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コンプレッサシステムの熱回収

Compressor Installations Compressed Air Wiki Energy Recovery Compressors

圧縮空気を生産する設備では、多くの場合、熱回収という形態による省エネの可能性が有効活用されていません。大型の産業用設備において、エネルギーコストは圧縮空気生産総コストの80%を占めることがあります。ただし、このようなエネルギーの多くは回収可能で、それによりコストを大幅に削減できます。

コンプレッサ設備の廃熱回収とは

コンプレッサシステムの熱エネルギー回収, 図

空気を圧縮すると、熱が発生します。この熱エネルギーは圧縮空気が配管システムに分配される前に取り出され、廃熱になります。各圧縮空気設備の冷却能力は、十分で信頼できるようにしなければなりません。冷却には外気を使用するか、あるいは解放システムまたは閉鎖システムで水道水、河川水、工業用水のいずれかを利用する冷却水システムを使用することができます。

 大型産業設備のコンプレッサ集中プラントは、1年に8,000時間の運転で500 kWを消費します。つまり、1年間のエネルギー消費量は400万kWhです。熱い空気や熱湯から相当な量の廃熱を回収する可能性は現実的だということです。たとえば、オイルフリースクリュコンプレッサから出る高温の水が90℃であれば、コンプレッサに供給されるエネルギーの94%は回収可能です。この事実は、廃熱を削減すると、すぐに大きな見返りが得られることを示しています。

熱回収の場合、1~3年という短期間で投資が回収されます。さらに、閉鎖冷却システムを使用した熱回収では、温度の均一化、高品質な冷却水などのメリットにより、コンプレッサの運転条件、信頼性、サービス期間が向上します。北欧諸国はこの分野の先駆者であり、熱回収は長い間コンプレッサ設備に標準的に使用されてきました。主要なサプライヤの中型や大型コンプレッサのほとんどは、廃熱回収用の標準的装置を取り付けられるようになっています。

熱回収の可能性の計算方法

物理法則により、コンプレッサ設備に供給されるエネルギーのほとんどすべては熱に変換されます。回収して他のプロセスに利用できる熱が多いほど、システム全体の効率性は向上します。

回収された熱(kWh/年):
1年のコスト削減額:(€)
TR = 熱回収が必要な時間(時/年)
K1 = TRのうちロードコンプレッサ使用(時/年)
K2 = TRのうちオフロードコンプレッサ使用(時/年)
Q1 = ロードコンプレッサ使用時に利用可能なクーラント電力(kW)
Q2 = オフロードコンプレッサ使用時に利用可能なクーラント電力(kW)
ep = エネルギー価格水準(€/kWh)
η = 通常の熱源効率(%)

多くの場合、コンプレッサ設備の冷却を効率的に活用すると、90%を超える熱が回収されます。冷却システムの機能、消費ポイントまでの距離、熱が必要とされる程度と期間すべてが決定要因です。熱流が大きい場合には、回収した熱エネルギー販売の可能性を無視できません。販売先は電力供給会社となる可能性があります。投資、注文、配送の交渉はたやすいかもしれません。複数のプロセスの熱回収を調整してコストを削減する可能性もあります。

空冷システムで熱を回収する方法

圧縮空気設備の熱回収では、必要なときに熱が得られるとは限らず、十分な量の熱が回収されないこともよくあります。コンプレッサの負荷が変動する場合、熱回収の量は長期的に変化します。熱回収を実現可能にするには、熱エネルギーの需要が比較的安定している必要があります。回収した廃熱を活用するための最も良い方法は、システムに供給するエネルギーを補うことです。この方法では、コンプレッサの運転中に、使用可能なエネルギーが常に活用されます。空冷式コンプレッサは、比較的低温で熱いエアフローの量が多いので、建物の直熱暖房やバッテリを予熱するための熱交換に利用されています。この場合、温められた冷却エアはファンによって供給されます。

建物がさらに熱を必要としない場合、熱い空気は、サーモスタット制御で自動的に、あるいはエアダンパを制御して手動で、大気中に放出されます。制限要因は、コンプレッサと、暖房を必要とする建物の間の距離です。この距離は制限する必要があります(建物が隣接していることが望ましい)。さらに、冬季には熱回収の可能性が制限される場合があります。小型や中型のコンプレッサでは空気による熱回収が一般的です。コンプレッサ空冷システムから廃熱を回収した場合、分配による損失がわずかになり、投資はほとんど必要ありません。

水冷式システムで熱を回収する方法

水冷式コンプレッサの冷却水が最大90°の場合、温水暖房システムを補うことができます。この温水を代わりに洗濯、クリーニング、シャワーに使用する場合、基礎負荷の温水ボイラも必要です。圧縮空気システムから回収された熱は、補助的な熱源となり、ボイラへの負荷を下げ、暖房用の燃料を削減し、使用するボイラの小型化が可能な場合があります。

圧縮空気コンプレッサからの熱回収の前提条件は、コンプレッサのタイプにある程度左右されます。標準的なオイルフリーコンプレッサは、熱回収対応に変更するのが簡単です。このタイプのコンプレッサは、効率的な熱回収に必要とされる水温(90℃)を提供するため、温水暖房システムとの統合に最適です。オイル潤滑式コンプレッサの場合、圧縮プロセスに使用される油が、冷却水が高温になるのを制限する要因になります。遠心式コンプレッサでは、圧段当たりの差圧が下がると一般的に温度が低下するため、回収される割合は制限されます。

水による廃熱回収は、動力10 kW超の電動モータを装備したコンプレッサに最適です。水中での廃熱回収は、空中での廃熱回収よりも複雑な設備が必要です。基本装置は、液体ポンプ、熱交換器、調整バルブで構成されています。

水による熱回収を使用すると、比較的口径が小さいパイプ(40~80 mm)で離れた建物まで、大きな熱損失なしで熱を供給することもできます。最初の水温が高いため、温水ボイラから戻った水の温度上昇に廃熱を利用することができます。したがって、通常の熱源を周期的に切り替えて、コンプレッサの廃熱回収システムに交換することができます。

加工業界では、コンプレッサの廃熱を加工温度の上昇に使用することもできます。水による廃熱回収に空冷式オイル潤滑式スクリュコンプレッサを使用することもできます。この場合は、油回路に熱交換器が必要になり、オイルフリーコンプレッサを使用した場合よりも水温は低下します(50°~60°)。

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