高效节能型冷冻式干燥机设计理论分析

　　全球气候变暖，中美贸易摩擦，化石能源日渐枯竭，世界经济有逆全球化发展趋势……在这动荡不安的世界，各国都在加强自我安全保护，尤其是能源安全。我国自2014年以来，一直强调能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。我国是世界上最大的能源生产国和消费国，如何确保国家能源安全、保障经济社会发展，始终是能源事业发展面临的首要问题。

　　近5年来，虽然经过全国各层级的努力，取得了“全国能源消费总量年平均增速为2.2%，单位GDP能耗共下降20.3%”的好成绩[1]，但与先进发达国家的单位GDP能耗相比，还存在相当大的差距。那么，节能就是我国经济可持续发展的必由之路，也是保障我们这样人口大国能源安全的重要举措之一。

　　二、设计高效节能型冷冻式干燥机的价值

　　据不完全统计，冷冻式干燥机（冷干机）每年产量达数十万台，且目前市场上保有量在几百万台之多。依此数据，我们按每台平均为10kW（对照69m3/min处理量）、保有量150万台推算（冷干机压缩机的功率在0.4～52kW，流量在0.9～269m³/min）：

　　1、冷干机本身每年的能耗为：10kW*1,500,000台*8600小时/年=129,000,000,000kW/h=1290亿度电，若是能节约20%，则年节约258亿度电。所以，唯有通过各种科学管理方式与技术手段，才能降低冷干机的运行功耗。

　　2、冷干机进出气的压差越大，那么要在冷干机出口处要获得同等量压缩空气时，需要空压机的供气量越大，则其消耗的能耗将增加。常规数据是压差1bar即0.1MPa 对应空压机多消耗约7%的能耗。目前市场上冷干机的压差普遍都在0.03MPa，若是能降至0.01MPa，则可降低空压机1.4%的能耗。根据以往的数据推测，空压机年耗电约为8000亿度，则可节级省8000亿*1.4%=112亿度电。压差的产生，一方面由于气流路径上客观存在的各种阻力造成的，另一方面是由冷干机设计不科学的原因造成的。

　　3、排水装置的压缩空气损耗：自动排水器是冷干机中一个易损零部件，使用不当或长久使用后会出现“长放不关”或“长关不放”，两个极端相反的故障。当发生“长排不关”时，压缩空气从此处大量泄出，造成气量的浪费。当发生“长关不放”时，则凝结水积聚在蒸发器中，使成品气露点上升或排气带水，制冷系统负荷也会因蒸发器积水而增大，两者都将对能耗产生巨大的影响。

　　从以上简要的三个方面来看，设计与制造高效节能型冷冻式干燥机具有相当的经济价值与社会意义。

　　节能是基于对比而言的，主要是新型冷干机与传统冷干机进行对比，还有第N代新型冷干机与第N-1代冷干机进行对比，还有不同品牌的冷干机进行对比即。

　　1、对比同样处理量、相同出气品质的情况下压损要小，即压差就小；

　　2、对比同样处理量、相同出气品质的情况下，谁的功耗最小；

　　3、对比同样处理量、相同出气品质的情况下，谁造成的压缩空气损耗最小。

　　1、压缩空气流经过直管段和各种管件时所受到的阻力是不同的，产生的能量损失（主要是压损）也不同。

　　1）摩擦损失：空气在管段上流动时，由于管壁的摩擦作用以及由此引起的气体内部摩擦形成了管道对气体流动的摩擦阻力。为克服摩擦阻力而造成的能量损失，即为摩擦损失。

　　式中：r ——摩擦阻力系数（注：流动状态不同， 则不同）；

　　i——管道长度，m；

　　d——管道内径m，对于非圆形管道取当量直径 d_e；

　　——动压头，

　　2）局部损失：压缩空气经管件、阀门及进出口等局部阻碍物时气体发生变形，如扩张、收缩、拐弯等，主要是因为管壁的急剧变化使压缩空气管内流速重新分布，在分布过程中流体质点间产生更多的摩擦和碰撞，从而消耗一部分能量。另外，流速变化过程中产生漩涡也要消耗主流体的部分能量。为克服局部阻力而产生的能量损失称为局部损失。

　　式中： ——局部阻力系数，其余同上

　　摩擦阻力和局部阻力我们归结为流通阻力，流通阻力越大，空气的压力降也越大。压缩空气的质量流速和净化装置的内部结构是影响流通阻力的主要因素。

　　3）管束阻力：压缩空气在通过诸如热交换器内部管束时产生的能量损失，是由许多局部阻力和摩擦阻力所形的综合压力损失。当压缩空气流过一组与气流前进方向垂直的管束时，其阻力损失大小与管束的排数、排列方式、雷诺数等因素有关。

　　式中： ——气体在管束窄缝内的流速，m/s

　　——整个管道的阻力系数。

　　2、蒸发器（换热器）材质选用，铜管与304L不锈钢的比较

　　制冷剂在流过蒸发器时会产生压力损失，使压缩机的吸气压力降低，制冷量随之下降。为了避免这一情况发生，在设计蒸发器时，要适当选择换热管的内径和制冷剂的流速、流程数，当前市场上换热管有两种材质选择。

　　1）铜管的导热系数是100W/m℃，不锈钢管的导热系数为13W/m℃，如果其他条件相同，铜管的换热效果更好；

　　2）铜管因为强度和磨损原因，壁厚不能低于1.2mm ，不锈钢管的壁厚可以薄到0.5-0.8mm左右。根据导热热阻定律，导热系数不变，壁管厚度越小，导热热阻越小，传热系数越大，所以不锈钢管的可以通过减小壁厚来减小和铜管之间的总体传热系数；

　　3）虽然不锈钢管通过减小壁厚来缩短和铜管之间的总体传热系数，但是也仅仅是缩短，总体来说，还是铜管的热换效果更好；

　　4）随着时间的增长，铜管氧化层会越来越厚，内部污垢也会越来越多，传热效果会越来越差。而不锈钢基本不会氧化，就算氧化也比较缓慢，因此，铜管的热换效果从一开始比不锈钢管的好。随着时间的推移，热换效果会越来越差，使用很长时间的铜管热换效果比不锈钢管的差。

　　总而言之，304L不锈钢管与铜管如果同时投运，运行时间越长，304L不锈钢管的经济性能将会比铜管越来越更好，适合于高端冷干机。

　　3、预冷器设计：实质上，冷干机是由两个换热器构成的复合式换热器，其有三种状态不一样的流体参与了换热。预冷器里，热流体是温度较高的饱和压缩空气，冷流体是冷却后的干燥压缩空气，两者水当量极为接近。在蒸发器里热流体是温度已预先降低的饱和压缩空气，冷流体是低压冷媒。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被蒸发器冷却了的压缩空气，因而不具有独立性，所以，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，客观上可以减少整机的能量消耗。如上图所示热交换过程。

　　但冷、热气流在预冷器中发生的热交换完全受制于运行条件，即热气流终端温度降幅受到限制，冷气流终端温度升幅也受到限制。这一现象依靠增加换热面积是不能改变的，所以，必须正确设计预冷器，才不仅节能，而且成本可控。

　　4、气水分离器设计，通常在蒸发器与预冷器之间安装有气水分离器，用于在压缩空气二次进入预冷器前把空气中混杂的水滴水雾预以清除，它是冷干机中一个不可或缺的重要部件。在冷干机中用得最多的是挡板式分离器，虽然成本低廉，不占空间，但会给压缩空气带来压力损失。设计合理的气水分离器，可以有效减轻压缩机的负荷工作量，起到一定的节能降耗的效果。

　　总结

　　随着我国经济趋向高质量发展方向转型，企业的竞争力进一步趋向于“高质低价”的区间。在人力成本不断增长的前提下，节约能源消耗，降低能耗成本；提升产品的耐用性，降低运维成本以及提升产品的生产效率，降低次品率等是保障企业拥有“高质低价”产品生产能力的有效措施。2019年1月1日起已正式实施《压缩空气站能效分级指南》（CGMA 033001-2018）团体标准，该标准统一和规范了压缩空气站的能效检测、计算和能效等级的评定，将来压缩空气站将像空压机设备一样，标上“几级能效”。那么，设计出高效节能型冷干机必将助力高效能型压缩空气站的建设与运营。