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永磁變頻螺桿空壓機熱水工程的熱能從何而來

來源: 匯通公司 瀏覽:1751 發布日期:2023.06.30 [ ]
   TOKA永磁變頻螺桿空壓機熱能熱水機(不燒油不燒電的企業熱水工程)的熱利用效之高,理論上一直困擾著不少人。以一臺100kW的螺桿空壓機為例計算,其能量利用量不可大于100kW,這是常識。通常我們會這樣認為,該空氣壓縮機的輸入電功率為100kW,其輸出率不能大于輸入功率,否則就會因破壞了宇宙間能量守恒定律而變得荒謬。正是基于以上的信條,人們不能理解,為何熱能機的熱能利用量可以高到接近甚至超過空壓機的軸輸入功率。難道,能量守恒定律在這里失效了?答案當然是否定的。以下分析可以很好的闡述螺桿式空壓機熱回收系統“熱利用率”接近輸入電功率甚至超過輸入功率的原因。
   螺桿壓縮機由于本身的設計結構和工作原理決定,它的絕熱效率在0.65-0.85之間。低壓力比、大中容積流量壓縮機為0.75-0.85,高壓力比、小容積流量比壓縮機為0.65-0.75。對于空氣壓縮機,供油溫度一般在50-60℃。   這就決定了空壓機輸入電功率的65%-85%用于壓縮空氣,而余下的輸入功率才消耗在產生熱能和克服摩擦等功耗上。只有約30%左右的輸入功率消耗在無用的功耗上,這一部分主要是因壓縮而產生的溫升上。
   對于空壓機設備而言,除了機械摩擦導致的熱能損失外,主要是因為壓縮氣體時熱能轉換的熱能損失,壓縮機的絕熱效率僅有60-80%。也就是說輸入功率的65%-85%用于做有用功,其余的一部分因摩擦產生了熱能。假定一臺螺桿空壓機的絕熱功率是70%,忽略其他次要因素,可利用的熱能應該為(100-70)%=30%。而實際運行中,由于存在熱能散失,可以用的熱能一定會低于30%。這樣一來,可利用的熱能應該就更少了,那么,為何熱能熱水機的熱能利用為何能達到空壓機輸入功率的85-100%,甚至更多呢?
   我們知道熱力學第一定律,也就是能量守恒定律是建立在一個對外沒有能量交換的系統中。因此,我們分析空壓機的熱能利用時,需要用到這一基本的方法。按照能量守恒定律,系統在一個理想模型下,輸入功率應該等于系統的輸出功率。
   空壓機的輸入功率為空壓機的電功率,輸出后將轉變為空壓機的空氣勢能,熱能等。而當我們將空壓機不僅作為壓縮氣體的設備來分析的時候,空壓機系統的輸入能量就不僅僅是空壓機的如入電功率了,還應該加上輸入空氣所攜帶的熱能。有了這一點,我們就不難理解系統的能量變化了。
    我們知道空壓機輸出的熱能來源于三塊,一是空氣被壓縮的勢能轉換所產生的熱能,這個知道熱力學第一定律的人比較容易理解。二是循環油被剪切所產生的熱能,三是機械摩擦所產生的熱能。后兩者都屬于摩擦熱能范疇,而其中因化學變化產生的熱能可以或略不計。然而空壓機的運行不是一個獨立的系統,空壓機的運行是一個不斷有電輸入做功帶動空壓機運轉,同時又有大量的空氣進入系統的動態過程??諝庵械臒崮茉诜治鲞^程中就顯得尤為重要了??諌簷C通過搬運動作將空氣搬入腔體內,系統的熱能實際上是空壓機壓縮所產生的熱能與空壓熱能之和。熱能機正是利用了兩者的人能才使得熱回收系統能夠實現”熱利用率“接近甚至超過空壓機電機輸入功率的。通常對于一般的工程人員而言,理解前三者比較容易,而往往忽略了后者的作用,甚至困擾了許多設計此類設備的技術人員。
   讓我們用熱力學第一定律(能量守恒定律)來解釋這一現象。按照ΔU = Q+ W,我們理解熱力學第一定律為,熱能可以從一個物體傳遞給另一個物體,也可以與機械能或其他能量相互轉換,在傳遞和轉換過程中,能量的總值不變。螺桿空壓機運行過程中輸入功率W,系統內能和輸入空氣的能量總和為Q。前者用于做功,后者在系統運行過程中只能熱能的方式交換。因此一般情況下,我們所說的空氣壓縮機的絕熱功率是指W在絕熱情況下的功率轉換的效率。
   在空壓機熱能熱水利用過程中,由于空氣進入系統,帶入了大量的空氣熱能,使得系統地內能增加,該部分熱能再空壓機的運行中是無益處,需要用風機或冷卻水將該部分熱能帶走。
   熱能熱水機的效能可以接近甚至超過輸入功率,并沒有打破能量守恒的原則,相反它很好的說明了能量是守恒動態過程。原因就在于熱能的產生除了電機的輸入做功的作用外,還由于空氣中的熱能搬運到系統中,為熱能機提供了熱的來源,這些熱能正是空壓機熱回收的不可忽視的能量來源。由此可以看出,空壓機熱能利用中所出現的能源利用量接近甚至大于空壓機輸入電功率的原因。通過以上理論分析,這個困擾許多人的問題就迎刃而解了。
   實際上我們說熱回收的利用率達到70%或100%這樣的說法并不嚴謹。正是由于這一不嚴謹的表述誤導了許多人。我們應該理解為,熱回收的熱能利用量與空壓機輸入電功率比較,其熱能利用當量為70%是恰當的。這里所用的“當量“一詞不可或缺。正如我們在描述換熱器的換熱能力或者效能時,并不使用”換熱效率“一詞一樣。然而,人們為了表述的方便往往習慣于用效率一詞衡量一個換熱器的換熱能力確實普遍存在。
   根據以上理論分析,我們就可以理解空氣中蘊含的熱能可以被熱能熱水機利用。那么空氣中的熱能是如何被利用,又有多少可以利用呢?
   通常,當氣溫高于水溫(這里指系統的輸水水溫)時,空氣中的熱能就可以被利用。我們知道水的比熱容是最大的物質,其吸收熱的能力非常強,而空氣的比熱容較小。因此,需要大量的空氣熱能才能給空壓機熱能熱水機所利用,所幸的是,空壓機正是大量壓縮空氣的設備,它把大量的空氣壓縮到相對較小的空間,使得單位體積的空氣增加,有利于空氣熱能的利用(當然,這些熱能對壓縮機本身是無益的)。而空壓機熱能熱水設備恰好友好的化解了這一矛盾。
   在北方實踐中,空壓機熱回收系統,尤其是應用于風冷式空壓機的系統,一到冬天其熱能利用量明顯降低,很好的證明了這一點。
   我們知道,螺桿壓縮機被電動機帶動,高速旋轉,大量的空氣被壓縮進空壓機中。電能驅動電機運轉,將電能變成機械能。機械運轉過程中一部分用于壓縮空氣,一部份被結構和維持運轉所消耗。前者是有用部分,后者是損耗部分。根據熱力學定律,當空氣的勢能怎加后,氣溫度同樣增加,以維持系統內能不變。根據熱力學第零定律,我們知道氣體狀態方程可以表述為:lnV+lnP = lnT +I或者描述為:PV=nRT。絕熱情況下,一般螺桿空壓機的效率只有6.5-8.5成。也就是說氣體用于壓縮氣體的輸入功率的6.5-8.5成一方面用于提高空氣的壓力,一方面提高了氣體的溫度。而試驗表明被壓縮的油氣混和氣體中,由于液相的循環油的比熱容大于空氣,熱能的70%存在有油中。其余部分存于氣空氣中。因此輸入功率的一半變成了熱能存于循環油中,并被冷卻風扇排掉。我們僅僅分析油的熱能的利用作為我們分析的對象。
   不難看出100kW的空壓機只有不到30kW左右的輸入功率變成可利用的熱能。其余來源于空氣的熱能有多少了。
   壓縮空氣被吸入壓縮機前的溫度高于水的溫度,于是,空氣熱能通過空氣壓縮機的聚集作用被熱能機的熱交換置換到水中。這個原理和時下流行的空氣源熱泵的工作原理有著異曲同工之妙??上驳氖?,空壓機熱回收是在空壓機運行時產生高壓氣體,作為生產動力的同時,利用了其運行過程中的廢熱,熱效能可以達到輸入電功率70%左右的當量,甚至更高,其節能效果顯而易見。
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