微熱再生干燥器露點(diǎn)控制及優(yōu)化方法探討

孫 敏

（63876 部隊(duì)，華陰 714200）

引言

壓縮空氣制冷技術(shù)的廣泛運(yùn)用，為制造低溫環(huán)境帶來了極大的便利。單因素溫度應(yīng)力的施加與考核，必須對供氣露點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格控制，以避免低溫條件下核心設(shè)備中、被試品上產(chǎn)生結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象，從而對設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行及考核效果產(chǎn)生影響。為此，必須對壓縮空氣的干燥環(huán)節(jié)加以控制，確保供氣露點(diǎn)達(dá)到使用要求。論文從微熱干燥器工作原理入手，分析再生過程，明確“吸附”和“脫附”能耗及其關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)要求，從而為干燥器露點(diǎn)控制提供參考。

1 微熱再生干燥器露點(diǎn)分析

1.1 微熱再生干燥原理

微熱再生干燥器運(yùn)用高壓低溫吸附和低壓高溫脫附原理，使壓縮氣體通過干燥劑，從而達(dá)到干燥壓縮氣體降低露點(diǎn)的目的。它由兩臺雙塔式微熱再生干燥器組成，兩塔分別進(jìn)行吸附和脫附過程，每個(gè)工作周期由吸附、再生、吹冷、均壓四個(gè)階段構(gòu)成，切換時(shí)間到后完成切換循環(huán)過程。干燥劑由活性氧化鋁和分子篩組成，先用氧化鋁等吸附劑進(jìn)行預(yù)干燥, 再用分子篩進(jìn)行深度處理，干燥精度可達(dá)露點(diǎn)-70 ℃以下。微熱再生干燥器工作流程見圖1[1]。

1.2 干燥器露點(diǎn)影響因素

任何一種吸附劑的吸附量都有一個(gè)限度，超過這個(gè)限度時(shí)吸附劑就應(yīng)再生。動(dòng)態(tài)吸附量是影響吸附劑吸附能力的主要因素，取決于吸附劑本身的性質(zhì)、吸附時(shí)的溫度、吸附深度、空氣的流速以及吸附干燥空氣的方式。故在干燥器型式及吸附劑確定的基礎(chǔ)上，其出口氣體露點(diǎn)溫度主要取決于進(jìn)氣質(zhì)量與吸附劑被再生的程度。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.2.1 進(jìn)氣質(zhì)量

進(jìn)氣質(zhì)量受進(jìn)氣含油量、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣濕度等因素的影響。在干燥器進(jìn)氣口前設(shè)置除油過濾器來降低進(jìn)氣含油量。吸附劑的吸附能力隨進(jìn)氣溫度的升高而降低，與此同時(shí)，溫度每提高5 ℃，飽和含水量增加30 %左右，雙重作用嚴(yán)重影響吸附劑吸附效果，系統(tǒng)通過加裝水冷換熱器與氣液分離器，降低進(jìn)氣溫度的同時(shí)，確保了進(jìn)氣為該溫度下的飽和氣體；壓縮空氣飽和含水量與進(jìn)氣壓力成反比，即工作壓力越低，干燥器負(fù)荷越高，同時(shí)工作壓力的下降導(dǎo)致再生氣量減小，從而使干燥器再生效率降低，進(jìn)而使吸附能力下降，必然致使干燥器出口露點(diǎn)上升，故要求干燥器最低工作壓力不低于0.4 MPa。

吸附劑被再生的程度受干燥劑吸附程度、加熱解吸溫度與加熱解吸時(shí)間、干燥劑吹冷溫度與吹冷時(shí)間、加熱再生氣量、吹冷再生氣量等因素的影響。

干燥劑吸附程度與吸附劑構(gòu)成、進(jìn)氣質(zhì)量與流速、吸附持續(xù)時(shí)間等相關(guān)[2]。一般情況下，干燥器出口空氣露點(diǎn)隨濕氣流與吸附劑的接觸時(shí)間的增長而降低；干燥器型式確定之后，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量可調(diào)整進(jìn)氣與干燥劑的接觸時(shí)間；吸附劑顆粒表層所吸附的水層薄厚與吸附持續(xù)時(shí)間有關(guān)，工作時(shí)如果實(shí)際吸附量超過動(dòng)吸附量過多，吸附劑就提早進(jìn)入“轉(zhuǎn)效點(diǎn)”，不僅會(huì)使出口氣體露點(diǎn)升高，而且也影響了周期內(nèi)露點(diǎn)的穩(wěn)定性。

圖1 微熱再生干燥器工作流程

再生過程分“加熱解吸”與“吹冷再生”兩個(gè)階段。解吸溫度過低會(huì)導(dǎo)致干燥劑中殘存水量過多，而過高溫度則會(huì)導(dǎo)致干燥劑提前劣化。解吸時(shí)的能量消耗一部分來自電加熱器，一部分來自加熱再生氣。若再生氣的流量過小，不但會(huì)局部過熱，而且會(huì)造成無法均勻傳熱，以致影響加熱解吸效果。待加熱解吸結(jié)束后，需對干燥劑進(jìn)行吹冷降溫，吹冷再生氣為干燥器出口氣。研究表明，不同溫度的干燥劑有著不同的吸附率，且二者之間成反比。理想狀態(tài)下，干燥劑的最終冷卻溫度為吹冷再生氣的溫度。

綜上所述，干燥器露點(diǎn)影響因素的確定與干燥器工況及其能耗有著直接的關(guān)系，故必須在分析其工作各階段能耗的基礎(chǔ)上，才能對各種關(guān)鍵參數(shù)加以確定優(yōu)化。

2 微熱再生干燥器再生過程能耗分析

在干燥器吸附過程當(dāng)中，干燥劑會(huì)以吸附熱的形式向周圍介質(zhì)釋放能量；而再生過程作為吸附過程的逆過程，需要消耗大量的能量。在干燥劑吸附量一定時(shí)，再生能耗便存在一個(gè)底線，而優(yōu)化再生能耗不應(yīng)以犧牲出口氣露點(diǎn)為前提。通過分析可知，干燥器加熱解吸階段既有熱耗又有氣耗，吹冷解吸階段只有氣耗而無熱耗，整個(gè)再生過程的能耗遵循著能量守恒定律[3，4]。基于此，對再生過程能耗進(jìn)行分析。

2.1 加熱解吸能耗

加熱解吸過程的能耗包括氣耗和熱耗，耗氣（再生氣）作為傳遞熱量的載體以實(shí)現(xiàn)高溫脫附過程。解吸過程熱量Q的消耗主要由加熱吸附劑所需熱量Q1、加熱干燥塔所需熱量Q2、水的汽化潛熱Q3、過程熱損失Q4等四部分組成，見式（1）。

1）加熱吸附劑所需熱量

1926年，毛姆在法國的費(fèi)拉角買下了心愛的房子——瑪萊斯科別墅，在此度過了39年時(shí)光。1929年的經(jīng)濟(jì)大蕭條，毛姆有如神助毫發(fā)無傷，他寫的戲劇繼續(xù)在英美乃至全球范圍上演，當(dāng)時(shí)《大都會(huì)》等雜志給他的短篇小說開出一字一美元（相當(dāng)于今天的二十美元左右）的稿酬，近乎天文數(shù)字。

微熱再生干燥器的“再生溫度”沒有標(biāo)準(zhǔn)可循，較高溫度的再生氣能容納并攜帶出更多的水分，更利于吸附劑脫附。溫度的有限提高能在多大程度上加快解吸速率其實(shí)并不重要，但再生尾氣的溫度卻直接關(guān)系到吸附效果和再生氣量的消耗。加熱吸附劑的熱量Q1可由式（2）求得。

式中：MS、MV為分子篩、活性氧化鋁填充量，kg；CS、CV為分子篩、活性氧化鋁的平均比熱，kJ/ kg·℃；為微熱再生干燥器的初始溫度，℃； t2為微熱再生干燥器的平均加熱溫度，℃；其中為干燥罐再生氣進(jìn)口溫度、再生結(jié)束時(shí)干燥罐出口溫度，℃。

2）加熱干燥塔所需熱量

塔體及其構(gòu)件也是消耗熱量的一個(gè)重要方面，加熱干燥塔所需熱量Q2可由式（3）求得。

式中：Mt為微熱再生干燥器塔體的質(zhì)量，kg；Ct為金屬構(gòu)件的平均比熱，kJ/ kg·℃。

3）水的脫附熱量

脫附過程首要是將凝聚在吸附劑表面微孔里的液態(tài)水趕出吸附劑，這是液態(tài)凝聚水重新氣化的過程，需要一定量“氣化潛熱”的支持。水的脫附熱量Q3可由式（4）求得。

式中：Gh為吸附周期T內(nèi)干燥劑所吸附的水量，kg，v為進(jìn)入干燥器的氣體流量，m3/h；φ 為相對濕度，%；d0為進(jìn)氣中所含的飽和水蒸氣含量，kg/kg；d為干燥后壓縮氣體中的殘存水量，kg/kg；T為干燥器的吸附時(shí)間，h；Ch為水的比熱，kJ/ kg·℃；Qhqr為水的汽化潛熱，kJ/ kg；Cq為水蒸氣的比熱，kJ/kg·℃。

4）過程熱損失

塔體、加熱罐、管道等都會(huì)以輻射的形式向周圍進(jìn)行散熱。相關(guān)資料表明，消耗熱量可占到前三種熱總量的20%左右，過程熱損失Q4可由式（5）求得。

2.2 加熱再生氣量

加熱解吸階段耗能的供給主要來自兩個(gè)方面：一是電加熱器加熱提供的熱量；二是再生氣提供的熱量。根據(jù)能量守恒定律，可確定加熱再生階段所需氣量。故加熱再生氣量可由式（6）、式（7）求得。

式中：Qjr為加熱解吸過程外界提供熱量，kJ；Qd為電加熱器提供的熱量，kJ；Qzsq為再生氣提供的熱量，kJ；W為電加熱器功率，kw；qmx為加熱再生氣質(zhì)量流量，kg/h； CX為每kg加熱再生氣提供的熱量，kJ/kg.℃；Δt為加熱再生氣的溫度變化，為加熱再生氣初始溫度，℃；T′為干燥器加熱解吸時(shí)間，h。

2.3 吹冷再生氣量

經(jīng)過“加熱解吸”后的吸附劑溫度很高，還未達(dá)到最終再生，只有使干燥劑冷卻到初溫后才能使其恢復(fù)原先的活性。自然冷卻顯然不現(xiàn)實(shí)，故采用干燥器出口氣對吸附劑進(jìn)行吹冷。吹冷再生氣溫度越低，氣耗越少；吹冷再生氣氣量越大，吹冷時(shí)間越短。吹冷再生過程主要是對吸附劑和塔體進(jìn)行降溫，使之達(dá)到初始工作要求。故吹冷再生氣量可由式（8）、式（9）求得。

式中：Q′為吹冷階段需帶走的熱量，kJ； t5為吹冷再生氣溫度，℃；qmc為吹冷再生氣的質(zhì)量流量，kg/h；T′為干燥器吹冷解吸時(shí)間，h。

3 微熱再生干燥器再生過程參數(shù)優(yōu)化

3.1 干燥器工作參數(shù)分析

以某次運(yùn)行（夏季且濕度較大的工況下）為例，兩臺干燥器在此種工況下暴露出了露點(diǎn)不穩(wěn)定，手動(dòng)切換頻繁等問題，其工作參數(shù)見表1。對干燥器吹冷再生結(jié)束時(shí)的溫度進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)1#干燥器溫度為99 ℃，2#干燥器溫度為83 ℃。轉(zhuǎn)換為吸附工作時(shí)，在經(jīng)過大約25 min之后，才能使干燥劑溫度降到40 ℃左右，降低了干燥劑的吸附效率，說明吹冷時(shí)間過短，反之說明加熱時(shí)間過長?？傊?，干燥器工作參數(shù)設(shè)置上不合理，在能耗上分配不科學(xué)，以致干燥器工作效率下降。為此，必須對其工作能耗進(jìn)行計(jì)算分析，從而優(yōu)化確定工作參數(shù)。

3.2 干燥器再生過程能耗計(jì)算及分析

運(yùn)用式（1）～式（9）對微熱干燥器過程當(dāng)中的熱耗及氣耗進(jìn)行了計(jì)算，要求干燥器出口露點(diǎn)不高于-70℃。各種比熱參數(shù)見表2、微熱再生干燥器再生過程實(shí)際熱能及氣耗計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。

結(jié)合表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)，對兩臺干燥器再生過程中的理論能耗與實(shí)際提供熱量，理論再生氣量與實(shí)際再生氣量進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1）兩臺干燥器電加熱器在加熱解吸階段提供的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于干燥劑加熱解吸所需熱量。說明或是電加熱器功率過大，或是加熱時(shí)間過長，以致造成能量浪費(fèi)過大。而表3數(shù)據(jù)為進(jìn)氣濕度較大情況下的數(shù)據(jù)，故在濕度較小的情況下，所需電熱能則遠(yuǎn)小于此計(jì)算值，這樣就造成更大的不必要的浪費(fèi)；

2）加熱解吸階段提供再生氣的目的不僅僅是為傳遞熱量充當(dāng)載體，更是起到提供輔助能量以降低能耗的作用，但是從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，根本就不需要?dú)鉄崮?，更談不上疊加效應(yīng)，進(jìn)一步造成了能量的浪費(fèi)；

表2 計(jì)算用比熱參數(shù)

表3 微熱再生干燥器再生過程計(jì)算數(shù)據(jù)

3）吹冷再生階段所需要的冷卻氣量過大，而實(shí)際吹冷氣量很難滿足要求，這樣就造成了吹冷再生結(jié)束時(shí)干燥劑溫度仍然比較高，不能完全再生，以致影響出口露點(diǎn)。

3.3 再生過程參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合微熱再生干燥器實(shí)際工況及表3中能耗計(jì)算數(shù)值，對微熱再生干燥器再生過程關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）由式（9）計(jì)算可知，在吹冷再生氣量不能增加的情況下，欲使干燥劑降到吹冷氣溫度，并在確保渦輪安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將吹冷再生氣量由原來得7 %調(diào)整為10 %，即400 kg/h，吹冷時(shí)間調(diào)整為3.56 h即可。

2）由式（6）計(jì)算可知，在加熱再生氣量不能增加的基礎(chǔ)上，兩臺干燥器的電加熱器和加熱再生氣分別工作3.43 h、2.85 h可達(dá)到加熱解吸能耗要求。而干燥器實(shí)際的吸附量可能比之理論值要少很多，這樣其所需的加熱時(shí)間則會(huì)更短?；跐M足最低熱量需求的原則，將兩臺干燥器的加熱時(shí)間分別設(shè)置為3.5 h、2.9 h，相應(yīng)的吹冷時(shí)間為3.5 h、3.1 h。

3）再生過程應(yīng)以確保干燥劑完全脫附、保證干燥器出口露點(diǎn)為絕對目的。目前電加熱罐中加熱溫度設(shè)定為205 ℃，干燥罐加熱再生氣進(jìn)氣溫度不超過165 ℃，分子篩部位加熱再生溫度不超過135 ℃。而干燥劑脫附溫度要求較高，加之熱量傳遞過程中的衰減，應(yīng)確保分子篩部位的脫附溫度不低于150 ℃。故要么增加加熱再生氣量，要么適當(dāng)提高電加熱器加熱溫度，增加再生氣量難度較大，可適當(dāng)調(diào)整加熱溫度。

表3 微熱再生干燥器再生過程計(jì)算數(shù)據(jù)

4）從能耗關(guān)系上來看，水的脫附熱是耗能的主要方面，溫度則是影響能耗的主要指標(biāo)。再生氣出口溫度是影響加熱脫附過程的關(guān)鍵因素，再生氣出口溫度應(yīng)不低于70 ℃，而目前并沒有對其進(jìn)行監(jiān)測，故有必要在再生氣出口管路加裝一套溫度傳感器，以利于實(shí)時(shí)監(jiān)測出口溫度合理設(shè)置加熱時(shí)間。

據(jù)此，將2#干燥器的加熱時(shí)間設(shè)置為2.9 h、吹冷時(shí)間設(shè)置為3.1 h，加熱再生氣量、吹冷再生氣量均無調(diào)整，出于電加熱器安全運(yùn)行的目的，將加熱溫度設(shè)置為220 ℃。經(jīng)過長時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證：2#干燥器露點(diǎn)溫度不高于-69 ℃，明顯優(yōu)于之前；吹冷結(jié)束時(shí)罐中溫度不高于52 ℃，明顯低于原來的83 ℃；分子篩部位加熱再生溫度達(dá)到了145 ℃，比之以前更有利于解吸。

4 結(jié)論

在分析影響微熱再生干燥器露點(diǎn)因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了干燥劑再生過程中的能耗與氣耗，針對干燥器實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，分析了存在的問題，提出了解決思路與實(shí)施方法，為保證露點(diǎn)的同時(shí)降低能耗提供了依據(jù)。

[1]王麗娟,等.空氣制冷中干燥器的降失效原因分析[J].環(huán)境適應(yīng)性和可靠性, 2009.

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