CN102284233B - 一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，它包括一体式预冷蒸发器、冷凝器、制冷压缩机、干燥过滤器、气液分离器及其辅助连接管道等，一体式预冷蒸发器为套管式集成式结构，包括蒸发器和预冷器，蒸发器套装在预冷器内，两者成为一个整体；预冷器在其壳体上设有压缩空气进出口和排水口，蒸发器在其壳体设有压缩空气出口和排水口，在其壳体端板设有压缩空气进口；预冷器的壳体和连接在壳体上的两端板与装入两端板孔内的热交换管构成预冷单元；蒸发器的壳体和连接在壳体上的两端板与盘管式蒸发器构成蒸发单元。本发明使整机结构紧凑，管路连接更加简单，节省机体空间和降低冷干机成本，既经济而且节能。

Description

一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机

技术领域

本发明涉及机械制造领域，是一种在压缩空气冷冻干燥机中将预冷却器、蒸发器、气水辅助分离过滤装置集于一体的预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机。

背景技术

随着科学技术的进步和工业现代化的发展，特别是高技术产业的兴起，压缩空气(气体)的污染及其净化技术引起了各国用气部门和制造商的重视。具有除油、除水、除尘、除气味的各种净化装置不断被开发，市场需求与日俱增。压缩空气净化技术的发展不仅为新兴的高技术产业和传统工业改造提供洁净、可靠的气源，而且自身也从高新技术的发展中受益匪浅。压缩空气冷冻干燥机(以下简称冷干机)就是将含水蒸气、油污等杂质的压缩空气降低到其露点温度以下，就使得其中的水蒸气凝结成液态水滴，通过随后的气液分离器进行分离，以除去水分同时除去空气(气体)中的其他杂质而洁净空气的方法。

冷干机蒸发器作为冷干机中的重要部件，压缩空气在蒸发器中被强制冷却，其中大部分水蒸气冷却而凝结成液态水排出机外，从而使压缩空气得到干燥，因此蒸发器的换热性能等一系列因素直接关系到最终出口空气的品质(含水量、含尘量、含油量等)和后续过滤设备的除湿、除杂负荷，而这些影响冷干效果和效率的问题直接关系到冷干机的整体性能指标和经济性，同时冷干机预冷却器作为承担回收被蒸发器冷却后压缩空气所携带的冷量，降低蒸发器的热负荷，提高综合能源利用效率也是相当重要的。

目前，大部分冷干机的蒸发器都是和预冷却器分体式的，这不但增加了中间的管道连接和安装难度，而且使冷干机整体结构不紧凑，同时，还会使得压缩空气经过预冷以后的水分不能有效地分离，进而增加了蒸发器的气水分离负荷、露点温度被动上升等隐患，因此，研究新型的冷干机系统及其换热设备以便更加彻底的进行热交换从而除去空气中附带水蒸气、稳定和降低压缩空气露点的方法和装置就显得非常必要。

发明内容

本发明解决问题所采取的技术方案是：一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，它包括一体式预冷蒸发器、冷凝器、制冷压缩机及其辅助连接管道等，所述制冷压缩机、一体式预冷蒸发器冷媒管、冷凝器经辅助连接管道依次连接形成冷媒循环回路；所述的一体式预冷蒸发器为套管式集成式结构，包括蒸发器和预冷器，蒸发器套装在预冷器内，两者成为一个整体；预冷器在其壳体上设有压缩空气进出口和排水口，蒸发器在其壳体设有压缩空气出口和排水口，在其壳体端板设有压缩空气进口；预冷器的壳体和连接在壳体上的两端板与装入两端板孔内的热交换管构成预冷单元，对进入热交换管内的压缩空气进行预先冷却；蒸发器的壳体和连接在壳体上的两端板与盘管式蒸发器构成蒸发单元，对预冷的压缩空气进行冷冻干燥；所述的预冷单元管程内通未冷冻干燥的压缩空气，预冷单元的壳程内通来自蒸发器冷冻干燥以后的压缩空气，一体式预冷蒸发器的预冷单元、蒸发单元间形成压缩空气循环回路。

所述压缩空气循环回路上均设置有过滤器，冷媒循环回路上有节流装置。

所述一体式预冷蒸发器的蒸发单元内设置有金属丝网辅助气水分离过滤装置。

所述一体式预冷蒸发器的蒸发器为盘管翅片式蒸发器，翅片的间距为1.5～3mm，盘管翅片之间还布置有绕流挡板，绕流挡板形状为带缺口的圆片，圆片上的管孔数量和直径与盘管数量和外径一致。

所述预冷器内的热交换管呈环形分布在预冷单元的预冷器壳体内，蒸发单元的蒸发器壳体外。

本发明可以克服现有冷干机结构不够紧凑、管道连接复杂、蒸发传热效果较差、热回收效率较低以及露点温度不够稳定等的不足，并减小整个冷干机系统的热负荷，进一步利用蒸发器本身壳体的冷量降低出气露点温度，提高综合能源利用率。

一体式的预冷蒸发器装置可以使整机结构紧凑，管路连接更加简单，节省机体空间和降低冷干机成本，既经济又节能，同时还消除了蒸发器本身管壳外的保温层和排除了蒸发器管壳由于本身保温层不够严密所产生的结露隐患。

本发明的工作原理：本发明在工作时，饱和的压缩空气直接进入一体式预冷蒸发器内，首先进入预冷却单元与蒸发器出来的冷空气换热进行预冷，同时实现了部分水气分离，分离后的部分水由排水管排出一体式预冷蒸发器外，这就减少了进入蒸发单元中压缩空气的含水量，部分降低了其露点温度。经过部分水气分离后的压缩空气再进入到蒸发单元内，在蒸发单元由冷媒进一步冷却到设定的露点温度以下，当空气冷却设定的露点温度以下后，空气的水蒸气就会凝结为夹带着尘和油的液滴，在蒸发单元下部排水口上部，有起到强化气水分离作用的金属丝网，当冷干后的空气通过金属丝网时，能够更加彻底的将凝结出的小液滴滤掉，由排水管排入自动排水器从而将其排出机外。干燥的、温度较低的空气返回到预冷单元，换热后温度有所上升，再排出冷干机外，升温后的压缩空气还可以避免机外的压缩空气管道结露。由制冷压缩机、一体式预冷蒸发器冷媒管、冷凝器经辅助连接管道依次连接形成冷媒循环回路完成冷媒的循环制冷。

本发明将预冷却器和蒸发器一起集中到一个壳体内，使空气直接在一个装置中完成预冷和蒸发两个过程，该预冷蒸发一体式装置的预冷却单元和蒸发单元均能有效的进行空气与空气和空气与冷媒之间的热交换，而且蒸发单元内金属丝网的安放保证了液滴更加充分彻底的滤掉，从而更加保证了冷干机在蒸发器中的冷干效果和较适中的冷干机最终排气温度，另外两个排水管道保证了预冷部分和蒸发部分的气水分离效果。

所述一体式预冷蒸发器为四合一集成式冷干机预冷蒸发器，由预冷单元、蒸发单元形成压缩空气循环回路。所述压缩机、气液分离器、一体式预冷蒸发器冷媒管道、冷凝器、节流装置及其辅助连接管道依次连接并形成冷媒循环回路。

所述压缩空气循环回路上均设置有除油过滤器，冷媒回路上有节流装置，节流装置选用热力膨胀阀或毛细管等其他节流装置。

所述一体式预冷蒸发器的预冷单元和蒸发单元均设置有排水管道，可更加有效地实现气水分离。

所述一体式预冷蒸发器的蒸发单元内设置有金属丝网辅助气水分离过滤装置，可更加有效地实现气水分离和杂质过滤。

所述一体式预冷蒸发器中的金属丝网，可以为铜丝网、不锈钢丝网等，目数为200～1000目，层数一般为3～8层，层数和目数成反比。

所述蒸发器蛇形盘管，直径为10～25mm，盘管厚度为0.3～1.5mm。

所述空气进出口接管及排水接管可以为不锈钢管、镀锌管，或其他材质金属管道，直径为18～40mm，壁厚为1.5～5mm。

所述蒸发器端板为圆形，其外径与蒸发器壳体内径一致，材料为钢板、不锈钢板、铝板，或其他金属材质的板材。

所述蒸发器壳体、蒸发器两端端板、空气进出气接管、排水管等各个连接处采用焊接与壳体密封连接，各接口都为管螺纹与支管密封。

所述蒸发器壳体的直径为60～350mm，长度为220～1300mm，壁厚为2～8mm，材料为镀锌钢管、不锈钢管、铝管、或其他材质的金属管道。

所述预冷单元也具有部分气水分离作用，且配置有专门的排水管道。

所述预冷部分端板为圆环形，其外径与预冷器壳体内径一致，其内径与蒸发器壳体外径一致，材料为紫铜板、黄铜板、钢板、不锈钢板、铝板，或其他金属材质的板材。

所述预冷器热交换管可以是光滑壁不锈钢管、铝管、紫铜管、或其他金属材质管道等，管道直径为6～35mm，管壁厚度为0.35～5.0mm。

所述预冷器壳体外面的保温层厚度为20～50mm，材料为保温棉。

所述预冷器绕流挡板为带缺口的圆环形。

所述预冷器热交换管与预冷部分端板采用焊接固定密封，满足1.2MPa的密封压力要求。

所述预冷器热交换管可以是光滑壁不锈钢、铝管、紫铜管、铜管管道，或其他材质的金属管道，管直径为6～35mm，管壁厚度为0.35～5.0mm。

所述预冷器壳体的直径为80～600mm，长度为300～1500mm，壁厚为3～10mm，材料为镀锌钢管、不锈钢管、铝管、或其他材质的金属管道。

本发明具有结构简单，应用方便，无需维护等优点，空气一体式预冷蒸发器中经过气液分离器的缓冲后可以很好的实现与冷媒的热交换，并且相同冷量下较普通蒸发器可以更好的除去水分，降低冷干机的露点温度。因此本装置可以使整机结构紧凑，管路连接更加简单，节省机体空间和降低冷干机成本，既经济而且节能。

附图说明

图1为本发明的预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机系统图。

图2为本发明中一体式预冷蒸发器的主视图。

图3为本发明中一体式预冷蒸发器的截面视图。

图4为本发明中一体式预冷蒸发器预冷部分端板示意图。

附图1、2、3、4中，1-一体式预冷蒸发器、2-冷凝器、3-制冷压缩机、4-干燥过滤器、5-气液分离器、6-节流装置、7-高低压保护装置、8-空气进口管、9-预冷器壳体、10-空气出口管、11-蒸发器空气进口管、12-保温层、13-温度测量接头、14-金属丝网、15-预冷器部位排水管接口、16-蒸发器部位排水管接口、17-蒸发器部位排水管过渡内丝接口、18-预冷器热交换管、19-折流板、20-蒸发器空气出管口、21-蒸发器端板、22-蒸发器冷媒管(盘管式蒸发器)、23-预冷器端板、24-蒸发器壳体。

具体实施方式

下面结合附图和实例，来详细说明一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机。

参照图1、2、3、4所示，一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机由一体式预冷蒸发器1、冷凝器2、制冷压缩机3、干燥过滤器4、气液分离器5、节流装置6、高低压保护装置7及其辅助连接管道组成。制冷压缩机3、气液分离器5、一体式预冷蒸发器冷媒管22、节流装置6、干燥过滤器4、冷凝器2经辅助连接管道依次连接形成冷媒循环回路；节流装置6可以是热力膨胀阀，也可以是毛细管，还可以用其他的节流装置替代，如节流管。

一体式预冷蒸发器1的结构尺寸由实际冷冻干燥空气的流量确定其尺寸大小，基本形状为圆柱形，为套管式集成式结构，它包括蒸发器和预冷器，蒸发器套装在预冷器内，两者成为一个整体。

蒸发器壳体24和焊接在壳体24上的两蒸发器端板21与盘管式蒸发器22和辅助气水分离过滤装置构成蒸发单元，对预冷的压缩空气进行冷冻干燥。盘管翅片式蒸发器22，翅片的间距为1.5～3mm，盘管翅片之间还布置有一定数量的绕流挡板，绕流挡板形状为带缺口的圆片，圆片上的管孔数量和直径与盘管数量和外径一致；蒸发器22蛇形盘管直径为10～25mm，盘管厚度为0.3～1.5mm。辅助气水分离过滤装置为金属丝网14，位于蒸发器部位排水管过渡内丝接口17上部；金属丝网14可以为铜丝网、不锈钢丝网等，目数为200～1000目，层数一般为3～8层，层数和目数成反比，本实施例中选择材料为不锈钢，丝网目数为800，丝网数量为6片。蒸发器壳体24开有冷媒管22进出口、蒸发器空气出口20、蒸发器部位排水管出口16、温度测量接口等开口，蒸发器端板21一端开有蒸发器空气进口11；温度测量接口和蒸发器部位排水管出口16穿过预冷器壳体9伸出一体式预冷蒸发器1机体外，温度测量接头13安装在温度测量接口中。蒸发器端板21为圆形，其外径与蒸发器壳体内径一致，材料为钢板、不锈钢板、铝板，或其他金属材质的板材。蒸发器壳体24由不锈钢管和不锈钢端板21焊接组成，焊缝必须保证密封性能。蒸发器壳体、蒸发器两端端板、空气进出气接管、排水管等各个连接处采用焊接与壳体密封连接，各接口都为管螺纹与支管密封。蒸发器壳体的直径可以为60～350mm，长度为220～1300mm，壁厚为2～8mm，材料为镀锌钢管、不锈钢管、铝管、或其他材质的金属管道，本实施例中选择蒸发器壳体24的直径为80mm，长度为400mm，壁厚为3mm，材料为镀锌钢管。所述空气进出口接管及排水接管可以为不锈钢管、镀锌管，或其他材质金属管道，直径为18～40mm，壁厚为1.5～5mm。

预冷器的壳体9和焊接在壳体9上的两预冷器端板23与装入两端板23孔内的热交换管18构成预冷单元；预冷器套接在蒸发器壳体24外面，两者成为一个整体，为类似套管式结构型式。预冷器壳体9开有空气进口管8、空气出口管10、预冷器部位排水管接口15；壳体外有保温层12。预冷器端板23为圆环形，其外径与预冷器壳体9内径一致，其内径与蒸发器壳体24外径一致，材料为紫铜板、黄铜板、钢板、不锈钢板、铝板，或其他金属材质的板材。预冷单元的两组预冷器热交换管18呈环形均匀分布在预冷单元内，蒸发单元外，装入两端板23孔内，预冷器热交换管18为光滑直管，也可以采用螺纹直管，直径为12mm，数量为60根，长度为500mm；预冷器热交换管18还可以是光滑壁不锈钢管、铝管、紫铜管、或其他金属材质管道等，管道直径为6～35mm，管壁厚度为0.35～5.0mm；热交换管18间有折流板19，折流板19为带缺口的圆环形。预冷器壳体外面的保温层厚度为20～50mm，材料为保温棉。预冷器热交换管18与预冷部分端板采用焊接固定密封，满足1.2MPa的密封压力要求。预冷器壳体的直径可以为80～600mm，长度为300～1500mm，壁厚为3～10mm，材料为镀锌钢管、不锈钢管、铝管、或其他材质的金属管道；本实施例选择预冷器壳体9的直径为135mm，长度为500mm，壁厚为3mm，材料为镀锌钢管。预冷单元也具有部分气水分离作用，分离后的水由配置的排水管排出。

本发明中，一体式预冷蒸发器1预冷单元管程内通未冷冻干燥的压缩空气，预冷单元的壳程内通来自蒸发器冷冻干燥以后的压缩空气，对进入热交换管内的压缩空气进行预先冷却；蒸发器对预冷的压缩空气进行冷冻干燥。

一体式预冷蒸发器1由预冷单元、蒸发单元、气水分离单元、排水单元组成，压缩空气冷冻干燥循环回路为：饱和的压缩空气直接进入一体式预冷蒸发器1内，首先进入预冷却单元与蒸发器出来的冷空气换热进行预冷，同时实现了部分水气分离，分离后的部分水由排水管排出一体式预冷蒸发器1外，这就减少了进入蒸发单元中压缩空气的含水量，部分降低了其露点温度，经过部分水气分离后的压缩空气再进入到蒸发单元内，在蒸发单元由冷媒进一步冷却到设定的露点温度以下，当空气冷却设定的露点温度以下后，空气的水蒸气就会凝结为夹带着尘和油的液滴，在蒸发单元下部蒸发器部位排水管过渡内丝接口17上部，有起到强化气水分离作用的金属丝网14，当冷干后的空气通过金属丝网14时，能够更加彻底的将凝结出的小液滴滤掉，由蒸发器部位排水管接口16排入自动排水器从而将其排出机外。干燥的、温度较低的空气返回到预冷单元，换热后温度有所上升，再排出冷干机外，升温后的压缩空气还可以避免机外的压缩空气管道结露，这样就完成了压缩空气冷冻干燥的循环。

所述的冷媒为制冷剂R22，也可以是其他的制冷剂或蒸发温度适当的冷媒，如R410A，R407C，R600a等。

压缩空气出口管10、蒸发器空气进口管11、温度测量接头13、预冷器部位排水管接口15、蒸发器部位排水管接口16、蒸发器部位排水管过渡内丝接口17、预冷器热交换管18、折流板19、蒸发器空气出管口20、预冷部分端板21、冷媒管、蒸发器壳体24等各个连接处采用焊接与壳体9密封连接，各接口都为管螺纹与支管密封，所有焊缝均需要承压1.2MPa，保压1小时，均不得泄露。

本发明的应用范围并不仅仅局限于冷干机，对于其他类似气气热交换过滤分离设备同样具有作用。

Claims (7)

1.一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：它包括一体式预冷蒸发器、冷凝器、制冷压缩机及其辅助连接管道，所述制冷压缩机、一体式预冷蒸发器冷媒管、冷凝器经辅助连接管道依次连接形成冷媒循环回路；所述的一体式预冷蒸发器为套管式集成式结构，包括蒸发器和预冷器，蒸发器套装在预冷器内，两者成为一个整体；预冷器在其壳体上设有压缩空气进出口和排水口，蒸发器在其壳体设有压缩空气出口和排水口，在其壳体端板设有压缩空气进口；预冷器的壳体和连接在壳体上的两端板与装入两端板孔内的热交换管构成预冷单元，对进入热交换管内的压缩空气进行预先冷却；蒸发器的壳体和连接在壳体上的两端板与盘管式蒸发器构成蒸发单元，对预冷的压缩空气进行冷冻干燥；所述的预冷单元管程内通未冷冻干燥的压缩空气，预冷单元的壳程内通来自蒸发器冷冻干燥以后的压缩空气，一体式预冷蒸发器的预冷单元、蒸发单元间形成压缩空气循环回路。

2.根据权利要求1所述一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：所述压缩空气循环回路上设置有过滤器，冷媒循环回路上有节流装置。

3.根据权利要求1或2所述一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：所述一体式预冷蒸发器的蒸发单元内设置有金属丝网辅助气水分离过滤装置。

4.根据权利要求1或2所述一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：所述一体式预冷蒸发器的蒸发器为盘管翅片式蒸发器，翅片的间距为1.5～3mm，盘管翅片之间还布置有绕流挡板，绕流挡板形状为带缺口的圆片，圆片上的管孔数量和直径与盘管数量和外径一致。

5.根据权利要求3所述一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：所述一体式预冷蒸发器的蒸发器为盘管翅片式蒸发器，翅片的间距为1.5～3mm，盘管翅片之间还布置有绕流挡板，绕流挡板形状为带缺口的圆片，圆片上的管孔数量和直径与盘管数量和外径一致。

6.根据权利要求1或2所述一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：所述预冷器内的热交换管呈环形分布在预冷单元的预冷器壳体内，蒸发单元的蒸发器壳体外。

7.根据权利要求3所述一种预冷蒸发一体式压缩空气冷冻干燥机，其特征在于：所述预冷器内的热交换管呈环形分布在预冷单元的预冷器壳体内，蒸发单元的蒸发器壳体外。

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