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摘要：空气压缩机需要消耗大量的电能，这些电能中的相当一部分转化成了热能，被白白排到周围环境中。本文从空气压缩机的工作流程和原理及其运行规律分析了喷油螺杆式空气压缩机余热回收利用的可行性和重大意义，并对余热回收设备的运行工作原理和特点进行了阐述。
关键词：空气压缩机；余热回收；节能
前言
当今世界，能源紧缺愈来愈成为制约国家经济发展的首要问题，节能减排已成为基本国策。压缩空气被广泛应用于工业生产的各个领域[1]，据统计，空气压缩机用电量占全国用电量的9.4%。空气压缩机所消耗的电能仅有10%转化为压缩空气能，剩余的90%都转化为各种形式的热能白白浪费掉[2]。放任这些“多余”热量排放到空气中，不但浪费大量热能，又加剧大气“温室效应”，造成热污染。空气压缩机余热回收利用技术就是回收利用这些浪费的热能，非但能帮助客户节省可观的成本，更能从能源节约及保护环境上，解决能源危机及减少环境污染方面做出贡献。现有工业企业内喷油螺杆式空气压缩机的应用比较普遍，而且喷油螺杆式空气压缩机的余热比较容易回收，本文重点探讨喷油螺杆式空气压缩机的余热回收利用技术。
1.空气压缩机的工作流程
空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的循环油混合形成高压高温油气混合气体，混合气体由压缩机压缩腔排入油气分离器，从而分别得到循环油气和压缩空气。由于空气压缩机工作温度的要求，这些高温高压的油气和压缩空气必须送入各自的冷却系统，其中的压缩空气经冷却器散热和气水分离器气、水分离后供给用户，而循环油气在油气分离器中被分离，凝结成液态后，再经冷却器散热及过滤器过滤，回到压缩机，进入下一轮循环。如图1所示。
图1 空气压缩机的工作流程
2.余热回收利用的理论基础
螺杆空气压缩机长期连续的运行过程中，把电能转换为机械能，机械能转换为风能，在机械能转换为风能过程中，空气得到强烈的高压压缩，使之温度骤升，这是普通物理学机械能量转换现象，机械螺杆的高速旋转的同时也摩擦发热，外力所作的功（电机的有效输出功率），全部转换为气体的内能（表现为气体温度升高）。喷油螺杆式空气压缩机工作时，循环油及排气温度高达85～95℃，蕴涵的热能有极大的利用价值。
根据喷油螺杆式空气压缩机原理及其运行规律，循环油在喷油螺杆式空气压缩机中有润滑、冷却、密封三大作用及功能。这三大功能的正常发挥，是空气压缩机正常运行的核心保证。为保证空气压缩机循环油三大功能的正常发挥，空气压缩机运行工作温度有一合理、最佳温度范围：78℃～95℃。如果空气压缩机工作温度超过95℃，则空气压缩机循环油有老化、结焦趋向，润滑效果降低，密封效果变差，从而导致空气压缩机故障，影响空气压缩机正常运行；而当空气压缩机工作温度低于78℃时，压缩空气中的水分有凝结于循环油中的趋向，循环油中的水份使油品乳化变质，润滑效果变差，破坏空气压缩机的正常运行。
空气动力学家和空气压缩机制造厂家给出厂机组额定的每分钟产气量m3/min是以80℃的温度测量定率的。螺杆空压机的产气量m3/min会随着机组运行温度的升高而降低[3]，当然，空气压缩机的机械效率肯定不会稳定在以80℃标定的产气量上工作。它的反比程度是：温度每上升1℃，产气量就下降0.5%，温度升高10℃，产气量就降5%。
因此，要保证空气压缩机的产气量、确保空压机工作温度在合理范围内，就需要将高温油/气流的热量通过空气压缩机散热系统排放出去。一般空压机是通过设置冷却风扇或冷却水系统进行冷却，最后这些热量都白白的浪费。从理论上来说，空气压缩机余热回收是可行的，实施余热回收后，不但可以回收热量，取得经济效益，而且可以改善空气压缩机的运行，延长空气压缩机的使用寿命。
3.余热回收设备的工作原理
空气压缩机余热回收设备的主要作用是回收空气压缩机运行过程中产生的多余热量，主要是通过将空气压缩机的冷却油或高温空气在未经常规散热器之前接入余热回收换热设备，通过同水的换热将空气压缩机产生的热量回收并生产热水。如图2所示。
图2 空气压缩机余热回收利用原理流程图
从图2可以看出：余热回收系统是安装在空气压缩机外部的系统，通过油/气管以及连接件与空压机进行相连，相当于给空气压缩机增设了一套冷却系统，与原有冷却系统可以互为备用，只需对空气压缩机进行简单的改造：
1）在高温油/气接入正常的散热系统之前并联接入余热回收热交换器，余热回收启用时油路比改造前要长，改造完成后需要在油路中补充足够的循环油。
2）增设全自动控制系统，通过油温控制空气压缩机冷却风扇（或者冷却塔、冷却水泵）的运行。
运行工作原理如下：
1、压缩机启动状态
当压缩机冷态启动时，冷却油的温度较低，此时油冷器旁通阀、热交换器旁通阀关闭，冷却油不经过热交换器和冷却器而直接进入压缩机。
2、余热回收设备工作状态[4]
压缩机运行一段时间后，温度开始升高，当冷却温度升高到热交换器旁通阀的设定值时，此阀自动打开，冷却油进入热交换器将热量传递给冷却水，然后进入下一流程。
如果经过热交换后冷却油的温度仍然低于油冷却器旁能阀的设定值，则不进入油冷却器而直接进入压缩机工作腔内产生冷凝水。如果经过热交换后冷却的温度高于恒温油冷却器旁通阀的设定值，则先进入冷却器冷却，然后再进入压缩機循环。
3、余热回收设备暂停工作状态
当余热回收设备的热水暂不需要而停止供应时，热交换器内不发生热量交换，此时冷却油仍然保持高温状态（通常大于油冷却器旁通阀的设定值），于是冷却器油经油冷却器旁通阀进入油冷却器冷却后再进入压缩机，以保证压缩机的正常工作。 4.余热回收系统的特点
1、空气压缩机原有冷却系统与余热回收利用系统是两套完全独立的系统，不破坏空气压缩机的正常工作。两套系统的切换由电控阀控制，在余热回收利用系统未启动时，空气压缩机使用机身自带冷却系统；但余热回收利用系统启动时，电磁阀自动切换至余热回收利用系统；余热回收利用系统出现故障时，切断余热回收利用系统电源，即可使用空气压缩机原有冷却系统。
2、余热回收系统运行过程中只需控制用电（电磁阀，温控器用电，继电器），可以“免费”获得大量热水，一次投资长期回报。
3、余热回收利用系统运行时，空气压缩机原有散热系统停止工作，节约用电。停止空气压缩机自身的冷却风机或减少风机的运行时间。余热回收设备虽然要用到循环水泵，水泵电机要消耗一定量的电能，但是在空气压缩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），空气压缩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，因此风机一停，比循环泵的用电要节能 4～6 倍。另外，因为油温可以得到很好的控制，所以機房的排风扇就可以少开或完全不开，这又可以节能。
4、提高空气压缩机产气效率。螺杆空气压缩机产气量随着机组运行温度（空压机油气温度）的升高而降低：温度每上升1℃，产气量下降0.5%。一般风冷螺杆空压机运行温度在85～95℃，产气量较80℃时下降2.5%～8%。安装空压机热能回收系统的空压机机组，其运行温度能控制在75℃，产气量提高5%～10.5%。
5、安装空压机余热回收设备后，可显著降低空压机排气温度，有效改善空压机运行状态，减少了机器故障，延长了设备使用寿命，增大了机油、机油过滤器、油气分离器更换时限，降低了维护成本。
5.余热回收系统的应用
余热回收设备接管通常设置在压缩机主机和冷却器之间，无论是水冷式压缩机还是风冷式压缩机都可适用，回收水温常规为55℃-75℃之间，最高可达90℃，广泛适用于需要高温水或热水地方，如生产工业上工艺用热水（清洗槽、抛光槽、喷涂线加热）、工厂员工宿舍生活热水、工艺用干燥热风（烘干）、车间空调热气（供暖）、锅炉软水或取暖设备等。余热回收设备是一个回收装置，要实现全自动供水功能还需添置其它设备，其中包括热水管道及保温工程、储热水箱、循环水泵、自动控制箱、各种阀件管件等。可根据用户的不同需求安装不同的控制系统，使余热回收工程在最经济、最安全可靠的状态下运行。
小结
喷油螺杆式空压机压缩机余热回收设备是一种利用压缩机高温油气热能，通过热交换将热能充分利用的节能设备。它通过能量交换和节电控制，收集空压机运行过程中产生的热能，同时改善空压机的运行工况，是一种高效废热利用、零成本运行的节能设备。该技术的应用 既可以大幅降低企业的生产成本，又能减少排放废热和废气对环境的影响，在实现节能减排的同时也提高了企业经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]刘宁.压缩空气系统节能优化[J].技术与产品，2010（4）：26-28.
[2]郭天霞.基于空气压缩机节能措施的研究[J].能源科技，2011（08）：333.
[3]欧阳焰啸.空压机的节能改造方式[J].石油和化工节能，2009，（5）：18-19.
[4]王少波.螺杆式空压机余热回收技术的应用及节能效益分析[J].能源与节能，2011，（9）：15-16.
作者简介：
王永军（1982—）男，硕士，工程师，现从事工作：动力站房及动力管道设计，机械工业第六设计研究院有限公司。
关键词：空气压缩机；余热回收；节能
前言
当今世界，能源紧缺愈来愈成为制约国家经济发展的首要问题，节能减排已成为基本国策。压缩空气被广泛应用于工业生产的各个领域[1]，据统计，空气压缩机用电量占全国用电量的9.4%。空气压缩机所消耗的电能仅有10%转化为压缩空气能，剩余的90%都转化为各种形式的热能白白浪费掉[2]。放任这些“多余”热量排放到空气中，不但浪费大量热能，又加剧大气“温室效应”，造成热污染。空气压缩机余热回收利用技术就是回收利用这些浪费的热能，非但能帮助客户节省可观的成本，更能从能源节约及保护环境上，解决能源危机及减少环境污染方面做出贡献。现有工业企业内喷油螺杆式空气压缩机的应用比较普遍，而且喷油螺杆式空气压缩机的余热比较容易回收，本文重点探讨喷油螺杆式空气压缩机的余热回收利用技术。
1.空气压缩机的工作流程
空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的循环油混合形成高压高温油气混合气体，混合气体由压缩机压缩腔排入油气分离器，从而分别得到循环油气和压缩空气。由于空气压缩机工作温度的要求，这些高温高压的油气和压缩空气必须送入各自的冷却系统，其中的压缩空气经冷却器散热和气水分离器气、水分离后供给用户，而循环油气在油气分离器中被分离，凝结成液态后，再经冷却器散热及过滤器过滤，回到压缩机，进入下一轮循环。如图1所示。
图1 空气压缩机的工作流程
2.余热回收利用的理论基础
螺杆空气压缩机长期连续的运行过程中，把电能转换为机械能，机械能转换为风能，在机械能转换为风能过程中，空气得到强烈的高压压缩，使之温度骤升，这是普通物理学机械能量转换现象，机械螺杆的高速旋转的同时也摩擦发热，外力所作的功（电机的有效输出功率），全部转换为气体的内能（表现为气体温度升高）。喷油螺杆式空气压缩机工作时，循环油及排气温度高达85～95℃，蕴涵的热能有极大的利用价值。
根据喷油螺杆式空气压缩机原理及其运行规律，循环油在喷油螺杆式空气压缩机中有润滑、冷却、密封三大作用及功能。这三大功能的正常发挥，是空气压缩机正常运行的核心保证。为保证空气压缩机循环油三大功能的正常发挥，空气压缩机运行工作温度有一合理、最佳温度范围：78℃～95℃。如果空气压缩机工作温度超过95℃，则空气压缩机循环油有老化、结焦趋向，润滑效果降低，密封效果变差，从而导致空气压缩机故障，影响空气压缩机正常运行；而当空气压缩机工作温度低于78℃时，压缩空气中的水分有凝结于循环油中的趋向，循环油中的水份使油品乳化变质，润滑效果变差，破坏空气压缩机的正常运行。
空气动力学家和空气压缩机制造厂家给出厂机组额定的每分钟产气量m3/min是以80℃的温度测量定率的。螺杆空压机的产气量m3/min会随着机组运行温度的升高而降低[3]，当然，空气压缩机的机械效率肯定不会稳定在以80℃标定的产气量上工作。它的反比程度是：温度每上升1℃，产气量就下降0.5%，温度升高10℃，产气量就降5%。
因此，要保证空气压缩机的产气量、确保空压机工作温度在合理范围内，就需要将高温油/气流的热量通过空气压缩机散热系统排放出去。一般空压机是通过设置冷却风扇或冷却水系统进行冷却，最后这些热量都白白的浪费。从理论上来说，空气压缩机余热回收是可行的，实施余热回收后，不但可以回收热量，取得经济效益，而且可以改善空气压缩机的运行，延长空气压缩机的使用寿命。
3.余热回收设备的工作原理
空气压缩机余热回收设备的主要作用是回收空气压缩机运行过程中产生的多余热量，主要是通过将空气压缩机的冷却油或高温空气在未经常规散热器之前接入余热回收换热设备，通过同水的换热将空气压缩机产生的热量回收并生产热水。如图2所示。
图2 空气压缩机余热回收利用原理流程图
从图2可以看出：余热回收系统是安装在空气压缩机外部的系统，通过油/气管以及连接件与空压机进行相连，相当于给空气压缩机增设了一套冷却系统，与原有冷却系统可以互为备用，只需对空气压缩机进行简单的改造：
1）在高温油/气接入正常的散热系统之前并联接入余热回收热交换器，余热回收启用时油路比改造前要长，改造完成后需要在油路中补充足够的循环油。
2）增设全自动控制系统，通过油温控制空气压缩机冷却风扇（或者冷却塔、冷却水泵）的运行。
运行工作原理如下：
1、压缩机启动状态
当压缩机冷态启动时，冷却油的温度较低，此时油冷器旁通阀、热交换器旁通阀关闭，冷却油不经过热交换器和冷却器而直接进入压缩机。
2、余热回收设备工作状态[4]
压缩机运行一段时间后，温度开始升高，当冷却温度升高到热交换器旁通阀的设定值时，此阀自动打开，冷却油进入热交换器将热量传递给冷却水，然后进入下一流程。
如果经过热交换后冷却油的温度仍然低于油冷却器旁能阀的设定值，则不进入油冷却器而直接进入压缩机工作腔内产生冷凝水。如果经过热交换后冷却的温度高于恒温油冷却器旁通阀的设定值，则先进入冷却器冷却，然后再进入压缩機循环。
3、余热回收设备暂停工作状态
当余热回收设备的热水暂不需要而停止供应时，热交换器内不发生热量交换，此时冷却油仍然保持高温状态（通常大于油冷却器旁通阀的设定值），于是冷却器油经油冷却器旁通阀进入油冷却器冷却后再进入压缩机，以保证压缩机的正常工作。 4.余热回收系统的特点
1、空气压缩机原有冷却系统与余热回收利用系统是两套完全独立的系统，不破坏空气压缩机的正常工作。两套系统的切换由电控阀控制，在余热回收利用系统未启动时，空气压缩机使用机身自带冷却系统；但余热回收利用系统启动时，电磁阀自动切换至余热回收利用系统；余热回收利用系统出现故障时，切断余热回收利用系统电源，即可使用空气压缩机原有冷却系统。
2、余热回收系统运行过程中只需控制用电（电磁阀，温控器用电，继电器），可以“免费”获得大量热水，一次投资长期回报。
3、余热回收利用系统运行时，空气压缩机原有散热系统停止工作，节约用电。停止空气压缩机自身的冷却风机或减少风机的运行时间。余热回收设备虽然要用到循环水泵，水泵电机要消耗一定量的电能，但是在空气压缩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），空气压缩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，因此风机一停，比循环泵的用电要节能 4～6 倍。另外，因为油温可以得到很好的控制，所以機房的排风扇就可以少开或完全不开，这又可以节能。
4、提高空气压缩机产气效率。螺杆空气压缩机产气量随着机组运行温度（空压机油气温度）的升高而降低：温度每上升1℃，产气量下降0.5%。一般风冷螺杆空压机运行温度在85～95℃，产气量较80℃时下降2.5%～8%。安装空压机热能回收系统的空压机机组，其运行温度能控制在75℃，产气量提高5%～10.5%。
5、安装空压机余热回收设备后，可显著降低空压机排气温度，有效改善空压机运行状态，减少了机器故障，延长了设备使用寿命，增大了机油、机油过滤器、油气分离器更换时限，降低了维护成本。
5.余热回收系统的应用
余热回收设备接管通常设置在压缩机主机和冷却器之间，无论是水冷式压缩机还是风冷式压缩机都可适用，回收水温常规为55℃-75℃之间，最高可达90℃，广泛适用于需要高温水或热水地方，如生产工业上工艺用热水（清洗槽、抛光槽、喷涂线加热）、工厂员工宿舍生活热水、工艺用干燥热风（烘干）、车间空调热气（供暖）、锅炉软水或取暖设备等。余热回收设备是一个回收装置，要实现全自动供水功能还需添置其它设备，其中包括热水管道及保温工程、储热水箱、循环水泵、自动控制箱、各种阀件管件等。可根据用户的不同需求安装不同的控制系统，使余热回收工程在最经济、最安全可靠的状态下运行。
小结
喷油螺杆式空压机压缩机余热回收设备是一种利用压缩机高温油气热能，通过热交换将热能充分利用的节能设备。它通过能量交换和节电控制，收集空压机运行过程中产生的热能，同时改善空压机的运行工况，是一种高效废热利用、零成本运行的节能设备。该技术的应用 既可以大幅降低企业的生产成本，又能减少排放废热和废气对环境的影响，在实现节能减排的同时也提高了企业经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]刘宁.压缩空气系统节能优化[J].技术与产品，2010（4）：26-28.
[2]郭天霞.基于空气压缩机节能措施的研究[J].能源科技，2011（08）：333.
[3]欧阳焰啸.空压机的节能改造方式[J].石油和化工节能，2009，（5）：18-19.
[4]王少波.螺杆式空压机余热回收技术的应用及节能效益分析[J].能源与节能，2011，（9）：15-16.
作者简介：
王永军（1982—）男，硕士，工程师，现从事工作：动力站房及动力管道设计，机械工业第六设计研究院有限公司。