空壓機熱能在汽配座椅發泡工藝的回收利用裝置研究

摘 要：通過對某汽配廠發泡車間的用熱工藝及要求的分析，調研了現場螺桿空壓機運行參數，結合車間實際用熱需求，回收利用螺桿壓縮機壓縮空氣及潤滑油熱能，用于烘房空氣加熱及富產模具加熱用熱水。通過模擬計算，換熱器相關工藝參數，設計了熱能利用裝置替代原電加熱裝置，其有效加熱功率達74KW，具有明顯的節能效果。

關鍵詞：空壓機;熱能;利用;高效換熱器

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

1 概述

汽車產業已成是我國工業的基礎，在我國國民經濟中占有重要的低位，已成為影響世界的產業之一。空壓機在工業生產中有著廣泛的應用，在汽配行業亦是重要的氣體動力設備。根據美國能源署統計。壓縮機在運行時，真正用于增加空氣勢能所消耗的電能，在總耗電量中只占15%，約85%的電能轉化為熱量，通過風冷或者水冷的方式排放到空氣中。這些“多余”熱量被排放到空氣中被浪費。如何高效回收利用這些被浪費的熱量，是實現高效生產、節能降耗的有效途徑[1]。

2 車間用熱需求及空壓機熱能利用方案

現對重慶某汽車配件制造有限公司發泡車間進行現場用熱需求調研，主要有發泡工藝中對于模具的熱水及烘房空氣加熱的熱需求。其中座椅發泡采用冷發泡工藝，模具需要溫度約45℃熱水進行加熱，模壓發泡成型的制品從模具取出后需進烘房（80—100℃）干燥，脫去制品表面潮氣，以及對于發泡成型后的成品粘合劑等具有刺激性氣體的氣體進行充分的揮發。現烘房采用電加熱器加熱烘房內空氣，烘房正常工作溫區為80℃至100℃。烘房內空氣通過風機抽風送至電加熱器加熱，經加熱后的高溫空氣再返回烘房內，反復閉式循環加熱以達到要求溫度。

該汽配公司發泡車間有一臺風冷式螺桿空壓機，常年24小時不間斷運行，該車間配套一臺螺桿空壓機，額定功率90KW，額定流量為15m3/min，排氣壓力為0.8MPa，潤滑油量為60L，其中排氣溫度（未經風冷）正常情況為80—85℃，到夏季會因環境溫度的升高而升高。潤滑油油溫平均溫度為85℃。空壓機后端外接一臺冷干機，對壓縮空氣進行降溫脫水干燥，保證空氣露點控制在2—8℃，以滿足后續聚氨酯發泡工藝的要求。由空壓機潤滑油與高壓空氣的攜帶的熱量均被風機強制冷卻排向大氣中，因此造成能源浪費。

3 空壓機熱能利用裝置設計及模擬計算

3.1 流程設計

為充分利用空壓機產生熱能，結合發泡車間的用熱需求，即加熱烘房和模具加熱的熱水需求。本方案綜合利用其利用空氣壓縮過程中產生的熱潤滑油及熱空氣的熱能，將熱能利用循環過程分為潤滑油換熱流路和壓縮空氣換熱流路，其原理如圖1所示。

（1）壓縮空氣換熱流路：壓縮空氣（熱）經油氣分離器后，經高效熱水換熱器1與常溫水進行強制換熱，常溫水吸收壓縮空氣（熱）的熱量，被加溫至約70℃。被加熱的熱水經水泵輸送至高效熱水換熱器2，與小烘房空氣進行強制循環換熱，空氣吸收熱水熱量后升溫，后返回烘房;熱水被熱交換后返回至高效熱水器1進水（冷），再次與壓縮空氣（熱）換熱，被加熱升溫。一個完整的壓縮空氣換熱循環完成。熱水不斷在高效熱水換熱器1和高效熱水換熱器2中循環，作為中間傳熱介質，不斷將壓縮空氣中所含熱量傳遞給烘房空氣，烘房溫度不斷上升，高效熱水換熱器1，高效熱水換熱器2均采用板式換熱器。

（2）潤滑油換熱流路：高溫潤滑油由油氣分離器經油泵加壓輸送至高效熱油換熱器的油路通道，通過與烘房低溫空氣換熱，使烘房空氣被加熱升溫后返回壓縮機油路管道;烘房常溫空氣被高溫潤滑油加熱后，返回烘房，一個換熱循環結束。烘房循環風機不斷抽風送至高效熱油換熱器換熱升溫后返回烘房，綜合考慮潤滑油回油溫度和壓縮使用工況，在壓縮空氣、高溫潤滑油初始溫度為80℃的情況下，在余熱加熱器烘房空氣出口段溫度可加熱至約70℃。高效換熱器3采用板式換熱器。

（3）負荷切換：熱水換熱器熱負荷與高效熱油換熱器熱負荷相比，相對較小，在考慮小烘房如需緊急加溫或者其他情況需要，可實現對大小烘房熱負荷的切換，將小烘房空氣接入熱油換熱器3進行加熱升溫。此操作為考慮換熱效果，可將大烘房循環風機關閉或者減小循環風量，以此平衡熱負荷。

（4）在后期烘房溫度達到預期設置后，逐步降低至高效熱水器2的循環熱水量。進水與高效熱水換熱器1進行充分的反復循環，即可產生富裕熱水，用于模具加熱的使用要求。

3.2 換熱效果模擬計算

對于空壓機熱能利用設計的基礎資料為：油氣分離器中的高溫潤滑油溫度80℃;油氣分離器中壓縮空氣溫度80℃;烘房空氣初始溫度20℃;潤滑油回油溫度60℃;空壓機額定氣量為15m3/min;壓縮空氣壓力0.8MPa（G）;潤滑油壓力等于壓縮空氣壓力，為0.8MPa（G）。通過HYSYS模擬計算機模擬計算相關工藝參數及換熱器，其中換熱器采用板式換熱器，換熱溫差為10℃，模擬計算出高效熱水換熱器1換熱功率為13.7KW，高效熱水換熱器2換熱功率為10.97KW，高效換熱器3換熱功率為63.08KW，相關參數如下：高效熱水換熱器1熱源為壓縮空氣。

3.3 裝置設計

通過原題圖，設計該熱能利用裝置總結構圖如圖2所示。黃色標示壓縮空氣管路、紅色表示潤滑油管路、綠色標示熱水管路，黑色為烘房空氣流路。

為充分利用空壓機熱油及熱氣熱能，其換熱流路主要分為兩路，分別為高溫潤滑油及高溫壓縮空氣，空壓機余熱利用裝置采用預先組裝成撬，集成相應設備，以減小現場安裝位置及施工工程量。整個裝置大致分為余熱加熱撬裝置、熱水撬裝置、以及和空壓機之間的連接管路三個部分，其主要組成部件及工作原理為：

（1）高溫潤滑油流路：潤滑油經壓頭壓縮后產生高溫熱油，經油氣分離器分離潤滑油和壓縮空氣。其中高溫潤滑油通過本身油壓，輸送至緩沖油箱，再經輸送油泵輸送至烘房換熱器油路接口。高溫熱油在烘房空氣換熱器與烘房空氣進行換熱，將高溫潤滑油熱量傳遞給烘房空氣。為保障空壓機正常運行，對空壓機高溫潤滑油熱量進行選擇性回收，以控制回油溫度。潤滑油返回油溫控制不低于60℃。高溫潤滑油經換熱器換熱降溫后回流至回油管路溫控器前，經油冷器后返回至機頭。

（2）高溫壓縮空氣流路：高溫壓縮空氣經油氣分離器后，管路輸送至高效熱水換熱1與傳熱媒介水進行熱交換，經充分換熱后，水被加熱至約70℃，熱水經管路輸送至烘房，流經高效熱水換熱器2，與烘房空氣進行充分換熱，加熱烘房空氣。

（3）電氣控制系統。為防止烘房溫度升溫后，回油溫度過高對空壓機的影響，通過電氣系統保證回油溫度可控及安全。當回油過高時，電磁閥切斷換熱外循環油路，油路通過空壓機內部油路實現循環，潤滑油自動通過空壓機溫控系統，通過風冷實現冷卻潤滑油的目的。同時對于油泵、水泵實行聯鎖控制，啟停保護。同時對烘房配置熱負荷切換系統，分別對兩個不同烘房進行空氣加熱。

4 節能效益分析

空壓機型號為額定功率為90KW，綜合利用其高溫潤滑油及壓縮空氣熱能，折合等效加熱功率74kW，在烘房初始溫度為20℃時，單次循環可把烘房空氣加熱至47℃。經加熱后的空氣經過風機返回至烘房，烘房空氣反復循環，通過高效余熱換熱器與潤滑油、壓縮空氣換熱，直至達到換熱極限。

空壓機為24小時連續運轉，每天可回收熱量1776kWh，折合等效加熱功耗為1776kWh，節約電費支出1065元/天（電費按0.6元/KWh計），年運行時間按8000小時計，可節約電費支出約35.5萬元，節能效果明顯。

參考文獻：

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[2]劉慧明.螺桿式空壓機余熱回收分析及應用實例[J].上海：應用與測試，2014，246（06）：22-29.

[3]張霞，鄒江，秦翊，螺桿式空壓機壓縮機熱能回收的原理及利用[J].上海：機械制造，2015，44（05）：73-75.

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[5]孫玨龍.空壓機熱能回收系統改造案例分析[J].北京：節能減排，2017，140（05）：84-86.

作者簡介：王勇（1985-），男，四川廣安人，碩士，工程師，現從事多元氣體凈化分離、工業節能技術及裝備設計。