氣水分離效果對(duì)冷干機(jī)露點(diǎn)的影響

氣水分離效果對(duì)冷干機(jī)露點(diǎn)的影響：

壓縮空氣干燥器是用來(lái)處理壓縮空氣中水分的后處理設(shè)備，已作為空氣壓縮機(jī)的配套設(shè)備被廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)化社會(huì)的不斷進(jìn)展，各種精密儀器應(yīng)運(yùn)而生，各行業(yè)對(duì)壓縮空氣含濕量的要求越來(lái)越高，各樣干燥機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。冷凍式干燥機(jī)（以下簡(jiǎn)稱冷干機(jī)）是目前世界上使用最廣泛的干燥機(jī)之一。冷干機(jī)主要由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)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(wù)。氣水分離器是冷干機(jī)的關(guān)鍵部件之一。濕熱壓縮空氣被熱交換器和蒸發(fā)器冷卻后，有大量的凝結(jié)液析出，這就需要用高效手段把壓縮空氣和凝結(jié)液分離，實(shí)現(xiàn)干燥壓縮空氣的目的，因此把蒸發(fā)器內(nèi)壓縮空氣溫度稱為“表觀露點(diǎn)td”（空氣在含濕度d不變的情況下冷卻，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度）[1]，經(jīng)過(guò)氣水分離器處理后的壓縮空氣才具有真正的露點(diǎn)。如果汽水分離器分離效果較差的話，表觀露點(diǎn)和實(shí)際露點(diǎn)會(huì)相差10℃以上，甚至超過(guò)20℃。

本文主要分析氣水分離器的不同分離效率對(duì)冷凍式壓縮空氣干燥器露點(diǎn)的影響，糾正以前許多生產(chǎn)企業(yè)和用戶對(duì)冷干機(jī)露點(diǎn)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)（即冷干機(jī)出口處壓縮空氣溫度越低，壓力露點(diǎn)就越低），從而引導(dǎo)冷干機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和用戶更加關(guān)注冷干機(jī)的氣水分離問(wèn)題。

1.1 冷干機(jī)工作原理

冷干機(jī)工作原理和普通制冷空調(diào)工作原理十分相似，主要由壓縮空氣系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩部分組成（如圖1所示）。藍(lán)色區(qū)域?yàn)閴嚎s空氣系統(tǒng)，綠色區(qū)域?yàn)橹评湎到y(tǒng)。冷干機(jī)根據(jù)冷凍換熱除濕原理，利用全封閉壓縮式制冷系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)空壓機(jī)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(jié)液滴，經(jīng)過(guò)汽水分離后由自動(dòng)排水器排出，較高溫度的飽和壓縮氣體進(jìn)入冷干機(jī)的熱交換器，在熱交換器中與來(lái)自蒸發(fā)器的干冷氣體進(jìn)行熱交換，降低溫度后進(jìn)入制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，與冷媒汽進(jìn)行第二次熱交換，使本身溫度降到接近于冷媒的蒸發(fā)溫度。在兩次降溫過(guò)程中，壓縮氣體中的水蒸汽得以凝結(jié)成液態(tài)水滴并隨氣流進(jìn)入氣水分離器，分離下來(lái)的液態(tài)水經(jīng)排水器排出機(jī)外，溫度較低的干燥壓縮氣體進(jìn)入熱交換器，與剛進(jìn)入的濕飽和氣體進(jìn)行熱交換，使本身溫度得到提高，從而在冷干機(jī)排氣口得到含水量較低（即露點(diǎn)較低）、相對(duì)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(shí)，冷干機(jī)的壓力露點(diǎn)可達(dá)到2℃左右。

(圖1 冷干機(jī)工作原理圖）

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)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(guò)濾式分離器、旋風(fēng)分離器等。

冷干機(jī)中凝結(jié)水的生成和氣水分離過(guò)程，是從壓縮空氣進(jìn)入冷干機(jī)就開(kāi)始的。在熱交換器和蒸發(fā)器中設(shè)置了折流擋板后，這種氣水分離過(guò)程就變得更加強(qiáng)烈。凝結(jié)水滴在與擋板碰撞后由于運(yùn)動(dòng)變向，慣性重力等綜合作用發(fā)生集聚、長(zhǎng)大，最后在本身重力作用下實(shí)現(xiàn)氣水分離。盡管在壓縮空氣流徑中設(shè)置一定數(shù)量的擋板確實(shí)能將大部分凝結(jié)水滴與氣體分離，但那些粒徑更細(xì)小的水滴，特別是在最后一塊折流擋板后生成的凝結(jié)水仍有可能進(jìn)入排氣通道。如果不加阻擋，這部分凝結(jié)水在熱交換器里遇熱蒸發(fā)為水蒸氣，使壓縮空氣的露點(diǎn)升高，為了使壓縮空氣露點(diǎn)接近于冷媒的蒸發(fā)溫度，就必須設(shè)計(jì)一種分離效果非常好的氣水分離器。

目前，國(guó)內(nèi)冷干機(jī)上使用較多的是旋風(fēng)式分離器。旋風(fēng)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(jìn)入分離器后，在里面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，混在氣體中的水滴也跟著一起旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力，質(zhì)量大的水滴產(chǎn)生的離心力大，在離心力作用下，大水滴向外壁移動(dòng)，碰到外壁后再集聚長(zhǎng)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(fù)壓狀態(tài)的中心軸線遷移。旋風(fēng)分離器的分離效果并不是很好。而過(guò)濾式分離器由于分離時(shí)進(jìn)出口壓力降過(guò)大，目前很少有企業(yè)采用。

國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)的冷干機(jī)在功耗和處理氣量相同的情況下，壓力露點(diǎn)比國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的冷干機(jī)低5℃左右，有的甚至低十幾攝氏度。據(jù)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(wèn)題，就能解決冷干機(jī)露點(diǎn)高的問(wèn)題。

1.3 當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀

自2007年實(shí)施冷干機(jī)生產(chǎn)許可證制度以來(lái)，截止2011年底，取得生產(chǎn)許可證的企業(yè)已達(dá)到100多家，但測(cè)試的樣機(jī)露點(diǎn)普遍較高。2010年測(cè)試的40臺(tái)樣機(jī)，測(cè)試時(shí)每臺(tái)樣機(jī)的蒸發(fā)壓力都控制在0.42MPa（表壓）左右，此時(shí)從蒸發(fā)器出來(lái)的壓縮空氣出口溫度能達(dá)到1℃左右；測(cè)試數(shù)據(jù)顯示壓力露點(diǎn)達(dá)到3℃以下的僅有4臺(tái)，且這4臺(tái)樣機(jī)均為外資企業(yè)生產(chǎn)；3～10℃的32臺(tái)，15℃以上的4臺(tái)，20℃以上的2臺(tái)。以上數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的冷干機(jī)壓力露點(diǎn)普遍較高。露點(diǎn)在15℃以上的4臺(tái)樣機(jī)，在其它配置不變的條件下，僅改變氣水分離器的設(shè)計(jì)之后，壓力露點(diǎn)均降到7℃以下，甚至有一臺(tái)樣機(jī)由原來(lái)的20.8℃降到6.5℃。由以上數(shù)據(jù)不難看出，解決好汽水分離效率的問(wèn)題，就能解決好露點(diǎn)高的問(wèn)題。

2 分離效率對(duì)露點(diǎn)的影響

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

式中：φ為相對(duì)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(jì)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(duì)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(jìn)口壓力露點(diǎn)為38℃，壓力為0.7MPa（表壓）時(shí)，ps值約為6631.5Pa，d值約為5.199g；當(dāng)壓縮空氣壓力為0.7MPa（表壓）時(shí)按(1)、(2)式分別計(jì)算壓力露點(diǎn)為1～10℃時(shí)，ps和d如表1所示。

表1中與38℃含水濕量之差說(shuō)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(jìn)口壓力露點(diǎn)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(diǎn)變每1kg壓縮空氣要除去的水量，但是實(shí)際上要100%化情況。

從表2數(shù)據(jù)可以清楚地看到，冷干機(jī)的壓力露點(diǎn)溫度要達(dá)到JB/T10526-2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低于10℃的要求，氣水分離器的分離效率必須達(dá)到95%以上。表2數(shù)據(jù)顯示，分離效率對(duì)露點(diǎn)的影響是非常大的，特別是制冷效果好時(shí)，分離效率對(duì)實(shí)際出口壓力露點(diǎn)的影響更大。以壓力露點(diǎn)td為1℃為例，當(dāng)氣水分離器為100%和90%時(shí)，實(shí)際壓力露點(diǎn)溫度將相差9.4℃。因此要解決冷干機(jī)露點(diǎn)高的問(wèn)題必須首先解決氣水分離器的分離效率問(wèn)題。

3 熱交換器的作用

熱交換器在冷干機(jī)里的主要作用是利用蒸發(fā)器冷卻后的壓縮空氣所攜帶的冷量并用這部分冷量來(lái)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(jī)制冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)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(guò)低而出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

目前有許多冷干機(jī)用戶普遍都認(rèn)為壓縮空氣出口溫度越低冷干機(jī)的出口壓力露點(diǎn)就越低，因此很多生產(chǎn)企業(yè)就在設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)的出口壓力露點(diǎn)溫度，但是這樣設(shè)計(jì)將會(huì)大大的浪費(fèi)能源，在同樣配置的情況下，冷干機(jī)的出口壓力露點(diǎn)將會(huì)比有熱交換器時(shí)的溫度高十幾℃。這樣不僅沒(méi)有降低壓縮空氣的出口壓力露點(diǎn)溫度，反而大大的浪費(fèi)了能源。不僅如此，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入用氣設(shè)備時(shí)，噴出的壓縮空氣溫度低于大氣常壓露點(diǎn)時(shí)，設(shè)備上將會(huì)凝結(jié)露水，容易導(dǎo)致設(shè)備銹蝕損壞。因此，設(shè)計(jì)時(shí)省去熱交換器的做法是非常不合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(wú)論配置的制冷壓縮機(jī)制冷量再大，壓縮空氣的出口壓力露點(diǎn)溫度都將超過(guò)10℃。本文的主要目的是提示生產(chǎn)企業(yè)和用戶要特別關(guān)注冷干機(jī)的氣水分離問(wèn)題，并非說(shuō)其它部件的配置不重要。同樣，如果配置的制冷壓縮機(jī)制冷效果差（即從蒸發(fā)器排出的壓縮空氣溫度高于10℃），那么即使氣水分離效果達(dá)到100%，壓縮空氣的出口壓力露點(diǎn)也將高于10℃。要解決冷干機(jī)露點(diǎn)高的問(wèn)題必須同時(shí)解決冷干機(jī)所有組件的配置問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡利弊，合理配置冷干機(jī)的幾大組件，不可偏廢。

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