高效節(jié)能型冷凍式干燥機設計理論分析

　　全球氣候變暖，中美貿易摩擦，化石能源日漸枯竭，世界經濟有逆全球化發(fā)展趨勢……在這動蕩不安的世界，各國都在加強自我安全保護，尤其是能源安全。我國自2014年以來，一直強調能源安全是關系國家經濟社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關重要。我國是世界上最大的能源生產國和消費國，如何確保國家能源安全、保障經濟社會發(fā)展，始終是能源事業(yè)發(fā)展面臨的首要問題。

　　近5年來，雖然經過全國各層級的努力，取得了“全國能源消費總量年平均增速為2.2%，單位GDP能耗共下降20.3%”的好成績[1]，但與先進發(fā)達國家的單位GDP能耗相比，還存在相當大的差距。那么，節(jié)能就是我國經濟可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是保障我們這樣人口大國能源安全的重要舉措之一。

　　二、設計高效節(jié)能型冷凍式干燥機的價值

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，冷凍式干燥機（冷干機）每年產量達數(shù)十萬臺，且目前市場上保有量在幾百萬臺之多。依此數(shù)據(jù)，我們按每臺平均為10kW（對照69m3/min處理量）、保有量150萬臺推算（冷干機壓縮機的功率在0.4～52kW，流量在0.9～269m³/min）：

　　1、冷干機本身每年的能耗為：10kW*1,500,000臺*8600小時/年=129,000,000,000kW/h=1290億度電，若是能節(jié)約20%，則年節(jié)約258億度電。所以，唯有通過各種科學管理方式與技術手段，才能降低冷干機的運行功耗。

　　2、冷干機進出氣的壓差越大，那么要在冷干機出口處要獲得同等量壓縮空氣時，需要空壓機的供氣量越大，則其消耗的能耗將增加。常規(guī)數(shù)據(jù)是壓差1bar即0.1MPa 對應空壓機多消耗約7%的能耗。目前市場上冷干機的壓差普遍都在0.03MPa，若是能降至0.01MPa，則可降低空壓機1.4%的能耗。根據(jù)以往的數(shù)據(jù)推測，空壓機年耗電約為8000億度，則可節(jié)級省8000億*1.4%=112億度電。壓差的產生，一方面由于氣流路徑上客觀存在的各種阻力造成的，另一方面是由冷干機設計不科學的原因造成的。

　　3、排水裝置的壓縮空氣損耗：自動排水器是冷干機中一個易損零部件，使用不當或長久使用后會出現(xiàn)“長放不關”或“長關不放”，兩個極端相反的故障。當發(fā)生“長排不關”時，壓縮空氣從此處大量泄出，造成氣量的浪費。當發(fā)生“長關不放”時，則凝結水積聚在蒸發(fā)器中，使成品氣露點上升或排氣帶水，制冷系統(tǒng)負荷也會因蒸發(fā)器積水而增大，兩者都將對能耗產生巨大的影響。

　　從以上簡要的三個方面來看，設計與制造高效節(jié)能型冷凍式干燥機具有相當?shù)慕洕鷥r值與社會意義。

　　節(jié)能是基于對比而言的，主要是新型冷干機與傳統(tǒng)冷干機進行對比，還有第N代新型冷干機與第N-1代冷干機進行對比，還有不同品牌的冷干機進行對比即。

　　1、對比同樣處理量、相同出氣品質的情況下壓損要小，即壓差就小；

　　2、對比同樣處理量、相同出氣品質的情況下，誰的功耗最小；

　　3、對比同樣處理量、相同出氣品質的情況下，誰造成的壓縮空氣損耗最小。

　　1、壓縮空氣流經過直管段和各種管件時所受到的阻力是不同的，產生的能量損失（主要是壓損）也不同。

　　1）摩擦損失：空氣在管段上流動時，由于管壁的摩擦作用以及由此引起的氣體內部摩擦形成了管道對氣體流動的摩擦阻力。為克服摩擦阻力而造成的能量損失，即為摩擦損失。

　　式中：r ——摩擦阻力系數(shù)（注：流動狀態(tài)不同， 則不同）；

　　i——管道長度，m；

　　d——管道內徑m，對于非圓形管道取當量直徑 d_e；

　　——動壓頭，

　　2）局部損失：壓縮空氣經管件、閥門及進出口等局部阻礙物時氣體發(fā)生變形，如擴張、收縮、拐彎等，主要是因為管壁的急劇變化使壓縮空氣管內流速重新分布，在分布過程中流體質點間產生更多的摩擦和碰撞，從而消耗一部分能量。另外，流速變化過程中產生漩渦也要消耗主流體的部分能量。為克服局部阻力而產生的能量損失稱為局部損失。

　　式中： ——局部阻力系數(shù)，其余同上

　　摩擦阻力和局部阻力我們歸結為流通阻力，流通阻力越大，空氣的壓力降也越大。壓縮空氣的質量流速和凈化裝置的內部結構是影響流通阻力的主要因素。

　　3）管束阻力：壓縮空氣在通過諸如熱交換器內部管束時產生的能量損失，是由許多局部阻力和摩擦阻力所形的綜合壓力損失。當壓縮空氣流過一組與氣流前進方向垂直的管束時，其阻力損失大小與管束的排數(shù)、排列方式、雷諾數(shù)等因素有關。

　　式中： ——氣體在管束窄縫內的流速，m/s

　　——整個管道的阻力系數(shù)。

　　2、蒸發(fā)器（換熱器）材質選用，銅管與304L不銹鋼的比較

　　制冷劑在流過蒸發(fā)器時會產生壓力損失，使壓縮機的吸氣壓力降低，制冷量隨之下降。為了避免這一情況發(fā)生，在設計蒸發(fā)器時，要適當選擇換熱管的內徑和制冷劑的流速、流程數(shù)，當前市場上換熱管有兩種材質選擇。

　　1）銅管的導熱系數(shù)是100W/m℃，不銹鋼管的導熱系數(shù)為13W/m℃，如果其他條件相同，銅管的換熱效果更好；

　　2）銅管因為強度和磨損原因，壁厚不能低于1.2mm ，不銹鋼管的壁厚可以薄到0.5-0.8mm左右。根據(jù)導熱熱阻定律，導熱系數(shù)不變，壁管厚度越小，導熱熱阻越小，傳熱系數(shù)越大，所以不銹鋼管的可以通過減小壁厚來減小和銅管之間的總體傳熱系數(shù)；

　　3）雖然不銹鋼管通過減小壁厚來縮短和銅管之間的總體傳熱系數(shù)，但是也僅僅是縮短，總體來說，還是銅管的熱換效果更好；

　　4）隨著時間的增長，銅管氧化層會越來越厚，內部污垢也會越來越多，傳熱效果會越來越差。而不銹鋼基本不會氧化，就算氧化也比較緩慢，因此，銅管的熱換效果從一開始比不銹鋼管的好。隨著時間的推移，熱換效果會越來越差，使用很長時間的銅管熱換效果比不銹鋼管的差。

　　總而言之，304L不銹鋼管與銅管如果同時投運，運行時間越長，304L不銹鋼管的經濟性能將會比銅管越來越更好，適合于高端冷干機。

　　3、預冷器設計：實質上，冷干機是由兩個換熱器構成的復合式換熱器，其有三種狀態(tài)不一樣的流體參與了換熱。預冷器里，熱流體是溫度較高的飽和壓縮空氣，冷流體是冷卻后的干燥壓縮空氣，兩者水當量極為接近。在蒸發(fā)器里熱流體是溫度已預先降低的飽和壓縮空氣，冷流體是低壓冷媒。蒸發(fā)器由獨立的制冷系統(tǒng)提供冷源，而預冷器的冷源則來自被蒸發(fā)器冷卻了的壓縮空氣，因而不具有獨立性，所以，在整個熱交換過程中預冷器的作用是回收制冷系統(tǒng)產生的部分冷量，客觀上可以減少整機的能量消耗。如上圖所示熱交換過程。

　　但冷、熱氣流在預冷器中發(fā)生的熱交換完全受制于運行條件，即熱氣流終端溫度降幅受到限制，冷氣流終端溫度升幅也受到限制。這一現(xiàn)象依靠增加換熱面積是不能改變的，所以，必須正確設計預冷器，才不僅節(jié)能，而且成本可控。

　　4、氣水分離器設計，通常在蒸發(fā)器與預冷器之間安裝有氣水分離器，用于在壓縮空氣二次進入預冷器前把空氣中混雜的水滴水霧預以清除，它是冷干機中一個不可或缺的重要部件。在冷干機中用得最多的是擋板式分離器，雖然成本低廉，不占空間，但會給壓縮空氣帶來壓力損失。設計合理的氣水分離器，可以有效減輕壓縮機的負荷工作量，起到一定的節(jié)能降耗的效果。

　　總結

　　隨著我國經濟趨向高質量發(fā)展方向轉型，企業(yè)的競爭力進一步趨向于“高質低價”的區(qū)間。在人力成本不斷增長的前提下，節(jié)約能源消耗，降低能耗成本；提升產品的耐用性，降低運維成本以及提升產品的生產效率，降低次品率等是保障企業(yè)擁有“高質低價”產品生產能力的有效措施。2019年1月1日起已正式實施《壓縮空氣站能效分級指南》（CGMA 033001-2018）團體標準，該標準統(tǒng)一和規(guī)范了壓縮空氣站的能效檢測、計算和能效等級的評定，將來壓縮空氣站將像空壓機設備一樣，標上“幾級能效”。那么，設計出高效節(jié)能型冷干機必將助力高效能型壓縮空氣站的建設與運營。