冷凍式干燥機的關鍵技術探討

張小偉

（杭州山立凈化設備股份有限公司，浙江杭州 311107）

0 引言

冷凍式干燥機現在已經被廣泛地應用到凈化設備市場中，為進一步提高其能量利用率，減少能源的浪費，就需要在原有基礎上來進行技術優化，將設備自身的經濟價值發揮到最大。對冷凍式干燥機關鍵技術進行分析，使其工作效率更高、運行能耗最低，達到經濟節能的目的。

1 冷凍式干燥機作業原理

冷凍式干燥機利用物理原理，實現空氣內水分被降溫到露點溫度以下，進而將其從空氣中析出，多被用于氣動系統，為一種重要的壓縮空氣后處理設備。冷凍干燥技術的本質就是使得物料于低溫低壓環境下脫水干燥，是現在最為先進的干燥技術之一，既不會對物料原有氣味、形狀、生物以及化學特性產生影響，同時也不會影響到物料內熱敏物質，現在已經被廣泛地應用到化工、食品、藥品、紡織、橡膠以及通信等多種行業。對冷凍式干燥機運行原理進行分析，即利用制冷設備來強制冷卻壓縮空氣，使其降到露點以下，確保空氣內的水分能夠凝結成水滴析出，達到干燥空氣除水的目的。

基于空氣含濕特性分析，空氣飽和含濕量D 會隨著空氣溫度T 的降低而降低（圖1）。如果含濕量未飽和狀態下的空氣溫度從t下降到t1，則空氣含濕量就會由未飽和變為飽和，同時空氣飽和含濕量降低到d2。繼續對空氣進行冷卻處理，則空氣飽和含濕量便會沿著含濕量曲線一直降低到d3，同時空氣溫度由t1降低到t2露點溫度以下，最后d3＜d2空氣內含有的水分便會凝結成水滴狀析出[1]。

基于上述的空氣含濕特性進行分析，可知冷凍式干燥機運行原理，即采用冷卻的方法，促使含濕壓縮空氣溫度下降到露點溫度以下，最終空氣內的水分會以小水滴的形式析出，實現空氣的干燥。在此過程中，還能夠有效清除空氣含有的油霧和固體顆粒，使得干燥后的空氣更為潔凈。

圖1 空氣含濕特性

2 冷凍式干燥機技術不足

2.1 技術研究不足

雖然冷凍式干燥機現在已經得到了廣泛應用，但是從技術角度來分析，目前多是將研究方向放在設備結構改進與熱力計算兩個方面，對于內部壓縮空氣的換熱特性以及流動特性研究較少，導致實際應用中設備作業效率較低，且需要大量能源作為支持[2]。目前主要的針對管殼式換熱器內部換熱性能的研究，要點是換熱管道而非安裝散熱翅片，與冷凍式干燥機相比，兩者的換熱特性以及流動特性均存在明顯差異。

2.2 技術研究方向

為進一步提高冷凍式干燥機運行綜合效率，還需要基于其關鍵技術進行研究和優化，本次主要分析以FLUENT 軟件為基礎，通過模型進行數值模擬計算，完成冷凍式干燥機的換熱與流動特性。其中，利用冷凍式干燥機來壓縮空氣，轉熱主要產生在蒸發器與預冷器中，因此可將其作為核心對象進行分析。例如分析確定入口條件差異對蒸發器換熱性能的干擾，以及預冷器折流板結構對換熱和流動死區影響等。

3 冷凍式干燥機技術優化

3.1 蒸發器數值模擬計算

3.1.1 蒸發器模型

所選蒸發器翅片規格為132 mm×152 mm，翅片厚1 mm，翅片間距10 mm。銅管外徑9.52 mm，為正三角形方式排布，相鄰兩銅管間距為25 mm，折流板厚1 mm。為便于計算，對蒸發器模型進行簡化處理，即銅管壁厚、輻射傳熱以及翅片與銅管連接部位熱阻等全部忽略不計。

3.1.2 不同入口條件影響

就入口直徑和入口速度進行分析，一般分為3 種情況來分析不同入口條件對傳熱與流動性能的影響：①入口直徑相同而入口速度不同；②入口速度相同而入口直徑不同；③入口直徑和入口速度均不相同。

（1）不同入口速度。為確定低速狀態下蒸發器內部流場狀態，設定1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s 與5 m/s 五個不同入口速度進行分析（圖2）：后半部分入口流量相對蒸發器空氣處理量較小，區域溫度均處于278～280 K（4.85～6.85 ℃），此階段壓縮空氣蒸發器前半部分已經實現全部換熱，壓縮空氣降低到管壁溫度后不會再變化[3]。

圖2 5 m/s 時軸向溫度分布情況

從圖2 可看出，蒸發器于前半部分存在部分溫度較低的區域，表示壓縮空氣溫度較低，主要是會因為入口尺寸以及翅片隔檔造成壓縮空氣流動不佳，并未與熱空氣進行換熱。當壓縮空氣入口速度逐漸增大后，溫度較低的區域面積逐漸減小，有效緩解了內部壓縮空氣流動慢的情況。蒸發器未達到壓縮空氣最大處理量時，隨著入口速度的增加，換熱也不斷增大，兩者存在近似線性關系。

（2）不同入口直徑。

確定2 m/s 的恒定速度來分析不同入口直徑對換熱產生的影響，入口直徑越大表示入口流量越大，溫度降低的趨勢也會不斷減緩。分析第一段蒸發器折流板缺口部位溫度變化，可知入口直徑越大則溫度越高，相比進口溫度差異越小。為提高換熱量計算結果的準確性，除了要掌握溫差以外，還需要計算單位時間內換熱量。入口直徑越大的情況下，入口流量越多，未達到蒸發器最大處理量時，換熱量也會隨之增大。同時，較大的入口直徑還能夠有效改善壓縮空氣在內部的流動狀態，使得流動死區面積縮小，換熱性能更強，使得設備換熱效果更佳。

3.2 預冷器數值模擬

3.2.1 預冷器模型

所選預冷器銅管直徑為9.52 mm，采用正三角排布方式，相鄰兩銅管管中心間距為25 mm。為降低計算難度，對模型進行了簡化，即銅管壁厚、輻射傳熱以及預冷器與外部環境的熱交換等全部忽略不計。

3.2.2 單弓形折流板影響

分析確定單弓形折流板預冷器內部壓縮空氣流場在不同入口速度條件下的分布規律，掌握其換熱效率特點。設計0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s 與2 m/s 不同入口速度，對比后確定入口流速越大，預冷器內部低溫區域越小。并且，隨著入口速度的增大，溫度下降幅度降低，出口溫度較高，溫差縮小。受流速增大影響，壓縮空氣和銅管之間的接觸時間縮短，換熱效果無法達到最佳，因此并不能判斷內部壓縮空氣換熱效果差[4]。并且，除了要確定溫差影響外，還需要兼顧流量大小，綜合分析單位時間內熱換量，才可確定不同流速下預冷器的換熱效果。結果顯示，隨著入口速度增大壓縮空氣出口溫度降低，但是因為流量增大幅度超過溫差減小幅度，最終預冷器的換熱量為逐漸增大趨勢。

4 結束語

冷凍式干燥機關鍵技術的研究，可以對其實際應用中遇到的問題和不足做更進一步的優化，爭取通過對蒸發器與預冷器條件的調整和控制，將設備運行效率保持在最高狀態，達到經濟與節能的效果。