冷干機設(shè)計依據(jù)與安裝控制分析

袁 杰，金阿龍，溫素珍，金賢松，劉斌斌

（浙江青風(fēng)環(huán)境股份有限公司，浙江 麗水 323000）

隨著壓縮行業(yè)在當代的發(fā)展，壓縮空氣技術(shù)在社會中被廣泛使用，新的市場需求下壓縮技術(shù)的客觀要求持續(xù)提升，尤其是在壓縮氣體“干燥度”和“純度”方面的指標成為判斷技術(shù)水平的重要標準。但受技術(shù)和技術(shù)適用環(huán)境的影響，在整體功能上相對欠缺，提高冷干機的綜合性能，走研發(fā)、生產(chǎn)、售后全面優(yōu)化之路，提高設(shè)備的可靠性，為社會提供更好的服務(wù)是亟待踐行的事。近年來，國內(nèi)外壓縮行業(yè)的快速發(fā)展與研究實踐，為相關(guān)工作提供了有效參考。

1 冷干機相關(guān)背景概述

1.1 冷凍式干燥機的基本原理

冷凍式干燥機（冷干機）屬于引用新型技術(shù)，基本原理為在冷媒與空氣壓縮技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)空氣熱交換，運行時首先將空氣溫度降低到2~10℃的露點溫度或者更低，使空氣與水分分離，再通過空氣交換過程實現(xiàn)降溫，在氣動系統(tǒng)中應(yīng)用較多，是空氣壓縮處理的重要設(shè)備。并且冷凍干燥技術(shù)因在低溫下實現(xiàn)對物料的脫水干燥過程，對于保護谷物等方面具有良好效果，也因此成為當前最為可靠的干燥技術(shù)之一。

使用冷卻系統(tǒng)將壓縮空氣強制冷卻到露點以下，使空氣中的水分凝結(jié)成水滴與空氣分離，除去濕潤空氣中的大部分水分。根據(jù)濕度特性分析，飽和濕度D與氣溫T 同步降低如圖1 所示。當空氣含水率不飽和情況下溫度從t 下降到t1時，則空氣含水率逐漸飽和，再逐漸下降至d2。隨著空氣進一步冷卻，空氣的飽和水分沿著水分曲線下降到d3，同時空氣溫度從t1繼續(xù)下降，到露點溫度t2以下，最后空氣中所含的水分會凝結(jié)成水滴從空氣當中析出。

圖1 空氣含濕特性曲線圖

基于對上述空氣濕度參數(shù)的分析，冷凍干燥機的基本原理就是顯而易見的，即通過對空氣的壓縮經(jīng)過冷卻系統(tǒng)的冷卻，將原本的濕潤空氣壓縮，強制將空氣溫度控制到露點溫度之下，再將水分以小水滴的形式沉積下來，從而實現(xiàn)干燥空氣的目的，并且空氣中的油霧和微小固體物質(zhì)也一并被清理，因此處理后的空氣更加潔凈。

1.2 冷干機系統(tǒng)組成

冷干機系統(tǒng)主要包含三大部分：（1）制冷劑回路系統(tǒng)；（2）集排水系統(tǒng)；（3）電氣控制系統(tǒng)，如圖2 所示。部件主要包含了制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥等。根據(jù)圖示，將高溫壓縮空氣和飽和水蒸氣將通過空氣換熱器（蒸發(fā)器系統(tǒng)）進行預(yù)冷處理，然后再與蒸發(fā)器中的制冷劑進行交換，當溫度下降至0~10℃后，空氣中的水分也會因低溫而凝集，經(jīng)蒸發(fā)器、集水容器、排水閥最終排出。

圖2 冷干機系統(tǒng)組成

2 冷干機設(shè)計依據(jù)

2.1 制冷壓縮機的選型依據(jù)

冷凍式干燥機的四大部件之一為制冷壓縮機，制冷壓縮機向冷卻系統(tǒng)提供穩(wěn)定制冷和壓縮空氣的作用，且壓縮機的性能和運行穩(wěn)定性決定了制冷系統(tǒng)的性能和使用壽命，制冷壓縮機的選擇決定了系統(tǒng)內(nèi)的制冷量和最終的脫水效果。如果制冷壓縮機的功率過大會導(dǎo)致氣體處理量過大，造成資源浪費，且可能因為制冷劑的堆積堵塞制冷劑管道，損壞整個制冷系統(tǒng)，功率太小則最終性能測試達不到標準和露點設(shè)計目標。如果制冷劑在完全蒸發(fā)前以液態(tài)返回壓縮機內(nèi)部，制冷壓縮機將停止運行，導(dǎo)致嚴重的“液錘”故障。由于液態(tài)制冷劑的可壓縮性較差，則壓縮機工作時，容易造成壓縮機內(nèi)部零件被液態(tài)制冷劑損壞，也就是前文所述的“液錘”。因此在壓縮機選型的初始階段必須選擇合適的制冷壓縮機。

2.2 熱交換器選擇依據(jù)

冷凝器是一種將熱量從制冷劑傳遞到系統(tǒng)外部的裝置。冷凝器按冷卻介質(zhì)分類，可分為空氣冷卻器和水冷卻器兩種。由此有風(fēng)冷式冷凍式干燥機和水冷式冷凍式干燥機之分，區(qū)別為冷凍式干燥機內(nèi)部是否有風(fēng)扇裝置。目前風(fēng)冷冷凝器一般采用銅管翅片結(jié)構(gòu)，目前銅價不斷上漲，結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為管狀肋結(jié)構(gòu)、機翼結(jié)構(gòu)，類似于家用空調(diào)使用的室外機。水冷式冷凝器是管束結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)是一個外筒，里面分布著許多制冷劑管路，外殼本身也會有進水口和出水口。風(fēng)冷式冷凝器不需要冷凝，由電機驅(qū)動，風(fēng)冷式冷凝器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域很廣，冷卻效果不如水冷式冷凝器，且體積比水冷設(shè)備大。在中國西北地區(qū)，由于風(fēng)力資源豐富，使用的冷凍式干燥機90%以上為風(fēng)冷式冷凍式干燥機。

2.3 蒸發(fā)器和預(yù)冷器選型設(shè)計參數(shù)計算

假設(shè)入口壓力P=0.7 MPa（儀表壓力），氣體進口溫度t=40°C 和相對空氣濕度60%。根據(jù)查閱相關(guān)的文獻，在t=40℃時的飽和水蒸氣密度ρb=5.105×10-5kg/m3，飽和水蒸氣分壓Pb=7.371 kPa，動態(tài)水蒸氣粘度為1.26×10-3kg/（m·s）。在這些假定條件下的水蒸氣密度由下列公式計算得出

根據(jù)流體計算公式得知干空氣密度與壓力和溫度有關(guān)，其計算公式如下

相應(yīng)的濕空氣密度計算公式則如下

式中，P、Pb均為絕對壓力，單位為kPa，T 單位為K（開爾文）。

因此通過上述的條件計算得出，假定當壓力為0.7 MPa（表壓）時，則可通過上述給出的公式計算出干空氣和濕空氣的密度：ρ=8.894 5 kg/m3，ρW=8.875 9 kg/m3。通常情況下，進氣口的溫度是已知的，壓縮空氣離開蒸發(fā)器的溫度也是已知的，因為二者的具體數(shù)值可以通過溫度傳感器直接得出，因此可以通過計算其溫度差，校驗蒸發(fā)器的效果，但是同時需要得出相關(guān)的壓力露點，調(diào)整進出氣口的溫度。但是，這兩個只是中間環(huán)節(jié)的溫度，這兩個溫度并不能決定最終出口溫度，需要假定一個壓縮空氣進入蒸發(fā)器的溫度，才能確定出口狀態(tài)以及蒸發(fā)器和預(yù)冷器的負載，于是需要通過下列一系列公式進一步設(shè)計參數(shù)。

壓縮空氣含濕量計算公式：

壓縮空氣焓值計算公式：

蒸發(fā)器出口溫度計算公式：

根據(jù)計算結(jié)果，預(yù)冷器出口溫度與蒸發(fā)器進口溫度之間成反相關(guān)，蒸發(fā)器入口溫度每下降1℃則預(yù)冷器出口溫度相應(yīng)上升1.4℃，壓力露點每上升1℃則預(yù)冷器出口溫度相應(yīng)上升1℃，可見降低蒸發(fā)器入口溫度對于控制預(yù)冷器出口溫度效果更佳，見表1。并且通過對兩種預(yù)冷器進行冷量的利用效果對比，蒸發(fā)器入口溫度下降可以提升預(yù)冷器冷量的利用效果，且增加量遠大于增加量在壓力露點。計算結(jié)果表明，蒸發(fā)器入口溫度每降低1℃，預(yù)冷器的冷量利用率幾乎達到壓力露點增加5℃時增加的冷量利用率。綜上所述，要想達到提高預(yù)冷器壓縮空氣出口溫度的目的，首先應(yīng)考慮降低蒸發(fā)器的進口溫度。

表1 不同蒸發(fā)器入口溫度下預(yù)冷器出口溫度表

2.4 制冷劑選擇

R404A 常用于新冰箱的首次灌裝和維修過程中的二次添加，符合美國環(huán)保署和歐洲環(huán)保署的要求，對人體無害。R404 制冷劑最先廣泛使用的地方是歐美，隨著亞洲經(jīng)濟的發(fā)展，“綠色”“環(huán)?！钡闹评鋭㏑404A 也在中國的帶領(lǐng)下引入周邊國家。隨著R404A 的問世和廣泛使用，人們使用的原制冷劑R22 失去了市場，逐漸從歷史上退卻。

3 冷干機內(nèi)部安裝控制

3.1 內(nèi)部安裝存在的問題

冷凍式干燥機一般都是采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，一般情況下主要問題表現(xiàn)在如下幾點：（1）空壓機內(nèi)置難以控制整機體積。當前受客戶需求和市場變化影響，空壓機的設(shè)計一般朝著更小體積卻有更高壓縮比的方向發(fā)展。當將冷凍式干燥機安裝在已經(jīng)很緊湊的空氣壓縮機中時，空間相對較小，冷凍式干燥機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要更加緊湊。對冷凍式干燥機內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的要求，勢必會增加冷凍式干燥機安裝的復(fù)雜性和最終效果，其中換熱器為最，一旦換熱面積見效，則難以有效進行熱量交換，散熱效果也會受到制約，因此會導(dǎo)致干燥機露點測試和除濕效果下降。

（2）冷干機定位難以控制。冷干機擁有單獨的冷凝器和風(fēng)扇，在安裝冷凍式干燥機后，當空壓機啟動時，冷凍式干燥機的進氣口與空壓機混合，在空氣系統(tǒng)中產(chǎn)生湍流，也難免冷凍式干燥機變成了進風(fēng)和出風(fēng)的過程。因此，在后續(xù)安裝冷凍式干燥機時，必須保證冷凍式干燥機能進出風(fēng)，其位置要求不影響空壓機的進風(fēng)道和排風(fēng)道。

（3）冷干機內(nèi)置安裝后所帶來的系統(tǒng)性的應(yīng)力控制難?？諌簷C本身很多零件，例如電機，機架，油液分離器，冷卻器，PLC 控制箱等部件本身的重量就已經(jīng)十分的重，在加上冷干機自身的冷凝器，空氣壓縮機等部件的重量，機架的受力平衡就非常的重要，否則在運輸?shù)倪^程當中很有可能因為重心不穩(wěn)，導(dǎo)致機架被壓壞的情況發(fā)生。

3.2 布局優(yōu)化

在冷凍式干燥機的安裝優(yōu)化方案中，框內(nèi)的結(jié)構(gòu)為冷凍式干燥機，如果冷凍式干燥機安裝在空壓機內(nèi)部的其他地方，在三維設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)冷凍式干燥機與空壓機部件相互干擾或兩個壓縮機的進出口風(fēng)道會相互干涉。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和理論進行優(yōu)化，如圖3 所示進行放置冷干機，將內(nèi)部空間釋放出來，提高進氣量的同時兼顧風(fēng)扇和風(fēng)扇電機的重量分布，讓整體的中心保持在一個相對靠幾何中心的位置，使得機架的受力均衡。

圖3 冷干機改進布局圖

3.3 鋼材選擇

從圖3 空壓機內(nèi)置冷凍式干燥機的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，冷凍式干燥機依靠支撐架而固定，則冷干機自身重量影響到支撐架的性能，如冷干機自身重量較重，則可能會導(dǎo)致空壓機整體剛性和強度下降。除此以外，冷凍式干燥機也會對空壓結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生影響，由于冷凍式干燥機本身的重量比較大，內(nèi)置式冷凍式干燥機也影響了一體機的重心，導(dǎo)致整機因重心偏移而出現(xiàn)偏移情況，空壓機底座叉車空位不易確定，并且不利于安裝也會影響后期功能。根據(jù)條件（1）空壓機型號的板材厚度為4 mm；（2）根據(jù)冷干機內(nèi)置設(shè)計要求，板材最大公差為0.64 mm；（3）冷干機下架安裝架和支架采用Q235 鋼；（4）冷干機固定底盤引起的最大變形為1 mm。經(jīng)計算，應(yīng)該選擇鋼材Q253，與框架相同的鋼材。

4 結(jié)束語

冷干機在社會中被廣泛運用，其基本原理為通過制冷劑和空氣壓縮原理，實現(xiàn)空氣的熱交替，并在冷凝效果支持下降低經(jīng)過空壓機壓縮之后氣體的含水量，是重要的氣源后處理方式，也是氣動系統(tǒng)當中不可或缺的氣體處理裝置。但是系統(tǒng)較大的體積還有待優(yōu)化，冷干機的工作效率也進一步有待提高。