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压缩空气 净化设备教材资料（上册）杭州山立净化设备有限公司 前 言 压缩空气作为动力源已有一百多年的历史，从世界范围来说，懂得对压缩空气进行净化处理有五十多年，而明确对压缩空气进行质量分等级则是在国际标准化委员会发布ISO8573.1压缩空气第一部分 一般用压缩空气质量等级之后。如果从1982年国际标准化组织开始讨论标准算起，至今也只有二十余年的历史。压缩空气净化是一门新兴的技术。作为现代工业的新兴动力他涉及工程热力学、气体力学、流体力学、化工分离、传热传质、吸收吸附及材料、制冷技术等许多学科理论，是实践性很强的技术。至今在我国高校中尚无相关的专业，这方面的专著也很少。随着科学技术的进步，压缩空气的应用领域越来越广，其作用也已逐渐被接受。应此，自20世纪90年代以来，以精密过滤器和冷冻干燥机、吸附式干燥器为代表的压缩空气净化设备在我国迅速兴起。经过广大同业人士的艰苦努力，压缩空气净化设备在我国很快得到普及，应用范围正在扩大。现在涉及的行业有化工、电力、矿业、冶金、纺织、医药、仪表、生物、化纤、电子、空分、卷烟、日化、轻工、造纸、橡胶、汽车制造等等。为了满足目前日益成熟的市场，就必须不断提高企业的核心技术以及技术的普及率。在技术方面公司已经启动研发机制，准备利用高性能、超可靠的整体优越的先进产品向国内外市场发起强有力的冲击。作为山立的一员，我们要做的就是不断的提高自身技术水平，以满足各自工作岗位的技术要求。目 录一、 气源系统的介绍1-1气源系统1-2气源净化系统的作用1-3气源质量的标准有那些？二、 相关知识2-1什么叫空气？什么叫湿空气？2-2什么叫饱和空气？2-3未饱和空气在什么条件下成为饱和空气？2-4什么是大气压？什么是绝对压力？什么是表压力？2-5什么叫温度？常用温度单位有那些？2-6湿空气中水蒸气分压力指的是什么？2-7什么叫空气的湿度？湿度有那几种？2-8什么叫含湿量？含湿量怎样计算？2-9饱和空气中水蒸气的密度取决于什么？2-10空气在加压状态下（即压缩空气）的相对湿度及含水量是怎样确定的？2-11什么是空气的标准状态？2-12什么是热量？2-13什么是显热？什么是潜热？2-14什么是空气的焓值？怎样计算？2-15什么是压缩空气？有那些特点？2-16压缩空气里含有那些杂质？2-17压缩空气干燥方法有哪几种？2-18什么叫露点？它和什么有关？2-19什么是“压力露点”？2-20“压力露点”与“常压露点”有什么关系？2-21压缩空气露点用什么仪器来测量？2-22用露点仪测量压缩空气露点时应该注意什么？2-23压缩空气的“压力露点”应在干燥机哪个部位测量？三、冷干机结构原理及结构3-1冷干机原理3-2冷干机概述及分类3-3冷干机负荷高低取决于哪些因素3-4预冷器原理和结构3-5蒸发器原理及结构3-6气水分离器3-7自动排水器3-8冷凝器3-9压缩机四、吸干机结构原理及结构4-1吸干机原理概述4-2吸干机分类4-3吸干机物理吸附介绍4-4吸干机吸附剂的再生过程4-5几种常用吸附剂介绍4-6控制系统4-7影响吸附干燥器露点的因素有哪些4-8无热吸干机4-9微热吸干机一、气源系统的介绍1-1气源系统由产生、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列几部分组成：空气压缩机、后部冷却器、过滤器（包括前置过滤器、油水分离器、管道过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等）、稳压储气罐、干燥机（冷冻式或吸附式）、自动排水排污器及输气管道、管路阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要，组合成完整的气源系统。1-2气源净化系统的作用从空压机输出的压缩空气中含有大量有害杂质，不通过适当的方法清除这些杂质，会对气源系统造成很大的危害： 变质的润滑油（油分）会使橡胶、塑料、密封材料变质，堵塞小孔，造成阀类动作失灵，污染产品； 水分和粉尘会造成金属器件、管道生锈腐蚀，造成运动部件卡死或磨损，使气动元件动作失灵和漏气，水分和尘土还会堵塞节流小孔或过滤网；在寒冷地区，水分结冰会造成管道冻结或冻裂; 由于空气质量不良，使气动系统的可靠性和使用寿命大大降低，由此造成的损失往往大大超过气源处理装置的成本和维修费用，故正确选用气源处理系统是绝对必要的。1-3气源质量的标准不同用户对气源质量有不同要求。国家标准GB/T13277-91一般用压缩空气质量等级（等效采用LSO8573）就是为此而制订的。该标准对压缩空气中固体粒子、水分及含油量作出了量的规定。 从更广的意义上讲，一个良好的气源还应当在使用过程中压力是稳定的，对周围环境造成的污染是最小的。二、相关知识2-1什么叫空气？什么叫湿空气？答：地球周围的大气，我们习惯上称它作空气。自然界中的空气是由多种气体（O2、N2、CO2等）混合而成的，水蒸气是其中的一种。含有一定量水蒸气的空气叫湿空气，不含水蒸气的空气叫干空气。我们周围的空气都是湿空气。在一定海拔高度下，干空气的组成成分及比例基本稳定不变，它对整个湿空气的热工性能无特殊意义。湿空气中的水蒸气量虽然不大，但含量的变化对湿空气的物理性质影响很大。水蒸气含量的多少决定了空气干燥和潮湿程度。冷干机的工作对象就是湿空气。2-2什么叫饱和空气？答：在一定的温度和压力条件下，湿空气中水蒸气的含量（即水蒸气密度）是有一定限度的；在某一温度下，所含水蒸气的量达到最大可能含量时，这时的湿空气叫饱和空气。水蒸气未达最大可能含量时的湿空气就叫未饱和空气。2-3未饱和空气在什么条件下成为饱和空气？答：在含水量不变的情况下，通过降低未饱和空气的温度可使之成为饱和气。未饱和空气在成为饱和空气的瞬间，湿空气中会有液态水珠凝结出来，这一现象称之为“结露”。2-4什么是大气压？什么是绝对压力？什么是表压力？答：包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”，符号为B；直接作用于容器或物体表面的压力，称为“绝对压力”，绝对压力值以绝对真空作为起点，符号为PABS；用压力表、真空表、U形管等仪器测出来的压力叫“表压力”（又叫相对压力），“表压力”以大气压力为起点，符号为Pg。三者之间的关系是PABS=Pg+B压力的法定单位是帕（Pa），大一些单位单位是兆帕（MPa）1 MPa=106 Pa 1标准大气压=0.1013 MPa 在旧的单位制中，压力用kgf/cm2 （公斤/平方厘米）作单位1 kgf/cm2 =0.098 MPa。2-5什么叫温度？常用温度单位有那些？答：温度是物质分子热运动的统计平均值。 绝对温度：以气体分子停止运动时的最低极限温度为起点的温度，记为T。 单位为“开（开尔文）”，单位符号为K。 摄氏温度：以冰的融点为起点的温度，单位为“摄氏度”，单位符号为 此外英美国家还经常用“华氏温度”，单位符号为F。 温度单位之间的换算关系是：T（K）=t（）+273.16t（F）=1.8 t（）+322-6湿空气中水蒸气分压力指的是什么？答：湿空气是水蒸气与干空气组成的混合物，在一定体积的湿空气里水蒸气所占的份量（以重量计）通常比干空气要少得多，但它占有与干空气相同的体积，也具有相同的温度。湿空气所具有的压力是各组成气体（即干空气与湿空气）分压力的和。湿空气中水蒸气所具有的压力，称为水蒸气分压力，记作Ps。其值反映了湿空气中水蒸气含量的多少，水蒸气含量越高，水蒸气分压力也越高。饱和空气中水蒸气分压力叫水蒸气饱和分压Psb。2-7什么叫空气的湿度？湿度有几种？答：表示空气干湿程度的物理量叫“湿度”。常用的湿度表示方法有“绝对湿度”、“相对湿度”和“含湿量”。 在标准状态下，1m容积中湿空气含有水蒸气的重量称为“绝对湿度”，单位是g/m。绝对湿度只表明单位体积湿空气中，含有多少水蒸气，而不能表示湿空气吸收水蒸气的能力，即不能表示湿空气的潮湿程度。绝对湿度也就是湿空气中水蒸气的密度。 湿空气中实际所含的水蒸气量与同温度下最大可能含有水蒸气量的比值称“相对湿度”，相对湿度在0-100%之间。值越小，空气越干燥，吸水能力越强。值越大，空气越潮湿，吸水能力越弱。2-8什么叫含湿量？含湿量怎样计算？答：在湿空气中，1Kg干空气含有水蒸气的重量叫做“含湿量”，常用d来表示，单位：g/kg干空气。含湿量的计算公式是：Ps Psbd=622 或 d=622 P-Ps P-Psb式中：P-空气压力（Pa），Ps-水蒸气分压力（Pa），Psb-饱和水蒸气分压（Pa），-相对湿度(%)。 从上式可以看出，含湿量d几乎同水蒸气分压力Ps成正比，而同空气总压力P成反比。d确切反映了空气中含有的水蒸气量的多少。由于在某一地区，大气压力基本上是定值，所以空气含湿量仅同水蒸气分压力Ps有关。2-9饱和空气中水蒸气的密度取决于什么？答：空气中水蒸气的含量（水蒸气密度）是有限度的。在气动压力（2Mpa）范围内，可认为饱和空气中水蒸气的密度只取决于温度的高低而和空气压力大小无关，温度越高，饱和水蒸气的密度越大。譬如，在40时1m 空气，不论其压力是0.1MPa还是1.0 MPa，它的饱和水蒸气密度都是51g。2-10空气在加压状态下（即压缩空气）的相对湿度及含水量是怎样确定的？答：从题1-8中知道，当压力P提高后，空气中饱和含湿量将减小。压缩空气的相对湿度及实际含水量s由下式确定：PbP= s=b (kg/m3)PbP 式中P、 P-压缩前后空气的绝对压力（pa）Pb 、Pb-压缩前后与各自温度下的饱和水蒸气分压（pa）压缩空气的相对湿度（%） -压缩前后空气的相对湿度（%）b压缩后与其温度相对应的饱和水蒸气密度（g/ m）若=100%，则压缩空气处于饱和状态。压缩空气的饱和水蒸气分压： PbPPb= （pa）P该式可用来确定压缩空气的“压力露点”与常压露点的对应换算关系。2-11什么是空气的标准状态？答：在温度t=20,绝对压力P=0.1Mpa，相对湿度=65时的空气状态叫空气的标准状态。在标准状态下，空气密度是1.185 kg/m。（空压机排气量、干燥机、过滤器等后处理设备的处理能力都是以空气标准状态下的流量来标注的，单位写作Nm/min,也可在m/min后加ANR）。 实际空气状态与标准状态通过状态方程进行转换。状态方程有多种形式，其中一种形式是： P1V1 P0V0 = T1 T0 式中：P气体的绝对压力（pa）,V气体的比容（m/kg）,T气体的温度(K) (单位符号带脚标0的是标准状态参量，带1的是实际状态参量)因为加压前后空气质量是不变的，利用状态方程可以计算出加压后空气的体积: P0V0V1= （假定T1=T0）P12-12什么是热量？答：热量是能量的一种形式。在物理学中用“比热”来计算热量，即Q=Gc(t1-t2),式中：Q热量，G物体的质量，c物体的比热，t1 、t2物体的初温和终温。热量单位是J(焦耳)。热量是依靠温差（即t1-t2）传递的能量，没有温差就无所谓热量传递。 根据热力学定律，热量能通过对流、传导、辐射等形式，从高温端向低温端自发传递。在没有外功耗情况下，热量永远不可能作反向传递。2-13什么是显热？什么是潜热？答：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。（如将水从20的升高到80所吸收到的热量，就叫显热。）在物体吸收或放出热量过程中，其相态发生了变化（如气体变液体），但温度不发生变化，这种吸收或放出的热量叫“潜热”。“潜热”不能用温度计测量出来，人体也无法感受到，但可通过实验计算出来。 饱和空气在吸收一定冷量（即放出热量）后，一部分水蒸气会相变成液态水， 而此时饱和空气温度并不下降，这部分放出的热量就是“潜热”。2-14什么是空气的焓值？怎样计算？答：空气的焓值是指空气所含有的总热量，通常以干空气的单位质量为基准。焓用符号i表示，单位是kj/kg干空气。湿空气焓值等于1kg干空气的焓值与dkg水蒸气焓值之和。湿空气焓计算公式为：i=1.01t+(2500+1.84t)d或i=(1.01+1.84d)t+2500d (kj/kg干空气)式中：t空气温度 d空气的含湿量g/kg干空气干空气的平均定压比热kj/(kgk)1.84水蒸气的平均定压比热kj/(kgk)25000时水的汽化潜热kj/kg由上式可以看出：(1.01+1.84d)t是随温度变化的热量，即“显热”；而2500d则是0时dkg水的汽化潜热，它仅随含湿量而变化，与温度无关，即是“潜热”。上式经常用来计算冷干机的热负荷。2-15什么是压缩空气？有那些特点？答：空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。压缩空气是一种重要的动力源。与其它能源比，它具有下列明显的特点：清晰透明，输送方便，没有特殊的有害性能，没有起火危险，不怕超负荷，能在许多不利环境下工作，空气在地面上到处都有，取之不尽。2-16压缩空气里含有那些杂质？答：空压机排出的压缩空气里含有很多杂质：水，包括水雾、水蒸气、凝结水；油，包括油污、油蒸气；各种固态物质如：锈泥、金属粉末、橡胶细末、焦油粒及滤材、密封材料的细末等；此外还有多种有害的化学异味物质等。2-17压缩空气干燥方法有哪几种？答：压缩空气可以通过加压、降温、吸附等方法来除去其中的水蒸气，可通过加热、过滤、机械分离等方法除去液态水分。 冷冻式干燥机就是对压缩空气进行降温来排除其中所含水蒸气，获得相对干燥压缩空气的一种设备。2-18什么叫露点？它和什么有关？答：未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫“露点”。温度降至露点时，湿空气中便有凝结水滴析出。 湿空气的露点不仅与温度有关，而且与湿空气中水分含量的多少有关，含水量大的露点高，含水量少的露点低。2-19什么是“压力露点”？答：湿空气被压缩后，水蒸气密度增加，温度上升。压缩空气冷却时，相对湿度便增加，当温度继续下降到相对湿度达100时，便有水滴从压缩空气中析出，这时的温度就是压缩空气的“压力露点”。2-20“压力露点”与“常压露点”有什么关系？答：“压力露点”与常压露点之间的对应关系与“压缩比”有关,一般用图表来表示。在“压力露点”相同情况下，“压缩比”越大，所对应的常压露点越低。例如：0.7MPa的压缩空气压力露点为2时，相当于常压露点为-23。当压力提高到1.0MPa时，同样压力露点为2时，对应的常压露点降到-282-21压缩空气露点用什么仪器来测量？答：压力露点单位虽然是，但它的内涵是压缩空气的含水量。因此测量露点实际上就是测空气的含水量。测量压缩空气露点的仪器很多，有用氮气、乙醚等作冷源的“镜面露点仪”，有用五氧化二磷、氯化锂等作电解质的“电解湿度计”等等。目前工业上普遍使用专用的气体露点计来测量压缩空气的露点，如英国的SHAW露点仪，该仪器的测量范围可达-80。2-22用露点仪测量压缩空气露点时应该注意什么？答：用露点仪测量空气露点，特别是在被测空气含水量极低时，操作要十分仔细和耐心。气体采样设备及连接管路必须是干燥的（至少要比被测气体干燥），管路连接应是完全密封的，气体流速应按规定选取，而且要求有足够长的预处理时间，稍一不慎，就会带来很大误差。实际证明用五氧化二磷作电解质的“微水分测定仪”来测量经冷干机处理的压缩空气的“压力露点”时，误差很大。据厂家解释，这是由于在测试过程中压缩空气会产生“二次电解”，使读数值比实际高。并且冷干机处理后的压缩空气含水量约在1000ppm左右，已超出了该仪器的测量范围。所以在测量经冷干机处理的压缩空气露点时，不应当使用这类仪器。2-23压缩空气的“压力露点”应在干燥机哪个部位测量？答：用露点仪测量压缩空气“压力露点”，取样点应放在干燥机的排气管道内，且样气中不能含有液态水滴。其他采样点测出的露点都有误差。三、冷干机结构原理及结构3-1冷干机原理我们已经了解到，压缩空气中水蒸气的量是由压缩空气的温度决定的：在保持压缩空气压力基本不变的情况下，降低压缩空气的温度可减少压缩空气中的水蒸气含量，而多余的水蒸气会凝结成液体。冷干机就是利用这一原理采用制冷技术干燥压缩空气的。因此冷干机具有制冷系统。冷干机的制冷系统属于压缩式制冷，由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等四个基本部件组成。它们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化并与压缩空气和冷却介质进行热量交换。其工作过程如图3-1所示。图3-1 冷干机制冷系统流程图制冷压缩机将蒸发器内的低压（低温）制冷剂吸入压缩机汽缸内，制冷剂蒸汽经过压缩，压力、温度同时升高；高压高温的制冷剂蒸汽被压至冷凝器，在冷凝器内，温度较高的制冷剂蒸汽与温度比较低的冷却水或空气进行热交换，制冷剂的热量被水或空气带走而冷凝下来，制冷剂蒸汽变成了液体。这部 分液体再被输送至膨胀阀，经过膨胀阀节流成了低温低压的液体并进入蒸发器；在蒸发器内低温、低压的制冷剂液体吸收压缩空气的热量而汽化（俗称“蒸发”），而压缩空气得到冷却后凝结出大量的液体水；蒸发器中的制冷剂蒸汽又被压缩机吸走，这样制冷剂便在系统中经过压缩、冷凝、节流、蒸发这样四个过程，从而完成了一个循环。 在冷干机的制冷系统中，蒸发器是输送冷量的设备,制冷剂在其中吸收压缩空气的热量，实现脱水干燥的目的。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机输入功率转化的热量一起传递给冷却介质（如水或空气）带走。膨胀阀/节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。除了上述部件外，冷干机还包含能量调节阀、高低压保护器、自动排污阀、控制系统等部件。3-2冷干机概述及分类经过空气压缩机压缩、后部冷却器冷却、气水分离器分离、缓冲罐稳压后的压缩空气一般都处于饱和状态，其相对湿度为100%，而且含有油、固体颗粒等杂质，这种压缩空气是不能直接使用的，需要进行干燥净化处理。工业上曾有三种方法用于压缩空气的干燥处理，它们是：1） 利用吸附剂对压缩空气中的水蒸气具有选择性吸附的特性进行脱水干燥。如吸附式压缩空气干燥机。2） 利用某些化学物质的潮解特性进行脱水干燥。如潮解式压缩空气干燥机。3） 利用压缩空气中水蒸气分压由压缩空气温度的高低决定的特性进行降温脱水干燥。如冷冻式压缩空气干燥机。在上述三种压缩空气干燥设备中，潮解式压缩空气干燥机已基本淘汰；而冷冻式压缩空气干燥机（以下简称“冷干机”）和吸附式压缩空气干燥机（以下简称“吸干机”）正在被广泛应用。冷冻干燥机与吸附式干燥机相比具有下列特点：1) 没有压缩空气消耗大部分用户对压缩空气露点要求并不是很高，如使用冷干机可比使用吸干机来得节省能源；2) 无阀件磨损吸干机有切换阀的问题，虽然冷干机中也有阀件，但是基本无磨损问题；3) 不需要定期添加、更换吸附剂；4) 运转噪音低；吸干机有吸附塔卸压的噪声，在空压房里，一般听不到冷干机的运行噪声；5) 日常维护较简单，只要按时清洗自动排水器滤网即可；6) 对气源的前置预处理要求不高，一般的油水分离器即可满足冷干机对进气质量的要求；与吸附干燥机相比，经冷干机处理后的压缩空气“压力露点”只能达到0以上，因此气体的干燥深度远不及吸干机。在一些的应用领域中，用冷干机是达不到工艺对气源干燥度要求的，如气动仪表、电子工厂等。SLAD型冷干机（本公司产品）按冷凝器的冷却方式分有风冷型、水冷型两种；按进气温度高低分有高温进气型（80以下）和常温进气型（45以下）；按工作压力分有低压型（0.3-0.6MPa）、普通型（0.6-0.95MPa）和中、高压型（1.0MPa）三类。SLAD型冷干机的技术参数主要有：处理量（Nm 3 /min)；进气温度（ ）；工作压力(MPa)；压力降(MPa)；压缩机功率或整机功率(Kw)对风冷式冷干机而言包括冷凝器冷却风扇电机功率；冷却水耗量(t/h)或冷却风量m 3 /h；压力露点（ ）。压力露点与压缩空气的进气状态和环境有关，因此我们一般不单独保证冷干机的露点温度，而只标明在额定工况下的压力露点值。3-3冷干机负荷高低取决于哪些因素冷干机负荷的高低取决于被处理压缩空气的含水量，含水量越多，负荷就越高。因此冷干机的工作负荷除了直接与被处理压缩空气的流量（Nm/min）有关外，对冷干机负荷最有影响的参数还有：进气温度，温度越高，空气含水量就越多，冷干机负荷也就越高；工作压力：在温度相同的条件下，饱和空气压力越低，含水量就越多，冷干机负荷也就越高。此外空压机吸气环境下的相对湿度对压缩空气的饱和含水量也有关系，因此也对冷干机工作负荷产生影响：相对湿度越大，饱和压缩气体中所含水分就越多，冷干机负荷越高。3-4预冷器原理和结构绝大多数冷干机具有预冷器，预冷器是一种空气与空气进行热交换的换热器，一般为列管式换热器（也称管壳式换热器）。预冷器在冷干机里的主要作用是“回收”被蒸发器冷却后压缩空气所携带的冷量，并用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的较高温度的压缩空气（即从空压机排出，经过后部冷却器冷却、再经过气水分离的温度一般在40以上的饱和压缩空气），从而减轻了冷干机制冷系统的热负荷，达到节约能的目的。另一方面，低温压缩空气在预冷器里温度得到回升，使输送压缩空气的管道外壁不致因温度低于环境温度而出现的“结露”现象。此外，压缩空气温度升高后，降低了干燥后压缩空气的相对湿度（一般小于20），对防止金属的锈蚀有利。有些用户（如与空分设备配套）需要含水量低而且温度也低的压缩空气，这时冷干机就不再设置预冷器了。由于不设置预冷器，冷空气的冷量得不到回收利用，蒸发器热负荷会增加很多。在这种情况下，不仅需要加大制冷压缩机的功率来进行能量补偿，而且整个制冷系统的其它部件（蒸发器、冷凝器及节流元器件）都需要相应增大。从能量回收角度讲，我们总希望冷干机排气温度越高越好（排气温度高，说明能量回收多），最好进出口没有温差。但实际上是达不到这一点的，在空气进口温度为45以下时，冷干机进、出气温相差15以上的情况并不鲜见。这是因为：1) 能量有损失；2) 湿热压缩空气在降温时，由于内含的部分水蒸气会凝结成液体（称为“相变”，相变时温度没有变化）所吸收到的全部冷量中有一部分要用来支付相变潜热，因而湿热压缩空气温度降幅比干燥空气的降温幅度小；3) 由于空气的传热膜系数较小，导致换热器的传热系数也不大，在这种情况下要实现冷热压缩空气之间彻底热交换，必然要无限制地增大换热面积，这是不可能的。因为所有冷干机都有成本和体积的限制。图3-2 冷干机的预冷器结构示意图3-5蒸发器原理及结构蒸发器是一种换热器,在制冷装置中是产生和输出冷量的设备,其功用是把被冷却介质的热量传递给制冷剂。蒸发器是冷干机主要的换热部件。结构与预冷器不同，一般冷干机的蒸发器是由壳体和蒸发器芯组成，蒸发器芯由一簇套有铝翅片的紫铜管组成。图3-3为蒸发器芯照片，图3-4为蒸发器工作流程示意图。在蒸发器中，从预冷器流出的经过预冷却的压缩空气在壳层沿折流板上下流动，制冷剂在管内流动，压缩空气被强制冷却，其中大部分水蒸气凝结成液态水排出机外，从而使压缩空气得到干燥。 图3-3 图3-4 蒸发器芯管内液体制冷剂吸取压缩空气的热量后蒸发成蒸汽，这一过程是相变过程，在制冷剂液体相变成气体时，蒸发压力保持不变，蒸发温度在大部分时间里也保持不变（在制冷剂完全蒸发成气体后，在蒸发器末端会过热，膨胀阀就是根据过热度调节供液量的，具体可参阅有关制冷书籍），压缩空气在热交换过程中温度会越来越接近制冷剂的蒸发温度。但由于受到冷干机结构和成本的限制，蒸发器换热面积不可能无限增大，压缩空气与制冷剂之间的传热温差总是存在的。因此压缩空气所能达到的温度（表观露点温度），在任何时候也不可能等于或低于蒸发温度（图3-5）。 图3-5 蒸发器中温度变化图压缩空气最终被冷却到的温度值取决于多种因素，例如：制冷量、制冷剂的蒸发温度（蒸发压力）、蒸发器的换热面积、压缩空气的流速、热负荷等。在冷干机实际运行中压缩空气的最终冷却温度值蒸发温度高35是正常的。由于蒸发器的换热介质是热力学性质截然不同的压缩空气与制冷剂，制冷剂的导热系数不空气的导热系数高得多，因此，蒸发器换热效率的高低决定在压缩空气侧。为了尽可能获得较高的传热效率，应加大压缩空气侧的换热面积以抵消其热阻。我们采取的是在铜管外胀接铝翅片的技术（类似与家用空调）。为什么冷干机的合理压缩空气露点温度为0以上？要降低压缩空气温度，势必制冷剂的蒸发温度也降得很低。冷干机在冷却压缩空气时，蒸发器芯的翅片表面有一层膜状冷凝水存在，如果由于蒸发温度的降低使翅片表面温度在零度以下，其表面冷凝水就可能结冰，这时：1) 由于蒸发器内胆翅片表面附着一层导热系数小得多的冰，大大降低了换热效率，压缩空气不能充分冷却，同时由于吸收不到足够的热量，制冷剂蒸发温度有进一步降低的可能，如此循环的结果，必将给制冷系统带来许多不良后果（譬如产生“液压缩”）；2) 由于蒸发器内胆翅片的间距不大，一旦翅片上结冰后会减少压缩空气的流通面积，严重时甚至会使气路堵塞，即“冰堵”；3) 从系统能耗来讲，蒸发温度过低导致压缩机制冷系数大幅下降，能耗增加。总上所述，冷干机的压缩露点温度应在0以上，相反，为了防止蒸发温度过低，冷干机里设置了能量旁路保护（由热气旁通阀实现）。当制冷剂蒸发压力低到一定值时，热气旁路阀自动打开（开度增大），将未经冷凝高温高压制冷剂蒸汽直接注人蒸发器的入口（或压缩机入口），使蒸发压力提升到正常水平。 在制冷系统中，蒸发器的形式有多种，RSL型冷干机采用的是干式蒸发器并采用卧式安装。 在水蒸气冷凝成水滴的过程中，首先会在蒸发器内胆铝翅片表面形成一层水膜，卧式安装蒸发器可使水膜成珠状下滴迅速更新换热表面。如果立式安装水滴就会沿换热管表面成帘状流动，帘状流动使水膜变厚影响传热。 制冷系统的卧式蒸发器可分“干式蒸发器”和“满液式蒸发器”两种。前者制冷剂在管内蒸发，空气在管外流动。满液式蒸发器中，液体制冷剂在管外蒸发，被冷却的压缩空气在管内流动，制冷剂将换热铜管全部浸没。满液式蒸发器在冷干机中用得较少，原因是：1) 不能通过采用外套片等方法来增加放热系数较小侧压缩空气侧的换热面积以增强换热效果；2) 冷冻机油易溶于制冷剂，且不易排除，在满液式蒸发器中既影响传热效果又影响回油，严重时导致压缩机缺油运行；3) 制冷剂充注量大。3-6气水分离器(1) 气水分离器气水分离器是冷干机的关键部件之一。湿热压缩空气被预冷器和蒸发器冷却后，会有大量的凝结液析出，这就需要用高效的手段把压缩空气和凝结液分离，实现真正干燥压缩空气的目的，因此我们把蒸发器内压缩空气温度称为“表观露点温度”，经过气水分离器处理后的压缩空气才具有真正的露点温度。在讨论气水分离器前我们先了解压缩空气中凝结液的存在状态。在预冷器和蒸发器中，凝结液以两种方式析出：1) 直接与低温固体表面（如换热管外表面、散热翅片表面等）接触的水蒸气、油蒸气直接冷凝结露（如同自然界地表结露过程）；2) 不与固体表面直接接触的水蒸气、油蒸气则以气流本身挟带的固态杂质为“凝结核”冷凝析出（如同自然界云雾、雨形成过程）。由于压缩空气携带的固体尘粒在凝结水生成过程中起着“凝结”的作用，所以有人说，冷干机中凝结液的生成是压缩空气的“自净”过程。凝结液滴的初始粒径取决于“凝结核”的大小。在正常情况下进入冷干机的压缩空气所含的固体杂质粒径一般在2m左右，因此凝结液滴的初始粒径也不大。凝结液滴按直径大小可分为10m以下的烟雾状液滴和10m以上的喷雾状液滴两种。液滴随压缩空气流动时，部分液滴之间、液滴与固体表面之间会不断碰撞、集聚，其粒径还会不断增大。在本公司冷干机的蒸发器中，经过特殊处理的铝翅片具有捕捉凝结液滴的能力，使液滴变大、变重后快速流至蒸发器低部，因此在蒸发器内有不少凝结液，因此我公司冷干机的蒸发器也安装了自动排水器。而有的厂家为了节省成本，只在气水分离安装了自动排水器。然而，在冷干机的运行时，仍然有部分微细的凝结液滴与压缩空气一起离开蒸发器。实践证明，虽然这一部分凝结液比留在蒸发器内的凝结液少得多，但足可以影响压缩空气的露点温度。因此，在冷干机中设置气水分离器是必要的。根据不同的气水分离方法，压缩空气中采用的气水分离器类型有：1) 挡板式分离器2) 过滤式分离器3) 旋风分离器4) 涡旋分离器。挡板分离器是惯性分离器的一种。这种分离器由多块挡板组成“百叶窗”式结构。档板材料对液态水滴应有良好的浸润作用，液滴在与挡板碰撞后，大部分会附着在挡板上，并在其表面生成很薄的一层液体后顺着挡板流下来，在挡板边缘集聚成更大颗粒的液滴，液滴在本身重力作用下与空气分离。我公司冷干机的蒸发器就具有挡板分离器的功能。如用过滤器作冷干机的气水分离器，的确可以达到很好的分离效果，因为过滤器对一定粒径水滴的过滤效率可达100。但实际上却很少有冷干机用过滤器来作气水分离用。这是因为过滤造成的压力损失、维护更换滤芯的成本都比较大，不经济。旋风分离器也是一种惯性分离器，较多地用于气固分离，如大气除尘时作为预处理去除空气中的较大颗粒。其原理是压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后，在里面产生旋转，混在气体中的液滴也跟着一起旋转并产生离心力，质量大的液滴所产生的离心力大，在离心力作用下大液滴向外壁移动，碰到外壁（也是挡板）后再集聚长大并与气体分离；而粒径较小的液滴却在气体压力作用下向呈负压状态的中心轴线迁移。厂家往往在旋风分离器内部增设螺旋挡板来增强分离效果（同时也增加了压力降）。这种分离器的缺点是其分离效率在其额定处理量时较高，一但偏离其分离效率就比较差，导致露点上升。我公司的冷干机中安装了“旋风分离气水分离器”（图3-6），采用减速凝聚、导流加速的分离原理，使水分离效果从一般挡板式分离器的60%70%提高到99%以上，真正确保了冷干机露点温度和出气品质。图3-6旋风分离气水分离器3-7自动排水器冷干机工作时会在预冷器及蒸发器容器里积聚大量凝结水，如果不及时、彻底排出这些凝结液，冷于机就成了一只贮水器。这会导致：1) 冷干机的排气中大量夹带液态水，使冷干机的工作失去意义；2) 机内凝结液要吸收部分冷量，使冷干机负荷增加，对节能不利；3) 使压缩空气流通面积变小，空气压力降提高.因此，彻底、及时排除冷干机中的凝结水，是冷干机正常运行的重要保证。冷干机常用的自动排水器有四种：1) 浮球式自动排水器（图3-7）。以日本SMC公司的产品最为著名，常用的有AD402型。2) 倒桶式自动排水器。3) 电磁时间控制排水器（图3-8）。以时间控制电磁阀的开启周期和开启时间，这一类在近几年应用较多。该类排水器排水时有大量的压缩空气排出，而且根据压缩空气中含水多少需要调节排水周期和排水时间。4) 液位控制自动排水器。这一类排水器是最节能的，排水时几乎没有压缩空气排出，但价格较高。这里着重介绍浮球式自动排水器的工作原理（其他自动排水器工作原理参见制造商的说明书）：当排水器贮水杯内的水位未达到一定高度时，压缩空气的压力将浮球压下关闭排水孔，就不会造成气流泄漏；随着贮水杯内水位升高（此时冷干机内并不积水），在浮力的作用下浮球上升，升到一定高度便打开排水孔，杯内凝结水在气压作用下很快排出机外。凝结水排尽后浮球失去浮力，在其重力和气压作用下关闭排水孔。浮球式自动排水器不仅在冷干机中得到应用，而且可在贮气罐、后冷却器及过滤器等多种气源处理设备上等处广泛应用。 图3-7 图3-8在冷干机中自动排水器可以说是最易出故障的一个部件。这是因为冷干机所排出的凝结水并不是清洁水，而是混有固态杂质（灰尘、锈泥等）、油污的稠状液体（自动排水器又叫“自动排污阀”），而几乎所有的自动排水器的排水孔直径都很小，容易被堵塞，因此自动排水器（除电磁式自排水器）进口处装有一只滤网。但使用时间长了，滤网也会被油污杂质堵塞，如果不及时清洗，将使自动排水器失去作用。所以，每隔一定时间清洗排水器里的滤网是很重要的，也是冷干机的日常维护工作的内容之一。因为自动排水器是靠内外压差进行排水的，因此在实际使用时要求有一定压力才能工作，例如常用的AD-402型自动排水器最低工作气压是0.15MPa，压力太低因无法建立密封而出现漏气现象。当然压力不能超过其额定工作压力。在环境温度低于零度时要放尽贮水杯内的凝结水，以防结冰、冻裂。3-8冷凝器在冷干机中冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高压、过热制冷剂蒸汽冷却成为液态制冷剂。冷凝器的换热量包括压缩空气降温放出的热量（制冷量）和制冷压缩机的功率，冷凝器的热负荷要比蒸发器大。通常冷凝器分为风冷式和水冷式两种。因此冷干机也分为风冷式冷干机和水冷式冷干机两种。风冷凝器为翅片式结构，与家用空调的室外机类似；水冷凝器为列管式（管壳式）结构。风冷凝器不需要冷却水，适合于供水困难地区或移动性场合应用。但风（空气）冷却效果比水差得多，其体积比同规格的水冷凝器大，所以一般只适用于中、小型冷干机。风冷凝器不适于在气温高或通风不良、多粉尘的环境下使用。在冷凝器中，高温、高压的制冷剂蒸汽从冷凝器上部进入冷凝器（风冷凝器走管内，水冷凝器走壳体），与冷却介质进行对流热交换，冷媒气体放出热量后凝结成液体从冷凝器下部流出。3-9压缩机(1) 制冷压缩机种类在压缩式制冷系统中，压缩机有：活塞式、螺杆式、旋转（滑片）式和涡旋式等四种，其中活塞式又分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。目前，冷干机采用最多的是全封闭（包括活塞式、旋转式和涡旋式）压缩机和半封闭活塞式压缩机。(2) 制冷压缩机的运行特点制冷压缩机的制冷量与其工况（即蒸发温度、冷凝温度）密切相关。同一台压缩机（R22）在空调工况（t蒸=5，t冷= 40）下比在标准工况（t蒸-15，t冷=）下制冷量可大一倍左右。蒸发温度低，压缩机制冷量就少；冷凝温度高，压缩机制冷量就少。所以试图通过降低冷干机的蒸发温度来降低压缩空气的“压力露点”并不经济的。我们知道气体可以被压缩而液体很难被一般的设备压缩，反而会损坏气体压缩设备。在制冷设备中就有称为“液击”的故障：在冷干机运行时，如果进入蒸发器时的制冷剂液体过多或蒸发压力太低（此时，负荷较低或制冷量过大）而无法完全被压缩空气蒸发，那么未蒸发的制冷剂液体会被吸入压缩机内部。由于制冷剂液体是不可压缩的，在压缩机运转中极易造成阀片被击碎的现象，这就是“液击”。“液击”是制冷压缩机最严重的故障之一，必须防止发生。 为了防止压缩机产生“液击”，在冷干机中一般采取了下列措施：a) 选用防液击的制冷压缩机；b) 设置气化器，保证只允许气态制冷剂进入压缩机；c) 设置热气旁路阀。因为制冷压缩机的吸气温度常低于环境温度，所以制冷压缩机上部表面有时会“结露”，这是正常现象；但是如果吸气温度低于0时，就会“结霜”，这说明制冷量可能过大，需要对冷干机进行工作点调整。 活塞式制冷压缩机的制冷量由其排气量决定的（当然也与蒸发温度和冷凝温度有关），排气量决定于活塞直径、行程及电动机转速。正常工作中压缩机的工况基本不变，因此一般说来全封闭活塞式压缩机制冷量是不可调节的。如果需要改变压缩机制冷量，则应选用具有能量调节机构（卸载机构）的半封闭压缩机或使用变频技术改变压缩机电动机的转速来实现的。四、 吸干机原理及结构4-1吸干机原理概述 利用吸附剂在不同压力和温度下的吸水性能不同这一特性来设计不同系列的吸干机.4-2吸干机分类SLAD型吸干机（本公司产品）按吸附剂的吸附特性分有无热再生吸附式干燥机、微热再生吸附式干燥机两种。 SLAD型吸干机的技术参数主要有：处理量（Nm 3 /min)；进气温度（ ）；工作压力(MPa)；压力降(MPa)；输入功率(w)对微热再生吸附式干燥机而言包括加热器电阻功率；常压露点（ ）。4-3吸干机吸附剂的再生过程前面已经提及，吸附过程是一个动态过程。如果压缩空气与吸附剂有足够长的接触时间，吸附将达到一种动态平衡，这种动态吸附平衡是在一定温度与压力条件下建立的。当温度和压力改变时，系统原有的平衡关系将会被打破并建立一个新的平衡关系。图4-1所示为水在吸附剂上的吸附等温线和等压线示意图，它们共同描述了吸附过程的热力学特性。图4-1 吸附剂性能曲线由图4-1可知，一定温度下，水（吸附质）在吸附剂上的吸附量随气相中水蒸气分压增大而增大；一定水蒸气分压下，水的吸附量随温度升高而减少。这就说明在低温、高压下水分易被吸附；在高温或低压下水分易被解吸。吸干机就是利用吸附剂的这一性质实现“吸附再生吸附”之间的转换从而达到连续干燥压缩空气的目的。从上述描述可知，吸附剂的再生方式有两种：无热再生（heatless regeneration）有热再生（heat regeneration）根据吸附剂再生方式的不同，吸附循环可分为两类：变压吸附（Pressure Swing Adsorption简称PSA）和变温吸附（Temperature Swing Adsorption简称TSA）。变压吸附就是吸附剂在较高水蒸气分压下（未经干燥的湿压缩空气）进行吸附，在较低分压下（经减压后的干燥空气）被解吸（无热再生）。设定的吸附循环的周期比较短（一般在10分钟以内），吸附热来不及散失就转入再生，吸附床层温度变化较小，因此可以近似看作等温过程（或为了基本保证等温过程的实现，吸附循环周期不能过长）。变温吸附就是吸附剂在常温下吸附，在较高的温度下再生（有热再生）。典型的有热再生干燥机是外加热鼓风再生干燥机。在微热再生干燥机中，变温吸附中也伴随着压力（再生用干燥气）的变化，因为干燥再生空气压力低于吸附剂吸附时的空气压力，所以也称之为变温变压吸附。由于吸附剂的比热容较大而导热率较小，加热和冷却所需的热量和冷量均较大而且时间长，因此变温吸附干燥机除了结构比变压吸附干燥机复杂需要有加热装置外，工作周期也比变压吸附的长，如外加热鼓风再生干燥机一般为6-8小时。4-4几种常用吸附剂介绍吸附剂是吸附分离的物质基础。在工业上，不同的分离用途选用的吸附剂也不同，如在空分装置中采用碳分子筛作为吸附剂，在水处理中常用活性炭作为吸附剂。在压缩空气干燥脱水中常用的吸附剂有：硅胶（Silica Gel）活性氧化铝（Activated Aluminium Oxide ）分子筛（Molecular Sieve）几乎所有吸附剂具有以下特点：具有很大的表面积； 化学稳定性较强，一般不与接触的物质发生化学反应；具有良好的机械强度和热强度；容易再生。表3-2 常用吸附剂的性能特 性 活性氧化铝 硅胶 分子筛 活性炭 颗粒大小mm 2 - 9 2 - 8 1 - 6 1 - 6 孔隙率 % 50 - 60 50 - 65 45 - 60 52 - 75 比表面积 m 2 /g 100 - 400 300 - 800 500 - 900 100 -1500 微孔体积 ml/g 0.3 0.5 0.4 1.0 0.5 1.1 0.5 1.6 孔径 15 - 100 21 - 100 4 - 15 10 -250 比热 kcal/kg 0.21 0.25 0.22 0.25 0.19 0.31 0.19 堆比体积 kg/m 3 600 - 900 450 - 800 600 - 900 200 - 500 静态吸附量 kg/kg 0.2 0.3 0.2 0.4 0.3 0.5 0.5 0.9 吸附温度 0 - 30 5 - 40 5 - 50 5 55 再生温度 170 - 320 140 -250 190 - 320 110 -180 点燃温度 不易燃 250 - 400 吸附剂的性能中，比表面积、堆比密度和吸附量是重要的性能指标。1、分子筛分子筛是一类结晶的硅铝酸盐，由于它具有均一的孔径和极高的比表面积，所以具有许多优异的特点：a) 按分子的大小和形状不同的选择吸附作用，即只吸附那些小于分子筛孔径的分子。因为分子筛具有十分单一的表面孔径，比孔径小的分子可以进入孔穴内，并被吸附于孔穴表面；比孔径大的分子则不能进入，从而按分子直径不同而把混合物分离开来，分子筛由此而得名。b) 分子筛对极性分子和不饱和分子具有选择吸附性能，极性越大，不饱和度越高，其选择吸附性越强。c) 具有强烈的吸水性。哪怕在较高的温度、较大的空气流速和含水量较低的情况下，仍有相当高的吸水容量。常用的分子筛是结晶硅铝酸盐的多水化合物，其化学通式为：Mex/n（AlO2）x（SiO2）ymH2O 式中：Me 阳离子，通常为是钠、钾和钙等金属离子x/n 价数为n，可交换的金属阳离子Me的数目m 结晶水的数目分子筛的缺点是机械强度有限，抗水滴性能不强，在压力作用下容易破碎，长期使用堆积比重可增加20，另外再生能耗也比氧化铝高。在具体使用中表现为以分子筛为吸附剂的干燥机下游管线中的粉尘较多，因此必须在干燥机出口处安装粉尘过滤器。分子筛的种类比较多，常用的有3A、4A、5A、13X分子筛等。其中A表示微孔直径。压缩空气干燥机中多用4A、5A，而13X常用在空分设备中。2、活性氧化铝活性氧化铝由氢氧化铝Al(OH)3等加热脱水而成。按其内部主晶相成分为型和X-P型。在压缩空气吸附干燥中使用的的通常是形态的活性氧化铝，其活化温度低于600。活性氧化铝对水有较强的亲合力，在一定操作条件下，它的干燥度可达露点-70以下。而它的再生温度又比分子筛低。活性氧化铝具有很高的表面硬度和抗压强度，在静压力作用下不易破碎，在交变压力作用下不易磨损，很适宜作压缩空气吸附干燥剂。3、硅胶硅胶是一种使用较早且比较理想的吸附剂，尤其常用在外加热鼓风再生干燥机中。硅胶有天然的，也有人工合成的。天然的多孔SiO2通常称为硅藻土，人工合成的称为硅胶，通常用水玻璃制取。气体干燥分离用的硅胶都是人工合成的多孔SiO2，具有杂质少、化学稳定性较高的特点，其耐热耐磨性也很好。硅胶的静态吸附量较高。硅胶的缺点是吸附的水蒸气在凝成水滴或遇到液态水时，颗粒容易破碎，特别在有压力存在情况下更为明显。4-5控制系统吸附式压缩空气的控制方式有两种。我们公司主要有机电控制、PC控制、PLC控制，而PC控制是本公司大多数型号吸干机的标准配置。根据事先确定的时序，控制器输出信号控制切换阀和排放阀的切换，并不会随压缩空气负荷的变化调节时序。在时序控制时，吸干机的工作周期是一定的。例如由PLC控制的WXF无热再生干燥机的吸附/再生的工作周期为10分钟，如图4-2所示。在小负荷工况下，吸附塔内吸附带的宽度相对较小、移动速度也较慢。如按固定工作周期切换，吸附带远未达到吸附塔顶部之前（吸附塔还有吸附能力）已被切换而进入再生状态（此时吸附塔的吸附能力是有富余的），并用干燥空气去“再生”并不潮湿的吸附剂，能源就会浪费。露点控制节能系统是为了让吸干机尽可能地处于满负荷状态，最大限度的节省能源。露点节能控制系统由露点传感仪和PLC组成。露点传感仪安装在干燥机的出口处。我们把所需要的露点温度设定在露点节能控制系统上，系统在线对比露点传感头测到的干燥机出口露点温度和设定值。当实测值低于设定值时，系统不发出吸附/再生切换信号：吸附继续进行，而再生已在规定的时间里结束，即充压后等待切换（如图2-33），此时没有消耗再生空气。当吸干机出口露点温度等于设定值时，系统发出吸附/再生切换信号，进入下一循环。图4-2 WXF型无热再生干燥器露点节能控制时序4-6吸干机物理吸附介绍当流体（包括气体和液体）与固体颗粒，特别是与某些多孔性颗粒接触时，流体中的某些组分便富集于固体颗粒中，这过程叫“吸附过程”。因此，吸附是非均相系统（如气体固体系统）中的两相界面上发生的传质与富集过程。吸附操作的逆过程，称为“解吸”或“脱附”，我们通常称为“再生”。具有一定选择性吸附功能的多孔性固体物质称为“吸附剂”，在吸附剂上富集的物质称为“吸附质”。在压缩空气干燥中，吸附质为水蒸气。根据不同的表面作用，吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两类。前者也称范德华吸附，它是由分子间作用力和静电作用力引起的，后者是由化学键的形成引起的。化学吸附的作用力强于物理吸附作用力，而且选择性也高。压缩空气的吸附干燥以物理吸附为主。当待干燥的压缩空气与吸附剂接触时，空气中的水分子扩散到吸附剂上并因范德华引力而被吸附。与此同时，被吸附的水分子因本身的热运动及外界气态分子碰撞，有一部分离开吸附剂表面返回气相，即发生脱附。当单位时间内水分子的吸