空气和水冷空压机的热回收经济性

介绍

人们普遍认为，压缩空气系统占所有电力的10%，约占美国工业电机系统能源使用的16%。美国70%的制造工厂使用压缩空气驱动各种工艺设备。(1)

压缩空气用户可以通过空气审计和消除浪费的空气消耗过程来降低能源成本，这可以在不到两年的时间内通过简单的回报降低10%到15%的系统能耗。(2)

系统操作人员还应该检查是否可以使用降低的系统压力。采用中央控制系统可以更有效地将现有manbetx客户端12-5下载的空压机分级以适应周期性需求。增加存储容量还可以减少压缩机不必要的高需求循环。

本文主要针对空气压缩机本身的热回收潜力进行识别和量化。风冷和水冷空气压缩机都可以通过使用适当设计和尺寸的热回收系统来节省制造工厂的成本。

计算可收回的BTU的

通过回收空气压缩机产生的余热，可以减少工厂的总“碳足迹”、能源消耗，并降低运营成本。
电机通过压缩过程将能量输入压缩空气流。电机功率通常以马力为单位。一个马力相当于每小时2545 BTU。尽管大多数空气压缩机以标称马力尺寸出售，但它们通常可以在高于电机铭牌额定值10%的负载下运行至额定功率达到额定压缩机排放压力和全容量输出。压缩机轴上的马力，也称为制动马力（bhp），可比电机铭牌上的马力高10%，并安全地消耗电机1.15工作系数的大部分。因此，100马力的压缩机（110 bhp）满载时，将电能转换为每小时近280000 BTU。此外，风冷电机本身假设效率为93%，每小时额外散热19600 BTU。

空气压缩机增加压力并按比例减少空气的体积。由于压力增加，原始进入空气的能量潜力现在处于更高的水平，可以在压缩空气系统的下游工作。通过热传递，可以提取80-90%的能量置于压缩空气中的电动机。必须去除热量以保持压缩机的公差和间隙，并且通常必须冷却压缩空气以使其适合大多数工艺。即使去除了多余的热量，压缩空气仍含有进行有用工作的能量。

热量和功是传递能量的两种不同方法。在压缩过程增加空气压力并提高其温度（未用作功的能量量）后，压缩产生的多余热量现在可重新利用。不幸的是，大多数工厂现在都将多余的热量“排放”到室外，这样可以重复利用这些热量并降低运营成本。回收能源最常见的用途包括工业过程加热、补充空间加热、补充空气加热、生活或工艺热水或预热锅炉补给水。

风冷式空气压缩机

通常，空冷压缩机的热回收潜力仅限于补充空间加热。当考虑使用风冷压缩机时，适当大小的管道系统和使用增压风扇将从中央压缩机室回收的热量引导到所需的回收热量的位置可能是一笔巨大的费用。很多时候，风冷压缩机被归类为没有适当通风的“锅炉房”。这些集中压缩机的工作温度可能会升高，从而降低设备寿命，增加维护和维修成本，最终产生不可靠的空气系统。良好通风系统的初始成本通常远低于高温环境下持续增加的维护成本。建议咨询暖通空调专家，以确保适当的通风，并评估风冷压缩机可能的热回收机会。

空气压缩机系统越大，回收产生的大部分热量就越困难——因为需要大的空气流量。一台250 Bhp的风冷空压机将产生约636,000 Btu/Hr的热量。这将需要大约15,000 cfm的空气流动。

压缩机通风系统设计还应考虑对电厂其余通风系统的额外影响，包括供暖、空调，以及可能影响空压机性能的负压力和正压力。

水冷式空气压缩机

水冷式压缩机的热量回收潜力具有灵活性，可允许各种形式的热量使用。有两种主要类型的水冷系统可用；开放式冷却回路和封闭式冷却回路。开环冷却是通过使用再循环、开环、冷却塔水或直流井水或城市水来实现的，然后这些水被排放到下水道或环境中。

直流冷却系统

一次性冷却系统可以有效地将入水的温度从50°F提高到大约90°F，然后可以用于锅炉给水、生活用水或工艺热水的预热。这些水最终必须排入卫生下水道，或者必须获得排放到环境中的许可证。由于水没有经过处理，溶解固体的结垢和空压机热交换器的潜在腐蚀必须考虑到空压机系统的生命周期维护成本。由于下水道费用、环境测试和许可证以及可能需要的处理，排放这些水的成本可能比流入的水成本更昂贵。

循环开环冷却系统

冷却塔是这类系统最常见的形式。这些系统利用蒸发原理将水冷却到低于环境干球温度。在美国，大多数冷却塔系统的设计是基于75°F至78°F湿球温度提供85°F冷却水。

与直流系统相比，冷却塔将大大减少耗水量。然而，他们需要额外的水处理成本，以减少以下潜在风险：

• 水垢来自于冷却水中较高浓度的溶解固体
• 冷却水可能受到藻类和细菌的生物污染
• 从塔风扇吹入水中的大气污垢和碎片增加了对冷却水的过滤。

大多数冷却塔的设计温度可升高10°F，但也可设计得更高。水垢形成的可能性随着水温的升高而增加。必须小心确保热水不超过大多数冷却塔中PVC填料的额定温度，以避免填料分解。
开环冷却水可用于预热锅炉给水、家用或工艺加热水。它可用于空间加热，但典型的较低入口温度（95°F）会从冷却盘管产生较低等级的加热空气，有时被认为“太冷”。此外，在这些较低温度下，盘管的表面积更大，以便进行适当的热量提取。不应使用塔水来调节建筑物的补充空气，因为当入口环境温度低于冰点时，盘管极有可能发生冻结。

闭环再循环冷却系统

有四种主要类型的闭环冷却系统可用;干式，带微调冷却器的干式，蒸发式，水到水的热交换系统。

所有这些系统的主要优点是，由于它们是闭环系统，因此几乎可以消除压缩机因水引起的维护问题。除了向压缩机中注入含有缓蚀剂的乙二醇或丙二醇混合物的初始费用外，除了检查浓缩器外，它们不需要进行水处理每年为您的冬季环境空气条件和验证适当的pH值水平进行离子测试。

由于压缩机热交换器将保持几乎无标度，因此可以在压缩机热交换器之间获得更高的温差，而不会对设备造成冷却损失。大多数压缩机的设计允许整个压缩机的温度上升25°F至30°F清洁热交换器。如果一个新的闭环冷却系统被改造到先前在一个开放的冷却水循环上的现有系统上，热交换器必须在放置到一个新的闭环冷却系统上之前进行清洗。

闭环系统允许更好的空间加热潜力，因为从负载返回更高的流体温度。这些较高的温度允许从热回收盘管排出的空气通常在90°F的范围内。同样，在较高的操作系统温度下，冷却盘管的尺寸可以减小，但仍然允许对空压机冷却液进行适当的冷却。此外，由于它们将有适当的乙二醇溶液，以防止在冬季条件下结冰，它们可以用于预热中央空气处理机上的补充空气。

通过管道系统比通过管道系统更容易将热流体输送到电厂中最需要热量回收的较远位置。如果某个区域的空间加热需要更分散的热空气分布，则可以使用许多较小的空气-水盘管，而不是一个大盘管。

请注意:一个设计合理的热回收系统就可以做到不减小一次冷却系统的尺寸。如果您没有利用热回收系统的任何原因，主冷却系统的大小仍然必须拒绝由压缩机产生的室外总热负荷。

热回收分析

让我们来看看可用的热量回收潜力的美元和美分。天然气的生产是用标准立方英尺来描述的，立方英尺是在60华氏度和14.65磅每平方英寸压力下的气体量。与用于石油的公约类似，“mcf”一词指1000立方英尺的天然气，“mmcf”指100万立方英尺的天然气。

一个mmbtu (1,000,000 btu)大约相当于970立方英尺的天然气。你的汽油价格可能是千立方英尺或一千立方英尺。消费者经常认为1 mcf的天然气相当于1 mmbtu。它实际上是mcf(1,000立方英尺)= 1,030,928英热单位
一些天然气账单仍以“therms”计价，定义为1 therm=100000 Btu

天然气市场的未来价格在纽约商品交易所（NewYork Mercantile Exchange）上出售，现货价格通常在亨利中心（Henry Hub）设定，以美元/百万英热单位（一百万）计价英国热量单位)，通常被认为是北美天然气市场的主要价格。这个价格是给分销公司的成本，你的价格会更高，因为分销公司增加了运输成本。您应该检查当前帐单报表以获取准确的数据。

亨利枢纽是路易斯安那州伊拉斯的天然气管道系统上的一个点。它与9条州际管道和4条州内管道相连:阿卡迪亚、哥伦比亚海湾传输、海湾南部管道、Bridgeline、NGPL、Sea Robin、南部天然气管道、德克萨斯天然气传输、横贯大陆管道、干线管道、杰斐逊岛和Sabine。
石油生产公司用桶来衡量石油产量。一桶，通常缩写为“bbl”，是42美制加仑。石油行业常用的方法是使用前缀“m”表示1000，前缀“mm”表示100万。因此，1000桶通常表示为“mbbl”，100万桶表示为“mmbbl”。

如果您使用石油作为锅炉燃料，我们可以使用石油当量桶(BOE)将石油使用量转换为天然气能源当量基础。一个BOE的能量相当于6040立方英尺天然气，或6.04 mcf X 1,030,928 btu/mcf = 6,226,805 btu/桶石油使用量。美国国税局将其定义为5.8 × 106 BTU (5,800,000 BTU)
您的结果应基于您的实际热负荷、您当地的天然气成本以及您对运行条件的最佳估计（每年有多少周和小时/天/周）。该示例仅供参考和指导。

例子

假设我们有一台400马力的水冷空气压缩机，每小时可产生1018000 btu的热量；

• 利用空气压缩机排出的热水提供空间加热，并关闭燃气空间加热器
• 预热锅炉给水
• 对来自城市供水系统的家用或工艺热水进行预热。

我们还假设在空间加热器或锅炉上有一个效率高达80%的燃烧器。大多数新型高效燃烧器接近这一数字，而现有的旧装置可能在60%范围内。

当前天然气井口期货价格(2009年9月交割)= 3.58美元/mmBtu (不包括分销成本）．包括分销成本在内的典型工业天然气价格通常每mmBtu多2美元。目前天然气价格处于7年来的最低水平。

这个例子展示了节省的空间供暖。如果你对水进行预热，你可能能够在你的工厂运行的每小时节省能源。如果我们能够在每年4032小时内循环使用1,018,000 Btu/hr(假设环境空气温度在70°F或更低)，我们每年将节省4,104 mmBtu。

如果我们以80%的燃烧器效率减少天然气加热，则需要5130 mmBtu/年的输入气体能量才能产生4104 mmBtu/年的加热输出量。将5130mMBTU/年乘以$5.58/mmBtu，每年节省28625美元。

二氧化碳还原电位

如果你有兴趣减少你的碳足迹，使用上面相同的例子，这也会减少你的CO^2.排放约5130mmbtu /yr x113磅CO^2./mmBtu = 579,690磅CO^2./年。同样，这些计算适用于400马力的压缩机。对于一台100马力的压缩机，每年可节省7156美元，CO为144922磅^2.减少。

正如人们所看到的，有一个令人信服的理由来考虑将热回收系统集成到一个新的安装或改造现有的系统中。根据设施的运行计划、气候条件和回收热量的潜在使用情况，系统的投资回报是多种多样的。另一个生命周期考虑因素应是减少维护，以及使用适当设计的冷却系统可能延长空气压缩机的生命周期。

如果您正在考虑使用压缩机排出的热量，您应该联系制冷专业人员，帮助您评估系统。热回收和“绿色化”是每个人的热门话题。然而，需要正确地进行，以提供适当的估计回报。

如需更多信息，请联系HydroThrift Corporation，电子邮件:sales@hydrothrift.com，电话：330-837-5141，www.hydrothrift.com。

参考文献：
(1)压缩空气效率服务市场评估;能源效率及可再生能源办公室;
美国能源部;2001年6月。能源部/ - 102001 - 1197
另外，XENERGY, Inc(1998)美国工业电机系统市场机会评估。华盛顿特区;美国能源部、工业技术办公室和橡树岭国家实验室

（2） XENERGY，Inc（1998）《美国工业电动机系统市场机会评估》，华盛顿特区；美国能源部、工业技术办公室和橡树岭国家实验室