CN1307499A - 冷干燥的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种冷干燥含有水蒸汽的气体的方法,所述的气体被导向通过热交换器(1)的次级部分(1A),热交换器的初级部分是一个冷却回路(3)的蒸发器(2),该冷却回路(3)还包括一个由电动机(4)驱动的压缩器(5),一个冷凝器(6),和设在冷凝器(6)的出口和蒸发器(2)的进口之间的一个膨胀装置(7),和上述冷却回路(3)按照负载的函数来控制,使得调节冷却能力而不会在蒸发器(2)中结冰,其特征在于所述的冷却回路(3)通过调节电动机(4)的转速来控制。

Description

冷干燥的方法和装置
本发明涉及冷干燥含有水蒸汽的气体的方法，其中该气体导引通过一个热交换器的次级部分，该热交换器的初级部分是一个冷却回路的蒸发器，该回路还包括一个由电动机驱动的压缩机、一个冷凝器、设在冷凝器的出口和蒸发器的进口之间的膨胀装置，其中冷却回路按照负载的函数被控制，使得冷却能力得到调节而在蒸发器中不结冰。
这种方法用于干燥压缩空气。
由压缩器供应的压缩空气在多数情况下饱和水蒸汽，换言之，相对湿度为100％。这意味着在最低温降下有冷凝。冷凝水引起管和工具的腐蚀，并使设备过早地磨损。
这就是为什么压缩空气用冷干燥来干燥，这种干燥可用上述方式进行。除压缩空气外的其它种类的空气和其它的气体可以以这种方式干燥。
冷干燥基于的原理是通过降低温度使空气或气体中的水份冷凝，之后冷凝水在液体分离器中分离出，之后空气或气体再加热，结果该空气或气体不再饱和(水分)。热量通过蒸发器中的冷却回路排出。
该方法也可用于除空气外的其它气体，下面每次提及空气，同样也可用于空气外的其它气体。
实践中，有一个ISO标准用来测定可能的露点和相应的最低的空气温度作为参考值。
为了防止最低的空气温度低于0℃，和因此防止蒸发器冻冰，一个必要的条件是蒸发器的温度要高于0℃。
在这方面，按照已知的方法，在蒸发器的进口测量温度，或者由于在冷却回路中的专门的冷却液体在蒸发器的温度和压力之间有限定的关系，可在蒸发器的前后测量压力。
冷却回路受控制使得蒸发器的温度和蒸发器的压力有要求的值，例如蒸发器的压力与比要求的最低气体温度(LAT)低几度，但是不低于0℃的温度相应。
按照这些已知的冷干燥方法，以一个恒定频率驱动的、冷却回路中的压缩器的电动机。按照压缩器的温度的函数而通电或断开。如果蒸发器的压力降低太多，电动机停止转动。如果当膨胀值仍然开放时，蒸发器的压力增加太多，电动机再起动。
这种调节使当负载低于冷却能力压缩器可以断开，结果降低了能量消耗。过剩的冷却能力以热质量储存起来。但是，这种调节是很不利的。因为在小负载的情形下，压缩器连续地通电及断电，同时蒸发器的压力及露点剧烈地波动。而且，冷干燥器必须构造得比较大。
另一种已知的方法包括在热交换器的次级部分的出口测量空气的最低的温度(LAT)，和在温度将要降到低于0℃时断开冷却回路中压缩器的电动机。这种方法中电动机也是反复通电及断电，因此有前面方法的同样缺点。
调节蒸发器压力的另一种可能的方法包括选择足够大的蒸发器和通过旁路把压缩器出口的热气体带回到压缩器的进口。
这种调节方法的缺点在于：由于压缩器电动机连续工作，当没有负载或负载低时，能量消耗等于名义负载下的能量消耗，因为在冷却回路中高低的压力被连续地保持在一个稳定的水平。
本发明的目的是提供一种没有上述及其它缺点的用于冷干燥气体的方法，这种方法可以简单的方式节省能量，而在冷却回路中没有压力的变化及对压缩器及压缩器电动机没有太多的磨损。
按照本发明，实现上述发明目的是通过调节电动机的转动速度控制冷却回路。
代替反复对电动机通电及断开，而采用调节其速度。通过增加电动机的转动速度，可泵送更多的冷却液体的质量流，因此可以得到更高的冷却输出。
可以测量蒸发器的温度，而上述冷却回路可以按照蒸发器测量温度的函数得到控制。
按照另一个实施例，可以测量蒸发器的压力，而上述冷却回路可按照蒸发器的测量压力的函数得到控制。
按照另一个实施例，可以测量气体的最低温度，而上述冷却回路可按照最低气体温度的函数来控制。
按照再一个实施例，可以测量气体的露点，而上述冷却回路可按照该露点的函数来控制。
优选地，通过改变供电的频率调节电动机的转动速度。
按照本发明的一个专门实施例，对环境温度进行测量，而电动机的转速按照测量的环境温度的函数进行调节。
在高的环境温度下，空气或气体比较热，比冷的状态下可含有更多的水份，不必要在热交换器中把空气或气体冷到3℃以得到干燥的空气或气体。
因此，上述冷干燥器的能量消耗太高，因此要求大而贵的元件以便供应冷却输出。考虑到所述的环境温度，要求的冷却输出必须保持更低，使冷干燥器可制成体积不太大。
优选地，压缩器的电动机的转动速度调节成在蒸发器出口的较低的空气或气体温度比测量的环境温度低20℃，但不低于3℃。
假定当输入的空气或气体的相对温度为50％，有在管和设备中腐蚀的危险，而上述的控制装置可以保证所述的相对湿度不高于50％。
本发明也涉及特别适于实施上述方法的冷干燥装置或冷干燥器。
本发明特别涉及一种冷干燥装置，包括一个热交换器，其初级部分是一个冷却回路的蒸发器，该回路还包括一个由电动机驱动的压缩器、一个冷凝器、设在冷凝器出口和蒸发器进口之间的一个膨胀装置、一个控制上述电动机的控制装置和与其连接的测量装置，其中热交换器的次级部分是气体管的一部分，和一个液体分离器设在所述的热交换器的出口，在所在的管中，所述的冷干燥装置包括调节电动机转速的装置，而所述的控制装置按照测量装置的测量值的函数控制这些装置。
测量装置可设在冷却回路上，和它们可以是测量蒸发器温度或压力的装置。
但是，测量装置也可以设在气体管道上，在热交换器的次级部分或其下游，控制装置可以是测量气体的最低温度或测量露点的装置。
优选地，调节电动机转速的装置包括一个变频器。
按照本发明的一个具体实施例，冷干燥器含有测量环境温度的装置，该装置与控制装置连接，和该控制装置设成使它按照测量装置测量的值的函数和按照测量环境温度的装置测得的温度的函数进行控制。
为了更好地解释本发明的特点，参照附图对本发明的冷干燥器的一些最佳实施例进行说明，这些实施例只作为举例说明而已，并不是对本发明的限制，附图中：
图1示出本发明的冷干燥装置的方框图；
图2是类似图1的方框图，但是表示本发明的另一个实施例。
图1示意地示出的冷干燥装置包括一个热交换器1，其初级部分形成一个冷却回路3的蒸发器2，在冷却回路中还包括一个由压缩器5驱动的电动机4、一个冷凝器6和一个膨胀阀7。
冷却回路充以冷却流体，如氟里昂404a，该流体的流动方向由箭头8表示。
该热交换器1的次级部分1A是要干燥的湿空气管9的一部分，湿空气的流动方向由箭头8表示。
在热交换器1的后面，也就是在其出口，有一个液体分离器11设在管9中。
在管9到达热交换器1之前，管9的一部分可延伸穿过一个预冷却器或同流换热热交换器12，和在液体分离器11后，与上述部分逆流再延伸穿过同流换热热交换器12。
热交换器1是一个液体/空气热交换器，从结构观点看，可与一个例如是空气/空气热交换器的同流换热热交换器12形成一个整体。
膨胀阀7是一个恒温阀，该阀的恒温元件通过一个铜导管13与设冷却回路3的蒸发器2的出口上的一个温度计14连接，该铜导管13也充满了同样的冷却液体。
按照没有在图中示出的一个变型，该阀是一个电子阀，但是该阀与设在蒸发器2的远端或后面的温度计连接。
在小的冷干燥器中，膨胀阀7可用一个毛细管代替。
压缩器5是一个容积压缩器，该压缩器在不变的转速下供应一个几乎不变的体积流，该压缩器例如是一个螺旋压缩器，而电动机4是一可通过改变频率而改变其转速的电动机。
而且电动机与一个变频器15连接，该变频器15由包括一个机内的比例积分微分控制器(简称为PID控制器)16的控制装置控制。
按照第一实施例，PID控制器16通过一管17与测量装置18连接，以测量蒸发器的压力，该测量装置例如是一个压力变送器，压力范围为-1到12巴，该变送器把压力变成一个电信号，特别转换成电流，该测量装置设在蒸发器2的进口或出口，在图中由虚线表示。
按照第二实施例，PID控制器16通过一管19与测量装置20连接，以测量蒸发器的温度，该测量装置例如是一个设在冷却回路3中的热电偶，该热电偶设在蒸发器2的进口，因此在蒸发器2与膨胀阀7之间。
实际上，对于确定的冷却流体，在蒸发器的温度和压力之间有限定的连接。温度越高，压力越大。严格地讲，这个关系不是线性的，但是在工作场地，也就是在0℃-25℃之间，与直线的偏离实际上可忽略。
在两个实施例中，PID控制器16通过一管21与装置22连接以测量环境温度，该装置把温度转换为一个电信号，更具体地为一个电流。
下面说明冷干燥器的工作：
要干燥的空气通过管9进入，也就是通过热交换器1，与在冷却回路3中的蒸发器2中的冷却流体逆流。
在该热交换器1中，湿空气被冷却，结果形成冷凝水，在液体分离器11中被分离出。
在液体分离器11后面含少量水份的但相对湿度仍为100％的已冷却空气在同流换热热交换器12中加热，结果相对湿度降到约50％，而要干燥的新鲜空气在供入热交换器1之前已在热交换器12中部分冷却。
因此在同流换热热交换器12的出口的空气比在热交换器1的进口的空气更干燥。
为了防止蒸发器结冰，在热交换器1中的空气冷却到不低于3℃，该温度是最低环境温度(LAT)。
在高的环境温度下，LAT可以较高，和可冷却到比环境温度低20℃的最低环境温度(LAT)，但在任何情形下不低于3℃。
如果LAT太高，意味着没有足够冷却，和因此没有把水分足够冷凝到充足地干燥空气。
所述的LAT处在比测量装置20测量的蒸发器的实际温度高2-3℃。
通过按照测量装置20测得的蒸发器的温度的函数调节电动机4的转速可以达到上述的LAT条件，在一个实施例中由PID控制器16和由其控制的变频器15来调节，而在另一个实施例中按照测量装置18测得的压力的函数调节电动机4的转速。
冷却输出等于在冷却回路3中循环的冷却液体的质量流，乘上热交换器1的前后的空气的热含量差。通过增加电动机4的转速，压缩器5可以泵出更多的质量流，和因此可以在同样的热含量差下可以有较大的输出。质量流是压缩器5的体积流乘以在吸入状态下冷却流体的密度，该密度本身随蒸发器的温度和过热而变化。
PID控制器16通过调节转速调节测得的温度和压力，使得该温度比上述LAT低几度，但是仍高于零度，而蒸发器的压力相应地达到与比LAT低几度的温度相应，和例如是等于1℃，因此对于氟里昂404a，蒸发器的压力约为5.2巴。
这样，冷却输出被调到负载。
由于装置22也测量环境温度，与其连接的PID控制器16可以考虑该温度。
借助于PID控制器16和由其控制的变频器15，电动机4的转速可调节成只要环境温度较低(特别低于23℃)，可满足上述条件，因此在热交换器1的次级部分1A的出口上的LAT约为3℃，而在较高的环境温度下，LAT比装置22测得的环境温度低20℃。
蒸发器的压力的设定点为比要求的LAT低几度。通过从环境温度减去22℃得到的温度可校正为PID控制器16的设定点。
在PID控制器16中可设定一个最小及一个最大设定点，其中最小设定点为1℃。当校正PID控制器16时，可通过例如一控制板或一个模拟输入调节该设定点。
频率在例如30-75赫之间调节。
冷干燥装置的最小负载比较小，因为在较高的环境温度下，LAT可高于3℃，结果冷却输出降低，和装置的元件不太贵并且可节省冷却流体。
在冷凝器6中，由于压缩而在压缩器5中加热的冷却流体被冷却直到成为液态，因而可使用风扇或冷却水把热量排到环境中。
当冷凝器6中的压力太高时，电动机4自动断电。
在冷凝器6后面，冷却液体的流体可以收集在一个容器中和/或可以由另外的热交换器进一步冷却。
由于有膨胀阀7，冷却液体的流体膨胀到稳定的蒸发压力，这自然导致温度降低。
膨胀阀7仅控制蒸发器2中的过热，应注意蒸发器2总是任选地使用，但膨胀阀7不能用来控制蒸发器的压力或温度。
通过使用一个恒温膨胀阀7，在蒸发器2后面总是过热，因此没有冷却液体进入压缩器5的危险，因此在冷却回路3中不需要一个液体分离器，和因此限制了冷却流体的量。
通过在蒸发器2(内平衡)前或在蒸发器(外平衡)后，把蒸发器的温度减去测温计14测得的温度可测得该过热。该差值由膨胀阀7与一个设定值比较，和在偏离的情形下，膨胀阀7可打开或关闭而来纠正该值。
过热的程度对LAT有影响，但是我们可假定该过热被膨胀阀保持在一个比较稳定的水平。
如果需要，过热的影响可由例如一种主动/从动控制电路来考虑。从动控制电路是PID控制器16的上述控制，而主控制电路可按照实际的LAT的函数调节蒸发器的压力或温度的设定点，因此如果由于在蒸发器2后的过热太高使LAT保持太高，控制电路可例如降低设定点。
虽然蒸发器的压力或温度通过改变转速来调节，在负载为零时，可以完全关闭电动机4，例如通过把一个温度传感器放在热交换器1中，如果蒸发器温度降到零度，就关闭电动机4，和当温度升高到3℃时，再重新起动。
图2中表示的本发明的实施例与上述实施例的不同点在于用来测量蒸发器压力的测量装置18和/或用来测量设在冷却回路3上的蒸发器的温度的测量装置20已被用来测量最低空气温度(LAT)的测量装置代替了。
这些测量装置23已设在管9上，可设在例如在蒸发器2的表面的热交换器的次级部分1A中，或如图中，设在热交换器1的下游，例如在热交换器1和液体分离器11之间。
PID控制器16与测量装置23连接，或与用来通过管21测量环境温度的装置22连接。
在该实施例中，PID控制器16按照测得的最低空气温度LAT的函数，控制变频器15及因而控制电动机的转速。
测量LAT提供的主要优点在于冷却流体的温度可低于0℃，而蒸发器不会结冰，也就是，在蒸发器的空气侧没有结冰，因为这个现象由LAT确定。
由于在冷却流体侧，蒸发器有低的温度，例如-5℃，和主要温差例如为8℃(在+3°～-5℃之间)，可以在没有结冰的危险下进行蒸发，热交换器1可以制成很紧凑。
如果测得的最低空气温度LAT上升或下降，PID控制器16将命令电动机的速度相应增加或减小使得只要由温度计22测得的环境温度低，特别低于23℃，该测得的LAT温度不会低于3℃，以便确保蒸发器2不结冰。
由于这一控制，因此冷却按照负载调节，使得在冷却流体侧的蒸发器温度可降到低于零度而在空气侧蒸发器不会结冰。结果，不仅使电动机的能量消耗限制到很小，而且热交换器1可制成比较紧凑，这也意味着装置成本的降低。
在该实施例中，蒸发器2中的过热由膨胀阀7控制，膨胀阀可使冷却流体膨胀。
虽然最低的空气温度通过改变电动机4的转速来调节，在该实施例中在零负载的情形下也可以完全关闭电动机4。
按照上面实施例的一个变型(在图中未示出)测量最低空气温度的测量装置23由测量所述空气的露点来代替。这种测量装置或露点计市场有售，此处不详细说明。
代替测量LAT，在同样位置测量空气的露点。操作与上面的操作类似，因此调节电动机4的速度使得热交换器1中的冷却最佳化，但是防止蒸发器2结冰。
本发明不限于附图所示的上述实施例，相反地，在本发明精神范围内可对冷干燥的方法和装置作出各种改型。
特别是，代替PID控制器16，控制装置可包括其它的控制器，例如PI或P控制器。虽然优选地考虑环境温度限制装置的输出，但是按照一个更简单的实施例，可以仅仅按照蒸发器温度、蒸发器压力、最低气体温度或气体的露点的函数调节电动机4的转速。
代替湿空气，其它含水蒸汽的气体也可以同样的方式及同样的装置干燥。因此LAT是最低气体温度。

Claims (22)

1.一种冷干燥含有水蒸汽的气体的方法，所述的气体被导向通过热交换器(1)的次级部分(1A)，热交换器的初级部分是一个冷却回路(3)的蒸发器(2)，该冷却回路(3)还包括一个由电动机(4)驱动的压缩器(5)，一个冷凝器(6)，和设在冷凝器(6)的出口和蒸发器(2)的进口之间的一个膨胀装置(7)，和上述冷却回路(3)按照负载的函数来控制，使得调节冷却能力而不会在蒸发器(2)中结冰，其特征在于所述的冷却回路(3)通过调节电动机(4)的转速来控制。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于测量蒸发器的温度，和上述冷却回路(3)按照测得的蒸发器的温度的函数来控制。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，所述的电动机(4)的转速调节成使蒸发器的温度比最低的气体温度(LAT)低2-3℃。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于测量蒸发器的压力，和上述冷却回路(3)按照测得的蒸发器的压力的函数来控制。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于蒸发器的压力保持在与比最低的气体温度(LAT)低2-3℃的温度相应的压力，而所述的最低气体温度(LAT)保持在至少为3℃。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于测量最低气体温度(LAT)，上述控制回路(3)按照最低气体温度(LAT)的函数控制。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于在热交换器(1)的冷级部分(1A)的出口测量最低气体温度(LAT)。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于测量气体的露点，上述控制回路(3)按照气体的露点的函数来控制。
9.按照上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述的冷却回路控制成使得在冷却流体侧蒸发器的温度降到零度以下，而该蒸发器的空气侧不会结冰。
10.按照上述权利要求中任一项的方法，其特征在于通过改变供电电流的频率调节发动机(4)的转速。
11.按照上述权利要求中任一项的方法，其特征在于测量环境温度，根据测得的环境温度，调节电动机(4)的转速。
12.按照权利要求11的方法，其特征在于压缩机(5)的电动机(4)的转速调节使得在蒸发器(2)的出口的最低气体温度比测得的环境温度低20℃，但不降到低于3℃。
13.按照上述权利要求中任一项的方法，其特征在于冷却流体由蒸发器(2)之前的一个膨胀阀(7)膨胀，在蒸发器(2)之后方测量过热，并与一个设定值比较，在有偏离的情形下，通过打开或关闭膨胀阀(7)来校正。
14.按照上述权利要求中任一项的方法，其特征在于在热交换器(1)和液体分离器(11)后，要干燥的气体在同流换热的热交换器(12)中被供入第一热交换器(1)中的要干燥的气体加热。
15.一种用于冷干燥的装置，包括一个热交换器(1)，该热交换器的初级部分是一个冷却回路(3)的蒸发器(2)，冷却回路(3)还包括一个由电动机(4)驱动的压缩器(5)、一个冷凝器(6)、一个设在冷凝器(6)的出口和蒸发器(2)的入口之间的膨胀装置(7)，一个用于控制上述电动机(4)的控制装置(16)和与其连接的测量装置(18、20、23)，而热交换器(1)的次级部分(1A)是气体管(9)的一部分，一个液体分离器(11)设在所述的热交换器(11)的出口，在所述的管(9)中，其特征在于所述的冷干燥装置包括调节电动机(4)转速的装置(15)，而所述的控制装置(16)按照测量装置(18或20)测得的值的函数控制这些装置(15)。
16.按照权利要求15的装置，其特征在于所述的测量装置(20)设在所述的冷却回路(3)上，和是测量蒸发器温度的装置。
17.按照权利要求15的装置，其特征在于所述的测量装置(18)设在所述的冷却回路(3)上，和是测量蒸发器压力的装置。
18.按照权利要求15的装置，其特征在于所述的测量装置设在热交换器(1)的次级部分(1A)上或其下游，设在气体管(9)上，和是测量最低气体温度(LAT)的装置。
19.按照权利要求15的装置，其特征在于所述的测量装置设在热交换器(1)的次级部分(1A)上或其下游，和是测量露点的装置。
20.按照权利要求15-19中任一项的装置，其特征在于所述的调节电动机转速的装置包括一个变频器(15)。
21.按照权利要求15-20中任一项的装置，其特征在于还包括与控制装置(16)连接的用来测量环境温度的装置(22)，所述的控制装置(16)按照所述的测量装置(18、20、23)测量的值的函数和按照装置(22)测得的环境温度的函数调节电动机(4)的转速。
22.按照权利要求15-21中任一项的装置，其特征在于所述的控制装置是一个PID控制器(16)、一个PI控制器或一个P控制器。
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