壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測試方法與測試系統(tǒng)建置

1、壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測試方法與測試系統(tǒng)建置摘要本研究參考壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測試之國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7183-2007，建立一套高壓空氣吸附元件性能測試系統(tǒng)於工研院綠能所實驗室，使其各項參數(shù)(溫度、壓力、溼度、流量、潔淨(jìng)度)之均勻度與穩(wěn)定性皆可符合國際標(biāo)準(zhǔn)，並將其應(yīng)用於本研究團隊目前正極積開發(fā)之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試，以收集相關(guān)性能數(shù)據(jù)與操作參數(shù)、耗能驗証與可靠度測試，以做為將來高效率壓縮空氣乾燥設(shè)備產(chǎn)品之設(shè)計依據(jù)，同時可提供國內(nèi)相關(guān)空壓機乾燥設(shè)備廠商，做為吸附材料或乾燥設(shè)備開發(fā)時之測試驗證平臺。一、前言完整的壓縮乾空氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、儲氣桶、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)過空壓機壓縮後，空氣中所含大量水汽會產(chǎn)生凝結(jié)水，加上氣流中微量的雜質(zhì)與油污，將對精密儀器、氣動工具、氣動設(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制，主要是藉由空氣桶冷卻凝結(jié)、冷凍式乾燥機與吸附式乾燥機等設(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、無熱式雙塔吸附式乾燥機、加熱式雙塔吸附式乾燥機、廢熱回收式吸附乾燥機等。一般大氣經(jīng)空氣壓縮機後，約有65.5%的水氣量會因空氣壓縮冷卻後凝結(jié)所排除、30%由冷凍乾燥機冷凝去除，其餘約4.5%水分才由吸附式乾燥機去除。由於

3、冷凍乾燥機最低可處理的濕度為壓力露點約2，因此無法提供高壓空氣極低露點-40以下之需求，必須藉由吸附式乾燥機才能將壓力露點處理至-40甚至是-70以下，然而吸附式乾燥機需耗費較高能量用於吸附劑再生，故成為吸附式乾燥器主要缺點。傳統(tǒng)吸附式乾燥機為雙塔並聯(lián)之乾燥桶(內(nèi)裝吸附劑)所組成，當(dāng)其中一個進行氣體除濕時，另一個則進行再生，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溫度降低至-70以下，得到露點極低壓縮空氣。無熱式吸附乾燥機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問世。傳統(tǒng)無熱式乾燥設(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)濟價值的壓縮空氣，有些不當(dāng)作操作甚至?xí)哌_50%再生氣耗，故其操作費用極為昂貴。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)機常壓空氣吹淨(jìng)再生;C.採用空壓機廢熱回收再生，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，估計節(jié)能效益潛力約可達30%。表1為冷凍乾燥機與各

5、類吸附乾燥機之使用範(fàn)圍、初設(shè)成本與運轉(zhuǎn)費用比較表。表1、各種乾燥設(shè)備之使用範(fàn)圍、初設(shè)成本與運轉(zhuǎn)費用比較表型式大氣露點()初始費用運轉(zhuǎn)費用耗氣(%)配合空壓機(HP)A、冷凍乾燥機5-5低低0皆可B、無熱式(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)機吹淨(jìng)再生)-40-70高低0200以上E、熱回收式(空壓機廢熱或冷凍機廢熱再生)-20-40高極低< 220以上，且熱源負(fù)載率需80%除以上不同的吸附材的再生型式外，在吸附式乾燥機的運作上，控制方式的不同亦對能源消耗有不同的影響。一般最為常見者採固定時

6、間再生週期控制，即以設(shè)定時間之方式進行吸附材再生；如每小時進行吸附材再生一次等。另一種較節(jié)能方式則以壓力露點溫度監(jiān)測來進行控制，其再生週期不為定值，此方式雖然固定時間再生較為節(jié)能，但缺點在於需額外昂貴線上壓力露點感測器。二、壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測試標(biāo)準(zhǔn)本研究為了建立一套高壓空氣乾燥設(shè)備及其吸附元件性能測試系統(tǒng)，將參考壓縮空氣乾燥設(shè)備性能測試之國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7183，其屬於ISO TC118 SC4 WG1之國際高壓空氣氣體濾淨(jìng)處理與其性能測標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)下之乾燥設(shè)備性能測試標(biāo)準(zhǔn);而其相關(guān)ISO高壓空氣氣體濾淨(jìng)處理與性能測標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。其中ISO 8573-1為高壓空氣氣體潔淨(jìng)分級標(biāo)準(zhǔn)，依污染物分

7、成氣態(tài)污染物(如氨、硫化物等)、水氣、油滴、塵粒、生物(菌類、孢子等)。而一般工業(yè)所使用高壓空氣潔淨(jìng)品質(zhì)，則偏重水氣、油滴、塵粒之潔淨(jìng)度控制，其等級區(qū)分如表2所示。圖1、ISO有關(guān)空壓氣體濾淨(jìng)處理標(biāo)準(zhǔn)表2、高壓空氣潔淨(jìng)等級表國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7183-2007 (Compressed-air dryers - specifications and testing) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)適用高壓空氣範(fàn)圍為0.5 bar1.6 bar，適用類型有冷凍式(refrigeration)乾燥設(shè)備、吸附式(adsorption)乾燥設(shè)備、薄膜式(membrane)乾燥設(shè)備或兩種以上的組合。各項性能量測參數(shù)包含a.壓力露

8、點、b.氣體流量、c.壓損、d.空壓氣耗損失、e.能源耗損、f.噪音等。在進行高壓空氣乾燥設(shè)備之性能測試，其標(biāo)準(zhǔn)測試條件如表3。其中所有性能測試，入口空氣清淨(jìng)度要求需符合表2中，油氣等級4(5 mg/m3)，塵粒等級4(1.0m粒徑5.0m，數(shù)量1000)。若乾燥器需前置過濾器以維持上述要求，則需全程含有過濾器下進行測試。圖2即為ISO 7183-2007高壓空氣乾燥設(shè)備性能測試系統(tǒng)示意圖。藉由上、下游的壓力露點溫度量測即可獲得上、下游氣體水汽濃度，進一步計算出乾燥設(shè)備除溼乾燥能力;而氣流流量的量測，可獲得處理風(fēng)量大小與再生氣耗損失。表3、高壓空氣乾燥設(shè)備之標(biāo)準(zhǔn)性能測試條件項目單位參數(shù)值a容許

9、誤差b選項A1c選項A2c選項B入口溫度353845±2入口壓力表壓kPa(bar)700(7)700(7)700(7)±14(0.14)入口相對溼度1001001000 - 5氣冷入口溫度253835±3水冷入口溫度252925±3環(huán)境溫度253835±3乾燥器入口流量佔額定流量100100100±3a.參數(shù)值需保持於實際錶測值。b.選項A或B將依設(shè)備放置地點所決定。c.選項A1適用於溫帶區(qū)，選項A2適用於熱帶區(qū)。圖2、ISO 7183標(biāo)準(zhǔn)之高壓空氣乾燥設(shè)備性能測試系統(tǒng)示意圖圖3、壓降測試管路佈置圖a.露點溫度(溼度)測試高壓空空乾

10、燥設(shè)備測試之氣源供應(yīng)，依據(jù)表3要求其幾乎需相對溼度100%之飽和狀態(tài)，濕度的量測需注意準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性。待測試條件穩(wěn)定後再進行出口露點測量取值，當(dāng)壓力露點平均值小於0時，其最大值與最小值變化差值需小於0.5;而壓力露點平均值大於0時，則其差值需小於1。b.壓損測試乾燥設(shè)備之總壓損(total pressure loss)量測需按表3測試條件於額定流量下測得。測試管路佈置如圖3所示，若乾燥設(shè)備含有過濾器等零件，則壓損測試時，必須將過濾器一併含入，並須待過濾器達穩(wěn)定後才可取值。c.耗能測試耗能係指乾燥設(shè)備所使用之各種能源總合，例如吸附式乾燥器可使用蒸氣當(dāng)再生熱源或是使用電力驅(qū)動之鼓風(fēng)機，故耗能通常為

11、二者之總合。測試報告中以數(shù)次循環(huán)週期(至少1次)之監(jiān)測平均值當(dāng)作其耗能值。而各項耗能計算方式與說明如下:電能(WE)以千焦耳(KJ)表示，瓦時計精度要求±1以內(nèi)，由公式(1)計算。WE =PAV × tDC(1)其中PAV：由公式(3)計算1次循環(huán)週期之平均功率，kWtDC ：1次乾燥循環(huán)週期時間，sec蒸氣能量(WS)為收集1次循環(huán)週期之蒸氣凝結(jié)水，代入公式(2)計算出，單位千焦耳(kJ)。WS = m × LV(2)m：1次循環(huán)週期收集之蒸氣凝結(jié)水量，kg。LV：於該溫度/壓力下輸入蒸氣汽化潛熱，kJ/kg。平均需求功率計算方法如公式(3)，將總輸入能源除以1

12、次乾燥循環(huán)週期。PAVWsum/tDC(3)Wsum：總輸入能源(WE+Ws)，kJtDC：1次乾燥循環(huán)週期時間，secd.耗氣測試針對系統(tǒng)氣耗損失(system air loss)部分，若乾燥器使用高壓空氣來進行吸附劑再生，對空壓系統(tǒng)將造成氣耗損失。一般氣耗損失分成兩部分，分別為洩壓排放損失(blow-down loss)與再生吹淨(jìng)損失(purge loss)，其中洩壓排放損失，主要因脫附再生過程，乾燥桶槽內(nèi)需將壓力狀態(tài)由高壓降為1大氣壓時，桶內(nèi)之高壓氣體將排放至大氣造成氣耗損失。(i)再生乾燥器之洩壓排放損失洩壓排放損失一般發(fā)生於再生初期，係乾燥器由高壓洩放至常壓之排氣損失。由於瞬間高壓空

13、氣排至大氣，高速氣流恐易造成流量計損壞。故不建議使用儀器量測方式來獲得洩壓排放損失量。故由公式(4)可計算出洩壓排放損失體積量(VBL, m3)。VBLVV ×(Ps-Pregn)/Pref× n(4)其中VV：容器體積，m3Ps：系統(tǒng)絕對壓力，barPregn：再生絕對壓力，barPref：參考大氣絕對壓力，barn：完成1次循環(huán)週期之排放次數(shù)(ii)再生乾燥器之吹淨(jìng)損失再生吹淨(jìng)損失為已處理好高壓乾燥氣體，分流出一部份做為再生用之吹淨(jìng)氣體總體積。因此對系統(tǒng)是一種損失，在再生階段時，因一部分流量被引流做再生吹淨(jìng)氣流，故乾燥器出口流量將小於入口流量。再生吹淨(jìng)流量量測佈置如圖4

14、。當(dāng)進行吹淨(jìng)流量量測時，不可同時進行壓力露點量測，因為清除氣流會有背壓產(chǎn)生，將影響測試結(jié)果。而再生吹淨(jìng)氣耗損失(VPL)，其計算公式如公式(5)所示VPLqPF × tPF (5)VPL：再生吹淨(jìng)氣耗損失，m3qPF：吹淨(jìng)流量，m3/sectPF：1次循環(huán)週期之總吹淨(jìng)氣流時間，sec圖4、再生吹淨(jìng)流量之量測佈置圖由於吸附式乾燥設(shè)備具有雙塔切換系統(tǒng)，因此再生耗能、吹淨(jìng)氣耗損失與噪音等測試值皆呈現(xiàn)週期變化。故測試數(shù)據(jù)需加以平均，並記載瞬間峰值，以防止乾燥器設(shè)計時，以平均耗能選用而忽略瞬間峰值將造成系統(tǒng)過載，造成管線流量不足。故壓力、溫度、流量等參數(shù)平均值X，可以公式(7)計算獲得。X =

15、/(7)xi：時間i間距之測值ti：時間間距，單位秒(sec)tTOT：總共時間，單位秒(sec)n：取值數(shù)，n值>30值得注意的是由於壓力露點值與水汽濃度非呈現(xiàn)線性關(guān)係，故壓力露點平均值，須先換算成水汽濃度或絕對溼度後取平均值，再將此平均值換算回壓力露點值，才是壓力露點平均值。測試結(jié)果除了標(biāo)示出平均露點溫度外，亦須備註最溼狀態(tài)壓力露點溫度值。為了避免管路中空壓氣流擾動影響壓力量測，工程實務(wù)上採用如圖5所示。量測該截面之平均靜壓值。管內(nèi)壁上、下、左、右4點靜壓，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。圖5、標(biāo)準(zhǔn)壓力量測管示意圖表4則為此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)中各項

16、量測儀器設(shè)備精確度之要求。例如不同的壓力露點量測範(fàn)圍，其相對應(yīng)之精確度略有不同，若量測試範(fàn)圍>-10以上，則精確度要求±0.5以下;而壓力露點量測範(fàn)圍愈低(-40-100)，則精確度要求愈寬(±2)。其他如壓力量測，亦針對不同範(fàn)圍，有不同的精度要求。表4、ISO 7183之測試儀器與設(shè)備精確度規(guī)範(fàn)參數(shù)範(fàn)圍精度a壓力露點-100 -40±2-40 -10±1-10以上±0.5壓力錶壓(bar)0.5 p 2±0.012 p 16±0.1壓差bar任意±0.01溫度0100±1流量l/s任意±

17、3功率W任意±1水流量L/s任意±5a於測試條件下之精度值，另外所有電力讀值要求精度2三、工研院吸附式乾燥設(shè)備性能測試系統(tǒng)建置與設(shè)計本研究參考上述國際標(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試系統(tǒng)於工研院綠能所實驗室，其各項參數(shù)(溫度、壓力、溼度、流量)之穩(wěn)定性測試皆符合國際標(biāo)準(zhǔn)，如圖6與圖7所示，並將其應(yīng)用於本研究團隊目前正極積開發(fā)之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試。表5為本研究高壓空氣乾燥設(shè)備性能測試系統(tǒng)之主要設(shè)備。本系統(tǒng)性能測試範(fàn)圍能力如下。壓力: 18 atm (錶壓)流量: 03.6 CMM (Free Air Deliv

18、ery)入口氣源濕度: -2525(壓力露點溫度) 出口壓力露點量測範(fàn)圍: -6525 測試艙體直徑:10cm圖6、高壓吸附元件性能測試系統(tǒng)之溫度、壓力、露點穩(wěn)定性測試圖圖7、高壓吸附元件性能測試系統(tǒng)之供氣流量穩(wěn)定性測試圖表5、本研究高壓乾燥設(shè)備元件性能測試系統(tǒng)之主要元件設(shè)備項目設(shè)備選用規(guī)格供氣源30HP氣冷螺旋式(screw type)微油變頻空壓機系統(tǒng)儲氣桶乾燥機(冷凍吸附)過濾器壓力計YOKOGAWA 型號：EJA430A;精度：span3 kgf/cm2，±0.065% of span溫度感測器T type熱電偶 3.2mm;精度：±0.5溼度感測器(露點計)GEN

19、ERAL EASTERN型號：1311DR-SR露點量測範(fàn)圍: -6525; 精度：±0.2壓力量測管件根據(jù)ISO7183進行製作，成品如圖10所示流量計YOKOGAWA 型號：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系統(tǒng)所提供，並藉由轉(zhuǎn)切閥由儲氣桶後、或經(jīng)冷凍機後與吸附乾燥機後，引出3道不同濕度狀態(tài)之高壓空氣供應(yīng)後端吸附元件進行測試，如圖9可分成高濕(dp-8)、中濕(dp-22)、低濕(dp-42)。若需更多組不

20、同濕度參數(shù)變化，則利用2道不同濕度氣流進行氣流配比調(diào)整混合，以調(diào)控出高壓空氣所需之溼度，來進行測試。圖10則為本研究之壓力量測管製作實體照片，其中壓力與濕度量測時，分別將採樣口連結(jié)至壓力計與露點計;而溫度量測則利用熱電偶直接固定於管壁進行監(jiān)測。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試段之管路設(shè)計與製作，如圖11所示。本測試段前後加漸擴與漸縮導(dǎo)管，將經(jīng)壓力測試管內(nèi)氣流均勻流經(jīng)測試段待測物，防止氣流集中於中央?yún)^(qū)造成偏差。測試設(shè)備測試段為內(nèi)徑約20cm可與導(dǎo)管拆開以安裝元件待測物，但氣流只通過中央截面10cm正方形區(qū)域，外圍

21、1020cm環(huán)狀區(qū)域為安裝電極、溫度感測器等線路使用空間。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，測試吸附元件本身並無氣密外殼，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連接外部相關(guān)裝置。測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，穿過測試艙外殼，每段測試艙外殼總計設(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試段之供氣

22、源示意圖圖10、壓力量測管之設(shè)計與製作實體照片圖11、複合吸附元件性能測試段之實體照片圖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)氣流進行吸溼，達飽和後再以高壓低濕(dp-42)氣流，元件通電加熱至135140進行脫附再生。測試結(jié)果如圖14。此次測試歷時約160分鐘。上游露點約-27，下游露點於吸附材未加溫前約-21，加溫後升至-8左右，並隨時間增加至最高約-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

23、160分鐘總脫附水量30.1g來看(圖17)，再生50分鐘內(nèi)釋出約20.5g(圖17)，約佔68.1%。代表於前面31.3%再生時間內(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，下游出口露點急速下降由總再生時間120分鐘計算，其脫附水量可達34.85g(圖17)，而於初始20分鐘內(nèi)，累積再生水氣脫附量達24.6g(圖17)，顯示利用1/6的再生時間，即可完成約70%的水氣脫附量。由以上高壓與常壓再生

24、脫附之結(jié)果來看，顯然以常壓再生時，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，故常壓再生加熱時間為高壓再生的2/5，再生時間縮短，將可達到降低能源消耗與節(jié)能之目的。另外由於高壓下進行脫附再生時，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，造成再生脫附時下游露點溫度有約50分鐘於-3至-8範(fàn)圍的平臺現(xiàn)象發(fā)生，而常壓下此平臺時間很短，且下游露點溫度亦明顯高出許多，達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)氣流進行吸溼，達飽和後再以常壓低濕(dp-42)氣流，元件通電加熱至140進行脫附再生，測試結(jié)果如圖16。此次測試歷時約60分鐘，上游露點約-27，下游露點溫度於吸附元