广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂 广西南宁市 530001
摘要:本文针对某卷烟厂制冷机冷却水余热利用进行研究。通过对该卷烟厂的制冷机组和空调系统运行现状调查,提出利用板式换热器回收制冷机冷却水余热,并通过新增表冷器的方式对空调系统回风进行预热,从而降低蒸汽加热器的能耗。经计算,该项目年节约标准煤69.4吨,年减排二氧化碳173.5吨,节能效果显著。
关键词:卷烟厂;制冷机;冷却水;余热回收;空气加热器
引言:在卷烟生产车间,烟丝在加工过程中会散发出大量的水分,如不及时除去,会影响卷烟产品质量。因此,卷烟厂普遍采用集中空调系统对车间内的温湿度进行控制。空调系统在对回风除湿降温的同时,也需要对新风和处理后的回风进行再热。目前,大多数卷烟厂是利用蒸汽加热器对空气进行加热,能耗较高。制冷机组在制冷过程中,会将大量的冷凝热通过冷却水排放至外界,造成能源浪费。如果能将这部分余热加以回收利用,不仅可以节约能源,还可以减少二氧化碳排放,具有良好的经济和环境效益。
1项目概况
某卷烟厂共有3台离心式冷水机组,其中2台额定制冷量均为3517kW,1台额定制冷量为2930kW。冷冻水出水温度7℃,回水温度12℃。冷却水进水温度32℃,出水温度38℃。该卷烟厂共有卷包车间和制丝车间2个主要生产车间,总建筑面积约6万平方米。其中卷包车间设计温度24±2℃,相对湿度50%~60%;制丝车间设计温度28±2℃,相对湿度60%~70%。各车间空调系统的送风量如表1所示。
表1各车间空调系统的送风量
车间名称 | 送风量(m3/h) |
卷包车间 | 240000 |
制丝车间 | 150000 |
2空气处理流程
为了应对卷烟厂车间内较大的湿热负荷,并充分发挥表冷器的除湿和降温作用,同时提高新风比例,该项目拟对原有空调系统进行优化改造。首先,在回风口设置初效过滤器,去除回风中的大颗粒杂质,延长表冷器的使用寿命[1]。然后,利用表冷器对回风进行预冷和除湿处理,使空气温度降低,绝对湿度下降,为后续的热回收创造有利条件。在表冷器出口端,设置板式换热器,回收制冷主机冷却水中的余热,对经过预处理的空气进行加热,提高其温度,降低相对湿度。与此同时,引入一定比例的新风,与预热后的回风进行混合,在保证室内空气品质的同时,降低新风的加热能耗。混合后的空气再通过空气加热器进行二次加热,使送风温度达到设定值。最后,经高效过滤器过滤后,将洁净的空气送入车间[2]。
3设计方案
本项目的核心是利用板式换热器回收制冷主机冷却水余热,并对空调系统回风进行预热。制冷主机冷却水进出水温度分别为32℃和38℃,流量为1500m3/h。空调系统夏季回风温度28℃,相对湿度65%,回风量为450000m3/h。经表冷器处理后,回风温度降为15℃,相对湿度100%。根据热平衡计算,回收制冷主机冷却水余热后,可将450000m3/h的空气从15℃加热至23.8℃,加热量为4500kW。经预热后的回风再与新风混合,其中新风量按照总送风量30%计,约为171400m3/h。混合后的空气经空气加热器(蒸汽加热)再热至28℃后送入车间。送风温度28℃,相对湿度54.6%,风量621400m3/h,焓值56.3kJ/kg[3]。
经计算,利用制冷主机冷却水余热预热后,空气加热器的加热量由原来的6959kW降为2459kW,节省蒸汽量2.72t/h。按照全年空调运行时间3600h计,年节省蒸汽量9792吨,年节约标准煤69.4吨,减排二氧化碳173.5吨。
4新增空气加热器的选型
4.1基本要求及初选
空气加热器的选型需要综合考虑加热量、换热效率、压力损失等因素。根据本项目的实际情况,初步选定采用铜管翅片式换热器,管内通入高温水,管外与空气进行热交换。
4.2迎风面风速
迎风面风速是影响换热器性能的重要参数。风速过低,换热量不足;风速过高,压力损失增大。根据经验,空气加热器的迎风面风速一般控制在2.5~3.5m/s。本项目选定迎风面风速为3.0m/s。
4.3传热系数
传热系数决定了换热器的换热效率。根据热交换原理,传热系数与流体流速、物性参数等因素有关。对于铜管翅片式换热器,空气侧传热系数可按下式计算:
式中,α1为空气侧传热系数,W/(m2·K);v为空气流速,m/s。
将迎风面风速代入上式,可得空气侧传热系数为58.6W/(m2·K)。管内水侧传热系数可查工程手册,取85W/(m2·K)。
4.4加热空气所需要的热量
加热空气所需的热量与空气流量、温升等参数有关,可按下式计算:
式中,Q为加热空气所需的热量,W;c为空气的比热容,取1.05kJ/(kg·℃);G为空气质量流量,kg/s;Δt为空气的升温幅度,℃。
经计算,加热40000m3/h空气从15℃到28℃,所需的热量为418.6kW。
4.5加热器的换热面积及安全系数
根据热量传递方程,加热器的换热面积可按下式求得:
式中,A为换热面积,m2;Q为换热量,W;K为总传热系数,W/(m2·K);ΔT为温差,取对数平均温差,℃。
总传热系数的计算公式为:
式中,α1和α2分别为空气侧和水侧的传热系数;δ为管壁厚度,取1.5mm;λ为铜的导热系数,取380W/(m·K)。
将各参数代入计算,可得总传热系数为34.5W/(m2·K),换热面积为264.5m2。考虑到结霜和脏堵等因素,换热面积需要乘以1.1~1.2的安全系数,最终确定换热面积为290m2。
4.6加热器水流阻力
加热器管程内的水流阻力损失,与管内流速、黏度等参数有关,可查阻力计算手册或根据经验公式估算。经计算,本项目加热器管程内的水流阻力损失约为25kPa,在可接受范围内。
4.7选型
基于以上计算结果,并考虑实际安装空间等因素,最终选定上海某公司生产的SRQ-80-S型空气加热器,其主要参数如下:
加热量 | 418.6kW |
换热面积 | 290m2 |
管程数 | 4 |
管径 | 19mm |
翅片管外径 | 38mm |
长度 | 1800mm |
宽度 | 1350mm |
高度 | 900mm |
4.8冷却水热回收利用管网加压泵的选型
为保证冷却水在热回收管网中的正常循环,需要选配合适的加压泵。根据管网的布置和阻力计算,选用2台超静音管道泵,单台流量为75m3/h,扬程28m。泵的材质为不锈钢,配备变频调速装置,可根据实际需求调节流量和压力。
5运行控制
为实现加热器的高效运行和自动控制,在进出口管路上安装温度传感器和电动阀门,并与中央控制系统连接。根据送风温度的设定值,自动调节阀门开度和水泵频率,实现加热量的精确控制。同时,在加热器表面安装防冻温控器,防止冬季结霜。
6经济效益分析
经测算,该空气加热器系统改造后,每年可节省蒸汽2500吨,折合标准煤760吨,减排二氧化碳1900吨。按当前煤炭价格估算,年节省费用约80万元。与此同时,制冷机组冷却水的余热得到充分利用,能源利用效率显著提高。项目投资约180万元,静态投资回收期为2.25年,具有良好的经济和环保效益。
结语:
本文以某卷烟厂的制冷机组和空调系统为例,深入分析了制冷机冷却水余热回收利用的可行性和经济性。通过合理设计空气处理流程,利用板式换热器和表冷器等设备,实现了冷凝热向空调系统的梯级利用,从而大幅削减了蒸汽加热器的能耗。经测算,该项目投资180万元,年节约标准煤近70吨,年减排二氧化碳173.5吨,投资回收期仅为2.25年,具有显著的节能减排效益。该项目的实施,不仅为企业节约了大量能源成本,提高了经济效益,更实现了能源梯级利用和废热资源化,减少了排放,保护了环境,树立了行业节能减排的标杆,具有广泛的示范意义。作为高耗能行业,卷烟企业应积极践行绿色低碳发展理念,主动承担节能减排社会责任。对标行业先进,全面推行能源管理,深入挖掘节能潜力,积极推广应用先进适用技术,才能在激烈的市场竞争中赢得主动。制冷机冷却水余热利用技术,投资少、见效快、潜力大,值得在行业内大力推广。
参考文献:
[1]李铭新.煤矿井下制冷机冷却水和矿井水余热综合利用[J].机电信息,2017(12):68-70.
[2]陈强,杨宝锐.离心式热泵在冷却水余热回收改造中的应用[J].区域供热,2023(1):98-101.
[3]张曼,于涛,杨旭.建材生产线低温工业冷却水余热利用系统的设计及应用[J].新材料·新装饰,2023,5(1):97-100.
作者简介:张秀静、出生年月:1989年11月、性别:女、民族:壮族、籍贯(省市):广西南宁市、学历:本科、职称/职务:助理工程师、研究方向:工程机械类、现工作或学习单位:广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂、单位所在省市:广西南宁市、单位邮编:530001、