气水分离效果对冷干机露点的影响

气水分离效果对冷干机露点的影响：

压缩空气干燥器是用来处理压缩空气中水分的后处理设备，已作为空气压缩机的配套设备被广泛应用。随着工业化社会的不断进展，各种精密仪器应运而生，各行业对压缩空气含湿量的要求越来越高，各样干燥机应运而生。冷冻式干燥机（以下简称冷干机）是目前世界上使用最广泛的干燥机之一。冷干机主要由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、热交换器、气水分离器等部件组成。

除去压缩空气中的水分是压缩空气净化处理的首要任务。气水分离器是冷干机的关键部件之一。湿热压缩空气被热交换器和蒸发器冷却后，有大量的凝结液析出，这就需要用高效手段把压缩空气和凝结液分离，实现干燥压缩空气的目的，因此把蒸发器内压缩空气温度称为“表观露点td”（空气在含湿度d不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度）[1]，经过气水分离器处理后的压缩空气才具有真正的露点。如果汽水分离器分离效果较差的话，表观露点和实际露点会相差10℃以上，甚至超过20℃。

本文主要分析气水分离器的不同分离效率对冷冻式压缩空气干燥器露点的影响，纠正以前许多生产企业和用户对冷干机露点的错误认识（即冷干机出口处压缩空气温度越低，压力露点就越低），从而引导冷干机生产企业和用户更加关注冷干机的气水分离问题。

1.1 冷干机工作原理

冷干机工作原理和普通制冷空调工作原理十分相似，主要由压缩空气系统和制冷系统两部分组成（如图1所示）。蓝色区域为压缩空气系统，绿色区域为制冷系统。冷干机根据冷冻换热除湿原理，利用全封闭压缩式制冷系统，对经空压机排出的压缩气体冷却降温，使其中所含的大量饱和水蒸气、油雾凝结液滴，经过汽水分离后由自动排水器排出，较高温度的饱和压缩气体进入冷干机的热交换器，在热交换器中与来自蒸发器的干冷气体进行热交换，降低温度后进入制冷系统的蒸发器，与冷媒汽进行第二次热交换，使本身温度降到接近于冷媒的蒸发温度。在两次降温过程中，压缩气体中的水蒸汽得以凝结成液态水滴并随气流进入气水分离器，分离下来的液态水经排水器排出机外，温度较低的干燥压缩气体进入热交换器，与刚进入的湿饱和气体进行热交换，使本身温度得到提高，从而在冷干机排气口得到含水量较低（即露点较低）、相对湿度也很低的干燥压缩气体，如果气水分离效果可以接近100%时，冷干机的压力露点可达到2℃左右。

(图1 冷干机工作原理图）

1.2 国内外研究现状和发展趋势

根据不同的气水分离法，压缩空气中采用的气水分离器类型主要有：挡板式分离器、过滤式分离器、旋风分离器等。

冷干机中凝结水的生成和气水分离过程，是从压缩空气进入冷干机就开始的。在热交换器和蒸发器中设置了折流挡板后，这种气水分离过程就变得更加强烈。凝结水滴在与挡板碰撞后由于运动变向，惯性重力等综合作用发生集聚、长大，最后在本身重力作用下实现气水分离。尽管在压缩空气流径中设置一定数量的挡板确实能将大部分凝结水滴与气体分离，但那些粒径更细小的水滴，特别是在最后一块折流挡板后生成的凝结水仍有可能进入排气通道。如果不加阻挡，这部分凝结水在热交换器里遇热蒸发为水蒸气，使压缩空气的露点升高，为了使压缩空气露点接近于冷媒的蒸发温度，就必须设计一种分离效果非常好的气水分离器。

目前，国内冷干机上使用较多的是旋风式分离器。旋风式气水分离器是一种惯性分离器，较多地用于气固分离。压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后，在里面产生旋转，混在气体中的水滴也跟着一起旋转并产生离心力，质量大的水滴产生的离心力大，在离心力作用下，大水滴向外壁移动，碰到外壁后再集聚长大并与气体分离；而粒径较小的水滴却在气体压力作用下向呈负压状态的中心轴线迁移。旋风分离器的分离效果并不是很好。而过滤式分离器由于分离时进出口压力降过大，目前很少有企业采用。

国外企业生产的冷干机在功耗和处理气量相同的情况下，压力露点比国内企业生产的冷干机低5℃左右，有的甚至低十几摄氏度。据分析主要是两者在气水分离效果方面存在差距，如解决了气水分离问题，就能解决冷干机露点高的问题。

1.3 当前生产现状

自2007年实施冷干机生产许可证制度以来，截止2011年底，取得生产许可证的企业已达到100多家，但测试的样机露点普遍较高。2010年测试的40台样机，测试时每台样机的蒸发压力都控制在0.42MPa（表压）左右，此时从蒸发器出来的压缩空气出口温度能达到1℃左右；测试数据显示压力露点达到3℃以下的仅有4台，且这4台样机均为外资企业生产；3～10℃的32台，15℃以上的4台，20℃以上的2台。以上数据显示，目前国内企业生产的冷干机压力露点普遍较高。露点在15℃以上的4台样机，在其它配置不变的条件下，仅改变气水分离器的设计之后，压力露点均降到7℃以下，甚至有一台样机由原来的20.8℃降到6.5℃。由以上数据不难看出，解决好汽水分离效率的问题，就能解决好露点高的问题。

2 分离效率对露点的影响

压缩空气含湿量d（每1kg干空气所携带的水蒸气质量）按公式（1）计算：d＝0.622φps/(p－φps)(1)[1]

式中：φ为相对湿度；ps为湿空气温度下水蒸气的饱和压力，p为压缩空气压力。

温度范围为0～200℃湿空气温度下水蒸气的饱和压力按公式（2）计算。

In(ps) ＝C8/T＋C9＋C10×T＋C11×T2＋C12×

T3＋C13×InT(2)[2]

式中：C8=-5.8002206×103，C9=1.3914993，

C10=-4.8640239×10-2，C11=4.1764768×10-5，

C12=-1.4452093×10-8，C13=6.5459673，ps单位为

Pa，T为绝对温度。

按JB/T10526-2006《一般用冷冻式压缩空气干燥器》[3]中B工况，即：压缩空气进口压力露点为38℃，压力为0.7MPa（表压）时，ps值约为6631.5Pa，d值约为5.199g；当压缩空气压力为0.7MPa（表压）时按(1)、(2)式分别计算压力露点为1～10℃时，ps和d如表1所示。

表1中与38℃含水湿量之差说明，要将压缩空地分离压缩空气中的冷凝水量是不可能的。表2列气进口压力露点从38℃降到表1中出口处的1~10℃举了冷凝水按98%、95%和90%比例分离后露点变每1kg压缩空气要除去的水量，但是实际上要100%化情况。

从表2数据可以清楚地看到，冷干机的压力露点温度要达到JB/T10526-2006标准中规定的低于10℃的要求，气水分离器的分离效率必须达到95%以上。表2数据显示，分离效率对露点的影响是非常大的，特别是制冷效果好时，分离效率对实际出口压力露点的影响更大。以压力露点td为1℃为例，当气水分离器为100%和90%时，实际压力露点温度将相差9.4℃。因此要解决冷干机露点高的问题必须首先解决气水分离器的分离效率问题。

3 热交换器的作用

热交换器在冷干机里的主要作用是利用蒸发器冷却后的压缩空气所携带的冷量并用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的较高温度的压缩空气，从而减轻了冷干机制冷系统的热负荷，达到了节约能源的目的。另一方面，低温压缩空气在热交换器里温度得到回升，使排气管道外壁不致因温度过低而出现结露现象。

目前有许多冷干机用户普遍都认为压缩空气出口温度越低冷干机的出口压力露点就越低，因此很多生产企业就在设计时将图1中的热交换器省去，这样压缩空气的出口温度将接近冷干机的出口压力露点温度，但是这样设计将会大大的浪费能源，在同样配置的情况下，冷干机的出口压力露点将会比有热交换器时的温度高十几℃。这样不仅没有降低压缩空气的出口压力露点温度，反而大大的浪费了能源。不仅如此，当压缩空气进入用气设备时，喷出的压缩空气温度低于大气常压露点时，设备上将会凝结露水，容易导致设备锈蚀损坏。因此，设计时省去热交换器的做法是非常不合理的。

4 结语

通过以上分析，可清楚地看出，如果气水分离器的分离效果差（即气水分离器分离效率低于90%），无论配置的制冷压缩机制冷量再大，压缩空气的出口压力露点温度都将超过10℃。本文的主要目的是提示生产企业和用户要特别关注冷干机的气水分离问题，并非说其它部件的配置不重要。同样，如果配置的制冷压缩机制冷效果差（即从蒸发器排出的压缩空气温度高于10℃），那么即使气水分离效果达到100%，压缩空气的出口压力露点也将高于10℃。要解决冷干机露点高的问题必须同时解决冷干机所有组件的配置问题，在设计时应权衡利弊，合理配置冷干机的几大组件，不可偏废。

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