空气压缩机吸气端除湿系统研究
吴云滔;赵军;贾海亮;朱晓琳;胡寿根
【摘 要】为了降低空气压缩机吸气温湿度,以有效降低空气压缩机系统能耗,充分利用空压机余热,将膜分离技术、液体除湿技术和热泵技术相结合,采用中空纤维膜液体除湿装置进行空压机进气端除湿.结果表明:空压机系统的热负荷与湿负荷分开处理,避免了干燥系统的过渡冷却和再热的能量损失,采用空气压缩机吸气端除湿系统,不仅优化了空压机的进气参数,在降低空压机能耗的同时,为空压机创造了良好的运行环境,降低了空压机的日常运行、维护成本.
【期刊名称】《能源工程》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】4页(P72-75)
【关键词】空气压缩机;吸气温湿度;液体除湿系统;中空纤维膜
【作 者】吴云滔;赵军;贾海亮;朱晓琳;胡寿根
【作者单位】上海理工大学 能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学 能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学 能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学 能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学 能源与动力工程学院,上海200093
【正文语种】中 文
【中图分类】TH45
空气压缩机作为耗能较高的气动设备，其能耗和效率受到吸气参数的影响，其中以吸气温湿度影响尤为显著，当空压机吸入高温高湿空气进行压缩时，会导致排气量与排气压力降低，能耗增加[1]。空压机吸气温度每增加3 ℃，空压机的能耗就要增加1%左右[2]。因此，降低空压机吸气温湿度成为当前专家学者研究的热点。
本文中首先分析了吸气温湿度对空压机性能的影响，然后介绍了常见的除湿方法，最后详细介绍了笔者设计的将膜分离技术、液体除湿技术和热泵技术相结合的空气压缩机吸气端除湿系统，并探讨了该除湿系统对空压机性能的影响。
若空压机的吸气温度较高，则空压机的排气温度也会升高，这会使得空压机的工作环境恶
化，严重的会使空压机内部出现积碳现象。降低空压机吸气温度可以有效降低空压机的能耗。由于空压机工作过程属于多变压缩过程，压缩功为：
单位质量气体经过压缩所消耗的功可通过方程式p=f(V)带入上式积分而得：
式中：Hpol为多变过程压缩功，kJ/kg；m为多变指数；p1和p2为压缩前后气体压力，Pa；T1为气体压缩前温度，K；R为气体常数，J/(kg·K)。
通过式(2)可知，在压比一定的情况下，单位质量气体压缩所消耗的功随吸气温度的升高而增加，因此降低吸气温度可以有效降低压缩功耗。
不同的吸气湿度对空压机能耗造成的影响也不相同，湿空气由干空气和水蒸气组成，在分析空气湿度对空压机能耗的影响时，作出如下假设：
(1)空气压缩时间较短，在瞬间完成；
(2)空气经过压缩后出口压力低于1.6 MPa；
(3)空气在压缩前后没有相变发生。
此时，干、湿空气可以看做理想气体，压缩过程近似为等熵绝热压缩过程[3]。假设干、湿空气具有同样的初始状态，则有：
式中：p为干、湿空气进口压力，Pa；T为干、湿空气进口温度，K；vd和vw为干、湿空气进口比容，m3/kg。
对于干、湿空气而言，Rd<Rw，所以vd<vw。由于干空气与湿空气的初始压力相同，因此在同等情况下两者进行等熵绝热压缩时，干空气的压缩功耗要小于湿空气的压缩功耗，干、湿空气绝热压缩P-V图如图1所示，图中实线部分面积Δw即为两者压缩功的差值[4]。压缩功差值Δw计算如下：
式中：|Δw0|为压缩功差值的绝对值，kJ；T1为空气的初始温度，K；p2/p1为空气的压缩比；k为空气的绝热指数。
由于技术功等于k倍的膨胀功，则压缩M(kg/h)的湿空气与干空气相比，多耗费的压缩功计算如下：
目前常用的除湿技术主要有制冷除湿、吸附剂除湿、吸收剂除湿、膜除湿法。随着人们节
能环保意识的增强，越来越认识到传统的压缩机除湿方法存在明显的技术缺点。
制冷除湿技术是发展最早、应用最为广泛、最成熟的除湿方法。这种方法可以将压缩空气的含湿量降到很低，但是由于压缩空气中的水蒸气在冷却盘冷凝，使得冷却盘管的传热热阻增加，除湿机的效率降低；另一方面，压缩空气通过制冷除湿后温度较低，在某些使用场合，需要通过辅助加热设备将压缩空气加热到某一合适的温度再提供给用户，这也造成了额外的能量消耗。制冷除湿机一般可以提供露点温度-23～-17 ℃的压缩空气。
吸附剂除湿，最典型的就是固体轮转式除湿机，吸附式除湿系统可以在常温下对压缩空气进行干燥，吸附效果较为理想，且可以利用低品位的余热进行吸附剂再生，但需要的温度较高，一般在100 ℃以上，固体吸附剂再生困难，再生的热风一般来源于室内排风，容易与新风形成交叉污染。吸附剂除湿一般可以达到-20～60 ℃的低湿空气[5]。
吸收剂除湿是通过压缩空气直接与吸收剂相接触实现，吸收剂的强吸湿性可以除去压缩空气中的水蒸气，一般吸收式除湿使用液体干燥剂，吸收过水蒸气的吸湿剂溶液温度会升高，浓度会下降，吸湿能力也急剧下降，需要使用高温低湿的热风进行再生，再生后需要将溶液温度降到20 ℃左右。
膜除湿法，一般采用亲水性高分子膜，这种膜对水蒸气具有较强的选择透过性，水蒸气在分压力的推动作用下，从湿度高的一侧透过膜传递到湿度低的一侧，而其他气体被阻隔在外，从而实现空气的除湿。膜除湿法具有以下优点：(1)避免新风与排风之间的交叉污染，不存在腐蚀问题；(2)可以在常温下进行，结构简单，能耗较低。同样膜除湿法的缺点也很明显，由于除湿过程中，渗透推动力较小，因此膜除湿法效率较低。
中空纤维膜液体除湿法是将液体除湿法与膜除湿法相结合，既拥有液体除湿的优点，又弥补了液体除湿新风带液以及压损过大的缺点。中空纤维膜组件的空间布置类似于管壳式换热器，将中空纤维膜组件平行排列装进一个壳结构中。压缩空气以叉流的方式流经壳程，液体吸湿剂流经管程[6-7]。本设计采用由浙江大学研发制作的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，膜的内径为1.2 mm，膜的外径为1.8 mm，纯通水量为700～1200 L/(m2·h)[8]，膜材料可以保证液体除湿剂(CaCl2与LiCl的混合溶液)在管道内进行湍流流动，流体可以形成剧烈的扰动，管内边界层相应减小，有利于工质间的传热。对处理压缩空气量为300 m3/h的中空纤维膜除湿系统而言，其除湿器的压力损失为18～25 Pa，其他阻力损失约为60 Pa，总损失为78～85 Pa，而出气压力为0.8 MPa的螺杆压缩机的吸气压力一般为0.1 MPa，因此，中空纤维膜除湿法对于螺杆压缩机进口压力影响较小，造成的能耗影响可忽略不计。
中空纤维膜组件进出口风管结构如图2所示。
通过分析吸气参数对空压机性能的影响可知，为了降低螺杆压缩机的运行能耗，在满足生产工艺要求的前提下应尽可能降低空气压缩机的吸气湿度与吸气温度。因此，将中空纤维膜液体除湿系统置于空压机系统前端，在优先满足用户含湿量指标下同时对空压机的吸气温度进行了优化。改造后的空压机系统工艺流程如图3所示。
为了提高除湿器和再生器的效率，通过使用热泵提供中空纤维膜除湿系统运行所需的热量及冷量，并回收利用喷油螺杆空压机润滑油的余热用于液体除湿剂溶液的再生。
空气压缩机润滑油被喷进空压机压缩腔内，在压缩空气循环的过程中起到了冷却、密封、润滑、降噪的作用[9]，油气混合物通过油气分离器进行分离后，绝大部分润滑油通过热交换器与完成除湿任务后的除湿剂溶液进行换热降温，加热后的除湿剂进入再生器进行再生，润滑油经过油过滤器过滤后重新喷入压缩腔进行循环使用。
热泵驱动的中空纤维膜液体除湿系统如图4所示。进口空气经过空滤器进入中空纤维膜除湿器进行除湿后进入压缩机系统，中空纤维膜中的除湿剂溶液吸湿后浓度变低，进入热泵冷
凝器吸热后达到50 ℃，再通过管壳式换热器与空压机润滑油换热升温到75 ℃左右成为高温稀溶液，冷却后的空压机润滑油被送入空压机进一步循环；空压机生产的空气95%送给用户，剩余5%的压缩干空气被送入再生器，带走再生器中水汽；由于压缩后的干空气中水蒸气的分压力较低，高温稀溶液中的部分水蒸气被高压干空气带走变为高温浓溶液，再通过辅助冷源(一般使用自来水)初步冷却后进入热泵蒸发器，进一步冷却为20 ℃左右的低温浓溶液。从而完成一个除湿剂再生循环。
由于新型干燥系统采取压缩机进口除湿，使得新系统可以将冷负荷与湿负荷分开处理，完成除湿任务的除湿剂进入再生系统利用热泵生产的热能以及空压机余热进行再生，与此同时热泵系统又提供12℃左右的冷源，用于冷却除湿溶液以及压缩空气，因此提高了系统的能源利用效率[10]。
空压机吸气端除湿系统将膜分离技术、液体除湿技术和热泵技术相结合，系统具有如下特点：

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