风管加湿系统节能改造的研究

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(苏州工业职业技术学院, 江苏 苏州 215104)

湿度作为空气的主要参数之一，与人们的生活、生产息息相关，生活在40%～70%的湿度环境中会觉得舒适，否则会觉得干燥或湿闷，并增加患病风险，保持合理的湿度还能有效防止静电，在纺织、电子和烟草等行业，空气湿度更是重要的工艺控制参数。我国在60年代就开始降湿研究，先后研发出升温降湿和低温凝露降湿，但直到70年代后期，干蒸汽加湿器才试验成功。后期又出现了离心式加湿、超声波加湿和高压喷雾加湿等，其工作原理主要分为等温加湿和等焓加湿。

某企业针对现有风管加湿系统提出整改要求，参数和概念如图1所示。

图1 某企业现有的风管加湿系统

风管一：截面高1 700 mm×宽700 mm，风量15 m3/s，服务空间1 200 m3；

风管二：截面高1 200 mm×宽500 mm，风量7 m3/s，服务空间650 m3。

湿度要求：60%相对湿度；蒸汽耗量：1.5 T/Hr(冬季耗量)。

1 技术比较

现有系统利用蒸汽，通过盘管加热水箱中的水，使其汽化后，通入风管给空气加湿。目前加湿系统主要存在以下两个问题：加湿控制不稳定，风管中经常有积水。

对现有系统进行分析：控制器接收湿度传感器的信号和设定值比较后，输出信号使控制阀打开(假设湿度比设定值低)，蒸汽进入加热盘管，从而对水箱中的水进行加热，由于加热需要一定的时间，因此，这将降低系统的灵敏性。由于从水箱出来的蒸汽没有压力控制，无法和空气进行良好的混合，甚至在喷管中已经凝结成水，造成风管积水以及能源浪费。当空气中的湿度达到设定值时，虽然控制信号使得蒸汽阀门关闭，但是水箱中积聚的余热会将水继续蒸发，变成低压蒸汽进入风管，也将导致加湿控制不稳定和风管积水。

良好的蒸汽喷射加湿系统，在蒸汽喷射时不能夹带水分，否则凝结水会腐蚀风管内部并滋生细菌；如果对湿度要求精确控制，气动、电动等比例控制方式是非常必要的，单纯的开关控制，会存在一定范围的控制偏差；另外，由于蒸汽喷射时会产生噪音，在噪音有要求的区域，选用低噪音的蒸汽加湿系统也是有必要的。

结合该工厂的实际情况，整改方案拟延用蒸汽加湿，但对其加湿汽源和控制方式进行了全面的优化设计，新的加湿系统的流程图如图2所示。

图2 某企业改进后的风管加湿系统

通过图1和图2的对比可以看出,主要变化为:

(1)取消了原有加湿系统中的加热水箱和加热盘管等间接加热设备，采用蒸汽直接喷射方式；这种改变可以显著提高蒸汽的利用率。因为原有系统是利用蒸汽的潜热(蒸发焓)对冷水进行加热蒸发，而含有20%左右的显热冷凝水被排放浪费了。从表1可以看出，对于2 barg的蒸汽，1 kg蒸汽所含的全热hg为2 725 kJ，其中用于与二次侧冷水进行汽—水换热的蒸发潜热hfg热量为2 163 kJ，而被浪费掉的热量hf为562 kJ。而每产生1 kg的加湿蒸汽(设加湿蒸汽压力为1 Barg)，需要2 Barg蒸汽量为2707/2163=1.25 kg，因此，就要损失掉562×1.25=702 kJ的能量。

表1 蒸汽表

另外，由于原有的加热水箱需要保持在100 ℃以上的高温，持续对外部空间进行放热，根据工厂提供的数据，四台换热水箱的总散热面积约为20 m2，普通钢板在良好保温(50 mm厚保温层)情况下，散热系数为1.2～1.5 W/m2·℃，室温取30 ℃，则散热损失功率为：Q=1.5 W/m2℃×20 m2×(100-30)℃ =2 100 W，除造成热量损失外，还对外部环境造成热污染。

(2)将原有的开关控制方式改变为4～20 mA信号PID控制方式；图3和图4分别是温度应用中典型的开关控制和PID控制的系统反应。对于开关控制系统来说，由于系统必须要在高于或低于设定温度的某个值进行开或关的控制输出，所以一定存在控制偏差，而当被控介质为蒸汽时，很容易出现“水锤”现象(高温蒸汽通入冷凝水中)，除对设备带来危害外，严重时还会造成安全事故；改进后的PID控制模式，除了启动阶段存在一定的偏差，在调试结束后，则进入稳定运行，实际运行值与设定值的高度一致，实现系统的稳定安全运行。

图3开关控制图4 PID控制

(3)改变原有的加湿喷管形式，采用带有保温夹套的双通道加湿喷管；原有系统中由于蒸汽湿度较高，且是开关控制，在加湿蒸汽进入喷管后，非常容易形成滴状的水珠滴落到风管中，进而造成风管的积水腐蚀和细菌滋生。改造后的系统采用的喷管形式如图5所示，蒸汽加湿喷管带有双重圆形保温夹套，系统启动时，蒸汽会首先进入保温夹套对冷态的喷灌进行预热，使得喷管中的加湿蒸汽到来时即以气态形式均匀喷布于空气中，而不会形成滴状的水珠滴落到风管中。

图5加湿喷管截面图

(4)所有和空气接触的地方，采用全不锈钢材质，由于不锈钢表面光洁，不利于细菌的滋生，使得整个系统更加卫生。

改进后的加湿系统工作过程：由于饱和蒸汽在输送的过程中会因向大气环境散热而产生少量的冷凝水，如果不将其排出，会在风管内部形成积水，因此需要配置汽水分离器进行汽水分离，确保进入控制阀的蒸汽为干蒸汽；从分离器顶部引出另一路蒸汽为喷管预热；经过控制阀的一路蒸汽进入预热好的喷管中，由于压力降低，残留于蒸汽中的水分会被进一步汽化，从而完成了湿蒸汽的干燥处理；干燥的蒸汽经喷嘴喷出后和空气进行良好地混合，喷入的蒸汽量受湿度计反馈信号与控制器的设定值的差值信号PID比例控制，从而实现了精确加湿控制的目的；分离器和预热管的冷凝水经由疏水阀疏水后排出。为保护控制阀的良好运行，精密过滤器被安装在系统之前。

改进后系统的优点：

(1)高效的汽水分离装置可以使蒸汽的干度提升到99%以上。

(2)双通道保温夹套设计，保证蒸汽在喷管中保持干燥状态。

(3)精细的喷嘴设计，保证空气和蒸汽的良好混合吸收。

(4)轻质小巧，使系统预热负荷小，启动迅速。

(5)不锈钢结构，无菌卫生，加上蒸汽高温喷射，也起到杀菌作用。

2 经济比较

通过对比现有系统和新的加湿系统相比较，目前系统的不节能主要体现在以下三个方面：

(1)利用蒸汽加热水，蒸汽冷凝水的所含热量损失。通过上面的分析可知，对于原有系统来说，每产生1 kg的加湿蒸汽就会损失掉702 kJ的能量，加湿蒸汽的需求为1.5 T/Hr，2 barg蒸汽的全热为2 725 kJ/kg，因此蒸汽量为：1.5 T/Hr×1000×702×24 Hr/Day / 2725 =9274 kg/Day。

(2)换热水箱在换热过程中的散热损失。通过上面的分析可知，正常情况下，热水箱的散热损失为2 100 W=2.1 kJ/S。1 kg蒸汽的蒸发焓约为2 100 kJ/kg，因此，相当于损失蒸汽2.1×3600×24/2100=86 kg/Day。

(3)由于喷射和混合不良，导致积水造成的损失。风管中的积水是由蒸汽冷凝得到的，而在加湿过程中，我们期望的是喷进去的蒸汽都能和空气良好混合，而非凝结成水，因此，凝结成水的量，即为蒸汽的损失量，根据观测计量，每天的积水量约为50 L，相当于损失蒸汽50 kg/Day。

综合以上分析可以得出，换用新加湿系统后，总节能为：

9274 kg/Day+86 kg/Day+50 kg/Day=9410 kg/Day=225.8 T/Month

目前市政蒸汽的价格约为280元/t。新加湿系统的整个改造费用总计约30万元人民币(包括其它辅材和人工等)，因此投资回收期约为：30万元/(225.8吨/月×280元/吨)=4.7月，也就是说，采用新加湿系统后，只需要约一个冬季的时间，就可以实现投资回报，这还不包括由于原系统运行不稳定带来的设备维修和维护成本的节约。

3 结 语

风管加湿系统是众多企业单位常见装置，此次改造方案主要从风管加湿形式和控制方式着手，提高了加湿的稳定性和能源利用的效率，由于该装置设计合理，控制快速，适用于绝大多数的加湿系统。但是，由于湿度的测量元件存在一定的局限性，比如，很难快速准确地反应整个加湿空间的湿度变化，因而，在加湿精度要求较高的场合，则存在应用局限，目前市面上应用良好的湿度传感器和控制器多受国外厂商控制，在目前全球能源紧缺与国家推行的节约能源政策的大背景下，我国的广大科技工作者还有很多的工作要做，谨以此文抛砖引玉，与大家共勉。

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