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        專注壓縮空氣解決方案

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        組合式干燥機
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        氣水分離效果對冷干機露點的影響--中山市凌宇機械有限公司

        文章出處:責任編輯:人氣:-發表時間:2017-01-23 10:35【

        氣水分離效果對冷干機露點的影響:

        壓縮空氣干燥器是用來處理壓縮空氣中水分的后處理設備,已作為空氣壓縮機的配套設備被廣泛應用。隨著工業化社會的不斷進展,各種精密儀器應運而生,各行業對壓縮空氣含濕量的要求越來越高,各樣干燥機應運而生。冷凍式干燥機(以下簡稱冷干機)是目前世界上使用最廣泛的干燥機之一。冷干機主要由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、熱交換器、氣水分離器等部件組成。


        除去壓縮空氣中的水分是壓縮空氣凈化處理的首要任務。氣水分離器是冷干機的關鍵部件之一。濕熱壓縮空氣被熱交換器和蒸發器冷卻后,有大量的凝結液析出,這就需要用高效手段把壓縮空氣和凝結液分離,實現干燥壓縮空氣的目的,因此把蒸發器內壓縮空氣溫度稱為“表觀露點td”(空氣在含濕度d不變的情況下冷卻,達到飽和狀態時的溫度)[1],經過氣水分離器處理后的壓縮空氣才具有真正的露點。如果汽水分離器分離效果較差的話,表觀露點和實際露點會相差10℃以上,甚至超過20℃。


        本文主要分析氣水分離器的不同分離效率對冷凍式壓縮空氣干燥器露點的影響,糾正以前許多生產企業和用戶對冷干機露點的錯誤認識(即冷干機出口處壓縮空氣溫度越低,壓力露點就越低),從而引導冷干機生產企業和用戶更加關注冷干機的氣水分離問題。


        1.1 冷干機工作原理

        冷干機工作原理和普通制冷空調工作原理十分相似,主要由壓縮空氣系統和制冷系統兩部分組成(如圖1所示)。藍色區域為壓縮空氣系統,綠色區域為制冷系統。冷干機根據冷凍換熱除濕原理,利用全封閉壓縮式制冷系統,對經空壓機排出的壓縮氣體冷卻降溫,使其中所含的大量飽和水蒸氣、油霧凝結液滴,經過汽水分離后由自動排水器排出,較高溫度的飽和壓縮氣體進入冷干機的熱交換器,在熱交換器中與來自蒸發器的干冷氣體進行熱交換,降低溫度后進入制冷系統的蒸發器,與冷媒汽進行第二次熱交換,使本身溫度降到接近于冷媒的蒸發溫度。在兩次降溫過程中,壓縮氣體中的水蒸汽得以凝結成液態水滴并隨氣流進入氣水分離器,分離下來的液態水經排水器排出機外,溫度較低的干燥壓縮氣體進入熱交換器,與剛進入的濕飽和氣體進行熱交換,使本身溫度得到提高,從而在冷干機排氣口得到含水量較低(即露點較低)、相對濕度也很低的干燥壓縮氣體,如果氣水分離效果可以接近100%時,冷干機的壓力露點可達到2℃左右。

        冷干機工作原理圖

        (圖1 冷干機工作原理圖)

        1.2 國內外研究現狀和發展趨勢

        根據不同的氣水分離法,壓縮空氣中采用的氣水分離器類型主要有:擋板式分離器、過濾式分離器、旋風分離器等。

        冷干機中凝結水的生成和氣水分離過程,是從壓縮空氣進入冷干機就開始的。在熱交換器和蒸發器中設置了折流擋板后,這種氣水分離過程就變得更加強烈。凝結水滴在與擋板碰撞后由于運動變向,慣性重力等綜合作用發生集聚、長大,最后在本身重力作用下實現氣水分離。盡管在壓縮空氣流徑中設置一定數量的擋板確實能將大部分凝結水滴與氣體分離,但那些粒徑更細小的水滴,特別是在最后一塊折流擋板后生成的凝結水仍有可能進入排氣通道。如果不加阻擋,這部分凝結水在熱交換器里遇熱蒸發為水蒸氣,使壓縮空氣的露點升高,為了使壓縮空氣露點接近于冷媒的蒸發溫度,就必須設計一種分離效果非常好的氣水分離器。


        目前,國內冷干機上使用較多的是旋風式分離器。旋風式氣水分離器是一種慣性分離器,較多地用于氣固分離。壓縮空氣沿筒壁切線方向進入分離器后,在里面產生旋轉,混在氣體中的水滴也跟著一起旋轉并產生離心力,質量大的水滴產生的離心力大,在離心力作用下,大水滴向外壁移動,碰到外壁后再集聚長大并與氣體分離;而粒徑較小的水滴卻在氣體壓力作用下向呈負壓狀態的中心軸線遷移。旋風分離器的分離效果并不是很好。而過濾式分離器由于分離時進出口壓力降過大,目前很少有企業采用。


        國外企業生產的冷干機在功耗和處理氣量相同的情況下,壓力露點比國內企業生產的冷干機低5℃左右,有的甚至低十幾攝氏度。據分析主要是兩者在氣水分離效果方面存在差距,如解決了氣水分離問題,就能解決冷干機露點高的問題。


        1.3 當前生產現狀


        自2007年實施冷干機生產許可證制度以來,截止2011年底,取得生產許可證的企業已達到100多家,但測試的樣機露點普遍較高。2010年測試的40臺樣機,測試時每臺樣機的蒸發壓力都控制在0.42MPa(表壓)左右,此時從蒸發器出來的壓縮空氣出口溫度能達到1℃左右;測試數據顯示壓力露點達到3℃以下的僅有4臺,且這4臺樣機均為外資企業生產;3~10℃的32臺,15℃以上的4臺,20℃以上的2臺。以上數據顯示,目前國內企業生產的冷干機壓力露點普遍較高。露點在15℃以上的4臺樣機,在其它配置不變的條件下,僅改變氣水分離器的設計之后,壓力露點均降到7℃以下,甚至有一臺樣機由原來的20.8℃降到6.5℃。由以上數據不難看出,解決好汽水分離效率的問題,就能解決好露點高的問題。


        2 分離效率對露點的影響

        壓縮空氣含濕量d(每1kg干空氣所攜帶的水蒸氣質量)按公式(1)計算:d=0.622φps/(p-φps)(1)[1]


        式中:φ為相對濕度;ps為濕空氣溫度下水蒸氣的飽和壓力,p為壓縮空氣壓力。

        溫度范圍為0~200℃濕空氣溫度下水蒸氣的飽和壓力按公式(2)計算。


        In(ps) =C8/T+C9+C10×T+C11×T2+C12×

        T3+C13×InT(2)[2]

        式中:C8=-5.8002206×103,C9=1.3914993,

        C10=-4.8640239×10-2,C11=4.1764768×10-5,

        C12=-1.4452093×10-8,C13=6.5459673,ps單位為

        Pa,T為絕對溫度。


        按JB/T10526-2006《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》[3]中B工況,即:壓縮空氣進口壓力露點為38℃,壓力為0.7MPa(表壓)時,ps值約為6631.5Pa,d值約為5.199g;當壓縮空氣壓力為0.7MPa(表壓)時按(1)、(2)式分別計算壓力露點為1~10℃時,ps和d如表1所示。

        表1

        表1中與38℃含水濕量之差說明,要將壓縮空地分離壓縮空氣中的冷凝水量是不可能的。表2列氣進口壓力露點從38℃降到表1中出口處的1~10℃舉了冷凝水按98%、95%和90%比例分離后露點變每1kg壓縮空氣要除去的水量,但是實際上要100%化情況。

        表2

        從表2數據可以清楚地看到,冷干機的壓力露點溫度要達到JB/T10526-2006標準中規定的低于10℃的要求,氣水分離器的分離效率必須達到95%以上。表2數據顯示,分離效率對露點的影響是非常大的,特別是制冷效果好時,分離效率對實際出口壓力露點的影響更大。以壓力露點td為1℃為例,當氣水分離器為100%和90%時,實際壓力露點溫度將相差9.4℃。因此要解決冷干機露點高的問題必須首先解決氣水分離器的分離效率問題。


        3 熱交換器的作用

        熱交換器在冷干機里的主要作用是利用蒸發器冷卻后的壓縮空氣所攜帶的冷量并用這部分冷量來冷卻攜帶大量水蒸氣的較高溫度的壓縮空氣,從而減輕了冷干機制冷系統的熱負荷,達到了節約能源的目的。另一方面,低溫壓縮空氣在熱交換器里溫度得到回升,使排氣管道外壁不致因溫度過低而出現結露現象。


        目前有許多冷干機用戶普遍都認為壓縮空氣出口溫度越低冷干機的出口壓力露點就越低,因此很多生產企業就在設計時將圖1中的熱交換器省去,這樣壓縮空氣的出口溫度將接近冷干機的出口壓力露點溫度,但是這樣設計將會大大的浪費能源,在同樣配置的情況下,冷干機的出口壓力露點將會比有熱交換器時的溫度高十幾℃。這樣不僅沒有降低壓縮空氣的出口壓力露點溫度,反而大大的浪費了能源。不僅如此,當壓縮空氣進入用氣設備時,噴出的壓縮空氣溫度低于大氣常壓露點時,設備上將會凝結露水,容易導致設備銹蝕損壞。因此,設計時省去熱交換器的做法是非常不合理的。


        4 結語

        通過以上分析,可清楚地看出,如果氣水分離器的分離效果差(即氣水分離器分離效率低于90%),無論配置的制冷壓縮機制冷量再大,壓縮空氣的出口壓力露點溫度都將超過10℃。本文的主要目的是提示生產企業和用戶要特別關注冷干機的氣水分離問題,并非說其它部件的配置不重要。同樣,如果配置的制冷壓縮機制冷效果差(即從蒸發器排出的壓縮空氣溫度高于10℃),那么即使氣水分離效果達到100%,壓縮空氣的出口壓力露點也將高于10℃。要解決冷干機露點高的問題必須同時解決冷干機所有組件的配置問題,在設計時應權衡利弊,合理配置冷干機的幾大組件,不可偏廢。

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