冷凍式干燥機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)探討

張小偉

（杭州山立凈化設(shè)備股份有限公司，浙江杭州 311107）

0 引言

冷凍式干燥機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到凈化設(shè)備市場中，為進(jìn)一步提高其能量利用率，減少能源的浪費(fèi)，就需要在原有基礎(chǔ)上來進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，將設(shè)備自身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值發(fā)揮到最大。對冷凍式干燥機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，使其工作效率更高、運(yùn)行能耗最低，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

1 冷凍式干燥機(jī)作業(yè)原理

冷凍式干燥機(jī)利用物理原理，實(shí)現(xiàn)空氣內(nèi)水分被降溫到露點(diǎn)溫度以下，進(jìn)而將其從空氣中析出，多被用于氣動系統(tǒng)，為一種重要的壓縮空氣后處理設(shè)備。冷凍干燥技術(shù)的本質(zhì)就是使得物料于低溫低壓環(huán)境下脫水干燥，是現(xiàn)在最為先進(jìn)的干燥技術(shù)之一，既不會對物料原有氣味、形狀、生物以及化學(xué)特性產(chǎn)生影響，同時(shí)也不會影響到物料內(nèi)熱敏物質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到化工、食品、藥品、紡織、橡膠以及通信等多種行業(yè)。對冷凍式干燥機(jī)運(yùn)行原理進(jìn)行分析，即利用制冷設(shè)備來強(qiáng)制冷卻壓縮空氣，使其降到露點(diǎn)以下，確?？諝鈨?nèi)的水分能夠凝結(jié)成水滴析出，達(dá)到干燥空氣除水的目的。

基于空氣含濕特性分析，空氣飽和含濕量D 會隨著空氣溫度T 的降低而降低（圖1）。如果含濕量未飽和狀態(tài)下的空氣溫度從t下降到t1，則空氣含濕量就會由未飽和變?yōu)轱柡停瑫r(shí)空氣飽和含濕量降低到d2。繼續(xù)對空氣進(jìn)行冷卻處理，則空氣飽和含濕量便會沿著含濕量曲線一直降低到d3，同時(shí)空氣溫度由t1降低到t2露點(diǎn)溫度以下，最后d3＜d2空氣內(nèi)含有的水分便會凝結(jié)成水滴狀析出[1]。

基于上述的空氣含濕特性進(jìn)行分析，可知冷凍式干燥機(jī)運(yùn)行原理，即采用冷卻的方法，促使含濕壓縮空氣溫度下降到露點(diǎn)溫度以下，最終空氣內(nèi)的水分會以小水滴的形式析出，實(shí)現(xiàn)空氣的干燥。在此過程中，還能夠有效清除空氣含有的油霧和固體顆粒，使得干燥后的空氣更為潔凈。

圖1 空氣含濕特性

2 冷凍式干燥機(jī)技術(shù)不足

2.1 技術(shù)研究不足

雖然冷凍式干燥機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是從技術(shù)角度來分析，目前多是將研究方向放在設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)與熱力計(jì)算兩個(gè)方面，對于內(nèi)部壓縮空氣的換熱特性以及流動特性研究較少，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備作業(yè)效率較低，且需要大量能源作為支持[2]。目前主要的針對管殼式換熱器內(nèi)部換熱性能的研究，要點(diǎn)是換熱管道而非安裝散熱翅片，與冷凍式干燥機(jī)相比，兩者的換熱特性以及流動特性均存在明顯差異。

2.2 技術(shù)研究方向

為進(jìn)一步提高冷凍式干燥機(jī)運(yùn)行綜合效率，還需要基于其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化，本次主要分析以FLUENT 軟件為基礎(chǔ)，通過模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，完成冷凍式干燥機(jī)的換熱與流動特性。其中，利用冷凍式干燥機(jī)來壓縮空氣，轉(zhuǎn)熱主要產(chǎn)生在蒸發(fā)器與預(yù)冷器中，因此可將其作為核心對象進(jìn)行分析。例如分析確定入口條件差異對蒸發(fā)器換熱性能的干擾，以及預(yù)冷器折流板結(jié)構(gòu)對換熱和流動死區(qū)影響等。

3 冷凍式干燥機(jī)技術(shù)優(yōu)化

3.1 蒸發(fā)器數(shù)值模擬計(jì)算

3.1.1 蒸發(fā)器模型

所選蒸發(fā)器翅片規(guī)格為132 mm×152 mm，翅片厚1 mm，翅片間距10 mm。銅管外徑9.52 mm，為正三角形方式排布，相鄰兩銅管間距為25 mm，折流板厚1 mm。為便于計(jì)算，對蒸發(fā)器模型進(jìn)行簡化處理，即銅管壁厚、輻射傳熱以及翅片與銅管連接部位熱阻等全部忽略不計(jì)。

3.1.2 不同入口條件影響

就入口直徑和入口速度進(jìn)行分析，一般分為3 種情況來分析不同入口條件對傳熱與流動性能的影響：①入口直徑相同而入口速度不同；②入口速度相同而入口直徑不同；③入口直徑和入口速度均不相同。

（1）不同入口速度。為確定低速狀態(tài)下蒸發(fā)器內(nèi)部流場狀態(tài)，設(shè)定1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s 與5 m/s 五個(gè)不同入口速度進(jìn)行分析（圖2）：后半部分入口流量相對蒸發(fā)器空氣處理量較小，區(qū)域溫度均處于278～280 K（4.85～6.85 ℃），此階段壓縮空氣蒸發(fā)器前半部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全部換熱，壓縮空氣降低到管壁溫度后不會再變化[3]。

圖2 5 m/s 時(shí)軸向溫度分布情況

從圖2 可看出，蒸發(fā)器于前半部分存在部分溫度較低的區(qū)域，表示壓縮空氣溫度較低，主要是會因?yàn)槿肟诔叽缫约俺崞魴n造成壓縮空氣流動不佳，并未與熱空氣進(jìn)行換熱。當(dāng)壓縮空氣入口速度逐漸增大后，溫度較低的區(qū)域面積逐漸減小，有效緩解了內(nèi)部壓縮空氣流動慢的情況。蒸發(fā)器未達(dá)到壓縮空氣最大處理量時(shí)，隨著入口速度的增加，換熱也不斷增大，兩者存在近似線性關(guān)系。

（2）不同入口直徑。

確定2 m/s 的恒定速度來分析不同入口直徑對換熱產(chǎn)生的影響，入口直徑越大表示入口流量越大，溫度降低的趨勢也會不斷減緩。分析第一段蒸發(fā)器折流板缺口部位溫度變化，可知入口直徑越大則溫度越高，相比進(jìn)口溫度差異越小。為提高換熱量計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，除了要掌握溫差以外，還需要計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)換熱量。入口直徑越大的情況下，入口流量越多，未達(dá)到蒸發(fā)器最大處理量時(shí)，換熱量也會隨之增大。同時(shí)，較大的入口直徑還能夠有效改善壓縮空氣在內(nèi)部的流動狀態(tài)，使得流動死區(qū)面積縮小，換熱性能更強(qiáng)，使得設(shè)備換熱效果更佳。

3.2 預(yù)冷器數(shù)值模擬

3.2.1 預(yù)冷器模型

所選預(yù)冷器銅管直徑為9.52 mm，采用正三角排布方式，相鄰兩銅管管中心間距為25 mm。為降低計(jì)算難度，對模型進(jìn)行了簡化，即銅管壁厚、輻射傳熱以及預(yù)冷器與外部環(huán)境的熱交換等全部忽略不計(jì)。

3.2.2 單弓形折流板影響

分析確定單弓形折流板預(yù)冷器內(nèi)部壓縮空氣流場在不同入口速度條件下的分布規(guī)律，掌握其換熱效率特點(diǎn)。設(shè)計(jì)0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s 與2 m/s 不同入口速度，對比后確定入口流速越大，預(yù)冷器內(nèi)部低溫區(qū)域越小。并且，隨著入口速度的增大，溫度下降幅度降低，出口溫度較高，溫差縮小。受流速增大影響，壓縮空氣和銅管之間的接觸時(shí)間縮短，換熱效果無法達(dá)到最佳，因此并不能判斷內(nèi)部壓縮空氣換熱效果差[4]。并且，除了要確定溫差影響外，還需要兼顧流量大小，綜合分析單位時(shí)間內(nèi)熱換量，才可確定不同流速下預(yù)冷器的換熱效果。結(jié)果顯示，隨著入口速度增大壓縮空氣出口溫度降低，但是因?yàn)榱髁吭龃蠓瘸^溫差減小幅度，最終預(yù)冷器的換熱量為逐漸增大趨勢。

4 結(jié)束語

冷凍式干燥機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，可以對其實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題和不足做更進(jìn)一步的優(yōu)化，爭取通過對蒸發(fā)器與預(yù)冷器條件的調(diào)整和控制，將設(shè)備運(yùn)行效率保持在最高狀態(tài)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與節(jié)能的效果。