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一、能源安全的嚴(yán)峻形式與節(jié)約能源的意義

　　全球氣候變暖，中美貿(mào)易摩擦，化石能源日漸枯竭，世界經(jīng)濟(jì)有逆全球化發(fā)展趨勢(shì)在這動(dòng)蕩不安的世界，各國(guó)都在加強(qiáng)自我安全保護(hù)，尤其是能源安全。我國(guó)自2014年以來(lái)，一直強(qiáng)調(diào)能源安全是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問(wèn)題，對(duì)國(guó)家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會(huì)長(zhǎng)治久安至關(guān)重要。我國(guó)是世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，如何確保國(guó)家能源安全、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，始終是能源事業(yè)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題。

　　近5年來(lái)，雖然經(jīng)過(guò)全國(guó)各層級(jí)的努力，取得了全國(guó)能源消費(fèi)總量年平均增速為2.2%，單位GDP能耗共下降20.3%的好成績(jī)[1]，但與先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的單位GDP能耗相比，還存在相當(dāng)大的差距。那么，節(jié)能就是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，也是保障我們這樣人口大國(guó)能源安全的重要舉措之一。

　　二、設(shè)計(jì)高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)的價(jià)值

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，冷凍式干燥機(jī)（冷干機(jī)）每年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，且目前市場(chǎng)上保有量在幾百萬(wàn)臺(tái)之多。依此數(shù)據(jù)，我們按每臺(tái)平均為10kW（對(duì)照69m3/min處理量）、保有量150萬(wàn)臺(tái)推算（冷干機(jī)壓縮機(jī)的功率在0.4～52kW，流量在0.9～269m³/min）：

　　1、冷干機(jī)本身每年的能耗為：10kW*1,500,000臺(tái)*8600小時(shí)/年=129,000,000,000kW/h=1290億度電，若是能節(jié)約20%，則年節(jié)約258億度電。所以，唯有通過(guò)各種科學(xué)管理方式與技術(shù)手段，才能降低冷干機(jī)的運(yùn)行功耗。

　　2、冷干機(jī)進(jìn)出氣的壓差越大，那么要在冷干機(jī)出口處要獲得同等量壓縮空氣時(shí)，需要空壓機(jī)的供氣量越大，則其消耗的能耗將增加。常規(guī)數(shù)據(jù)是壓差1bar即0.1MPa 對(duì)應(yīng)空壓機(jī)多消耗約7%的能耗。目前市場(chǎng)上冷干機(jī)的壓差普遍都在0.03MPa，若是能降至0.01MPa，則可降低空壓機(jī)1.4%的能耗。根據(jù)以往的數(shù)據(jù)推測(cè)，空壓機(jī)年耗電約為8000億度，則可節(jié)級(jí)省8000億*1.4%=112億度電。壓差的產(chǎn)生，一方面由于氣流路徑上客觀(guān)存在的各種阻力造成的，另一方面是由冷干機(jī)設(shè)計(jì)不科學(xué)的原因造成的。

　　3、排水裝置的壓縮空氣損耗：自動(dòng)排水器是冷干機(jī)中一個(gè)易損零部件，使用不當(dāng)或長(zhǎng)久使用后會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)放不關(guān)或長(zhǎng)關(guān)不放，兩個(gè)極端相反的故障。當(dāng)發(fā)生長(zhǎng)排不關(guān)時(shí)，壓縮空氣從此處大量泄出，造成氣量的浪費(fèi)。當(dāng)發(fā)生長(zhǎng)關(guān)不放時(shí)，則凝結(jié)水積聚在蒸發(fā)器中，使成品氣露點(diǎn)上升或排氣帶水，制冷系統(tǒng)負(fù)荷也會(huì)因蒸發(fā)器積水而增大，兩者都將對(duì)能耗產(chǎn)生巨大的影響。

　　從以上簡(jiǎn)要的三個(gè)方面來(lái)看，設(shè)計(jì)與制造高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)意義。

　　三、何為節(jié)能型冷干機(jī)

　　節(jié)能是基于對(duì)比而言的，主要是新型冷干機(jī)與傳統(tǒng)冷干機(jī)進(jìn)行對(duì)比，還有第N代新型冷干機(jī)與第N-1代冷干機(jī)進(jìn)行對(duì)比，還有不同品牌的冷干機(jī)進(jìn)行對(duì)比即。

　　1、對(duì)比同樣處理量、相同出氣品質(zhì)的情況下壓損要小，即壓差就小；

　　2、對(duì)比同樣處理量、相同出氣品質(zhì)的情況下，誰(shuí)的功耗最小；

　　3、對(duì)比同樣處理量、相同出氣品質(zhì)的情況下，誰(shuí)造成的壓縮空氣損耗最小。

　　四、設(shè)計(jì)節(jié)能型冷干機(jī)的部分理論基礎(chǔ)

　　1、壓縮空氣流經(jīng)過(guò)直管段和各種管件時(shí)所受到的阻力是不同的，產(chǎn)生的能量損失（主要是壓損）也不同。

　　1）摩擦損失：空氣在管段上流動(dòng)時(shí)，由于管壁的摩擦作用以及由此引起的氣體內(nèi)部摩擦形成了管道對(duì)氣體流動(dòng)的摩擦阻力。為克服摩擦阻力而造成的能量損失，即為摩擦損失。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析"

　　式中：r ;摩擦阻力系數(shù)（注：流動(dòng)狀態(tài)不同， 則不同）；

　　i;管道長(zhǎng)度，m；

　　d;管道內(nèi)徑m，對(duì)于非圓形管道取當(dāng)量直徑

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析"

　動(dòng)壓頭，

　　2）局部損失：壓縮空氣經(jīng)管件、閥門(mén)及進(jìn)出口等局部阻礙物時(shí)氣體發(fā)生變形，如擴(kuò)張、收縮、拐彎等，主要是因?yàn)楣鼙诘募眲∽兓箟嚎s空氣管內(nèi)流速重新分布，在分布過(guò)程中流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生更多的摩擦和碰撞，從而消耗一部分能量。另外，流速變化過(guò)程中產(chǎn)生漩渦也要消耗主流體的部分能量。為克服局部阻力而產(chǎn)生的能量損失稱(chēng)為局部損失。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析"　　式中： ;局部阻力系數(shù)，其余同上

　　摩擦阻力和局部阻力我們歸結(jié)為流通阻力，流通阻力越大，空氣的壓力降也越大。壓縮空氣的質(zhì)量流速和凈化裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響流通阻力的主要因素。

　　3）管束阻力：壓縮空氣在通過(guò)諸如熱交換器內(nèi)部管束時(shí)產(chǎn)生的能量損失，是由許多局部阻力和摩擦阻力所形的綜合壓力損失。當(dāng)壓縮空氣流過(guò)一組與氣流前進(jìn)方向垂直的管束時(shí)，其阻力損失大小與管束的排數(shù)、排列方式、雷諾數(shù)等因素有關(guān)。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析"　　式中：氣體在管束窄縫內(nèi)的流速，m/s

　整個(gè)管道的阻力系數(shù)。

　　2、蒸發(fā)器（換熱器）材質(zhì)選用，銅管與304L不銹鋼的比較

制冷劑在流過(guò)蒸發(fā)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，使壓縮機(jī)的吸氣壓力降低，制冷量隨之下降。為了避免這一情況發(fā)生，在設(shè)計(jì)蒸發(fā)器時(shí)，要適當(dāng)選擇換熱管的內(nèi)徑和制冷劑的流速、流程數(shù)，當(dāng)前市場(chǎng)上換熱管有兩種材質(zhì)選擇。

　　1）銅管的導(dǎo)熱系數(shù)是100W/m℃，不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)為13W/m℃，如果其他條件相同，銅管的換熱效果更好；

　　2）銅管因?yàn)閺?qiáng)度和磨損原因，壁厚不能低于1.2mm ，不銹鋼管的壁厚可以薄到0.5-0.8mm左右。根據(jù)導(dǎo)熱熱阻定律，導(dǎo)熱系數(shù)不變，壁管厚度越小，導(dǎo)熱熱阻越小，傳熱系數(shù)越大，所以不銹鋼管的可以通過(guò)減小壁厚來(lái)減小和銅管之間的總體傳熱系數(shù)；

　　3）雖然不銹鋼管通過(guò)減小壁厚來(lái)縮短和銅管之間的總體傳熱系數(shù)，但是也僅僅是縮短，總體來(lái)說(shuō)，還是銅管的熱換效果更好；

　　4）隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，銅管氧化層會(huì)越來(lái)越厚，內(nèi)部污垢也會(huì)越來(lái)越多，傳熱效果會(huì)越來(lái)越差。而不銹鋼基本不會(huì)氧化，就算氧化也比較緩慢，因此，銅管的熱換效果從一開(kāi)始比不銹鋼管的好。隨著時(shí)間的推移，熱換效果會(huì)越來(lái)越差，使用很長(zhǎng)時(shí)間的銅管熱換效果比不銹鋼管的差。

　　總而言之，304L不銹鋼管與銅管如果同時(shí)投運(yùn)，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，304L不銹鋼管的經(jīng)濟(jì)性能將會(huì)比銅管越來(lái)越更好，適合于高端冷干機(jī)。

高效節(jié)能型冷凍式干燥機(jī)設(shè)計(jì)理論分析"

　　3、預(yù)冷器設(shè)計(jì)：實(shí)質(zhì)上，冷干機(jī)是由兩個(gè)換熱器構(gòu)成的復(fù)合式換熱器，其有三種狀態(tài)不一樣的流體參與了換熱。預(yù)冷器里，熱流體是溫度較高的飽和壓縮空氣，冷流體是冷卻后的干燥壓縮空氣，兩者水當(dāng)量極為接近。在蒸發(fā)器里熱流體是溫度已預(yù)先降低的飽和壓縮空氣，冷流體是低壓冷媒。蒸發(fā)器由獨(dú)立的制冷系統(tǒng)提供冷源，而預(yù)冷器的冷源則來(lái)自被蒸發(fā)器冷卻了的壓縮空氣，因而不具有獨(dú)立性，所以，在整個(gè)熱交換過(guò)程中預(yù)冷器的作用是回收制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的部分冷量，客觀(guān)上可以減少整機(jī)的能量消耗。如上圖所示熱交換過(guò)程。

　　但冷、熱氣流在預(yù)冷器中發(fā)生的熱交換完全受制于運(yùn)行條件，即熱氣流終端溫度降幅受到限制，冷氣流終端溫度升幅也受到限制。這一現(xiàn)象依靠增加換熱面積是不能改變的，所以，必須正確設(shè)計(jì)預(yù)冷器，才不僅節(jié)能，而且成本可控。

　　4、氣水分離器設(shè)計(jì)，通常在蒸發(fā)器與預(yù)冷器之間安裝有氣水分離器，用于在壓縮空氣二次進(jìn)入預(yù)冷器前把空氣中混雜的水滴水霧預(yù)以清除，它是冷干機(jī)中一個(gè)不可或缺的重要部件。在冷干機(jī)中用得最多的是擋板式分離器，雖然成本低廉，不占空間，但會(huì)給壓縮空氣帶來(lái)壓力損失。設(shè)計(jì)合理的氣水分離器，可以有效減輕壓縮機(jī)的負(fù)荷工作量，起到一定的節(jié)能降耗的效果。

　　總結(jié)

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)趨向高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)型，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步趨向于高質(zhì)低價(jià)的區(qū)間。在人力成本不斷增長(zhǎng)的前提下，節(jié)約能源消耗，降低能耗成本；提升產(chǎn)品的耐用性，降低運(yùn)維成本以及提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低次品率等是保障企業(yè)擁有高質(zhì)低價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)能力的有效措施。2019年1月1日起已正式實(shí)施《壓縮空氣站能效分級(jí)指南》（CGMA 033001-2018）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和規(guī)范了壓縮空氣站的能效檢測(cè)、計(jì)算和能效等級(jí)的評(píng)定，將來(lái)壓縮空氣站將像空壓機(jī)設(shè)備一樣，標(biāo)上幾級(jí)能效。那么，設(shè)計(jì)出高效節(jié)能型冷干機(jī)必將助力高效能型壓縮空氣站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。