制冷壓縮機(jī)對冷干機(jī)露點(diǎn)和能耗的影響

喻志強(qiáng)，魏紀(jì)君，鮑洋洋，劉福來，辛安見，馬金平

（合肥通用機(jī)械研究院，合肥 230031)

0 引言

壓縮空氣干燥器是用來處理壓縮空氣中水份的后處理設(shè)備，作為空氣壓縮機(jī)的后處理設(shè)備被廣泛應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，各種精密儀器的應(yīng)運(yùn)而生各個(gè)行業(yè)對壓縮空氣含濕量的要求越來越高，因此各式各樣的干燥機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生，冷凍式壓縮空氣干燥器（簡稱冷干機(jī)）是目前國際上使用最廣泛的干燥機(jī)之一。冷凍式壓縮空氣干燥器主要由制冷壓縮機(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)，制冷壓縮機(jī)是冷凍式壓縮空氣干燥器系統(tǒng)的核心和心臟。壓縮機(jī)的能力和特征決定了冷凍式壓縮空氣干燥器處理空氣的能力和特征。某種意義上，冷凍式壓縮空氣干燥器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配就是將壓縮機(jī)的能力體現(xiàn)出來。因此，世界各國制冷行業(yè)無不在制冷壓縮機(jī)的研究上投入了大量的精力，新的研究方向和研究成果不斷出現(xiàn)，壓縮機(jī)的技術(shù)和性能水平日新月異。

文獻(xiàn)[1]已經(jīng)分析氣水分離器對冷凍式壓縮空氣干燥器露點(diǎn)的影響，本文主要通過在同一套冷凍式壓縮空氣干燥器系統(tǒng)中變換不同品牌的制冷壓縮機(jī)后分析其露點(diǎn)和處理容積流量的能力，從而總結(jié)出制冷壓縮機(jī)對冷凍式壓縮空氣干燥器露點(diǎn)和能耗的影響。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 冷凍式壓縮空氣干燥器工作流程簡述

冷凍式壓縮空氣干燥器工作原理和普通制冷空調(diào)系統(tǒng)工作原理十分接近，主要由壓縮空氣系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩部分組成冷凍式壓縮空氣干燥器是根據(jù)冷凍換熱除濕原理，利用全封閉壓縮式制冷系統(tǒng)，對經(jīng)空壓機(jī)排出的壓縮空氣冷卻降溫，使其中所含的大量飽和水蒸氣、油霧凝結(jié)液滴，經(jīng)過汽水分離后由自動(dòng)排水器排出。

在進(jìn)口處潮濕空氣，即具有較高溫度的飽和壓縮空氣進(jìn)入冷凍式壓縮空氣干燥器的熱交換器，在熱交換器中與來自蒸發(fā)器的干冷空氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后進(jìn)入制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，與制冷劑進(jìn)行第二次熱交換，使本身溫度降到接近于制冷劑蒸發(fā)溫度，在兩次降溫過程中，壓縮空氣中的水蒸汽得以凝結(jié)成液態(tài)水滴并隨氣流進(jìn)入氣水離器，分離下來的液態(tài)水經(jīng)排水器排出機(jī)外，溫度較低的干燥壓縮空氣進(jìn)入熱交換器，與剛進(jìn)入的潮濕空氣進(jìn)行熱交換，使本身溫度得到提高從而在冷凍式壓縮空氣干燥器排氣口得到含水量較低（即露點(diǎn)較低）、相對濕度也很低的干燥壓縮空氣。

如果制冷壓縮機(jī)冷卻效果很好，壓縮空氣從冷卻裝置出來后的溫度可以接近0℃，甚至低于0℃的情況。但是低于0℃的情況是我們不想要的，由于飽和壓縮空氣中有水份，如果壓縮空氣低于0℃壓縮空氣中的水份將會(huì)凝結(jié)成冰粒，隨著冰粒的凝結(jié)會(huì)阻塞氣流通道，造成管路阻力增大，甚至停機(jī)等現(xiàn)象；相反如果制冷壓縮機(jī)制冷效果很差，將會(huì)導(dǎo)致冷凍式壓縮空氣干燥器的出口壓力露點(diǎn)溫度很高，起不到除水的效果。

因此，針對用戶處理壓縮空氣容積流量的能力合理配置制冷壓縮機(jī)非常重要[1]。

圖1 冷凍式壓縮空氣干燥器工作流程圖

1.2 目前國內(nèi)冷凍式壓縮空氣干燥器常用制冷壓縮機(jī)及其特點(diǎn)

冷凍式壓縮空氣干燥器使用的制冷壓縮機(jī)目前大多采用中高溫型全密封往復(fù)式壓縮機(jī)，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、振動(dòng)小、噪音低、能效比高。由于全密封壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)主體密封在一鋼制殼體內(nèi)，電動(dòng)機(jī)處在制冷劑氣態(tài)環(huán)境中運(yùn)行，冷卻條件較好，壽命較長。殼體下部存有規(guī)定數(shù)量的潤滑油，在壓縮機(jī)工作時(shí)，對各部自動(dòng)供油，平時(shí)不需要添加潤滑油。在大型冷凍式壓縮空氣干燥器中，也選用半密封往復(fù)機(jī)或螺桿壓縮機(jī)，它們的特點(diǎn)是制冷功率大，可進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同需要。

1.3 如何解決冷凍式壓縮空氣干燥器冰堵現(xiàn)象

壓縮空氣在蒸發(fā)器中冷卻時(shí)，有大量的凝結(jié)水析出，如果制冷劑蒸發(fā)溫度過低，使蒸發(fā)器銅管表面溫度在負(fù)荷條件下低于水的冰點(diǎn)，則凝結(jié)水就會(huì)在蒸發(fā)器里結(jié)冰，嚴(yán)重的阻塞氣流通道，使供氣管道癱瘓。為了防止這種情況出現(xiàn)，必須對制冷劑蒸發(fā)溫度加以控制。其簡單有效措施就是在冷凝器與蒸發(fā)器之間設(shè)一只熱氣旁路閥，熱氣旁路閥的測壓管與蒸發(fā)壓力直接連接。當(dāng)蒸發(fā)壓力低于一定程度時(shí)，熱氣旁路閥自動(dòng)開啟，冷凝器中的高溫制冷劑蒸氣直接進(jìn)入蒸發(fā)器，提高蒸發(fā)溫度，避免冰堵現(xiàn)象。

2 冷凍式干燥器的變工況試驗(yàn)

為了檢測不同品牌的制冷壓縮機(jī)對冷凍式壓縮空氣干燥器處理容積流量、出口壓力露點(diǎn)的影響，用兩臺(tái)除了制冷壓縮機(jī)配置外（制冷壓縮機(jī)銘牌上注明的電機(jī)輸入功率均為1.5 kW，其中一臺(tái)為知名品牌，另一臺(tái)為普通品牌）其他配置完全相同的風(fēng)冷式冷凍式壓縮空氣干燥器進(jìn)行了變工況試驗(yàn)。為了方便區(qū)分，將配知名品牌制冷壓縮機(jī)的冷凍式壓縮空氣干燥器命名為冷凍式壓縮空氣干燥器1，另一臺(tái)為冷凍式壓縮空氣干燥器2。兩臺(tái)冷凍式壓縮空氣干燥器進(jìn)口容積流量、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和環(huán)境溫度見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況條件[3-5]

2.1 變進(jìn)口容積流量試驗(yàn)

分別將冷凍式壓縮空氣干燥器1 和2 安裝在圖2 所示的檢測系統(tǒng)中。運(yùn)行一段時(shí)間后，將冷凍式壓縮空氣干燥器進(jìn)氣和環(huán)境等條件調(diào)節(jié)在表1 規(guī)定的工況條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后測量冷凍式壓縮空氣干燥器1 的出口壓力露點(diǎn)溫度達(dá)到2.1℃，實(shí)際輸入功率為1.55 kW；而冷凍式壓縮空氣干燥器2 的出口壓力露點(diǎn)則為20.6℃，實(shí)際輸入功率為1.52 kW；保持進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度、進(jìn)氣壓力不變，將冷凍式壓縮空氣干燥器1 和2 的進(jìn)口容積流量調(diào)節(jié)到4.5 m3/min 待系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行測量，冷凍式壓縮空氣干燥器1和2的出口出口壓力露點(diǎn)分別2.0℃和8.6℃，實(shí)際輸入功率分別為1.42 kW 和1.54 kW。

在保持上述條件不變的情況下再將冷凍式壓縮空氣干燥器1 和2 的進(jìn)口容積流量調(diào)節(jié)到3.6 m3/min，待系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行測量，冷凍式壓縮空氣干燥器的出口出口壓力露點(diǎn)分別2.0℃和2.2℃，實(shí)際輸入功率分別為1.33 kW 和1.48 kW。

由此可見冷凍式壓縮空氣干燥器1 的實(shí)際處理容積流量的能力約為冷凍式壓縮空氣干燥器2 的2倍左右，消耗的功率基本上相同，可見不同的制冷壓縮機(jī)在進(jìn)口容積流量、進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度和進(jìn)氣壓力相同的條件下露點(diǎn)的差別是非常大的；在其他工況條件相同，要達(dá)到相同的出口壓力露點(diǎn)，其處理的容積流量的差別是非常大的。要出口壓力露點(diǎn)達(dá)到2.0℃左右冷凍式壓縮空氣干燥器1 配置的制冷壓縮機(jī)的能效比是冷凍式壓縮空氣干燥器2 配置的制冷壓縮機(jī)的約2 倍。

當(dāng)調(diào)節(jié)容積流量時(shí)，冷凍式壓縮空氣干燥器1的露點(diǎn)基本上保持不變，這主要是由于熱氣旁路閥的調(diào)節(jié)作用，冷凍式壓縮空氣干燥器1 沒有出現(xiàn)冰堵的現(xiàn)象，但是在處理容積流量減少到原來的0.6時(shí)，消耗的功率僅減少了14.2%，由此，我們也很清楚的看到并不是制冷壓縮機(jī)配置越大越好，制冷壓縮機(jī)配置過大容易造成能源浪費(fèi)，不利于節(jié)能環(huán)保。由此可見冷凍式壓縮空氣干燥器中制冷壓縮機(jī)的選型是非常關(guān)鍵的，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該通過合理的設(shè)計(jì)和反復(fù)的試驗(yàn)選擇合理的壓縮機(jī)配置。

圖2 壓縮空氣干燥器出口壓力露點(diǎn)檢測系統(tǒng)流程圖[2]

2.2 變進(jìn)氣溫度試驗(yàn)

保持進(jìn)氣壓力0.7 MPa、容積流量6.0 m3/min、環(huán)境溫度38.0℃不變，分別將冷凍式壓縮空氣干燥器1、2 的進(jìn)氣溫度在35℃～50℃范圍內(nèi)變化。進(jìn)氣溫度為35.0℃、40.0℃、45.0℃和50.0℃時(shí)，冷凍式壓縮空氣干燥器1 出口壓力露點(diǎn)分別為1.0℃、3.8℃、7.5℃和10.3℃，冷凍式壓縮空氣干燥器2的出口壓力露點(diǎn)分別為:18.6℃、21.5℃、23.6℃和25.2℃。具體變化趨勢見圖3。

圖3 冷凍式壓縮空氣干燥器露點(diǎn)隨進(jìn)氣溫度變化趨勢

3 結(jié)論

制冷壓縮機(jī)在降低壓縮空氣干燥器露點(diǎn)上起到?jīng)Q定性的作用，如果配置的制冷壓縮機(jī)制冷效果不好（即從蒸發(fā)器排出的壓縮空氣溫度高于10℃），即使氣水分離效果、冷凝器、預(yù)冷器效果達(dá)到100%，壓縮空氣的出口露點(diǎn)溫度也將高于10℃。

要解決好冷凍式壓縮空氣干燥器高露點(diǎn)的問題必須同時(shí)解決好冷凍式壓縮空氣干燥器的所有組件的配置問題。在設(shè)計(jì)時(shí)要合理配置組成冷凍式壓縮空氣干燥器的幾大組件，特別是在制冷壓縮機(jī)選型上要特別注意合理配置，制冷量不能配置過大也不能配置過小，配置過大不利于節(jié)能環(huán)保，配置過小達(dá)不到冷卻和除濕效果，而冷凝器、預(yù)冷器、蒸發(fā)器等配置稍大一點(diǎn)對性能和節(jié)能影響并不太明顯。本文只是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上對制冷壓縮機(jī)的影響做了分析，隨著國家節(jié)能減排政策的實(shí)施，制冷壓縮機(jī)能效水平的提高，節(jié)能環(huán)保型冷凍式壓縮空氣干燥器將越來越受到用戶的青睞，節(jié)能環(huán)保型冷凍式壓縮空氣干燥器的研制需要大家的共同努力。

[1]喻志強(qiáng),劉福來,辛安見,等.氣水分離效果對冷干機(jī)露點(diǎn)的影響[J].石油和化工設(shè)備,2012(11):8-10.

[2]林子良,孫曉明,鮑洋洋,等.壓縮空氣干燥器壓力露點(diǎn)檢測系統(tǒng)的研制[J].流體機(jī)械,2012,40(7):33-37,47.

[3]ISO 7183-2007,Compressed-air dryers — Specifications and testing[S].

[4]JB/T 10526,一般用冷凍式壓縮空氣干燥器[S].

[5]GB/T 10893-1989,壓縮空氣干燥器 規(guī)范與試驗(yàn)[S].