周 亮，賈冠偉，郭澤宇，李明昕，許未晴，王 佳，蔡茂林

(1.正星氫電科技鄭州有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；3.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；4.氣動(dòng)熱力儲(chǔ)能與供能北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；5.北京航空航天大學(xué) 無(wú)人系統(tǒng)研究院，北京 100191)

引言

全球約70%的能源來(lái)自燃燒化石能源[1]，隨之而來(lái)的是溫室氣體排放量劇增、生態(tài)破壞、氣候變暖，威脅人類(lèi)生存。根據(jù)“巴黎協(xié)定”，各國(guó)政府需制定政策以積極應(yīng)對(duì)全球氣候變暖問(wèn)題。中國(guó)也制定了“雙碳目標(biāo)”及新能源發(fā)展計(jì)劃切實(shí)降低碳排放量[2]。壓縮空氣是現(xiàn)代工業(yè)制造中氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力載體，廣泛應(yīng)用于制造及能源密集型行業(yè)[3]。壓縮空氣能耗在各國(guó)占總電能消耗比重約10%[4]，如中國(guó)、美國(guó)、歐盟等，占工廠總能耗的5%～50%[5]。空氣壓縮環(huán)節(jié)能耗在整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位，高達(dá)40%?？諌簷C(jī)壓縮過(guò)程接近絕熱壓縮，由于氣體壓縮時(shí)間短，氣體導(dǎo)熱系數(shù)小，壓縮時(shí)產(chǎn)生的熱量不能迅速向環(huán)境傳導(dǎo)，被壓縮空氣溫度上升，能耗增加，約20%～50%的電能轉(zhuǎn)換成熱，在空氣除濕冷卻的過(guò)程中散失。因此，熱損失(圖1)成為空氣壓縮能耗高的主要原因。WILLIAM M C[6]認(rèn)為空壓機(jī)理論上可回收80%的能量；徐樹(shù)風(fēng)[7]認(rèn)為有94%的壓縮熱量可以被回收，這為壓縮熱的大量、高效回收提供了理論依據(jù)。但由于空壓機(jī)余熱品質(zhì)較低(約80～120 ℃)，回收難度較大，所以目前這些低品質(zhì)熱能絕大多數(shù)都通過(guò)風(fēng)冷或水冷被排放至大氣中，造成巨大的能源浪費(fèi)[8]?；厥湛諌簷C(jī)余熱，在減緩化石能源消耗的同時(shí)也可以有效控制空壓機(jī)工作溫度，延長(zhǎng)空壓機(jī)使用壽命。因此，如何節(jié)能降耗、高效回收利用壓縮空氣熱量成為空氣壓縮領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

圖1 氣體壓縮p-V圖Fig.1 p-V diagram for gas compression

在空壓機(jī)余熱利用研究方面，大多集中在理論分析、單一的實(shí)驗(yàn)研究或低效回收使用，系統(tǒng)性且深入的研究總結(jié)及綜合可靠的綜述卻是空白。因此，本研究從空氣壓縮熱產(chǎn)生的原理出發(fā)，總結(jié)了空壓機(jī)余熱制熱水、基于ORC余熱發(fā)電和制冷的研究技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀；重點(diǎn)總結(jié)了大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)余熱大規(guī)模、高效利用的研究，并提出了對(duì)空壓機(jī)余熱高效回收利用的展望，為后續(xù)空壓機(jī)余熱高效回收利用研究提供了參考。

1 原理

絕熱壓縮熱及其熱回收是指，在傳統(tǒng)空壓機(jī)基礎(chǔ)上將壓縮熱回收、存儲(chǔ)、再利用，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)空壓機(jī)余熱利用原理Fig.2 Principle of utilization waste heat from traditional air compressor

壓縮時(shí)，壓縮腔內(nèi)氣體的質(zhì)量不變，體積減小，壓力上升，根據(jù)理想氣體狀態(tài)，可以建立氣體的壓力與溫度和體積的狀態(tài)方程：

pV=mRT

(1)

對(duì)于閉口系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒定律可知，外界傳入系統(tǒng)的熱量(δQ)和功(dW)使系統(tǒng)內(nèi)能的增量(dU)：

dU=δQ+dW

(2)

壓縮過(guò)程中，外力與壓縮腔內(nèi)氣體的壓力平衡，驅(qū)動(dòng)氣缸做功表示為：

dW=pdV

(3)

根據(jù)比熱(C)的定義，可以得到內(nèi)能與溫度(dT)的關(guān)系：

dU=mCdT

(4)

式中，m為物體的質(zhì)量。

根據(jù)計(jì)算，壓縮空氣對(duì)外的理論散熱量為：

δQ=dW-dU

(5)

如何利用低品質(zhì)低溫的空壓機(jī)余熱δQ是降低空壓機(jī)能耗和提高空壓系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。

2 空壓機(jī)余熱回收技術(shù)

由于空壓機(jī)余熱品質(zhì)較低，高效回收難度較大，空壓機(jī)余熱回收利用主要包括：余熱制熱水、基于ORC的發(fā)電、制冷等技術(shù)。

2.1 以余熱制熱水

1) 余熱制熱水技術(shù)分析

空壓機(jī)余熱品質(zhì)較低，回收難度較大，目前大多數(shù)空壓機(jī)余熱都是通過(guò)預(yù)制熱水的方式回收利用。以余熱制熱水，即將傳統(tǒng)空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱回收并利用其中能量來(lái)獲取熱水，其關(guān)鍵是余熱通過(guò)管壁與熱空氣進(jìn)行熱交換效果，如圖3所示。

圖3 空壓機(jī)余熱制熱水Fig.3 Generated hot water with waste heat from air compressor

收集到的余熱可使水溫提高ΔT：

(6)

工業(yè)中，通常使用電力、燃燒化石能源來(lái)獲取熱水，然而并沒(méi)有減少溫室氣體的排放。若要使用電力，獲取相同質(zhì)量的熱水，則至少需要2.78×10-7QkWh的電能，我國(guó)工業(yè)電費(fèi)一般為0.5～1.3元/kWh，成本為3.61×10-7Q元。

若使用燃燒化石能源需要的質(zhì)量為m：

(7)

所需成本為：m乘以能源單價(jià)。

2) 直接換熱制熱水

空壓機(jī)余熱制熱水大多利用直接換熱的方式?？諌簷C(jī)采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收。水冷系統(tǒng)大致由冷水源、水泵、換熱器、儲(chǔ)存熱水系統(tǒng)組成，換熱器將空壓機(jī)余熱轉(zhuǎn)換至冷水中，提高水溫。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高。陸振乾等[9]對(duì)阿特拉斯ZR400型水冷無(wú)油螺桿空壓機(jī)提出改造方案，在空壓機(jī)冷卻水路循環(huán)中串入1個(gè)ER-Z-5型機(jī)外板式換熱器，冷卻水通過(guò)冷卻塔或直接流回空壓機(jī)內(nèi)，外部水在蓄水池中儲(chǔ)存，最后輸送到熱網(wǎng)。通過(guò)實(shí)際計(jì)算，在355 kW的改造后的空壓機(jī)中每年可節(jié)省成本71萬(wàn)元，投資回收期約為6個(gè)月。林子良等[10]通過(guò)對(duì)螺桿空壓機(jī)組的熱量分析與計(jì)算，得出可利用的熱量總占比可達(dá)85%以上，但實(shí)際回收熱量為3%～90%。對(duì)于噴油螺桿壓縮機(jī)，理論上可用總熱量占比89.6%，在冬季進(jìn)水 10 ℃、出水60 ℃時(shí)，實(shí)際的回收熱量占比約65%；對(duì)于無(wú)油螺桿壓縮機(jī)，理論上可用總熱量占比89.5%，在冬季進(jìn)水30 ℃、出水85 ℃時(shí)，實(shí)際回收熱量占比約78%。FANG Hao等[11]利用兩種或多種低品質(zhì)熱源(20～90 ℃)為遠(yuǎn)離熱源地區(qū)提供供暖系統(tǒng)，包括多級(jí)廢熱的收集、集成及優(yōu)化、廢熱的遠(yuǎn)距離輸送，以及系統(tǒng)的調(diào)峰。同時(shí)，在中國(guó)的赤峰市，建立了第一個(gè)以銅冶煉廠產(chǎn)生的多種廢熱供暖的示范項(xiàng)目。在一個(gè)采暖季節(jié)，總共能回收了3.9×105GJ的廢熱，減少二氧化碳排放3.5×104t，二氧化硫和氮氧化物排放量分別減少113 t和98 t，節(jié)水1.5×105t以上。銅冶煉廠的熱效率從30%提高到50%。MURDIN B等[12]以冶煉廠14 臺(tái)離心式壓縮機(jī)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)理論計(jì)算，利用壓縮機(jī)余熱(平均消耗 21000～22000 L/min的冷卻水中獲得的熱量)，鍋爐給水溫度可提高到9 ℃，節(jié)能4.6×106kcal/天，整套鍋爐的節(jié)能效率提高了1.64%。MASCARENHAS J D S等[13]以巴西巴伊亞的典型工業(yè)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，仿真分析得，余熱對(duì)鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱，壓縮機(jī)的平均過(guò)程效率從20.25%提高到20.50%，可以減少能源消耗，節(jié)省開(kāi)支。

3) 潤(rùn)滑油間接換熱制熱水

在有油空壓機(jī)中可以將潤(rùn)滑油導(dǎo)出空壓機(jī)體，利用潤(rùn)滑油間接換熱，可以利用熱泵技術(shù)，先將空壓機(jī)余熱的品味提高，再進(jìn)行利用?？諌簷C(jī)中的潤(rùn)滑油可以潤(rùn)滑、密封，同樣可以吸收部分壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮熱，將潤(rùn)滑油導(dǎo)出至換熱器，便可制得熱水。孫鵬飛等[14]將葛泉礦2臺(tái)560 kW的水冷空壓機(jī)的高溫潤(rùn)滑油導(dǎo)入換熱收器進(jìn)行換熱，可將10 ℃的自來(lái)水加熱至45 ℃用于洗浴，降低了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。此余熱回收系統(tǒng)每天可制取250 t熱水，節(jié)約空壓機(jī)運(yùn)行費(fèi)用50.82萬(wàn)元/年，項(xiàng)目改造投資回收期0.92年。ZHAN Changfeng等[15]提出了一種利用空壓機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的壓縮空氣干燥裝置實(shí)現(xiàn)溶液在72.9 ℃平均再生，再生熱耗與余熱量之比為33%，以節(jié)省能耗。席海濤等[16]對(duì)4臺(tái)200 kW的SA200A型空壓機(jī)余熱進(jìn)行回收，將空壓機(jī)內(nèi)高溫潤(rùn)滑油導(dǎo)至空壓機(jī)外，與軟化水進(jìn)行換熱。此系統(tǒng)可回收60%以上的熱量，將水溫升高30 ℃，每年可制備21571 t熱水，節(jié)約燃料成本79000元。

4) 利用熱泵制熱水

空壓機(jī)與熱泵的結(jié)合也是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)余熱利用的一種方式。熱泵是以額外使用少量高品質(zhì)能源(如電能、機(jī)械能或高溫?zé)崮?為前提，通過(guò)制冷機(jī)熱力循環(huán)，將大量低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹南到y(tǒng)?？諌簷C(jī)余熱的品質(zhì)較低，便可使用熱泵將其品質(zhì)提升再加以利用。鮑玲玲等[17]提出一種空壓機(jī)聯(lián)合空氣源熱泵作為熱源的供熱方式，使用邢臺(tái)煤礦一臺(tái)546 kW的空壓機(jī)和空氣源熱泵聯(lián)合將7～15 ℃的自來(lái)水加熱為42～45 ℃的洗浴用水，完全可以滿(mǎn)足煤礦職工每天550 m3的熱水需求，年均節(jié)約燃料費(fèi)用200.83萬(wàn)元，資金回收期2.67年。ADAMKIEWICZ A等[18]提出了一種利用空氣源熱泵回收噴漆房備風(fēng)室中低溫余熱用于淋雨和噴淋室的預(yù)熱。在Romer公司SC-10型螺桿空壓機(jī)和AD-10制冷干燥機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)中，1 h內(nèi)單個(gè)噴槍提供的壓縮空氣可使0.3 m3水箱內(nèi)的水上升約20 ℃。

表1 余熱制熱水技術(shù)參數(shù)總結(jié)Tab.1 Overview of technical parameters of generated hot water with waste heat

2.2 基于ORC余熱利用

ORC是高效回收低品質(zhì)熱源最廣泛的技術(shù)，其效率高低的關(guān)鍵是低沸點(diǎn)的工質(zhì)和高效膨脹機(jī)的選擇。ORC系統(tǒng)使用制冷劑或揮發(fā)性有機(jī)液體代替水作為工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)由于沸點(diǎn)比水低，使得從低溫廢熱源中回收能量成為可能。利用余熱的技術(shù)多種多樣，與卡琳娜循環(huán)、側(cè)閃循環(huán)、超臨界CO2循環(huán)、布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)相比，ORC具有靈活、安全性高、維護(hù)要求低和熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，適合用于空壓機(jī)余熱的回收。在空壓機(jī)余熱回收方面也有大量基于有機(jī)朗肯技術(shù)的應(yīng)用，如發(fā)電、制冷等。

1) 基于ORC余熱發(fā)電

傳統(tǒng)空壓機(jī)的排氣溫度約80～120 ℃，屬于低品質(zhì)熱源(小于230 ℃)?；谟袡C(jī)朗肯循環(huán)原理的余熱利用是低品質(zhì)熱源利用的有效方式，以熱發(fā)電是指采用有機(jī)朗肯循環(huán)將低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)換為發(fā)電，如圖4所示。

圖4 空壓機(jī)余熱發(fā)電Fig.4 Generated electricity with waste heat from air compressor

2) 基于ORC余熱制冷

壓縮熱制冷指利用低品質(zhì)熱源驅(qū)動(dòng)，采用天然工質(zhì)作為制冷劑，通過(guò)一種物質(zhì)對(duì)另一種物質(zhì)的吸收和釋放引起物質(zhì)的狀態(tài)改變，并同時(shí)產(chǎn)生吸熱和放熱的循環(huán)流程。典型的以熱制冷系統(tǒng)，部件組成主要包括：發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵、節(jié)流閥等；工作介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)過(guò)程，包括制冷劑和吸收劑，二者相互配合能夠?qū)崿F(xiàn)冷量的制取和制冷劑的還原，以制備工業(yè)用所需的冷量，如冷卻水或冷凍水，如圖5所示。

在壓縮熱制冷的熱力學(xué)循環(huán)運(yùn)行的研究中，LUBIS A等[26]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一種H2O/LiBr吸收式制冷系統(tǒng)，采用單-雙效模式運(yùn)行，并能夠?qū)⑽帐街评錂C(jī)的COP最大化(滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)為1.55，部分負(fù)荷時(shí)為2.42)，其仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù))進(jìn)行了對(duì)比，系統(tǒng)性能提高了12%～60%。RONG Yangyiming等[27]提出一種壓縮熱梯級(jí)利用系統(tǒng)(Cascade Utilization System of Compression Heat，CUSCH)，相對(duì)較高品質(zhì)(大于75 ℃)的壓縮熱用于驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯蒸汽壓縮(Organic Rankine Vapor Compression，ORVC)制冷循環(huán)進(jìn)行空氣冷卻，而剩余的較低品質(zhì)熱量(40～75 ℃)用于再生干燥劑除濕系統(tǒng)的解決方案。使用CUSCH熱利用率可達(dá)到61.5%，可降低總壓縮功率約4.9%，空壓機(jī)等溫效率提高約5.0%。投資回收期為5年，CO2每年可減排6340 t。榮楊一鳴等[28]將ORVC系統(tǒng)用于空壓機(jī)余熱制冷實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)入口空氣的冷卻。在入口空氣相對(duì)濕度30%和70%的條件下，節(jié)能效率分別高達(dá)4.2%和4.6%，在全生命周期內(nèi)總節(jié)省成本可達(dá) 11.3×106USD，回收周期為4.4年。

圖5 空壓機(jī)余熱制冷

3 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)余熱應(yīng)用

針對(duì)空壓機(jī)余熱回收規(guī)模小、成本投資高、實(shí)際應(yīng)用難度大的問(wèn)題，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)正好解決了上述問(wèn)題。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是繼抽水蓄能之后，被認(rèn)為第二大適合GW級(jí)大規(guī)模電力儲(chǔ)存的技術(shù)。其工作原理是：在用電低谷時(shí)段，利用電能將空氣壓縮至高壓氣態(tài)/液態(tài)，存儲(chǔ)于洞穴或壓力容器中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲(chǔ)起來(lái)；在用電高峰時(shí)段，將氣態(tài)/液態(tài)空氣從儲(chǔ)氣室釋放，降壓或氣化，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電?？諝鈮嚎s及液化過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生熱量，但液態(tài)空氣氣化和驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電均回吸熱，需要熱量。

3.1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)余熱應(yīng)用

大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能能夠解決大規(guī)?？稍偕茉撮g接性、波動(dòng)性的供需矛盾問(wèn)題。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量損失主要為：在壓縮階段產(chǎn)生大量熱量需要補(bǔ)充能量散熱；在膨脹階段產(chǎn)生大量冷量需要補(bǔ)充能量加熱，導(dǎo)致壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的總效率低于50%[29]，其結(jié)構(gòu)原理，如圖6所示。因此，綜合處理壓縮階段的耗散的熱能和膨脹階段的冷能是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵突破技術(shù)。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)余熱回收利用是將空氣壓縮時(shí)產(chǎn)生的熱或膨脹時(shí)產(chǎn)生的冷儲(chǔ)存，并空氣壓縮時(shí)將存儲(chǔ)的冷或膨脹時(shí)存儲(chǔ)的熱釋放出來(lái)，在壓縮端或膨脹端減小能耗，提高發(fā)電量。SAFARI H等[30]提出分布式壓縮空氣儲(chǔ)能(Distributed CAES，DCAES)，將空壓機(jī)設(shè)置在熱負(fù)荷附近(例如醫(yī)院或辦公樓)，壓縮空氣通過(guò)管道輸送到有利的地點(diǎn)進(jìn)行地下儲(chǔ)存，壓縮空氣產(chǎn)生的熱量將被利用或儲(chǔ)存，從而消除熱負(fù)荷區(qū)域?qū)訜崛剂系氖褂眯枨髞?lái)降低DCAES系統(tǒng)總體成本。由于管道成本較高，所以距離決定了交叉燃料價(jià)格。當(dāng)管道長(zhǎng)分別為25，50，100 km，燃料價(jià)格超過(guò)7.0，7.6，8.3 USD/GJ時(shí)，DCAES的總成本會(huì)更低。SAFAEI H等[31]使用2002年～2011年市場(chǎng)數(shù)據(jù)評(píng)估了加拿大艾伯塔省兩個(gè)假設(shè)商人分別使用CAES和DCAES設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)空壓機(jī)距離壓縮空氣儲(chǔ)存點(diǎn)距離50 km，使用DCAES的工廠年利潤(rùn)平均多出1.3×106USD，且DCAES卓越的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能導(dǎo)致負(fù)減排成本為40 USD/t 二氧化碳當(dāng)量。ORTEGA-FERNANDEZ I等[32]使用天然巖石作為低成本儲(chǔ)熱材料將壓縮空氣產(chǎn)生的熱能存儲(chǔ)起來(lái)，并在高壓空氣膨脹發(fā)電階段使用，理論上其往返效率可達(dá)70%。LI Ruixiong等[33]創(chuàng)新性地提出一種基于相變材料的水蓄熱絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power A-CAES,CCHP-ACAES)，壓縮空氣時(shí)空壓機(jī)余熱首先傳遞給相變材料，再通過(guò)熱油傳遞給水，儲(chǔ)存起來(lái)；膨脹發(fā)電過(guò)程中，蓄熱器收集的余熱將用于回?zé)崞鲗?duì)高壓空氣進(jìn)行加熱。最終排出的常溫空氣可用于制冷，水中余熱可用于直接加熱，最后泄油時(shí)油溫可能低于環(huán)境溫度，設(shè)置換熱器利用環(huán)境空氣對(duì)熱油進(jìn)行余熱。該系統(tǒng)往返效率可達(dá)到96.05%，在穩(wěn)定運(yùn)行下(即3次循環(huán)后)可獲得較高的電能效率(61.54%)。MENG Hui等[34]用ORC系統(tǒng)回收CAES系統(tǒng)壓縮過(guò)程中中冷器和后冷器的廢熱以及回?zé)崞髋艢膺^(guò)程中的廢氣，作者分析了不同的有機(jī)工作流體和ORC的膨脹機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響，ORC系統(tǒng)可使CAES系統(tǒng)往返效率提高了3.32%～3.95%。SAPUTRO E A等[35]將壓縮熱作為相變材料(Phase Change Material，PCM)的熔化潛熱進(jìn)行儲(chǔ)存，PCM在壓縮空氣發(fā)電時(shí)進(jìn)行放熱。Micronal?DS5038X作為相變材料制成的微膠囊可使壓縮過(guò)程中的溫度降低27 ℃，發(fā)電過(guò)程中溫度升高28 ℃。JABARI F等[36]采用先進(jìn)的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，收集到的太陽(yáng)輻射，在冷卻和加熱兩種模式下的運(yùn)行成本分別降低了21.79%和22.36%。

表2 余熱制冷技術(shù)參數(shù)總結(jié)Tab.2 Overview of technical parameters of generated refrigeration with waste heat

3.2 液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)余熱應(yīng)用

液體空氣儲(chǔ)能(Liquid Air Energy Storage，LAES)利用間歇性可再生能源或非用電高峰電能將空氣液化并存儲(chǔ)；在用電高峰期，液體空氣膨脹產(chǎn)生電力。產(chǎn)生液態(tài)空氣會(huì)產(chǎn)生更大量壓縮熱并且多余和膨脹更會(huì)產(chǎn)生大量冷,如圖7所示。因此，壓縮熱及膨脹冷的高效回收和利用是提高LAES系統(tǒng)總效率的一條重要途徑。

表3 液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用參數(shù)總結(jié)Tab.3 Overview of technical parameters of application with waste heat from LAES

圖7 液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)余熱應(yīng)用Fig.7 Applicationwith waste heat from LAES

4 結(jié)論

本研究的目的是提供全面的空壓機(jī)余熱回收的原理、技術(shù)分類(lèi)及主要利用方式，并從已有文獻(xiàn)的調(diào)研并進(jìn)行分類(lèi)比較，這樣可以對(duì)不同技術(shù)的應(yīng)用潛力提供性能評(píng)估。具體如下：

(1) 從原理出發(fā)，說(shuō)明了壓縮空氣對(duì)外的最大理論散熱量；

(2) 空壓機(jī)余熱常采用預(yù)制熱水的方式回收利用，包括直接利用、潤(rùn)滑油間接及熱泵方式；

(3) 基于ORC原理的余熱利用，包括發(fā)電和制冷；

(4) 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是壓縮熱大規(guī)模、高效率的主要實(shí)現(xiàn)方式，包括壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的余熱回收和高效利用。

在未來(lái)的空壓機(jī)系統(tǒng)中，高效、多樣、復(fù)雜場(chǎng)景的利用會(huì)成為低溫余熱發(fā)展方向：

(1) 單個(gè)地區(qū)自用或多區(qū)聯(lián)合互補(bǔ)共用低品質(zhì)空壓機(jī)余熱，能有效提高能源的利用率；

(2) 研究、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)新型高效的壓縮熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用；

(3) 引入多能互補(bǔ)，更加充分發(fā)揮壓縮熱回收，以提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率以提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率；

(4) 壓縮熱回收裝置要經(jīng)濟(jì)成本低、回報(bào)期較短，回收及轉(zhuǎn)化效率高的特點(diǎn)，并且在工業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)具有良好應(yīng)用前景。