压缩空气乾燥设备性能测试方法与测试系统建置.docx
《压缩空气乾燥设备性能测试方法与测试系统建置.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压缩空气乾燥设备性能测试方法与测试系统建置.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
压缩空气乾燥设备性能测试方法与测试系统建置
壓縮空氣乾燥設備性能測試方法與測試系統建置
摘要
本研究參考壓縮空氣乾燥設備性能測試之國際標準ISO7183-2007，建立一套高壓空氣吸附元件性能測試系統於工研院綠能所實驗室，使其各項參數（溫度、壓力、溼度、流量、潔淨度）之均勻度與穩定性皆可符合國際標準，並將其應用於本研究團隊目前正極積開發之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試，以收集相關性能數據與操作參數、耗能驗証與可靠度測試，以做為將來高效率壓縮空氣乾燥設備產品之設計依據，同時可提供國內相關空壓機乾燥設備廠商，做為吸附材料或乾燥設備開發時之測試驗證平台。
一、前言
完整的壓縮乾空氣系統包括空氣壓縮機、儲氣桶、乾燥設備、過濾設備、輸送管線與壓力閥件等元件設備。
由於空氣經過空壓機壓縮後，空氣中所含大量水汽會產生凝結水，加上氣流中微量的雜質與油污，將對精密儀器、氣動工具、氣動設備、儀錶、管路、食品與藥物製程等造成嚴重傷害。
故高壓空氣系統的除溼與濾淨處理程序，已成為生產高品質壓縮空氣之必要手段。
壓縮空氣水汽去除機制，主要是藉由空氣桶冷卻凝結、冷凍式乾燥機與吸附式乾燥機等設備加以分離去除，其中工業常見的乾燥設備有冷凍式乾燥機、無熱式雙塔吸附式乾燥機、加熱式雙塔吸附式乾燥機、廢熱回收式吸附乾燥機等。
一般大氣經空氣壓縮機後，約有65.5%的水氣量會因空氣壓縮冷卻後凝結所排除、30%由冷凍乾燥機冷凝去除，其餘約4.5%水分才由吸附式乾燥機去除。
由於冷凍乾燥機最低可處理的濕度為壓力露點約2℃，因此無法提供高壓空氣極低露點-40℃以下之需求，必須藉由吸附式乾燥機才能將壓力露點處理至-40℃甚至是-70℃以下，然而吸附式乾燥機需耗費較高能量用於吸附劑再生，故成為吸附式乾燥器主要缺點。
傳統吸附式乾燥機為雙塔並聯之乾燥桶（內裝吸附劑）所組成，當其中一個進行氣體除濕時，另一個則進行再生，再生完成後冷卻備用並交替循環使用。
吸附劑種類有矽膠、活性氧化鋁、沸石等，目前仍唯有使用分子篩才將壓力露點溫度降低至-70℃以下，得到露點極低壓縮空氣。
無熱式吸附乾燥機之耗能主要源於吸附劑再生需求所致，因此目前有多種改良型式吸附式乾燥機問世。
傳統無熱式乾燥設備，其再生方法引入乾燥後壓縮空氣直接進行再生，通常5~15分鐘完成一次再生切換循環，並消耗總供氣量中15～25%的高經濟價值的壓縮空氣，有些不當作操作甚至會高達50%再生氣耗，故其操作費用極為昂貴。
改良型式乾燥設備分別有A.加熱式＋空壓氣體吹淨再生，耗氣3～7%的壓縮空氣；B.加熱式＋鼓風機常壓空氣吹淨再生;C.採用空壓機廢熱回收再生，降低加熱元件之能耗。
為改善吸附式乾燥設備之耗能，本研究則開發通電直熱式平行通道式吸附元件技術，擬藉由通電直熱方式將熱量直接傳遞至吸附劑孔洞內部脫附水汽分子，其與傳統電熱加熱高壓空氣後再生吸附劑相比，可大幅降低管件熱損失與吸附劑加熱不均之問題，估計節能效益潛力約可達30%。
表1為冷凍乾燥機與各類吸附乾燥機之使用範圍、初設成本與運轉費用比較表。
表1、各種乾燥設備之使用範圍、初設成本與運轉費用比較表
型式
大氣露點（℃）
初始費用
運轉費用
耗氣
（%）
配合空壓機
（HP）
A、冷凍乾燥機
5~-5
低
低
0
皆可
B、無熱式（高壓空氣體吹淨再生）
-20~-40
低
高
10~15
400以下
C、加熱式（高壓空氣吹淨再生）
-40~-70
中
中
3~7
75~500
D、加熱式（外加鼓風機吹淨再生）
-40~-70
高
低
0
200以上
E、熱回收式（空壓機廢熱或冷凍機廢熱再生）
-20~-40
高
極低
<2
20以上，且熱源負載率需＞80%
除以上不同的吸附材的再生型式外，在吸附式乾燥機的運作上，控制方式的不同亦對能源消耗有不同的影響。
一般最為常見者採固定時間再生週期控制，即以設定時間之方式進行吸附材再生；如每小時進行吸附材再生一次等。
另一種較節能方式則以壓力露點溫度監測來進行控制，其再生週期不為定值，此方式雖然固定時間再生較為節能，但缺點在於需額外昂貴線上壓力露點感測器。
二、壓縮空氣乾燥設備性能測試標準
本研究為了建立一套高壓空氣乾燥設備及其吸附元件性能測試系統，將參考壓縮空氣乾燥設備性能測試之國際標準ISO7183，其屬於ISOTC118SC4WG1之國際高壓空氣氣體濾淨處理與其性能測標準架構下之乾燥設備性能測試標準;而其相關ISO高壓空氣氣體濾淨處理與性能測標準如圖1所示。
其中ISO8573-1為高壓空氣氣體潔淨分級標準，依污染物分成氣態污染物（如氨、硫化物等）、水氣、油滴、塵粒、生物（菌類、孢子等）。
而一般工業所使用高壓空氣潔淨品質，則偏重水氣、油滴、塵粒之潔淨度控制，其等級區分如表2所示。
圖1、ISO有關空壓氣體濾淨處理標準
表2、高壓空氣潔淨等級表
國際標準ISO7183-2007（Compressed-airdryers-specificationsandtesting）標準規範適用高壓空氣範圍為0.5bar~1.6bar，適用類型有冷凍式（refrigeration）乾燥設備、吸附式（adsorption）乾燥設備、薄膜式（membrane）乾燥設備或兩種以上的組合。
各項性能量測參數包含a.壓力露點、b.氣體流量、c.壓損、d.空壓氣耗損失、e.能源耗損、f.噪音等。
在進行高壓空氣乾燥設備之性能測試，其標準測試條件如表3。
其中所有性能測試，入口空氣清淨度要求需符合表2中，油氣等級4（≤5mg/m3），塵粒等級4（1.0μm≤粒徑≤5.0μm，數量≤1000）。
若乾燥器需前置過濾器以維持上述要求，則需全程含有過濾器下進行測試。
圖2即為ISO7183-2007高壓空氣乾燥設備性能測試系統示意圖。
藉由上、下游的壓力露點溫度量測即可獲得上、下游氣體水汽濃度，進一步計算出乾燥設備除溼乾燥能力;而氣流流量的量測，可獲得處理風量大小與再生氣耗損失。
表3、高壓空氣乾燥設備之標準性能測試條件
項目
單位
參數值a
容許
誤差b
選項A1c
選項A2c
選項B
入口溫度
℃
35
38
45
±2
入口壓力
表壓kPa（bar）
700（7）
700（7）
700（7）
±14（0.14）
入口相對溼度
％
100
100
100
0-5
氣冷入口溫度
℃
25
38
35
±3
水冷入口溫度
℃
25
29
25
±3
環境溫度
℃
25
38
35
±3
乾燥器
入口流量
佔額定流量％
100
100
100
±3
a.參數值需保持於實際錶測值。
b.選項A或B將依設備放置地點所決定。
c.選項A1適用於溫帶區，選項A2適用於熱帶區。
圖2、ISO7183標準之高壓空氣乾燥設備性能測試系統示意圖
圖3、壓降測試管路佈置圖
a.露點溫度（溼度）測試
高壓空空乾燥設備測試之氣源供應，依據表3要求其幾乎需相對溼度100%之飽和狀態，濕度的量測需注意準確度與穩定性。
待測試條件穩定後再進行出口露點測量取值，當壓力露點平均值小於0℃時，其最大值與最小值變化差值需小於0.5℃;而壓力露點平均值大於0℃時，則其差值需小於1℃。
b.壓損測試
乾燥設備之總壓損（totalpressureloss）量測需按表3測試條件於額定流量下測得。
測試管路佈置如圖3所示，若乾燥設備含有過濾器等零件，則壓損測試時，必須將過濾器一併含入，並須待過濾器達穩定後才可取值。
c.耗能測試
耗能係指乾燥設備所使用之各種能源總合，例如吸附式乾燥器可使用蒸氣當再生熱源或是使用電力驅動之鼓風機，故耗能通常為二者之總合。
測試報告中以數次循環週期（至少1次）之監測平均值當作其耗能值。
而各項耗能計算方式與說明如下:
電能（WE）以千焦耳（KJ）表示，瓦時計精度要求±1％以內，由公式
（1）計算。
WE=PAV×tDC
（1）
其中PAV：
由公式（3）計算1次循環週期之平均功率，kW
tDC：
1次乾燥循環週期時間，sec
蒸氣能量（WS）為收集1次循環週期之蒸氣凝結水，代入公式
（2）計算出，單位千焦耳（kJ）。
WS=m×LV
（2）
m：
1次循環週期收集之蒸氣凝結水量，kg。
LV：
於該溫度/壓力下輸入蒸氣汽化潛熱，kJ/kg。
平均需求功率計算方法如公式（3），將總輸入能源除以1次乾燥循環週期。
PAV＝Wsum/tDC（3）
Wsum：
總輸入能源（WE+Ws），kJ
tDC：
1次乾燥循環週期時間，sec
d.耗氣測試
針對系統氣耗損失（systemairloss）部分，若乾燥器使用高壓空氣來進行吸附劑再生，對空壓系統將造成氣耗損失。
一般氣耗損失分成兩部分，分別為洩壓排放損失（blow-downloss）與再生吹淨損失（purgeloss），其中洩壓排放損失，主要因脫附再生過程，乾燥桶槽內需將壓力狀態由高壓降為1大氣壓時，桶內之高壓氣體將排放至大氣造成氣耗損失。
（i）再生乾燥器之洩壓排放損失
洩壓排放損失一般發生於再生初期，係乾燥器由高壓洩放至常壓之排氣損失。
由於瞬間高壓空氣排至大氣，高速氣流恐易造成流量計損壞。
故不建議使用儀器量測方式來獲得洩壓排放損失量。
故由公式（4）可計算出洩壓排放損失體積量（VBL,m3）。
VBL＝VV×[（Ps-Pregn）/Pref]×n（4）
其中VV：
容器體積，m3
Ps：
系統絕對壓力，bar
Pregn：
再生絕對壓力，bar
Pref：
參考大氣絕對壓力，bar
n：
完成1次循環週期之排放次數
（ii）再生乾燥器之吹淨損失
再生吹淨損失為已處理好高壓乾燥氣體，分流出一部份做為再生用之吹淨氣體總體積。
因此對系統是一種損失，在再生階段時，因一部分流量被引流做再生吹淨氣流，故乾燥器出口流量將小於入口流量。
再生吹淨流量量測佈置如圖4。
當進行吹淨流量量測時，不可同時進行壓力露點量測，因為清除氣流會有背壓產生，將影響測試結果。
而再生吹淨氣耗損失（VPL），其計算公式如公式（5）所示
VPL＝qPF×tPF（5）
VPL：
再生吹淨氣耗損失，m3
qPF：
吹淨流量，m3/sec
tPF：
1次循環週期之總吹淨氣流時間，sec
圖4、再生吹淨流量之量測佈置圖
由於吸附式乾燥設備具有雙塔切換系統，因此再生耗能、吹淨氣耗損失與噪音等測試值皆呈現週期變化。
故測試數據需加以平均，並記載瞬間峰值，以防止乾燥器設計時，以平均耗能選用而忽略瞬間峰值將造成系統過載，造成管線流量不足。
故壓力、溫度、流量等參數平均值X，可以公式（7）計算獲得。
X=
/
（7）
xi：
時間i間距之測值
ti：
時間間距，單位秒（sec）
tTOT：
總共時間，單位秒（sec）
n：
取值數，n值>30
值得注意的是由於壓力露點值與水汽濃度非呈現線性關係，故壓力露點平均值，須先換算成水汽濃度或絕對溼度後取平均值，再將此平均值換算回壓力露點值，才是壓力露點平均值。
測試結果除了標示出平均露點溫度外，亦須備註最溼狀態壓力露點溫度值。
為了避免管路中空壓氣流擾動影響壓力量測，工程實務上採用如圖5所示。
量測該截面之平均靜壓值。
管內壁上、下、左、右4點靜壓，透過直徑1.5mm孔共通於外環溝通道，通道中再開1/4吋PT內牙接孔接壓力計。
圖5、標準壓力量測管示意圖
表4則為此標準規範中各項量測儀器設備精確度之要求。
例如不同的壓力露點量測範圍，其相對應之精確度略有不同，若量測試範圍>-10℃以上，則精確度要求±0.5℃以下;而壓力露點量測範圍愈低（-40℃~-100℃），則精確度要求愈寬（±2℃）。
其他如壓力量測，亦針對不同範圍，有不同的精度要求。
表4、ISO7183之測試儀器與設備精確度規範
參數
範圍
精度a
壓力露點
℃
-100~-40
±2
-40~-10
±1
-10以上
±0.5
壓力
錶壓（bar）
0.5≤p≤2
±0.01
2≤p≤16
±0.1
壓差
bar
任意
±0.01
溫度
℃
0~100
±1
流量
l/s
任意
±3％
功率
W
任意
±1％
水流量
L/s
任意
±5％
a於測試條件下之精度值，另外所有電力讀值要求精度2％
三、工研院吸附式乾燥設備性能測試系統建置與設計
本研究參考上述國際標準ISO7183-2007，已完成建立一套高壓空氣乾燥設備及其吸附元件性能測試系統於工研院綠能所實驗室，其各項參數（溫度、壓力、溼度、流量）之穩定性測試皆符合國際標準，如圖6與圖7所示，並將其應用於本研究團隊目前正極積開發之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試。
表5為本研究高壓空氣乾燥設備性能測試系統之主要設備。
本系統性能測試範圍能力如下。
壓力:
1~8atm（錶壓）
流量:
0~3.6CMM（FreeAirDelivery）
入口氣源濕度:
-25~25℃（壓力露點溫度）
出口壓力露點量測範圍:
-65~25℃
測試艙體直徑:
10cm
圖6、高壓吸附元件性能測試系統之溫度、壓力、露點穩定性測試圖
圖7、高壓吸附元件性能測試系統之供氣流量穩定性測試圖
表5、本研究高壓乾燥設備元件性能測試系統之主要元件設備
項目
設備選用規格
供氣源
30HP氣冷螺旋式（screwtype）微油變頻空壓機系統＋儲氣桶＋乾燥機（冷凍＆吸附）＋過濾器
壓力計
YOKOGAWA型號：
EJA430A;
精度：
span≧3kgf/cm2，±0.065%ofspan
溫度感測器
Ttype熱電偶φ3.2mm;精度：
±0.5℃
溼度感測器（露點計）
GENERALEASTERN型號：
1311DR-SR
露點量測範圍:
-65~25℃;精度：
±0.2℃
壓力量測管件
根據ISO7183進行製作，成品如圖10所示
流量計
YOKOGAWA型號：
DY040
精度：
流速≦35m/s±1%ofvalue；
35m/s＜流速≦80m/s±1.5%ofvalue
圖8為本研究之高壓空氣氣源供應系統圖，氣源由30HP氣冷螺旋式微油變頻空壓機系統所提供，並藉由轉切閥由儲氣桶後、或經冷凍機後與吸附乾燥機後，引出3道不同濕度狀態之高壓空氣供應後端吸附元件進行測試，如圖9可分成高濕（dp-8℃）、中濕（dp-22℃）、低濕（dp-42℃）。
若需更多組不同濕度參數變化，則利用2道不同濕度氣流進行氣流配比調整混合，以調控出高壓空氣所需之溼度，來進行測試。
圖10則為本研究之壓力量測管製作實體照片，其中壓力與濕度量測時，分別將採樣口連結至壓力計與露點計;而溫度量測則利用熱電偶直接固定於管壁進行監測。
其接口大小皆為1/4吋PT內牙接孔。
在完成高壓空氣氣源供應系統配製後，依據ISO7183標準，完成吸附元件性能測試段之管路設計與製作，如圖11所示。
本測試段前後加漸擴與漸縮導管，將經壓力測試管內氣流均勻流經測試段待測物，防止氣流集中於中央區造成偏差。
測試設備測試段為內徑約20cm可與導管拆開以安裝元件待測物，但氣流只通過中央截面10cm正方形區域，外圍10~20cm環狀區域為安裝電極、溫度感測器等線路使用空間。
圖12為本研究通電直熱吸附雛型元件本體。
複合吸附元件性能測試段之裝置剖面圖，則如圖13所示，其中利用法蘭與o型密封環，可將氣流限縮於中央區域，測試吸附元件本身並無氣密外殼，而是由外側艙體提供高壓氣密。
由於本研究所開發之複合吸附元件具有通電直熱特性，因此複合吸附元件所連結之電線、熱電偶線等將直接穿過艙體經高壓氣密接頭密封來連接外部相關裝置。
測試艙外殼除電極通過外，另為記錄吸附劑內溫度變化，亦佈置數條T-type熱電偶，穿過測試艙外殼，每段測試艙外殼總計設有8孔（2分PT內牙）。
圖8、高壓空氣氣源供應系統圖
圖9、高壓吸附元件性能測試段之供氣源示意圖
圖10、壓力量測管之設計與製作實體照片
圖11、複合吸附元件性能測試段之實體照片
圖12、通電直熱吸附雛型元件照片
圖13、通電直熱吸附元件於測試艙內安裝照片
為了探討10公分通電直熱吸附雛型元件於不同壓力下脫附之再生特性，本研究利用高壓空氣流量150LPM（FAD），先以高濕（dp-8℃）氣流進行吸溼，達飽和後再以高壓低濕（dp-42℃）氣流，元件通電加熱至135~140℃進行脫附再生。
測試結果如圖14。
此次測試歷時約160分鐘。
上游露點約-27℃，下游露點於吸附材未加溫前約-21℃，加溫後升至-8℃左右，並隨時間增加至最高約-3℃左右，顯示持續有水氣脫附釋出，並維持約50分鐘。
隨後水氣釋出量逐漸減少。
由160分鐘總脫附水量30.1g來看（圖17），再生50分鐘內釋出約20.5g（圖17），約佔68.1%。
代表於前面31.3%再生時間內，即可脫附了68.1%的總水氣量，顯示脫附效能集中於再生初期。
圖15為常壓下通電直熱再生脫附曲線圖，由圖顯示常壓下上游入口約-33℃，下游出口露點於吸附材未加溫前約-6℃，加溫後4分鐘內快升至22℃左右，顯示有極大量的水氣快速釋出，隨後不到5分鐘，下游出口露點急速下降由總再生時間120分鐘計算，其脫附水量可達34.85g（圖17），而於初始20分鐘內，累積再生水氣脫附量達24.6g（圖17），顯示利用1/6的再生時間，即可完成約70%的水氣脫附量。
由以上高壓與常壓再生脫附之結果來看，顯然以常壓再生時，其水氣脫附再生速率較快。
其約有70%水氣脫附量，可20分鐘內完成，若為高壓下脫附，則需50分鐘才能完成70%大水氣脫附量，故常壓再生加熱時間為高壓再生的2/5，再生時間縮短，將可達到降低能源消耗與節能之目的。
另外由於高壓下進行脫附再生時，高壓下水汽蒸氣壓將遠超過該溫度下之飽和蒸氣壓，因此空氣中可攜出的脫附水汽量或水汽濃度將受到限制，造成再生脫附時下游露點溫度有約50分鐘於-3至-8℃範圍的平台現象發生，而常壓下此平台時間很短，且下游露點溫度亦明顯高出許多，達22℃以上。
為了降低再生氣流的氣耗量，避免過多熱量使用於再生氣流加熱上，因此本研究再生氣流由原本的150LPM，調降為90LPM，並同樣先以高濕（dp-8℃）氣流進行吸溼，達飽和後再以常壓低濕（dp-42℃）氣流，元件通電加熱至140℃進行脫附再生，測試結果如圖16。
此次測試歷時約60分鐘，上游露點約-27℃，下游露點溫度於吸附元件未加溫前約-5℃加溫後升至24℃左右，確實亦比再生流量150℃時下游露點溫度22℃高出1~2℃，顯示水汽濃度更高，但因氣流較小，需較長時間約8分鐘後下游露點溫度才開始往下降。
由60分鐘總脫附水氣量31.3g（圖17）來看，前20分鐘即可累積脫附水氣量達25.6g（圖17），相較於再生氣流150LPM下前20分鐘累積脫附水氣量24.6g，其結果相近。
因此在適度地調整再生氣流下，脫附的再生耗能可望進一步降低，同時避免過多的再生氣流，將熱量由元件表面帶走，而造成過多的能源損耗。
圖14、高壓通電直熱再生脫附曲線圖（150LPM）
圖15、常壓通電直熱再生脫附曲線圖（150LPM）
圖16、常壓通電直熱再生脫附曲線圖（90LPM）
圖17、不同壓力/流速再生之水汽脫附累積量
四、結論
本研究參考國際標準ISO7183-2007壓縮空氣乾燥設備性能測試，已完成建立一套高壓空氣吸附元件性能測試系統，使其各項參數（溫度、壓力、溼度、流量、潔淨度）之均勻度與穩定性皆可符合國際標準，並應用於本研究團隊目前正極積開發通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試，同時此測試系統亦可提供國內相關空壓機乾燥設備廠商，做為吸附材料或乾燥設備開發時之測試與驗證平台。
針對本研究通電直熱吸附雛型元件於不同壓力下脫附特性測試實驗發現，由於高壓下水氣分壓受限，氣流可帶離吸附元件之脫附水氣量較少，故高壓下不利於脫附。
未來乾燥設備再生操作模式，仍以高壓吸附/常壓脫附為佳，雖然常壓脫附需額外洩壓排放氣耗損失，但由於通電直熱再生之脫附時間可大幅縮短，故吸附元件仍可節省不少再生耗能。
本研究成果將做為後續壓縮空氣乾燥設備產品設計開發之依據。
五、致謝
本文承經濟部能源局之能源研究發展基金贊助完成，計畫編號101-D0308，特此誌謝。
六、參考文獻
1.ISO7183：
2007Compressedairdryers-Specificationsandtesting.
升级会员 