2021年第5期2021年5月
无油螺杆式空压机具有可靠性高、操作维护方便、可调性好、输出压缩空气洁净等特点，在中小型工厂的压缩空气系统中得到了广泛应用。在无油螺杆压缩过程中，没有喷入润滑油进行冷却，压缩过程可近似为等熵绝热压缩，功耗高于喷油螺杆的近似等温压缩，多耗的功大部分变成了压缩空气的热能，使得压缩后的气体温度较高，故无油螺杆机的余热回收潜力高于喷油螺杆机。如果能回收利用高温压缩空气的热量，不仅能减少大量循环冷却水的消耗，还能生产出有用的热能，大幅提高无油螺杆机的运行效益。因此，有必要进行无油螺杆式空压机的余热回收研究和设计。 1项目背景
A 项目生产线工艺用压缩空气总消耗量约60m 3/min ，主要用来驱动生产线各气动阀和制成品的吹扫。在实际工作时，设置3台0.8MPa ，33m 3/min 的无油螺杆式空压机，其正常运行时负载率为90%左右，二用一备。无油螺杆式空压机基本参数如表1所示。
表1无油螺杆式空压机基本参数
2
无油螺杆式空压机余热回收量分析计算
2.1
无油螺杆式空压机热量分析
无油螺杆式空压机主要部件包括气路系统的吸气过滤器、进气蝶阀、一级压缩机、中间冷却器、中间气水分离器、二级压缩机、后冷却器、后气水分离器，油路系统的油泵、电机齿轮箱、液压缸油、冷却器等。空气自过滤器、进气蝶阀进入一级压缩机压缩，生成的高温高压气体经中间冷却器降温、中间级气水分离器去除压缩空气内的凝结水，再经二级压缩相同的流程处理后排出机器。中间冷却器、后冷却器和油冷却的热量由循环冷却水带走。无油螺杆式空压机工作流程如图1所示。
无油螺杆式空压机的润滑油不喷入压缩机对高温压缩气体进行降温，故油冷器散热只来源于润滑油和机械零件的摩擦热，热量较少且温度较低，不具备回收价值。因此，余热回收仅需考虑一级压缩机之后的中间冷却器和二级压缩机之后的后冷器的散热。
由于压缩空气的含水量与当地气象条件有关，且压缩空气中的水冷凝放热占空压机可利用热量比例较小[1]，可忽略此部分热量。从工程利用角度来说这部分热量造成的影响较小，本文计算的均以干空气为基准。
空气等熵绝热压缩后的温度计算公式为：
T '=T
p 'p ()
k -1k
，(1)
式(1)中，T '为压缩后的空气温度，K ；T 为压缩前的空气温度，K ；p '为压缩后的空气压力（绝压），MPa ；p 为压缩前的空气温度（绝压），MPa ；k 为等熵指数，空气取1.4。
压缩后的高温空气在冷却器中冷却属于定压放热，
收稿日期：2021-03-03
作者简介：张帆，1989年生，男，江苏淮安人，2013年毕业于东北大学钢铁冶金专业，硕士，工程师。
无油螺杆式空压机余热回收系统的设计
张
帆
（宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）
摘要：通过对无油螺杆式空压机的压缩和冷却过程进行分析计算，得出空压机可供回收的热量，结合热用户的用热
参数，设计出余热回收系统。在空压机正常运行的前提下，回收热量可达到空压机输入电功率的60%，具有良好的经济效益和环境效益。
关键词：无油螺杆式空压机；余热回收系统；用热参数；热量回收中图分类号：TK115文献标识码：A 文章编号：2095-0802-(2021)05-0057-03
Design of Waste Heat Recovery System for Oil-free Screw Air Compressor
ZHANG Fan
(Baosteel Engineering Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)
Abstract:Through the analysis and calculation of the compression and cooling process of the oil-free screw air compressor,this paper obtained the heat that can be recovered by the air compressor.Combined with the user's heat parameters,the waste heat recovery system was designed.Under the premise of normal operation of the air compressor,the heat recovery can reach 60%of the input power of the air compressor,which was of good economic and environmental benefits.
Key words:oil-free screw air compressor;waste heat recovery system;thermal parameters;heat recovery
（总第188期）节能减排
项目
数值容积流量/(m 3·min -1)33排出压力/MPa 0.8电机功率/kW 200
吸气压力/MPa 0.1排气温度/℃≤40冷却方式
水冷
57··
2021年第5下水井盖
期2021年5月
放热量计算公式为：
Q =mc p (t 1-t 2)，(2)
式(2)中，Q 为空气冷却降温所放出的热量，kW ；m 为干空气质量流量，kg/s ；c p 为空气定压比热容，取1.005kJ/(kg ·K)；t 1为进冷却器的空气温度，K ；t 2为出冷却器的空气温度，K 。
图1无油螺杆式空压机工作流程图
2.2
项目回收热量计算
项目无油螺杆式空压机吸气温度取20℃，吸气压力为大气压，取0.1MPa （绝压），压缩空气流量为30m 3/min 。根据设备资料，两级螺杆压缩机为等压缩比，则单级压缩比着=3，即p '/p =3，则根据式
(1)计算一级压缩之后的空气温度T 1'=414.7K=141.7℃。经中间冷却器冷却后降温至40℃，由式(2)计算中间冷却器放热量为72.7kW 。根据同样的步骤可计算出二级压缩之后的温度T 2'=148.6℃，排气温度以40℃计，则后冷却器放热量Q =77.6kW ，中间冷却器与后冷却器总放热量为150.3kW ，占输入电功率的75.2%。
3
余热回收系统设计
3.1
回收热量用途服务器部署
项目无油螺杆式空压机组回收的余热主要用来加热生产线用热水，该热水为闭式循环，生产线的回水温度约为35℃，要求供水温度为80℃。在没有无油螺杆式空压机余热回收装置时，生产线回水进燃气热水
锅炉加热至80℃后再外送。
利用无油螺杆式空压机余热回收将35℃生产线回水加热后再送至燃气热水锅炉，可提高锅炉的回水温度，降低锅炉的燃气消耗量，节约锅炉运行能源费用。3.2余热回收系统设计
余热回收系统是在无油螺杆式空压机安全正常运行的前提下，尽可能地高效回收热量。系统设计首先要保证对高温压缩空气进行充分降温，确保无油螺杆式空压机不会因为压缩空气温度过高而停机。因此，将系统设计成二次循环模式，避免一次循环模式对高温压缩空气冷却不足。二次循环余热回收系统主要包括两部分：a)一次循环水与高温压缩空气进行气-水换热；b)二次循环水（即生产线用水）与一次循环水进行水-水换热。
3.2.1气-水换热部分
将无油螺杆式空压机的中间冷却器和后冷却器前气路管道引出空压机，在机外引出管之间设置联通阀。余热回收系统正常运行时，联通阀关闭，高温压缩空气通过外部的气-水换热器换热降温后返回空压机。余热回收系统停用时，打开联通阀，同时关闭换热器进出口压缩空气阀门，高温压缩空气经联通阀直接回到空压机内部。
每台无油螺杆式空压机设置2台气水换热器，分别对应于中间冷却器与后冷却器。由于2台气-水换热器内的高温压缩空气温度接近，为保证压缩空气的冷却效果，2台换热器的水程采用并联模式，即一次循环水的回水分两路分别进入2台换热器，换热器加热后的出水混合至一次循环水的母管，6台换热器的出水汇成一次循环水供水母管送至二次循环换热器。
气-水换热器进水管设置电动切断阀组，出水管设置温控阀组，进出水管上均设置温度变送器。温控阀
组根据进出水管上的温度调节出水流量，确保换热器对高温压缩空气的冷却效果。气-水换热系统工作流程如图2所示。
3.2.2水-水换热部分
二次循环的水-水换热器要同时满足对生产线热水的充分加热，以及在生产线热水量变化工况下均能将一次循环热水降至设定温度的要求。为实现这些要求，将二次循环换热部分设计成工艺换热器和保护换热器。
一次循环水供水母管接至工艺换热器一次侧进口。在一次侧进口设置三通阀，通过三通阀调节进工艺换热器的一次循环水量，从而调节工艺换热器的换热量。工艺换热器加热生产线的回水，加热之后的回水送至燃气锅炉的回水管。
一次循环水经工艺换热器降温后，接至保护换热器与循环冷却水进一步换热降温，保护换热器为2台并联换热模块。保护换热器出口的一次循环回水管道上设有三通调节阀，根据保护换热器出口的温度来调节进保护换热器的水量。三通调节阀之后一次设软化
空气过滤器
进气蝶阀
放气阀
第一级压缩
第一级排气消声器
中间冷却器
中间级气水分离器
第二级压缩
二级排气消声器
排气水分离器
后冷却器
油冷却器凝结水冷却水进水
冷却水回水
压缩空气
凝结水
机器人上下料AF
58··
2021年第5期2021年5月
图3水-水换热系统工作流程图图2气-水换热系统工作流程图
水补水接口、定压膨胀罐、循环水泵、安全阀等设施，
之后再送至一次换热装置。水-水换热系统工作流程如图3所示。
3.3
余热回收系统简要计算
取正常生产用气，2台无油螺杆式空压机同时运行工况进行计算，生产线平均回水温度35℃，回水量27t/h ，冷却水进水温度32℃。
3.3.1一次循环气-水换热器回收热量Q 1
取一次循环气-水换热器换热效率为0.85，则代入公式得：Q 1=150.3×0.85×2≈255.5kW 。3.3.2一次循环水出水温度t 1'
一次循环水经保护换热器冷却后温度为40℃，流量取5t/h ，则代入公式得：t 1'=255.5×36004.18×5000
+40≈84℃。
3.3.3工艺换热器换热量Q 2
生产线回水温度为35℃，换热器低温端差取5℃，则一次循环热水经工艺换热器降温后温度为40℃，工艺换热器换热效率为0.95，则代入公式得：
Q 2=0.95×4.18×5000×(84-40)3600
≈242.7kW 。
3.3.4实际热回收率
山药去皮机
经过计算可得，实际热回收率为：浊=242.7200×2
=60.6%。
在线aoi3.3.5生产线回水温度t 2
经过计算可得，生产线回水经换热后温升Δt =242.7×36004.18×27000
≈7.7℃，t 2
=35+7.7=42.7℃。
4节能效益分析
燃气热水锅炉热效率为94%，天然气低位热值以36.8MJ/m 3计，则增加空压机余热回收后燃气锅炉节约燃气量为：V =242.7×36000.94×1000×36.8
=25.3m 3/h 。
年运行小时按7920h 计，天然气单价为3.2元/m 3，则年节约天然气量200376m 3，折合6.4×105元。单套余热回收设备投资约2.3×105元，则最多2a 即可收回3套余热回收装置的成本。
5结语
通过计算与分析，结合用户的用热需求，选择合适的各项换热参数，200kW 空压机余热回收系统的综合热回收率可达空压机输入电功率的60%。在气温更低的地区，通过保护换热器降低一次循环水回水温度，可降低高温压缩空气出冷却器温度，提高压缩空气在空冷器内的放热量，进一步提高综合热回收率。
因此，通过设置无油螺杆式空压机余热回收系统，不仅能实现节能减排，而且投资回报良好，值得普及推广。希望对空压机余热回收系统的计算和设计，可为相关项目建设提供思路和借鉴。参考文献：
［1］林子良，鲍洋洋，孙晓明.螺杆空压机组的热量分析与计算［J ］.
流体机械，2014，42(8)：46-51.
（责任编辑：白洁）
无油螺杆空气
压缩机
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