CN111692076A - 一种余热回收式空气压缩机及余热回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余热回收式空气压缩机及余热回收方法，包括电动机、压缩机主机、进气过滤器、油气分离器、过油过滤器和过气过滤器；油气分离器的出油口与过油过滤器之间还设有油侧余热回收器，用来回收润滑油中的余热。该空气压缩机正常运行的同时，能对产生的余热回收利用，达到节能减排的目的。相比于现有的空气压缩机，本发明的空气压缩机将余热回收装置全部集成于空气压缩机内部，占地面积仅增加约10％‑15％。本发明的余热回收方法可以回收空气压缩机余热总量的60％左右，回收的余热有多种利用方式，减少生产成本，提高企业竞争力。

Description

一种余热回收式空气压缩机及余热回收方法

技术领域

本发明涉及空气压缩机技术领域，特别是涉及一种具有余热回收功能的空气压缩机及余热回收方法。

背景技术

在许多工业企业中，空气压缩机都是保证正常生产必不可少的设备，同时也是能耗较大的设备之一。空气压缩机一般情况下能将常温常压(0.1MPa)状态下的空气压缩到0.8MPa-1.2MPa的压力状态。这一过程中会消耗大量的电能，然而，真正用于压缩空气消耗的电能只占总耗电量的15％-25％，其余电能均转换为热能，除了少量热量通过空气压缩机本体散发外，一部分热量进入压缩空气，使压缩空气的温度升高，另一部分热量由空气压缩机中的润滑油带走，使得润滑油的温度升高。

传统的空气压缩机中会设置空气冷却器和油冷却器，用来分别冷却压缩空气和润滑油，冷却器一般为管壳式换热器，交换获得的热量直接排放。

可见，压缩空气和润滑油中的热量基本都直接排放至大气，而没有回收再利用。此外，现有的用于空气压缩机的余热回收装置均设在空气压缩机的外部，即：在空气压缩机外部设置一套独立的余热回收装置；余热回收装置的占地面积与空气压缩机差不多，也就是说，外置一台余热回收装置后，总占地面积将近是空气压缩机本身的两倍。如在现有空气压缩机的基础上增设余热回收装置，需要对现有的空气压缩机进行大幅的改造，增加阀门、仪表、管路等一系列部件，改造后管路复杂、改造投资较大，且增设的余热回收装置还会增加占地面积，自动化程度低。

因此，在各行各业都大力发展节能减排、保护环境的前提下，急需一种节能减排的空气压缩机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，第一方面，提供一种与余热回收装置一体式的余热回收式空气压缩机，包括电动机(1)、压缩机主机(2)、进气过滤器(3)、油气分离器(5)、过油过滤器(9)和过气过滤器(6)；还包括油侧余热回收器(8)，油侧余热回收器内设有润滑油通路和介质通路，油气分离器的出油口连通润滑油通路的进油口，润滑油通路的出油口与过油过滤器的进油口连通，介质通路至少包括一组，其中一组介质通路中的介质为用于回收润滑油通路中润滑油余热的冷媒，回收余热后的冷媒由介质通路的出口排至外部用热装置。

所述油侧余热回收器为板式换热器；各组介质通路中的介质均不同。

所述介质通路为两组，另一组介质通路中的介质为用于可在油侧余热回收器中循环的冷却水。

所述油侧余热回收器包括设有冷媒进口和冷媒出口的冷媒通路，设有冷却水进口和冷却水出口的冷却水通路，设有进油口和出油口的润滑油通路，其中，油侧余热回收器的进油口与油气分离器的出油口相连，油侧余热回收器的出油口与过油过滤器的进油口相连，冷媒进口和冷媒出口分别通入和排出用来回收润滑油中余热的冷媒，冷却水进口和冷却水出口分别通入和排出用于调整润滑油温度的循环冷却水。

所述冷媒进口和冷却水进口分别设有第四电动阀门(15)和第三电动阀门(14)，第三电动阀门和第四电动阀门的开闭状态相反，以切换进入油侧余热回收器各组介质通路中的冷媒和冷却水；优选的，对应的冷媒出口、冷却水出口分别设有第二电动阀门(13)和第一电动阀门(12)。

还包括一集中控制器(10)，所述压缩机主机的进油口处设有温度传感器，用来检测进入压缩机主机中润滑油的温度；温度传感器与集中控制器电连接，将检测到的润滑油温度信号传递给集中控制器；所述集中控制器与所述电动阀门电连接，用来控制所述电动阀门的启闭和流量大小。

还包括一空气侧余热回收器(7)，所述空气侧余热回收器内设有压缩空气通路和介质通路，过气过滤器的出气口连通压缩空气通路的进气口，压缩空气通路的出气口与外部用气管路连通，介质通路中的介质为用于回收压缩空气中余热的冷媒，回收余热后的冷媒由介质通路的出口排至外部用热装置。

所述空气侧余热回收器包括设有冷媒进口和冷媒出口的介质通路，设有进气口和出气口的压缩空气通路，其中，空气侧余热回收器的进气口与过气过滤器的出气口相连，空气侧余热回收器的出气口与外部用气管路相连，冷媒进口和冷媒出口分别通入和排出用来回收压缩空气中余热的冷媒。

第二方面，本发明提供一种空气压缩机的余热回收方法，使用上述余热回收式空气压缩机，常温常压空气经进气过滤器除去杂质后进入压缩机主机内，与润滑油混合，再经压缩机主机压缩后形成高温高压的油气混合物，油气混合物由压缩机主机的油气出口排至油气分离器，将油气混合物分离成压缩空气和润滑油，分离后的润滑油进入油侧余热回收器的润滑油通路，与油侧余热回收器冷媒通路中的冷媒进行热交换，冷媒将润滑油中的余热回收(优选的，并将润滑油温度降至65℃以下)，换热后的润滑油经过油过滤器除去杂质后进入压缩机主机循环使用；

优选的，压缩机主机进油口处设的温度传感器实时检测进入压缩机主机的润滑油的温度并将温度信号传给集中控制器，当润滑油的温度处于设定温度范围内时，集中控制器控制油侧余热回收器冷媒通路中冷媒进口和冷媒出口上的电动阀门开启，冷却水通路中冷却水进口和冷却水出口上的电动阀门关闭；当润滑油的温度高于设定温度范围的上限时，集中控制器控制油侧余热回收器冷媒通路中冷媒进口和冷媒出口上的电动阀门关闭，冷却水通路中冷却水进口和冷却水出口上的电动阀门开启；当润滑油的温度低于设定温度范围的下限时，集中控制器控制油侧余热回收器冷却水通路中冷却水进口和冷却水出口上的电动阀门关闭，冷媒通路中冷媒进口和冷媒出口上的电动阀门开启并降低冷媒流量，减少与润滑油进行热交换的冷媒量，使润滑油油温恢复至设定温度范围。

分离后的压缩空气进入空气侧余热回收器的压缩空气通路中，与空气侧余热回收器冷媒通路中的冷媒热进行交换，冷媒将压缩空气中的余热回收(优选的，并将压缩空气温度降至约65℃以下)，换热后的压缩空气排至外部用气管路供后续用气设备使用。

本发明提供了一种带余热回收功能的一体式空气压缩机，空气压缩机正常运行的同时，能对产生的余热回收利用，达到节能减排的目的。相比于现有的空气压缩机，本发明的空气压缩机将余热回收装置全部集成于空气压缩机内部，占地面积仅增加约10％-15％；空气压缩机外部保留各接口，通过管道与外部用热装置(如厂内生活用水、厂内纯水系统用水、厂内采暖用水等)连接，管路简洁，自动化程度高。本发明的余热回收方法可以回收空气压缩机余热总量的60％左右，回收的余热有多种利用方式，如加热生活用水、加热纯水系统供水、加热冬季采暖水等，对生产过程中产生的热量施行精细化管理，降低生产成本，提高企业竞争力。

附图说明

图1所示为本发明余热回收式空气压缩机的外观示意图；

图2所示为本发明余热回收式空气压缩机的内部结构示意图；

图3所示为本发明余热回收式空气压缩机的余热回收流程图。

具体实施方式

本发明提供的余热回收式空气压缩机，如图1和图2所示，包括电动机1、压缩机主机2、进气过滤器3、进气调节阀4、油气分离器5、过气过滤器6、空气侧余热回收器7、油侧余热回收器8、过油过滤器9、集中控制器10、温度传感器11、第一电动阀门12、第二电动阀门13、第三电动阀门14、第四电动阀门15及管路。

压缩机主机2与电动机1连接，由电动机1为其提供传动动力。压缩机主机2上设有进气口、进油口和油气出口。进气口通过进气管道经进气调节阀4与进气过滤器3相连，将常压空气引入压缩机主机2内部与润滑油混合后进行压缩。压缩后的压缩空气与润滑油形成油气混合物由油气出口排出，油气出口与油气分离器5相连，油气混合物由油气出口排至油气分离器5。

油气分离器5用来压缩空气与润滑油分离，设有油气进口、出油口和出气口。油气进口与压缩机主机2的油气出口连通；出气口与过气过滤器6相连；出油口与压缩机主机2的进油口连通。

油气分离器5的出油口与压缩机主机2的进油口之间还依次设有油侧余热回收器8和过油过滤器9，即：油气分离器5的出油口与油侧余热回收器8的进油口相连，油侧余热回收器8的出油口与过油过滤器9的进油口连接，过油过滤器9的出油口与压缩机主机2的进油口连接；油气分离器5分离得到的润滑油先进入油侧余热回收器8，油侧余热回收器8对润滑油中的热量进行回收，回收余热了的润滑油进入过油过滤器9，除去杂质后进入压缩机主机2循环使用，以避免润滑油中的杂质损坏压缩机主机2的轴承。

过气过滤器6设有进气口和出气口，进气口与油气分离器5的出气口相连；过气过滤器6的出气口与空气侧余热回收器7的进气口相连，空气侧余热回收器7的出气口与外部用气管路相连。

空气侧余热回收器7和油侧余热回收器8选用板式换热器，传热系数高，相同体积情况下换热面积大(较管壳式换热器)，换热效果好。空气侧余热回收器7和油侧余热回收器8至少包括两组通路，压缩空气通路/润滑油通路，以及至少一组的介质通路；压缩空气通路上设有进气口和出气口，分别与过气过滤器6的出气口和外部用气管路连通；润滑油通路上设有进油口和出油口，分别与油气分离器5的出油口和过油过滤器9的进油口连通。两种余热回收器上均设有冷媒通路(其中一组介质通路)，冷媒通路上设有冷媒进口(见图3中的c和g)和冷媒出口(见图3中的a和e)，冷媒可用来回收压缩空气和/或润滑油中的热量，并将这些热量储存下来，冷媒出口与外部用热装置相连，将余热回收器回收的热量用于外部用热装置中。冷媒可选自外部用热装置中的介质，如外部用热装置是暖气，冷媒介质可选用采暖用水；如外部用热装置是生活用热水管道，冷媒介质选用生活用水；若外部用热装置为纯水系统，冷媒介质选用纯水系统用水。油侧余热回收器8上还设有冷却水通路(其中一组介质通路)，冷却水通路上设有冷却水进口(见图3中的f)和冷却水出口(见图3中的d)，若润滑油经冷媒换热后，油温还是过高，用来冷却水对润滑油进行冷却。

来自油气分离器5的高温压缩空气进入空气侧余热回收器7后，与冷媒充分换热，直接进入外部用气管路即可。因为外部用气管路和设备对于压缩空气的排出温度没有严格要求，因此，不需要在空气侧余热回收器的出气口设置温度传感器，也不需要在冷媒进口和冷媒出口处设置电动阀门。

油侧余热回收器8上的冷却水出口设有第一电动阀门12，冷媒出口设有第二电动阀门13，冷却水进口设有第三电动阀门14，冷媒进口设有第四电动阀门15。本发明空气压缩机内还设有集中控制器，第一电动阀门12、第二电动阀门13、第三电动阀门14、第四电动阀门15均与集中控制器10电连接；压缩机主机2的进油口处设有温度传感器11，温度传感器11也与集中控制器10电连接。温度传感器11可将润滑油的温度信号传递给集中控制器10，集中控制器10根据润滑油的温度，来控制冷却水和冷媒的启闭和通入量。

余热回收式空气压缩机中集中控制器10的控制原理如下：

压缩机主机2的正常运行是对润滑油油温有要求的，油温太高或者太低都不利于压缩机主机2的运行，因此在压缩机主机2的进油口设温度传感器11，当压缩机主机2正常运行时，集中控制器10控制第三电动阀门14和第一电动阀门12关闭，控制第二电动阀门13和第四电动阀门15开启，即：关闭油侧余热回收器的循环冷却水，停止冷却水对润滑油进行冷却，开启冷媒管道，利用冷媒给润滑油降温。若温度传感器11检测到压缩机主机2的进油温度高于设定值上限时，表明冷媒不能将润滑油油温降至设定值，此时集中控制器10控制第三电动阀门14和第一电动阀门12开启，控制第二电动阀门13和第四电动阀门15关闭，即：开启油侧余热回收器的循环冷却水，利用冷却水对润滑油进行冷却，关闭冷媒管道，暂停冷媒给润滑油降温，直至温度传感器11检测到油温恢复正常。若温度传感器11检测到压缩机主机2的进油温度低于设定值下限时，集中控制器10控制第三电动阀门14和第一电动阀门12关闭，控制第二电动阀门13和第四电动阀门15开启且控制其中的冷媒流量，减少与润滑油进行热交换的冷媒量，使润滑油油温恢复正常。

利用本发明的余热回收式空气压缩机对压缩空气和润滑油的余热进行回收，其流程图如图3所示，外界常态空气(按温度20℃，压力0.1MPa)依次经进气过滤器3和进气调节阀4，除去其中的杂质(以免损伤轴承)，由进气口进入压缩机主机2内，与压缩机内主体2进油口喷入的润滑油相混合，经压缩机主机2压缩后，形成高温高压的油气混合物，温度一般为95℃-110℃，压力约0.80MPa。油气混合物由油气出口排出压缩机主机2，通过管道进入油气分离器5进行分离，分离后的润滑油进入油侧余热回收器8，通过与冷媒热交换，将润滑油温度降至约65℃，之后经过油过滤器9进入压缩机主机2循环使用。压缩空气经过油气分离器5与润滑油分离，再经过气过滤器6的过滤，除去压缩空气中未被油气分离器5分离掉的微小油滴后，经管道进入空气侧余热回收器7，与冷媒换热后温度降至约65℃，通过空气侧余热回收器7的出气口(见图3中的b)排出本发明的空气压缩机，进入外部用气管路供后续用气设备使用。

用本发明的余热回收式空气压缩机回收余热时，润滑油温度从100℃降至65℃，温降35℃；压缩空气温度从100℃降至65℃，温降35℃。按空气压缩机换热温差为10℃计算，也就是说与润滑油或压缩空气换热后的冷媒可达到的最高温度约为55℃，足够生活用水、纯水系统供水、冬季采暖水的温度要求。在不影响空气压缩机正常运行的前提下，也可以将润滑油和压缩空气的换热终端温度提高，以获得更高的换热后冷媒温度。

以下结合具体实施例，更具体地说明本发明的内容，并对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明进行限制。

实施例

某企业压缩空气站设计安装有功率为250kW的空气压缩机A五台，四台使用一台备用。根据空气压缩机厂家提供的实验室资料，此机型在满负荷运行时，最大工作压力下，冷却水进水温度12-15℃，出水温升Δt＝20℃时，冷却水需求量约为9.4t/h，循环冷却水带走的热量约为218kW。

本实施例的余热回收式空气压缩机中压缩机主机、过油过滤器、过气过滤器、油气分离器、电动机均为传统空气压缩机中常用部件，可商购。使用本实施例余热回收式空气压缩机B(其中压缩机主机、过油过滤器、过气过滤器、油气分离器、电动机与空气压缩机A中使用的型号规格均相同)，可回收循环冷却水中约130.8kW的余热量，大约可以回收循环冷却水中60％的余热量，四台空气压缩机可以回收总余热量523.2kW。将此余热量全部用于加热厂区采暖水时，其回收热量及经济分析见表1。

表1余热量用于加热采暖水的计算分析

由表1的数据可知，虽然本实施例的余热回收式空气压缩机要比传统空气压缩机的投资多，五台本实施例的余热回收式空气压缩机比传统空气压缩机要多投资100万元左右，然而本实施例空气压缩机一年可减少130万元的燃油费用，按此计算，本发明的空气压缩机使用9.3个月，就能将多投资的100万元从燃油费中节省出来，相当于不到两个采暖季，即可将多投资的部分节省回来，经济效益客观。

本实施例的余热回收式空气压缩机比相同规格的传统空气压缩机(外置余热回收设备的空气压缩机本身的体积)体积仅增加约10％-15％，并不会增加过多的占地面积；且本实施例的空气压缩机不用扩建厂房，不增加土建成本，有更明显的优势。

本发明余热回收式空气压缩机高度集成，将余热回收装置集中布置在空气压缩机内部，为一体式机型；各部件之间的管路简单、距离短，管路造成的热损失小，且采用了传热系数更高的板式换热器作为余热回收器，使得换热效果好，能够最大限度地回收压缩空气和润滑油中的余热，集成设计的空气压缩机造价也更低。相比传统外置余热回收装置的空气压缩机，本发明空气压缩机占地面积小，占地面积可缩小约2/3(与传统空气压缩机和外置的余热回收装置的占地面积总和比)，仅比传统空气压缩机的占地面积增加10-15％(与传统空气压缩机本身的占地面积比)，即本发明的空气压缩机体积与传统空气压缩机基本相同，布置更加灵活。本发明的空气压缩机中设置有集中控制器，通过电动阀门及温度传感器等自动化装置，实现自动化运行，且可根据各种工况自动切换，自动化程度高，可实现无人运行，节约人力成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的内容。

Claims (10)

1.一种余热回收式空气压缩机，包括电动机(1)、压缩机主机(2)、进气过滤器(3)、油气分离器(5)、过油过滤器(9)和过气过滤器(6)；其特征在于，还包括油侧余热回收器(8)，油侧余热回收器内设有润滑油通路和介质通路，油气分离器的出油口连通润滑油通路的进油口，润滑油通路的出油口与过油过滤器的进油口连通，介质通路至少包括一组，其中一组介质通路中的介质为用于回收润滑油通路中润滑油余热的冷媒，回收余热后的冷媒由介质通路的出口排至外部用热装置。

2.根据权利要求1所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，所述油侧余热回收器为板式换热器；各组介质通路中的介质均不同。

3.根据权利要求2所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，所述介质通路为两组，另一组介质通路中的介质为用于可在油侧余热回收器中循环的冷却水。

4.根据权利要求3所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，所述油侧余热回收器包括设有冷媒进口和冷媒出口的冷媒通路，设有冷却水进口和冷却水出口的冷却水通路，设有进油口和出油口的润滑油通路，其中，油侧余热回收器的进油口与油气分离器的出油口相连，油侧余热回收器的出油口与过油过滤器的进油口相连，冷媒进口和冷媒出口分别通入和排出用来回收润滑油中余热的冷媒，冷却水进口和冷却水出口分别通入和排出用于调整润滑油温度的循环冷却水。

5.根据权利要求4所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，所述冷媒进口和冷却水进口分别设有第四电动阀门(15)和第三电动阀门(14)，第三电动阀门和第四电动阀门的开闭状态相反，以切换进入油侧余热回收器各组介质通路中的冷媒和冷却水；优选的，对应的冷媒出口、冷却水出口分别设有第二电动阀门(13)和第一电动阀门(12)。

6.根据权利要求5所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，还包括一集中控制器(10)，所述压缩机主机的进油口处设有温度传感器，用来检测进入压缩机主机中润滑油的温度；温度传感器与集中控制器电连接，将检测到的润滑油温度信号传递给集中控制器；所述集中控制器与所述电动阀门电连接，用来控制所述电动阀门的启闭和流量大小。

7.根据权利要求1-6任一所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，还包括一空气侧余热回收器(7)，所述空气侧余热回收器内设有压缩空气通路和介质通路，过气过滤器的出气口连通压缩空气通路的进气口，压缩空气通路的出气口与外部用气管路连通，介质通路中的介质为用于回收压缩空气中余热的冷媒，回收余热后的冷媒由介质通路的出口排至外部用热装置。

8.根据权利要求7所述余热回收式空气压缩机，其特征在于，所述空气侧余热回收器包括设有冷媒进口和冷媒出口的介质通路，设有进气口和出气口的压缩空气通路，其中，空气侧余热回收器的进气口与过气过滤器的出气口相连，空气侧余热回收器的出气口与外部用气管路相连，冷媒进口和冷媒出口分别通入和排出用来回收压缩空气中余热的冷媒。

9.一种空气压缩机的余热回收方法，使用权利要求1-8任一所述余热回收式空气压缩机，常温常压空气经进气过滤器除去杂质后进入压缩机主机内，与润滑油混合，再经压缩机主机压缩后形成高温高压的油气混合物，油气混合物由压缩机主机的油气出口排至油气分离器，将油气混合物分离成压缩空气和润滑油，其特征在于，分离后的润滑油进入油侧余热回收器的润滑油通路，与油侧余热回收器冷媒通路中的冷媒进行热交换，冷媒将润滑油中的余热回收(优选的，并将润滑油温度降至65℃以下)，换热后的润滑油经过油过滤器除去杂质后进入压缩机主机循环使用；

优选的，压缩机主机进油口处设的温度传感器实时检测进入压缩机主机的润滑油的温度并将温度信号传给集中控制器，当润滑油的温度处于设定温度范围内时，集中控制器控制油侧余热回收器冷媒通路中冷媒进口和冷媒出口上的电动阀门开启，冷却水通路中冷却水进口和冷却水出口上的电动阀门关闭；当润滑油的温度高于设定温度范围的上限时，集中控制器控制油侧余热回收器冷媒通路中冷媒进口和冷媒出口上的电动阀门关闭，冷却水通路中冷却水进口和冷却水出口上的电动阀门开启；当润滑油的温度低于设定温度范围的下限时，集中控制器控制油侧余热回收器冷却水通路中冷却水进口和冷却水出口上的电动阀门关闭，冷媒通路中冷媒进口和冷媒出口上的电动阀门开启并降低冷媒流量，减少与润滑油进行热交换的冷媒量，使润滑油油温恢复至设定温度范围。

10.根据权利要求9所述余热回收方法，其特征在于，分离后的压缩空气进入空气侧余热回收器的压缩空气通路中，与空气侧余热回收器冷媒通路中的冷媒热进行交换，冷媒将压缩空气中的余热回收(优选的，并将压缩空气温度降至约65℃以下)，换热后的压缩空气排至外部用气管路供后续用气设备使用。

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