CC BY
1
УДК 629.78.08
UDC 629.78.08
Ляльков М.В. магистр
кафедра «Вакуумная и компрессорная техника» научный руководитель: Козлов В.В., к. техн. н.
доцент
кафедра «Вакуумная и компрессорная техника»
МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, г. Москва
Lyalkov M. V., magister Russia, Moscow, BMSTU Department «Vacuum and compressor equipment» научный руководитель: Kozlov V. V. кандидат технических наук, доцент Russia, Moscow, BMSTU Department «Vacuum and compressor equipment» АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОСУШЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА ПО КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМЕ ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS OF DRYING COMPRESSED AIR BY COMBINED SCHEME
Ключевые слова: сжатый воздух, гибридный осушитель, комбинированная схема осушения.
Keyword: compressed air, hybrid dryer, combined scheme of drying.
Аннотация: В данной работе выполнен анализ энергоэффективности осушения сжатого воздуха по комбинированной схеме. В работе подтверждена перспектива применения в гибридных осушителей. Анализ процессов проведен в I-d диаграмме влажного воздуха с расширением ее возможностей для различных давлений выше атмосферного. Обозначены пути дальнейшего исследования. Рассмотренная в работе комбинированная схема, предполагает гибридную технологию использования холодильного и адсорбционного осушителей.
Annotation: In this paper, was made the analysis of the energy efficiency of drying compressed air by combined scheme, confirmed prospects for application in hybrid dryers. Analysis of the processes carried out in I- d diagram of moist air from the expansion of its capabilities for a variety of pressures above atmospheric pressure. The ways of further research. Considered in the combined scheme, hybrid technology involves the use of refrigeration and adsorption dryers.
Введение.
В настоящее время в промышленности и компрессорной технике применяют международный стандарт качества ГОСТ Р ИСО8573-1. По
содержанию влаги воздух имеет 6 классов отличающихся по температуре точки росы.
Принимая во внимание особенности климатических условий на промышленно развитой территории Российской Федерации, следует отметить необходимость осушения сжатого воздуха до 2-го класса (точка росы «-40°С») и ниже.[1]
Сжатый воздух, широко применяемый в промышленности, содержит влагу, которая негативно влияет на механизмы (коррозия). В некоторых производственных процессах (например, фармацевтические производства, нефтехимические и т.д.) наличие влаги является критичным параметром, в связи с влиянием на процесс. Поэтому, для того, чтобы организовать нужный уровень воздухообеспечения используются осушители, которые позволяют поддерживать влажность на необходимом уровне.[2]
Существует 2 наиболее распространенных вида осушителей: рефрижераторный, адсорбционный. Своими параметрами, закрывают все требования по осушке в соответствие с существующими стандартами. Можно утверждать, что осушители рефрижераторного и адсорбционного типов действительно достаточно эффективны. Однако анализ рынка компрессорной техники показывает, что существует ряд компаний, продолжают работать над повышением эффективности осушения сжатого воздуха. Такими аппаратами являются гибридные осушители, в которых реализован комбинированный метод осушения. Сочетаются преимущества рефрижераторного и адсорбционного осушения, совмещенные в одну схему.
Гибридные осушители представлены на рынке несколькими крупными компаниями. Тем не менее, достоверная информация, обосновывающая преимущества данного типа действия отсутствует.
Далее на рисунке 1 представлена функциональная схема комбинированного осушителя сжатого воздуха.
4 I
Рис. 1. Функциональная схема комбинированного осушителя.
1-теплообменник воздух/воздух 2-теплообменник хладагент/воздух 3-холодильный компрессор 4-байпасная линия 5-переключающий клапан 6-процесс регенерации 7-распределитель потока 8-процесс адсорбции 9-диффузор 10-выход регенерационного воздуха 11-вентилятор
регенерационного воздуха 12- вход регенерационного воздуха 13-подогрев регенерационного воздуха
Процессы осушения сжатого воздуха в комбинированном осушителе рассмотрены в I-й диаграмме на рисунке. В работе используется I-й диаграмма влажного воздуха с расширением ее возможностей для различных давлений. Схема 1-й диаграммы состоит из рабочего поля в косоугольной системе координат 1-й, на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы - вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержаний обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянных влагосодержаний представляют вертикальные прямые. Линии постоянных энтальпий представляют параллельные прямые, идущие под углом к вертикальным линиям влагосодержаний. Косоугольная система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее поле диаграммы. В данной системе координат линии постоянных температур -прямые линии, идущие под небольшим наклоном к горизонтали и слегка расходящиеся веером.
Рис. 2. Процессы в комбинированной схемы осушения в I^ диаграмме.
В построенной диаграмме под цифрами 1 -2 происходит нагрев сжатого воздуха в компрессоре.
^Ч?-) .К
где Г12 —температуры воздуха до и после сжатия в компрессоре, Р12 — давление до и после сжатия в компрессоре, к - коэффициент адиабаты.
Далее сжатый воздух из компрессора поступает в концевой теплообменник 2-3, где происходит охлаждение до температуры Г3 определяемой
71 + Д= 73, К
Г3 — температура воздуха после концевого теплообменника, Л — температура недоохлождения принимаем ~10°^
Далее 3-4 воздух поступает в рефрижераторный теплообменник
(хладагент-воздух), в котором происходит охлаждение воздуха до +3°C
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
i [g/kg s.v.]
Рис. 3. Процессы осушения в I-d диаграмме.
Завершающим этапом воздух попадает в адсорбционный осушитель 45 (рисунок 3) , где происходит процесс адсорбции влаги, сопровождаемый повышением температуры газа. Процесс может быть изображен по линии постоянной энтальпии i=const (допущение о примерном равенстве коэффициента конденсации/парообразования и адсорбции/десорбции).
В обычном адсорбционном осушителе, процессы 1-2-3 проходят идентично процессам, проходящим в гибридном осушителе, параметры входа в осушитель одинаковы. Различие изученных схем заключается в процессе 3-6. В обычном адсорбционном осушителе подаваемый воздух сразу попадает в адсорбер, где осушается до точки росы -40°C.
Производители осушителей воздуха гибридного типа заявляют высокую эффективность применения данных осушителей. Обзор известной технической литературы не выявил наличия методик комплексной оценки процессов в гибридном осушителе. В ходе чего возникает актуальность проведения энергетического анализа осушителей комбинированного типа.Одним из критериев оценки эффективности использования гибридных осушителей, является удельное количество энергии, затрачиваемой для регенерации одного килограмма сухого воздуха. В данной работе, было произведено сравнение технологий адсорбционного и гибридного осушителя сжатого воздуха после концевого теплообменника компрессора. Для упрощения проведения анализа были приняты некоторые параметры: температура входа - +35°C, температура воздуха после рефрижераторного осушителя +3°C, давление сжатия влажного воздуха 10 бар абсолютных. Для
определения количества влаги в адсорбере использовалась зависимость поглотительной способности силикагеля от температуры процесса, представленная на рисунке 4. [3]
О
а: <тз о ■ч—
I л оа 12
с; -О
аз Р е о 16
о
Е о д: Ю о 8
СУ) О о с- 4
и. о
Сипикагвль
\
\
100
200 ГС
Рис. 3. Зависимость поглотительной способности от температуры воздуха для силикагеля. По данному графику, можно сделать вывод, что поглотительная способность при температуре воздуха +35°С будет в 3 раза ниже, чем при +3°С. Далее по I-й диаграмме, определяем влагосодержание при давлении Рк = 10 атм., на входе в адсорбер = 3.9 г / кг, после рефрижераторного осушителя = 1.2г / кг, й5>6 = 0.2г / кг.
Свл = * (¿3 - ^б) * Тц.а.1 * к , гр (1) Свл = Св * (^4 - * Тц.а.2 * \ , гр (2) Приравняв уравнения (1) и (2), и подставив известные нам величины, получим
к
Св * (3.9 - 0.1) * тца1 * к = Св * (0.7 - 0.1) * т
Ц.а.
^ц.а.2 _ 3.8 * 3
Тц.а.1 °.6
ц.а.2
3
= 19
Данное соотношение показывает зависимость времен циклов в адсорбционных осушителях от поглотительной способности(к). Зная соотношения коэффициентов поглотительной способности и учитывая принятые допущения, можно легко определить соотношение циклов регенерации.
т
Ц2р
=3
Т
ц1р
Для большей наглядности ниже представлены схемы циклов регенерации..
*
25 20 15 10 5 0
Время цикла адобции
Время цикла регенерации
Полное время цикла
Адобционный осушитель
Гибридный осушитель
Рис. 3. Схема циклов работы осушителя гибридного(1), адсорбционного(2)
ТЦ ^ц.а + Тц.р
Рефрижераторный осушитель, точка росы +3°С. Если установки этого типа обеспечивают понижение температуры точки росы проходящего через них сжатого воздуха до +3 °С (275 К), то затраты энергии на 1кг сухого воздуха в них составляет приблизительно = 0,11 кВт на 1 м3/мин = 2,0 Дж/кг сухого воздуха.[4]
Холодильный теплообменник
Вся энергия, затрачиваемая холодильной машиной для подготовки воздуха равно энергии затрачиваемой на работу холодильного компрессора.
Количество энергии, затраченное на полный цикл гибридного осушителя.
кг Дж
£г.х = £возд(—) * Тц(с) * )
с кг
Адсорбционный осушитель.
Мощность нагревателя, необходимая для десорбции адсорбента определяется как удельная теплота десорбции умноженная на А влагосодержаний и расхода воздуха.
Сд.1 = Ч * (^з - ^6) , Qa.2 = Ч * - ^5) ,
кДж
кг кДж
кг
где Сд.1,2 -
удельная теплота десорбции, для адсорбционного и гибридного осушителя ^ — коэфициент десорбции(удельная теплота десорбции).
кг кДж
£г.а = £возд(—) * 1,5тц.р(с) * ^д.2(-)
с кг
Полные затраты энергии за один цикл.
£г.А + £г.Х = £г.,Дж/кг Аналогично определяем количество энергии, затраченное за полный цикл осушения воздуха.
кг кДж
£а = ^возД(—) * Тц.р(с) * ^д.1(——)
с кг
За один полный цикл гибридного осушителя, адсорбционный
совершит 11 своих циклов. Подставив значения в данные формуле получим,
что гибридный осушитель тратит до 85% меньше энергии, чем
адсорбционный осушитель.
Заключение:
Проведенный энергетический анализ осушения сжатого воздуха и регенерации адсорбентов по комбинированной схеме подтверждает перспективу применения осушителей данного типа
Изложенный в статье принцип проведения анализа процессов холодильного и адсорбционного осушения сжатого воздуха с помощью М диаграммы позволяет рассмотреть общие закономерности функционирования осушителей и наметить пути дальнейшего исследования: Разработка математической модели процессов осушения и регенерации
Поиск рациональных схемных решений Оптимизация параметров
Использованные источники:
1. Воронин Г.И. Системы кондиционирования летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1973. - 441 с.
2. Козлов В.В. . М. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия "Машиностроение"- : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 301, [3] с. : ил.
3. Автономова И. В. Компрессорные станции и установки: учеб. пособие. -
4. 2 : Методы очистки газа на компрессорных станциях. М. - : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 61, [3] с. : ил.
4. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М., Энергия , 1972. - 320 с ;
5. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники: 2-е издание, 1984. — 592 с.;
6. Очистка сжатого воздуха пневматических систем. НИИ информации. М., Машиностроение, 1969
7. Каталог продуктов Кайзер Компрессорен. Режим доступа:
(http://www.kaiser.ru//КаталогпродуктовKaeserKompressorenГмбХ)_(дата
отбращения 04.10.2014)
8. Д.Краснов. Система подготовки воздуха// Компрессоры и пневматики. -2011. - 32 с.;
Использованные источники:
1. Voronin G. I. air-conditioning System of the aircraft. M., Engineering, 1973. -441 S.
2. V. V. Kozlov . M. Vestnik MGTU im. N. Uh. Bauman. Series "engineering"- : Izd-vo MGTU im. N. Uh. Bauman, 2011. - 301, [3] p.: Il.
3. Avtonomova I. V. Compressor stations and plants: proc. allowance. - Part 2 : Methods of purification of gas at compressor stations. M. : Izd-vo MGTU im. N. Uh. Bauman, 2011. - 61, [3] p.: Il.
4. P. D. Lebedev, heat exchangers, dryers and refrigeration units. A textbook for students of technical universities. Ed. 2-e, Rev., M. Energy , 1972. - 320 ;
5. Keltsev N. In. Principles of adsorption technology: 2nd edition, 1984. — 592 p.;
6. Purification of compressed air pneumatic systems. NII information. M., Engineering, 1969
7. Products catalog Kaiser Compressor. Access mode: (http://www.kaiser.ru//КаталогпродуктовKaeserKompressorenГмбХ) (date of obrasheniya 04.10.2014)
8. Dmitry Krasnov. The preparation of air// Compressors and Pneumatics. - 2011. - 32 p.;
