低压冷冻除水设备的开发应用

低压冷冻除水设备的开发应用

高祥荣

杭州山立净化设备股份有限公司浙江杭州311107

摘要：常规压缩空气干燥与净化设备是目前市场主要产品，一般分为冷冻除水和吸附除水两个大类。常规产品已发展了很多年，技术成熟，产品总类较多，满足了各类空气压缩机的配套要求。由于吸附类设备的工作特性，低压力压缩空气处理设备很难应用在吸附类设备上。目前低压设备除水往往由冷冻类产品来实现。常规产品的工作压力基本都为0.6MPa以上，有些特殊行业会用到0.2-0.3MPa甚至更低的冷干机。近几年公司专门研究并开发了高压的冷干机，而对于低压、常压工作压力，甚至轻微负压的气体除水设备一直未有研究，因此开发常压气体冷冻除水设备一方面可以拓展公司的产品线，另一方面也可以作为一种技术储备，以便于有需要时满足客户的需求。

关键词：低压冷冻式；干燥机；开发

1、研究的目的和意义

1.1扩大公司设备的压力使用范围

目前的压缩空气冷冻除水类设备的正常工作压力都为0.6MPa以上，在低工作压力方面，很少有这些研究，只是有极个别的方案进行评审。因此开发0.1MPa以下的冷冻除水设备可以扩大公司产品的压力使用范围。

1.2客户需求

从日常工作的一些评审来看，有时候会碰到一些客户需求，如鼓风机、罗茨风机出气降温，特殊工况客户需低的进气温度等由于缺少相关设计经验，专工在评审及设计时都较被动。

1.3特殊气体行业应用

某些特殊的行业，客户要求采用我们的制冷机组来降温某些常压输送气体。如二氧化碳，煤层气等，通过降温这些气体，降低气体的露点，使低压气体中大量的水分冷凝出来，以利于后续工序。

因此不管作为实际生产应用、技术的储备还是作为新产品结构的开发，研发低压、常压冷冻除水设备都很有必要。不但可以满足现阶段客户对设备需求，丰富公司的技术储备，而且也可以通过不断的开发应用，来扩大公司的产品线。

2、设计方案

2.1负荷设计

低压除水设备，主要是通过给空气降温来完成，其负荷主要由空气降温和冷却水凝结两块组成，计算方法可参考冷干机蒸发器的负荷计算，蒸发器的热负荷为：其中：：空气的质量流量；kg/s，可以通过以下公式计算：=qv/60•ρ。其中：qv：空气的体积流量，m³/min；ρ：空气密度，kg/m³。

：空气进出口的焓差。可以通过以下公式进行计算：其中：1.01：干空气的平均定压比热，kJ/（kg•℃）；1.84：水蒸气的平均定压比热，kJ/（kg•℃）；2501：水的汽化潜热，kJ/kg；：空气进、出口的温度差；：换热器中产生的凝结水量，对应为空气进、出口温度下的饱和含水量的差值，kg。

蒸发器负荷计算完成后，即可根据蒸发温度和冷凝温度选择制冷压缩机，然后选择与之匹配的膨胀阀、冷凝器等制冷系统零部件，此部分可参考冷冻式干燥机的设计进行，此处不再详细说明。

2.2结构设计

2.2.1气体蒸发器壳体的结构形式

对于表压力＜0.1MPa的设备，由于设备的工作压力较低，其蒸发器壳体可以不按照压力容器标准来执行，因此在结构的设计上给了我们很大的发挥空间。考虑到压力低，要求气体的阻力损失不能太大的特点，参考某些空调行业的产品，蒸发器壳体可以设计成方形风道结构，满足大流量常压通风的需要，同时气体平稳顺畅的流过蒸发器表面，无任何折流，压降基本可控制几百pa以内。参考图示如1所示。

方形风道壳体的设计，最重要的设计数据就是先确定方形风道的截面积，截面积的大小影响气体的流速，因此其截面积的大小可以通过所需气体的流速来反推（速度的取值后面有介绍）。方形通道的长度则由我们整机所需要布置的蒸发器面积及蒸发器数量来决定，在确定风道截面积的情况下，当一个蒸发器芯体换热面积无法满足要求时，可以并排布置两个或者多个芯体，以达到降温除水的效果。风道截面积的计算公式如下：其中：：风道的截面积，m²；：标准状态下的压力，即0.10135Mpa；：标准状态下的流量，m³/s；：设备的工作温度，K；：设备的工作绝对压力，MPa；：标准状态温度，即273K；：风道截面积的流速，m/s。

2.2.2蒸发器的结构形式

考虑到传热的性质及需要，大流量气体的冷冻降温一般都采用套片式蒸发器。套片式蒸发器用在空调行业有多年的使用经验，国内的冷干机行业也一直在使用着此种结构的蒸发器。它是用0.15毫米左右的薄铝片，按管组排列形式冲褶边孔，由套片机将铝片套在管组上，而后进行高压胀管形成的。这种蒸发器的管子一般为错排，相邻管距为等边三角形。由于它传热面积大、结构紧凑，被广泛应用在各种制冷装置上。传统的冷干机上使用的蒸发器一般为圆筒行，而我们所开发的设备蒸发器壳体属于方形结构，因此传统的蒸发器不适用与此类结构。不过在实际产品中恰恰有种方形蒸发器结构适用在此种场合。图2所示：

此类型蒸发器制冷剂通过分液头分液，低温制冷剂液体均匀的分布到铜管内，正面来的低压气体通过铝箔片时降温，其中的冷凝出的水分就凝结在铝箔的表面，变成液态的水珠。因此低压气体通过蒸发器的流速不能太快，否则一方面会影响换热效果，另一方面流速太快容易导致气流将凝结的水分带出设备外，如果后端的除水部分效果也不是很好，那样就失去了设备降温除水的意义。通过研究及相关书籍的数据，以及实际使用的经验，气体通过蒸发器截面积的流速要求≤2m/s。由此数据从已知的气体流量、温度、压力，通过前面的计算公式，就可计算出蒸发器的长和宽，从而也知道了蒸发器筒体所需要的长和宽。蒸发器的厚度一般按5排管来排布，大流量低压气体换热一般热交换量较大，单个蒸发器芯体一般都无法满足要求，可以通过多个排布蒸发器的方案来解决。

考虑到结构的特殊原因，水分是依靠重力掉落到设备底面的，气流是平直的通过翅片，为了最大限度的达到除水效果，因此在铝箔的选择上，此类设备可以考虑使用亲水铝箔。亲水铝箔是对铝箔进行亲水处理，通过特殊工艺处理，在其表面覆膜一层亲水层，冷凝水在亲水铝箔上会迅速散开，不会凝结成水珠，因此既可增大热交换面积，加快制冷速度，又能有效避免冷凝水阻碍气体流动。

2.2.3除水排水系统的设计

大流量低压冷冻除水设备是专门为除水而开发，因此冷凝后水分的阻挡分离和排除显得尤为重要。考虑到特殊结构，我们可以在方形通道内设置不锈钢丝网的除水层，可以用我们常规的不锈钢气液分离网来制作。携带大量液态水的低压空气，在通过不锈钢丝网层时，液态水被拦截，并在丝网上凝聚成大的水滴，在重力的作用下沉降在箱体底部，底部可设置大型储水桶，用于将冷凝下来的水及时收集储存并及时排出。如气体压力为正压的，可通过液位浮球开关来控制大口径的电磁阀排水。如气体压力为负压的，可通过液位浮球开关控制小型抽水泵来排水。

2.2.4其他结构设计

蒸发器设计完成后，整个设备的设计也已经完成了大部分，剩下的只需要将选好的制冷部件、蒸发器箱体以及相应的电器控制箱集成到一个撬块上。一般来说低压除水设备流量都比较大，因此多数情况都采用裸机设计，在布置结果时，需尽量做到美观又不影响性能。

3、结论

目前遇到的各种非标的冷冻式干燥机方案越来越多，因此通过对现有的技术和水平进行总结，开发低压冷冻式干燥机对公司来说非常有必要。首先可以满足客户的使用要求，再者可以丰富公司的产品线，提高公司的技术储备，给公司带来更多的效益。

参考文献：

[1]T.Kuppan，钱颂文，廖景娱，邓先和，马小明.换热器设计手册[M].中国石化出版社，2004

[2]郭庆堂.实用制冷工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994

[3]尉迟斌，卢士勋，周祖毅.实用制冷与空调工程手册[M.]机械工业出版社，2011

[4]李申.压缩空气净化原理及设备[M.]浙江大学出版社，2005