CN103263822B - 一种压缩空气冷却干燥装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气冷却干燥装置，属工业生产领域。该系统采用紧凑式相变换热器用于降低空气压缩后的温度，实现压缩空气的冷却；采用高压水分离器分离出压缩空气冷却后产生的游离水，实现压缩空气的干燥。紧凑式相变换热器和高压水分离器均为航空领域成熟的产品，具有效率高、性能稳定、可靠性高等优点。该技术可降低系统的体积和重量，并能大幅度降低系统的能量消耗。可广泛应用于压缩空气干燥冷却的各个场合。

Description

一种压缩空气冷却干燥装置

技术领域

本发明公开了一种压缩空气冷却干燥装置，属工业生产领域。

背景技术

由于具有易储存、易控制、流动性好以及安全、环保等优点，压缩空气作为动力源，被广泛地应用于电力、纺织、冶金、化工、建材、机械加工等诸多领域。压缩空气的产生则依赖于空气压缩机，一般地，通过自身容积的变化，空气压缩机实现了对所吸入空气的压缩，从而产生具有一定压力的压缩空气。而空气的压缩过程则可近似地看成是热力学上的等熵压缩，空气自身压力增大的同时，温度也大幅度地提高。研究表明，活塞式空气压缩装置的出口温度可达140℃以上。如此高的温度，难以满足绝大多数工业生产的使用需求，因而需对空气压缩装置出口的空气进行冷却降温；同时，由于空气冷却后，会出现冷凝水，如何有效地去除压缩空气中的冷凝水也是空气压缩系统设计、制造单位必须考虑的重要问题之一。

通过对市面上的压缩空气系统进行调研可知，现有的压缩空气制造系统多采用蒸气压缩制冷循环(VCS)装置对压缩空气进行冷却。蒸气压缩制冷循环系统均需使用制冷剂，运行过程中难免存在损耗和泄露，需定期补充、加注，而制冷剂的泄露也会造成环境破坏。同时，蒸气压缩制冷循环装置也需配备相应的冷凝装置。常见的压缩空气冷却装置有风冷冷凝器和水冷冷凝器两种。风冷冷凝器安装方便，不需要配备冷却水系统，节水环保。与水冷冷凝器相比，风冷式冷凝器的尺寸较大、冷凝温度高，换热效果差。而水冷机组则需耗费大量的水，同时换热器内还易积垢产生污垢热阻，降低换热效率甚至影响换热过程的正常进行，严重的甚至出现锈蚀，影响设备运行安全。

同时，受湿空气自身物理性质的限制，压缩空气降温冷却后，会出现大量的游离水，游离水的存在会导致管道、阀门以及储存容器罐体的锈蚀，影响设备的正常使用甚至是运行安全。因而，需要去除其中的水分，对压缩空气进行干燥。

当前的压缩空气干燥系统多利用多孔介质的吸附特性，采用吸附式干燥装置。吸附式干燥装置的结构复杂，系统阻力大，吸附材料需要电热再生，再生过程也会耗费大量的电能。同时，吸附剂还存在中毒的隐患，后期维护工作量大、成本高。此外，水自身的潜热极大、其蒸发过程能带走大量的压缩热。调研表明，现有系统均未将压缩空气中的冷凝水有效地回收利用，而是直接排出系统，造成了巨大的浪费。如能回收这部分冷凝水，并用于压缩空气的降温过程，将能最大限度地减少冷却空气的使用量，降低系统的能耗和运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型压缩空气冷却干燥装置，该装置能有效地完成压缩空气的冷却和除水过程，进而能大幅度地降低压缩空气制造系统的能耗与运行维护成本。

其优点在于：

(1)本发明所涉及的装置结构简单，技术成熟，易于集成，系统的可靠性高，可维护性好；

(2)使用了紧凑式换热器，在同等外形尺寸和重量的情况下，紧凑式换热器的换热面积更大，效率更高；

(3)使用了高压水分离器，能有效地分离压缩空气中的游离水，降低干燥装置的除湿负荷，同时还能防止金属罐体的锈蚀；

(4)回收了冷凝水用于冷却压缩空气，能大幅度降低冷却空气的使用量、系统制造的材料消耗量以及能耗。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图1中标号名称：

1、电机，2、压气机，3、紧凑式相变换热器，4、高压水分离器，5、储气罐，6、干燥过滤器，7、用气设备，8、喷头，9、离心风机。

图2为紧凑式换热器的结构简图。

图3为高压水分离器的结构简图。

具体实施方式

本发明所涉及的核心设备主要有：压气机、紧凑式相变换热器、高压水分离器以及储气系统、干燥装置。下面结合图1对该系统的实施方式进行论述。

如图1所示，从环境中抽吸的空气在由电机1驱动的压气机2中进行压缩达到预设的压力后排出压气机并送入紧凑式相变换热器3的热边进行降温冷却，冷却后的空气会析出冷凝水，冷凝水跟随气流进入高压水分离器4，压缩空气经高压水分离器分离除水后注入储气罐5储存，在用气设备端使用干燥过滤器6进行进一步干燥过滤后即可使用。冷却空气在离心风机9的驱动下，对压缩空气进行冷却。从高压水分离器4分离出来的水则通过喷头8雾化后伴随冷却空气喷到紧凑式相变换热器3的冷边，蒸发并吸收压缩空气的热量，实现压缩空气的降温。

可行性分析

本发明利用了湿空气在同样的温度条件下，压力越高，水蒸气的饱和含湿量越低的热力特性，提出并设计了一套压缩空气冷却干燥系统。发明人对该系统实施的可行性进行了理论计算，对应系统各组件的性能参数如表1所示：

表1系统主要部件的性能参数

对压缩空气流量G_a＝1000kg/h，环境温度为T_e＝35℃、对应不同相对湿度条件下的多种工况进行热力计算，所得结果如表2所示：

表2系统性能计算结果

其中，压缩空气放热量(Q_total)为压缩空气冷却过程中与环境空气之间的换热量，分水量(G_w)为高压水分离器的分离除水量，蒸发吸热量(Q_water)为冷凝水回喷后的蒸发吸热量，蒸发吸热效能(Q_water/Q_total)则为水的蒸发吸热量占压缩空气放热总量的比例。

由表2可知，冷凝水有一定的蒸发吸热效能。同时，当环境空气相对湿度越大(此时，压缩空气系统的除湿负荷也越大时)，该套系统越能有效地去除压缩空气中的游离水。采用一定的技术手段将水喷回换热器后又能最大限度地吸收压缩空气的热量，减少冷却空气的使用量，进而降低系统的电能消耗。

Claims (4)

1.一种压缩空气冷却干燥装置，其特征在于：由电机(1)，压气机(2)，紧凑式相变换热器(3)，高压水分离器(4)，储气罐(5)，干燥过滤器(6)，用气设备(7)，喷头(8)和离心风机(9)组成；系统工作流程如下：环境空气在压气机(2)中压缩达到预设的压力后排出并送入紧凑式相变换热器(3)的热边放热，冷却并析出冷凝水的压缩空气在高压水分离器(4)中分离除水后注入储气罐(5)，从高压水分离器(4)分离出来的水则通过喷头(8)雾化后混入环境空气作为冷却工质回喷到紧凑式相变换热器(3)的冷边，实现压缩空气的降温。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：利用紧凑式相变换热器(3)以环境空气为冷却工质以降低压缩空气的温度，环境空气的动力源为离心风机(9)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：采用航空领域的高压水分离器(4)在紧凑式相变换热器下游分离除水。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：将高压水分离器(4)分离出来的水通过喷头(8)回喷到紧凑式相变换热器(3)的冷边。