【壓縮機網】一、高效除去壓縮空氣中水的意義與價值

 

　　壓縮空氣是工業領域一種重要的動力源，可用于驅動各種氣動機械和風動工具，也可用于其他生產工藝，它具有很多便于應用的良好性能與特點，如：可壓縮性、清晰透明、輸送方便、不凝結、沒有特殊的有害性，沒有起火危險，在地面上到處皆有，取之不盡。但壓縮空氣中一般都含有大量有害物質（如：雜質，包含固體微粒、水、油、化學雜質、氣溶膠等），若不經處理將使壓縮空氣變的毫無價值，甚至對生產過程及產品質量帶來不可估量的損害。其中，水是壓縮空氣所含雜質中危害最大的污染物，會對氣動設備與裝置帶來損害，如：電磁閥線圈生銹、氣缸回轉執行元件壽命下降、減壓閥功能下降、氣動儀表與測量元件運作不良和計量不準、氣動噴霧影響噴涂表面質量等；水在管道內聚結，不僅銹蝕管道內壁，使管壁變薄，力學強度下降，而且使空氣在管道和附件內的流通截面變小，冰凍季節使管道破裂造成氣源系統癱瘓。所以，高效除水在壓縮空氣應用領域具有相當重要的意義與價值。

 

　　二、壓縮空氣中水的來源

 

　　壓縮空氣中所含水分的主要來源是隨同空氣一起被空壓機吸入的水蒸氣。有時也會由于系統中的其它設備如中間冷卻器和后冷卻器的不嚴密而使水分進入輸氣管道，還會由于下雨時，空壓機的吸氣過濾裝置沒有擋雨而將雨水帶進空壓機。壓縮空氣中所含水量與環境空氣含濕量與溫度及相對濕度的關系很大，對大氣，此參數還與氣候條件和季節有關。

 

　　空氣在空壓機中受到壓縮時，溫度會升高，在壓縮過程中單位容積空氣的含濕量將隨壓力升高而成正比的增加。與此同時，由于溫度升高使其相對溫度明顯下降。例如，當系統壓力為0.7MPa，吸進的空氣的相對濕度為80%的情況下，從空壓機輸出的壓縮空氣在溫度未得到冷卻時相對濕度只有6～8%，當空氣在輸出管道內流動時，由于與環境介質的熱交換而變冷，相對濕度便逐漸增加，在達到飽和（即相對濕度達到100%）時即有液態水從壓縮空氣中凝結出來。因此，在未經處理前，實際傳輸過程中的壓縮空氣不僅含有大量液態水，而且因含濕量是飽和的，只有溫度持續下降，總是不斷有液態水凝結出來。

 

　　同時，壓縮空氣保持水蒸氣的能力會隨著溫度下降和壓力提高而降低。當溫度下降和壓力提高時，空氣的相對濕度增加，當達到飽和狀態（即相對濕度達到100%）之后，多余的水蒸氣會因冷凝而出現液態水（凝結水）。

 

　　基于以上所述，壓縮空氣中的水是必須去除的，且除去壓縮空氣中的水有重大的意義與價值，所以，除水就是壓縮空氣應用領域中必須做的工作。

 

　　三、冷凍式干燥機除水的原理

 

　　冷凍式干燥機（簡稱冷干機）是我們應用最廣泛的壓縮空氣除水設備。冷凍式干燥機（簡稱冷干機）采用冷凍除水的原理即利用了壓力保持恒定而溫度下降時濕空氣中含濕量跟著下降的原理，對壓縮空氣進行干燥的。具體原理是利用制冷技術，使進入干燥機含濕量飽和的壓縮空氣溫度驟然降低，迫使其中大部分水蒸氣（及部分油蒸氣）冷凝成液態水（油），并與空氣分離后（水被排出機外）再將壓縮空氣回溫至較高溫度（接近環境溫度）以降低其相對濕度，從而在冷干機排氣口獲得露點和相對濕度都較低的干燥壓縮空氣，后再輸送至下游用氣設備。

 

　　在冷干機里，蒸發器中冷媒的蒸發溫度是低溫中心，該溫度通過間壁傳熱將冷量傳遞給壓縮空氣，使其冷凝結露。由于在蒸發器里，壓縮空氣始終是飽和的，在流通過程中便會不斷析出凝結水，其露點也隨之下降——極限是水的冰點。正是由于受冰點的限制，在冷干機制冷系統的蒸發溫度不能像冰箱那樣設備得太低，也就限制了壓縮空氣露點的進一步下降，因此經冷干機處理的壓縮空氣干燥度（含水量）是有限的。所以，無論壓縮空氣具有多大的壓力，其工作壓力下的露點（簡稱壓力露點）都在零度以上，普遍以2～10℃作為其凈化效率的標志。當然，如果能突破冰點極限將大大提高冷干機的凈化能力，露點可以低于2℃。

 

　　在壓縮空氣傳輸過程中，只要環境溫度不低于壓力露點，而使用環境溫度不低于其所對應的大氣壓露點（-17℃～-23℃），則無論傳輸過程或使用過程就都不會有凝結水從管道或氣動設備中再次析出。通常在冷干機設計了二次回溫裝置，那么傳輸中壓縮空氣的實際溫度遠高于露點（即不飽和的），管內空氣相對濕度遠低于導致金屬內壁生銹的濕度條件（＜14%）。

 

　　但目前投放到市場和所保有的冷干機的露點大部分未達到標志要求即除水效果不好（據不完全統計，冷干機每年產量達數十萬臺，且目前市場上有保有量在百萬臺之多。），又是為什么呢？

 

　　四、影響除水效果的部分因素

 

　　因素1：空壓機與冷干機不匹配。因為，壓縮空氣來源于空壓機，如果空壓機輸送過來的壓縮空氣含水量高于冷干機的處理能力，則必須導致除水效果不佳。比如：壓縮空氣氣量過大于冷干機的額定處理能力、進入冷干機的壓縮空氣溫度過高或壓力過低等。

 

　　因素2：冷干機的蒸發器設計缺陷，不具備良好的換熱性能、蒸發溫度設計不當、蒸發器材料傳熱性不好、蒸發器材料問題就容易引起蒸發器表面結露或結水，導致除水效果不佳。比如：材料導熱性能不好、流量通道過小導致換熱不充分、蒸發溫度過低導致冰堵、蒸發溫度過高導致露點升高、蒸發器排水器設計不當，造成凝結水積聚在蒸發器中等。

 

　　因素3：冷媒質量不好，不具備良好的熱交換性能，導致除水效果不佳。比如：制冷劑的熱力學性質（工作溫度范圍內沒有合適的壓力與壓力比等）、特理性質（粘度、密度過大與導熱系數過小等）、化學性質穩定（熱穩定性不好）。

 

　　因素4：冷干機整機設計缺陷。由于對除水理論的缺失，無法掌握有效的除水技術，導致冷干機整機結構性設計不當，就算空壓機與冷干機匹配最好、蒸發器設計最優、冷媒質量優良，也無法提升整機的除水性能。比如：在預冷器與蒸發器之間是否設計有氣水分離器、是否有回溫裝置設計等。

 

　　五、與除水相關的部分理論公式或數學模型

 

　　1、凈化效率：凈化裝置的凈化效率通常以凈化系數來表示：
 

　　式中：

 

　　q_v——冷干機的容積流量，Nm³/min;

 

　　d₁——進入溫度壓縮空氣容積含水量，g/m³;

 

　　d——壓力露點下壓縮空氣的容積含水量，g/m³;

 

　　

　　六、總結

 

　　要設計一款高效除水型冷干機一定不是“標準型”的，而是基于使用環境而變的“動態型”，是基于實際使用工況的“定制型”，是基于為客戶創造價值（不一樣的客戶，使用環境不同，應用需求不同等）的“定制型”，所以一定要對涉及冷干機的相關理論原理進行深入的學習、研究與靈活的應用，才能設計出高效除水型冷干機。

 

　　注：本文參考《壓縮空氣凈化原理及設備》，李申著、浙江大學出版社出版

 

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