CN101711940A - 冷冻式空气干燥机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷冻式空气干燥机，其使压缩空气在冷却器中与制冷剂进行热交换而使该压缩空气冷却和除湿，该冷冻式空气干燥机包括第一再热器和第二再热器，所述第一再热器使作为除湿对象的潮热的一次空气和从所述冷却器输送来的除湿后的低温除湿空气进行热交换而预先冷却所述一次空气，并输送到所述冷却器中，同时加热所述除湿空气，并将其输送到上述第二再热器中，所述第二再热器使在上述第一再热器中被加热的除湿空气和在制冷剂压缩机中被压缩的高温制冷剂进行热交换而对其再次加热，之后将其作为二次空气而排放到外部。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷冻式空气干燥机，其冷却压缩空气并使该压缩空气中的水分冷凝而使该压缩空气除湿。
背景技术
在使用电磁阀或气缸等气动器件的气压系统中，为防止气压系统因所供给的压缩空气中含有的水分而产生故障，优选预先去除该压缩空气中的水分，去除该水分时要用到冷冻式空气干燥机。
图2表示现有技术的冷冻式空气干燥机的制冷剂系统回路和空气系统回路。该冷冻式空气干燥机的制冷剂系统包括：制冷剂压缩机10；冷凝器11，其对被上述制冷剂压缩机10压缩并经高温制冷剂配管22输送过来的高温制冷剂进行冷凝；膨胀阀12，其对由上述冷凝器11冷凝的制冷剂进行绝热膨胀而减压；冷却器13，其使由空气系统中的第一再热器(reheater)14进行预先冷却的空气，通过由膨胀阀12所产生的低温制冷剂进行再次冷却而除湿，上述冷却器13中的制冷剂通过回流制冷剂配管26返回上述制冷剂压缩机10中。
另一方面，上述空气系统包括：空气入口20，作为除湿对象的潮热的一次空气从该空气入口20流入空气系统；上述再热器14，其使经上述空气入口20流入的一次空气与除湿后的低温的除湿空气进行热交换而预先冷却上述一次空气；上述冷却器13，其对由上述再热器14预先冷却的空气进行再次冷却；排水分离器(drain separator)16，其对由上述冷却器13再次冷却的空气进行排水分离，使之成为上述低温的除湿空气，并将之输送到上述再热器14中，在上述再热器14中使上述除湿空气和一次空气通过热交换而预先冷却一次空气，同时加热上述低温的除湿空气，再经由出口配管21将其作为二次空气而排放到外部。
因此，上述冷却器13与上述制冷剂系统和空气系统两者连接，冷却器13可使制冷剂系统和空气系统在功能上结合起来。
而且，在用来进行排水分离的上述排水分离器16上设置有排水阀15，通过该排水阀15使生成的水珠分离并排到外部。
通常情况下，在上述现有技术的冷冻式空气干燥机中，从上述制冷剂压缩机10经由高温制冷剂配管22而流向冷凝器11的制冷剂的温度约为90℃，由膨胀阀12绝热膨胀之后再经由低温制冷剂配管23流向冷却器13的制冷剂的温度约为5℃。另外，从空气入口20流入再热器14的一次空气的温度为40℃(额定温度)，由再热器14预先冷却之后再经由空气配管24流向冷却器13的空气的温度约为25℃，由冷却器13再次冷却之后经由排水分离器16而输送到再热器14的除湿空气的温度约为10℃，由再热器14加热之后再经由出口配管21流向外部的二次空气的温度约为30℃。
此外，高温制冷剂配管22和低温制冷剂配管23通过旁通制冷剂配管25连通，其中，高温制冷剂配管22用来结合制冷剂压缩机10和冷凝器11，而低温制冷剂配管23用来结合膨胀阀12和冷却器13，旁通制冷剂配管25上具有开度可调的流量调节阀17。上述旁通制冷剂配管25的作用是：当上述冷却器13的负荷变小时，从膨胀阀12经由低温制冷剂配管23而流向冷却器13的制冷剂的温度若过度降低，会导致从再热器14经由空气配管24而流向冷却器13的潮湿压缩空气中的水分冻结，为了避免该情况的发生，使流量调节阀17只打开必要的开度，使从制冷剂压缩机10流向冷凝器11的高温制冷剂的一部分混入低温制冷剂配管23中的低温制冷剂中，保持该低温制冷剂的温度不会降低到一定温度以下。
上述图2所示的现有技术的冷冻式空气干燥机有如下技术问题：由于使用条件的不同，再热器14的功能会下降。对于这一点，在作具体说明之前，首先说明之所以使用上述再热器14的目的：
1.通过使用再热器来使流入空气干燥机中的压缩空气预先冷却，可以降低给冷冻回路(制冷剂系统)的负荷(通过减小冷冻回路的负荷来实现节能的目的)。
2.通过利用从空气入口流入空气系统的新的一次空气的热量，来加热由空气干燥机除湿的压缩空气，可以防止空气干燥机的输出侧的空气配管上形成结露。
但是，当从空气干燥机的空气入口流入的一次空气的温度较低时(约为20℃左右)，再热器的功能就会下降，从而出现不能将从出口配管21流出的二次空气加热到防止形成结露所需要的温度的情况，而这个情况是现有技术的空气干燥机的最大技术问题。即，由于在通常情况下使用铁(镀锌)来制成空气干燥机的空气配管，所以，会有出口配管21因形成结露而被腐蚀的担心，而且由于形成结露而在配管下部的地面等上形成水洼。为使配管绝热，无法避免进行繁杂的作业和花费较高的成本。
为此，可以考虑采取如下方法来对应：将上述再热器设置在高温制冷剂配管22和出口配管21之间，充分加热从出口配管21流出的二次空气的方法，其中，高温制冷剂配管22将被制冷剂压缩机10压缩的制冷剂输送到冷凝器11中，而出口配管21将经由排水分离器16输送过来的除湿空气排放到外部。但是，在采取上述方法的情况下，由于无法对从空气入口20流入的空气(一次空气)进行预先冷却，所有热负荷都会传递给冷冻回路(制冷剂系统)，从而导致空气干燥机的空气处理量下降的问题，为使空气干燥机的空气处理量与图2中的情况相同，就必须增大上述冷冻回路。
对于像这样的现有技术的冷冻式空气干燥机而言，为了使其实现节能，人们采取以下方法对应过：或加大冷凝器，或增加冷凝器中的制冷剂的量，或降低制冷剂的温度等，但是，人们所采取的这些方法都有如下缺点：或是致使干燥机大型化，或是致使冷却设备(空调机、制冷机(chiller)、冷却塔等)大型化，或是导致冷却设备不节能等。
为了能够实现上述冷冻式空气干燥机的节能的目的，我们在这里研究一下上述图2中的现有技术冷冻式空气干燥机的主要部位的能量输入输出关系，首先，设：
Q1＝冷却器13的热交换量(热量向冷冻回路传递)
Q2＝制冷剂压缩机10所消耗的电力(制冷剂压缩机压缩制冷剂所做的功会转化为热能)
Q3＝冷凝器11的热交换量(由冷冻回路释放热量)
则下式成立：
Q3＝Q1+Q2...(1)
在冷凝器11中，通过空冷或水冷的方式使制冷剂冷凝，冷凝器11的出口的制冷剂的温度越低，制冷剂压缩机10的上述消耗电力Q2变得越小。另外，相当于冷冻式空气干燥机的冷却能力的上述冷却器13的交换热量Q1、采用空冷冷凝器时该冷凝器的周围温度和采用水冷冷凝器时冷却水的温度等，均为确定的数值，而冷凝器11的热交换率也是确定的数值。因而，假定冷冻式空气干燥机所消耗的电力与制冷剂压缩机10所消耗的电力大致相等，为了实现通过降低冷凝器11的出口的制冷剂的温度来减少制冷剂压缩机10的消耗电力Q2的目的，就不得不减少冷凝器11的热交换量Q3。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷冻式空气干燥机，其通过有效利用上述现有技术的冷冻式空气干燥机中的能量，来减少该冷冻式空气干燥机的冷凝器的热交换量Q3，即减少由冷凝器释放的热量，从而通过消耗较少的电力来获得理想的除湿效果，并由此实现节能的目的。
更具体地讲，本发明的目的是提供如下一种冷冻式空气干燥机，即使欲除湿的压缩空气的负荷较大(压缩空气的温度高、湿度大、或者其流量大等)，本发明的冷冻式空气干燥机也能稳定地除湿，即使上述的一次空气的温度较低，也能可靠地防止用来将已经除湿的二次空气排到外部的出口配管上形成结露。
为了实现上述目的，本发明提供的冷冻式空气干燥机的结构为：其包括制冷剂系统和空气系统，上述制冷剂系统包括：制冷剂压缩机；冷凝器，其对被上述制冷剂压缩机压缩的高温制冷剂进行冷凝；减压机构，其对由上述冷凝器冷凝的制冷剂进行绝热膨胀而使之减压并使其呈低温状态；冷却器，其对由空气系统中的第一再热器进行预先冷却的空气，通过由上述减压机构所产生的低温制冷剂进行再次冷却而除湿，上述冷却器中的制冷剂会返回上述制冷剂压缩机中。上述空气系统包括：空气入口，作为除湿对象的潮热的压缩空气，即一次空气从该空气入口流入空气系统；上述第一再热器，其使从上述空气入口流入的一次空气，与从上述冷却器输送过来的低温的除湿空气进行热交换而预先冷却上述一次空气，并加热上述除湿空气；上述冷却器，其对由上述第一再热器预先冷却的一次空气进行再次冷却而除湿，并使之成为上述低温的除湿空气。上述冷冻式空气干燥机还包括第二再热器，其使由上述第一再热器对一次空气进行热交换而被加热的上述除湿空气和由上述制冷剂压缩机压缩的高温制冷剂进行热交换，经由该第二再热器热交换而被再次加热的上述除湿空气，被当作二次空气由出口配管排出。
本发明的冷冻式空气干燥机优选如下结构：上述第二再热器连接在制冷剂压缩机和冷凝器之间，来自制冷剂压缩机的制冷剂经由上述第二再热器输送到上述冷凝器中。
此外，冷冻式空气干燥机也可以是如下结构：通过旁通制冷剂配管连通高温制冷剂配管和低温制冷剂配管或回流制冷剂配管，其中，高温制冷剂配管用来结合上述制冷剂压缩机和上述第二再热器，低温制冷剂配管用来结合上述减压机构和上述冷却器，回流制冷剂配管用来结合上述冷却器和上述制冷剂压缩机，旁通制冷剂配管上具有开度可调的流量调节阀。当上述冷却器的负荷变小时，使被上述制冷剂压缩机压缩的高温制冷剂的一部分，直接流到上述低温制冷剂配管中或回流制冷剂配管中。
本发明得到冷冻式空气干燥机优选还包括排水分离器，该排水分离器设置在从上述冷却器到第一再热器之间的流路上，其用来对经上述冷却器再次冷却的空气进行排水分离。
因为在具有上述结构的本发明的冷冻式空气干燥机中，同时组合使用第一再热器和第二再热器，该第一再热器使从空气入口流入的一次空气与从冷却器输送过来的低温的除湿空气进行热交换，而该第二再热器使由制冷剂压缩机压缩而呈高温状态的制冷剂和在上述第一再热器中用于预先冷却一次空气而被提供的已被加热的除湿空气进行热交换，所以使得冷冻式空气干燥机中的冷凝器的热交换量Q3，即由冷凝器排放的散热量减少，则能够通过消耗较少的电力而获得理想的除湿效果。例如，通过减小对空冷冷凝器的空调机、水冷冷凝器的冷却塔或制冷机(chiller)等设备环境的冷热源的热负荷，能够实现节能运行的目的。此外，不仅在欲除湿的压缩空气的负荷较大的情况下能够稳定地除湿，而且在上述的压缩空气的气温较低的情况下，也可以可靠地防止在用来将已除湿的压缩空气输送到外部的出口配管上形成结露。
附图说明
图1表示本发明的冷冻式空气干燥机的实施方式中的冷冻回路和压缩空气回路的回路图。
图2表示现有技术的冷冻式空气干燥机的冷冻回路和压缩空气回路的回路图。
具体实施方式
图1表示本发明的冷冻式空气干燥机的实施方式。由于该实施方式中的冷冻式空气干燥机包括与上述图2中的现有技术冷冻式空气干燥机部分通用的制冷剂系统和空气系统，所以，对图1中与图2通用的部件，在图1中标记与图2中所标记的部件符号一样的符号。该实施方式中的冷冻式空气干燥机，与图2中现有技术的冷冻式空气干燥机之间的主要不同点在于，在该实施方式中使用第一再热器18和第二再热器19来实现减少消耗电力的目的，而且还有一点是该实施方式实现了冷冻式空气干燥机的稳定工作。
图1中的冷冻式空气干燥机的制冷剂系统包括：制冷剂压缩机10；冷凝器11，其对由上述制冷剂压缩机10压缩并从高温制冷剂配管22经由第二再热器19输送过来的高温制冷剂进行冷凝；膨胀阀12，其对由上述冷凝器11冷凝的制冷剂进行绝热膨胀而使其减压，并使制冷剂呈低温状态；冷却器13，其对由空气系统中的第一再热器18预先冷却的空气，通过膨胀阀12所产生的低温制冷剂进行再次冷却而除湿，上述冷却器13中的制冷剂通过回流制冷剂配管26而返回上述制冷剂压缩机10中。
而且，上述膨胀阀12表示上述减压机构的一个例子，例如，也可以用毛细管等代替该膨胀阀。
另一方面，上述冷冻式空气干燥机的空气系统包括：空气入口20，作为除湿对象的潮热的压缩空气(额定温度40℃)作为一次空气从该空气入口20流入空气系统；上述第一再热器18，其使从上述空气入口20流入的一次空气和从上述冷却器13输送过来的低温的除湿空气进行热交换而预先冷却上述一次空气，并且加热上述除湿空气；上述冷却器13，其通过上述制冷剂对由上述第一再热器18预先冷却的空气进行再次冷却而使空气中的水分冷凝；排水分离器16，其对由上述冷却器13再次冷却的空气进行排水分离，使之成为低温的除湿空气(约为10℃)，而输送到上述第一再热器18中；上述第二再热器19，其使在上述第一再热器18中与上述温暖的一次空气进行热交换而被加热的上述除湿空气，通过和高温制冷剂进行热交换而被再次加热，由该第二再热器19再次加热的除湿空气，被作为二次空气而经由出口配管21排到外部。
因此，上述冷却器13和第二再热器19连接着上述制冷剂系统和空气系统，并使制冷剂系统和空气系统在功能上结合起来。
在用来进行排水分离的上述排水分离器16上设置有排水阀15，排水阀15使生成的水珠分离并排到外部。
第二再热器19设置在制冷剂压缩机10和冷凝器11之间，由上述制冷剂压缩机10压缩的高温制冷剂和由第一再热器18进行预热后经由空气配管28输送过来的除湿空气之间存在温差，第二再热器19利用它们的温差进行热交换并对该除湿空气进行再次加热。因此，在该第二再热器19上设置有高温制冷剂配管22和上述出口配管21，其中，高温制冷剂配管22用来输送由上述制冷剂压缩机10加热的制冷剂，而出口配管21用来将和上述制冷剂进行热交换而被加热的除湿空气排到外部。
除了在上述出口配管21中的压缩空气(二次空气)的温度约为45℃这一点，上述冷冻式空气干燥机的制冷剂系统和空气系统中的各部分中的制冷剂或压缩空气的温度和上述图2中现有技术的冷冻式空气干燥机的相应温度基本相同，但是这些温度的稳定性却有着较大的差异。
上述高温制冷剂配管22和低温制冷剂配管23通过旁通制冷剂配管25连通，其中，高温制冷剂配管22用来结合制冷剂压缩机10和第二再热器19，而低温制冷剂配管23用来结合膨胀阀12和冷却器13，旁通制冷剂配管25上具有开度可调的流量调节阀17。上述旁通制冷剂配管25的作用是：当上述冷却器13的负荷变小时，从膨胀阀12经由低温制冷剂配管23而流向冷却器13的制冷剂的温度若过度降低，会导致从第一再热器18经由空气配管24而流向冷却器13的潮湿空气中的水分冻结，为了避免该情况的发生，使流量调节阀17只打开必要的开度，将从制冷剂压缩机10流出的高温制冷剂的一部分，使其绕过上述第二再热器19、冷凝器11和膨胀阀12而混入低温制冷剂配管23中的低温制冷剂中，保持该低温制冷剂的温度不会降低到一定温度以下。因此，上述旁通制冷剂配管25能够起到调节流经上述第二再热器19、冷凝器11和膨胀阀12的制冷剂的流量的作用，通过该流量调节，可以防止上述第二再热器19中的除湿空气过度地被再次加热。
此外，所述旁通制冷剂配管25也可以连接在上述高温制冷剂配管22和回流制冷剂配管26上，其中，回流制冷剂配管26用来结合上述冷却器13和上述制冷剂压缩机10。在这种情况下，通过减少流经冷却器13的制冷剂的流量，可以获得和上述情况相同的效果，即可以获得防止由上述冷却器13进行冷却的空气中的水分冻结的效果。
为了与上述图2中现有技术的冷冻式空气干燥机的主要部位的能量输入输出关系进行对比，以下式表示关于图1中的实施方式的同样的能量输入输出关系，使图1中的Q1～Q3与图2中的情况相同，设：
Q4＝第二再热器19的热交换量(由冷冻回路向压缩空气释放的热量)，则有：
Q3+Q4＝Q1+Q2
Q3＝Q1+Q2-Q4...(2)
对比上式(1)和(2)可知，图1中的冷冻式空气干燥机的热量Q3相比图2中的冷冻式空气干燥机的热量Q3，减小Q4这部分，而且当Q3减小时，热量Q2也会变小，所以图1中的冷冻式空气干燥机节能。
此外，从冷冻式空气干燥机排出的热量，由空调机、冷却塔和制冷机(chiller)等温度管理设备进行处理。
如上所述，当采用具有上述结构的冷冻式空气干燥机时可以节能，所以能够通过消耗较少的电力而获得理想的除湿效果，作为具体实例，由于可以降低冷凝器的热交换量(由冷凝器排放的热量)，所以可减小对于冷热源(采用空冷冷凝器时的空调机、采用水冷冷凝器时的冷却塔或制冷机(chiller)等)的热负荷。另外，即使是在输送过来的欲除湿的压缩空气的负荷较大的情况下，也可以稳定地除湿，从而可以提高冷冻式空气干燥机的性能，可以提高其负荷极限，其中，负荷极限是指当负荷较大时冷冻机上的保护继电器动作而使冷冻机停止工作时的负荷。此外，也可以可靠地防止在空气干燥机的输出侧的出口配管上形成结露。
Claims (4)
1.一种冷冻式空气干燥机，其包括制冷剂系统和空气系统，所述制冷剂系统包括：制冷剂压缩机；冷凝器，其对由所述制冷剂压缩机压缩的高温制冷剂进行冷凝；减压机构，其对由所述冷凝器冷凝的制冷剂进行绝热膨胀而使其减压，并使其呈低温状态；冷却器，其对由空气系统的第一再热器预先冷却的空气，通过所述减压机构产生的低温制冷剂进行再次冷却而除湿，所述冷却器中的制冷剂会返回所述制冷剂压缩机中，所述空气系统包括：空气入口，作为除湿对象的潮热的压缩空气，即一次空气从该空气入口流入空气系统；所述第一再热器，其使从所述空气入口流入的一次空气与从所述冷却器输送过来的低温的除湿空气进行热交换而预先冷却所述一次空气，并加热所述除湿空气；所述冷却器，其对由所述第一再热器预先冷却的一次空气进行再次冷却，从而进行除湿而形成所述低温的除湿空气，其特征在于：
所述冷冻式空气干燥机还包括第二再热器，其使在所述第一再热器中与一次空气进行热交换而被加热的所述除湿空气和在所述制冷剂压缩机中被压缩的高温制冷剂进行热交换，在所述第二再热器中经热交换而被再次加热的所述除湿空气，作为二次空气而经由出口配管排出。
2.根据权利要求1所述的冷冻式空气干燥机，其特征在于：
所述第二再热器连接在制冷剂压缩机和冷凝器之间，来自制冷剂压缩机的制冷剂经由所述第二再热器之后输送到所述冷凝器中。
3.根据权利要求2所述的冷冻式空气干燥机，其特征在于：
通过旁通制冷剂配管连通高温制冷剂配管和低温制冷剂配管或回流制冷剂配管，其中，所述高温制冷剂配管用来结合所述制冷剂压缩机和所述第二再热器，所述低温制冷剂配管用来结合所述减压机构和所述冷却器，所述回流制冷剂配管用来结合所述冷却器和所述制冷剂压缩机，所述旁通制冷剂配管上具有开度可调的流量调节阀，当所述冷却器的负荷变小时，由所述制冷剂压缩机压缩的高温制冷剂的一部分，直接流到所述低温制冷剂配管中或回流制冷剂配管中。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的冷冻式空气干燥机，其特征在于：
还包括排水分离器，其设置在从所述冷却器到第一再热器之间的流路上，用来对由所述冷却器再次冷却的空气进行排水分离。
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