冷冻干燥机中预冷器热交换过程分析

    在压缩空气冷冻式干燥机中,为了充分利用能量(冷量)及避免排气管外壁低温挂露,在蒸发器前都设置有一只通称为/预冷器0的空气)空气热交换器。预冷器对冷干机的经济运行起着重要作用,有必要对它的工作过程做一分析。

    图1所示的冷干机换热器总成中(图中省略水气分离器),初始温度为t´1的湿热压缩空气(热流体)进入预冷器壳程与管程中初始温度为t´2的干燥低温空气 (冷流体)进行热交换。通过间壁对流换热,在进入蒸发器前热流体温度下降到t"1,冷流体则在进入排气管前温度上升到t"2。为防止出现气流死角,壳程中 设置有多片导流折板,使冷、热流体呈顺叉流换热。预冷器中冷、热流体温度沿换热面积按双曲函数变化,见图2。

    冷干机预冷器与工业上常见的同类换热器相比有如下特点:

    (1)预冷器的工作温度与周围环境温度十分接近,冷、热流体的最大温差一般不超过40e,在此温度下即使换热器壳体外壁不覆盖绝热材料,它与周围环境的热 交换(辐射换热)也可忽略不计。冷、热流体在预冷器中基本上作纯对流换热,两者之间吸、放热平衡,热流体放出的总热量全部被冷流体所吸收,因而热流体的焓 值变化h´1-h"1与冷流体的焓值变化h"2-h´2相等,即h´1- h"1= h"2- h´2。

    (2)参与热交换的冷、热流体都是确定温度下的湿饱和压缩空气。由于是饱和的,在换热过程中热流体中的饱和水蒸气随温度下降有连续不断的凝结水析出,即有 相变现象发生)))这需要一定量的/相变潜热0来支持;而在tc2温度下,虽呈饱和状态但绝对含水量很少的冷流体在换热过程中,只表现为温度的单纯升高。 这就是说,冷、热流体温度作同样变化,有相变发生的热流体的热量消耗要大于冷流体。"传热学"中将在一定时间内单位质量流体温度变化1e所消耗的热量定义 为该流体的/水当量0,因此在冷干机预冷器中,热流体的/水当量0要大于冷流体。

    (3)参与换热的冷、热流体是温度相差不大(通常ΔtmaxZ40e)的气体介质,在温度变化范围内,除饱和水蒸气含量及/水当量0外,其余如压力、定压 比热、导热系数等热力学参数及冷、热流体的质量流量两者完全相等。根据传热学原理,同质气体间壁对流换热时传热系数很小(约在10~100 kcal/(m²•K)*之间),在此情况下,即使在技术上采用肋片管、翅片管等强化措施来增大单边传热面积也不能使换热量明显提高,所以冷干机预冷器中的换热铜管多采用内外表面积基本相等的光管或波纹管。

    根据以上特点,对冷干机预冷器的换热过程作如下分析: