永磁變頻螺桿空壓機(jī)熱水工程的熱能從何而來

   TOKA永磁變頻螺桿空壓機(jī)熱能熱水機(jī)(不燒油不燒電的企業(yè)熱水工程)的熱利用效之高，理論上一直困擾著不少人。以一臺(tái)100kW的螺桿空壓機(jī)為例計(jì)算，其能量利用量不可大于100kW，這是常識(shí)。通常我們會(huì)這樣認(rèn)為，該空氣壓縮機(jī)的輸入電功率為100kW，其輸出率不能大于輸入功率，否則就會(huì)因破壞了宇宙間能量守恒定律而變得荒謬。正是基于以上的信條，人們不能理解，為何熱能機(jī)的熱能利用量可以高到接近甚至超過空壓機(jī)的軸輸入功率。難道，能量守恒定律在這里失效了？答案當(dāng)然是否定的。以下分析可以很好的闡述螺桿式空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)“熱利用率”接近輸入電功率甚至超過輸入功率的原因。
   螺桿壓縮機(jī)由于本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理決定，它的絕熱效率在0.65-0.85之間。低壓力比、大中容積流量壓縮機(jī)為0.75-0.85，高壓力比、小容積流量比壓縮機(jī)為0.65-0.75。對(duì)于空氣壓縮機(jī)，供油溫度一般在50-60℃。   這就決定了空壓機(jī)輸入電功率的65%-85%用于壓縮空氣，而余下的輸入功率才消耗在產(chǎn)生熱能和克服摩擦等功耗上。只有約30%左右的輸入功率消耗在無用的功耗上，這一部分主要是因壓縮而產(chǎn)生的溫升上。
   對(duì)于空壓機(jī)設(shè)備而言，除了機(jī)械摩擦導(dǎo)致的熱能損失外，主要是因?yàn)閴嚎s氣體時(shí)熱能轉(zhuǎn)換的熱能損失，壓縮機(jī)的絕熱效率僅有60-80%。也就是說輸入功率的65%-85%用于做有用功，其余的一部分因摩擦產(chǎn)生了熱能。假定一臺(tái)螺桿空壓機(jī)的絕熱功率是70%，忽略其他次要因素，可利用的熱能應(yīng)該為（100-70）%=30%。而實(shí)際運(yùn)行中，由于存在熱能散失，可以用的熱能一定會(huì)低于30%。這樣一來，可利用的熱能應(yīng)該就更少了，那么，為何熱能熱水機(jī)的熱能利用為何能達(dá)到空壓機(jī)輸入功率的85-100%，甚至更多呢？
   我們知道熱力學(xué)第一定律，也就是能量守恒定律是建立在一個(gè)對(duì)外沒有能量交換的系統(tǒng)中。因此，我們分析空壓機(jī)的熱能利用時(shí)，需要用到這一基本的方法。按照能量守恒定律，系統(tǒng)在一個(gè)理想模型下，輸入功率應(yīng)該等于系統(tǒng)的輸出功率。
   空壓機(jī)的輸入功率為空壓機(jī)的電功率，輸出后將轉(zhuǎn)變?yōu)榭諌簷C(jī)的空氣勢(shì)能，熱能等。而當(dāng)我們將空壓機(jī)不僅作為壓縮氣體的設(shè)備來分析的時(shí)候，空壓機(jī)系統(tǒng)的輸入能量就不僅僅是空壓機(jī)的如入電功率了，還應(yīng)該加上輸入空氣所攜帶的熱能。有了這一點(diǎn)，我們就不難理解系統(tǒng)的能量變化了。
    我們知道空壓機(jī)輸出的熱能來源于三塊，一是空氣被壓縮的勢(shì)能轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的熱能，這個(gè)知道熱力學(xué)第一定律的人比較容易理解。二是循環(huán)油被剪切所產(chǎn)生的熱能，三是機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的熱能。后兩者都屬于摩擦熱能范疇，而其中因化學(xué)變化產(chǎn)生的熱能可以或略不計(jì)。然而空壓機(jī)的運(yùn)行不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，空壓機(jī)的運(yùn)行是一個(gè)不斷有電輸入做功帶動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)又有大量的空氣進(jìn)入系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。空氣中的熱能在分析過程中就顯得尤為重要了?？諌簷C(jī)通過搬運(yùn)動(dòng)作將空氣搬入腔體內(nèi)，系統(tǒng)的熱能實(shí)際上是空壓機(jī)壓縮所產(chǎn)生的熱能與空壓熱能之和。熱能機(jī)正是利用了兩者的人能才使得熱回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)”熱利用率“接近甚至超過空壓機(jī)電機(jī)輸入功率的。通常對(duì)于一般的工程人員而言，理解前三者比較容易，而往往忽略了后者的作用，甚至困擾了許多設(shè)計(jì)此類設(shè)備的技術(shù)人員。
   讓我們用熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律)來解釋這一現(xiàn)象。按照ΔU = Q+ W，我們理解熱力學(xué)第一定律為，熱能可以從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量相互轉(zhuǎn)換，在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值不變。螺桿空壓機(jī)運(yùn)行過程中輸入功率W，系統(tǒng)內(nèi)能和輸入空氣的能量總和為Q。前者用于做功，后者在系統(tǒng)運(yùn)行過程中只能熱能的方式交換。因此一般情況下，我們所說的空氣壓縮機(jī)的絕熱功率是指W在絕熱情況下的功率轉(zhuǎn)換的效率。
   在空壓機(jī)熱能熱水利用過程中，由于空氣進(jìn)入系統(tǒng)，帶入了大量的空氣熱能，使得系統(tǒng)地內(nèi)能增加，該部分熱能再空壓機(jī)的運(yùn)行中是無益處，需要用風(fēng)機(jī)或冷卻水將該部分熱能帶走。
   熱能熱水機(jī)的效能可以接近甚至超過輸入功率，并沒有打破能量守恒的原則，相反它很好的說明了能量是守恒動(dòng)態(tài)過程。原因就在于熱能的產(chǎn)生除了電機(jī)的輸入做功的作用外，還由于空氣中的熱能搬運(yùn)到系統(tǒng)中，為熱能機(jī)提供了熱的來源，這些熱能正是空壓機(jī)熱回收的不可忽視的能量來源。由此可以看出，空壓機(jī)熱能利用中所出現(xiàn)的能源利用量接近甚至大于空壓機(jī)輸入電功率的原因。通過以上理論分析，這個(gè)困擾許多人的問題就迎刃而解了。
   實(shí)際上我們說熱回收的利用率達(dá)到70%或100%這樣的說法并不嚴(yán)謹(jǐn)。正是由于這一不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎稣`導(dǎo)了許多人。我們應(yīng)該理解為，熱回收的熱能利用量與空壓機(jī)輸入電功率比較，其熱能利用當(dāng)量為70%是恰當(dāng)?shù)?。這里所用的“當(dāng)量“一詞不可或缺。正如我們?cè)诿枋鰮Q熱器的換熱能力或者效能時(shí)，并不使用”換熱效率“一詞一樣。然而，人們?yōu)榱吮硎龅姆奖阃?xí)慣于用效率一詞衡量一個(gè)換熱器的換熱能力確實(shí)普遍存在。
   根據(jù)以上理論分析，我們就可以理解空氣中蘊(yùn)含的熱能可以被熱能熱水機(jī)利用。那么空氣中的熱能是如何被利用，又有多少可以利用呢？
   通常，當(dāng)氣溫高于水溫（這里指系統(tǒng)的輸水水溫）時(shí)，空氣中的熱能就可以被利用。我們知道水的比熱容是最大的物質(zhì)，其吸收熱的能力非常強(qiáng)，而空氣的比熱容較小。因此，需要大量的空氣熱能才能給空壓機(jī)熱能熱水機(jī)所利用，所幸的是，空壓機(jī)正是大量壓縮空氣的設(shè)備，它把大量的空氣壓縮到相對(duì)較小的空間，使得單位體積的空氣增加，有利于空氣熱能的利用（當(dāng)然，這些熱能對(duì)壓縮機(jī)本身是無益的）。而空壓機(jī)熱能熱水設(shè)備恰好友好的化解了這一矛盾。
   在北方實(shí)踐中，空壓機(jī)熱回收系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用于風(fēng)冷式空壓機(jī)的系統(tǒng)，一到冬天其熱能利用量明顯降低，很好的證明了這一點(diǎn)。
   我們知道，螺桿壓縮機(jī)被電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)，大量的空氣被壓縮進(jìn)空壓機(jī)中。電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電能變成機(jī)械能。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中一部分用于壓縮空氣，一部份被結(jié)構(gòu)和維持運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗。前者是有用部分，后者是損耗部分。根據(jù)熱力學(xué)定律，當(dāng)空氣的勢(shì)能怎加后，氣溫度同樣增加，以維持系統(tǒng)內(nèi)能不變。根據(jù)熱力學(xué)第零定律，我們知道氣體狀態(tài)方程可以表述為：lnV＋lnP ＝ lnT ＋I(xiàn)或者描述為：PV＝nRT。絕熱情況下，一般螺桿空壓機(jī)的效率只有6.5-8.5成。也就是說氣體用于壓縮氣體的輸入功率的6.5-8.5成一方面用于提高空氣的壓力，一方面提高了氣體的溫度。而試驗(yàn)表明被壓縮的油氣混和氣體中，由于液相的循環(huán)油的比熱容大于空氣，熱能的70%存在有油中。其余部分存于氣空氣中。因此輸入功率的一半變成了熱能存于循環(huán)油中，并被冷卻風(fēng)扇排掉。我們僅僅分析油的熱能的利用作為我們分析的對(duì)象。
   不難看出100kW的空壓機(jī)只有不到30kW左右的輸入功率變成可利用的熱能。其余來源于空氣的熱能有多少了。
   壓縮空氣被吸入壓縮機(jī)前的溫度高于水的溫度，于是，空氣熱能通過空氣壓縮機(jī)的聚集作用被熱能機(jī)的熱交換置換到水中。這個(gè)原理和時(shí)下流行的空氣源熱泵的工作原理有著異曲同工之妙?？上驳氖牵諌簷C(jī)熱回收是在空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生高壓氣體，作為生產(chǎn)動(dòng)力的同時(shí)，利用了其運(yùn)行過程中的廢熱，熱效能可以達(dá)到輸入電功率70%左右的當(dāng)量，甚至更高，其節(jié)能效果顯而易見。