工业实用效率

空气和水冷式空气压缩机的热量回收经济学

介绍

人们普遍认为,压缩空气系统占所有电力的10%,大约16%的美国工业电机系统的能源使用。在美国,百分之七十的制造设施使用压缩空气来驱动各种工艺设备。(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他们的能源成本,这可以在不到两年的时间内带来10%到15%的系统能源减少,简单的回报。(2)

如果可以使用减少的系统压力,还应检查系统操作员。使用中央控制系统可以更有效地将现有的空气压缩机级为周期性需求。增加的存储容量也可以减少压缩机的不必要的高需求循环。

本文主要针对识别和量化空气压缩机本身的热收恢复的可能性。空气冷却和水冷式空气压缩机都可用于通过使用适当设计和尺寸的热回收系统来提供生产设备中的成本节省。

七个关键可持续发展项目

1.计量 5.照明
2.需求控制 6.热回收
3.暖通空调的优化 7.项目实施
4.压缩空气

计算可回收的BTU

通过回收空压机产生的多余热量,可以减少工厂的总“碳足迹”、能源消耗,并降低运行成本。
电动机通过压缩过程将能量注入压缩气流。电机功率通常以马力为单位。一马力相当于2545英热单位每小时。虽然大多数空压机以额定马力尺寸出售,但它们通常可以在电机铭牌额定值以上10%的负载下运行,以实现额定压缩机排气压力和满负荷输出。压气机轴处的马力,也称为制动马力(bhp),可达电机铭牌马力的10%以上,安全消耗电机1.15的大部分使用系数。因此,一个100马力的压缩机(110 bhp)在满载时可以将电能转化为近280,000 BTU /小时。此外,假定效率为93%的风冷电机本身每小时额外散发19,600 BTU的热量。

空气压缩机增加压力,按比例减少空气的体积。由于压力的增加,最初进入空气的能量势能现在处于一个高得多的水平,准备在压缩空气系统的下游做功。通过热传递,电机将80% -90%的能量放入压缩空气中是可能的。必须消除热量,以保持压缩机的公差和间隙,通常必须冷却压缩空气,使其适用于大多数工艺。即使在多余的热量被除去之后,压缩空气仍然含有能做有用的功的能量。

热和功是传递能量的两种不同的方法。在压缩过程增加空气压力和温度后,没有作为功使用的能量,压缩剩余的热现在可以重复使用。不幸的是,现在大多数工厂都将多余的热量“倾倒”在室外,而这些热量本来可以被再利用,从而降低运营成本。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,家庭或过程热水或预热锅炉补充水。

气冷式空气压缩机

通常,来自空气冷却的压缩机的热回收电位仅限于补充空间加热。在考虑使用风冷压缩机的使用时,适当尺寸的管道制作和助推器风扇的使用引导从中央压缩机房间回收到再生热的所需位置可能是一个显着的费用。多次空气冷却的压缩机被降级为“锅炉室”,其没有适当的通风。这些集中式压缩机可以经历升高的工作温度,降低设备寿命,提高维护和维修成本,最终可以产生不可靠的空气系统。良好通风系统的初始成本通常远远低于热运行环境的持续增加的维护成本。建议咨询HVAC专家,以确保适当的通风,并评估具有风冷压缩机的可能热恢复机会。

空气压缩机系统越大,由于所需的大空气流,越难以回收产生的大部分产生的热量。250个BHP,风冷空气压缩机会产生约636,000 BTU / HR的热量。这将需要大约15,000 CFM的空气运动。

压缩机通风系统设计还应考虑对厂房的其余通风系统的额外效果,包括加热,空调和可能影响空气压缩机性能的可能负压和正压力。

水冷式空气压缩机

从水冷压缩机的热回收潜力具有灵活性,允许各种形式的热使用。有两种主要类型的水冷系统可用;开式冷却循环和闭式冷却循环。开环冷却是通过使用再循环,开环,冷却塔水,或一次通过井水或城市水,然后排放到下水道或环境完成。

直流冷却系统

一旦通过冷却系统可以有效地将进入的水的温度从50°F提高至约90°F,然后可以用于预热锅炉饲料水,国内或工艺加热水。最终必须将该水放电到卫生下水道或必须获得对环境的允许。由于不处理水,因此必须考虑来自溶解的固体和空气压缩机热交换器的潜在腐蚀的垢的施加成空气压缩机系统的生命周期维护成本。放电的成本可以比下水道费,环境测试和许可,以及所需的可能治疗更昂贵。

循环开环冷却系统

闭环蒸发系统冷却塔是这类系统中最常见的形式。这些系统利用蒸发原理将水冷却到环境下的干球状态。在美国,基于75°F到78°F湿球温度,大多数塔系统设计为提供85°F的冷却水。

与直流系统相比,冷却塔将大大减少用水量。但是,它们需要额外的水处理费用,以减少以下方面的潜力:

  • 从冷却水中的较高浓度的溶解固体缩小
  • 来自藻类和细菌的冷却水的潜在生物污染
  • 从大气污垢和碎片中吹入水中的冷却水的过滤量从塔式风扇中吹入水中。

大多数冷却塔的设计温度为10°F,但也可以设计为更高。水垢的形成势随着水温的升高而增大。必须小心确保热水不超过大多数冷却塔内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、生活用水或工艺热水。它可能用于空间加热潜力,但典型的较低的入口温度(95°F)会从冷却盘管中产生较低等级的加热空气,有时被认为“太冷”。同样,在这些较低的温度下,线圈的表面积更大,以允许适当的热提取。塔水不应该用来回火建筑补气,因为当入口环境温度低于冰点时,很有可能发生盘管冻结。

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,干式配有修剪冷却器,蒸发式和水 - 水热交换器系统。
一个闭环热交换器

所有这些系统的主要优点是,由于它们是闭环的,您几乎可以消除水引起的维护问题,您的压缩机。除了用乙烯或丙二醇混合物与缓蚀剂填充它们的初始费用外,它们不需要持续的水处理,除了每年检查您的冬季环境空气条件的浓度和验证适当的pH值水平。

由于压缩机热交换器将保持几乎无垢的状态,因此可以在不损失设备冷却的情况下,在压缩机热交换器上获得更高的温差。大多数压缩机的设计允许25°F至30°F的温度上升干净的热交换器。如果一个新的闭环冷却系统是在现有系统的开式冷却水循环上进行改造,那么换热器必须在安装到新的闭环冷却系统之前进行清洗。

闭环干燥冷却器由于较高的液体温度从负载返回,闭环系统允许更好的空间加热潜力。这些较高的温度允许从热回收线圈中排出空气通常在高90°F范围内。再次具有更高的操作系统温度,冷却线圈的尺寸可以是减小的尺寸,并且仍然允许适当地冷却空气压缩机冷却流体。此外,由于它们将具有适当的乙二醇解决方案,以防止在冬季条件下冻结,它们可用于预热中央空气处理器上的化妆空气。

一个大型干式冷却器系统通过管道系统而不是管道系统将热流体输送到工厂中最需要热回收的遥远地点也更容易。如果一个区域的空间加热需要更分散的热空气,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:一个正确设计的热回收系统不是减小主冷却系统的尺寸。如果您没有出于任何原因利用热回收系统,则必须仍然尺寸为初级冷却系统,以拒绝由压缩机产生的户外热负荷。

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。在标准立方英尺方面描述了天然气的生产,这是60华氏度的气体量,每平方英寸的压力为14.65磅。类似于用于油的惯例,术语“MCF”是指1万立方英尺的气体和“MMCF”是指100万立方英尺的气体。

“MMBTU”(1,000,000 BTU)大致相当于970立方英尺的气体。您的燃气账单可能在MCF或1000立方英尺上定价。消费者经常将气体的MCF视为相当于一个MMBTU。它实际上是MCF(1,000立方英尺)= 1,030,928 BTU
一些天然气账单仍然以“热值”标价,即1热值= 100,000 Btu

天然气市场的期货价格在纽约商品交易所(New York Mercantile Exchange)出售,现货价格通常在亨利中心(Henry Hub)确定,以100万美元/百万英热(mmbtu)计价英国热门单位)通常被认为是北美天然气市场的主要价格。该定价是分销公司的成本,由于分销公司增加了运输成本,您的定价将更高。您应该检查您当前的计费语句以获得准确的数据。

图表

亨利枢纽是路易斯安那州埃拉瑟天然气管道系统的观点。它由Sabine管线LLC拥有。它与九州际公路和四个内部管道互连:Acadian,哥伦比亚海湾传播,海湾南管道,桥梁,NGPL,海罗宾,南部天然管道,德克萨斯州燃气传输,横贯大陆管道,干燥线管道,杰斐逊岛和萨宾。
石油生产公司以桶来衡量石油产量。一桶,通常缩写为bbl,等于42美国加仑。石油行业常用的方法是用前缀“m”表示1000,用前缀“mm”表示100万。因此,1000桶通常记为“mbbl”,100万桶记为“mmbbl”。

如果您使用油来燃料锅炉,我们可以使用石油等价物(BOE)将石油使用转换为燃气能量等效基础。一个Boe的能量相当于6040立方英尺的气体 - 或6.04 MCF x 1,030,928 BTU / MCF = 6,226,805 BTU,每桶油用法。美国内部收入服务将其定义为等于5.8×106 BTU(5,800,000 BTU)
您的结果应基于您的实际热量负荷,您的本地天然气成本,以及您在操作条件下的最佳估算(每年有数周和HRS /日/周)。该示例仅供您参考和指导。历史性的工业天然气价格可以找到http://tonto.eia.doe.gov/dnav/ng/ng_pri_sum_a_epg0_pin_dmcf_a.htm.

例子

让我们假设我们有一台400马力的水冷空气压缩机,它将产生1018,000英热单位/小时。我们可以通过任何一种方式节约能源;

  • 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
  • 从城市供水中预热妆容或加工热水。

让我们也假设我们有一个非常高效的燃烧器在空间加热器或锅炉上以80%的效率。大多数新型高效燃烧器都接近这个数字,而现有的老式燃烧器可能在60%的范围内。

目前天然气井口期货价格定价(9月交付2009)= $ 3.58 / mmbtu(不包括配送成本)。典型的工业天然气定价包括分销费用通常约为2.00美元。目前的天然气价格低于七年。

天然气历史价格

此示例显示了空间加热的节省。可能是如果您预热水,您可能能够每小时节省您的工厂运行的能量。如果我们能够每年回收1,018,000 BTU / HR(假设70°F或更低的环境空气温度),我们将节省4,104 mmbtu / yr。

如果我们以80%的燃烧器效率减少天然气加热,那么需要5130 mmBtu/年输入的天然气能量才能产生4104 mmBtu/年的加热输出量。51.3亿英热/年乘以5.58美元/百万英热,每年节省28625美元。

二氧化碳减少潜力

如果你对减少你的碳足迹感兴趣,用上面同样的例子,这也会减少你的CO2排放约5,130mbbtu / yr x 113 lb co2/ MMBTU = 579,690 LBS CO2/ Yr。再次这些计算适用于400 HP压缩机。对于100 HP压缩机,可以实现每年7,156美元,144,922磅CO2减少。

正如人们所看到的,有令人信服的理由考虑将热回收系统集成到一个新的安装或改造现有系统。根据设施的运行计划、气候条件和回收热的潜在用途,系统的回报是多种多样的。一个额外的生命周期考虑应该是减少维护和潜在的更长的空气压缩机生命周期,这可以通过一个适当设计的冷却系统来完成。

如果您正在考虑使用从您的压缩机中丢弃的热量,您应该联系冷却专业人员,以帮助您评估您的系统。热量恢复和“环保”是每个人的热门名单。然而,这需要正确地进行,以提供适当的估计回报。

有关更多信息,请联系HydroTroft Corporation以电子邮件:sales@hydrothrift.com,电话:330-837-5141,www.hydrothrift.com。

参考书目:
(1)评估压缩空气效率服务市场;能源效率和可再生能源办公室;
美国能源部;2001年6月。DOE / GO-102001-1197
同时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


额外阅读:
压缩空气挑战,www.CompressionalChallenge.org。
美国能源、能源效率和可再生能源部,工业技术项目,DOE/GO-102033-1822