工艺排风热值回收的节能分析

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(中原工学院, 郑州450007)

机器对电能的消耗，除部分以机械能的形式转移到产品中外，大多以摩擦热的形式存在。这些热量若不及时排出，会使机器运行温度升高，功率消耗增大，最终可能导致机器损坏。为了维持机器的正常运转，需要对机器进行冷却、抽风或者清洁处理，将这部分排风称为工艺排风。一般情况下，工艺排风温度比车间温度高5～15 ℃[1]，其携带大量热量，而这部分热量中很大一部分是可以被回收利用的，若将其全部排出室外是极大的浪费。鉴于此，有必要对工艺排风中的热值进行回收。本文针对大发热量车间的情况，对如何回收利用工艺排风中的热值进行了分析和探讨，为改善车间工作条件、空调系统的节能减排设计和改造提供技术依据。

1 原 理

机器密集型车间散热量较大，即使在冬季，车间温度也偏高，需要将较高温度的工艺排风排出室外，同时不停地向车间送冷风，以确保车间温度不会过高。而机器设备较少的车间，因为整体发热量小，在冬季仅靠机器发热量不足以保证车间的温度。为满足人体卫生标准和工艺生产要求，在冬季必须对机器较少的车间补充热量。这样便出现了缺热的车间需补热，而温度较高车间的工艺排风却大量外排的矛盾。

为解决此类矛盾，在冬季，只需在原基础上设置工艺排风迁移风道，将工艺排风中的热值回收至缺热的车间，工艺排风量迁移示意图如图1所示。将机器密集型车间1的工艺排风部分或全部转移至机器较少的车间2，同时对车间1加大新风量，保障车间的风量平衡和正压要求，减少空调室的需冷量。而在夏季及其他季节，则关闭迁移风道。

图1 工艺排风热量迁移示意图

在夏季，当工艺排风焓值低于新风焓值时，将全部或部分工艺排风与新风混合以降低新风焓值，从而减少空调室需冷量和新风使用量。但当工艺排风焓值高于室外新风时，目前常用的方法是把工艺排风全部外排，但由于工艺排风量较大，车间新风使用量过多，增加空调运行费用。因此，本文提出更节能的措施，即不论工艺排风焓值是否高于室外新风，全部回收工艺排风，而后使用空调室的循环回水对其进行预冷，使其焓值低于新风焓值，这样可大大减少新风使用量，同时也降低了空调室的需冷量。

2 热湿处理过程

在冬季，新风与回风混合至状态C′后，与工艺排风混合到送风状态点O送入车间，缺热车间全部由工艺排风补热，全部使用工艺排风补热的处理过程如图2所示。如果新风与回风、工艺排风混合后低于室内送风状态O的要求，可将新风与回风混合空气分成两部分，一部分与工艺排风混合到状态点O″，另一部经喷淋室绝热加湿到机器露点K′，表面器再热到O′状态后，两者再混合至送风状态O送入车间，联合补热的处理过程如图3所示。

图2 全部使用工艺排风补热的处理过程

图3 联合补热的处理过程

图2、图3中虚线表示工艺排风全部外排的热湿处理过程，实线是工艺排风热值回收的过程；N、N′分别是大发热量和小发热量车间内的设计状态点；W为室外状态点；N1为工艺排风状态点；C为新风与回风的混和状态点；K为大发热量车间的机器露点。

在夏季，将新风与工艺排风混合经空调室的循环水预冷后，再与回风混合至C′，过程如图4所示。或将工艺排风预冷后再与空调回风混合至C′，过程如图5所示。

图4 工艺排风和新风混合预处理过程图

图5 仅预处理工艺排风的过程图

图4、图5中，虚线表示工艺排风全部外排；而实线和短划线表示回收工艺排风的热湿处理过程；D表示工艺排风或工艺排风与新风混合后的预冷状态点；D′是工艺排风与新风的混合状态点。

3 节能性分析及相应措施

3.1 夏季工艺排风热值回收节能分析和相应措施

3种不同工艺排风处理方式的热湿处理过程如图6所示。

图6 3种不同工艺排风处理方式热湿处理过程图

图6中C点是工艺排风全部外排，新风与回风混合的混合点；虚线表示当前应用较多的方式，即将工艺排风全部回用，与回风混合后，再与新风混合到C″，然后经喷淋室处理回用。本文提出将工艺排风用表冷器预冷到室内焓值，再与空调回风口的回风一起与新风混合到C′，经喷水室处理后送入室内。工艺排风是否回用直接影响着车间新风比。假设送风量G不变，工艺排风量为G2，占总风量的n%，通过空调回风口的回风量G1，占总风量的p%，车间正压渗透排风量为5%×G。当工艺排风全部外排时车间出现负压，空调无风可回, 只能用室外新风补充，致使新风比剧增，此时新风量为GW=G2+5%×G；当工艺排风全部回用时，新风量最小。参照文献[2]和文献[3]，最小新风比m取5%。

当G2全部外排时，新风量GW=G2+m%×G，则混合点C的焓值为：

(1)

其中,hN、hw分别为室内外状态点的焓值。

当工艺排风G2全部回收，与空调回风混合到N2，再与新风混合到C″时，使用最小新风量，则混合点C″的焓值为

(2)

其中,hN1为工艺排风状态点焓值；hN2为工艺排风与空调回风混合状态点焓值。

当工艺排风G2全部回收后预处理到N，与新风混合，使用最小新风量，则

(3)

工艺排风被全部回收和外排时，进入空调室前混合点的焓值比较为

hc″-hc=(hN1-hW)·n%

(4)

由式(4)可知，当hN1>hW时，hc″>hc，说明将工艺排风全部外排，空调室需冷量较少，即此时将工艺排风全部外排，空调室节能效果较明显。而当hN1

若将工艺排风预处理后，再与空调回风口的回风和新风混合，或将工艺排风全部回收但不预处理时，二者的混合点焓值比较为

hc″-hc′=(hN1-hN)·n%

(5)

假定空调室处理空气的机器露点K不变，则空调室需冷量减少为

G[(hc″-hK)-(hc′-hK)]=G(hc″-hc′)=

G(hN1-hN)·n%=G2(hN1-hN)

(6)

其中，hK为空调室处理空气的机器露点焓值。

若按工艺排风温度比车间温度高5～15 ℃，车间设计温度32.0 ℃，相对湿度58%计算，每回收1 kg工艺排风，空调室可节约需冷量7.29～15.63 kJ。以纺织厂细纱车间为例，按每锭细纱机工艺排风量3.75～4.5 m3/h[4]进行计算，每10万锭细纱空调可节约需冷量972～ 2 084 kW，具有较好的经济效益。进一步研究表明，若利用空调室循环水预处理工艺排风，室外湿球温度越低，空调室节能量越大，即若将工艺排风与新风混合后，经空调室循环水预处理，让一部分新风负荷也由预处理的循环水承担，可以更进一步降低空调室的需冷量，节能更可观，预处理工艺排风和新风的热湿处理过程如图7所示。

图7 预处理工艺排风和新风的热湿处理过程图

3.2 冬季工艺排风热值回收节能分析和相应措施

以纺织设备为例进行分析。经测试冬季纺织设备排风温度比车间设计温度高3.5～9 ℃，即相当于增焓3.5～9 kJ/kg，则每10万锭细纱机工艺排风量相当于车间的每小时补充热量，即

100 000×1.2×4×5=2 400 000 kJ/h

标准煤热值29 308 kJ/kg，则对冬季缺热车间加热1 h 消耗标准煤量为：

2 400 000/29 308=82 kg/h

冬季加热时间按90 d计，设备一天运行24 h，则节煤量为：

82×90×24=176 t

原煤单价约为760 元/t，折合为标煤[5]约为1 064元/t,则冬季节省费用约为：

1 064×176=18.8 万元

在工程实践中针对这一问题, 提出了相应的解决办法：

(1)设置专用工艺排风迁移风道，使产热量大的车间与产热量小的车间空调室相连通，在其上设置调节窗，冬季打开，夏季关闭。迁移风道可采用普通的砖墙风道或玻璃钢风道。对于产热量大的车间，使其空调室的工艺排风调节窗可调，以保证在冬季工艺排风可送至其他车间。工程实践证明，该方法节能减排效果良好。

(2)若产热量大的车间与产热量小的车间相邻，可在两个车间的隔墙上设置可调的调节窗，冬季打开，夏季关闭。冬季增加产热量大的车间的新风量，既补充了因大量工艺排风外排所降低的压力，又降低车间温度，同时延迟制冷机开启时间。

4 结 语

(1)设备密集型车间发热量大，工艺排风温度高。采用传统的处理方式会出现夏季空调室需冷量大，冬季在发热量小的车间需额外补热，发热量大的车间大量余热外排的现象。

(2)在冬季，大发热量车间的余热可以通过热量迁移风道对冬季缺热的车间进行补热。以纺织厂细纱设备为例，每小时可节能2 400 000 kJ；整个冬季可节省标煤量约176 t，节省费用18.8万元。

(3)在夏季，采用表冷器将工艺排风进行预处理，工艺排风负荷和一部分新风负荷由空调室的循环水承担，特别是使用深井水的用户节能效果更明显。按车间设计温度32.0 ℃，相对湿度58%计算，每回收1 kg工艺排风，空调室可节省需冷量7.29～15.63 kJ。

参考文献：

[1] 费承铮，黄翔.二级蒸发冷却的原理、效果及在纺织厂的应用[J]. 纺织空调除尘，2008(3)：1-3.

[2] 杨瑞梁，樊瑞，马富芹. 纺织车间空调系统最小新风量的研究[J]. 棉纺织技术，2008(9): 19-21.

[3] 赵瑞华.棉纺企业不设供热系统的可行性分析[J].纺织空调除尘, 2009(3)：55-58.

[4] 费承铮.实用纺织厂空调设计与计算手册[M].西安：全国棉纺织科技信息中心, 2002.

[5] 王圣敏.纺织厂余热回收利用[J].中国能源, 1994(11)：32-35.