冷冻干燥机工作原理 真空干燥箱

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最后一课:空100课之028出版社:压缩空气体净化基础知识(净化部分)

压缩空空气冷冻干燥机在业内一般被称为“冷干燥机”。其主要作用是降低压缩空气体中的水分含量，即降低压缩空气体的“露点温度”。在一般工业压缩空气体系统中，是对压缩空气体进行干燥净化(也称后处理)的必备设备之一。

1、基本原理

压缩的空气体可以被加压、冷却和吸收以去除水蒸气。冷冻干燥机是应用冷却的方法。

我们知道空压机压缩的空气体含有各种气体和水蒸气，所以都是湿的空气体。湿空气体的含湿量整体上与压力成反比，即压力越高，含湿量越少。空气体的压力增大后，空气体中的水蒸气会凝结成水(也就是说，压缩后的空气体变小，无法容纳原来的水蒸气)。

这是相对于原来吸入空气体，水分含量更小(这里是指这部分压缩空气体回到未压缩状态)。

但是空压缩机的排气仍然是压缩空气体，其水蒸气含量处于最大可能值，即处于气液临界状态。此时被压缩的空气体称为饱和状态，所以只要稍微加压，水蒸气就会立刻从气态变成液态，也就是水被凝结出来。

PS.帮助理解：假设空气是一团吸了水的湿海绵，其含湿量就是吸入的水分。如果用力从海绵中挤压出一些水，那么，这团海绵的含湿量相对就减小了。如果放手让海绵恢复，自然就比原来的海绵要干燥。这也就达到了通过加压来除水干燥的目的。如果在挤压海绵不断有水流出的过程中，到达某一个力度后不再加力，则水被挤出将停止，这就是饱和状态。继续再加大挤压的力度，仍然还有水流出。

所以空压机本身就有除水的功能，采用的方法是加压，但这并不是空压机的目的，而是一种“烦人”的负担。

为什么不用“增压”作为压缩空气体的手段？这主要是因为经济，增加1 kg的压力。消耗7%左右的能量是相当不经济的。

而“冷却”去除水分相对经济，冷冻干燥机就是利用空类似的原理来达到目的。因为饱和水蒸气的密度是有限的，在气动压力(2MPa)范围内，可以认为饱和空气体中水蒸气的密度只取决于温度，而与空气体压力无关。

温度越高，饱和空气体中水蒸气的密度越大，水就越多。反之，温度越低，水越少(这个可以从生活常识上理解，冬天干冷，夏天湿热)。

被压缩的空气体被冷却到尽可能低的温度，使被压缩的空气体中所含的水蒸汽密度降低，形成“凝结”，这些凝结形成的小水滴聚集起来排出，从而达到从被压缩的空气体中除去水分的目的。

因为涉及到凝结、凝结成水的过程，所以温度不能低于“冰点”，否则结冰现象无法有效排水。通常，冻干机的标称“压力露点温度”大多为2~10℃。

比如10℃时0.7MPa的“压力露点”，换算成-16℃的“大气露点”。可以理解为，压缩空气体在不低于-16℃的环境中使用时，排放到大气中时不会有液态水。

压缩空气体的所有脱水方法都只是相对干燥，满足一定的所需干燥度。绝对去湿是不可能的，追求干爽超出使用需求是非常不划算的。

2、工作原理

压缩空气体冷冻干燥机对压缩空气体进行冷却，使压缩空气体中的水蒸气凝结成液滴，从而达到降低压缩空气体水分含量的目的。

凝结的液滴通过自动排水系统从机器中排出。只要干燥器出口下游管道的环境温度不低于蒸发器出口的露点温度，就不会发生二次冷凝现象。

3、工作流程

压缩空气体流量:

压缩后的空气体进入空气体换热器(预热器)[1]，对高温压缩空气体进行初步降温，然后进入氟利昂空气体换热器(蒸发器)[2]进行压缩空。

被压缩的空气体与蒸发器[2]中的低温制冷剂进行热交换。此时压缩空气体的温度很低，约等于露点温度2~10℃。如果没有特殊要求(即压缩空气体没有低温要求)，通常压缩空气体会返回空气体换热器(预热器)[1]与刚进入冷干燥机的高温压缩空气体进行换热。这样做的目的是:

①有效利用干燥后的压缩空气体的“废冷”对刚进入冷干机的高温压缩空气体进行预冷，降低冷干机的制冷负荷；

(2)防止干燥后低温压缩空气体造成后端管道外结露、滴漏、生锈等次生问题。

制冷过程:

制冷剂氟利昂进入压缩机[4]，压缩后压力升高(温度也升高)。当它略高于冷凝器中的压力时，高压制冷剂蒸汽被排放到冷凝器[6]中。在冷凝器中，温度和压力较高的制冷剂蒸汽与空气体(风冷)或温度较低的冷却水(水冷)进行热交换，从而将制冷剂氟利昂冷凝成液态。

此时，液态制冷剂被毛细管/膨胀阀[8]减压(冷却)，然后进入氟利昂空气体热交换器(蒸发器)[2]，在此吸收压缩空气体的热量并气化。被冷却的目标压缩空气体被冷却，蒸发的制冷剂蒸汽被压缩机吸走以开始下一个循环。

系统中的制冷剂通过四个过程完成一个循环:压缩、冷凝、膨胀(节流)和蒸发。通过不断的制冷循环，实现冷冻压缩空气体的目的。

4、各部件功能

空气体热交换器

为防止外部管道外壁形成冷凝水，冻干空气体离开蒸发器，在空气体换热器中与高温湿热的压缩空气体进行热交换。同时，进入蒸发器的空气体温度大大降低。

氟利昂/空气体，热交换

氟利昂制冷剂在蒸发器中吸热膨胀，由液态变为气态，被压缩的空气体换热降温，使被压缩的空气体中的水蒸气由气态变为液态。

干燥剂

分离出的液态水在水分离器中与压缩空气体分离。水分离器的分离效率越高，液态水重新挥发到压缩空气体中的比例越小，压缩空气体的压力露点越低。

氟立昂压缩机

气态氟利昂进入制冷压缩机，被压缩成高温高压的气态氟利昂。

氟旁通阀

如果分离出的液态水温度降到冰点以下，凝结的冰就会造成冰堵。氟旁通阀可将制冷温度和压力露点控制在稳定的温度(1~6℃)。

氟利昂冷凝器

氟利昂冷凝器降低氟利昂的温度，氟利昂从高温气体变成低温液体。

氟过滤器

氟过滤器有效地过滤氟回路中的杂质。

毛细管/膨胀阀

氟利昂通过毛细管/膨胀阀后，体积膨胀，温度下降，成为低温低压液体。

氟利昂气液分离器

当液态氟利昂进入压缩机时，可能会产生液锤现象，从而导致制冷压缩机损坏。只有气态的氟利昂才能通过氟利昂气液分离器进入制冷压缩机。

自动排水器

自动排水器定期将积聚在分离机底部的液态水排出机外。

该冻干机具有结构紧凑、使用维护方便、维护成本低等优点。适用于压缩空气体压力露点温度不太低(0℃以上)的场合。

第029课结束

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