矿山工业用转轮式除湿机的设计

为保障生产工艺的正常进行及工作人员的身体健康,现代矿山、冶金工业需要大量净化干燥的空气来改善工作环境,矿山工业用转轮式除湿机是一种专为矿山等地面生产部门设计的大型空气处理设备,它具有通风、除湿、空气净化、防爆等功能。它可以根据用户的实际需要,结合预冷盘管、降温盘管、热回收装置和热泵技术等设计成多功能空调通风机组,使机组更方便、更节能,更好、更稳定地达到各矿山企业的生产工艺及工作环境的要求。

基本工作原理

除湿转轮以8 r/h 的速度缓慢旋转,以保证整个除湿工作为一个连续的过程。当处理空气进入转轮270°扇形的除湿处理区域时,空气(湿度大、温度较低) 与转轮内吸湿剂(分子筛等) 结晶体接触,空气中水分子被转轮内的吸湿剂吸收,水蒸气同时发生相变,释放出潜热;而除湿处理区域的转轮因吸收了一定的水分而趋向饱和;这时,处理空气因自身水分的减少和潜热的释放变成干热的空气,并通过处理风机将干风送出。同时在再生区域,另一路再生空气先经过再生加热器后,变成高温空气(一般为100～150 ℃) 并穿过吸湿后的转轮,使转轮中已吸附的水分蒸发,从而恢复了转轮的吸湿能力;同时,再生空气因蒸发了转轮的水分而变成湿空气,之后,再通过再生风机将湿空气排到室外。这样随着空气流动和转轮的旋转,转轮和空气之间进行着传热和传质,转轮内的空气状态发生了变化。

除湿机的设计

设计已知条件

(1) 处理空气流量V = 30 000 m3/h。

(2) 处理空气入口温度ti = 16 ℃(干球温度) ,相对湿度90 %(查表得:处理空气入口含湿量di =10. 2 g/kg) 。

(3) 处理空气出口含湿量d0 = 4. 8 g/kg。

(4) 再生空气入口温度t1 = 35 ℃(干球温度) 。

(6) 再生空气入口含湿量dhi = 23. 2 g/kg。

理论计算

理论计算是保证机组性能(如除湿量等) 及设计或选用机组各部件的基础。转轮式除湿机理论计算主要是依据有关传热学的知识,利用各种资料及图表进行理论分析及计算。

(1) 选择转轮面风速

允许通过转轮的面风速

一般在1. 5～4. 5 m/s 变化,现按面风速为3. 0 m/s计算。

(2) 检查校核临界再生温度

查图可知,临界再生温度为136 ℃。

(3) 标准吸湿度差Δd

查图可知,标准吸湿度差Δd = 4. 75 g/kg

(4) 湿度修正系数ηd

设计湿度差= d_i – d_o = 5. 4 g/kg

标准吸湿度差Δd = 4. 75 g/kg

由d_o = d_i – Δd_ηd 得

η_d = ( d_i – d_o )/Δd = 5. 4/4. 75 = 1. 14

(5) 再生加热器出口温度t₂

查图可知再生加热器出口温度t2 = 141 ℃,且临界再生温度为136 ℃< 141 ℃。

(6) 再生空气风量V_r

根据设计条件知

V_r = V/ 3 = 30 000/3 = 10 000 m³/h

(7) 再生热量Q_h

Q_h = V_rρC_p( t₂ – t₁ ) = 354. 2 kW

式中　ρ———空气的比重,ρ= 1. 2 kg/m3 ;

C_p ———空气的比热, C_p= 1. 01 kJ/(kg·℃) 。

(8) 标准温度差Δ_t

查图可知标准温度差Δt = 23. 8 ℃

(9) 温度修正系数η_t

根据再生加热器出口温度为141 ℃,查图可知η_t= 1. 1

(10) 处理空气出口温度t_o

t_o = t_i +Δtη_t = 42 ℃

(11) 再生空气出口温度tho

t_ho = t_hi – Δtη_t ×3 = 62. 5 ℃

式中　t_hi ———再生空气入口温度,大小等于再生加热器出口温度141 ℃。

(12) 再生空气出口含湿量d_ho

d_ho = d_hi +Δdη_d ×3 = 39. 4 g/kg

(13) 机组设计除湿量G

G = Vρ( d_i – d_o ) ×10^{– 3} = 194. 4 kg/h

(14) 机内压力损失

因转轮面风速为3. 0 m/s ,查图得:除湿处理侧压力损失350 pa ;再生侧压力损失480 pa 。

2. 3 　结构设计

与家用商用除湿机不同,矿山工业用转轮式除湿机具有处理空气流量大、除湿量大、过滤除尘效果好、防爆、自动化程度高等特点。其结构外形及空气流程如图2 所示。主要由机组框架、箱体面板、转轮、再生加热器、转轮驱动装置、过滤器、风机、控制及保护系统等构成。

图2 　结构外形及空气流程示意图

1.再生送风机　2.过滤器　3.再生加热器　4.处理送风机　5.转轮驱动装置

(1) 机组框架

机组框架采用加强结构设计的专用铝合金框架,模具成型,强度高,耐腐蚀。机组基座槽钢采用8 mm 厚的316 不锈钢板材折弯成形。机组牢固地安装在槽钢基座上,以使机组的运行重量沿机组设备全长度均匀地支承在基座上。考虑到振动的影响,在设计机组框架时对一些重点部位进行了加强设计,如增加各种加强肋等。

(2) 箱体面板

箱体内、外面板采用双面镀锌板,外面板外侧经喷塑处理腐锈,内外面板之间采用阻燃环保型隔热保温材料。为维修方便,设计了各式挂钩,以方便面板拆卸。

(3) 除湿转轮

转轮是除湿机的关键部件,它决定着机组的除湿能力。该分子筛转轮在低湿、高温或碱性环境下具有极佳的除湿能力,从而使得除湿机在处理低湿度空气方面更能发挥高效节能的优越性。

(4) 再生加热器

由于一般矿山企业在生产过程中产生余热较多,且机组所需再生热量较大,采用蒸汽加热式再热器。受机组外形尺寸的限制,为确保换热能力,将再热器设计为6 排,叉排布置。为使再热器适应各种工矿企业环境的要求,并增强其防腐性能、延长使用寿命,设计为T₂ 铜管/铜翅片式,端板材料采用316不锈钢板材,且按照有关要求设计成防爆式。

(5) 过滤器

在设备处理空气进口及再生空气进口安装不同级别的过滤器,含有粉尘的空气在风机的作用下流经空气过滤器时,空气中不同大小的粉尘颗粒等杂质被滤芯阻隔,使处理的空气得到净化。

对于产生粉尘量大的场所,需在除湿机处理空气入口端安装专门的粉尘过滤器—沉流式滤筒除尘器,对所处理的空气先进行除尘(而再生空气入口端只需安装一般的初、中效空气过滤器) 。

对于粉尘量较少的场所,采用在除湿机处理空气入口端安装平板式或袋式空气过滤器。它分为:初效空气过滤器(作为高效过滤器和中效过滤器的前置过滤器,可用于一般过滤及净化系统的预过滤) ;中效空气过滤器(作为高效过滤器的前置过滤器,以减少高效过滤器的负荷,延长其使用寿命) ;高效空气过滤器。空气过滤器具有过滤效率高、容尘量大、阻力小、价廉、可重复清洗使用等优点。材料采用抗静电滤料制作,符合国家有关安全规定要求。使用时可根据具体情况采取初效、初中效、初中高效方式之一进行组合配置。其性能参数见表1 所示。

表1 　空气过滤器性能参数

(6) 转轮驱动电机及风机的选用

由于除湿机应用矿山地面场所,转轮驱动电机及风机应具有防爆性能。选用适用于矿山地面有粉尘存在的场所。转轮驱动电机功率为0. 2 kW。风机设计选用防爆离心通风机。该风机具有风量大、结构紧凑、效率高、节能效果显著、噪音低等特点,符合有关防爆安全规程要求,适合应用于矿山地面等场合。处理送风机参数为:风量32 560 m3Ph ,功率23. 5 kW,全压1 350 Pa ;再生送风机参数为:风量11 160 m3Ph ,功率13. 5 kW,全压758 Pa 。

(7) 控制及保护系统

考虑到工作环境,要求电气控制箱、控制仪器仪表、电气线路等必须符合国家有关防爆安全规程的要求,确保机组运行安全可靠。采用可编程控制器进行控制,自动化程度高,故障率低,控制精度好。控制机组还可配计算机集中控制接口或远程接口,便于除湿机的集中控制和远程监控。系统设有多重保护,如安装速差传感器和转轮驱动装置自动防滑保护、转轮保护、加热保护、电机过热、电流过载、风机联锁、过欠电压、电源缺相保护等。对其他一些部件应采取防尘设计措施,如对轴承应防尘密封;为防过热,安装能连续监测轴承温度的探测器等。

3 　测试结果

对除湿机的主要指标按照给定的设计条件进行实际测试,测试结果如表2 所示。可见测试值与设计计算值基本吻合,达到设计要求。

表2 　设计计算值与测试值对比

结语

矿山工业用转轮式除湿机的设计,充分考虑了矿山企业机械设备的工作环境潮湿、粉尘量大、设备运行时间长、防爆、耗电量较大等这些特点,需强调的是:由于设备应用在具有爆炸性气体及粉尘的场合,在结构及电气控制的设计时,要严格遵守国家相关防尘防爆的规程,使设计的除湿机符合国家标准,达到相应的防爆等级(如ⅡBT3 级) ,从而保证设备的安全可靠运行。