微熱再生干燥器露點控制及優(yōu)化方法探討

孫 敏

（63876 部隊，華陰 714200）

引言

壓縮空氣制冷技術(shù)的廣泛運用，為制造低溫環(huán)境帶來了極大的便利。單因素溫度應力的施加與考核，必須對供氣露點進行嚴格控制，以避免低溫條件下核心設備中、被試品上產(chǎn)生結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象，從而對設備安全穩(wěn)定運行及考核效果產(chǎn)生影響。為此，必須對壓縮空氣的干燥環(huán)節(jié)加以控制，確保供氣露點達到使用要求。論文從微熱干燥器工作原理入手，分析再生過程，明確“吸附”和“脫附”能耗及其關(guān)鍵參數(shù)指標要求，從而為干燥器露點控制提供參考。

1 微熱再生干燥器露點分析

1.1 微熱再生干燥原理

微熱再生干燥器運用高壓低溫吸附和低壓高溫脫附原理，使壓縮氣體通過干燥劑，從而達到干燥壓縮氣體降低露點的目的。它由兩臺雙塔式微熱再生干燥器組成，兩塔分別進行吸附和脫附過程，每個工作周期由吸附、再生、吹冷、均壓四個階段構(gòu)成，切換時間到后完成切換循環(huán)過程。干燥劑由活性氧化鋁和分子篩組成，先用氧化鋁等吸附劑進行預干燥, 再用分子篩進行深度處理，干燥精度可達露點-70 ℃以下。微熱再生干燥器工作流程見圖1[1]。

1.2 干燥器露點影響因素

任何一種吸附劑的吸附量都有一個限度，超過這個限度時吸附劑就應再生。動態(tài)吸附量是影響吸附劑吸附能力的主要因素，取決于吸附劑本身的性質(zhì)、吸附時的溫度、吸附深度、空氣的流速以及吸附干燥空氣的方式。故在干燥器型式及吸附劑確定的基礎上，其出口氣體露點溫度主要取決于進氣質(zhì)量與吸附劑被再生的程度。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.2.1 進氣質(zhì)量

進氣質(zhì)量受進氣含油量、進氣溫度、進氣壓力、進氣濕度等因素的影響。在干燥器進氣口前設置除油過濾器來降低進氣含油量。吸附劑的吸附能力隨進氣溫度的升高而降低，與此同時，溫度每提高5 ℃，飽和含水量增加30 %左右，雙重作用嚴重影響吸附劑吸附效果，系統(tǒng)通過加裝水冷換熱器與氣液分離器，降低進氣溫度的同時，確保了進氣為該溫度下的飽和氣體；壓縮空氣飽和含水量與進氣壓力成反比，即工作壓力越低，干燥器負荷越高，同時工作壓力的下降導致再生氣量減小，從而使干燥器再生效率降低，進而使吸附能力下降，必然致使干燥器出口露點上升，故要求干燥器最低工作壓力不低于0.4 MPa。

吸附劑被再生的程度受干燥劑吸附程度、加熱解吸溫度與加熱解吸時間、干燥劑吹冷溫度與吹冷時間、加熱再生氣量、吹冷再生氣量等因素的影響。

干燥劑吸附程度與吸附劑構(gòu)成、進氣質(zhì)量與流速、吸附持續(xù)時間等相關(guān)[2]。一般情況下，干燥器出口空氣露點隨濕氣流與吸附劑的接觸時間的增長而降低；干燥器型式確定之后，通過調(diào)節(jié)進氣流量可調(diào)整進氣與干燥劑的接觸時間；吸附劑顆粒表層所吸附的水層薄厚與吸附持續(xù)時間有關(guān)，工作時如果實際吸附量超過動吸附量過多，吸附劑就提早進入“轉(zhuǎn)效點”，不僅會使出口氣體露點升高，而且也影響了周期內(nèi)露點的穩(wěn)定性。

圖1 微熱再生干燥器工作流程

再生過程分“加熱解吸”與“吹冷再生”兩個階段。解吸溫度過低會導致干燥劑中殘存水量過多，而過高溫度則會導致干燥劑提前劣化。解吸時的能量消耗一部分來自電加熱器，一部分來自加熱再生氣。若再生氣的流量過小，不但會局部過熱，而且會造成無法均勻傳熱，以致影響加熱解吸效果。待加熱解吸結(jié)束后，需對干燥劑進行吹冷降溫，吹冷再生氣為干燥器出口氣。研究表明，不同溫度的干燥劑有著不同的吸附率，且二者之間成反比。理想狀態(tài)下，干燥劑的最終冷卻溫度為吹冷再生氣的溫度。

綜上所述，干燥器露點影響因素的確定與干燥器工況及其能耗有著直接的關(guān)系，故必須在分析其工作各階段能耗的基礎上，才能對各種關(guān)鍵參數(shù)加以確定優(yōu)化。

2 微熱再生干燥器再生過程能耗分析

在干燥器吸附過程當中，干燥劑會以吸附熱的形式向周圍介質(zhì)釋放能量；而再生過程作為吸附過程的逆過程，需要消耗大量的能量。在干燥劑吸附量一定時，再生能耗便存在一個底線，而優(yōu)化再生能耗不應以犧牲出口氣露點為前提。通過分析可知，干燥器加熱解吸階段既有熱耗又有氣耗，吹冷解吸階段只有氣耗而無熱耗，整個再生過程的能耗遵循著能量守恒定律[3，4]。基于此，對再生過程能耗進行分析。

2.1 加熱解吸能耗

加熱解吸過程的能耗包括氣耗和熱耗，耗氣（再生氣）作為傳遞熱量的載體以實現(xiàn)高溫脫附過程。解吸過程熱量Q的消耗主要由加熱吸附劑所需熱量Q1、加熱干燥塔所需熱量Q2、水的汽化潛熱Q3、過程熱損失Q4等四部分組成，見式（1）。

1）加熱吸附劑所需熱量

1926年，毛姆在法國的費拉角買下了心愛的房子——瑪萊斯科別墅，在此度過了39年時光。1929年的經(jīng)濟大蕭條，毛姆有如神助毫發(fā)無傷，他寫的戲劇繼續(xù)在英美乃至全球范圍上演，當時《大都會》等雜志給他的短篇小說開出一字一美元（相當于今天的二十美元左右）的稿酬，近乎天文數(shù)字。

微熱再生干燥器的“再生溫度”沒有標準可循，較高溫度的再生氣能容納并攜帶出更多的水分，更利于吸附劑脫附。溫度的有限提高能在多大程度上加快解吸速率其實并不重要，但再生尾氣的溫度卻直接關(guān)系到吸附效果和再生氣量的消耗。加熱吸附劑的熱量Q1可由式（2）求得。

式中：MS、MV為分子篩、活性氧化鋁填充量，kg；CS、CV為分子篩、活性氧化鋁的平均比熱，kJ/ kg·℃；為微熱再生干燥器的初始溫度，℃； t2為微熱再生干燥器的平均加熱溫度，℃；其中為干燥罐再生氣進口溫度、再生結(jié)束時干燥罐出口溫度，℃。

2）加熱干燥塔所需熱量

塔體及其構(gòu)件也是消耗熱量的一個重要方面，加熱干燥塔所需熱量Q2可由式（3）求得。

式中：Mt為微熱再生干燥器塔體的質(zhì)量，kg；Ct為金屬構(gòu)件的平均比熱，kJ/ kg·℃。

3）水的脫附熱量

脫附過程首要是將凝聚在吸附劑表面微孔里的液態(tài)水趕出吸附劑，這是液態(tài)凝聚水重新氣化的過程，需要一定量“氣化潛熱”的支持。水的脫附熱量Q3可由式（4）求得。

式中：Gh為吸附周期T內(nèi)干燥劑所吸附的水量，kg，v為進入干燥器的氣體流量，m3/h；φ 為相對濕度，%；d0為進氣中所含的飽和水蒸氣含量，kg/kg；d為干燥后壓縮氣體中的殘存水量，kg/kg；T為干燥器的吸附時間，h；Ch為水的比熱，kJ/ kg·℃；Qhqr為水的汽化潛熱，kJ/ kg；Cq為水蒸氣的比熱，kJ/kg·℃。

4）過程熱損失

塔體、加熱罐、管道等都會以輻射的形式向周圍進行散熱。相關(guān)資料表明，消耗熱量可占到前三種熱總量的20%左右，過程熱損失Q4可由式（5）求得。

2.2 加熱再生氣量

加熱解吸階段耗能的供給主要來自兩個方面：一是電加熱器加熱提供的熱量；二是再生氣提供的熱量。根據(jù)能量守恒定律，可確定加熱再生階段所需氣量。故加熱再生氣量可由式（6）、式（7）求得。

式中：Qjr為加熱解吸過程外界提供熱量，kJ；Qd為電加熱器提供的熱量，kJ；Qzsq為再生氣提供的熱量，kJ；W為電加熱器功率，kw；qmx為加熱再生氣質(zhì)量流量，kg/h； CX為每kg加熱再生氣提供的熱量，kJ/kg.℃；Δt為加熱再生氣的溫度變化，為加熱再生氣初始溫度，℃；T′為干燥器加熱解吸時間，h。

2.3 吹冷再生氣量

經(jīng)過“加熱解吸”后的吸附劑溫度很高，還未達到最終再生，只有使干燥劑冷卻到初溫后才能使其恢復原先的活性。自然冷卻顯然不現(xiàn)實，故采用干燥器出口氣對吸附劑進行吹冷。吹冷再生氣溫度越低，氣耗越少；吹冷再生氣氣量越大，吹冷時間越短。吹冷再生過程主要是對吸附劑和塔體進行降溫，使之達到初始工作要求。故吹冷再生氣量可由式（8）、式（9）求得。

式中：Q′為吹冷階段需帶走的熱量，kJ； t5為吹冷再生氣溫度，℃；qmc為吹冷再生氣的質(zhì)量流量，kg/h；T′為干燥器吹冷解吸時間，h。

3 微熱再生干燥器再生過程參數(shù)優(yōu)化

3.1 干燥器工作參數(shù)分析

以某次運行（夏季且濕度較大的工況下）為例，兩臺干燥器在此種工況下暴露出了露點不穩(wěn)定，手動切換頻繁等問題，其工作參數(shù)見表1。對干燥器吹冷再生結(jié)束時的溫度進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)1#干燥器溫度為99 ℃，2#干燥器溫度為83 ℃。轉(zhuǎn)換為吸附工作時，在經(jīng)過大約25 min之后，才能使干燥劑溫度降到40 ℃左右，降低了干燥劑的吸附效率，說明吹冷時間過短，反之說明加熱時間過長。總之，干燥器工作參數(shù)設置上不合理，在能耗上分配不科學，以致干燥器工作效率下降。為此，必須對其工作能耗進行計算分析，從而優(yōu)化確定工作參數(shù)。

3.2 干燥器再生過程能耗計算及分析

運用式（1）～式（9）對微熱干燥器過程當中的熱耗及氣耗進行了計算，要求干燥器出口露點不高于-70℃。各種比熱參數(shù)見表2、微熱再生干燥器再生過程實際熱能及氣耗計算數(shù)據(jù)見表3。

結(jié)合表3中的計算數(shù)據(jù)，對兩臺干燥器再生過程中的理論能耗與實際提供熱量，理論再生氣量與實際再生氣量進行分析，可得出以下結(jié)論：

1）兩臺干燥器電加熱器在加熱解吸階段提供的能量遠遠多于干燥劑加熱解吸所需熱量。說明或是電加熱器功率過大，或是加熱時間過長，以致造成能量浪費過大。而表3數(shù)據(jù)為進氣濕度較大情況下的數(shù)據(jù)，故在濕度較小的情況下，所需電熱能則遠小于此計算值，這樣就造成更大的不必要的浪費；

2）加熱解吸階段提供再生氣的目的不僅僅是為傳遞熱量充當載體，更是起到提供輔助能量以降低能耗的作用，但是從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，根本就不需要氣熱能，更談不上疊加效應，進一步造成了能量的浪費；

表2 計算用比熱參數(shù)

表3 微熱再生干燥器再生過程計算數(shù)據(jù)

3）吹冷再生階段所需要的冷卻氣量過大，而實際吹冷氣量很難滿足要求，這樣就造成了吹冷再生結(jié)束時干燥劑溫度仍然比較高，不能完全再生，以致影響出口露點。

3.3 再生過程參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合微熱再生干燥器實際工況及表3中能耗計算數(shù)值，對微熱再生干燥器再生過程關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計。

1）由式（9）計算可知，在吹冷再生氣量不能增加的情況下，欲使干燥劑降到吹冷氣溫度，并在確保渦輪安全運行的基礎上，將吹冷再生氣量由原來得7 %調(diào)整為10 %，即400 kg/h，吹冷時間調(diào)整為3.56 h即可。

2）由式（6）計算可知，在加熱再生氣量不能增加的基礎上，兩臺干燥器的電加熱器和加熱再生氣分別工作3.43 h、2.85 h可達到加熱解吸能耗要求。而干燥器實際的吸附量可能比之理論值要少很多，這樣其所需的加熱時間則會更短。基于滿足最低熱量需求的原則，將兩臺干燥器的加熱時間分別設置為3.5 h、2.9 h，相應的吹冷時間為3.5 h、3.1 h。

3）再生過程應以確保干燥劑完全脫附、保證干燥器出口露點為絕對目的。目前電加熱罐中加熱溫度設定為205 ℃，干燥罐加熱再生氣進氣溫度不超過165 ℃，分子篩部位加熱再生溫度不超過135 ℃。而干燥劑脫附溫度要求較高，加之熱量傳遞過程中的衰減，應確保分子篩部位的脫附溫度不低于150 ℃。故要么增加加熱再生氣量，要么適當提高電加熱器加熱溫度，增加再生氣量難度較大，可適當調(diào)整加熱溫度。

表3 微熱再生干燥器再生過程計算數(shù)據(jù)

4）從能耗關(guān)系上來看，水的脫附熱是耗能的主要方面，溫度則是影響能耗的主要指標。再生氣出口溫度是影響加熱脫附過程的關(guān)鍵因素，再生氣出口溫度應不低于70 ℃，而目前并沒有對其進行監(jiān)測，故有必要在再生氣出口管路加裝一套溫度傳感器，以利于實時監(jiān)測出口溫度合理設置加熱時間。

據(jù)此，將2#干燥器的加熱時間設置為2.9 h、吹冷時間設置為3.1 h，加熱再生氣量、吹冷再生氣量均無調(diào)整，出于電加熱器安全運行的目的，將加熱溫度設置為220 ℃。經(jīng)過長時間的試驗驗證：2#干燥器露點溫度不高于-69 ℃，明顯優(yōu)于之前；吹冷結(jié)束時罐中溫度不高于52 ℃，明顯低于原來的83 ℃；分子篩部位加熱再生溫度達到了145 ℃，比之以前更有利于解吸。

4 結(jié)論

在分析影響微熱再生干燥器露點因素的基礎上，重點分析了干燥劑再生過程中的能耗與氣耗，針對干燥器實際運行參數(shù)，分析了存在的問題，提出了解決思路與實施方法，為保證露點的同時降低能耗提供了依據(jù)。

[1]王麗娟,等.空氣制冷中干燥器的降失效原因分析[J].環(huán)境適應性和可靠性, 2009.

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[3]劉暉等.壓縮空氣壓力露點和常壓露點的換算[J].壓縮機技術(shù),2008.

[4]凌建新.WRG 型微加熱再生空氣干燥器[J].FLUID MACHINERY,2004.