永磁变频螺杆空压机热水工程的热能从何而来

   TOKA永磁变频螺杆空压机热能热水机(不烧油不烧电的企业热水工程)的热利用效之高，理论上一直困扰着不少人。以一台100kW的螺杆空压机为例计算，其能量利用量不可大于100kW，这是常识。通常我们会这样认为，该空气压缩机的输入电功率为100kW，其输出率不能大于输入功率，否则就会因破坏了宇宙间能量守恒定律而变得荒谬。正是基于以上的信条，人们不能理解，为何热能机的热能利用量可以高到接近甚至超过空压机的轴输入功率。难道，能量守恒定律在这里失效了？答案当然是否定的。以下分析可以很好的阐述螺杆式空压机热回收系统“热利用率”接近输入电功率甚至超过输入功率的原因。
   螺杆压缩机由于本身的设计结构和工作原理决定，它的绝热效率在0.65-0.85之间。低压力比、大中容积流量压缩机为0.75-0.85，高压力比、小容积流量比压缩机为0.65-0.75。对于空气压缩机，供油温度一般在50-60℃。   这就决定了空压机输入电功率的65%-85%用于压缩空气，而余下的输入功率才消耗在产生热能和克服摩擦等功耗上。只有约30%左右的输入功率消耗在无用的功耗上，这一部分主要是因压缩而产生的温升上。
   对于空压机设备而言，除了机械摩擦导致的热能损失外，主要是因为压缩气体时热能转换的热能损失，压缩机的绝热效率仅有60-80%。也就是说输入功率的65%-85%用于做有用功，其余的一部分因摩擦产生了热能。假定一台螺杆空压机的绝热功率是70%，忽略其他次要因素，可利用的热能应该为（100-70）%=30%。而实际运行中，由于存在热能散失，可以用的热能一定会低于30%。这样一来，可利用的热能应该就更少了，那么，为何热能热水机的热能利用为何能达到空压机输入功率的85-100%，甚至更多呢？
   我们知道热力学第一定律，也就是能量守恒定律是建立在一个对外没有能量交换的系统中。因此，我们分析空压机的热能利用时，需要用到这一基本的方法。按照能量守恒定律，系统在一个理想模型下，输入功率应该等于系统的输出功率。
   空压机的输入功率为空压机的电功率，输出后将转变为空压机的空气势能，热能等。而当我们将空压机不仅作为压缩气体的设备来分析的时候，空压机系统的输入能量就不仅仅是空压机的如入电功率了，还应该加上输入空气所携带的热能。有了这一点，我们就不难理解系统的能量变化了。
    我们知道空压机输出的热能来源于三块，一是空气被压缩的势能转换所产生的热能，这个知道热力学第一定律的人比较容易理解。二是循环油被剪切所产生的热能，三是机械摩擦所产生的热能。后两者都属于摩擦热能范畴，而其中因化学变化产生的热能可以或略不计。然而空压机的运行不是一个独立的系统，空压机的运行是一个不断有电输入做功带动空压机运转，同时又有大量的空气进入系统的动态过程。空气中的热能在分析过程中就显得尤为重要了。空压机通过搬运动作将空气搬入腔体内，系统的热能实际上是空压机压缩所产生的热能与空压热能之和。热能机正是利用了两者的人能才使得热回收系统能够实现”热利用率“接近甚至超过空压机电机输入功率的。通常对于一般的工程人员而言，理解前三者比较容易，而往往忽略了后者的作用，甚至困扰了许多设计此类设备的技术人员。
   让我们用热力学第一定律(能量守恒定律)来解释这一现象。按照ΔU = Q+ W，我们理解热力学第一定律为，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。螺杆空压机运行过程中输入功率W，系统内能和输入空气的能量总和为Q。前者用于做功，后者在系统运行过程中只能热能的方式交换。因此一般情况下，我们所说的空气压缩机的绝热功率是指W在绝热情况下的功率转换的效率。
   在空压机热能热水利用过程中，由于空气进入系统，带入了大量的空气热能，使得系统地内能增加，该部分热能再空压机的运行中是无益处，需要用风机或冷却水将该部分热能带走。
   热能热水机的效能可以接近甚至超过输入功率，并没有打破能量守恒的原则，相反它很好的说明了能量是守恒动态过程。原因就在于热能的产生除了电机的输入做功的作用外，还由于空气中的热能搬运到系统中，为热能机提供了热的来源，这些热能正是空压机热回收的不可忽视的能量来源。由此可以看出，空压机热能利用中所出现的能源利用量接近甚至大于空压机输入电功率的原因。通过以上理论分析，这个困扰许多人的问题就迎刃而解了。
   实际上我们说热回收的利用率达到70%或100%这样的说法并不严谨。正是由于这一不严谨的表述误导了许多人。我们应该理解为，热回收的热能利用量与空压机输入电功率比较，其热能利用当量为70%是恰当的。这里所用的“当量“一词不可或缺。正如我们在描述换热器的换热能力或者效能时，并不使用”换热效率“一词一样。然而，人们为了表述的方便往往习惯于用效率一词衡量一个换热器的换热能力确实普遍存在。
   根据以上理论分析，我们就可以理解空气中蕴含的热能可以被热能热水机利用。那么空气中的热能是如何被利用，又有多少可以利用呢？
   通常，当气温高于水温（这里指系统的输水水温）时，空气中的热能就可以被利用。我们知道水的比热容是最大的物质，其吸收热的能力非常强，而空气的比热容较小。因此，需要大量的空气热能才能给空压机热能热水机所利用，所幸的是，空压机正是大量压缩空气的设备，它把大量的空气压缩到相对较小的空间，使得单位体积的空气增加，有利于空气热能的利用（当然，这些热能对压缩机本身是无益的）。而空压机热能热水设备恰好友好的化解了这一矛盾。
   在北方实践中，空压机热回收系统，尤其是应用于风冷式空压机的系统，一到冬天其热能利用量明显降低，很好的证明了这一点。
   我们知道，螺杆压缩机被电动机带动，高速旋转，大量的空气被压缩进空压机中。电能驱动电机运转，将电能变成机械能。机械运转过程中一部分用于压缩空气，一部份被结构和维持运转所消耗。前者是有用部分，后者是损耗部分。根据热力学定律，当空气的势能怎加后，气温度同样增加，以维持系统内能不变。根据热力学第零定律，我们知道气体状态方程可以表述为：lnV＋lnP ＝ lnT ＋I或者描述为：PV＝nRT。绝热情况下，一般螺杆空压机的效率只有6.5-8.5成。也就是说气体用于压缩气体的输入功率的6.5-8.5成一方面用于提高空气的压力，一方面提高了气体的温度。而试验表明被压缩的油气混和气体中，由于液相的循环油的比热容大于空气，热能的70%存在有油中。其余部分存于气空气中。因此输入功率的一半变成了热能存于循环油中，并被冷却风扇排掉。我们仅仅分析油的热能的利用作为我们分析的对象。
   不难看出100kW的空压机只有不到30kW左右的输入功率变成可利用的热能。其余来源于空气的热能有多少了。
   压缩空气被吸入压缩机前的温度高于水的温度，于是，空气热能通过空气压缩机的聚集作用被热能机的热交换置换到水中。这个原理和时下流行的空气源热泵的工作原理有着异曲同工之妙。可喜的是，空压机热回收是在空压机运行时产生高压气体，作为生产动力的同时，利用了其运行过程中的废热，热效能可以达到输入电功率70%左右的当量，甚至更高，其节能效果显而易见。