壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測(cè)試方法與測(cè)試系統(tǒng)建置

1、壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測(cè)試方法與測(cè)試系統(tǒng)建置摘要本研究參考?jí)嚎s空氣乾燥設(shè)備性能測(cè)試之國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7183-2007，建立一套高壓空氣吸附元件性能測(cè)試系統(tǒng)於工研院綠能所實(shí)驗(yàn)室，使其各項(xiàng)參數(shù)(溫度、壓力、溼度、流量、潔淨(jìng)度)之均勻度與穩(wěn)定性皆可符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，並將其應(yīng)用於本研究團(tuán)隊(duì)目前正極積開發(fā)之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測(cè)試，以收集相關(guān)性能數(shù)據(jù)與操作參數(shù)、耗能驗(yàn)証與可靠度測(cè)試，以做為將來(lái)高效率壓縮空氣乾燥設(shè)備產(chǎn)品之設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)可提供國(guó)內(nèi)相關(guān)空壓機(jī)乾燥設(shè)備廠商，做為吸附材料或乾燥設(shè)備開發(fā)時(shí)之測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。一、前言完整的壓縮乾空氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣桶、乾燥設(shè)備、過濾設(shè)備、輸送管線與壓力閥

2、件等元件設(shè)備。由於空氣經(jīng)過空壓機(jī)壓縮後，空氣中所含大量水汽會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水，加上氣流中微量的雜質(zhì)與油污，將對(duì)精密儀器、氣動(dòng)工具、氣動(dòng)設(shè)備、儀錶、管路、食品與藥物製程等造成嚴(yán)重傷害。故高壓空氣系統(tǒng)的除溼與濾淨(jìng)處理程序，已成為生產(chǎn)高品質(zhì)壓縮空氣之必要手段。壓縮空氣水汽去除機(jī)制，主要是藉由空氣桶冷卻凝結(jié)、冷凍式乾燥機(jī)與吸附式乾燥機(jī)等設(shè)備加以分離去除，其中工業(yè)常見的乾燥設(shè)備有冷凍式乾燥機(jī)、無(wú)熱式雙塔吸附式乾燥機(jī)、加熱式雙塔吸附式乾燥機(jī)、廢熱回收式吸附乾燥機(jī)等。一般大氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)後，約有65.5%的水氣量會(huì)因空氣壓縮冷卻後凝結(jié)所排除、30%由冷凍乾燥機(jī)冷凝去除，其餘約4.5%水分才由吸附式乾燥機(jī)去除。由於

3、冷凍乾燥機(jī)最低可處理的濕度為壓力露點(diǎn)約2，因此無(wú)法提供高壓空氣極低露點(diǎn)-40以下之需求，必須藉由吸附式乾燥機(jī)才能將壓力露點(diǎn)處理至-40甚至是-70以下，然而吸附式乾燥機(jī)需耗費(fèi)較高能量用於吸附劑再生，故成為吸附式乾燥器主要缺點(diǎn)。傳統(tǒng)吸附式乾燥機(jī)為雙塔並聯(lián)之乾燥桶(內(nèi)裝吸附劑)所組成，當(dāng)其中一個(gè)進(jìn)行氣體除濕時(shí)，另一個(gè)則進(jìn)行再生，再生完成後冷卻備用並交替循環(huán)使用。吸附劑種類有矽膠、活性氧化鋁、沸石等，目前仍唯有使用分子篩才將壓力露點(diǎn)溫度降低至-70以下，得到露點(diǎn)極低壓縮空氣。無(wú)熱式吸附乾燥機(jī)之耗能主要源於吸附劑再生需求所致，因此目前有多種改良型式吸附式乾燥機(jī)問世。傳統(tǒng)無(wú)熱式乾燥設(shè)備，其再生方法引入乾

4、燥後壓縮空氣直接進(jìn)行再生，通常515分鐘完成一次再生切換循環(huán)，並消耗總供氣量中1525%的高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的壓縮空氣，有些不當(dāng)作操作甚至?xí)哌_(dá)50%再生氣耗，故其操作費(fèi)用極為昂貴。改良型式乾燥設(shè)備分別有A.加熱式空壓氣體吹淨(jìng)再生，耗氣37%的壓縮空氣；B.加熱式鼓風(fēng)機(jī)常壓空氣吹淨(jìng)再生;C.採(cǎi)用空壓機(jī)廢熱回收再生，降低加熱元件之能耗。為改善吸附式乾燥設(shè)備之耗能，本研究則開發(fā)通電直熱式平行通道式吸附元件技術(shù)，擬藉由通電直熱方式將熱量直接傳遞至吸附劑孔洞內(nèi)部脫附水汽分子，其與傳統(tǒng)電熱加熱高壓空氣後再生吸附劑相比，可大幅降低管件熱損失與吸附劑加熱不均之問題，估計(jì)節(jié)能效益潛力約可達(dá)30%。表1為冷凍乾燥機(jī)與各

5、類吸附乾燥機(jī)之使用範(fàn)圍、初設(shè)成本與運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比較表。表1、各種乾燥設(shè)備之使用範(fàn)圍、初設(shè)成本與運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比較表型式大氣露點(diǎn)()初始費(fèi)用運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用耗氣(%)配合空壓機(jī)(HP)A、冷凍乾燥機(jī)5-5低低0皆可B、無(wú)熱式(高壓空氣體吹淨(jìng)再生)-20-40低高1015400以下C、加熱式(高壓空氣吹淨(jìng)再生)-40-70中中3775500D、加熱式(外加鼓風(fēng)機(jī)吹淨(jìng)再生)-40-70高低0200以上E、熱回收式(空壓機(jī)廢熱或冷凍機(jī)廢熱再生)-20-40高極低30值得注意的是由於壓力露點(diǎn)值與水汽濃度非呈現(xiàn)線性關(guān)係，故壓力露點(diǎn)平均值，須先換算成水汽濃度或絕對(duì)溼度後取平均值，再將此平均值換算回壓力露點(diǎn)值，才是壓力露點(diǎn)平均

6、值。測(cè)試結(jié)果除了標(biāo)示出平均露點(diǎn)溫度外，亦須備註最溼狀態(tài)壓力露點(diǎn)溫度值。為了避免管路中空壓氣流擾動(dòng)影響壓力量測(cè)，工程實(shí)務(wù)上採(cǎi)用如圖5所示。量測(cè)該截面之平均靜壓值。管內(nèi)壁上、下、左、右4點(diǎn)靜壓，透過直徑1.5mm孔共通於外環(huán)溝通道，通道中再開1/4吋PT內(nèi)牙接孔接壓力計(jì)。圖5、標(biāo)準(zhǔn)壓力量測(cè)管示意圖表4則為此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)中各項(xiàng)量測(cè)儀器設(shè)備精確度之要求。例如不同的壓力露點(diǎn)量測(cè)範(fàn)圍，其相對(duì)應(yīng)之精確度略有不同，若量測(cè)試範(fàn)圍-10以上，則精確度要求0.5以下;而壓力露點(diǎn)量測(cè)範(fàn)圍愈低(-40-100)，則精確度要求愈寬(2)。其他如壓力量測(cè)，亦針對(duì)不同範(fàn)圍，有不同的精度要求。表4、ISO 7183之測(cè)試儀器與設(shè)備

7、精確度規(guī)範(fàn)參數(shù)範(fàn)圍精度a壓力露點(diǎn)-100 -402-40 -101-10以上0.5壓力錶壓(bar)0.5 p 20.012 p 160.1壓差bar任意0.01溫度01001流量l/s任意3功率W任意1水流量L/s任意5a於測(cè)試條件下之精度值，另外所有電力讀值要求精度2三、工研院吸附式乾燥設(shè)備性能測(cè)試系統(tǒng)建置與設(shè)計(jì)本研究參考上述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7183-2007，已完成建立一套高壓空氣乾燥設(shè)備及其吸附元件性能測(cè)試系統(tǒng)於工研院綠能所實(shí)驗(yàn)室，其各項(xiàng)參數(shù)(溫度、壓力、溼度、流量)之穩(wěn)定性測(cè)試皆符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如圖6與圖7所示，並將其應(yīng)用於本研究團(tuán)隊(duì)目前正極積開發(fā)之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測(cè)試。

8、表5為本研究高壓空氣乾燥設(shè)備性能測(cè)試系統(tǒng)之主要設(shè)備。本系統(tǒng)性能測(cè)試範(fàn)圍能力如下。壓力: 18 atm (錶壓)流量: 03.6 CMM (Free Air Delivery)入口氣源濕度: -2525(壓力露點(diǎn)溫度) 出口壓力露點(diǎn)量測(cè)範(fàn)圍: -6525 測(cè)試艙體直徑:10cm圖6、高壓吸附元件性能測(cè)試系統(tǒng)之溫度、壓力、露點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試圖圖7、高壓吸附元件性能測(cè)試系統(tǒng)之供氣流量穩(wěn)定性測(cè)試圖表5、本研究高壓乾燥設(shè)備元件性能測(cè)試系統(tǒng)之主要元件設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備選用規(guī)格供氣源30HP氣冷螺旋式(screw type)微油變頻空壓機(jī)系統(tǒng)儲(chǔ)氣桶乾燥機(jī)(冷凍吸附)過濾器壓力計(jì)YOKOGAWA 型號(hào)：EJA430A;

9、精度：span3 kgf/cm2，0.065% of span溫度感測(cè)器T type熱電偶 3.2mm;精度：0.5溼度感測(cè)器(露點(diǎn)計(jì))GENERAL EASTERN型號(hào)：1311DR-SR露點(diǎn)量測(cè)範(fàn)圍: -6525; 精度：0.2壓力量測(cè)管件根據(jù)ISO7183進(jìn)行製作，成品如圖10所示流量計(jì)YOKOGAWA 型號(hào)：DY040精度：流速35m/s 1% of value；35 m/s流速80m/s 1.5% of value圖8為本研究之高壓空氣氣源供應(yīng)系統(tǒng)圖，氣源由30HP氣冷螺旋式微油變頻空壓機(jī)系統(tǒng)所提供，並藉由轉(zhuǎn)切閥由儲(chǔ)氣桶後、或經(jīng)冷凍機(jī)後與吸附乾燥機(jī)後，引出3道不同濕度狀態(tài)之高壓空氣供

10、應(yīng)後端吸附元件進(jìn)行測(cè)試，如圖9可分成高濕(dp-8)、中濕(dp-22)、低濕(dp-42)。若需更多組不同濕度參數(shù)變化，則利用2道不同濕度氣流進(jìn)行氣流配比調(diào)整混合，以調(diào)控出高壓空氣所需之溼度，來(lái)進(jìn)行測(cè)試。圖10則為本研究之壓力量測(cè)管製作實(shí)體照片，其中壓力與濕度量測(cè)時(shí)，分別將採(cǎi)樣口連結(jié)至壓力計(jì)與露點(diǎn)計(jì);而溫度量測(cè)則利用熱電偶直接固定於管壁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其接口大小皆為1/4吋PT內(nèi)牙接孔。在完成高壓空氣氣源供應(yīng)系統(tǒng)配製後，依據(jù)ISO 7183標(biāo)準(zhǔn)，完成吸附元件性能測(cè)試段之管路設(shè)計(jì)與製作，如圖11所示。本測(cè)試段前後加漸擴(kuò)與漸縮導(dǎo)管，將經(jīng)壓力測(cè)試管內(nèi)氣流均勻流經(jīng)測(cè)試段待測(cè)物，防止氣流集中於中央?yún)^(qū)造成偏差

11、。測(cè)試設(shè)備測(cè)試段為內(nèi)徑約20cm可與導(dǎo)管拆開以安裝元件待測(cè)物，但氣流只通過中央截面10cm正方形區(qū)域，外圍1020cm環(huán)狀區(qū)域?yàn)榘惭b電極、溫度感測(cè)器等線路使用空間。圖12為本研究通電直熱吸附雛型元件本體。複合吸附元件性能測(cè)試段之裝置剖面圖，則如圖13所示，其中利用法蘭與o型密封環(huán)，可將氣流限縮於中央?yún)^(qū)域，測(cè)試吸附元件本身並無(wú)氣密外殼，而是由外側(cè)艙體提供高壓氣密。由於本研究所開發(fā)之複合吸附元件具有通電直熱特性，因此複合吸附元件所連結(jié)之電線、熱電偶線等將直接穿過艙體經(jīng)高壓氣密接頭密封來(lái)連接外部相關(guān)裝置。測(cè)試艙外殼除電極通過外，另為記錄吸附劑內(nèi)溫度變化，亦佈置數(shù)條T-type熱電偶，穿過測(cè)試艙外殼，

12、每段測(cè)試艙外殼總計(jì)設(shè)有8孔(2分PT內(nèi)牙)。圖8、高壓空氣氣源供應(yīng)系統(tǒng)圖圖9、高壓吸附元件性能測(cè)試段之供氣源示意圖圖10、壓力量測(cè)管之設(shè)計(jì)與製作實(shí)體照片圖11、複合吸附元件性能測(cè)試段之實(shí)體照片圖12、通電直熱吸附雛型元件照片圖13、通電直熱吸附元件於測(cè)試艙內(nèi)安裝照片為了探討10公分通電直熱吸附雛型元件於不同壓力下脫附之再生特性，本研究利用高壓空氣流量150 LPM(FAD)，先以高濕(dp-8)氣流進(jìn)行吸溼，達(dá)飽和後再以高壓低濕(dp-42)氣流，元件通電加熱至135140進(jìn)行脫附再生。測(cè)試結(jié)果如圖14。此次測(cè)試歷時(shí)約160分鐘。上游露點(diǎn)約-27，下游露點(diǎn)於吸附材未加溫前約-21，加溫後升至-

13、8左右，並隨時(shí)間增加至最高約-3左右，顯示持續(xù)有水氣脫附釋出，並維持約50分鐘。隨後水氣釋出量逐漸減少。由160分鐘總脫附水量30.1g來(lái)看(圖17)，再生50分鐘內(nèi)釋出約20.5g(圖17)，約佔(zhàn)68.1%。代表於前面31.3%再生時(shí)間內(nèi)，即可脫附了68.1%的總水氣量，顯示脫附效能集中於再生初期。圖15為常壓下通電直熱再生脫附曲線圖，由圖顯示常壓下上游入口約-33，下游出口露點(diǎn)於吸附材未加溫前約-6，加溫後4分鐘內(nèi)快升至22左右，顯示有極大量的水氣快速釋出，隨後不到5分鐘，下游出口露點(diǎn)急速下降由總再生時(shí)間120分鐘計(jì)算，其脫附水量可達(dá)34.85g(圖17)，而於初始20分鐘內(nèi)，累積再生水氣

14、脫附量達(dá)24.6g(圖17)，顯示利用1/6的再生時(shí)間，即可完成約70%的水氣脫附量。由以上高壓與常壓再生脫附之結(jié)果來(lái)看，顯然以常壓再生時(shí)，其水氣脫附再生速率較快。其約有70%水氣脫附量，可20分鐘內(nèi)完成，若為高壓下脫附，則需50分鐘才能完成70%大水氣脫附量，故常壓再生加熱時(shí)間為高壓再生的2/5，再生時(shí)間縮短，將可達(dá)到降低能源消耗與節(jié)能之目的。另外由於高壓下進(jìn)行脫附再生時(shí)，高壓下水汽蒸氣壓將遠(yuǎn)超過該溫度下之飽和蒸氣壓，因此空氣中可攜出的脫附水汽量或水汽濃度將受到限制，造成再生脫附時(shí)下游露點(diǎn)溫度有約50分鐘於-3至-8範(fàn)圍的平臺(tái)現(xiàn)象發(fā)生，而常壓下此平臺(tái)時(shí)間很短，且下游露點(diǎn)溫度亦明顯高出許多，達(dá)

15、22以上。為了降低再生氣流的氣耗量，避免過多熱量使用於再生氣流加熱上，因此本研究再生氣流由原本的150LPM，調(diào)降為90LPM，並同樣先以高濕(dp-8)氣流進(jìn)行吸溼，達(dá)飽和後再以常壓低濕(dp-42)氣流，元件通電加熱至140進(jìn)行脫附再生，測(cè)試結(jié)果如圖16。此次測(cè)試歷時(shí)約60分鐘，上游露點(diǎn)約-27，下游露點(diǎn)溫度於吸附元件未加溫前約-5加溫後升至24左右，確實(shí)亦比再生流量150時(shí)下游露點(diǎn)溫度22高出12，顯示水汽濃度更高，但因氣流較小，需較長(zhǎng)時(shí)間約8分鐘後下游露點(diǎn)溫度才開始往下降。由60分鐘總脫附水氣量31.3g(圖17)來(lái)看，前20分鐘即可累積脫附水氣量達(dá)25.6g(圖17)，相較於再生氣流

16、150LPM下前20分鐘累積脫附水氣量24.6g，其結(jié)果相近。因此在適度地調(diào)整再生氣流下，脫附的再生耗能可望進(jìn)一步降低，同時(shí)避免過多的再生氣流，將熱量由元件表面帶走，而造成過多的能源損耗。圖14、高壓通電直熱再生脫附曲線圖(150LPM)圖15、常壓通電直熱再生脫附曲線圖(150LPM)圖16、常壓通電直熱再生脫附曲線圖(90LPM)圖17、不同壓力/流速再生之水汽脫附累積量四、結(jié)論本研究參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7183-2007壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測(cè)試，已完成建立一套高壓空氣吸附元件性能測(cè)試系統(tǒng)，使其各項(xiàng)參數(shù)(溫度、壓力、溼度、流量、潔淨(jìng)度)之均勻度與穩(wěn)定性皆可符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，並應(yīng)用於本研究團(tuán)隊(duì)目前正極積開發(fā)通電直熱再生吸附雛型元件之性能測(cè)試，同時(shí)此測(cè)試系統(tǒng)亦可提供國(guó)內(nèi)相關(guān)空壓機(jī)乾燥設(shè)備廠商，做為吸附材料或乾燥設(shè)備開發(fā)時(shí)之測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)。針對(duì)本研究通電直熱吸附雛型元件於不同壓力下脫附特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由於高壓下水氣分壓受限