冷凍式干燥機的關鍵技術探討

張小偉

（杭州山立凈化設備股份有限公司，浙江杭州 311107）

0 引言

冷凍式干燥機現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應用到凈化設備市場中，為進一步提高其能量利用率，減少能源的浪費，就需要在原有基礎上來進行技術優(yōu)化，將設備自身的經(jīng)濟價值發(fā)揮到最大。對冷凍式干燥機關鍵技術進行分析，使其工作效率更高、運行能耗最低，達到經(jīng)濟節(jié)能的目的。

1 冷凍式干燥機作業(yè)原理

冷凍式干燥機利用物理原理，實現(xiàn)空氣內(nèi)水分被降溫到露點溫度以下，進而將其從空氣中析出，多被用于氣動系統(tǒng)，為一種重要的壓縮空氣后處理設備。冷凍干燥技術的本質(zhì)就是使得物料于低溫低壓環(huán)境下脫水干燥，是現(xiàn)在最為先進的干燥技術之一，既不會對物料原有氣味、形狀、生物以及化學特性產(chǎn)生影響，同時也不會影響到物料內(nèi)熱敏物質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應用到化工、食品、藥品、紡織、橡膠以及通信等多種行業(yè)。對冷凍式干燥機運行原理進行分析，即利用制冷設備來強制冷卻壓縮空氣，使其降到露點以下，確?？諝鈨?nèi)的水分能夠凝結成水滴析出，達到干燥空氣除水的目的。

基于空氣含濕特性分析，空氣飽和含濕量D 會隨著空氣溫度T 的降低而降低（圖1）。如果含濕量未飽和狀態(tài)下的空氣溫度從t下降到t1，則空氣含濕量就會由未飽和變?yōu)轱柡?，同時空氣飽和含濕量降低到d2。繼續(xù)對空氣進行冷卻處理，則空氣飽和含濕量便會沿著含濕量曲線一直降低到d3，同時空氣溫度由t1降低到t2露點溫度以下，最后d3＜d2空氣內(nèi)含有的水分便會凝結成水滴狀析出[1]。

基于上述的空氣含濕特性進行分析，可知冷凍式干燥機運行原理，即采用冷卻的方法，促使含濕壓縮空氣溫度下降到露點溫度以下，最終空氣內(nèi)的水分會以小水滴的形式析出，實現(xiàn)空氣的干燥。在此過程中，還能夠有效清除空氣含有的油霧和固體顆粒，使得干燥后的空氣更為潔凈。

2 冷凍式干燥機技術不足

2.1 技術研究不足

圖1 空氣含濕特性

雖然冷凍式干燥機現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用，但是從技術角度來分析，目前多是將研究方向放在設備結構改進與熱力計算兩個方面，對于內(nèi)部壓縮空氣的換熱特性以及流動特性研究較少，導致實際應用中設備作業(yè)效率較低，且需要大量能源作為支持[2]。目前主要的針對管殼式換熱器內(nèi)部換熱性能的研究，要點是換熱管道而非安裝散熱翅片，與冷凍式干燥機相比，兩者的換熱特性以及流動特性均存在明顯差異。

2.2 技術研究方向

為進一步提高冷凍式干燥機運行綜合效率，還需要基于其關鍵技術進行研究和優(yōu)化，本次主要分析以FLUENT 軟件為基礎，通過模型進行數(shù)值模擬計算，完成冷凍式干燥機的換熱與流動特性。其中，利用冷凍式干燥機來壓縮空氣，轉(zhuǎn)熱主要產(chǎn)生在蒸發(fā)器與預冷器中，因此可將其作為核心對象進行分析。例如分析確定入口條件差異對蒸發(fā)器換熱性能的干擾，以及預冷器折流板結構對換熱和流動死區(qū)影響等。

3 冷凍式干燥機技術優(yōu)化

3.1 蒸發(fā)器數(shù)值模擬計算

3.1.1 蒸發(fā)器模型

所選蒸發(fā)器翅片規(guī)格為132 mm×152 mm，翅片厚1 mm，翅片間距10 mm。銅管外徑9.52 mm，為正三角形方式排布，相鄰兩銅管間距為25 mm，折流板厚1 mm。為便于計算，對蒸發(fā)器模型進行簡化處理，即銅管壁厚、輻射傳熱以及翅片與銅管連接部位熱阻等全部忽略不計。

3.1.2 不同入口條件影響

就入口直徑和入口速度進行分析，一般分為3 種情況來分析不同入口條件對傳熱與流動性能的影響：①入口直徑相同而入口速度不同；②入口速度相同而入口直徑不同；③入口直徑和入口速度均不相同。

（1）不同入口速度。為確定低速狀態(tài)下蒸發(fā)器內(nèi)部流場狀態(tài)，設定1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s 與5 m/s 五個不同入口速度進行分析（圖2）：后半部分入口流量相對蒸發(fā)器空氣處理量較小，區(qū)域溫度均處于278～280 K（4.85～6.85 ℃），此階段壓縮空氣蒸發(fā)器前半部分已經(jīng)實現(xiàn)全部換熱，壓縮空氣降低到管壁溫度后不會再變化[3]。

圖2 5 m/s 時軸向溫度分布情況

從圖2 可看出，蒸發(fā)器于前半部分存在部分溫度較低的區(qū)域，表示壓縮空氣溫度較低，主要是會因為入口尺寸以及翅片隔檔造成壓縮空氣流動不佳，并未與熱空氣進行換熱。當壓縮空氣入口速度逐漸增大后，溫度較低的區(qū)域面積逐漸減小，有效緩解了內(nèi)部壓縮空氣流動慢的情況。蒸發(fā)器未達到壓縮空氣最大處理量時，隨著入口速度的增加，換熱也不斷增大，兩者存在近似線性關系。

（2）不同入口直徑。

確定2 m/s 的恒定速度來分析不同入口直徑對換熱產(chǎn)生的影響，入口直徑越大表示入口流量越大，溫度降低的趨勢也會不斷減緩。分析第一段蒸發(fā)器折流板缺口部位溫度變化，可知入口直徑越大則溫度越高，相比進口溫度差異越小。為提高換熱量計算結果的準確性，除了要掌握溫差以外，還需要計算單位時間內(nèi)換熱量。入口直徑越大的情況下，入口流量越多，未達到蒸發(fā)器最大處理量時，換熱量也會隨之增大。同時，較大的入口直徑還能夠有效改善壓縮空氣在內(nèi)部的流動狀態(tài)，使得流動死區(qū)面積縮小，換熱性能更強，使得設備換熱效果更佳。

3.2 預冷器數(shù)值模擬

3.2.1 預冷器模型

所選預冷器銅管直徑為9.52 mm，采用正三角排布方式，相鄰兩銅管管中心間距為25 mm。為降低計算難度，對模型進行了簡化，即銅管壁厚、輻射傳熱以及預冷器與外部環(huán)境的熱交換等全部忽略不計。

3.2.2 單弓形折流板影響

分析確定單弓形折流板預冷器內(nèi)部壓縮空氣流場在不同入口速度條件下的分布規(guī)律，掌握其換熱效率特點。設計0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s 與2 m/s 不同入口速度，對比后確定入口流速越大，預冷器內(nèi)部低溫區(qū)域越小。并且，隨著入口速度的增大，溫度下降幅度降低，出口溫度較高，溫差縮小。受流速增大影響，壓縮空氣和銅管之間的接觸時間縮短，換熱效果無法達到最佳，因此并不能判斷內(nèi)部壓縮空氣換熱效果差[4]。并且，除了要確定溫差影響外，還需要兼顧流量大小，綜合分析單位時間內(nèi)熱換量，才可確定不同流速下預冷器的換熱效果。結果顯示，隨著入口速度增大壓縮空氣出口溫度降低，但是因為流量增大幅度超過溫差減小幅度，最終預冷器的換熱量為逐漸增大趨勢。

4 結束語

冷凍式干燥機關鍵技術的研究，可以對其實際應用中遇到的問題和不足做更進一步的優(yōu)化，爭取通過對蒸發(fā)器與預冷器條件的調(diào)整和控制，將設備運行效率保持在最高狀態(tài)，達到經(jīng)濟與節(jié)能的效果。