科普解析|冷凍干燥機

原理圖示

一、 冷干機的組成:

為了實現壓縮空氣干燥的目的，又體現節能的目標，一臺標準的冷干機應包括以下部件，具體為：

1)冷卻降溫部分：包括預冷器(空氣與空氣的熱交換器)、蒸發器(空氣與制冷劑液體的熱交換器);

2)氣水分離與排放部分：包括氣水分離器、自動排水器;

3)制冷部分：包括制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、氟路電磁閥、壓力開關、壓力控制器(水量調節閥)、貯液罐、過濾干燥器、截止閥等;

4)電氣部分：包括啟停開關、接觸器、繼電器、PC電腦板等;5)儀表部分：包括進出口空氣壓力表、制冷劑高、低壓力表等.

二、 各主要部件的工作原理及作用:

1、 預冷器：

絕大多數冷干機具有預冷器，預冷器是一種空氣與空氣進行熱交換的換熱器，一般為列管式換熱器(也稱管殼式換熱器)。預冷器在冷干機里的主要作用是“回收”被蒸發器冷卻后壓縮空氣所攜帶的冷量，并用這部分冷量來冷卻攜帶大量水蒸氣的較高溫度的壓縮空氣(即從空壓機排出，經過空壓機自帶的后部冷卻器冷卻、再經過氣水分離的溫度一般在40℃以上的飽和壓縮空氣)，從而減輕了冷干機制冷系統的熱負荷，達到節約能源的目的。另一方面，低溫壓縮空氣在預冷器里溫度得到回升，使輸送壓縮空氣的管道外壁不致因溫度低于環境溫度而出現的“結露”現象。此外，壓縮空氣溫度升高后，降低了干燥后壓縮空氣的相對濕度(一般小于20%)，對防止金屬的銹蝕有利。有些用戶(如與空分設備配套)需要含水量低而且溫度也低的壓縮空氣，這時冷干機就不再設置預冷器了。由于不設置預冷器，冷空氣的冷量得不到回收利用，蒸發器熱負荷會增加很多。在這種情況下，不僅需要加大制冷壓縮機的功率來進行能量補償，而且整個制冷系統的其它部件(蒸發器、冷凝器及節流元器件)都需要相應增大。從能量回收角度講，我們總希望冷干機排氣溫度越高越好(排氣溫度高，說明能量回收多)，最好進出口沒有溫差。但實際上是達不到這一點的，在空氣進口溫度為45℃以下時，冷干機進、出氣溫相差15℃以上的情況并不鮮見。

2、蒸發器：

蒸發器是冷干機主要的換熱部件。結構與預冷器不同，一般冷干機的蒸發器是由殼體和內膽組成，內膽由一簇紫銅管組成。在蒸發器中，從預冷器流出的經過預冷卻的壓縮空氣在殼層沿折流板上下流動，制冷劑在管內流動，壓縮空氣被強制冷卻，其中大部分水蒸氣凝結成液態水排出機外，從而使壓縮空氣得到干燥。蒸發器內膽管內液體制冷劑吸取壓縮空氣的熱量后蒸發成蒸汽，這一過程是相變過程，在制冷劑液體相變成氣體時，蒸發壓力保持不變，蒸發溫度在大部分時間里也保持不變(在制冷劑完全蒸發成氣體后，在蒸發器末端會過熱，膨脹閥就是根據過熱度調節供液量的，具體可參閱有關制冷書籍)，壓縮空氣在熱交換過程中溫度會越來越接近制冷劑的蒸發溫度。但由于受到冷干機結構和成本的限制，蒸發器換熱面積不可能無限增大，壓縮空氣與制冷劑之間的傳熱溫差總是存在的。因此壓縮空氣所能達到的溫度(表觀露點溫度)，在任何時候也不可能等于或低于蒸發溫度，壓縮空氣最終被冷卻到的溫度值取決于多種因素，例如：制冷量、制冷劑的蒸發溫度(蒸發壓力)、蒸發器的換熱面積、壓縮空氣的流速、熱負荷等。在冷干機實際運行中壓縮空氣的最終冷卻溫度值蒸發溫度高3-5℃是正常的。由于蒸發器的換熱介質是熱力學性質截然不同的壓縮空氣與制冷劑，制冷劑的導熱系數不空氣的導熱系數高得多，因此，蒸發器換熱效率的高低決定在壓縮空氣側。為了盡可能獲得較高的傳熱效率，應加大壓縮空氣側的換熱面積以抵消其熱阻。

制冷系統的臥式蒸發器可分“干式蒸發器”和“滿液式蒸發器”兩種。前者制冷劑在管內蒸發，空氣在管外流動。滿液式蒸發器中，液體制冷劑在管外蒸發，被冷卻的壓縮空氣在管內流動，制冷劑將換熱銅管全部浸沒。滿液式蒸發器在冷干機中用得較少，原因是：

1)在水蒸氣冷凝成水滴的過程中，首先會在蒸發器內膽鋁翅片表面形成一層水膜，臥式安裝蒸發器可使水膜成珠狀下滴迅速更新換熱表面。如果立式安裝水滴就會沿換熱管表面成簾狀流動，簾狀流動使水膜變厚影響傳熱;

2)冷凍機油易溶于制冷劑，且不易排除，在滿液式蒸發器中既影響傳熱效果又影響回油，嚴重時導致壓縮機缺油運行;

3)制冷劑充注量大。

DM系列冷干機采用的是干式蒸發器并采用臥式安裝。

3、冷凝器：

在冷干機中冷凝器的作用是將制冷壓縮機排出的高壓、過熱制冷劑蒸汽冷卻成為液態制冷劑。

通常冷凝器分為風冷式和水冷式兩種。因此冷干機也分為風冷式冷干機和水冷式冷干機兩種。

風冷凝器為翅片式結構，與家用空調的室外機類似;水冷凝器為列管式(管殼式)結構。風冷凝器不需要冷卻水，適合于供水困難地區或移動性場合應用。但風(空氣)冷卻效果比水差得多，其體積比同規格的水冷凝器大，所以一般只適用于中、小型冷干機。風冷凝器不適于在氣溫高或通風不良、多粉塵的環境下使用。

在冷凝器中，高溫、高壓的制冷劑蒸汽從冷凝器上部進入冷凝器(風冷凝器走管內，水冷凝器走殼體)，與冷卻介質進行對流熱交換，冷煤氣體放出熱量后凝結成液體從冷凝器下部流出。

4、制冷壓縮機：

(1) 制冷壓縮機種類

在壓縮式制冷系統中，壓縮機有：活塞式、螺桿式、旋轉(滑片)式和渦旋式等四種，其中活塞式又分為開啟式、半封閉式和全封閉式三種。目前，冷干機采用最多的是全封閉(包括活塞式、旋轉式和渦旋式)壓縮機和半封閉活塞式壓縮機。

(2) 制冷壓縮機的運行特點

制冷壓縮機的制冷量與其工況(即蒸發溫度、冷凝溫度)密切相關。蒸發溫度低，壓縮機單位制冷量就少;冷凝溫度高，壓縮機單位制冷量就少。所以試圖通過降低冷干機的蒸發溫度來降低壓縮空氣的“壓力露點”并不經濟的。我們知道氣體可以被壓縮而液體很難被一般的設備壓縮，反而會損壞氣體壓縮設備。在制冷設備中就有稱為“液擊”的故障：在冷干機運行時，如果進入蒸發器時的制冷劑液體過多或蒸發壓力太低(此時，負荷較低或制冷量過大)而無法完全被壓縮空氣蒸發，那么未蒸發的制冷劑液體會被吸入壓縮機內部。由于制冷劑液體是不可壓縮的，在壓縮機運轉中極易造成閥片被擊碎的現象，這就是“液擊”。

為了防止壓縮機產生“液擊”，在冷干機中一般采取了下列措施：

a)選用防液擊的制冷壓縮機;

b)設置低壓儲液器，保證只允許氣態制冷劑進入壓縮機;

c)設置熱氣旁路閥。因為制冷壓縮機的吸氣溫度常低于環境溫度，所以制冷壓縮機上部表面有時會“結露”，這是正常現象;但是如果吸氣溫度低于0℃時，就會“結霜”，這說明制冷量可能過大，需要對冷干機進行工作點調整。

5、氣水分離器和自動排水器：

1) 氣水分離器 ：

氣水分離器是冷干機的關鍵部件之一。濕熱壓縮空氣被預冷器和蒸發器冷卻后，會有大量的凝結水析出，這就需要用高效的手段把壓縮空氣和凝結液分離，實現真正干燥壓縮空氣的目的，因此經過氣水分離器處理后的壓縮空氣才具有真正的露點溫度。

壓縮空氣中采用的氣水分離器類型有：

a)擋板式分離器

擋板分離器是慣性分離器的一種。這種分離器由多塊擋板組成“百葉窗”式結構。檔板材料對液態水滴應有良好的浸潤作用，液滴在與擋板碰撞后，大部分會附著在在擋板上，并在其表面生成很薄的一層液體后順著擋板流下來，在擋板邊緣集聚成更大顆粒的液滴，液滴在本身重力作用下與空氣分離。我公司冷干機的蒸發器就具有擋板分離器的功能(折流板)。

b)過濾式分離器

如用過濾器作冷干機的氣水分離器，的確可以達到很好的分離效果，因為過濾器對一定粒徑水滴的過濾效率可達100%。但實際上卻很少有冷干機用過濾器來作氣水分離用。這是因為過濾造成的壓力損失、維護更換濾芯的成本都比較大，不經濟。

c)旋風分離器

旋風分離器也是一種慣性分離器，較多地用于氣固分離，如大氣除塵時作為預處理去除空氣中的較大顆粒。其原理是壓縮空氣沿筒壁切線方向進入分離器后，在里面產生旋轉，混在氣體中的液滴也跟著一起旋轉并產生離心力，質量大的液滴所產生的離心力大，在離心力作用下大液滴向外壁移動，碰到外壁(也是擋板)后再集聚長大并與氣體分離;而粒徑較小的液滴卻在氣體壓力作用下向呈負壓狀態的中心軸線遷移。這種分離器的缺點是其分離效率在其額定處理量時較高，一但偏離其分離效率就比較差，導致露點上升。

2)自動排水器

冷干機工作時會在預冷器及蒸發器容器里積聚大量凝結水，如果不及時、徹底排出這些凝結液，冷于機就成了一只貯水器。這會導致：

①冷干機的排氣中大量夾帶液態水，使冷干機的工作失去意義;

②使壓縮空氣流通面積變小，空氣壓力降提高.

③機內凝結液要吸收部分冷量，使冷干機負荷增加，對節能不利;

因此，徹底、及時排除冷干機中的凝結水，是冷干機正常運行的重要保證。冷干機常用的自動排水器有四種：

①浮球式自動排水器:以日本SMC公司的產品最為著名，常用的有AD402型。

②倒桶式自動排水器

③電磁時間控制排水器:以時間控制電磁閥的開啟周期和開啟時間，這一類在近幾年應用較多。該類排水器排水時有大量的壓縮空氣排出，而且根據壓縮空氣中含水多少需要調節排水周期和排水時間。

④液位控制自動排水器。這一類排水器是最節能的，排水時幾乎沒有壓縮空氣排出，但價格較高。

這里著重介紹浮球式自動排水器的工作原理(其他自動排水器工作原理參見制造商的說明書)當排水器貯水杯內的水位未達到一定高度時，壓縮空氣的壓力將浮球壓下關閉排水孔，就不會造成氣流泄漏;隨著貯水杯內水位升高(此時冷干機內并不積水)，在浮力的作用下浮球上升，升到一定高度便打開排水孔，杯內凝結水在氣壓作用下很快排出機外。凝結水排盡后浮球失去浮力，在其重力和氣壓作用下關閉排水孔。浮球式自動排水器不僅在冷干機中得到應用，而且可在貯氣罐、后冷卻器及過濾器等多種氣源處理設備上等處廣泛應用。在冷干機中自動排水器可以說是最易出故障的一個部件。這是因為冷于機所排出的凝結水井不是清潔水，而是混有固態雜質(灰塵、銹泥等)、油污的稠狀液體(自動排水器又叫“自動排污閥”)，而幾乎所有的自動排水器的排水孔直徑都很小，容易被堵塞，因此自動排水器(除電磁式自排水器)進口處裝有一只濾網。但使用時間長了，濾網也會被油污雜質堵塞，如果不及時清洗，將使自動排水器失去作用。

所以，每隔一定時間清洗排水器里的濾網是很重要的，也是冷干機的日常維護工作的內容之一。因為自動排水器是靠內外壓差進行排水的，因此在實際使用時要求有一定壓力才能工作，例如常用的AD-402型自動排水器最低工作氣壓是0.15MPa，壓力太低因無法建立密封而出現漏氣現象。當然壓力不能超過其額定工作壓力。在環境溫度低于零度時要放盡貯水杯內的凝結水，以防結冰、凍裂。

一、冷凍式干燥機基本介紹

1、冷凍式干燥機定義

冷干機是冷凍式干燥機的簡稱，冷干機是引用新型技術，屬于氣動系統中的氣源處理元件。

2、分類

風冷型冷干機：自身熱量的散發靠空氣循環降溫

水冷型冷干機：自身熱量的散發靠水循環到冷卻塔設備中降溫

3、主要參數

進氣溫度：℃

壓縮機功率：KW

處理量：Nm3/min(標準大氣壓下立方米每分鐘)

工作壓力：Mpa(1psi=6.895kPa=0.0689476bar =0.006895MPa)

壓縮空氣標準處理系統圖

二、冷干機工作原理

由空壓機出來的壓縮空氣，首先在換熱器中與干燥過的低溫壓縮空氣進行熱交換，降低溫度，然后進入蒸發器被進一步降溫至2℃左右，在此露點，壓縮空氣中的大部分水已成液態被排出，將含水量極少的壓縮空氣進入吸附塔內，進一步干燥除水，最后低溫的干燥壓縮空氣進入換熱器，冷卻高溫濕空氣，同時本身溫度也升高，可防止壓縮空氣輸送管路外壁結露，經升溫后的壓縮空氣中取一小部分用作吸附劑的再生，提高再生效率，降低能耗。利用冷媒與壓縮空氣進行熱交換，把壓縮空氣溫度降到2～10℃范圍的露點溫度，使壓縮空氣中含水量趨于超飽和的狀態，從而除去壓縮空氣中的水分(水蒸氣成分)。

開機后冷媒經壓縮機壓縮由原來的低溫低壓狀態變成高溫高壓的蒸氣。高溫高壓的蒸氣流入冷凝器及二次冷凝器，其熱量通過熱交換被冷卻介質帶走，溫度下降，高溫高壓的蒸氣因為冷凝變成了常溫高壓的液體。

常溫高壓的液體冷媒流過膨脹閥，因為膨脹閥的節流作用壓力降低，使得冷媒變成常溫低壓的液體。

常溫低壓的液體進入蒸發器后，因為壓力的降低液態冷媒沸騰蒸發變成低壓低溫的氣體，冷媒蒸發時吸收了大量壓縮空氣的熱量，使得壓縮空氣的溫度下降達到干燥的目的。

蒸發后的低溫低壓冷媒蒸氣，從壓縮機的吸氣口流回，被壓縮壓縮后排出進入下一循環。

1壓縮機、2冷凝器、3節流閥、4蒸發器、5儲液器、6氣水分離器、7自動排水器、8前置冷卻器、9壓力表、10氣槍、11干燥過濾器、12高低壓保護開關、13熱氣旁通閥、14壓縮空氣進口、15干燥空氣出口、16預冷回熱器

工作流程

壓縮空氣進入空氣熱交換器(預熱器)【1】，將高溫的壓縮空氣溫度初步降低，再進入氟利昂/空氣熱交換器(蒸發器)【2】，壓縮空氣在其中被極速冷卻，大幅降低溫度至露點溫度，析出的液態水與壓縮空氣在水分離器中【3】進行分離，被分離出來的水份利用自動排水裝置將水份排出機外。

壓縮空氣與低溫制冷劑在蒸發器【2】中換熱，此時的壓縮空氣溫度是很低的，近似等于露點溫度2~10℃。如果沒有特殊要求(即對壓縮空氣沒有低溫的要求)，通常壓縮空氣將再回到空氣熱交換器(預熱器)【1】中，與剛進入冷干機的高溫壓縮空氣進行換熱。這樣做的目的：

① 有效利用干燥后的壓縮空氣的“廢冷”對剛進入冷干機的高溫壓縮空氣進行預冷卻，以降低冷干機的制冷負荷;

② 防止干燥后的低溫壓縮空氣引起后端管道外部出現結露、滴水、生銹等二次問題。

制冷流程：

制冷劑氟利昂進入壓縮機【4】，經過壓縮后壓力升高(溫度也升高)，到稍大于冷凝器內的壓力時，高壓制冷劑蒸氣排入冷凝器【6】中。在冷凝器內，溫度和壓力較高的制冷劑蒸氣與溫度較低的空氣(風冷)或冷卻水(水冷)進行熱交換，從而將制冷劑氟利昂冷凝為液態。

這時液態制冷劑再經毛細管/膨脹閥【8】降壓(降溫)后進入氟利昂/空氣熱交換器(蒸發器)【2】，在蒸發器內吸收壓縮空氣的熱量而氣化。被冷卻物體-壓縮空氣得到冷卻，而氣化的制冷劑蒸氣又被壓縮機吸走，開始下一個循環。

制冷劑在系統中經過壓縮、冷凝、膨脹(節流)、蒸發四個過程完成了一個循環，通過連續不斷制冷循環，實現了冷凍壓縮空氣的目的。

冷干機的特點簡介

1、工作流程

A濕空氣入口 1冷媒壓縮機

B空氣散熱器 2冷凝散熱器

C高效蒸發器 3高壓儲液器

D氣水分離器 4干燥過濾器

E自動排水器 5膨脹閥

F干空氣出口 6熱氣旁通閥

G二次回溫器 7壓力開關

H手動排污閥 8&9散熱風機組

3、冷干機除水流程

壓縮空氣先進入前置后部冷卻器(B)，把高溫的壓縮空氣溫度降低后，再進入高效率錯流的交換器(C)，此時壓縮空氣在熱交換器內極速冷凍，精制到2～8℃，然后進一步進入高效率的三級氣水分離器(D)，低溫的空氣在三級氣水分離器內一級極速旋轉分離，再進入二級超級重心分離段，然后再進入精細隔板分離段進行精細分離水份后，被分離出來的水份利用全自動排水裝置(E)將水份排出系統外，最后得到干燥的壓縮空氣。這得益于其先進的技術。

壓縮空氣經過冷凍、分離后，干燥的壓縮空氣再進入回溫器(G)，利用空氣的冷量提升散熱效果，更可以讓干燥后的出口空氣溫度進一步回升到15～40℃，以防止出口空氣管道出現結露、滴水、生銹等二次問題。

4、制冷系統

制冷原理圖

系統工作時，壓縮機將蒸發器所產生的低壓低溫制冷劑蒸氣吸入氣缸內，經過壓縮后壓力升高(溫度也升高)到稍大于冷凝器內的壓力時，將高壓制冷劑蒸氣排到冷凝器中。所以壓縮機起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣的作用。在冷凝器內，溫度和壓力較高的制冷劑蒸氣與溫度較低的環境空氣(或水)進行熱交換而冷凝為液態。這時液態制冷劑再經膨脹閥降壓(降溫)后進入蒸發器，在蒸發器內吸收壓縮空氣的熱量而汽化。這樣，被冷卻物體便得到冷卻，而制冷劑蒸氣又被壓縮機吸走，開始下一個循環，這樣，制冷劑在系統中經過壓縮、冷凝、膨脹(節流)、蒸發四個過程完成了一個循環，通過連續不斷制冷循環，實現了制冷的目的。

5、排水系統

空氣先經過預冷器降溫，再經過蒸發器大幅度降溫出來大量的水，通過擋水板或汽水分離器把冷凝水流到存污水容器，再經過排水器排出。

換熱原理及冷干機主要部件原理

換熱原理

1)顯熱：大部分傳熱是依靠溫差來傳導熱量的傳熱方式。

2)潛熱：在恒溫的狀態下物質發生相變所傳導的熱量。

在制冷系統中大部分導熱是以潛熱的導熱方式進行熱交換，也有小部分是以顯熱方式進行熱交換。

制冷系統的主要部件

1、壓縮機

a、作用：將低溫低壓的氣態冷媒壓縮成高溫高壓的過熱冷媒蒸氣;

b、主要分類：活塞式、渦旋式、轉子式、螺桿式、離心式;

c、使用場合：(僅供參考)

冷干機功率為：3匹以下        轉子式

冷干機功率為：3～30匹       (全)活塞式

冷干機功率為：25～65匹      (半)活塞式

冷干機功率為：65匹以上      螺桿式

2、冷凝器

a、作用：經過冷卻凝結，使高溫高壓的過熱冷媒蒸汽變成中溫高壓的液態冷媒;

b、冷凝器分為風冷式、水冷式。根據用戶實際情況決定;

3、膨脹閥

a、作用：使高壓中溫的液態冷媒變成低壓低溫的液態冷媒;

b、膨脹閥分為內平衡式、外平衡式。

4、蒸發器

a、作用：冷媒與空氣進行熱交換，低溫低壓液態冷媒吸收空氣中的熱量，變成低壓低溫的氣態冷媒回到壓縮機;

b、蒸發器分：殼管式、板翅式。

冷干機的安裝要求

換熱原理

1)顯熱：大部分傳熱是依靠溫差來傳導熱量的傳熱方式。

2)潛熱：在恒溫的狀態下物質發生相變所傳導的熱量。

在制冷系統中大部分導熱是以潛熱的導熱方式進行熱交換，也有小部分是以顯熱方式進行熱交換。

冷干機的安裝要求

1、冷凍式干燥機應安裝在環境溫度為2～38℃，四周通風良好，空氣潔凈的室內;特別是避免空氣中含有腐蝕類成分(如氨氣)。當室內通風部良時，需在機房內安裝排風設備。

2、冷干機與空壓機之間至少有4～5米的距離，以防止空壓機產生的震動影響冷干機正常運行。

3、風冷型冷干機的金風口與墻體距離1.5米以上，兩臺干燥機得進風口不能面對面。冷干機四周應留有一定的空間，以方便維修和日常維護。

4、水冷式干燥機若冷卻水質較差時，應在冷卻水入口處加裝水過濾器，冷卻水溫度在10～32℃較佳，水壓應保持在0.15～0.35 bar之間。

5、干燥機運轉時，本身的震動極小，僅在地基松軟處才需做水泥基礎，地基需選擇平坦的地方。應避免由空氣管路傳來的空壓機震動影響，如太嚴重時需要接上高壓軟管，以消除震動。

6、自動排水口出口應接至排水溝，以免污染生產環境，排水溝的高度不能高于排水口。

7、  冷干機接在氣源系統中，最好在空氣入口和出口之間做旁路管道，中間設旁路球閥以便調試、維修時用。