冷干机的原理结构学习教材讲解.docx

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冷干机的原理结构学习教材讲解

冷冻式干燥器原理、结构学习教材

一、冷干机的组成:

为了实现压缩空气干燥的目的，又体现节能的目标，一台标准的冷干机应包括以下部件，具体为：

1）冷却降温部分：

包括预冷器（空气与空气的热交换器）、蒸发器（空气与制冷剂液体的热交换器）；

2）气水分离与排放部分：

包括气水分离器、自动排水器；

3）制冷部分：

包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、氟路电磁阀、压力开关、压力控制器（水量调节阀）、贮液罐、过滤干燥器、截止阀等；

4）电气部分：

包括启停开关、接触器、继电器、PC电脑板等；

5）仪表部分：

包括进出口空气压力表、制冷剂高、低压力表等.

二、各主要部件的工作原理及作用:

1、预冷器：

绝大多数冷干机具有预冷器，预冷器是一种空气与空气进行热交换的换热器，一般为列管式换热器（也称管壳式换热器）。

预冷器在冷干机里的主要作用是“回收”被蒸发器冷却后压缩空气所携带的冷量，并用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的较高温度的压缩空气（即从空压机排出，经过空压机自带的后部冷却器冷却、再经过气水分离的温度一般在40℃以上的饱和压缩空气），从而减轻了冷干机制冷系统的热负荷，达到节约能源的目的。

另一方面，低温压缩空气在预冷器里温度得到回升，使输送压缩空气的管道外壁不致因温度低于环境温度而出现的“结露”现象。

此外，压缩空气温度升高后，降低了干燥后压缩空气的相对湿度（一般小于20％），对防止金属的锈蚀有利。

有些用户（如与空分设备配套）需要含水量低而且温度也低的压缩空气，这时冷干机就不再设置预冷器了。

由于不设置预冷器，冷空气的冷量得不到回收利用，蒸发器热负荷会增加很多。

在这种情况下，不仅需要加大制冷压缩机的功率来进行能量补偿，而且整个制冷系统的其它部件（蒸发器、冷凝器及节流元器件）都需要相应增大。

从能量回收角度讲，我们总希望冷干机排气温度越高越好（排气温度高，说明能量回收多），最好进出口没有温差。

但实际上是达不到这一点的，在空气进口温度为45℃以下时，冷干机进、出气温相差15℃以上的情况并不鲜见。

2、蒸发器：

蒸发器是冷干机主要的换热部件。

结构与预冷器不同，一般冷干机的蒸发器是由壳体和内胆组成，内胆由一簇紫铜管组成。

在蒸发器中，从预冷器流出的经过预冷却的压缩空气在壳层沿折流板上下流动，制冷剂在管内流动，压缩空气被强制冷却，其中大部分水蒸气凝结成液态水排出机外，从而使压缩空气得到干燥。

蒸发器内胆管内液体制冷剂吸取压缩空气的热量后蒸发成蒸汽，这一过程是相变过程，在制冷剂液体相变成气体时，蒸发压力保持不变，蒸发温度在大部分时间里也保持不变（在制冷剂完全蒸发成气体后，在蒸发器末端会过热，膨胀阀就是根据过热度调节供液量的，具体可参阅有关制冷书籍），压缩空气在热交换过程中温度会越来越接近制冷剂的蒸发温度。

但由于受到冷干机结构和成本的限制，蒸发器换热面积不可能无限增大，压缩空气与制冷剂之间的传热温差总是存在的。

因此压缩空气所能达到的温度（表观露点温度），在任何时候也不可能等于或低于蒸发温度，压缩空气最终被冷却到的温度值取决于多种因素，例如：

制冷量、制冷剂的蒸发温度（蒸发压力）、蒸发器的换热面积、压缩空气的流速、热负荷等。

在冷干机实际运行中压缩空气的最终冷却温度值蒸发温度高3－5℃是正常的。

由于蒸发器的换热介质是热力学性质截然不同的压缩空气与制冷剂，制冷剂的导热系数不空气的导热系数高得多，因此，蒸发器换热效率的高低决定在压缩空气侧。

为了尽可能获得较高的传热效率，应加大压缩空气侧的换热面积以抵消其热阻。

制冷系统的卧式蒸发器可分“干式蒸发器”和“满液式蒸发器”两种。

前者制冷剂在管内蒸发，空气在管外流动。

满液式蒸发器中，液体制冷剂在管外蒸发，被冷却的压缩空气在管内流动，制冷剂将换热铜管全部浸没。

满液式蒸发器在冷干机中用得较少，原因是：

1）在水蒸气冷凝成水滴的过程中，首先会在蒸发器内胆铝翅片表面形成一层水膜，卧式安装蒸发器可使水膜成珠状下滴迅速更新换热表面。

如果立式安装水滴就会沿换热管表面成帘状流动，帘状流动使水膜变厚影响传热；

2）冷冻机油易溶于制冷剂，且不易排除，在满液式蒸发器中既影响传热效果又影响回油，严重时导致压缩机缺油运行；

3）制冷剂充注量大。

LD系列冷干机采用的是干式蒸发器并采用卧式安装。

3、冷凝器

在冷干机中冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高压、过热制冷剂蒸汽冷却成为液态制冷剂。

通常冷凝器分为风冷式和水冷式两种。

因此冷干机也分为风冷式冷干机和水冷式冷干机两种。

风冷凝器为翅片式结构，与家用空调的室外机类似；水冷凝器为列管式（管壳式）结构。

风冷凝器不需要冷却水，适合于供水困难地区或移动性场合应用。

但风（空气）冷却效果比水差得多，其体积比同规格的水冷凝器大，所以一般只适用于中、小型冷干机。

风冷凝器不适于在气温高或通风不良、多粉尘的环境下使用。

在冷凝器中，高温、高压的制冷剂蒸汽从冷凝器上部进入冷凝器（风冷凝器走管内，水冷凝器走壳体），与冷却介质进行对流热交换，冷煤气体放出热量后凝结成液体从冷凝器下部流出。

4、制冷压缩机

（1）制冷压缩机种类

在压缩式制冷系统中，压缩机有：

活塞式、螺杆式、旋转（滑片）式和涡旋式等四种，其中活塞式又分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。

目前，冷干机采用最多的是全封闭（包括活塞式、旋转式和涡旋式）压缩机和半封闭活塞式压缩机。

（2）制冷压缩机的运行特点

制冷压缩机的制冷量与其工况（即蒸发温度、冷凝温度）密切相关。

蒸发温度低，压缩机单位制冷量就少；冷凝温度高，压缩机单位制冷量就少。

所以试图通过降低冷干机的蒸发温度来降低压缩空气的“压力露点”并不经济的。

我们知道气体可以被压缩而液体很难被一般的设备压缩，反而会损坏气体压缩设备。

在制冷设备中就有称为“液击”的故障：

在冷干机运行时，如果进入蒸发器时的制冷剂液体过多或蒸发压力太低（此时，负荷较低或制冷量过大）而无法完全被压缩空气蒸发，那么未蒸发的制冷剂液体会被吸入压缩机内部。

由于制冷剂液体是不可压缩的，在压缩机运转中极易造成阀片被击碎的现象，这就是“液击”。

为了防止压缩机产生“液击”，在冷干机中一般采取了下列措施：

a）选用防液击的制冷压缩机；

b）设置低压储液器，保证只允许气态制冷剂进入压缩机；

c）设置热气旁路阀。

因为制冷压缩机的吸气温度常低于环境温度，所以制冷压缩机上部表面有时会“结露”，这是正常现象；但是如果吸气温度低于0℃时，就会“结霜”，这说明制冷量可能过大，需要对冷干机进行工作点调整。

5、气水分离器和自动排水器

1）气水分离器：

气水分离器是冷干机的关键部件之一。

湿热压缩空气被预冷器和蒸发器冷却后，会有大量的凝结水析出，这就需要用高效的手段把压缩空气和凝结液分离，实现真正干燥压缩空气的目的，因此经过气水分离器处理后的压缩空气才具有真正的露点温度。

压缩空气中采用的气水分离器类型有：

a）挡板式分离器

挡板分离器是惯性分离器的一种。

这种分离器由多块挡板组成“百叶窗”式结构。

档板材料对液态水滴应有良好的浸润作用，液滴在与挡板碰撞后，大部分会附着在在挡板上，并在其表面生成很薄的一层液体后顺着挡板流下来，在挡板边缘集聚成更大颗粒的液滴，液滴在本身重力作用下与空气分离。

我公司冷干机的蒸发器就具有挡板分离器的功能（折流板）。

b）过滤式分离器

如用过滤器作冷干机的气水分离器，的确可以达到很好的分离效果，因为过滤器对一定粒径水滴的过滤效率可达100％。

但实际上却很少有冷干机用过滤器来作气水分离用。

这是因为过滤造成的压力损失、维护更换滤芯的成本都比较大，不经济。

c）旋风分离器

旋风分离器也是一种惯性分离器，较多地用于气固分离，如大气除尘时作为预处理去除空气中的较大颗粒。

其原理是压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后，在里面产生旋转，混在气体中的液滴也跟着一起旋转并产生离心力，质量大的液滴所产生的离心力大，在离心力作用下大液滴向外壁移动，碰到外壁（也是挡板）后再集聚长大并与气体分离；而粒径较小的液滴却在气体压力作用下向呈负压状态的中心轴线迁移。

这种分离器的缺点是其分离效率在其额定处理量时较高，一但偏离其分离效率就比较差，导致露点上升。

2）自动排水器

冷干机工作时会在预冷器及蒸发器容器里积聚大量凝结水，如果不及时、彻底排出这些凝结液，冷于机就成了一只贮水器。

这会导致：

冷干机的排气中大量夹带液态水，使冷干机的工作失去意义；

使压缩空气流通面积变小，空气压力降提高.

机内凝结液要吸收部分冷量，使冷干机负荷增加，对节能不利；

因此，彻底、及时排除冷干机中的凝结水，是冷干机正常运行的重要保证。

冷干机常用的自动排水器有四种：

浮球式自动排水器:

以日本SMC公司的产品最为著名，常用的有AD402型。

倒桶式自动排水器

电磁时间控制排水器:

以时间控制电磁阀的开启周期和开启时间，这一类在近几年应用较多。

该类排水器排水时有大量的压缩空气排出，而且根据压缩空气中含水多少需要调节排水周期和排水时间。

液位控制自动排水器。

这一类排水器是最节能的，排水时几乎没有压缩空气排出，但价格较高。

这里着重介绍浮球式自动排水器的工作原理（其他自动排水器工作原理参见制造商的说明书）当排水器贮水杯内的水位未达到一定高度时，压缩空气的压力将浮球压下关闭排水孔，就不会造成气流泄漏；随着贮水杯内水位升高（此时冷干机内并不积水），在浮力的作用下浮球上升，升到一定高度便打开排水孔，杯内凝结水在气压作用下很快排出机外。

凝结水排尽后浮球失去浮力，在其重力和气压作用下关闭排水孔。

浮球式自动排水器不仅在冷干机中得到应用，而且可在贮气罐、后冷却器及过滤器等多种气源处理设备上等处广泛应用。

在冷干机中自动排水器可以说是最易出故障的一个部件。

这是因为冷于机所排出的凝结水井不是清洁水，而是混有固态杂质（灰尘、锈泥等）、油污的稠状液体（自动排水器又叫“自动排污阀”），而几乎所有的自动排水器的排水孔直径都很小，容易被堵塞，因此自动排水器（除电磁式自排水器）进口处装有一只滤网。

但使用时间长了，滤网也会被油污杂质堵塞，如果不及时清洗，将使自动排水器失去作用。

所以，每隔一定时间清洗排水器里的滤网是很重要的，也是冷干机的日常维护工作的内容之一。

因为自动排水器是靠内外压差进行排水的，因此在实际使用时要求有一定压力才能工作，例如常用的AD-402型自动排水器最低工作气压是0.15MPa，压力太低因无法建立密封而出现漏气现象。

当然压力不能超过其额定工作压力。

在环境温度低于零度时要放尽贮水杯内的凝结水，以防结冰、冻裂。

1、为什么冷干机的合理压缩空气露点温度为0℃以上？

要降低压缩空气温度，势必制冷剂的蒸发温度也降得很低。

冷干机在冷却压缩空气时，蒸发器内胆的翅片表面有一层膜状冷凝水存在，如果由于蒸发温度的降低使翅片表面温度在零度以下，其表面冷凝水就可能结冰，这时：

1）由于蒸发器内胆翅片表面附着一层导热系数小得多的冰，大大降低了换热效率，压缩空气不能充分冷却，同时由于吸收不到足够的热量，制冷剂蒸发温度有进一步降低的可能，如此循环的结果，必将给制冷系统带来许多不良后果（譬如产生“液压缩”）；

2）由于蒸发器内胆翅片的间距不大，一旦翅片上结冰后会减少压缩空气的流通面积，严重时甚至会使气路堵塞，即“冰堵”；总上所述，冷干机的压缩露点温度应在0℃以上，为了防止露点温度过低，冷干机里设置了能量旁路保护（由旁通阀或氟路电磁阀来实现）。

当露点温度低于0℃时，旁路阀（或氟路电磁阀）自动打开（开度增大），将未经冷凝高温高压制冷剂蒸汽直接注人蒸发器的入口（或压缩机入口的气液分离罐），使露点温度提升到0℃以上。

3）从系统能耗来讲，蒸发温度过低导致压缩机制冷系数大幅下降，能耗增加。

2、冷冻式干燥器是如何控制露点温度？

任何用户的压缩空气负荷总是变化的，因此要求冷干机的制冷量也相应变化以适应压缩空气的负荷变化，从而实现稳定的压力露点。

在冷干机中，膨胀阀（或毛细管）