压缩装置的干燥性能探究

　　压缩空气含有100％相对湿度的水，随着其在管道中的冷却，其水份将析出，在压缩空气系统中，如果有水分，将会给使用者带来许多的弊端，压缩空气含水对生产、安全、产品质量及仪器仪表元件的寿命影响造成的危害与损失非常严重。首先要增加运行和维修成本，即对仪表、电磁阀、气缸等元件的维修费用上升；其次设备的工作效率低，并有可能造成生产中断，整个生产线的设备投资增加，需要在系统中增加冷凝、分离排污等设备；再者由于压缩空气带水，不得已车间在用气设备前经常用手动排水阀人工排放，而且一直处于开启状态，放水过程中压缩空气大量泄漏，约占压缩空气系统总漏气量的50％，造成严重的经济浪费。

　　东风汽车公司目前是国内*大的动力压缩空气用户，空压机装机的总排气量及所匹配的驱动电机总功率是**汽车制造厂长春市新、老厂区的2.5倍。仅汽车制动系统公司2003年能源消耗统计，空压站全年用电达到三百多万千瓦时，而公司全年用电一千八百多万千瓦时，将近占17％，单因为排水泄漏压缩空气造成的浪费就非常惊人。为解决这一问题，从98年开始，我公司为高压气站房陆续购买了3台杭州嘉美压缩空气冷冻干燥机，干燥处理能力达到42m 3／min，占空压机装机总排气量的71％，但是由于使用效果不佳，仍然没有缓解这种不良局面。

　　1存在主要问题由于环境条件所限，我公司高压空压站站房面积较小，房屋改建扩建十分困难。原来的三台螺杆空压机实行的是一对一配置，即每台空压机配备一台冷冻干燥机和过滤器，致使站房内布置十分拥挤。不仅维护保养不便，而且对风冷机器运行通风散热均有影响。在夏季高温高湿环境时，空气中含水量*高，正是使用冷干机的*佳时机。但由于风冷式冷干机本身排出的热风无法及时散出，结果在房间内又被空压机吸气口吸入，引起空压机排气超温报警，甚至机器过热自动停机。

　　*主要的还是因为冷干机本身某些部位设计制造明显不够合理，存在不足和缺陷，出水率太低、使用效果差、根本无法满足生产要求白白消耗电能。这些因素也成为冷干机开动率一直低下而长期闲置的原因。结果直接导致生产车间长期压缩空气含水量居高不下，严重影响了生产发展，污染了设备环境，增加了生产成本。

　　2问题产生的原因我们先来说明一下压缩空气冷冻干燥机的工作原理，简单地说就是用冷冻的方法强制冷却压缩空气，使高温饱和的湿空气温度降低，让其中水蒸汽变成液态水大量析出并去除，*后变成温度较低的不饱和空气，从而达到干燥的目的。冷冻干燥机*重要的一个指标就是压力露点。露点是指水蒸汽通过冷却开始凝结成水珠，由气态变成液态时的温度。它实际上是直接反映压缩空气干燥程度，露点越低，空气就越干燥，绝对含湿量越小。就目前市面的品牌繁多的冷干机而言，大多存在着除水量不够的弊端。

　　我们把冷干机系统分成冷冻和干燥两部分来分析，由于制冷技术现在已经十分成熟，国内外机型制冷系统不会出现制冷不好的现象，都能达到设计需求，这里我们不讨论，讨论的关键就在于除水干燥环节。因为除水干燥做得不好，才导致实际压力露点远远高于其设备标定值，压缩空气含水量多。冷干机要想达到压缩空气理想干燥程度，必须在冷凝水的析出、分离和排除三方面下功夫，否则即使达到了好冷冻效果，产生了冷凝水，而不能及时分离、及时排出，还有可能被高压、高流速压缩空气带入管道下游，结果一样不好。

　　根据嘉美公司提供的设备参数：冷干机入口温度≤45℃，环境温度≤38℃，空气处理量12.5m 3／min，压力露点2～10℃。我们可以直观地认为只有环境温度高于压力露点2～10℃的范围，压缩空气就应该是不含液态水的不饱和干燥空气。而实际上以加工车间数控区为例，末端压缩空气带出的水量大得吓人，远没有达到干燥处理的效果。以下是杭州嘉美JAD－120N风冷型冷干机改造前的空气系统：通过系统图可以看到，湿热压缩空气先经过预冷器进行**次热交换，再经过蒸发器与制冷剂进行二次热交换，温度进一步降低，其中水蒸汽凝结成水滴，在空气流动同时，水滴被带到液位浮球排水器中，排出机外，而空气则再经过预冷器与入口的湿热空气进行换热，温度升高后变成不饱和空气由出气口排出。这种液位浮球阀极其娇贵，故障率很高，稍微有点杂质和油份即可引起堵塞，无法使用，完全丧失排水功能，成为一种摆设为此，今年7月份，正值天气炎热时，我们对其中JAD－120N型冷干机进行了测试，并记录了测试数据（见附录一）。现在我们根据东风有限商用车公司装备技术管理部孙大淼等的论文《试论判断冷干机优劣的一种实用方法》中计算公式，利用实际数据来计算一下冷干机的实际露点：1.

　　先求出空压机压缩质量流量Qm（Kg／h）Qm＝60＊0.00129＊7.6＝0.588Kg／h式中7.6m 3／min为空压机实际排气量2.确定空压机吸入空气的蒸汽比dx（g／Kg）dx＝0.101325＊φ＊dx‘／px测试中空压机吸入空气参数：φDDD相对湿度56％pxDDD吸气压力0.1Mpa（绝压）由TxDDD吸气温度30.65℃查表得dx’＝28.29g／Kg dx＝0.101325＊56％＊28.29／0.1＝16.5g／Kg 3.

　　确定冷干机进口压缩空气的蒸汽比d1（g／Kg）冷干机入口空气温度T1＝35.8℃，因为冷干机前置过滤器有冷凝水排出，可取冷干机进口空气露点Tpd1＝T1＝35.8℃冷干机入口空气压力p1＝0.95Mpa（绝压），查表得冷干机进口压缩空气的计算蒸汽比d1‘＝3.904g／Kg而d1’≤dx，取d1＝d1‘＝3.904g／Kg 4.

　　确定冷干机出口压缩空气的蒸汽比d2（g／Kg）d2＝d1－D／Qm式中：DDDD冷干机本体排出的冷凝水流量1.68Kg／h d2＝3.904－1.68／0.588＝1.048Kg／h*后根据d2＝1.048Kg／h，冷干机出口空气压力PⅡ＝0.945Mpa（绝压），查表得出JAD－120N冷干机的压力露点为13.8℃，显然超过了额定范围。

　　由于其额定处理量为12.5m 3／min，而测试时实际处理量只占其额定值60.8％，并且冷干机实际入口空气温度35.8℃，大气温度30.65℃，都比该冷干机规定的标准值45℃和38℃低。可见冷干机并没有达到满负荷工作，实际满负荷时露点肯定还要超过13.8℃范围，该冷干机标定的露点值根本达不到，必须进行针对性的改造。

　　3改造措施首先，我们对设备布局重新调整，把三台机器挪至户外，置于分气缸末端进行集中冷干处理，让它们有一个较好的操作环境，利于机器的散热和通风，将它们，由于气体分流，由于冷干机处理的都是来自螺杆空压机产生的压缩空气，而螺杆空压机本身构造原理的原因，空气中不可避免地含有油、水，而这些对冷干机而言，都不利于其正常运行。一旦被氧化的油渍和杂质含沉积在冷却器和蒸发器内，就会严重影响换热效果，所以必须先进行除油、除尘处理。

　　我们在冷干机前端安装了德国原产的冉德ZP通用过滤器和XP除油过滤器二级过滤，过滤精度达到0.01μm，含油量≤0.01mg／m 3，过滤效果达到99.9999＆。该过滤器采用一种新型高级过滤材料，将排液层直接嵌入到打褶的滤芯中，这样支撑体外层后部的排液层得到保护和固定。

　　ZANDER先进的技术克服了旧式泡绵排液层易产生的化学脆化、老化及热变形现象。这种新式滤芯材料具有不老化，更少颗粒以及采用打褶技术而具有更大过滤面积，因此有更好的排液效果。特别是为其配备的电子液位感应式自动排污阀，十分先进，完全不需要人为操作，就可将积聚的油污、水份统统排尽，这也为冷干机正常使用提供了良好先决条件。

　　另外该机型属于低温普通型，并不具备前置冷却器。也就是说，压缩空气只经过预冷器，再经过蒸发器二次冷却处理，致使换热流程不够，换热能力小，换热时间短。还造成蒸发器热负荷过大，冷却不均匀，气流容易紊乱，流速不稳，波动大，压差升高。特别对于高温季节，空压机排气温度高，冷干机明显热负荷增大，制冷压缩机发烫。

　　我们参照了高温型冷干机设计方案，为其前端加装一台前置冷却器，采用换热效率高的板翅式结构，通道流量为12m 3／min。这种光面板形翅片用钎焊方法接合，非常牢靠，具有体积小，换热面积大、传热性能好、易于清洗的特点。这样改造可以使气体经过前置、预冷和蒸发器三次冷却过程，呈阶梯状连续冷却过程，降低了冷媒压缩机负荷，使冷却更均匀，气流更平稳，换热更充分。

　　再者，嘉美冷干机一般在预冷器上从来不进行保温。他们认为预冷器的工作温度与周围环境温度十分接近，冷、热流体的*大温差一般不超过40℃，在此温度下即使换热器壳体外壁不覆盖绝热材料，它与周围环境的热交换也可忽略不计。

　　根据冷干机*新研究表明，这种说法和做法是十分错误的，其实冷干机预冷器在压缩空气冷冻除水过程中有着非常重要的作用。预冷器效果佳的可以除去一半以上的冷凝水，预冷器不保温就会使刚刚预冷降温的空气又会被壳体外壁热质重新加热升温，起不到预冷效果，反而加重了蒸发器的热载荷，不利于冷凝除水。通过加绝热保温材料，预冷器进出口温差由保温前8℃变成10℃，也正是这不起眼的2℃变化，却在冷干机冷凝水过程中起到了相当大的作用，结果大不一样。

　　*后就是对冷凝水的分离和排出装置的改造。

　　JAD－120N冷干机上根本就没有专门的水分离装置，完全忽略了除湿设计的特点，排液使用的是液位浮球式排污阀。由于压缩空气在管道中是高速流动的，冷干机冷冻形成的水滴如不及时收集排出，它会随着气流多次转折，碰撞成为极难分离的亚微米级的水雾气溶而带到压缩空气管网和用气设备中，仍不能避免压缩空气带水产生的危害。所以一定要在冷凝水容易集结的蒸发器出口处安装水分离器，先经过离心分离，再经过内部分离网的拦阻和聚合分离作用，可以使几乎全部液态水完全沉积在分离器底部。而分离器底部采用带滤网保护的电子定时排水器，可以根据需要随意调整间隔时间和排放时间，实现自动化，而且价格不高，非常适用。

　　下面是JAD－120N风冷型冷干机改造后的空气系统通过对冷干机的全面改造，每台冷干机平均处理量9.07m 3／min，再次测试后得到数据。而且是在处理量增大、冷干机入口空气温度升高情况下测得的数据，可以得到此时冷干机的压力露点在6.7℃（计算步骤从略）。可以断定，JAD－120N冷干机改造后除水效果明显提高，尤其是加工车间已基本无明显含水现象发生，就能说明这一点。但是由于冷干机本身结构原因，其预冷器相对来说换热面积还略显不足，致使冷干机出口压缩空气温度偏低，造成空气管道外壁结露，对其改造难度较大，而且费用较高，得不偿失，我们也相应对出口管道一部分再进行保温处理，防止结露现象发生，也成为这次改造过程中一点遗憾。

　　4压缩空气干燥器的发展趋势由于目前冷干机的设计、制造就国内外而言，均无统一标准，致使产品品牌繁多，水平参差不齐，价格差异大。从其发展趋势看，冷干机正向着低能耗、高效率、智能化发展。某些冷干机制冷设计上已开始采用涡漩压缩机，专利的涡漩压缩技术使压缩机更为可靠，压缩机几乎不会磨损，可以承受液态制冷剂回流，运动件也比活塞压缩机少50％，漏气率低，噪音小，不需要任何冷媒预热程序即可进入工作状态，从而大大减少运营成本。而换热设计上先进的“多合一”热交换器也开始采用，它将预冷器、蒸发器和气水分离器排在一排，达到“连续分离”目的，结构紧凑，减少了压降，可靠性极高。在整个管路内迅速除去冷凝液，确保提供用户低露点干燥气体，即使气体流量变化大，也能获得稳定的压力露点。

　　但受冷干机设计和制冷换热条件所限，2℃已基本接近其极限压力露点温度，在某些喷涂、仪表、电子工业，有使用更低露点压缩空气的要求，冷干机已经无能为力。现代工业生产中，已出现吸附式干燥机，它利用吸附剂吸附水份原理，具有两个干燥塔，一个进行吸附的同时，另一个进行吸附剂再生，不断切换，保证除水过程连续进行。根据吸附剂再生方式来分，可分为无热、微热、鼓风加热、真空加热等多种方式，处理后的压缩空气露点可以达到－20℃～－70℃，干燥净化效率非常高，这也为要求使用高洁净度空气的用户提供支持，必定成为压缩空气净化处理的发展趋势。

　　结束语：通过这次改造，我们已经基本了解了冷干机的基本原理和除水构造，只要针对其某些薄弱环节进行加强和技术升级，完全可以在幅度提高其使用效果，既可以使老设备重新焕发生机，发挥作用，也为今后的设备选型和性能测试提供了宝贵经验。