無熱再生吸附式壓縮空氣干燥機(jī) (以下簡(jiǎn)稱無熱再生吸干機(jī)),，是實(shí)現(xiàn)壓力露點(diǎn)溫度一40℃ 以下或更低壓力露點(diǎn)溫度的有效手段，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，制造,、安裝、使用和維護(hù)方便,，因此廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),。但是其需要消耗部分產(chǎn)品干空氣，用于吸附劑的吹掃再生,，能耗較高,。因此，無熱再生吸干機(jī)的節(jié)能措施,，一直受到廣大用戶的重視,。目前一種流行的觀念是，在無熱再生吸干機(jī)前,，加裝冷凍式干燥機(jī)后,，能夠起到減少吸干機(jī)水分負(fù)荷、等比例延長(zhǎng)吸干機(jī)工作時(shí)間,，但不增加再生吹掃氣量,，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。本文通過分析計(jì)算,，指出該觀點(diǎn)并不正確,。

2 空壓機(jī)和有熱再生吸干機(jī)基本參數(shù)以某名牌空壓機(jī)產(chǎn)品參數(shù)為例：水冷無油螺桿空壓機(jī)，標(biāo)稱排氣量 32．9Nm ／min(標(biāo)稱排氣量定義在 2OoC,、1atm,、相對(duì)濕度 O％ )，排氣壓力 7 Bar,，其電機(jī)功率是 223．7kW,。該種空壓機(jī) ，如果每年滿負(fù)荷運(yùn)行 8000h,，按平均電價(jià) 0．6 kwh計(jì)算 ,，年消耗電費(fèi)高達(dá) 107萬元。如果用戶生產(chǎn)工藝過程需要一40cC壓力露點(diǎn)溫度的壓縮空氣,，假設(shè)采用某國(guó)際名牌的無熱再生吸干機(jī),，工作壓力 7 Bar、進(jìn)氣溫度 38~(2,、進(jìn)氣相對(duì)濕度 100％,、吸干機(jī)循環(huán)時(shí)間 6min,。根據(jù)制造商的樣本資料，吸干機(jī)需要 14．4％的壓縮空氣用于吹掃再生,，此外每次減壓放氣還會(huì)浪費(fèi)大約 2％的壓縮空氣,，因此總的耗氣量是 16．4％，這相當(dāng)于每年浪費(fèi)電費(fèi) 107X16．4％ =17．5萬元,。因此節(jié)約無熱再生吸干機(jī)的能耗,，意義重大。上述無熱再生吸干機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下(根據(jù)制造商的數(shù)據(jù) )：

無熱再生吸干機(jī)的耗氣量

無熱再生吸干機(jī)的耗氣量由吹掃耗氣量和減壓排氣耗氣量組成,。業(yè)界廣泛采用的計(jì)算吹掃耗氣量的方法是

Q,。／Q。=1／P ×1．15(1)

式中 Q,。——吹掃耗氣量 ,，Nm ／min

Q ——進(jìn)氣量，Nm ／min

P——壓縮比

式(1)的含義是：無熱再生吸附干燥機(jī)采用的是變壓吸附原理,，也就是等溫吸附過程,。一般認(rèn)為吹掃排氣溫度近似等于進(jìn)氣溫度。由于水蒸氣的飽和分壓力只是溫度的函數(shù),，因此,，相同溫度的空氣，其單位體積飽和含水量相同,。這樣,，一定進(jìn)氣體積流量所帶給吸附劑的水分負(fù)荷，需要相同溫度,、相同體積的吹掃氣來帶走,?？紤]到水分解吸的效率,，實(shí)際耗氣量比計(jì)算值增加約 15％。以上述干燥機(jī)為例,，壓縮比 =8,，因此

Q。／Qi=1／8×1．15=14．4％

減壓排氣耗氣量的計(jì)算方法(按某國(guó)際名牌的無熱再生吸干機(jī)的技術(shù)資料)是

D=vf×P／CT(2)

式中 D——每次減壓排氣 的耗氣量,，Nm ／min是吸附塔的自由容積 m ,，是指吸附塔內(nèi)未被吸附劑占據(jù)的體積，包括吸附塔內(nèi)填充吸附劑后剩余的容積,，以及吸附劑顆粒之間的空隙和吸附劑顆粒小球內(nèi)部的孑L隙容積,。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于直徑 3～5mm 的活性氧化鋁,，吸附塔自由容積一般是吸附劑填充體積的75％左右,。上述干燥機(jī)中,，吸附劑的填充容積 0．322m ，自由容積 =0．322×75％ =0．24 m

本例為 3min將上述數(shù)據(jù)代入式(2)算出減壓排氣量是 0．64Nm ／min,，是進(jìn)氣流量的約 2％,。上述計(jì)算中，隱含的前提是：無熱再生吸附和解吸過程是等溫過程,。實(shí)際上,，無熱再生吸附式干燥機(jī)在吸附和解吸的過程中，溫度是變化的,，不是嚴(yán)格的等溫過程,。

4 無熱再生吸附式干燥機(jī)吸附床的溫度變化仍以上述空壓機(jī)、干燥機(jī)系統(tǒng)為例,。當(dāng)進(jìn)氣溫度為 38~C,、進(jìn) 氣相對(duì)濕度為 100％ 、進(jìn)氣壓力為 7 Bar,、進(jìn)氣流量為 32．9Nm ／min時(shí),，根據(jù)理想氣體方程

Pl×Vl／Tl=p2×v2／T2

(3)式中 P ——標(biāo)稱壓力 ，1BarV1—標(biāo)稱流量,，32．9Nm ／ainrT1—標(biāo)稱溫度,，(20+273)K P2—實(shí)際進(jìn)氣壓力，(7+1)BarT2-實(shí)際進(jìn)氣溫度,，(38+273)K

因此,，干燥機(jī)實(shí)際體積流量可算出為 4．365m ／min。在 CT．=3 min干燥周期 內(nèi),，干燥機(jī)內(nèi)壓縮空氣的流過質(zhì)量為

Mi=VlC

(4)式中 當(dāng) i=1時(shí)

M1—干燥機(jī)內(nèi)壓縮空氣的流過質(zhì)量,，kg

P1—標(biāo)稱條件下的空氣密度，1．2kg／Nm根據(jù)式 (4),，計(jì)算出 ,。為 118．4kg。38℃時(shí),，單位體積的飽和水蒸氣含量是 q =0．046 kg／ITI[41,，在一個(gè) CT =3 min的干燥周期 內(nèi)，

吸附劑吸附的水量是Wi=l／2C gi

(5)算出當(dāng) i=1時(shí),，W1=0．6kg水蒸氣在活性氧化鋁上的吸附熱 h,。=2930 kJ／kg(廠家數(shù)據(jù) )，因此,，干燥過程產(chǎn)生的吸附熱是Hi=Wi×hl

(6)算出當(dāng) i=1時(shí) ,，H。=1758 kJ,；這些吸附熱,，將使得吸附劑 (245 kg,，比熱 0．92kJ／kg．℃)和流過的壓縮空氣(118．4 kg，比熱 1．006kJ／kg．oC?),，以及吸附塔(碳鋼重量 150kg,，碳鋼金屬比熱 0．48kJ／kg．℃)產(chǎn)生溫升。計(jì)算可得溫升是42℃,，這個(gè)升溫?cái)?shù)據(jù)與實(shí)際中的工作經(jīng)驗(yàn)相符

無熱再生吸干機(jī)的吹掃氣,，一般來自產(chǎn)品干空氣通過節(jié)流孔板進(jìn)行節(jié)流后，提供給再生塔,。由于干燥壓縮空氣的性質(zhì)相當(dāng)接近理想氣體,，而根據(jù)工程熱力學(xué)知識(shí)，理想氣體絕熱節(jié)流前后溫度不變? ,，因此,，吹掃氣的溫度等于產(chǎn)品干空氣的出氣溫度，是 38+4．2=42．2℃,。

要達(dá)到良好的再生效果,，吹掃氣必須將前一個(gè)周期吸附的水分完全解吸、排出吸附塔,。按前述,，吹掃氣的流量 Q 是進(jìn)氣流量 Qi的 14．4％ ，即

Q =vI×plx14．4％

(7)計(jì)算可得 Q,。=5．68kg／min,。吹掃氣工作時(shí)間是2．5min(干燥機(jī)需要大約 30S完成減壓排氣、升壓,、切換等動(dòng)作),，因此吹掃氣的流過質(zhì)量 M。=14．2kg,。吹掃氣進(jìn)入再生塔前,，大氣露點(diǎn)溫度大約一57~C(壓力露點(diǎn)溫度一40℃ @ 7 Bar)，含水量相當(dāng)?shù)?，視為干空氣,。利用前一個(gè)周期儲(chǔ)存的吸附熱以及吹掃氣體帶入的熱量，帶走前一個(gè)周期吸附的0．6kg水分后,，吹掃排氣中的含水量是Qi=WJM

(8)計(jì)算可得，當(dāng) i：1時(shí),，Ql=0．042 kg／kgDADA,，DriedAir，干空氣 ),。為了解吸這些水分,，需要的解吸熱也是 1758 l【J,。這部分熱量將來自于吸附劑、吹掃氣以及吸附塔的降溫,。計(jì)算得到降溫幅度是 5．6~C,。這樣，吹掃氣的排氣溫度將降低到：42．2—5．6=36．6℃,。在 36．6~C條件下 ,，干空氣的密度 P2，是 1．14 kg—DA／m ,，因此吹掃氣的濕度 ． i=Qi×p2i (9)計(jì)算可得 =0．048 kg／m ,，其對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度是 34．9~C。吹掃氣的排氣溫度高于其露點(diǎn)溫度,，可以保證吸附劑的再生效果,，同時(shí)也與實(shí)際情況相符合。

5 冷干機(jī)后的無熱再生吸千機(jī)吸附床的溫度變化如果在無熱再生吸干機(jī)前加裝了冷干機(jī),，假設(shè)進(jìn)氣溫度降低到 30~C,、進(jìn)氣露點(diǎn) 溫度下降到 10~C(單位體積的飽和水蒸氣含量是 q =0．0086 g／ m )，空氣的流量不變,。則進(jìn)氣含水量降低到原來的 0．0086／0．046=19％,，因此處于節(jié)能考慮，干燥機(jī)的干燥周期可以延長(zhǎng)到原先的 5倍 ,，即 c ：15min,。15 min干燥工作時(shí)間內(nèi)吸附的水量

同樣根據(jù)式(5)，當(dāng)i=2時(shí),，計(jì)算得到 =0．55kg,。干燥過程產(chǎn)生的吸附熱H2根據(jù)式 (6)，得到h2==  1612 kJ,。15min內(nèi)流過干燥機(jī)的空氣質(zhì)量根據(jù)式 (4),，當(dāng) i=2時(shí)，M2=592．2kg,。這些吸附熱,，將使得吸附劑和流過的壓縮空氣以及吸附塔產(chǎn)生溫升，計(jì)算可得溫升是 1．8c【=,。因此,，加裝冷干機(jī)后，吸附過程產(chǎn)生的溫升很小,，吸附熱主要隨著壓縮空氣而流出了系統(tǒng),。干空氣的出口溫度是：30oC+1．8~C=31．8~C。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，希望采用同樣流量 (Q,。=5．68kg／min)的吹掃氣,，仍然吹掃2．5min，吹掃氣的質(zhì)量還是 14．2kg,，吹掃氣的入口溫度仍按與干空氣溫度相同計(jì)算即 31．8~C,。

如果將前一周期 15 min內(nèi)吸附的0．55kg水分帶走 ，則吹掃排氣中的含水量 Q根據(jù)式(8)計(jì)算得到,，Q =0．039kg／kgDA,。為了解吸這些水分，需要的解吸熱也是 1612kJ,。這部分熱量將來自于吸附劑,、吹掃氣以及吸附塔的降溫，計(jì)算得到降溫幅度 5．2℃,，則吹掃氣的溫度將降低到：31．8—5．2=26．6℃,。在 26．6℃條件下，干空氣的密度 p2是 1．177kg—A／m ,。

因此吹掃排氣的濕度根據(jù)式 (9),，當(dāng) i=2 時(shí)， 2=0．046kg／m ,，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度是 34．3~C,。可見,，吹掃氣的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其排氣的露點(diǎn)溫度,，這顯然是不可能的。因?yàn)楫?dāng)吹掃氣的溫度降低到其出氣露點(diǎn)溫度時(shí),，其所含水分就會(huì)凝結(jié)出來,，留在吸附床中；吸附床就會(huì)由于再生不良導(dǎo)致殘余水分含量增大,，出氣露點(diǎn)溫度惡化,。因此，如果在無熱再生吸干機(jī)前加裝了冷干機(jī),，為了達(dá)到相同的出氣露點(diǎn)溫度要求,，就必須增加吸干機(jī)的吹掃氣量，提供吸附劑足夠的解吸熱量,。

6 結(jié)論

在無熱再生吸干機(jī)前加裝冷干機(jī),，為了滿足吸附劑解吸時(shí)需要的熱量要求，就必須增加吹掃氣量,，從而增大了吸干機(jī)的能耗,。所以，在無熱再生吸干機(jī)前加裝冷干機(jī)后能等反比例延長(zhǎng)吸干機(jī)吸附時(shí)間,，但不增加再生吹掃氣量,，從而達(dá)到節(jié)能目的的想法是不正確的。但是,，上述分析不適用于冷干機(jī)與有熱再生吸干機(jī)的組合,。

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