冷干机工作过程中的热工分析

传热过程分析（热工分析）是任何热工设备设计和制作的理论依据。冷干机热工计算的目的是根据压缩空气状态（主要是进气压力和温度），确定其降温过程制冷系统所需要供给的制冷量Q、预冷器和蒸发器的负荷分配、计算冷干机排水量，同时也可借此预测排气干球温度t4。

 

就其实质而论，冷干机是由两个换热器构成的复合式换热器，共有三种不同状态的流体参与了换热：

 

①预冷器里，热流体是温度较高的饱和压缩空气，冷流体是冷却后相对干燥的压缩空气，两者水当量（定压比热与质量的乘积）极为接近；

 

②蒸发器里热流体是温度已预先降低了的饱和压缩空气，冷流体是冷媒蒸汽。

 

蒸发器由独立的制冷系统提供冷源，而预冷器的冷源则来自通过蒸发器冷却了的压缩空气，因而不具备独立性。所以说，在整个热交换过程中预冷器的作用是回收制冷系统产生的部分冷量，客观上减少了整机的能量消耗。

 

为什么说压缩空气在冷干机预冷器里的降温是收到限制的？

 

在冷干机中参与换热过程的已知量有两个：一定压力下的进气温度t1（与之对应的是含水量d1）及目标参数压力露点td，如下图──图中用t3（d3）代替td。

 

冷干机工作过程中的热工分析

 

冷干机热工原理图

 

冷干机预冷器从蒸发器回收的冷量Q’越多或进入蒸发器的空气温度t2越低，表示预冷器里冷气流的热交换越剧烈，冷干机排气温度t4也就越高；在t3不变的前提下蒸发器热负荷就越小，需要由制冷压缩机提供的冷量Q0也就越少，冷干机消耗的能量也就越少。

 

但由于被预冷器回收的冷量Q’只是压缩机总制冷量Q0的一部分，Q0越少，Q’也要随之减少；而且由于受到冰点极限的限制，压缩机不可能提供更多的冷量来分流给预冷器，这就必然使t2上升，如此循环的结果就是使进入预冷器的冷量收到限制，换句话说，即t2的降幅是有限制的。

 

在冷干机热工计算中，进入蒸发器的空气温度t2（d2）是变动值，其高低选择决定了制冷系统中蒸发器的负荷，相应地决定了制冷压缩机的功耗。

 

如何计算冷干机的热负荷？

 

在冷干机中，换热器（蒸发器和预冷器）负荷可通过计算热流体进出口焓差来求得：

 

Δh=1.01Δt+（2501+1.84Δt）Δd （KJ/kg干空气） ①

 

式中Δt──作为热流体的压缩空气进出口温度差，℃

 

Δt=t’-t”

 

t’──压缩空气进入换热器时的温度

 

t”──压缩空气离开换热器时的温度

 

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

 

Δd ──换热器中产生的凝结水量，kg

 

Δd=d’-d”

 

式中，d’、d”分别表示对应温度t’和t”时压缩空气中的饱和含水量，kg。

 

换热器的热负荷为

 

Q=qmΔh （W） ②

 

式中，qm──空气的质量流量，kg/s

 

公式①和②是计算压缩空气降温过程热负荷的基本公式，它由下述三部分组成：

 

1）1kg干空气从t’降到t”放出的热量1.01Δt；

 

2）（d’-d”）kg的水蒸气从t’降到t”放出的热量；

 

3）（d’-d”）kg的水蒸气凝结成液态水放出的凝聚热（在数值上等于汽化潜热）。

 

其中1），2）两项是随温度变化的热量，称为显热，第3）项由凝结水量的多少决定，它不参与系统的换热，因此是潜热。

 

在蒸发器里，冷媒蒸发过程放出的冷量（或吸收的热量），一部分用于压缩空气的降温，另一部分用于支付水蒸气凝结所需的潜热；

 

在预冷器里，低温干燥空气升温过程吸收的热量（或放出的冷量）一部分用于压缩空气进气的降温，另一部分用来支付热气流中部分水蒸气凝结所需的潜热。

 

结合上图，通过单位质量流量（kg/s）压缩空气时，预冷器热负荷可以写成

 

Q’=[1.01Δt1-2+（2501+1.84Δt1-2）*（d1-d2）] （W）

 

式中，Δt1-2=t1-t2

 

通过单位质量流量（kg/s）压缩空气时，蒸发器热负荷可写成如下表达式

 

Q0=[1.01Δt2-3+（2501+1.84Δt2-3）*（d2-d3）] （W）

 

式中，Δt2-3=t2-t3