效热水换热器1，高效热水换热器2均采用板式换热器。

（2）润滑油换热流路：高温润滑油由油气分离器经油泵加压输送至高效热油换热器的油路通道，通过与烘房低温空气换热，使烘房空气被加热升温后返回压缩机油路管道;烘房常温空气被高温润滑油加热后，返回烘房，一个换热循环结束。烘房循环风机不断抽风送至高效热油换热器换热升温后返回烘房，综合考虑润滑油回油温度和压缩使用工况，在压缩空气、高温润滑油初始温度为80℃的情况下，在余热加热器烘房空气出口段温度可加热至约70℃。高效换热器3采用板式换热器。

（3）负荷切换：热水换热器热负荷与高效热油换热器热负荷相比，相对较小，在考虑小烘房如需紧急加温或者其他情况需要，可实现对大小烘房热负荷的切换，将小烘房空气接入热油换热器3进行加热升温。此操作为考虑换热效果，可将大烘房循环风机关闭或者减小循环风量，以此平衡热负荷。

（4）在后期烘房温度达到预期设置后，逐步降低至高效热水器2的循环热水量。进水与高效热水换热器1进行充分的反复循环，即可产生富裕热水，用于模具加热的使用要求。

3.2 换热效果模拟计算

对于空压机热能利用设计的基础资料为：油气分离器中的高温润滑油温度80℃;油气分离器中压缩空气温度80℃;烘房空气初始温度20℃;润滑油回油温度60℃;空压机额定气量为15m3/min;压缩空气压力0.8MPa（G）;润滑油压力等于压缩空气压力，为0.8MPa（G）。通过HYSYS模拟计算机模拟计算相关工艺参数及换热器，其中换热器采用板式换热器，换热温差为10℃，模拟计算出高效热水换热器1换热功率为13.7KW，高效热水换热器2换热功率为10.97KW，高效换热器3换热功率为63.08KW，相关参数如下：高效热水换热器1热源为压缩空气。

3.3 装置设计

通過原题图，设计该热能利用装置总结构图如图2所示。黄色标示压缩空气管路、红色表示润滑油管路、绿色标示热水管路，黑色为烘房空气流路。

为充分利用空压机热油及热气热能，其换热流路主要分为两路，分别为高温润滑油及高温压缩空气，空压机余热利用装置采用预先组装成撬，集成相应设备，以减小现场安装位置及施工工程量。整个装置大致分为余热加热撬装置、热水撬装置、以及和空压机之间的连接管路三个部分，其主要组成部件及工作原理为：

（1）高温润滑油流路：润滑油经压头压缩后产生高温热油，经油气分离器分离润滑油和压缩空气。其中高温润滑油通过本身油压，输送至缓冲油箱，再经输送油泵输送至烘房换热器油路接口。高温热油在烘房空气换热器与烘房空气进行换热，将高温润滑油热量传递给烘房空气。为保障空压机正常运行，对空压机高温润滑油热量进行选择性回收，以控制回油温度。润滑油返回油温控制不低于60℃。高温润滑油经换热器换热降温后回流至回油管路温控器前，经油冷器后返回至机头。

（2）高温压缩空气流路：高温压缩空气经油气分离器后，管路输送至高效热水换热1与传热媒介水进行热交换，经充分换热后，水被加热至约70℃，热水经管路输送至烘房，流经高效热水换热器2，与烘房空气进行充分换热，加热烘房空气。

（3）电气控制系统。为防止烘房温度升温后，回油温度过高对空压机的影响，通过电气系统保证回油温度可控及安全。当回油过高时，电磁阀切断换热外循环油路，油路通过空压机内部油路实现循环，润滑油自动通过空压机温控系统，通过风冷实现冷却润滑油的目的。同时对于油泵、水泵实行联锁控制，启停保护。同时对烘房配置热负荷切换系统，分别对两个不同烘房进行空气加热。

4 节能效益分析

空压机型号为额定功率为90KW，综合利用其高温润滑油及压缩空气热能，折合等效加热功率74kW，在烘房初始温度为20℃时，单次循环可把烘房空气加热至47℃。经加热后的空气经过风机返回至烘房，烘房空气反复循环，通过高效余热换热器与润滑油、压缩空气换热，直至达到换热极限。

空压机为24小时连续运转，每天可回收热量1776kWh，折合等效加热功耗为1776kWh，节约电费支出1065元/天（电费按0.6元/KWh计），年运行时间按8000小时计，可节约电费支出约35.5万元，节能效果明显。

参考文献：

[1]席海涛.空压机余热回收利用设计与效益分析[J].陕西：煤炭工程，2014，46（06）：22-24.

[2]刘慧明.螺杆式空压机余热回收分析及应用实例[J].上海：应用与测试，2014，246（06）：22-29.

[3]张霞，邹江，秦翊，螺杆式空压机压缩机热能回收的原理及利用[J].上海：机械制造，2015，44（05）：73-75.

[4]叶律漳.空压机热能回收器的应用[J].福州：能源与环境，2012（06）：30-31.

[5]孙珏龙.空压机热能回收系统改造案例分析[J].北京：节能减排，2017，140（05）：84-86.

作者简介：王勇（1985-），男，四川广安人，硕士，工程师，现从事多元气体净化分离、工业节能技术及装备设计。