微热再生干燥器露点控制及优化方法探讨

孙 敏

（63876 部队，华阴 714200）

引言

压缩空气制冷技术的广泛运用，为制造低温环境带来了极大的便利。单因素温度应力的施加与考核，必须对供气露点进行严格控制，以避免低温条件下核心设备中、被试品上产生结冰结霜现象，从而对设备安全稳定运行及考核效果产生影响。为此，必须对压缩空气的干燥环节加以控制，确保供气露点达到使用要求。论文从微热干燥器工作原理入手，分析再生过程，明确“吸附”和“脱附”能耗及其关键参数指标要求，从而为干燥器露点控制提供参考。

1 微热再生干燥器露点分析

1.1 微热再生干燥原理

微热再生干燥器运用高压低温吸附和低压高温脱附原理，使压缩气体通过干燥剂，从而达到干燥压缩气体降低露点的目的。它由两台双塔式微热再生干燥器组成，两塔分别进行吸附和脱附过程，每个工作周期由吸附、再生、吹冷、均压四个阶段构成，切换时间到后完成切换循环过程。干燥剂由活性氧化铝和分子筛组成，先用氧化铝等吸附剂进行预干燥, 再用分子筛进行深度处理，干燥精度可达露点-70 ℃以下。微热再生干燥器工作流程见图1[1]。

1.2 干燥器露点影响因素

任何一种吸附剂的吸附量都有一个限度，超过这个限度时吸附剂就应再生。动态吸附量是影响吸附剂吸附能力的主要因素，取决于吸附剂本身的性质、吸附时的温度、吸附深度、空气的流速以及吸附干燥空气的方式。故在干燥器型式及吸附剂确定的基础上，其出口气体露点温度主要取决于进气质量与吸附剂被再生的程度。主要体现在以下几个方面：

1.2.1 进气质量

进气质量受进气含油量、进气温度、进气压力、进气湿度等因素的影响。在干燥器进气口前设置除油过滤器来降低进气含油量。吸附剂的吸附能力随进气温度的升高而降低，与此同时，温度每提高5 ℃，饱和含水量增加30 %左右，双重作用严重影响吸附剂吸附效果，系统通过加装水冷换热器与气液分离器，降低进气温度的同时，确保了进气为该温度下的饱和气体；压缩空气饱和含水量与进气压力成反比，即工作压力越低，干燥器负荷越高，同时工作压力的下降导致再生气量减小，从而使干燥器再生效率降低，进而使吸附能力下降，必然致使干燥器出口露点上升，故要求干燥器最低工作压力不低于0.4 MPa。

吸附剂被再生的程度受干燥剂吸附程度、加热解吸温度与加热解吸时间、干燥剂吹冷温度与吹冷时间、加热再生气量、吹冷再生气量等因素的影响。

干燥剂吸附程度与吸附剂构成、进气质量与流速、吸附持续时间等相关[2]。一般情况下，干燥器出口空气露点随湿气流与吸附剂的接触时间的增长而降低；干燥器型式确定之后，通过调节进气流量可调整进气与干燥剂的接触时间；吸附剂颗粒表层所吸附的水层薄厚与吸附持续时间有关，工作时如果实际吸附量超过动吸附量过多，吸附剂就提早进入“转效点”，不仅会使出口气体露点升高，而且也影响了周期内露点的稳定性。

图1 微热再生干燥器工作流程

再生过程分“加热解吸”与“吹冷再生”两个阶段。解吸温度过低会导致干燥剂中残存水量过多，而过高温度则会导致干燥剂提前劣化。解吸时的能量消耗一部分来自电加热器，一部分来自加热再生气。若再生气的流量过小，不但会局部过热，而且会造成无法均匀传热，以致影响加热解吸效果。待加热解吸结束后，需对干燥剂进行吹冷降温，吹冷再生气为干燥器出口气。研究表明，不同温度的干燥剂有着不同的吸附率，且二者之间成反比。理想状态下，干燥剂的最终冷却温度为吹冷再生气的温度。

综上所述，干燥器露点影响因素的确定与干燥器工况及其能耗有着直接的关系，故必须在分析其工作各阶段能耗的基础上，才能对各种关键参数加以确定优化。

2 微热再生干燥器再生过程能耗分析

在干燥器吸附过程当中，干燥剂会以吸附热的形式向周围介质释放能量；而再生过程作为吸附过程的逆过程，需要消耗大量的能量。在干燥剂吸附量一定时，再生能耗便存在一个底线，而优化再生能耗不应以牺牲出口气露点为前提。通过分析可知，干燥器加热解吸阶段既有热耗又有气耗，吹冷解吸阶段只有气耗而无热耗，整个再生过程的能耗遵循着能量守恒定律[3，4]。基于此，对再生过程能耗进行分析。

2.1 加热解吸能耗

加热解吸过程的能耗包括气耗和热耗，耗气（再生气）作为传递热量的载体以实现高温脱附过程。解吸过程热量Q的消耗主要由加热吸附剂所需热量Q1、加热干燥塔所需热量Q2、水的汽化潜热Q3、过程热损失Q4等四部分组成，见式（1）。

1）加热吸附剂所需热量

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微热再生干燥器的“再生温度”没有标准可循，较高温度的再生气能容纳并携带出更多的水分，更利于吸附剂脱附。温度的有限提高能在多大程度上加快解吸速率其实并不重要，但再生尾气的温度却直接关系到吸附效果和再生气量的消耗。加热吸附剂的热量Q1可由式（2）求得。

式中：MS、MV为分子筛、活性氧化铝填充量，kg；CS、CV为分子筛、活性氧化铝的平均比热，kJ/ kg·℃；为微热再生干燥器的初始温度，℃； t2为微热再生干燥器的平均加热温度，℃；其中为干燥罐再生气进口温度、再生结束时干燥罐出口温度，℃。

2）加热干燥塔所需热量

塔体及其构件也是消耗热量的一个重要方面，加热干燥塔所需热量Q2可由式（3）求得。

式中：Mt为微热再生干燥器塔体的质量，kg；Ct为金属构件的平均比热，kJ/ kg·℃。

3）水的脱附热量

脱附过程首要是将凝聚在吸附剂表面微孔里的液态水赶出吸附剂，这是液态凝聚水重新气化的过程，需要一定量“气化潜热”的支持。水的脱附热量Q3可由式（4）求得。

式中：Gh为吸附周期T内干燥剂所吸附的水量，kg，v为进入干燥器的气体流量，m3/h；φ 为相对湿度，%；d0为进气中所含的饱和水蒸气含量，kg/kg；d为干燥后压缩气体中的残存水量，kg/kg；T为干燥器的吸附时间，h；Ch为水的比热，kJ/ kg·℃；Qhqr为水的汽化潜热，kJ/ kg；Cq为水蒸气的比热，kJ/kg·℃。

4）过程热损失

塔体、加热罐、管道等都会以辐射的形式向周围进行散热。相关资料表明，消耗热量可占到前三种热总量的20%左右，过程热损失Q4可由式（5）求得。

2.2 加热再生气量

加热解吸阶段耗能的供给主要来自两个方面：一是电加热器加热提供的热量；二是再生气提供的热量。根据能量守恒定律，可确定加热再生阶段所需气量。故加热再生气量可由式（6）、式（7）求得。

式中：Qjr为加热解吸过程外界提供热量，kJ；Qd为电加热器提供的热量，kJ；Qzsq为再生气提供的热量，kJ；W为电加热器功率，kw；qmx为加热再生气质量流量，kg/h； CX为每kg加热再生气提供的热量，kJ/kg.℃；Δt为加热再生气的温度变化，为加热再生气初始温度，℃；T′为干燥器加热解吸时间，h。

2.3 吹冷再生气量

经过“加热解吸”后的吸附剂温度很高，还未达到最终再生，只有使干燥剂冷却到初温后才能使其恢复原先的活性。自然冷却显然不现实，故采用干燥器出口气对吸附剂进行吹冷。吹冷再生气温度越低，气耗越少；吹冷再生气气量越大，吹冷时间越短。吹冷再生过程主要是对吸附剂和塔体进行降温，使之达到初始工作要求。故吹冷再生气量可由式（8）、式（9）求得。

式中：Q′为吹冷阶段需带走的热量，kJ； t5为吹冷再生气温度，℃；qmc为吹冷再生气的质量流量，kg/h；T′为干燥器吹冷解吸时间，h。

3 微热再生干燥器再生过程参数优化

3.1 干燥器工作参数分析

以某次运行（夏季且湿度较大的工况下）为例，两台干燥器在此种工况下暴露出了露点不稳定，手动切换频繁等问题，其工作参数见表1。对干燥器吹冷再生结束时的温度进行了监测，发现1#干燥器温度为99 ℃，2#干燥器温度为83 ℃。转换为吸附工作时，在经过大约25 min之后，才能使干燥剂温度降到40 ℃左右，降低了干燥剂的吸附效率，说明吹冷时间过短，反之说明加热时间过长。总之，干燥器工作参数设置上不合理，在能耗上分配不科学，以致干燥器工作效率下降。为此，必须对其工作能耗进行计算分析，从而优化确定工作参数。

3.2 干燥器再生过程能耗计算及分析

运用式（1）～式（9）对微热干燥器过程当中的热耗及气耗进行了计算，要求干燥器出口露点不高于-70℃。各种比热参数见表2、微热再生干燥器再生过程实际热能及气耗计算数据见表3。

结合表3中的计算数据，对两台干燥器再生过程中的理论能耗与实际提供热量，理论再生气量与实际再生气量进行分析，可得出以下结论：

1）两台干燥器电加热器在加热解吸阶段提供的能量远远多于干燥剂加热解吸所需热量。说明或是电加热器功率过大，或是加热时间过长，以致造成能量浪费过大。而表3数据为进气湿度较大情况下的数据，故在湿度较小的情况下，所需电热能则远小于此计算值，这样就造成更大的不必要的浪费；

2）加热解吸阶段提供再生气的目的不仅仅是为传递热量充当载体，更是起到提供辅助能量以降低能耗的作用，但是从现有数据来看，根本就不需要气热能，更谈不上叠加效应，进一步造成了能量的浪费；

表2 计算用比热参数

表3 微热再生干燥器再生过程计算数据

3）吹冷再生阶段所需要的冷却气量过大，而实际吹冷气量很难满足要求，这样就造成了吹冷再生结束时干燥剂温度仍然比较高，不能完全再生，以致影响出口露点。

3.3 再生过程参数优化

结合微热再生干燥器实际工况及表3中能耗计算数值，对微热再生干燥器再生过程关键参数进行优化设计。

1）由式（9）计算可知，在吹冷再生气量不能增加的情况下，欲使干燥剂降到吹冷气温度，并在确保涡轮安全运行的基础上，将吹冷再生气量由原来得7 %调整为10 %，即400 kg/h，吹冷时间调整为3.56 h即可。

2）由式（6）计算可知，在加热再生气量不能增加的基础上，两台干燥器的电加热器和加热再生气分别工作3.43 h、2.85 h可达到加热解吸能耗要求。而干燥器实际的吸附量可能比之理论值要少很多，这样其所需的加热时间则会更短。基于满足最低热量需求的原则，将两台干燥器的加热时间分别设置为3.5 h、2.9 h，相应的吹冷时间为3.5 h、3.1 h。

3）再生过程应以确保干燥剂完全脱附、保证干燥器出口露点为绝对目的。目前电加热罐中加热温度设定为205 ℃，干燥罐加热再生气进气温度不超过165 ℃，分子筛部位加热再生温度不超过135 ℃。而干燥剂脱附温度要求较高，加之热量传递过程中的衰减，应确保分子筛部位的脱附温度不低于150 ℃。故要么增加加热再生气量，要么适当提高电加热器加热温度，增加再生气量难度较大，可适当调整加热温度。

表3 微热再生干燥器再生过程计算数据

4）从能耗关系上来看，水的脱附热是耗能的主要方面，温度则是影响能耗的主要指标。再生气出口温度是影响加热脱附过程的关键因素，再生气出口温度应不低于70 ℃，而目前并没有对其进行监测，故有必要在再生气出口管路加装一套温度传感器，以利于实时监测出口温度合理设置加热时间。

据此，将2#干燥器的加热时间设置为2.9 h、吹冷时间设置为3.1 h，加热再生气量、吹冷再生气量均无调整，出于电加热器安全运行的目的，将加热温度设置为220 ℃。经过长时间的试验验证：2#干燥器露点温度不高于-69 ℃，明显优于之前；吹冷结束时罐中温度不高于52 ℃，明显低于原来的83 ℃；分子筛部位加热再生温度达到了145 ℃，比之以前更有利于解吸。

4 结论

在分析影响微热再生干燥器露点因素的基础上，重点分析了干燥剂再生过程中的能耗与气耗，针对干燥器实际运行参数，分析了存在的问题，提出了解决思路与实施方法，为保证露点的同时降低能耗提供了依据。

[1]王丽娟,等.空气制冷中干燥器的降失效原因分析[J].环境适应性和可靠性, 2009.

[2]李申.吸附原理及常用吸附剂[J].压缩机技术, 2002.

[3]刘晖等.压缩空气压力露点和常压露点的换算[J].压缩机技术,2008.

[4]凌建新.WRG 型微加热再生空气干燥器[J].FLUID MACHINERY,2004.