离心式空气压缩机中间冷却器热交换效能提升与节能的关系

 离心式空气压缩机中间冷却器  热交换效能提升与节能的关系       溢泰鸿(天津)节能技有限公司    天津市南开区科研西路12号252室电话：[phone]传真：[phone]广州市天河区黄埔大道西505号B栋2116室手机:[phone]电子邮箱:[e-mail]2目录前言‧˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙4影响离心式空压机运转的效率因素˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙4清除离心式空压机中间冷却器内壁的水垢以及保持中间冷却器内壁洁净度的方法保持中间冷却器散热效果的经济价值6结论˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙17参考文献˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙183离心式空气压缩机中间冷却器热交换效能提升与节能的关系前言压缩空气的用气量，随者产业结构的改变，用气量日益增加。在生产工业上，压缩空气被视为一种能量，通成为第四种能源。鉴于压缩空气气源是由压缩机做功，按气体定理的物理变化而得到的一种能源，根据气体压缩做功的原理或过程，我们可以了解如何以最经济的能源消耗，得到最大的输出功，即压缩空气的取得，需要评估最低的能源需求，是一项重要考虑因素。降低压缩功的能源需求，需要根据气体定律的原理，满足PV图的最小多变指数。因此设置中间冷却器以降低压缩功的需求。如何提升中间冷却器的热交换效果，则是降低减少压缩机做功的唯一诉求。壹、影响离心式空压机运转的效率因素1.1压缩空气的性质压缩空气本身的下列性质影响空压机的运转效率；˙温度˙压力˙比体积˙压力露点温度1.2中间冷却器的性质迅速将压缩机出口的压缩空气温度冷却，把95%以上的水份自饱和空气中分离，提供高质量的压缩空气供下个阶段的制程使用。因此，中间冷却器是一个热交换器，它必须保持稳定的高效率热交换能力，才能提供高质量压缩空气让工业制程有效率的稳定运转。1.2.1中间冷却器的功能˙降低下一阶段压缩过程的多变指数n值(polytropicindex)，使压缩过程接近等温过程的绝热压缩过程(adiabaticcompressionprocess)，从而减少降低压缩机马力的消耗。中间冷却器的效率=3121TTTTT1进入中间冷却器的空气温度℃T2离开中间冷却器的空气温度℃T3进入中间冷却器的冷却水温度℃中间冷却器的效率标准设计值在0.7-0.9。中间冷却器的效率对于压缩空气密度的提升，可以有效降低后段压缩机的电力消耗。中间冷却器对压缩空气密度的提升效率=1221PPTTT1进入中间冷却器的空气温度K(273℃+t1℃)T2离开中间冷却器的空气温度K(273℃+t2℃)P1进入中间冷却器的空气压力barP2离开中间冷却器的空气压力bar4中间冷却器对压缩空气密度的提升效率，就是压缩机马力可以降低的%指数。˙降低下一个压缩行程的空气比体积。离心式空压机的工作原理是藉离心叶伦转动的动能来输送空气，压缩过程系等压，等温，改变气体体积，以离心叶伦转动的动能加速气体速度变换为压力。所以进入离心式压缩机的气体比体积需要越小越好，空压机的出气量才能满足使用端需求。下面图1的P-V图，可以说明一个二段压缩机，中间冷却及多段压缩的数学关系。.从上面的例子，下面图2的T-S图，也可以清楚说明中间冷却器的冷却能力对压缩机马力降低的重要。中间冷却器的压力Px=21PP节省的压缩机马力实际的马力第二段压缩第一段压缩中间冷却器的冷却能力中间冷却器的冷却能力图1二段压缩的P-V做功图图2二段压缩的T-S做功图多变过程等温度过程5再以P-V图确认气体压缩过程的冷却效果，对压缩机耗能的影响。从上面的P-V突击T-S图，我们可以了解并确定，在气体压缩过程，如果有足够的中间冷却能力，压缩机所耗的能源必定大幅下降。所以，空压机中间冷却器的冷却能力的确保，是不容忽视的问题。离心式空压机操作管理的工程口诀：□1压缩机进气温度少5%，压缩机马力少5%□2压缩机马力一定，压缩机进气温度少3℃，则压缩空气的气量增加1%。□3冷却水温度每增减5℃，会影响冷冻机功率1.5%1.2.2中间冷却器热交换效率的提升中间冷却器热交换效率的提升方法，主要是将附着于热交换器管内壁的污垢或水垢清除，保持洁净的热交换面积，让冷却水与高温的压缩气体进行热交换，把气体的温度有效降低7-10℃，使气体进入下一个阶段压缩时，提升压缩机效率，有效降低压缩机能源损耗。貳、清除离心式空压机中间冷却器内壁的水垢以及保持中间冷却器内壁洁净度的方法2.1化学添药法中间冷却器运转一段时间后，管内壁会因下列原因而影响其热传效果；1.管内壁结垢水中存在的大量碳酸钙、碳酸镁等盐类物质是直接原因。管内壁结垢将导致热交换器效率的明显降低，而水的温度及PH值亦直接影响结垢的速度。2.有机物薄膜管内壁会聚集附着许多有机物质、细菌、藻菌˙˙˙等有机物薄膜，导致热交换器效率的明显降低。等温等焓过程。压缩过程没有冷却多变过程。压缩过程给予适当冷却等温过程。压缩过程充分冷却压缩机做功所销耗的能源图3气体压缩过程与P-V的关系压缩功63.管内壁的腐蚀与节水垢机构冷却水与空气在冷却水塔进行热交换，除了水中的潜热(latentheat)被空气带走外，也有许多空气溶入水中。＊溶在水中的氧，进入到热交换器内与冷凝管内壁产生化学的氧化变化，Fe(s)→Fe+2(aq)+2e－Fe+2(aq)→Fe+3+e－Cu(s)→Cu＋2＋2e－Cu＋2(aq)→Cu＋2＋e－＊此时，水中的H+数量减少，OH－数量增加，即PH值增加2H2O+2e－→H2+OH－＊OH－与冷却水管或冷凝器的管内壁直接反应如下：Fe+2(aq)+2OH－(aq)→Fe(OH)2(s)Fe(OH)2(s)是一种不稳定的，不溶于水的固体物，称绿铁锈(greenrust)Fe+3(aq)+3OH－(aq)→Fe(OH)3(s)Fe(OH)3(s)是一种稳定的，不溶于水的固体物，称红色铁锈(redrust)或成熟松动的结晶锈(lossporousrust)。冷却水管或冷凝器的管内的液态浓锈水，经过一段时间的过程转变，这些液态浓锈水将以固态结晶现象存在，它的化学分子式为Fe2O3‧H2O，颜色为「红褐色(red-brown)」。＊水中的氢离子…等产生化学氧化变化如下：H2O→H++OH－H2(g)→2H+(aq)+2e－4Fe+2(aq)+4H+(aq)+O2(aq)→4Fe+3(aq)+2H2O(liq)Fe+3(aq)+3OH－(aq)→Fe(OH)3(s)＊水中的二氧化碳(CO2)…等产生化学氧化变化CO2+H2O→H2CO3H2CO3→H++HCO3－HCO3－→H++CO3－2水中氢离子(H+)又开始与二价铁离子(Fe+2(aq))，二价的铜离子(Cu＋2(aq))或三价铁离子(Fe+3(aq))进行氧化化学应。进而产生铁锈或铜锈。综上所述，管内壁的污垢属铁锈，碳酸钙，碳酸镁，˙˙˙等结晶物质。因为结水垢的过程都属氧化过程，所以化学药剂添加，使水垢或锈蚀还原。按质量不灭定律，大量添加的化学药剂，一直存留在水系统，过量的化学药剂沉淀析出残留附着管壁，形成薄膜及腐蚀，无法完全提升中间冷却器的热交换效益。化学添加药物法虽然可以清洁管壁表面的污垢，但是造成管壁的腐蚀，管壁光滑度却降低，此与污垢系数之增加无异。另外，环境遭受化学污染的问题隐忧亦日益严重，遭受诟病。2.2人工机械清洁法人工机械清洁法，耗费工时，对管壁意外伤害所造成的粗糙表面程度严重，却往往被人忽略或因无计可施而采取视而不见的驼鸟心态面对之。此外，每隔一段时间才清除污垢的当中，却已因污垢系数逐渐增加而无形中多耗损能源了。ㄧ般当能源消耗增加到120%的时候，维护人员才会停机打开冷凝器清洁管内壁。下面的图4说明人工机械清洁法，只是暂时解决机垢影响热效益的方法，非一劳永逸的方法。下面的图5说明清洁热交换器内壁的节约能源效益为20%。因为一般热交换器允许的热损失或能源效率损失的最大设计值为20%，所以当热交换器表面的污垢增加到热损失或能源效率损失高达设计值的20%时，必需启动热交换器的压力保护装置，快速跳脱，切断主机运转电源，停止压缩机的继续运转，保障热交换器压力容器的安全。7上述人工方法虽然暂时清洁了管壁表面的污垢，但是二次污染、腐蚀管壁(粗糙度)…等，影响热交换器运转效益及使用寿命却常被疏忽。2.2.1兹说明并推荐棉球式自动清洁热交换器装置对空压机中间冷却器提升热交换效率的系统如下；CQM-ATCS系统的海棉球自动清洁热交换器装置，以不伤害管壁的棉球自动清洗每一根铜管，可适时有效的将化学腐蚀沉积物清除干净，防止热交换器管内壁的腐蚀机构继续进行腐蚀作用；此外，CQM的作用可以改变水中物质的化学反应机构及速率，达到防止与抑制腐蚀速率的进度。高棉球方式有别于传统的钢刷或尼龙刷的刷洗清洁系统。钢刷或尼龙刷的刷洗清洁系统除了刷洗过程的压降很大无法降低外，也对高效率热交换器铜管的精密螺纹造成磨损伤害，影响热交换器原始设计值及效率。(如上图5所示)目前诸多国内外业者已普遍采用『热交换器自动清洗设备』来达成目标。该『热交换器自动清洗设备』(CoolingQualityManagement以下简称『C.Q.M系统』)。因为该装置系统可确实稳定保持中间冷却器、冷凝器、冰水蒸发器等之热交换器铜管内壁洁净，既无环保问题，又无设备维修、腐蚀、更换零件…等问题，更重要的是为业者节省大量能源。针对C.Q.M系统之原理、安装、操作方式及效益评估分别叙述如后。2.2.2CQM棉球式热交换器自动清洗系统的原理、操作C.Q.M.系统是一套无须有人在场看顾或任何保养的冷凝管全自动清洗系统。该系统可分成四阶段的循环运作:1.待命：所有的圆球在收集器里(Collector)[2]就定位。2.注入圆球：经由注球器(Injector)[3]以气压(大于主水管压力2Bar)将所有的圆球同时注入主水管的入口。3.收集圆球：水流将圆球带过热交换器，然后集中至球捕捉器(BallTrap)[1]。球捕捉器将排除圆球被带往冷却塔的可能性。4.圆球复归：控制器(Controller)[2]启动阀门，将所有的圆球推往收集器。当圆球通过管路时即清除并带走管壁污垢，然后回到收集器待命及藉由扰动水流清洁圆球，等待着下一次循环(30分钟后)。※圆球材质为天然橡胶，具有弹性及良好耐磨特性，并选择稍大于管径之型号，故可彻底清洁管壁。※根据流体力学原理，单一管路不会同时有多颗圆球进入，故所有圆球将平均分布通过不同管路，依或然率最终所有管图4污垢累积与增加耗能相关图(人工清洗方式)能源人工清洁开始时间能源人工清洁开始时间图5污垢累积与增加耗能相关图(自动连续清洗方式)自动连续清洗方式8路均会有圆球通过清洗。2.3电双层效应清洁热交换器污垢的原理与方法根据物理化学的胶体原理，以微观的(microscopeview)方式解决水中不纯物质避免对热交换器表面积垢及腐蚀的问题。电双层原理的效应是热交换器水垢及锈蚀防止的主要依据。将大量的负电子加入到冷却水中，使水中含有大量的负电子；这些负电子流(negativeelectronflow)在流体内与热交换器内壁之间的电双层电位效应(electricaldoublelayer)，可以快速清除热交换器内壁之污垢并防止任何型态的腐蚀现象发生。下面图7为电双层的定义。图7电双层的定义：「位于SternLayer与DiffuseLayer之间的电位差称之为电气二重层(电双层)。」图6CQM棉球式冷凝器自动清洗系统的原理、操作及该系统所分成四阶段的循环运作(1)BallTrap球捕捉器(2)Collector收集器(3)Injector注球器(4)Controller控制器(5)(6)ControlValve控制阀(7)(8)CheckValve检测阀正电子负