制冷压缩机对冷干机露点和能耗的影响

喻志强，魏纪君，鲍洋洋，刘福来，辛安见，马金平

（合肥通用机械研究院，合肥 230031)

0 引言

压缩空气干燥器是用来处理压缩空气中水份的后处理设备，作为空气压缩机的后处理设备被广泛应用。随着社会的发展，各种精密仪器的应运而生各个行业对压缩空气含湿量的要求越来越高，因此各式各样的干燥机也应运而生，冷冻式压缩空气干燥器（简称冷干机）是目前国际上使用最广泛的干燥机之一。冷冻式压缩空气干燥器主要由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、热交换器、气水分离器等组成。

除去压缩空气中的水分是压缩空气净化处理的首要任务，制冷压缩机是冷冻式压缩空气干燥器系统的核心和心脏。压缩机的能力和特征决定了冷冻式压缩空气干燥器处理空气的能力和特征。某种意义上，冷冻式压缩空气干燥器系统的设计与匹配就是将压缩机的能力体现出来。因此，世界各国制冷行业无不在制冷压缩机的研究上投入了大量的精力，新的研究方向和研究成果不断出现，压缩机的技术和性能水平日新月异。

文献[1]已经分析气水分离器对冷冻式压缩空气干燥器露点的影响，本文主要通过在同一套冷冻式压缩空气干燥器系统中变换不同品牌的制冷压缩机后分析其露点和处理容积流量的能力，从而总结出制冷压缩机对冷冻式压缩空气干燥器露点和能耗的影响。

1 国内外研究现状和发展趋势

1.1 冷冻式压缩空气干燥器工作流程简述

冷冻式压缩空气干燥器工作原理和普通制冷空调系统工作原理十分接近，主要由压缩空气系统和制冷系统两部分组成冷冻式压缩空气干燥器是根据冷冻换热除湿原理，利用全封闭压缩式制冷系统，对经空压机排出的压缩空气冷却降温，使其中所含的大量饱和水蒸气、油雾凝结液滴，经过汽水分离后由自动排水器排出。

在进口处潮湿空气，即具有较高温度的饱和压缩空气进入冷冻式压缩空气干燥器的热交换器，在热交换器中与来自蒸发器的干冷空气进行热交换，降低温度后进入制冷系统的蒸发器，与制冷剂进行第二次热交换，使本身温度降到接近于制冷剂蒸发温度，在两次降温过程中，压缩空气中的水蒸汽得以凝结成液态水滴并随气流进入气水离器，分离下来的液态水经排水器排出机外，温度较低的干燥压缩空气进入热交换器，与刚进入的潮湿空气进行热交换，使本身温度得到提高从而在冷冻式压缩空气干燥器排气口得到含水量较低（即露点较低）、相对湿度也很低的干燥压缩空气。

如果制冷压缩机冷却效果很好，压缩空气从冷却装置出来后的温度可以接近0℃，甚至低于0℃的情况。但是低于0℃的情况是我们不想要的，由于饱和压缩空气中有水份，如果压缩空气低于0℃压缩空气中的水份将会凝结成冰粒，随着冰粒的凝结会阻塞气流通道，造成管路阻力增大，甚至停机等现象；相反如果制冷压缩机制冷效果很差，将会导致冷冻式压缩空气干燥器的出口压力露点温度很高，起不到除水的效果。

因此，针对用户处理压缩空气容积流量的能力合理配置制冷压缩机非常重要[1]。

图1 冷冻式压缩空气干燥器工作流程图

1.2 目前国内冷冻式压缩空气干燥器常用制冷压缩机及其特点

冷冻式压缩空气干燥器使用的制冷压缩机目前大多采用中高温型全密封往复式压缩机，其特点是：结构紧凑、体积小、重量轻、振动小、噪音低、能效比高。由于全密封压缩机的电动机与压缩机主体密封在一钢制壳体内，电动机处在制冷剂气态环境中运行，冷却条件较好，寿命较长。壳体下部存有规定数量的润滑油，在压缩机工作时，对各部自动供油，平时不需要添加润滑油。在大型冷冻式压缩空气干燥器中，也选用半密封往复机或螺杆压缩机，它们的特点是制冷功率大，可进行负荷调节以适应不同需要。

1.3 如何解决冷冻式压缩空气干燥器冰堵现象

压缩空气在蒸发器中冷却时，有大量的凝结水析出，如果制冷剂蒸发温度过低，使蒸发器铜管表面温度在负荷条件下低于水的冰点，则凝结水就会在蒸发器里结冰，严重的阻塞气流通道，使供气管道瘫痪。为了防止这种情况出现，必须对制冷剂蒸发温度加以控制。其简单有效措施就是在冷凝器与蒸发器之间设一只热气旁路阀，热气旁路阀的测压管与蒸发压力直接连接。当蒸发压力低于一定程度时，热气旁路阀自动开启，冷凝器中的高温制冷剂蒸气直接进入蒸发器，提高蒸发温度，避免冰堵现象。

2 冷冻式干燥器的变工况试验

为了检测不同品牌的制冷压缩机对冷冻式压缩空气干燥器处理容积流量、出口压力露点的影响，用两台除了制冷压缩机配置外（制冷压缩机铭牌上注明的电机输入功率均为1.5 kW，其中一台为知名品牌，另一台为普通品牌）其他配置完全相同的风冷式冷冻式压缩空气干燥器进行了变工况试验。为了方便区分，将配知名品牌制冷压缩机的冷冻式压缩空气干燥器命名为冷冻式压缩空气干燥器1，另一台为冷冻式压缩空气干燥器2。两台冷冻式压缩空气干燥器进口容积流量、进气温度、进气压力和环境温度见表1。

表1 标准规定工况条件[3-5]

2.1 变进口容积流量试验

分别将冷冻式压缩空气干燥器1 和2 安装在图2 所示的检测系统中。运行一段时间后，将冷冻式压缩空气干燥器进气和环境等条件调节在表1 规定的工况条件下，待系统稳定后测量冷冻式压缩空气干燥器1 的出口压力露点温度达到2.1℃，实际输入功率为1.55 kW；而冷冻式压缩空气干燥器2 的出口压力露点则为20.6℃，实际输入功率为1.52 kW；保持进气温度、环境温度、进气压力不变，将冷冻式压缩空气干燥器1 和2 的进口容积流量调节到4.5 m3/min 待系统稳定后进行测量，冷冻式压缩空气干燥器1和2的出口出口压力露点分别2.0℃和8.6℃，实际输入功率分别为1.42 kW 和1.54 kW。

在保持上述条件不变的情况下再将冷冻式压缩空气干燥器1 和2 的进口容积流量调节到3.6 m3/min，待系统稳定后进行测量，冷冻式压缩空气干燥器的出口出口压力露点分别2.0℃和2.2℃，实际输入功率分别为1.33 kW 和1.48 kW。

由此可见冷冻式压缩空气干燥器1 的实际处理容积流量的能力约为冷冻式压缩空气干燥器2 的2倍左右，消耗的功率基本上相同，可见不同的制冷压缩机在进口容积流量、进气温度、环境温度和进气压力相同的条件下露点的差别是非常大的；在其他工况条件相同，要达到相同的出口压力露点，其处理的容积流量的差别是非常大的。要出口压力露点达到2.0℃左右冷冻式压缩空气干燥器1 配置的制冷压缩机的能效比是冷冻式压缩空气干燥器2 配置的制冷压缩机的约2 倍。

当调节容积流量时，冷冻式压缩空气干燥器1的露点基本上保持不变，这主要是由于热气旁路阀的调节作用，冷冻式压缩空气干燥器1 没有出现冰堵的现象，但是在处理容积流量减少到原来的0.6时，消耗的功率仅减少了14.2%，由此，我们也很清楚的看到并不是制冷压缩机配置越大越好，制冷压缩机配置过大容易造成能源浪费，不利于节能环保。由此可见冷冻式压缩空气干燥器中制冷压缩机的选型是非常关键的，生产企业应该通过合理的设计和反复的试验选择合理的压缩机配置。

图2 压缩空气干燥器出口压力露点检测系统流程图[2]

2.2 变进气温度试验

保持进气压力0.7 MPa、容积流量6.0 m3/min、环境温度38.0℃不变，分别将冷冻式压缩空气干燥器1、2 的进气温度在35℃～50℃范围内变化。进气温度为35.0℃、40.0℃、45.0℃和50.0℃时，冷冻式压缩空气干燥器1 出口压力露点分别为1.0℃、3.8℃、7.5℃和10.3℃，冷冻式压缩空气干燥器2的出口压力露点分别为:18.6℃、21.5℃、23.6℃和25.2℃。具体变化趋势见图3。

图3 冷冻式压缩空气干燥器露点随进气温度变化趋势

3 结论

制冷压缩机在降低压缩空气干燥器露点上起到决定性的作用，如果配置的制冷压缩机制冷效果不好（即从蒸发器排出的压缩空气温度高于10℃），即使气水分离效果、冷凝器、预冷器效果达到100%，压缩空气的出口露点温度也将高于10℃。

要解决好冷冻式压缩空气干燥器高露点的问题必须同时解决好冷冻式压缩空气干燥器的所有组件的配置问题。在设计时要合理配置组成冷冻式压缩空气干燥器的几大组件，特别是在制冷压缩机选型上要特别注意合理配置，制冷量不能配置过大也不能配置过小，配置过大不利于节能环保，配置过小达不到冷却和除湿效果，而冷凝器、预冷器、蒸发器等配置稍大一点对性能和节能影响并不太明显。本文只是从试验数据上对制冷压缩机的影响做了分析，随着国家节能减排政策的实施，制冷压缩机能效水平的提高，节能环保型冷冻式压缩空气干燥器将越来越受到用户的青睐，节能环保型冷冻式压缩空气干燥器的研制需要大家的共同努力。

[1]喻志强,刘福来,辛安见,等.气水分离效果对冷干机露点的影响[J].石油和化工设备,2012(11):8-10.

[2]林子良,孙晓明,鲍洋洋,等.压缩空气干燥器压力露点检测系统的研制[J].流体机械,2012,40(7):33-37,47.

[3]ISO 7183-2007,Compressed-air dryers — Specifications and testing[S].

[4]JB/T 10526,一般用冷冻式压缩空气干燥器[S].

[5]GB/T 10893-1989,压缩空气干燥器 规范与试验[S].