卷烟厂制冷机冷却水余热回收与利用

卷烟厂制冷机冷却水余热回收与利用

张秀静

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

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：

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、