高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析

發(fā)布時(shí)間:2022-05-01 23:06人氣:

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析一、能源安全的嚴(yán)峻形式與節(jié)約能源的意義 全球氣候變暖,中美貿(mào)易摩擦,化石能源日漸枯竭,世界經(jīng)濟(jì)有逆全球化發(fā)展趨勢(shì)在這動(dòng)蕩不安的世界,各國(guó)都在加強(qiáng)自我安全保護(hù),尤其是......

  一、能源安全的嚴(yán)峻形式與節(jié)約能源的意義
  全球氣候變暖,中美貿(mào)易摩擦,化石能源日漸枯竭,世界經(jīng)濟(jì)有逆全球化發(fā)展趨勢(shì)……在這動(dòng)蕩不安的世界,各國(guó)都在加強(qiáng)自我安全保護(hù),尤其是能源安全。我國(guó)自2014年以來(lái),一直強(qiáng)調(diào)能源安全是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問(wèn)題,對(duì)國(guó)家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會(huì)長(zhǎng)治久安至關(guān)重要。我國(guó)是世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),如何確保國(guó)家能源安全、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,始終是能源事業(yè)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題。
  近5年來(lái),雖然經(jīng)過(guò)全國(guó)各層級(jí)的努力,取得了“全國(guó)能源消費(fèi)總量年平均增速為2.2%,單位GDP能耗共下降20.3%”的好成績(jī)[1],但與先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的單位GDP能耗相比,還存在相當(dāng)大的差距。那么,節(jié)能就是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路,也是保障我們這樣人口大國(guó)能源安全的重要舉措之一。
  二、設(shè)計(jì)高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)的價(jià)值
  據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),冷凍式干燥機(jī)(冷干機(jī))每年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)臺(tái),且目前市場(chǎng)上保有量在幾百萬(wàn)臺(tái)之多。依此數(shù)據(jù),我們按每臺(tái)平均為10kW(對(duì)照69m3/min處理量)、保有量150萬(wàn)臺(tái)推算(冷干機(jī)壓縮機(jī)的功率在0.4~52kW,流量在0.9~269m3/min):
  1、冷干機(jī)本身每年的能耗為:10kW*1,500,000臺(tái)*8600小時(shí)/年=129,000,000,000kW/h=1290億度電,若是能節(jié)約20%,則年節(jié)約258億度電。所以,唯有通過(guò)各種科學(xué)管理方式與技術(shù)手段,才能降低冷干機(jī)的運(yùn)行功耗。
  2、冷干機(jī)進(jìn)出氣的壓差越大,那么要在冷干機(jī)出口處要獲得同等量壓縮空氣時(shí),需要空壓機(jī)的供氣量越大,則其消耗的能耗將增加。常規(guī)數(shù)據(jù)是壓差1bar即0.1MPa 對(duì)應(yīng)空壓機(jī)多消耗約7%的能耗。目前市場(chǎng)上冷干機(jī)的壓差普遍都在0.03MPa,若是能降至0.01MPa,則可降低空壓機(jī)1.4%的能耗。根據(jù)以往的數(shù)據(jù)推測(cè),空壓機(jī)年耗電約為8000億度,則可節(jié)級(jí)省8000億*1.4%=112億度電。壓差的產(chǎn)生,一方面由于氣流路徑上客觀存在的各種阻力造成的,另一方面是由冷干機(jī)設(shè)計(jì)不科學(xué)的原因造成的。
  3、排水裝置的壓縮空氣損耗:自動(dòng)排水器是冷干機(jī)中一個(gè)易損零部件,使用不當(dāng)或長(zhǎng)久使用后會(huì)出現(xiàn)“長(zhǎng)放不關(guān)”或“長(zhǎng)關(guān)不放”,兩個(gè)極端相反的故障。當(dāng)發(fā)生“長(zhǎng)排不關(guān)”時(shí),壓縮空氣從此處大量泄出,造成氣量的浪費(fèi)。當(dāng)發(fā)生“長(zhǎng)關(guān)不放”時(shí),則凝結(jié)水積聚在蒸發(fā)器中,使成品氣露點(diǎn)上升或排氣帶水,制冷系統(tǒng)負(fù)荷也會(huì)因蒸發(fā)器積水而增大,兩者都將對(duì)能耗產(chǎn)生巨大的影響。
  從以上簡(jiǎn)要的三個(gè)方面來(lái)看,設(shè)計(jì)與制造高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)意義。
  三、何為節(jié)能型冷干機(jī)
  節(jié)能是基于對(duì)比而言的,主要是新型冷干機(jī)與傳統(tǒng)冷干機(jī)進(jìn)行對(duì)比,還有第N代新型冷干機(jī)與第N-1代冷干機(jī)進(jìn)行對(duì)比,還有不同品牌的冷干機(jī)進(jìn)行對(duì)比即。
  1、對(duì)比同樣處理量、相同出氣品質(zhì)的情況下壓損要小,即壓差就?。?/div>
  2、對(duì)比同樣處理量、相同出氣品質(zhì)的情況下,誰(shuí)的功耗最?。?/div>
  3、對(duì)比同樣處理量、相同出氣品質(zhì)的情況下,誰(shuí)造成的壓縮空氣損耗最小。
  四、設(shè)計(jì)節(jié)能型冷干機(jī)的部分理論基礎(chǔ)
  1、壓縮空氣流經(jīng)過(guò)直管段和各種管件時(shí)所受到的阻力是不同的,產(chǎn)生的能量損失(主要是壓損)也不同。
  1)摩擦損失:空氣在管段上流動(dòng)時(shí),由于管壁的摩擦作用以及由此引起的氣體內(nèi)部摩擦形成了管道對(duì)氣體流動(dòng)的摩擦阻力。為克服摩擦阻力而造成的能量損失,即為摩擦損失。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析
  式中:r ——摩擦阻力系數(shù)(注:流動(dòng)狀態(tài)不同, 則不同);
  i——管道長(zhǎng)度,m;
  d——管道內(nèi)徑m,對(duì)于非圓形管道取當(dāng)量直徑 de

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析
  ——動(dòng)壓頭,
  2)局部損失:壓縮空氣經(jīng)管件、閥門(mén)及進(jìn)出口等局部阻礙物時(shí)氣體發(fā)生變形,如擴(kuò)張、收縮、拐彎等,主要是因?yàn)楣鼙诘募眲∽兓箟嚎s空氣管內(nèi)流速重新分布,在分布過(guò)程中流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生更多的摩擦和碰撞,從而消耗一部分能量。另外,流速變化過(guò)程中產(chǎn)生漩渦也要消耗主流體的部分能量。為克服局部阻力而產(chǎn)生的能量損失稱(chēng)為局部損失。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析
  式中: ——局部阻力系數(shù),其余同上
  摩擦阻力和局部阻力我們歸結(jié)為流通阻力,流通阻力越大,空氣的壓力降也越大。壓縮空氣的質(zhì)量流速和凈化裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響流通阻力的主要因素。
  3)管束阻力:壓縮空氣在通過(guò)諸如熱交換器內(nèi)部管束時(shí)產(chǎn)生的能量損失,是由許多局部阻力和摩擦阻力所形的綜合壓力損失。當(dāng)壓縮空氣流過(guò)一組與氣流前進(jìn)方向垂直的管束時(shí),其阻力損失大小與管束的排數(shù)、排列方式、雷諾數(shù)等因素有關(guān)。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析
  式中: ——氣體在管束窄縫內(nèi)的流速,m/s
  ——整個(gè)管道的阻力系數(shù)。
  2、蒸發(fā)器(換熱器)材質(zhì)選用,銅管與304L不銹鋼的比較
  制冷劑在流過(guò)蒸發(fā)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失,使壓縮機(jī)的吸氣壓力降低,制冷量隨之下降。為了避免這一情況發(fā)生,在設(shè)計(jì)蒸發(fā)器時(shí),要適當(dāng)選擇換熱管的內(nèi)徑和制冷劑的流速、流程數(shù),當(dāng)前市場(chǎng)上換熱管有兩種材質(zhì)選擇。
  1)銅管的導(dǎo)熱系數(shù)是100W/m℃,不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)為13W/m℃,如果其他條件相同,銅管的換熱效果更好;
  2)銅管因?yàn)閺?qiáng)度和磨損原因,壁厚不能低于1.2mm ,不銹鋼管的壁厚可以薄到0.5-0.8mm左右。根據(jù)導(dǎo)熱熱阻定律,導(dǎo)熱系數(shù)不變,壁管厚度越小,導(dǎo)熱熱阻越小,傳熱系數(shù)越大,所以不銹鋼管的可以通過(guò)減小壁厚來(lái)減小和銅管之間的總體傳熱系數(shù);
  3)雖然不銹鋼管通過(guò)減小壁厚來(lái)縮短和銅管之間的總體傳熱系數(shù),但是也僅僅是縮短,總體來(lái)說(shuō),還是銅管的熱換效果更好;
  4)隨著時(shí)間的增長(zhǎng),銅管氧化層會(huì)越來(lái)越厚,內(nèi)部污垢也會(huì)越來(lái)越多,傳熱效果會(huì)越來(lái)越差。而不銹鋼基本不會(huì)氧化,就算氧化也比較緩慢,因此,銅管的熱換效果從一開(kāi)始比不銹鋼管的好。隨著時(shí)間的推移,熱換效果會(huì)越來(lái)越差,使用很長(zhǎng)時(shí)間的銅管熱換效果比不銹鋼管的差。
  總而言之,304L不銹鋼管與銅管如果同時(shí)投運(yùn),運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),304L不銹鋼管的經(jīng)濟(jì)性能將會(huì)比銅管越來(lái)越更好,適合于高端冷干機(jī)。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析
  3、預(yù)冷器設(shè)計(jì):實(shí)質(zhì)上,冷干機(jī)是由兩個(gè)換熱器構(gòu)成的復(fù)合式換熱器,其有三種狀態(tài)不一樣的流體參與了換熱。預(yù)冷器里,熱流體是溫度較高的飽和壓縮空氣,冷流體是冷卻后的干燥壓縮空氣,兩者水當(dāng)量極為接近。在蒸發(fā)器里熱流體是溫度已預(yù)先降低的飽和壓縮空氣,冷流體是低壓冷媒。蒸發(fā)器由獨(dú)立的制冷系統(tǒng)提供冷源,而預(yù)冷器的冷源則來(lái)自被蒸發(fā)器冷卻了的壓縮空氣,因而不具有獨(dú)立性,所以,在整個(gè)熱交換過(guò)程中預(yù)冷器的作用是回收制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的部分冷量,客觀上可以減少整機(jī)的能量消耗。如上圖所示熱交換過(guò)程。
  但冷、熱氣流在預(yù)冷器中發(fā)生的熱交換完全受制于運(yùn)行條件,即熱氣流終端溫度降幅受到限制,冷氣流終端溫度升幅也受到限制。這一現(xiàn)象依靠增加換熱面積是不能改變的,所以,必須正確設(shè)計(jì)預(yù)冷器,才不僅節(jié)能,而且成本可控。
  4、氣水分離器設(shè)計(jì),通常在蒸發(fā)器與預(yù)冷器之間安裝有氣水分離器,用于在壓縮空氣二次進(jìn)入預(yù)冷器前把空氣中混雜的水滴水霧預(yù)以清除,它是冷干機(jī)中一個(gè)不可或缺的重要部件。在冷干機(jī)中用得最多的是擋板式分離器,雖然成本低廉,不占空間,但會(huì)給壓縮空氣帶來(lái)壓力損失。設(shè)計(jì)合理的氣水分離器,可以有效減輕壓縮機(jī)的負(fù)荷工作量,起到一定的節(jié)能降耗的效果。
  總結(jié)
  隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)趨向高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)型,企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步趨向于“高質(zhì)低價(jià)”的區(qū)間。在人力成本不斷增長(zhǎng)的前提下,節(jié)約能源消耗,降低能耗成本;提升產(chǎn)品的耐用性,降低運(yùn)維成本以及提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,降低次品率等是保障企業(yè)擁有“高質(zhì)低價(jià)”產(chǎn)品生產(chǎn)能力的有效措施。2019年1月1日起已正式實(shí)施《壓縮空氣站能效分級(jí)指南》(CGMA 033001-2018)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和規(guī)范了壓縮空氣站的能效檢測(cè)、計(jì)算和能效等級(jí)的評(píng)定,將來(lái)壓縮空氣站將像空壓機(jī)設(shè)備一樣,標(biāo)上“幾級(jí)能效”。那么,設(shè)計(jì)出高效節(jié)能型冷干機(jī)必將助力高效能型壓縮空氣站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。

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