冷干机概述:分类及技术参数(二)

2020-08-12 03:39:00 0

2.2.5 凝聚式过滤器的工作特点
凝聚式过滤器(即纤维过滤器)的工作特点可以体现为以下几个方面:   【中国压缩机网
(一)过滤器的压降会随着时间的延长而增加。过滤器的压降包括以下几个部分:
a)过滤器壳体产生的压降;
b)滤芯固有的压降:我们已经知道,过滤器滤芯由硼硅酸纤维、不锈钢衬套等组成,这些部件会产生压力降。
我们通常把a)、b)两部分压降称为过滤器的干压降。
c)压缩空气中凝结液产生的压力降:过滤器投入运行后,滤芯过滤下来的油水会在外层海绵形成一个潮湿带(即安静区)以便排油水之用(凝结水和油雾是不会堵塞滤芯的)。潮湿带处没有压缩空气通过,相应减少了压缩空气的流通面积,故而会增加压力降。通常a)、b)、c)这三部分压降被称为过滤器的湿压降.
d)固体颗粒沉积在纤维上产生的压力降:压缩空气中被过滤下来的固体颗粒沉积在纤维的空隙,压缩空气的流通面积会越来越小,压降越来越大。

图2-5 压降为0.035MPa时电子显微镜照片
由于造成压降的固体颗粒沉积在纤维的空隙之中,也就是在滤芯的内部,因此无法采用脉冲反吹等方法再生。当压力降达到一定值就应该更换。
(二)压缩空气过滤器的过滤效率与空气温度的关系
对纤维过滤器而言,其过滤效率与空气温度关系不大,因为纤维过滤器过滤压缩空气中的微粒。由于纤维过滤器内有不耐高温的部件,如海绵、排水器内胆等,因此压缩空气的温度不能超过66℃。
对活性炭过滤器而言,由于其主要作用是吸附压缩空气中的异味(包括油蒸气和其他化学气体),而压缩空气中油蒸气的含量与温度有较大关系(与水蒸气相似),因此压缩空气的温度影响着过滤器效率。如:当温度为30℃时经过滤器的油蒸气含量为20℃时的5倍;当温度上升为40℃时,流经过滤器的油蒸气含量为20℃时10倍。所以活性炭过滤器一般要安装在压缩空气系统的温度z*低点。
(三)纤维过滤器不能降低压缩空气的露点温度
纤维过滤器只能除去固体和液体的微粒(滴),而水蒸气和油蒸气可以毫无阻挡地通过过滤材料的空隙。所以,纤维过滤器(包括膜过滤器等)无法滤除压缩空气中的水蒸气,这样降低露点也就无从谈起。要从根本上去除水蒸气,降低压缩空气露点温度还需要选用合适的干燥机。

2.2.6 过滤器的应用
2.2.6.1 不同等级的过滤器的适用场合
过滤器的适用场合仅是建议性的,不同的客户尽管有相同的用气设备,对压缩空气的要求也有可能不同。dh公司的样本中有不同过滤器的使用场合建议。
2.2.6.2 过滤器的配套
一般人可能只根据所需要的空气质量选择相应处理精度的过滤器,而不考虑过滤器的配套使用。这是不对的,因为所需要的空气质量虽然由所选的单支过滤器的处理精度决定,但没有前置低一级过滤器的预处理保护,高精密滤芯很快就会因负载过大而堵塞,加快了滤芯的更换频率,从而会变相地增加生产成本。如采用AA级过滤器应在其前面安装AO级过滤器;选用了ACS级过滤器应在其前面安装AO级和AA级过滤器。
2.2.6.3 过滤器滤芯的更换周期
前面已经说过,纤维过滤器的滤心不能再生,因此其滤心需要更换,滤芯的更换周期由压力降决定,一般来说过滤器压差计指针指向红色区域(压力降超过了0.35kg/cm2)即可更换。需要指出的是虽然滤芯的压力降上升,但它的过滤效率并没有下降。
对活性碳滤芯而言,当在下游测到气味时应更换。

2.3.1 冷干机概述(分类及技术参数)
经过空气压缩机压缩、后部冷却器冷却、气水分离器分离、缓冲罐稳压后的压缩空气一般都处于饱和状态,其相对湿度为100%,而且含有油、固体颗粒等杂质,这种压缩空气是不能直接使用的,需要进行干燥净化处理。
工业上曾有三种方法用于压缩空气的干燥处理,它们是:
1) 利用吸附剂对压缩空气中的水蒸气具有选择性吸附的特性进行脱水干燥。如吸附式压缩空气干燥机。
2) 利用某些化学物质的潮解特性进行脱水干燥。如潮解式压缩空气干燥机。
3) 利用压缩空气中水蒸气分压由压缩空气温度的高低决定的特性进行降温脱水干燥。如冷冻式压缩空气干燥机。
在上述三种压缩空气干燥设备中,潮解式压缩空气干燥机已基本淘汰;而冷冻式压缩空气干燥机(以下简称“冷干机”)和吸附式压缩空气干燥机(以下简称“吸干机”)正在被广泛应用。
冷冻干燥机与吸附式干燥机相比具有下列特点:
1)没有压缩空气消耗——大部分用户对压缩空气露点要求并不是很高,如使用冷干机可比使用吸干机来得节省能源;
2)无阀件磨损——吸干机有切换阀的问题,虽然冷干机中也有阀件,但是基本无磨损问题;
3)不需要定期添加、更换吸附剂;
4)运转噪音低;吸干机有吸附塔卸压的噪声,在空压房里,一般听不到冷干机的运行噪声;
5)日常维护较简单,只要按时清洗自动排水器滤网即可;
6)对气源的前置预处理要求不高,一般的油水分离器即可满足冷干机对进气质量的要求;
与吸附干燥机相比,经冷干机处理后的压缩空气“压力露点”只能达到0℃以上,因此气体的干燥深度远不及吸干机。在一些的应用领域中,用冷干机是达不到工艺对气源干燥度要求的,如气动仪表、电子工厂等。
RSL型冷干机(本公司产品)按冷凝器的冷却方式分有风冷型、水冷型两种;按进气温度高低分有高温进气型(80℃以下)和常温进气型(45℃以下);按工作压力分有低压型(0.3-0.6MPa)、普通型(0.6-0.95MPa)和中、高压型(≥1.0MPa)三类。
RSL型冷干机的技术参数主要有:
——处理量(Nm3/min);
——进气温度( ℃);
——工作压力(MPa);
——压力降(MPa);
——压缩机功率或整机功率(Kw)——对风冷式冷干机而言包括冷凝器冷却风扇电机功率;
——冷却水耗量(t/h)或冷却风量m3/h;
——压力露点( ℃)。
压力露点与压缩空气的进气状态和环境有关,因此我们一般不单独保证冷干机的露点温度,而只标明在额定工况下的压力露点值。
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2.3.2 冷干机工作原理

在《空气和压缩空气》中我们已经了解到,压缩空气中水蒸气的量是由压缩空气的温度决定的:在保持压缩空气压力基本不变的情况下,降低压缩空气的温度可减少压缩空气中的水蒸气含量,而多余的水蒸气会凝结成液体。冷干机就是利用这一原理采用制冷技术干燥压缩空气的。因此冷干机具有制冷系统。

冷干机的制冷系统属于压缩式制冷,由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等四个基本部件组成。它们之间用管道依次连接,形成一个密闭的系统,制冷剂在系统中不断地循环流动,发生状态变化并与压缩空气和冷却介质进行热量交换。其工作过程如图2-11所示。

图2-11 冷干机制冷系统流程图

制冷压缩机将蒸发器内的低压(低温)制冷剂吸入压缩机汽缸内,制冷剂蒸汽经过压缩,压力、温度同时升高;高压高温的制冷剂蒸汽被压至冷凝器,在冷凝器内,温度较高的制冷剂蒸汽与温度比较低的冷却水或空气进行热交换,制冷剂的热量被水或空气带走而冷凝下来,制冷剂蒸汽变成了液体。这部分液体再被输送至膨胀阀,经过膨胀阀节流成了低温低压的液体并进入蒸发器;在蒸发器内低温、低压的制冷剂液体吸收压缩空气的热量而汽化(俗称蒸发),而压缩空气得到冷却后凝结出大量的液体水;蒸发器中的制冷剂蒸汽又被压缩机吸走,这样制冷剂便在系统中经过压缩、冷凝、节流、蒸发这样四个过程,从而完成了一个循环。

在冷干机的制冷系统中,蒸发器是输送冷量的设备,制冷剂在其中吸收压缩空气的热量,实现脱水干燥的目的。压缩机是心脏,起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备,将蒸发器中吸收的热量连同压缩机输入功率转化的热量一起传递给冷却介质(如水或空气)带走。膨胀阀/节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量,并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。除了上述部件外,RSL型冷干机还包含能量调节阀、高低压保护器、自动排污阀、控制系统等部件。

2.3.3 冷干机的组成
为了实现压缩空气干燥的目的,又体现节能的目标,一台典型的冷干机除了制冷系统外,还有其他部件组成,具体为:
1)冷冻降温部分:包括预冷器(空气与空气的热交换器)、蒸发器(空气与制冷剂液体的热交换器);
2)气水分离与排放部分:包括气水分离器、自动排水器;
3)制冷部分:包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、能量(制冷量)调节阀、电磁阀、压力开关、压力控制器(水量调节阀)、贮液罐、过滤干燥器、截止阀等;
4)电气部分:包括操作开关、电磁接触器、继电器、压缩机曲轴箱加热器、电脑板及其它部件等;
5)仪表部分:包括进出口空气压力表、制冷剂压力表(制冷剂压力)等。

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2.3.4.1 预冷器

绝大多数冷干机具有预冷器,预冷器是一种空气与空气进行热交换的换热器,一般为列管式换热器(也称管壳式换热器)。

预冷器在冷干机里的主要作用是回收被蒸发器冷却后压缩空气所携带的冷量,并用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的较高温度的压缩空气(即从空压机排出,经过后部冷却器冷却、再经过气水分离的温度一般在40℃以上的饱和压缩空气),从而减轻了冷干机制冷系统的热负荷,达到节约能源的目的。

另一方面,低温压缩空气在预冷器里温度得到回升,使输送压缩空气的管道外壁不致因温度低于环境温度而出现的结露现象。此外,压缩空气温度升高后,降低了干燥后压缩空气的相对湿度(一般小于20%),对防止金属的锈蚀有利。

有些用户(如与空分设备配套)需要含水量低而且温度也低的压缩空气,这时冷干机就不再设置预冷器了。由于不设置预冷器,冷空气的冷量得不到回收利用,蒸发器热负荷会增加很多。在这种情况下,不仅需要加大制冷压缩机的功率来进行能量补偿,而且整个制冷系统的其它部件(蒸发器、冷凝器及节流元器件)都需要相应增大。

从能量回收角度讲,我们总希望冷干机排气温度越高越好(排气温度高,说明能量回收多),z*好进出口没有温差。但实际上是达不到这一点的,在空气进口温度为45℃以下时,冷干机进、出气温相差15℃以上的情况并不鲜见。这是因为:

1)能量有损失;

2)湿热压缩空气在降温时,由于内含的部分水蒸气会凝结成液体(称为相变,相变时温度没有变化)所吸收到的全部冷量中有一部分要用来支付相变潜热,因而湿热压缩空气温度降幅比干燥空气的降温幅度小;

3)由于空气的传热膜系数较小,导致换热器的传热系数也不大,在这种情况下要实现冷热压缩空气之间彻底热交换,必然要无限制地增大换热面积,这是不可能的。因为所有冷干机都有成本和体积的限制。

图2-12是冷干机的预冷器结构示意图。  

图2-12

2.3.4.2 蒸发器

蒸发器是冷干机主要的换热部件。结构与预冷器不同,一般冷干机的蒸发器是由壳体和内胆组成,内胆由一簇套有铝翅片的紫铜管组成。图2-13为蒸发器内胆照片,图2-14为蒸发器工作流程示意图。

在蒸发器中,从预冷器流出的经过预冷却的压缩空气在壳层沿折流板上下流动,制冷剂在管内流动,压缩空气被强制冷却,其中大部分水蒸气凝结成液态水排出机外,从而使压缩空气得到干燥。

图2-13

图2-14

蒸发器内胆管内液体制冷剂吸取压缩空气的热量后蒸发成蒸汽,这一过程是相变过程,在制冷剂液体相变成气体时,蒸发压力保持不变,蒸发温度在大部分时间里也保持不变(在制冷剂完全蒸发成气体后,在蒸发器末端会过热,膨胀阀就是根据过热度调节供液量的,具体可参阅有关制冷书籍),压缩空气在热交换过程中温度会越来越接近制冷剂的蒸发温度。但由于受到冷干机结构和成本的限制,蒸发器换热面积不可能无限增大,压缩空气与制冷剂之间的传热温差总是存在的。因此压缩空气所能达到的温度(表观露点温度),在任何时候也不可能等于或低于蒸发温度(图2-15)。

图2-15 蒸发器中温度变化图

压缩空气z*终被冷却到的温度值取决于多种因素,例如:制冷量、制冷剂的蒸发温度(蒸发压力)、蒸发器的换热面积、压缩空气的流速、热负荷等。在冷干机实际运行中压缩空气的z*终冷却温度值蒸发温度高35℃是正常的。

由于蒸发器的换热介质是热力学性质截然不同的压缩空气与制冷剂,制冷剂的导热系数不空气的导热系数高得多,因此,蒸发器换热效率的高低决定在压缩空气侧。为了尽可能获得较高的传热效率,应加大压缩空气侧的换热面积以抵消其热阻。我们采取的是在铜管外胀接铝翅片的技术(类似与家用空调)。

为什么冷干机的合理压缩空气露点温度为0℃以上?

要降低压缩空气温度,势必制冷剂的蒸发温度也降得很低。冷干机在冷却压缩空气时,蒸发器内胆的翅片表面有一层膜状冷凝水存在,如果由于蒸发温度的降低使翅片表面温度在零度以下,其表面冷凝水就可能结冰,这时:

1)由于蒸发器内胆翅片表面附着一层导热系数小得多的冰,大大降低了换热效率,压缩空气不能充分冷却,同时由于吸收不到足够的热量,制冷剂蒸发温度有进一步降低的可能,如此循环的结果,必将给制冷系统带来许多不良后果(譬如产生液压缩);

2)由于蒸发器内胆翅片的间距不大,一旦翅片上结冰后会减少压缩空气的流通面积,严重时甚至会使气路堵塞,即冰堵

3)从系统能耗来讲,蒸发温度过低导致压缩机制冷系数大幅下降,能耗增加。

总上所述,冷干机的压缩露点温度应在0℃以上,相反,为了防止蒸发温度过低,冷干机里设置了能量旁路保护(由热气旁通阀实现)。当制冷剂蒸发压力低到一定值时,热气旁路阀自动打开(开度增大),将未经冷凝高温高压制冷剂蒸汽直接注人蒸发器的入口(或压缩机入口),使蒸发压力提升到正常水平。

在制冷系统中,蒸发器的形式有多种,RSL型冷干机采用的是干式蒸发器并采用卧式安装。

在水蒸气冷凝成水滴的过程中,s*先会在蒸发器内胆铝翅片表面形成一层水膜,卧式安装蒸发器可使水膜成珠状下滴迅速更新换热表面。如果立式安装水滴就会沿换热管表面成帘状流动,帘状流动使水膜变厚影响传热。

制冷系统的卧式蒸发器可分干式蒸发器满液式蒸发器两种。前者制冷剂在管内蒸发,空气在管外流动。满液式蒸发器中,液体制冷剂在管外蒸发,被冷却的压缩空气在管内流动,制冷剂将换热铜管全部浸没。满液式蒸发器在冷干机中用得较少,原因是:

1)不能通过采用外套片等方法来增加放热系数较小侧——压缩空气侧的换热面积以增强换热效果

2)冷冻机油易溶于制冷剂,且不易排除,在满液式蒸发器中既影响传热效果又影响回油,严重时导致压缩机缺油运行;

3)制冷剂充注量大。

2.3.4.3 气水分离器和自动排水器

(1) 气水分离器

气水分离器是冷干机的关键部件之一。湿热压缩空气被预冷器和蒸发器冷却后,会有大量的凝结液析出,这就需要用高效的手段把压缩空气和凝结液分离,实现真正干燥压缩空气的目的,因此我们把蒸发器内压缩空气温度称为表观露点温度,经过气水分离器处理后的压缩空气才具有真正的露点温度。

在讨论气水分离器前我们先了解压缩空气中凝结液的存在状态。

在预冷器和蒸发器中,凝结液以两种方式析出:

1)直接与低温固体表面(如换热管外表面、散热翅片表面等)接触的水蒸气、油蒸气直接冷凝结露(如同自然界地表结露过程);

2)不与固体表面直接接触的水蒸气、油蒸气则以气流本身挟带的固态杂质为凝结核冷凝析出(如同自然界云雾、雨形成过程)。由于压缩空气携带的固体尘粒在凝结水生成过程中起着凝结核的作用,所以有人说,冷干机中凝结液的生成是压缩空气的自净过程。

凝结液滴的初始粒径取决于凝结核的大小。在正常情况下进入冷干机的压缩空气所含的固体杂质粒径一般在2μm左右,因此凝结液滴的初始粒径也不大。凝结液滴按直径大小可分为10μm以下的烟雾状液滴和10μm以上的喷雾状液滴两种。

液滴随压缩空气流动时,部分液滴之间、液滴与固体表面之间会不断碰撞、集聚,其粒径还会不断增大。在本公司冷干机的蒸发器中,经过特殊处理的铝翅片具有捕捉凝结液滴的能力,使液滴变大、变重后快速流至蒸发器低部,因此在蒸发器内有不少凝结液,因此我公司冷干机的蒸发器也安装了自动排水器。而有的厂家为了节省成本,只在气水分离安装了自动排水器。

然而,在冷干机的运行时,仍然有部分微细的凝结液滴与压缩空气一起离开蒸发器。实践证明,虽然这一部分凝结液比留在蒸发器内的凝结液少得多,但足可以影响压缩空气的露点温度。因此,在冷干机中设置气水分离器是必要的。

根据不同的气水分离方法,压缩空气中采用的气水分离器类型有:

1)挡板式分离器

2)过滤式分离器

3)旋风分离器

4)涡旋分离器。

挡板分离器是惯性分离器的一种。这种分离器由多块挡板组成百叶窗式结构。档板材料对液态水滴应有良好的浸润作用,液滴在与挡板碰撞后,大部分会附着在在挡板上,并在其表面生成很薄的一层液体后顺着挡板流下来,在挡板边缘集聚成更大颗粒的液滴,液滴在本身重力作用下与空气分离。我公司冷干机的蒸发器就具有挡板分离器的功能。

如用过滤器作冷干机的气水分离器,的确可以达到很好的分离效果,因为过滤器对一定粒径水滴的过滤效率可达100%。但实际上却很少有冷干机用过滤器来作气水分离用。这是因为过滤造成的压力损失、维护更换滤芯的成本都比较大,不经济。

旋风分离器也是一种惯性分离器,较多地用于气固分离,如大气除尘时作为预处理去除空气中的较大颗粒。其原理是压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后,在里面产生旋转,混在气体中的液滴也跟着一起旋转并产生离心力,质量大的液滴所产生的离心力大,在离心力作用下大液滴向外壁移动,碰到外壁(也是挡板)后再集聚长大并与气体分离;而粒径较小的液滴却在气体压力作用下向呈负压状态的中心轴线迁移。厂家往往在旋风分离器内部增设螺旋挡板来增强分离效果(同时也增加了压力降)。这种分离器的缺点是其分离效率在其额定处理量时较高,一但偏离其分离效率就比较差,导致露点上升。

我公司的冷干机中安装了涡旋气水分离器WS气水分离器(图2-16),采用减速凝聚、导流加速的分离原理,使水分离效果从一般旋风分离器的60%70%提高到99%以上,真正确保了冷干机露点温度和出气品质。

图2-16 涡旋气水分离器

(2) 自动排水器

冷干机工作时会在预冷器及蒸发器容器里积聚大量凝结水,如果不及时、彻底排出这些凝结液,冷于机就成了一只贮水器。这会导致:

1)冷干机的排气中大量夹带液态水,使冷干机的工作失去意义;

2)机内凝结液要吸收部分冷量,使冷干机负荷增加,对节能不利;

3)使压缩空气流通面积变小,空气压力降提高.

因此,彻底、及时排除冷干机中的凝结水,是冷干机正常运行的重要保证。冷干机常用的自动排水器有四种:

1)浮球式自动排水器(图2-17)。以日本SMC公司的产品z*为著名,常用的有AD402型。

2)倒桶式自动排水器。

3)电磁时间控制排水器(图2-18)。以时间控制电磁阀的开启周期和开启时间,这一类在近几年应用较多。该类排水器排水时有大量的压缩空气排出,而且根据压缩空气中含水多少需要调节排水周期和排水时间。

4)液位控制自动排水器。这一类排水器是z*节能的,排水时几乎没有压缩空气排出,但价格较高。

这里着重介绍浮球式自动排水器的工作原理(其他自动排水器工作原理参见制造商的说明书):

当排水器贮水杯内的水位未达到一定高度时,压缩空气的压力将浮球压下关闭排水孔,就不会造成气流泄漏;随着贮水杯内水位升高(此时冷干机内并不积水),在浮力的作用下浮球上升,升到一定高度便打开排水孔,杯内凝结水在气压作用下很快排出机外。凝结水排尽后浮球失去浮力,在其重力和气压作用下关闭排水孔。浮球式自动排水器不仅在冷干机中得到应用,而且可在贮气罐、后冷却器及过滤器等多种气源处理设备上等处广泛应用。

图2-17

图2-18

在冷干机中自动排水器可以说是z*易出故障的一个部件。这是因为冷于机所排出的凝结水井不是清洁水,而是混有固态杂质(灰尘、锈泥等)、油污的稠状液体(自动排水器又叫自动排污阀),而几乎所有的自动排水器的排水孔直径都很小,容易被堵塞,因此自动排水器(除电磁式自排水器)进口处装有一只滤网。但使用时间长了,滤网也会被油污杂质堵塞,如果不及时清洗,将使自动排水器失去作用。所以,每隔一定时间清洗排水器里的滤网是很重要的,也是冷干机的日常维护工作的内容之一。

因为自动排水器是靠内外压差进行排水的,因此在实际使用时要求有一定压力才能工作,例如常用的AD-402型自动排水器z*低工作气压是0.15MPa,压力太低因无法建立密封而出现漏气现象。当然压力不能超过其额定工作压力。在环境温度低于零度时要放尽贮水杯内的凝结水,以防结冰、冻裂。

2.3.4.4 制冷压缩机

(1) 制冷压缩机种类

在压缩式制冷系统中,压缩机有:活塞式、螺杆式、旋转(滑片)式和涡旋式等四种,其中活塞式又分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。目前,冷干机采用z*多的是全封闭(包括活塞式、旋转式和涡旋式)压缩机和半封闭活塞式压缩机。

(2) 制冷压缩机的运行特点

制冷压缩机的制冷量与其工况(即蒸发温度、冷凝温度)密切相关。同一台压缩机(R22)在空调工况(t=5℃,t= 40℃)下比在标准工况(t蒸=-15℃,t=℃)下制冷量可大一倍左右。蒸发温度低,压缩机制冷量就少;冷凝温度高,压缩机制冷量就少。所以试图通过降低冷干机的蒸发温度来降低压缩空气的压力露点并不经济的。

我们知道气体可以被压缩而液体很难被一般的设备压缩,反而会损坏气体压缩设备。在制冷设备中就有称为液击的故障:

在冷干机运行时,如果进入蒸发器时的制冷剂液体过多或蒸发压力太低(此时,负荷较低或制冷量过大)而无法完全被压缩空气蒸发,那么未蒸发的制冷剂液体会被吸入压缩机内部。由于制冷剂液体是不可压缩的,在压缩机运转中极易造成阀片被击碎的现象,这就是液击液击是制冷压缩机z*严重的故障之一,必须防止发生。
为了防止压缩机产生液击,在冷干机中一般采取了下列措施:

a)选用防液击的制冷压缩机;

b)设置低压储液器,保证只允许气态制冷剂进入压缩机;

c)设置热气旁路阀。

因为制冷压缩机的吸气温度常低于环境温度,所以制冷压缩机上部表面有时会结露,这是正常现象;但是如果吸气温度低于0℃时,就会结霜,这说明制冷量可能过大,需要对冷干机进行工作点调整。

活塞式制冷压缩机的制冷量由其排气量决定的(当然也与蒸发温度和冷凝温度有关),排气量决定于活塞直径、行程及电动机转速。正常工作中压缩机的工况基本不变,因此一般说来全封闭活塞式压缩机制冷量是不可调节的。如果需要改变压缩机制冷量,则应选用具有能量调节机构(卸载机构)的半封闭压缩机或使用变频技术改变压缩机电动机的转速来实现的。

2.3.4.5 冷凝器

在冷干机中冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高压、过热制冷剂蒸汽冷却成为液态制冷剂。冷凝器的换热量包括压缩空气降温放出的热量(制冷量)和制冷压缩机的功率,冷凝器的热负荷要比蒸发器大。

通常冷凝器分为风冷式和水冷式两种。因此冷干机也分为风冷式冷干机和水冷式冷干机两种。风冷凝器为翅片式结构,与家用空调的室外机类似;水冷凝器为列管式(管壳式)结构。

风冷凝器不需要冷却水,适合于供水困难地区或移动性场合应用。但风(空气)冷却效果比水差得多,其体积比同规格的水冷凝器大,所以一般只适用于中、小型冷干机。风冷凝器不适于在气温高或通风不良、多粉尘的环境下使用。

在冷凝器中,高温、高压的制冷剂蒸汽从冷凝器上部进入冷凝器(风冷凝器走管内,水冷凝器走壳体),与冷却介质进行对流热交换,冷煤气体放出热量后凝结成液体从冷凝器下部流出。

2.3.4.6 蒸发器制冷量的调节——露点温度的稳定手段

任何用户的压缩空气负荷总是变化的,因此要求冷干机的制冷量也相应变化以适应压缩空气的负荷变化,从而实现稳定的压力露点。

在冷干机中,膨胀阀、热气旁通阀、水量调节阀/压力开关等部件参与了冷干机制冷量的调节。

膨胀阀的节流作用把经过冷凝的制冷剂从常温高压变成低温低压并供给蒸发器,同时通过检测制冷压缩机的吸气过热度控制制冷剂供液量,以达到调节蒸发器的制冷量与压缩空气负荷相适应的目的。

在膨胀阀减少蒸发器供液量以适应压缩空气负荷变化同时,热气旁通阀也动作——把未经冷凝的制冷剂直接旁通至膨胀阀后或压缩机吸气侧,其作用是:

1)制冷压缩机在工作时,排气量是不变的,当膨胀阀减少供给蒸发器的制冷剂后有一部分制冷剂停留在制冷系统的高压侧,采取旁通可以使制冷循环的正常进行;

2)防止压缩空气负荷减少时,蒸发器内结冰(即冰堵)现象的产生(由于负荷减少时,蒸发器铜管表面温度可能低于水的冰点,凝结水就会在蒸发器里结冰而阻塞气流通道)。

3)可以预防压缩机液击现象的产生。

制冷系统是一个循环过程,因此通过膨胀阀和旁通阀调节蒸发器和压缩机适应了压缩空气负荷后,也要求冷凝器的冷凝能力适应蒸发器的负荷变化。在冷干机中冷凝器的冷凝能力是通过水量调节阀(水冷凝器)或压力开关(风冷凝器)来调节:

通过检测制冷剂冷凝压力,水量调节阀可以自动调节其阀芯开启度来控制冷却水量,保持制冷剂压力在正常值范围内。

通过检测制冷剂冷凝压力,压力开关可以自动启动/停止冷凝器的冷却风扇,保持制冷剂压力在正常值范围内。

2.3.4.6 蒸发器制冷量的调节——露点温度的稳定手段

任何用户的压缩空气负荷总是变化的,因此要求冷干机的制冷量也相应变化以适应压缩空气的负荷变化,从而实现稳定的压力露点。

在冷干机中,膨胀阀、热气旁通阀、水量调节阀/压力开关等部件参与了冷干机制冷量的调节。

膨胀阀的节流作用把经过冷凝的制冷剂从常温高压变成低温低压并供给蒸发器,同时通过检测制冷压缩机的吸气过热度控制制冷剂供液量,以达到调节蒸发器的制冷量与压缩空气负荷相适应的目的。

在膨胀阀减少蒸发器供液量以适应压缩空气负荷变化同时,热气旁通阀也动作——把未经冷凝的制冷剂直接旁通至膨胀阀后或压缩机吸气侧,其作用是:

1)制冷压缩机在工作时,排气量是不变的,当膨胀阀减少供给蒸发器的制冷剂后有一部分制冷剂停留在制冷系统的高压侧,采取旁通可以使制冷循环的正常进行;

2)防止压缩空气负荷减少时,蒸发器内结冰(即冰堵)现象的产生(由于负荷减少时,蒸发器铜管表面温度可能低于水的冰点,凝结水就会在蒸发器里结冰而阻塞气流通道)。

3)可以预防压缩机液击现象的产生。

制冷系统是一个循环过程,因此通过膨胀阀和旁通阀调节蒸发器和压缩机适应了压缩空气负荷后,也要求冷凝器的冷凝能力适应蒸发器的负荷变化。在冷干机中冷凝器的冷凝能力是通过水量调节阀(水冷凝器)或压力开关(风冷凝器)来调节:

通过检测制冷剂冷凝压力,水量调节阀可以自动调节其阀芯开启度来控制冷却水量,保持制冷剂压力在正常值范围内。

通过检测制冷剂冷凝压力,压力开关可以自动启动/停止冷凝器的冷却风扇,保持制冷剂压力在正常值范围内。

2.3.4.7 其他部件

在冷干机中,除了上述部件外制冷系统还设置有:干燥过滤器、截止阀、电磁阀等,控制、仪表系统有高低压控制器、空气压力表、制冷压力表、控制电气等。


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2.3.5 冷干机应用

2.3.5.1 关于冷干机的露点温度
受制于水的“冰点”的限制,理论上冷干机所能达到的z*低压力露点温度应为0℃。在不同厂家的产品样本上,冷干机的“压力露点”有多种不同的标注:0℃、l℃、l.6或1.7℃(35F)、2℃、3℃、2-10℃等。那么冷干机在实际运行过程中所能达到的露点温度到底有多少呢?
我们知道,冷干机“压力露点”受三个条件限制,即:
1)受冷凝水结冰的限制;
2)受蒸发器换热面积不能无限增大的限制(压缩空气与制冷剂之间有温差);
3)受气水分离效率达不到100%的限制。
在实际运行时压缩空气的压力露点温度在2-10℃是合理、科学的。这是因为:
1)冷干机在运行时,蒸发压力(R22)一般控制在0.38MPa左右,相应的蒸发温度为0℃左右。由于换热面积的限制,压缩空气z*终温度与蒸发温度差在3℃左右(见图2-17)。如果在不增大蒸发器换热面积的情况下,大幅降低蒸发温度以降低压缩空气温度就有可能导致制冷系统不正常、出现“冰堵”的可能。
2)由于气水分离器效率不可能做到100%的效率,极少量凝结水可能在预冷器的热交换中变成水蒸气,从而会使压缩空气含水量有所提高。
至于0℃、1℃、1.6℃或1.7℃等标注,往往是商业宣传。压缩空气的负荷不可能不变,冷干机的自我调节有一定的范围,因此冷干机所能达到的露点温度在实际运行时是一个范围。
ISO8573.1中对压力露点的等级分成:-70℃、-40℃、-20℃、+3℃、+10℃等五级,对照此标准本公司RSL型冷干机的压力露点标注成2-10℃是合理的。
2.3.5.2 冷干机使用条件
冷干机与任何设备一样,只有在一定的条件下才能充分发挥冷干机的作用。归结起来冷干机的使用条件包括:
——对压缩空气的要求:流量、压力、进气温度、含油量、化学气体等;
——对环境的要求:环境温度、通风、水质、电源等。
因为压缩空气的流量、压力、进气温度与压缩空气的负荷有关(后面章节我们会详细讨论),因此,冷干机对这些参数有比较严格的要求。
压缩空气中的油雾对冷干机预冷器、蒸发器的换热效率有较大的影响。含油量大的压缩空气进入冷干机后会在换热表面(如铜管、翅片)附上一层油膜,由于油膜的传热阻力比金属大得多,因而降低了预冷器及蒸发器的换热性能,具体表现为蒸发压力下降而露点反而上升、自动排水器经常被油污堵塞等。在实际运行中,压缩空气的油雾绝大部分是空压机带入的,因此我们要注意空压机的运行,防止空压机出现反常现象。
因为冷干机中有大量的紫铜管——换热管和制冷剂输送管,因此要求压缩空气和环境空气中不应含腐蚀性气体,特别是氨气。因为氨气很容易容于水并与铜发生化学反应(产物为碱式碳酸铜),导致制冷系统泄漏。
对水冷型冷干机而言,冷却介质——冷却水的水量、水压、水温及水质都应符合要求。
对风冷型冷干机而言,冷却介质——周围空气的温度、通风情况等都有要求,而且环境中粉尘不能太多。
2.3.5.3 冷干机的选型
在选择干燥设备时,我们s*先要考虑客户所需的露点温度,以决定选用哪一类压缩空气干燥机。当压缩空气的露点温度要求在0℃以上时往往选用冷干机,当要求在0℃以下时就应选用吸干机等。
当决定选用冷干机后,我们要掌握需干燥压缩空气的状态参数:
1)z*大流量;
2)z*小工作压力和z*大工作压力,工作压力越小,压缩空气中的含水量就大。至于z*大工作压力是从安全使用冷干机的角度考虑;
3)z*高进口温度,温度越高,含水量越大,热负荷也越大;
4)要求的露点温度。
上述四个参数决定了压缩空气的z*大负荷,是选择冷干机的基础。
在确定了上述参数后,我们需要确定推荐风冷式还是水冷式。风冷式冷干机对环境要求较高,但具有安装方便、使用简单的优点;而水冷式冷干机对环境温度不敏感,但对冷却水有要求,而且安装较风冷式复杂——需要接冷却水管和冷却水塔。
为了提高冷干机的质量稳定性,一般情况下结合有关标准和气候、用户要求等把冷干机进行标准化。但是在实际工作中,我们提供的参数可能与产品说明书上标注的不一样,这时我们就可能需要进行参数修正,以决定选用什么型号的冷干机。修正参数包括:
1) 压缩空气压力修正系数
2) 压缩空气进口温度和露点温度修正系数
3) 环境温度修正系数(适用于风冷式冷干机)
4) 冷却水进口温度修正系数(适用于水冷式冷干机)
具体方法见本公司样本。
在选择冷干机后,我们还需要考虑过滤器的选配:
来自气源的压缩空气中含有液态水、固体粉尘及油污、油蒸汽等。如果让这些杂质直接进人冷干机,将使冷干机工作状况恶化。例如油污会使预冷器及蒸发器里的换热钢管受污染,影响热交换;液态水则加大了冷干机的工作负荷,固体杂质容易堵塞排水孔。所以一般要求在冷干机进气口上游装一支前置过滤器,用来作杂质过滤及油水分离用,以避免上述情况的发生。
压缩空气质量与空压机、输送系统有关,我们根据实际情况进行前置过滤器选配。需要注意的是过滤器的配置会增加压缩空气的压力降。
冷干机的后置过滤器是否装设,应由用户对压缩空气的质量要求来确定,对一般动力用气,配一支精度较高的主管路过滤器如AO级即可。在用气要求更高的时候,应配置相应的除油雾过滤器如AA级、活性炭过滤器如ACS或AC。
2.3.5.4 冷干机安装要求
冷干机的安装要求见使用说明书。这里需要说明的是:
1)因为水冷式冷干机经常与其他用水冷却的设备(如空压机)同处一室,有各种设备的压力降不一样,在冷却水配管时,冷干机应有独立的排水出口。如果与其他水冷设备共用排水管道,可能会由于水压的不同造成回水不畅。若一定要共用排水管,应尽量采用顺角连接,避免T字连接或逆角连接。
2)当冷干机与活塞式空压机配套时,由于活塞式空压机是非连续供气的,在工作时有气流脉冲产生,气流脉冲对冷干机(包括过滤器)各部件形成强烈、持久的冲击,会导致冷干机一系列机械损伤,所以应在空压机和冷干机之间设置缓冲罐。
2.3.5.5 冷干机的其他应用
标准冷干机是针对压缩空气干燥设计的,当然冷干机也可用在其他气体的干燥脱水上,如氢气、天然气等。2.4.1 概述
常用的压缩空气干燥设备有三种,即冷冻式压缩空气干燥机、吸附式压缩空气干燥机和组合式低露点压缩空气干燥机。冷干机由于其工作原理和结构所限,压缩空气出口压力露点不可能低于0℃,一般在2-10℃之间。在一些场合,对压缩空气的压力露点要求较高,如要求-40℃的压力露点,此时只能选用吸干机或组合式低露点干燥机。
吸干机的工业应用比冷干机早得多。在上世纪五、六年代,我国的一些工业就开始采用吸干机干燥压缩空气。
吸附分离技术的应用相当广泛,如工业生产中物质的提纯、工业污水的处理、大气污染的治理等等,吸附干燥是吸附分离技术的应用之一。

2.4.2.1 吸附过程

当流体(包括气体和液体)与固体颗粒,特别是与某些多孔性颗粒接触时,流体中的某些组分便富集于固体颗粒中,这过程叫吸附过程。因此,吸附是非均相系统(如气体固体系统)中的两相界面上发生的传质与富集过程。

吸附操作的逆过程,称为解吸脱附,我们通常称为再生

具有一定选择性吸附功能的多孔性固体物质称为吸附剂,在吸附剂上富集的物质称为吸附质。在压缩空气干燥中,吸附质为水蒸气。

根据不同的表面作用,吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两类。前者也称范德华吸附,它是由分子间作用力和静电作用力引起的,后者是由化学键的形成引起的。化学吸附的作用力强于物理吸附作用力,而且选择性也高。

压缩空气的吸附干燥以物理吸附为主。当待干燥的压缩空气与吸附剂接触时,空气中的水分子扩散到吸附剂上并因范德华引力而被吸附。与此同时,被吸附的水分子因本身的热运动及外界气态分子碰撞,有一部分离开吸附剂表面返回气相,即发生脱附。当单位时间内水分子的吸附量与脱附量相等时,就达到了一个动态吸附平衡,虽然吸附与脱附过程均在进行但速度相等。此时,单位质量吸附剂所吸附的水蒸气量称为吸附剂的静态吸附量,常用g()/kg(吸附剂)、或%表示。

在实际生产中,吸附经常在未到达吸附平衡时就结束,因为我们采用吸附的目的不是为了证明某种吸附剂的静态吸附量有多大,而是为了达到流体中两种物质的分离,如把压缩空气中的水蒸气分离出去从而实现干燥目的,因此吸附剂的动态吸附量才是吸干机的关键参数,当然静态吸附量与动态吸附量是有密切联系的。   

所谓的动态吸附量指当湿空气通过吸附剂床层后,当吸干机出口压缩空气的露点温度达到设定值时,吸附塔内吸附剂所吸附水蒸气的量,单位与静态吸附量相同。很明显,吸附剂的静态吸附量比动态吸附量大。静态吸附量反映了吸附剂的性能,而动态吸附量往往是由设计人员根据静态吸附量、经验数据以及设计思路选定,它是吸干机的基本参数,吸附剂的充填量由它计算而得。

吸附剂吸附吸附质时,伴随吸附过程所产生的热效应称为吸附热,即吸附过程为放热过程,与之相反,解吸过程为吸热过程。不同吸附剂吸附不同物质时放出的吸附热是不同的,表2-1是三种常用吸附剂吸附水蒸气时放出的吸附热参考值。

表2-1  水蒸气的吸附热

吸附剂

吸附热kJ/mol

硅胶

53.6

活性氧化铝

51.9

分子筛

75.3

2.4.2.2 再生过程

前面已经提及,吸附过程是一个动态过程。如果压缩空气与吸附剂有足够长的接触时间,吸附将达到一种动态平衡,这种动态吸附平衡是在一定温度与压力条件下建立的。当温度和压力改变时,系统原有的平衡关系将会被打破并建立一个新的平衡关系。图2-21所示为水在吸附剂上的吸附等温线和等压线示意图,它们共同描述了吸附过程的热力学特性。

图2-21 吸附剂性能曲线

由图2-21可知,一定温度下,水(吸附质)在吸附剂上的吸附量随气相中水蒸气分压增大而增大;一定水蒸气分压下,水的吸附量随温度升高而减少。这就说明在低温、高压下水分易被吸附;在高温或低压下水分易被解吸。吸干机就是利用吸附剂的这一性质实现吸附再生吸附…”之间的转换从而达到连续干燥压缩空气的目的。

从上述描述可知,吸附剂的再生方式有两种:

——无热再生(heatless regeneration

——有热再生(heat regeneration

根据吸附剂再生方式的不同,吸附循环可分为两类:变压吸附(Pressureng Adsorption简称PSA)和变温吸附(Temperatureng Adsorption简称TSA)。

变压吸附就是吸附剂在较高水蒸气分压下(未经干燥的湿压缩空气)进行吸附,在较低分压下(经减压后的干燥空气)被解吸(无热再生)。设定的吸附循环的周期比较短(一般在10分钟以内),吸附热来不及散失就转入再生,吸附床层温度变化较小,因此可以近似看作等温过程(或为了基本保证等温过程的实现,吸附循环周期不能过长)。

变温吸附就是吸附剂在常温下吸附,在较高的温度下再生(有热再生)。典型的有热再生干燥机是外加热鼓风再生干燥机。在微热再生干燥机中,变温吸附中也伴随着压力(再生用干燥气)的变化,因为干燥再生空气压力低于吸附剂吸附时的空气压力,所以也称之为变温变压吸附。

由于吸附剂的比热容较大而导热率较小,加热和冷却所需的热量和冷量均较大而且时间长,因此变温吸附干燥机除了结构比变压吸附干燥机复杂——需要有加热装置外,工作周期也比变压吸附的长,如外加热鼓风再生干燥机一般为6-8小时。

关于变压吸附干燥机和变温吸附干燥机的结构、运行特点等在以后章节中详细描述。


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2.4.3.4 吸附剂比较

在常用的三种吸附剂中,硅胶使用较少,活性氧化铝z*常使用,而分子筛常用在要求较高的场合。

这三种吸附剂的主要性能已列在表2-2中。表2-3列出了三种吸附剂的使用条件。在使用条件栏中指的是压缩空气中含有的某些杂质。

表2-3  各种吸附剂使用条件

使用环境

硅胶

活性氧化铝

分子筛

碱性

不可

酸性

不可

不可

活性氧化铝和分子筛的吸附性能曲线列于图2-22、图2-23和图2-24


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2-22表示了吸附剂在不同相对湿度下吸附量,常用的三种吸附剂具有共同的一个性质:吸附量随着压缩空气相对湿度的增高而上升;与之相对,三种吸附剂的吸附能力随着压缩空气相对湿度的降低而减小。但是我们发现分子筛在低湿度下仍然具有较强的吸附能力,我们常在吸附剂双层床中利用分子筛的这一特点。


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2-23告诉我们,吸附剂的吸附能力随着水蒸气分压的降低而降低,在水蒸气分压很低的情况下,分子筛仍然具有吸附能力。
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2-24说明了吸附剂在不同温度下的吸附能力变化情况:吸附温度越低,吸附剂吸附能力越强。

2.4.4 吸干机结构及运行特点

用吸附剂干燥压缩空气是一个物理过程,在这一过程中水蒸气通过分子间引力富集在吸附剂上。在水蒸气的富集过程中没有新的化学物质形成,吸附剂没有消耗,因此不需要补充,只要定期再生即可。采用吸附干燥方法,可获得压力露点温度低于-20℃的压缩空气。

干燥压缩空气时,吸附剂被装填在一个容器(图2-25)内,称为吸附塔。吸附塔的大小取决于需要干燥的压缩空气所含的水蒸气量以及吸附剂的再生方式等因素。


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在实际应用中,所有吸附式压缩空气干燥机具有两个充满吸附剂的吸附塔。两个塔的进出口分别用管道连接在一起。

为了达到有效的干燥,吸附时压缩空气与吸附剂之间必须有足够长的接触时间(通常以“空塔停留时间”表示)。接触时间决定于压缩空气的流速和吸附剂的充填高度。无热再生干燥机的吸附塔直径与吸附剂充填高度的比例为1:2左右(英国domnick hunter公司的模块式PNEUDRI压缩空气干燥机的比例为1:13)。

吸附时,潮湿的压缩空气自下往上(也有的厂家是自上而下)通过吸附塔(图2-26)。吸附塔出口处安装有过滤网(5),防止设备在非正常运行时吸附剂逸出塔外。

吸附塔内压缩空气的空塔流速必须保持在一定范围之内。流速太高会冲击吸附剂,流速太低(比正常流速低10-15%)会在吸附床层内形成隧道(channel),影响吸附和再生效果。


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水蒸气吸附发生在吸附床层形成的吸附带(Mass transfer Zone)内,吸附带的宽度取决于吸附剂性质、空气流速等因素。随着吸附的进行,吸附带逐渐从吸附塔底部向上移动,当吸附带到达吸附塔的顶部时,出口空气的露点温度急剧上升,我们称为“吸附穿透点”。在吸干机中,当吸附带接近吸附床层的顶部时应该进行吸附/再生切换。

当一个塔在吸附干燥时,与它并联的另一个塔在解吸(再生)。再生时,再生空气的流向与潮湿空气的流向相反,即从上往下流动(图2-27)。在再生开始时,压力状态下的吸附塔卸压至大气压状态。卸压的瞬间,吸附塔内的压缩空气产生巨大的气流并产生噪声。


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来源:中国压缩机网论坛

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