風(fēng)管加濕系統(tǒng)節(jié)能改造的研究

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(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 蘇州 215104)

濕度作為空氣的主要參數(shù)之一，與人們的生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，生活在40%～70%的濕度環(huán)境中會覺得舒適，否則會覺得干燥或濕悶，并增加患病風(fēng)險，保持合理的濕度還能有效防止靜電，在紡織、電子和煙草等行業(yè)，空氣濕度更是重要的工藝控制參數(shù)。我國在60年代就開始降濕研究，先后研發(fā)出升溫降濕和低溫凝露降濕，但直到70年代后期，干蒸汽加濕器才試驗成功。后期又出現(xiàn)了離心式加濕、超聲波加濕和高壓噴霧加濕等，其工作原理主要分為等溫加濕和等焓加濕。

某企業(yè)針對現(xiàn)有風(fēng)管加濕系統(tǒng)提出整改要求，參數(shù)和概念如圖1所示。

圖1 某企業(yè)現(xiàn)有的風(fēng)管加濕系統(tǒng)

風(fēng)管一：截面高1 700 mm×寬700 mm，風(fēng)量15 m3/s，服務(wù)空間1 200 m3；

風(fēng)管二：截面高1 200 mm×寬500 mm，風(fēng)量7 m3/s，服務(wù)空間650 m3。

濕度要求：60%相對濕度；蒸汽耗量：1.5 T/Hr(冬季耗量)。

1 技術(shù)比較

現(xiàn)有系統(tǒng)利用蒸汽，通過盤管加熱水箱中的水，使其汽化后，通入風(fēng)管給空氣加濕。目前加濕系統(tǒng)主要存在以下兩個問題：加濕控制不穩(wěn)定，風(fēng)管中經(jīng)常有積水。

對現(xiàn)有系統(tǒng)進行分析：控制器接收濕度傳感器的信號和設(shè)定值比較后，輸出信號使控制閥打開(假設(shè)濕度比設(shè)定值低)，蒸汽進入加熱盤管，從而對水箱中的水進行加熱，由于加熱需要一定的時間，因此，這將降低系統(tǒng)的靈敏性。由于從水箱出來的蒸汽沒有壓力控制，無法和空氣進行良好的混合，甚至在噴管中已經(jīng)凝結(jié)成水，造成風(fēng)管積水以及能源浪費。當(dāng)空氣中的濕度達到設(shè)定值時，雖然控制信號使得蒸汽閥門關(guān)閉，但是水箱中積聚的余熱會將水繼續(xù)蒸發(fā)，變成低壓蒸汽進入風(fēng)管，也將導(dǎo)致加濕控制不穩(wěn)定和風(fēng)管積水。

良好的蒸汽噴射加濕系統(tǒng)，在蒸汽噴射時不能夾帶水分，否則凝結(jié)水會腐蝕風(fēng)管內(nèi)部并滋生細菌；如果對濕度要求精確控制，氣動、電動等比例控制方式是非常必要的，單純的開關(guān)控制，會存在一定范圍的控制偏差；另外，由于蒸汽噴射時會產(chǎn)生噪音，在噪音有要求的區(qū)域，選用低噪音的蒸汽加濕系統(tǒng)也是有必要的。

結(jié)合該工廠的實際情況，整改方案擬延用蒸汽加濕，但對其加濕汽源和控制方式進行了全面的優(yōu)化設(shè)計，新的加濕系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2 某企業(yè)改進后的風(fēng)管加濕系統(tǒng)

通過圖1和圖2的對比可以看出,主要變化為:

(1)取消了原有加濕系統(tǒng)中的加熱水箱和加熱盤管等間接加熱設(shè)備，采用蒸汽直接噴射方式；這種改變可以顯著提高蒸汽的利用率。因為原有系統(tǒng)是利用蒸汽的潛熱(蒸發(fā)焓)對冷水進行加熱蒸發(fā)，而含有20%左右的顯熱冷凝水被排放浪費了。從表1可以看出，對于2 barg的蒸汽，1 kg蒸汽所含的全熱hg為2 725 kJ，其中用于與二次側(cè)冷水進行汽—水換熱的蒸發(fā)潛熱hfg熱量為2 163 kJ，而被浪費掉的熱量hf為562 kJ。而每產(chǎn)生1 kg的加濕蒸汽(設(shè)加濕蒸汽壓力為1 Barg)，需要2 Barg蒸汽量為2707/2163=1.25 kg，因此，就要損失掉562×1.25=702 kJ的能量。

表1 蒸汽表

另外，由于原有的加熱水箱需要保持在100 ℃以上的高溫，持續(xù)對外部空間進行放熱，根據(jù)工廠提供的數(shù)據(jù)，四臺換熱水箱的總散熱面積約為20 m2，普通鋼板在良好保溫(50 mm厚保溫層)情況下，散熱系數(shù)為1.2～1.5 W/m2·℃，室溫取30 ℃，則散熱損失功率為：Q=1.5 W/m2℃×20 m2×(100-30)℃ =2 100 W，除造成熱量損失外，還對外部環(huán)境造成熱污染。

(2)將原有的開關(guān)控制方式改變?yōu)?～20 mA信號PID控制方式；圖3和圖4分別是溫度應(yīng)用中典型的開關(guān)控制和PID控制的系統(tǒng)反應(yīng)。對于開關(guān)控制系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)必須要在高于或低于設(shè)定溫度的某個值進行開或關(guān)的控制輸出，所以一定存在控制偏差，而當(dāng)被控介質(zhì)為蒸汽時，很容易出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象(高溫蒸汽通入冷凝水中)，除對設(shè)備帶來危害外，嚴重時還會造成安全事故；改進后的PID控制模式，除了啟動階段存在一定的偏差，在調(diào)試結(jié)束后，則進入穩(wěn)定運行，實際運行值與設(shè)定值的高度一致，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。

圖3開關(guān)控制圖4 PID控制

(3)改變原有的加濕噴管形式，采用帶有保溫夾套的雙通道加濕噴管；原有系統(tǒng)中由于蒸汽濕度較高，且是開關(guān)控制，在加濕蒸汽進入噴管后，非常容易形成滴狀的水珠滴落到風(fēng)管中，進而造成風(fēng)管的積水腐蝕和細菌滋生。改造后的系統(tǒng)采用的噴管形式如圖5所示，蒸汽加濕噴管帶有雙重圓形保溫夾套，系統(tǒng)啟動時，蒸汽會首先進入保溫夾套對冷態(tài)的噴灌進行預(yù)熱，使得噴管中的加濕蒸汽到來時即以氣態(tài)形式均勻噴布于空氣中，而不會形成滴狀的水珠滴落到風(fēng)管中。

圖5加濕噴管截面圖

(4)所有和空氣接觸的地方，采用全不銹鋼材質(zhì)，由于不銹鋼表面光潔，不利于細菌的滋生，使得整個系統(tǒng)更加衛(wèi)生。

改進后的加濕系統(tǒng)工作過程：由于飽和蒸汽在輸送的過程中會因向大氣環(huán)境散熱而產(chǎn)生少量的冷凝水，如果不將其排出，會在風(fēng)管內(nèi)部形成積水，因此需要配置汽水分離器進行汽水分離，確保進入控制閥的蒸汽為干蒸汽；從分離器頂部引出另一路蒸汽為噴管預(yù)熱；經(jīng)過控制閥的一路蒸汽進入預(yù)熱好的噴管中，由于壓力降低，殘留于蒸汽中的水分會被進一步汽化，從而完成了濕蒸汽的干燥處理；干燥的蒸汽經(jīng)噴嘴噴出后和空氣進行良好地混合，噴入的蒸汽量受濕度計反饋信號與控制器的設(shè)定值的差值信號PID比例控制，從而實現(xiàn)了精確加濕控制的目的；分離器和預(yù)熱管的冷凝水經(jīng)由疏水閥疏水后排出。為保護控制閥的良好運行，精密過濾器被安裝在系統(tǒng)之前。

改進后系統(tǒng)的優(yōu)點：

(1)高效的汽水分離裝置可以使蒸汽的干度提升到99%以上。

(2)雙通道保溫夾套設(shè)計，保證蒸汽在噴管中保持干燥狀態(tài)。

(3)精細的噴嘴設(shè)計，保證空氣和蒸汽的良好混合吸收。

(4)輕質(zhì)小巧，使系統(tǒng)預(yù)熱負荷小，啟動迅速。

(5)不銹鋼結(jié)構(gòu)，無菌衛(wèi)生，加上蒸汽高溫噴射，也起到殺菌作用。

2 經(jīng)濟比較

通過對比現(xiàn)有系統(tǒng)和新的加濕系統(tǒng)相比較，目前系統(tǒng)的不節(jié)能主要體現(xiàn)在以下三個方面：

(1)利用蒸汽加熱水，蒸汽冷凝水的所含熱量損失。通過上面的分析可知，對于原有系統(tǒng)來說，每產(chǎn)生1 kg的加濕蒸汽就會損失掉702 kJ的能量，加濕蒸汽的需求為1.5 T/Hr，2 barg蒸汽的全熱為2 725 kJ/kg，因此蒸汽量為：1.5 T/Hr×1000×702×24 Hr/Day / 2725 =9274 kg/Day。

(2)換熱水箱在換熱過程中的散熱損失。通過上面的分析可知，正常情況下，熱水箱的散熱損失為2 100 W=2.1 kJ/S。1 kg蒸汽的蒸發(fā)焓約為2 100 kJ/kg，因此，相當(dāng)于損失蒸汽2.1×3600×24/2100=86 kg/Day。

(3)由于噴射和混合不良，導(dǎo)致積水造成的損失。風(fēng)管中的積水是由蒸汽冷凝得到的，而在加濕過程中，我們期望的是噴進去的蒸汽都能和空氣良好混合，而非凝結(jié)成水，因此，凝結(jié)成水的量，即為蒸汽的損失量，根據(jù)觀測計量，每天的積水量約為50 L，相當(dāng)于損失蒸汽50 kg/Day。

綜合以上分析可以得出，換用新加濕系統(tǒng)后，總節(jié)能為：

9274 kg/Day+86 kg/Day+50 kg/Day=9410 kg/Day=225.8 T/Month

目前市政蒸汽的價格約為280元/t。新加濕系統(tǒng)的整個改造費用總計約30萬元人民幣(包括其它輔材和人工等)，因此投資回收期約為：30萬元/(225.8噸/月×280元/噸)=4.7月，也就是說，采用新加濕系統(tǒng)后，只需要約一個冬季的時間，就可以實現(xiàn)投資回報，這還不包括由于原系統(tǒng)運行不穩(wěn)定帶來的設(shè)備維修和維護成本的節(jié)約。

3 結(jié) 語

風(fēng)管加濕系統(tǒng)是眾多企業(yè)單位常見裝置，此次改造方案主要從風(fēng)管加濕形式和控制方式著手，提高了加濕的穩(wěn)定性和能源利用的效率，由于該裝置設(shè)計合理，控制快速，適用于絕大多數(shù)的加濕系統(tǒng)。但是，由于濕度的測量元件存在一定的局限性，比如，很難快速準(zhǔn)確地反應(yīng)整個加濕空間的濕度變化，因而，在加濕精度要求較高的場合，則存在應(yīng)用局限，目前市面上應(yīng)用良好的濕度傳感器和控制器多受國外廠商控制，在目前全球能源緊缺與國家推行的節(jié)約能源政策的大背景下，我國的廣大科技工作者還有很多的工作要做，謹以此文拋磚引玉，與大家共勉。

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