制冷壓縮機對冷干機露點和能耗的影響

喻志強，魏紀君，鮑洋洋，劉福來，辛安見，馬金平

（合肥通用機械研究院，合肥 230031)

0 引言

壓縮空氣干燥器是用來處理壓縮空氣中水份的后處理設備，作為空氣壓縮機的后處理設備被廣泛應用。隨著社會的發展，各種精密儀器的應運而生各個行業對壓縮空氣含濕量的要求越來越高，因此各式各樣的干燥機也應運而生，冷凍式壓縮空氣干燥器（簡稱冷干機）是目前國際上使用最廣泛的干燥機之一。冷凍式壓縮空氣干燥器主要由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、熱交換器、氣水分離器等組成。

除去壓縮空氣中的水分是壓縮空氣凈化處理的首要任務，制冷壓縮機是冷凍式壓縮空氣干燥器系統的核心和心臟。壓縮機的能力和特征決定了冷凍式壓縮空氣干燥器處理空氣的能力和特征。某種意義上，冷凍式壓縮空氣干燥器系統的設計與匹配就是將壓縮機的能力體現出來。因此，世界各國制冷行業無不在制冷壓縮機的研究上投入了大量的精力，新的研究方向和研究成果不斷出現，壓縮機的技術和性能水平日新月異。

文獻[1]已經分析氣水分離器對冷凍式壓縮空氣干燥器露點的影響，本文主要通過在同一套冷凍式壓縮空氣干燥器系統中變換不同品牌的制冷壓縮機后分析其露點和處理容積流量的能力，從而總結出制冷壓縮機對冷凍式壓縮空氣干燥器露點和能耗的影響。

1 國內外研究現狀和發展趨勢

1.1 冷凍式壓縮空氣干燥器工作流程簡述

冷凍式壓縮空氣干燥器工作原理和普通制冷空調系統工作原理十分接近，主要由壓縮空氣系統和制冷系統兩部分組成冷凍式壓縮空氣干燥器是根據冷凍換熱除濕原理，利用全封閉壓縮式制冷系統，對經空壓機排出的壓縮空氣冷卻降溫，使其中所含的大量飽和水蒸氣、油霧凝結液滴，經過汽水分離后由自動排水器排出。

在進口處潮濕空氣，即具有較高溫度的飽和壓縮空氣進入冷凍式壓縮空氣干燥器的熱交換器，在熱交換器中與來自蒸發器的干冷空氣進行熱交換，降低溫度后進入制冷系統的蒸發器，與制冷劑進行第二次熱交換，使本身溫度降到接近于制冷劑蒸發溫度，在兩次降溫過程中，壓縮空氣中的水蒸汽得以凝結成液態水滴并隨氣流進入氣水離器，分離下來的液態水經排水器排出機外，溫度較低的干燥壓縮空氣進入熱交換器，與剛進入的潮濕空氣進行熱交換，使本身溫度得到提高從而在冷凍式壓縮空氣干燥器排氣口得到含水量較低（即露點較低）、相對濕度也很低的干燥壓縮空氣。

如果制冷壓縮機冷卻效果很好，壓縮空氣從冷卻裝置出來后的溫度可以接近0℃，甚至低于0℃的情況。但是低于0℃的情況是我們不想要的，由于飽和壓縮空氣中有水份，如果壓縮空氣低于0℃壓縮空氣中的水份將會凝結成冰粒，隨著冰粒的凝結會阻塞氣流通道，造成管路阻力增大，甚至停機等現象；相反如果制冷壓縮機制冷效果很差，將會導致冷凍式壓縮空氣干燥器的出口壓力露點溫度很高，起不到除水的效果。

因此，針對用戶處理壓縮空氣容積流量的能力合理配置制冷壓縮機非常重要[1]。

圖1 冷凍式壓縮空氣干燥器工作流程圖

1.2 目前國內冷凍式壓縮空氣干燥器常用制冷壓縮機及其特點

冷凍式壓縮空氣干燥器使用的制冷壓縮機目前大多采用中高溫型全密封往復式壓縮機，其特點是：結構緊湊、體積小、重量輕、振動小、噪音低、能效比高。由于全密封壓縮機的電動機與壓縮機主體密封在一鋼制殼體內，電動機處在制冷劑氣態環境中運行，冷卻條件較好，壽命較長。殼體下部存有規定數量的潤滑油，在壓縮機工作時，對各部自動供油，平時不需要添加潤滑油。在大型冷凍式壓縮空氣干燥器中，也選用半密封往復機或螺桿壓縮機，它們的特點是制冷功率大，可進行負荷調節以適應不同需要。

1.3 如何解決冷凍式壓縮空氣干燥器冰堵現象

壓縮空氣在蒸發器中冷卻時，有大量的凝結水析出，如果制冷劑蒸發溫度過低，使蒸發器銅管表面溫度在負荷條件下低于水的冰點，則凝結水就會在蒸發器里結冰，嚴重的阻塞氣流通道，使供氣管道癱瘓。為了防止這種情況出現，必須對制冷劑蒸發溫度加以控制。其簡單有效措施就是在冷凝器與蒸發器之間設一只熱氣旁路閥，熱氣旁路閥的測壓管與蒸發壓力直接連接。當蒸發壓力低于一定程度時，熱氣旁路閥自動開啟，冷凝器中的高溫制冷劑蒸氣直接進入蒸發器，提高蒸發溫度，避免冰堵現象。

2 冷凍式干燥器的變工況試驗

為了檢測不同品牌的制冷壓縮機對冷凍式壓縮空氣干燥器處理容積流量、出口壓力露點的影響，用兩臺除了制冷壓縮機配置外（制冷壓縮機銘牌上注明的電機輸入功率均為1.5 kW，其中一臺為知名品牌，另一臺為普通品牌）其他配置完全相同的風冷式冷凍式壓縮空氣干燥器進行了變工況試驗。為了方便區分，將配知名品牌制冷壓縮機的冷凍式壓縮空氣干燥器命名為冷凍式壓縮空氣干燥器1，另一臺為冷凍式壓縮空氣干燥器2。兩臺冷凍式壓縮空氣干燥器進口容積流量、進氣溫度、進氣壓力和環境溫度見表1。

表1 標準規定工況條件[3-5]

2.1 變進口容積流量試驗

分別將冷凍式壓縮空氣干燥器1 和2 安裝在圖2 所示的檢測系統中。運行一段時間后，將冷凍式壓縮空氣干燥器進氣和環境等條件調節在表1 規定的工況條件下，待系統穩定后測量冷凍式壓縮空氣干燥器1 的出口壓力露點溫度達到2.1℃，實際輸入功率為1.55 kW；而冷凍式壓縮空氣干燥器2 的出口壓力露點則為20.6℃，實際輸入功率為1.52 kW；保持進氣溫度、環境溫度、進氣壓力不變，將冷凍式壓縮空氣干燥器1 和2 的進口容積流量調節到4.5 m3/min 待系統穩定后進行測量，冷凍式壓縮空氣干燥器1和2的出口出口壓力露點分別2.0℃和8.6℃，實際輸入功率分別為1.42 kW 和1.54 kW。

在保持上述條件不變的情況下再將冷凍式壓縮空氣干燥器1 和2 的進口容積流量調節到3.6 m3/min，待系統穩定后進行測量，冷凍式壓縮空氣干燥器的出口出口壓力露點分別2.0℃和2.2℃，實際輸入功率分別為1.33 kW 和1.48 kW。

由此可見冷凍式壓縮空氣干燥器1 的實際處理容積流量的能力約為冷凍式壓縮空氣干燥器2 的2倍左右，消耗的功率基本上相同，可見不同的制冷壓縮機在進口容積流量、進氣溫度、環境溫度和進氣壓力相同的條件下露點的差別是非常大的；在其他工況條件相同，要達到相同的出口壓力露點，其處理的容積流量的差別是非常大的。要出口壓力露點達到2.0℃左右冷凍式壓縮空氣干燥器1 配置的制冷壓縮機的能效比是冷凍式壓縮空氣干燥器2 配置的制冷壓縮機的約2 倍。

當調節容積流量時，冷凍式壓縮空氣干燥器1的露點基本上保持不變，這主要是由于熱氣旁路閥的調節作用，冷凍式壓縮空氣干燥器1 沒有出現冰堵的現象，但是在處理容積流量減少到原來的0.6時，消耗的功率僅減少了14.2%，由此，我們也很清楚的看到并不是制冷壓縮機配置越大越好，制冷壓縮機配置過大容易造成能源浪費，不利于節能環保。由此可見冷凍式壓縮空氣干燥器中制冷壓縮機的選型是非常關鍵的，生產企業應該通過合理的設計和反復的試驗選擇合理的壓縮機配置。

圖2 壓縮空氣干燥器出口壓力露點檢測系統流程圖[2]

2.2 變進氣溫度試驗

保持進氣壓力0.7 MPa、容積流量6.0 m3/min、環境溫度38.0℃不變，分別將冷凍式壓縮空氣干燥器1、2 的進氣溫度在35℃～50℃范圍內變化。進氣溫度為35.0℃、40.0℃、45.0℃和50.0℃時，冷凍式壓縮空氣干燥器1 出口壓力露點分別為1.0℃、3.8℃、7.5℃和10.3℃，冷凍式壓縮空氣干燥器2的出口壓力露點分別為:18.6℃、21.5℃、23.6℃和25.2℃。具體變化趨勢見圖3。

圖3 冷凍式壓縮空氣干燥器露點隨進氣溫度變化趨勢

3 結論

制冷壓縮機在降低壓縮空氣干燥器露點上起到決定性的作用，如果配置的制冷壓縮機制冷效果不好（即從蒸發器排出的壓縮空氣溫度高于10℃），即使氣水分離效果、冷凝器、預冷器效果達到100%，壓縮空氣的出口露點溫度也將高于10℃。

要解決好冷凍式壓縮空氣干燥器高露點的問題必須同時解決好冷凍式壓縮空氣干燥器的所有組件的配置問題。在設計時要合理配置組成冷凍式壓縮空氣干燥器的幾大組件，特別是在制冷壓縮機選型上要特別注意合理配置，制冷量不能配置過大也不能配置過小，配置過大不利于節能環保，配置過小達不到冷卻和除濕效果，而冷凝器、預冷器、蒸發器等配置稍大一點對性能和節能影響并不太明顯。本文只是從試驗數據上對制冷壓縮機的影響做了分析，隨著國家節能減排政策的實施，制冷壓縮機能效水平的提高，節能環保型冷凍式壓縮空氣干燥器將越來越受到用戶的青睞，節能環保型冷凍式壓縮空氣干燥器的研制需要大家的共同努力。

[1]喻志強,劉福來,辛安見,等.氣水分離效果對冷干機露點的影響[J].石油和化工設備,2012(11):8-10.

[2]林子良,孫曉明,鮑洋洋,等.壓縮空氣干燥器壓力露點檢測系統的研制[J].流體機械,2012,40(7):33-37,47.

[3]ISO 7183-2007,Compressed-air dryers — Specifications and testing[S].

[4]JB/T 10526,一般用冷凍式壓縮空氣干燥器[S].

[5]GB/T 10893-1989,壓縮空氣干燥器 規范與試驗[S].