空气干燥器 工业干燥机原理及常识
2021年10月5日什么是 空气干燥器 ?干燥机常见的露点和相对湿度原理,空气干燥器的日常应用中的重要性,空气干燥机的其工作原理及常见种类有哪些?空气干燥器通过制冷、吸附、吸收、扩散和过滤去除水分。每种空气干燥器类型都有其可达到的露点温度范围以及一系列优点和缺点。
一:什么是空气干燥器?
空气干燥器是一个系统或一系列设备的统称,其用于除去空气中的水分,特别是压缩空气设备的水分。环境空气的相对湿度通常约为 30% 至 50%。压缩空气在较小的体积中包含更多的水分。这会将相对湿度增加到 100%,而无法保持的多余水分会凝结。
含水量高的空气不利于工厂运行和下游设备的可靠性,因为它会导致工艺流污染、仪表部件过早失效和磨损、设备腐蚀等。
压缩空气并不是唯一需要去除水分的过程。其他工业和生产制造过程中去除水分较为重要的一些例子是脱水、烘焙、工业干燥、食品脱水、蒸汽加热和清洁。这些过程需要不同类型的干燥机,主要用于去除产品或物料中的水分,使其干燥、坚固和纯净。用于这些应用的干燥器通过传导、对流和辐射的基本传热原理运行。空气干燥的不同之处在于它通过冷冻、吸附、吸收、扩散和过滤去除水分。
二:露点温度和相对湿度
露点温度是在设备空间其中空气被水蒸汽饱和的温度。在此温度下,空气中的水蒸气开始凝结并沉淀在物体表面,例如管道壁、储罐内部或干燥产品的表面。
另一方面,相对湿度是空气中当前水蒸气浓度与最大浓度的比率或百分比。该值取决于温度。在 100% 的相对湿度下,由于空气已经饱和,因此无法保持额外的水分。100% 相对湿度下的温度也是露点温度。
可以通过升高或降低温度来控制相对湿度。但是,水蒸气的量和露点温度仍然相同。
露点温度是表征空气干燥的更常用术语,因为它与水分含量直接相关。高露点温度意味着空气更湿,水更容易凝结。以露点温度为 3°C(或 37°F)的某个干燥装置为例。这意味着干燥装置会去除空气中的水分,从而在环境空气温度高于 3°C 时不会发生冷凝。
重要的是要注意压力会影响露点温度。更高的压力意味着更高的露点。用于描述压力变化状态(非大气压)下露点温度的术语是压力露点。
三:空气干燥器的重要性
空气干燥器是压缩空气系统的重要组成部分。水分和冷凝是空气压缩不可避免的副产品。水会在压缩机单元内冷凝和积聚,也会流到下游的设备和过程中。以下是使用空气干燥器的一些优点。
- 去除水污染:在使用高纯度压缩空气的行业中,水污染是一个严重的问题,例如激光切割和焊接、等离子体生成、微电子生产、食品和药品制造、喷丸、喷漆和涂层。水以及其他污染物会根据压缩空气的使用方式产生各种影响。一个例子是激光切割,它使用空气来冷却谐振器——一种产生高强度光束的组件。当使用受水污染的空气时,冷却效率会降低,从而导致过热和能量损失。
- 防止积水:通常,压缩空气完全被水饱和。降低其温度或进一步压缩和加压会导致扩散的水蒸气沉淀。当在这种状态下向下游设备供应压缩空气时,设备内的小腔或凹陷处存在积水的风险。积水会影响敏感设备(例如测量和监控设备)的运行。
- 减少腐蚀:水进入设备内部会导致钢表面腐蚀。管道、储罐、容器、鼓和混合设备内部构件会因饱和空气的冷凝而积聚水。这会促进设备内表面的腐蚀,从而导致产品或工艺流污染。
- 防止冻结:压缩空气系统中的沉淀水会结冰。它们会卡住阀门和测量设备的气动执行器的运动部件。生产线上积水的冻结会破坏产品或加工流体的流动。
- 提高气动或气动设备的效率:气动工具和设备使用来自压缩空气的能量来驱动气动马达或涡轮机。例如气动研磨机、钻机、手提钻等。水会在这些设备的内部形成污垢,从而降低气动马达提供的功率。
- 抑制微生物生长:压缩空气用于食品和饮料行业进行产品混合和输送。来自压缩空气系统的水会携带微生物,导致食物污染和变质。制药厂需要质量更严格的空气,因为少量杂质可能会破坏整批产品。
四:空气干燥机的种类及工作原理
如前所述,空气干燥器通过制冷、吸附、吸收、扩散和过滤去除水分。干燥机需要对热进行控制,通过制冷元件或 加热元件 进行控温,常见的各种类型的空气干燥器及其操作原理如下。
冷冻干燥机
冷冻式干燥机是一种干燥机,其工作原理是将空气流冷却到足以冷凝水蒸气的温度。该温度通常等于或低于露点温度。压缩空气通常处于饱和状态,这意味着它具有最大的保持水分的能力。在这种状态下,它的温度也与环境温度相同或高于环境温度。由于温度较高的空气比冷空气能容纳更多的水,因此冷却通过降低空气的持水能力来去除水。这迫使多余的水蒸气沉淀或冷凝。
制冷剂空气干燥器适用于大容量应用。然而,它们在去除水分方面不如其他干燥器有效。冷冻干燥机可以达到 2 至 3°C(35 至 37°F)的露点温度。
冷冻式干燥机可分为两个系统:空气回路和制冷回路。
空气回路:
空气回路是从空气中去除水蒸气的系统。其过程涉及以下操作:
- 使用流出的干冷空气对流入的湿热空气流进行预冷却。
- 进一步将空气冷却至 3°C 或 37°F 左右的温度以冷凝水蒸气。
- 使用进入空气的热量加热干燥的冷空气。
空气侧过程的三个主要部件是空气对空气的热交换器、空气对制冷剂的热交换器和冷凝水排放管。空气对空气换热器是一种热回收装置,用于将热量从进入的热空气传递到排出的冷空气。这种热回收过程通过降低制冷循环的冷却负荷和消除加热元件来提高温度和降低排出空气的相对湿度,从而提高了干衣机的效率。
空气-制冷剂热交换器,或蒸发器,是主要的冷却单元,其在等于或低于其露点降低空气的温度。温度越低,去除的水分就越多。典型的目标温度约为 3°C 或 37°F。这个温度足够低,可以去除空气中存在的大部分水分,但又足够高,可以防止任何沉淀物冻结。冻结会中断通过设备的空气流动并减少通过冷却盘管传递的热量,从而造成问题。这可以通过添加辅助组件(例如,PTC加热器、FPC电热膜、铝板加热板、云母加热板等电伴热装置)来解决。
空气侧装置的底部是一个防尘罩、排水管或水分离器,冷凝水通过自动启动的排水阀从系统中积聚和排出。
制冷回路:
制冷回路是为干衣机提供冷却以产生冷凝的系统。该系统使用称为制冷剂的工作流体,该工作流体经历吸热(蒸发)、压缩、排热(冷凝)和膨胀的连续循环。空气与制冷剂的交换发生在吸热阶段,其中制冷剂通过热交换器的一侧,而空气通过另一侧。在这个阶段,制冷剂最初处于过冷的液体形式,然后通过热空气传递的热量蒸发。
冷冻式干燥机可根据其蒸发装置的类型和操作方式进行分类。以下是两种主要类型的冷冻式干燥机。
直接膨胀(非循环)冷冻式干燥机:
直接膨胀式或 DX 冷冻式干燥机是最常见的类型,它们由基本制冷循环组成,其中热量直接从空气传递到制冷剂。没有中间组件,例如水管或水库。使用的制冷剂通常是基于卤化碳的化合物(氟利昂),并在闭路系统中运行。这使得它们比其他类型更便宜、更紧凑。尽管负载条件不同,DX 冷冻式干燥机通常仍以固定速度连续运行。因此,从长远来看,它成为一种不太经济的投资。然而,现在可以使用循环和变速 DX 冷冻式干燥机,它可以在低需求期间关闭或降低其压缩机速度。
热质量(循环)冷冻式干燥机:
在这种类型中,中间介质用于从热空气流而不是制冷剂中吸收热量。这种中间介质充当冷库,通常由水和乙二醇的混合物或其他材料(如沙子或粘土)组成。当热质量从热空气中获得热量时,另一个热交换器用于吸收这种能量。热交换器的另一侧是DX型制冷回路或来自空气冷却器或冷却塔的冷却水供应。热质冷冻式干燥机作为循环式干燥机运行,其优点是在获得足够的热质冷却时关闭。这样可以降低运营成本,抵消所需的高投资。
除湿干燥机
除湿干燥机使用吸湿材料从空气中捕获水分。这些被称为干燥剂的材料是干燥的固体颗粒,利用吸附原理工作。这些材料的表面具有孔隙,作为通过分子间吸引力吸附某些分子的位点。这种材料的这种能力特别被称为物理吸附。市场上常见的物理吸附干燥剂有二氧化硅和活性氧化铝(分子筛)。这些干燥剂以粉末状、粒状或珠状形式供应,利用与空气接触的更大表面积。
另一种类型的干燥剂通过化学反应起作用。这些类型的材料被称为化学吸附干燥剂,其表面对水分子具有很强的亲和力。与通过分子间力起作用的物理吸附干燥剂相反,化学吸附化合物通过产生新的化学键与水分子结合。广泛使用的化学吸附干燥剂是氧化钙。
除湿干燥机是最有效的空气干燥机类型之一。它们可以达到低至 -40°C (-40°F) 的露点温度。
干燥剂干燥器由一个或多个装有干燥剂材料的容器组成。容器内部是内部组件,例如筛网、托盘或床,用于在允许空气通过的同时容纳或固定干燥剂。空气通常在容器底部引入并在顶部排出。随着空气的供应和干燥,干燥剂变得饱和,这会降低其捕获水分的能力。在达到此状态之前,进行再生阶段以恢复其干燥效果。
再生是通过加热和吹扫去除干燥剂表面捕获的水分子的过程。具有连续操作特性的除湿干燥机通常至少有两个容器。一个处于干燥阶段,而其他处于再生阶段。
再生通过三种不同的方法完成:压力摆动、压缩热和鼓风机再生。所使用的再生方法代表了除湿干燥机的类型。
变压吸附式干燥机:
这种类型的干燥器通过将一些排出的干燥空气导入再生容器来去除干燥剂中吸附的水分。由于吸附是一个放热过程,干燥空气的温度足以清除干燥剂中的水分。这种再生过程不需要外部热源,例如电加热器或蒸汽。这被称为无热干燥机设计。然而,当吸附热不足时,采用外部加热。
压缩热干燥器:
在这种类型的干燥机中,不是重新引导一些干燥的空气,而是使用来自压缩机排放的空气。由于压缩热,直接来自压缩机的湿热空气温度升高。在某些设计中,这种热量足以再生而无需外部加热。这是最节能的再生方法,因为没有干空气损失,并且采用无热(无外部加热)设计。
鼓风机再生除湿干燥机:
这种类型的干燥器使用外部加热的大气进行再生。干燥机橇有一个集成的鼓风机,可引导空气通过电或蒸汽加热盘管。这种设置使用了最大的额外能量,因为它不利用或回收压缩和吸附过程产生的热量。
潮解干燥机
与通过吸附工作的干燥剂干燥机相比,潮解干燥机利用吸收原理。这种类型的干燥器还使用吸湿性材料,该材料在吸收水分时会逐渐溶解,因此称为潮解性。潮解干燥器的露点温度可达 -7°C (20°F)。
用于潮解干燥器的常用干燥介质是盐类,例如氢氧化钠、氢氧化钾和氯化钙。干燥介质由制造商在专有成分下配制。
用于潮解干燥器的容器的操作类似于干燥剂干燥器的容器。该容器具有由筛网或托盘容纳的吸湿材料床。热湿空气也在容器底部供应并从顶部排出。主要区别在于干燥介质的行为。潮解干燥介质不会变得饱和。相反,它会随着水溶解和液化材料而消耗掉。液化的溶液落在容器底部,在那里被收集和排出。
由于干燥介质被消耗,容器不能再生。干燥介质定期补充,确保性能可靠。由于没有干燥和再生相移,因此无需移动部件即可运行。它可以在电力供应不可用、不安全或不切实际的偏远和危险地点被动运行。
膜式干燥机
膜式干燥机通过让潮湿的空气通过由半透性材料制成的细管或中空纤维来去除水分。这些中空纤维被捆绑在一个带有多个开口的罐中,用于压缩空气供应、干燥空气排放和湿气排放。膜式干燥机的效果与露点可达 -40°C (-40°F) 的除湿干燥机一样有效。
湿空气从膜罐的一侧引入,在另一端作为干燥空气排出。流动是由这两端之间的压力梯度驱动的。当潮湿的空气穿过滤罐时,水分子会渗透到纤维的膜壁中。膜的这种半渗透作用是由浓度梯度驱动的。水倾向于以更快的速度迁移到中空纤维外部的水分浓度较低的一侧。
浓度梯度只是一种膜扩散机制。其他机制包括通过孔扩散和分子筛分。
为了保持纤维壁上的浓度梯度,部分干燥空气排放被引导到膜壁的另一侧。这种干燥的空气排放流携带着穿过膜的水分子流向罐的排气口。
膜干燥器适用于需要可靠和连续运行而无需自动控制或外部干预的应用。这些干衣机不需要外部电源或控制单元来运行。它们还可以产生高质量的干燥空气,因为它们具有去除水分和其他污染物的固有效率。然而,与其他干燥器相比,膜干燥器的容量有限。高压损失也是一个问题,因为空气必须被迫穿过成束的纤维。
凝聚式干燥机
聚结干燥器用作过滤装置,可捕获微小的水滴,而不是分散在压缩空气流中的水蒸气。这些设备不仅可以捕获水,还可以捕获其他亚微观污染物,例如油和颗粒物。因此,它们被更广泛地称为过滤器而不是干燥器。
聚结干燥器和过滤器的工作原理取决于三种机制:扩散、拦截和撞击。扩散是亚微观粒子或气溶胶随机且独立于大量空气流移动的能力。当这些亚微观粒子随机移动时,它们最终会碰撞并粘附在过滤器表面上。水滴积聚在过滤器的表面并形成更大的质量,然后从过滤系统中滴落下来。
对于微观尺度上的粒子和气溶胶,它们的运动不那么随机,并且与气流一起流动。这些污染物通过拦截机制被去除。撞击过滤的工作原理是将它们捕获在纤维之间的间隙中。
对于较大的污染物,如水滴,则由撞击机制决定。随气流移动的水滴由于质量较大而具有较高的惯性。当它们与过滤纤维碰撞时,它们会被困住并与其他水滴一起积聚。
聚结干燥器的设计取决于目标污染物的大小和去除效率。对于大量的水去除,通常的设计是薄的、多层的、波纹板堆叠在一起以在它们之间形成微小的间隙。通过撞击从气流中去除水。
聚结干燥器通常与其他空气干燥器一起使用。它们直接作为压缩机或后冷却器之后的预干燥装置。这是为了减轻干燥负荷并去除可能使主干燥单元的干燥介质失效的污染物。它们用于干燥剂和膜干燥器的上游。
对于冷冻干燥机和潮解干燥机,聚结干燥机在下游更有用。这是因为水蒸气冷凝产生的水滴和潮解物质液化产生的盐水溶液可以与排放气流一起移动。空气流中夹带的水滴对下游设备造成的问题比水蒸气的存在更大;因此,需要聚结干燥器。
结论:
- 空气干燥器是一种系统或设备,用于去除空气中存在的水分,尤其是压缩空气。它们对于维持下游设备的可靠运行很重要。
- 露点温度是空气中水蒸气饱和时的温度。这是用于表征空气干燥的术语,因为它与水分含量直接相关。
- 另一方面,相对湿度是空气中当前水蒸气浓度与最大浓度的比率或百分比。
- 空气干燥器通过制冷、吸附、吸收、扩散和过滤去除水分。每种空气干燥器类型都有其可达到的露点温度范围以及一系列优点和缺点。