空压机废热驱动溶液再生的溶液式压缩空气干燥系统实验研究与优化

作     者：湛长丰 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：殷勇高

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：压缩空气干燥 溶液除湿 压力露点 流程优化 余热回收 

摘      要：相对于传统的冷冻式和固体吸附式压缩空气干燥技术,溶液式压缩空气干燥技术有着体积小、易操作且可以回收空压机余热驱动溶液再生的优点。在降低能耗的基础上,可以有效替代传统的冷冻式干燥技术,实现压力露点的可靠控制并对压力露点-20～10℃的市场空白区进行覆盖。本课题组前期对压缩空气溶液干燥方法的除湿性能进行了实验与理论研究。为了进一步验证利用空压机废热驱动溶液循环,本文将建立空压机废热驱动溶液再生的溶液式压缩空气干燥系统样机,包括除湿器、再生器、空压机余热回收系统,采用理论和实验相结合的方式探究整个系统的性能并对系统的流程进行优化。主要的研究内容及成果如下:首先,对溶液式压缩空气干燥系统的工作流程进行了阐述,建立了系统的模型样机。对样机的主要部件,如空压机、填料塔（除湿器及再生器）、溶液泵、测量装置等进行了介绍,并对系统实验下的实验数据进行了误差分析,分析结果显示主要参数的最大相对误差在9%以内,由此可知实验数据具有一定的可靠性。其次,在建立的溶液式压缩空气干燥系统样机上,采用实验和理论方法对系统性能进行了验证与模拟分析。实验探究得到0.8MPa下的压力露点可以达到0℃以下（最低为-7.7℃）,表明溶液式压缩空气干燥系统可以替代传统的用电能驱动的冷冻式干燥技术,并拓宽了干燥范围。此外,经过空压机余热加热后的溶液温度可达70 ℃,溶液再生耗热量占理论余热回收量的比例在30%至35%之间,由此可知利用空压机余热驱动压缩空气溶液除湿再生循环是可行的。理论分析发现较高的除湿器进口溶液流量、较低的除湿器进口溶液温度及较高的再生溶液温度（保证溶液不结晶的前提下）有助于压缩空气的干燥。此外,在保证系统除湿性能的前提下,考虑系统的稳定运行,选择夏季工况下的再生温度为70 ℃,冬季工况下的再生温度为39 ℃,过渡季节工况下的再生温度为60 ℃。建立了系统数学模型,从两个方面对除湿过程中的传热传质特性进行了探究,分别为高压下LiCl和LiBr除湿过程传热传质的对比、LiCl溶液在高压和常压下除湿过程传热传质的对比。对于LiCl和LiBr来说,不同关键参数（压缩空气压力、压缩空气流速、除湿器进口溶液浓度、除湿器进口溶液温度、除湿器进口溶液流量）对除湿过程传热传质的影响趋势一致。探究发现压缩空气流速的大小对除湿过程中的传质系数影响较大,流速的增大可以显著增强除湿过程中的传质能力。对比分析高压和常压除湿过程的传热传质特性时发现,对于常压除湿,空气流速的增大并不能显著增强传质能力。选择LiCl溶液作为除湿剂的相关实验数据,耦合得到高压除湿过程中的传热传质关联式,并对其进行验证。验证结果表明,压缩空气出口含湿量实验值与计算值的偏差在±10%以内,压缩空气出口温度及除湿器出口溶液温度实验值与计算值的偏差在±5%以内,表明模型可靠。接着,基于系统数学模型,理论分析了溶液式压缩空气干燥系统的压力露点范围。理论分析时选择LiCl溶液作为除湿剂,压缩空气的压力为0.8MPa。溶液式压缩空气干燥系统在常温下,可以将压缩空气干燥到压力露点0℃,表明在常温下可以替代传统的冷冻式干燥系统。对于干燥程度要求更高的区域,需要额外提供冷源,增强溶液式干燥系统的除湿能力。对于压力露点要求高于-10℃的干燥场所,选择与冷水机组结合即可;对于压力露点要求在-20℃至-10℃的干燥场所,选择与制冷系统（提供低于0℃的冷源）进行结合。最后,利用系统稳态模型设计了一个气量为10 Nm/min的溶液式压缩空气干燥系统,从理论层面对系统流程进行优化。研究发现系统加入自循环后,相对没有自循环的系统,处理后的压缩空气出口含湿量几乎相同;但是系统的再生能耗和溶液冷却器的冷负荷大幅度减少,对应的降幅百分比分别为53.5%和43.7%。此外,湿空气的压缩功耗要大于干空气的压缩功耗。对于预除湿模块,我国南部地区有必要设置预除湿模块,其次是我国东部及中部,至于北部和西部不用设置预除湿模块;月份的选择上,对于我国南部地区,4至9月份有必要进行预除湿。对于我国东部及中部,6至8月有必要进行预除湿。增加预除湿模块后,能耗节约的百分比在2%左右。