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          高效除水型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)淺析

             【壓縮機(jī)網(wǎng)】一、高效除去壓縮空氣中水的意義與價(jià)值
           
            壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域一種重要的動(dòng)力源,可用于驅(qū)動(dòng)各種氣動(dòng)機(jī)械和風(fēng)動(dòng)工具,也可用于其他生產(chǎn)工藝,它具有很多便于應(yīng)用的良好性能與特點(diǎn),如:可壓縮性、清晰透明、輸送方便、不凝結(jié)、沒(méi)有特殊的有害性,沒(méi)有起火危險(xiǎn),在地面上到處皆有,取之不盡。但壓縮空氣中一般都含有大量有害物質(zhì)(如:雜質(zhì),包含固體微粒、水、油、化學(xué)雜質(zhì)、氣溶膠等),若不經(jīng)處理將使壓縮空氣變的毫無(wú)價(jià)值,甚至對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)不可估量的損害。其中,水是壓縮空氣所含雜質(zhì)中危害最大的污染物,會(huì)對(duì)氣動(dòng)設(shè)備與裝置帶來(lái)?yè)p害,如:電磁線圈生銹、氣缸回轉(zhuǎn)執(zhí)行元件壽命下降、減壓功能下降、氣動(dòng)儀表與測(cè)量元件運(yùn)作不良和計(jì)量不準(zhǔn)、氣動(dòng)噴霧影響噴涂表面質(zhì)量等;水在管道內(nèi)聚結(jié),不僅銹蝕管道內(nèi)壁,使管壁變薄,力學(xué)強(qiáng)度下降,而且使空氣在管道和附件內(nèi)的流通截面變小,冰凍季節(jié)使管道破裂造成氣源系統(tǒng)癱瘓。所以,高效除水在壓縮空氣應(yīng)用領(lǐng)域具有相當(dāng)重要的意義與價(jià)值。
           
            二、壓縮空氣中水的來(lái)源
           
            壓縮空氣中所含水分的主要來(lái)源是隨同空氣一起被空壓機(jī)吸入的水蒸氣。有時(shí)也會(huì)由于系統(tǒng)中的其它設(shè)備如中間冷卻器和后冷卻器的不嚴(yán)密而使水分進(jìn)入輸氣管道,還會(huì)由于下雨時(shí),空壓機(jī)的吸氣過(guò)濾裝置沒(méi)有擋雨而將雨水帶進(jìn)空壓機(jī)。壓縮空氣中所含水量與環(huán)境空氣含濕量與溫度及相對(duì)濕度的關(guān)系很大,對(duì)大氣,此參數(shù)還與氣候條件和季節(jié)有關(guān)。
           
            空氣在空壓機(jī)中受到壓縮時(shí),溫度會(huì)升高,在壓縮過(guò)程中單位容積空氣的含濕量將隨壓力升高而成正比的增加。與此同時(shí),由于溫度升高使其相對(duì)溫度明顯下降。例如,當(dāng)系統(tǒng)壓力為0.7MPa,吸進(jìn)的空氣的相對(duì)濕度為80%的情況下,從空壓機(jī)輸出的壓縮空氣在溫度未得到冷卻時(shí)相對(duì)濕度只有6~8%,當(dāng)空氣在輸出管道內(nèi)流動(dòng)時(shí),由于與環(huán)境介質(zhì)的熱交換而變冷,相對(duì)濕度便逐漸增加,在達(dá)到飽和(即相對(duì)濕度達(dá)到100%)時(shí)即有液態(tài)水從壓縮空氣中凝結(jié)出來(lái)。因此,在未經(jīng)處理前,實(shí)際傳輸過(guò)程中的壓縮空氣不僅含有大量液態(tài)水,而且因含濕量是飽和的,只有溫度持續(xù)下降,總是不斷有液態(tài)水凝結(jié)出來(lái)。
           
            同時(shí),壓縮空氣保持水蒸氣的能力會(huì)隨著溫度下降和壓力提高而降低。當(dāng)溫度下降和壓力提高時(shí),空氣的相對(duì)濕度增加,當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)(即相對(duì)濕度達(dá)到100%)之后,多余的水蒸氣會(huì)因冷凝而出現(xiàn)液態(tài)水(凝結(jié)水)。
           
            基于以上所述,壓縮空氣中的水是必須去除的,且除去壓縮空氣中的水有重大的意義與價(jià)值,所以,除水就是壓縮空氣應(yīng)用領(lǐng)域中必須做的工作。
           
            三、冷凍干燥機(jī)除水的原理
           
            冷凍干燥機(jī)(簡(jiǎn)稱冷干機(jī))是我們應(yīng)用最廣泛的壓縮空氣除水設(shè)備。冷凍式干燥機(jī)(簡(jiǎn)稱冷干機(jī))采用冷凍除水的原理即利用了壓力保持恒定而溫度下降時(shí)濕空氣中含濕量跟著下降的原理,對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥的。具體原理是利用制冷技術(shù),使進(jìn)入干燥機(jī)含濕量飽和的壓縮空氣溫度驟然降低,迫使其中大部分水蒸氣(及部分油蒸氣)冷凝成液態(tài)水(油),并與空氣分離后(水被排出機(jī)外)再將壓縮空氣回溫至較高溫度(接近環(huán)境溫度)以降低其相對(duì)濕度,從而在冷干機(jī)排氣口獲得露點(diǎn)和相對(duì)濕度都較低的干燥壓縮空氣,后再輸送至下游用氣設(shè)備。
           
            在冷干機(jī)里,蒸發(fā)器中冷媒的蒸發(fā)溫度是低溫中心,該溫度通過(guò)間壁傳熱將冷量傳遞給壓縮空氣,使其冷凝結(jié)露。由于在蒸發(fā)器里,壓縮空氣始終是飽和的,在流通過(guò)程中便會(huì)不斷析出凝結(jié)水,其露點(diǎn)也隨之下降——極限是水的冰點(diǎn)。正是由于受冰點(diǎn)的限制,在冷干機(jī)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度不能像冰箱那樣設(shè)備得太低,也就限制了壓縮空氣露點(diǎn)的進(jìn)一步下降,因此經(jīng)冷干機(jī)處理的壓縮空氣干燥度(含水量)是有限的。所以,無(wú)論壓縮空氣具有多大的壓力,其工作壓力下的露點(diǎn)(簡(jiǎn)稱壓力露點(diǎn))都在零度以上,普遍以2~10℃作為其凈化效率的標(biāo)志。當(dāng)然,如果能突破冰點(diǎn)極限將大大提高冷干機(jī)的凈化能力,露點(diǎn)可以低于2℃。
           
            在壓縮空氣傳輸過(guò)程中,只要環(huán)境溫度不低于壓力露點(diǎn),而使用環(huán)境溫度不低于其所對(duì)應(yīng)的大氣壓露點(diǎn)(-17℃~-23℃),則無(wú)論傳輸過(guò)程或使用過(guò)程就都不會(huì)有凝結(jié)水從管道或氣動(dòng)設(shè)備中再次析出。通常在冷干機(jī)設(shè)計(jì)了二次回溫裝置,那么傳輸中壓縮空氣的實(shí)際溫度遠(yuǎn)高于露點(diǎn)(即不飽和的),管內(nèi)空氣相對(duì)濕度遠(yuǎn)低于導(dǎo)致金屬內(nèi)壁生銹的濕度條件(<14%)。
           
            但目前投放到市場(chǎng)和所保有的冷干機(jī)的露點(diǎn)大部分未達(dá)到標(biāo)志要求即除水效果不好(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),冷干機(jī)每年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)臺(tái),且目前市場(chǎng)上有保有量在百萬(wàn)臺(tái)之多。),又是為什么呢?
           
            四、影響除水效果的部分因素
           
            因素1:空壓機(jī)與冷干機(jī)不匹配。因?yàn)椋瑝嚎s空氣來(lái)源于空壓機(jī),如果空壓機(jī)輸送過(guò)來(lái)的壓縮空氣含水量高于冷干機(jī)的處理能力,則必須導(dǎo)致除水效果不佳。比如:壓縮空氣氣量過(guò)大于冷干機(jī)的額定處理能力、進(jìn)入冷干機(jī)的壓縮空氣溫度過(guò)高或壓力過(guò)低等。
           
            因素2:冷干機(jī)的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)缺陷,不具備良好的換熱性能、蒸發(fā)溫度設(shè)計(jì)不當(dāng)、蒸發(fā)器材料傳熱性不好、蒸發(fā)器材料問(wèn)題就容易引起蒸發(fā)器表面結(jié)露或結(jié)水,導(dǎo)致除水效果不佳。比如:材料導(dǎo)熱性能不好、流量通道過(guò)小導(dǎo)致?lián)Q熱不充分、蒸發(fā)溫度過(guò)低導(dǎo)致冰堵、蒸發(fā)溫度過(guò)高導(dǎo)致露點(diǎn)升高、蒸發(fā)器排水器設(shè)計(jì)不當(dāng),造成凝結(jié)水積聚在蒸發(fā)器中等。
           
            因素3:冷媒質(zhì)量不好,不具備良好的熱交換性能,導(dǎo)致除水效果不佳。比如:制冷劑的熱力學(xué)性質(zhì)(工作溫度范圍內(nèi)沒(méi)有合適的壓力與壓力比等)、特理性質(zhì)(粘度、密度過(guò)大與導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)小等)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定(熱穩(wěn)定性不好)。
           
            因素4:冷干機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)缺陷。由于對(duì)除水理論的缺失,無(wú)法掌握有效的除水技術(shù),導(dǎo)致冷干機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)不當(dāng),就算空壓機(jī)與冷干機(jī)匹配最好、蒸發(fā)器設(shè)計(jì)最優(yōu)、冷媒質(zhì)量?jī)?yōu)良,也無(wú)法提升整機(jī)的除水性能。比如:在預(yù)冷器與蒸發(fā)器之間是否設(shè)計(jì)有氣水分離器、是否有回溫裝置設(shè)計(jì)等。
           
            五、與除水相關(guān)的部分理論公式或數(shù)學(xué)模型
           
            1、凈化效率:凈化裝置的凈化效率通常以凈化系數(shù)來(lái)表示:
           
          高效除水型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)淺析
            式中:
           
            qv——冷干機(jī)的容積流量,Nm3/min;
           
            d1——進(jìn)入溫度壓縮空氣容積含水量,g/m3;
           
            d——壓力露點(diǎn)下壓縮空氣的容積含水量,g/m3;
           
            高效除水型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)淺析
            六、總結(jié)
           
            要設(shè)計(jì)一款高效除水型冷干機(jī)一定不是“標(biāo)準(zhǔn)型”的,而是基于使用環(huán)境而變的“動(dòng)態(tài)型”,是基于實(shí)際使用工況的“定制型”,是基于為客戶創(chuàng)造價(jià)值(不一樣的客戶,使用環(huán)境不同,應(yīng)用需求不同等)的“定制型”,所以一定要對(duì)涉及冷干機(jī)的相關(guān)理論原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)、研究與靈活的應(yīng)用,才能設(shè)計(jì)出高效除水型冷干機(jī)。
           
            注:本文參考《壓縮空氣凈化原理及設(shè)備》,李申著、浙江大學(xué)出版社出版
           

          來(lái)源:本站原創(chuàng)

          標(biāo)簽: 干燥機(jī)冷凍式設(shè)計(jì)  

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