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摘要:文章介绍了影响机车风源系统供风质量的空气干燥器型式、空气干燥器规格选型、系统内各部件的布局原则以及空气干燥器的部分计算与选择方法。通过试验结果,提出了机车风源净化系统布局对输出空气质量的影响,证明现有风源净化系统供风质量满足HXN5内燃机车的充气要求。
关键词:机车;风源净化系统;供风质量;空气干燥器
中图分类号:TD524+.3文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0150-03
1引 言
风源系统是全车空气管路系统的基础。它负责生产并提供机车、车辆的气动器械以及机车、列车制动机所需的高质量的洁净、干燥和稳定的压缩空气。因此风源系统的主要部件如空气压缩机组、总风缸、风源净化装置等均需进行认真的选型和设计计算。影响机车风源供风质量的主要因素有:风源净化系统的设置,风源净化系统的布局以及干燥器的选型。怎样合理地布局,并使它们达到合理的匹配,文章将逐一介绍并侧重于干燥器的介绍。
2机车压缩空气质量要求
压缩空气中3种主要的杂质为固体粒子、水和油。它们相互影响(例如:固体粒子有油或水存在时可聚结成较大的颗粒,油和水作用发生乳化现象),并且有时在压缩空气系统管路内壁上发生凝聚或液化(例如:油蒸汽或水蒸气)。其它污染物也应考虑在内,包括微生物体和气态污染物。
ISO 8573-1:2001(E)标准及HXN5型内燃机车制造商GE公司的采购规范规定了机车压缩空气质量要求,见表1、表2、表3。
3风源净化系统简介
①风源净化系统包括空气压缩机上的自动排水阀、干燥器及后置过滤器。风源净化系统中,自动排水阀去除包含于空压机输出饱和湿度空气内因温度下降析出的大量液态水。压缩空气进入干燥器后,首先由滤芯去除油和灰尘,然后由干燥剂去除水分,降低露点。最后由后置过滤器进行精滤。
②自动排水阀是一种高容量,两级动作模式的排水阀,目的是从机车风缸中或者空气滤清器中排出凝结水,油等污染物液体。该阀由空压机卸载时的管路中压缩空气或者其他地方的控制风源驱动,相应控制风源进行动作,自动排水阀结构见图1。
③后置过滤器过滤精度为2.5mic,过滤效率为97%,配有手动排水阀。
4风源净化系统的布局
在风源系统中,干燥器的安装位置位于两个风缸之间,这样的目的是充分利用前面的风缸作为冷凝器,配合自动排水阀,去除包含于空压机输出饱和湿度空气内,因温度下降析出的大量液态水和油滴。实现对压缩空气的预净化处理,减轻空气净化系统(干燥器及后置过滤器)的负担,延长维护周期,增加系统可靠性。
5干燥器的选型
5.1概述
常用的压缩空气干燥设备有三种,即冷冻式压缩空气干燥器、吸附式压缩空气干燥器和组合式低露点压缩空气干燥器。冷冻式压缩空气干燥器由于其工作原理和结构所限,压缩空气出口压力露点不可能低于0℃,一般在2～10℃之间。在机车上压缩空气处理的应用场合,对压缩空气的压力露点要求较高,如要求-40℃的压力露点,此时只能选用吸附式压缩空气干燥器或组合式低露点压缩空气干燥器。吸附干燥是吸附分离技术的应用之一。
当流体(包括气体和液体)与固体颗粒,流体中的某些组分便富集于固体颗粒中,这过程叫“吸附过程”。因此,吸附是非均相系统(如气体—固体系统)中的两相界面上发生的传质与富集过程。吸附操作的逆过程,称为“解吸”或“脱附”,我们通常称为“再生”。
具有一定选择性吸附功能的多孔性固体物质称为“吸附剂”,在吸附剂上富集的物质称为“吸附质”。在压缩空气干燥中,吸附质为水蒸气。压缩空气的吸附干燥以物理吸附为主。
吸附剂的再生方式有两种:无热再生?和有热再生。无热再生,即把干燥后的压缩空气分流出来的一部分,降压至接近大气压(其中的水蒸气分压很低),在不加热的情况下再生已饱和吸附剂。采用无热再生原理的干燥器叫无热再生干燥器。有热再生,即在加热状态下再生已饱和的吸附剂。
5.2吸附剂
吸附剂是吸附分离的物质基础。在压缩空气干燥脱水中常用的吸附剂有:硅胶、活性氧化铝、分子筛。无热再生干燥器的吸附剂通常为活性氧化铝或分子筛。其中活性氧化铝的抗破裂性能要优于分子筛等其他材料。
5.3干燥器的选型
根据机车风源系统的实际情况,我们选用双塔无热再生吸附式干燥器,采用活性氧化铝作为吸附剂。
6双塔无热再生吸附式干燥器的结构特点及再生 耗气量的计算
6.1双塔无热再生吸附式干燥器的结构
无热再生干燥器的结构比较简单(如图2所示)。干燥器下部的压缩空气进口处一般设有四个阀门,分别称为切换阀和排放阀,其中排放阀6控制吸附塔卸压、再生气排放和再生完成后吸附塔的“均压”;两个切换阀1控制了压缩空气的流动方向,即决定了吸附和再生的切换。在运行时这四个阀门对角动作。在干燥器中,采用电磁阀作为切换阀。
6.2运行特点
无热再生干燥器的运行特点主要表现为两个方面:工作周期短、再生耗气率低。
①工作周期:基于无热再生干燥器的工作周期不能太长,我们确定干燥器的工作周期如表4。
②再生耗气率的计算。再生耗气率的最佳水平应当根据干燥器的实际运用条件而确定,过高或者过低都不好。过高的耗气率对吸附剂再生充分,使输出的空气质量能充分干燥,但是浪费了过多的压缩空气,提高了能耗。耗气率过低同样不好,会导致吸附水分子的干燥器不能得到充分再生,使得干燥能力下降,甚至达不到风源系统的基本输出要求。
如何确定最佳的耗气率水平,主要是根据两个关键的参数来进行计算。一是工作压力(或者空气压缩比);二是每个工作循环内,干燥塔的干燥/再生的时间比值。
下面以 HXN5机车为例,计算该机车使用的干燥器的再生耗气率的最佳水平。
①吸附过程:一定量的干燥剂, 工作时通过1个单位体积的潮湿空气以后,吸附其中的水汽,输出不含水蒸汽的干燥空气(近似)。
②脱附过程:上述的干燥剂吸水以后,反向通过同样1个单位的干燥空气是,吸附过程此刻可逆,变成“脱附”过程,先前吸附的水蒸气恰好能被同样1单位的干燥空气带走?即吸附时,通过潮湿空气的体积V1,等于刚好“脱附” 时 通过干燥空气的体积V2;假设温度不变,一定量的空气,压力P和体积V的关系为:P1*V1=P2*V2,即,一定量的封闭空气,体积和压力成反比。因此,我们可以判定,当定量的空气从常压被压缩到内部8个大气压(即8kPa)压力的时候,它的体积必然是原来的1/8。
③对于干燥塔,工作时,假设压力为K个大气压,流量为F1,连续工作的时间为t1,那么,干燥进行时,通过的空气量为V1=F1*t1。
④对于再生塔,再生时,内部压力为1个大气压(因为它直通大气),流量为F2(F2为单位时间内进入再生塔的“压缩空气”的体积流量),连续再生的时间为t2。因为在再生塔里,进入的是 K个大气压的压缩空气,在此处压力下降到了1个大气压,根据上述第②条,此时,空气的体积会膨胀成原来的K倍。因此再生塔的,1个大气压 状态下,通过干燥器的空气的体积是:V2=F2*t2*K。
⑤根据上述第①条,再生气体量恰好完成再生的状态时(称之为理想再生耗气量),V1=V2,那么,结合③④,有F1*t1=F2*t2*K。再生耗气率=F2/F1=t1/t2/K×100%。我们的干燥器,干燥时间t1=65秒,再生时间t2=48秒,K压缩比其实就等于压力的公斤数。系数t1/t2=65/48=1.36(大约)。需要的再生耗气率 理论上和压力(压缩比K)成反比。因为有1.36的系数在这里,所以,理想耗气率恰好为15%,通过下式:kappa,耗气率接近15%,符合铁标要求。
7实际测试情况
HXN5 机车用干燥器进行了型式试验,具体进行了12项试验:气密性试验检查;压力损失试验检查;干燥再生再增压转换时间和记忆试验检查;防寒加热装置工作能力试验检查;固体颗粒等级测量检查;湿度等级测量检查;含油量等级测量检查;再生耗气量测量检查;低温试验检查;高温试验检查、连续运行试验检查;噪音试验检查;振动冲击试验检查。
8结 论
在没有后置过滤器进一步精滤的情况下,对干燥器的性能测试。测试结果表明:固体颗粒等级及含油量等级符合ISO8573标准中3级的要求,湿度等级符合GE公司采购规范84A206309(E版)要求。总的说来,该空气净化系统符合HXN5 机车对空气的质量要求。
参考文献:
[1] 刘豫湘,陆绪华.潘传熙.DK-1型电空制动机与电力机车空气管路系统[M].北京:中国铁道出版社,1998.
[2] 84A206309,GE公司采购规范[S].
[3] TB/T3183-2007,机车、动车用吸附式压缩空气干燥器[S].
关键词:机车;风源净化系统;供风质量;空气干燥器
中图分类号:TD524+.3文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0150-03
1引 言
风源系统是全车空气管路系统的基础。它负责生产并提供机车、车辆的气动器械以及机车、列车制动机所需的高质量的洁净、干燥和稳定的压缩空气。因此风源系统的主要部件如空气压缩机组、总风缸、风源净化装置等均需进行认真的选型和设计计算。影响机车风源供风质量的主要因素有:风源净化系统的设置,风源净化系统的布局以及干燥器的选型。怎样合理地布局,并使它们达到合理的匹配,文章将逐一介绍并侧重于干燥器的介绍。
2机车压缩空气质量要求
压缩空气中3种主要的杂质为固体粒子、水和油。它们相互影响(例如:固体粒子有油或水存在时可聚结成较大的颗粒,油和水作用发生乳化现象),并且有时在压缩空气系统管路内壁上发生凝聚或液化(例如:油蒸汽或水蒸气)。其它污染物也应考虑在内,包括微生物体和气态污染物。
ISO 8573-1:2001(E)标准及HXN5型内燃机车制造商GE公司的采购规范规定了机车压缩空气质量要求,见表1、表2、表3。
3风源净化系统简介
①风源净化系统包括空气压缩机上的自动排水阀、干燥器及后置过滤器。风源净化系统中,自动排水阀去除包含于空压机输出饱和湿度空气内因温度下降析出的大量液态水。压缩空气进入干燥器后,首先由滤芯去除油和灰尘,然后由干燥剂去除水分,降低露点。最后由后置过滤器进行精滤。
②自动排水阀是一种高容量,两级动作模式的排水阀,目的是从机车风缸中或者空气滤清器中排出凝结水,油等污染物液体。该阀由空压机卸载时的管路中压缩空气或者其他地方的控制风源驱动,相应控制风源进行动作,自动排水阀结构见图1。
③后置过滤器过滤精度为2.5mic,过滤效率为97%,配有手动排水阀。
4风源净化系统的布局
在风源系统中,干燥器的安装位置位于两个风缸之间,这样的目的是充分利用前面的风缸作为冷凝器,配合自动排水阀,去除包含于空压机输出饱和湿度空气内,因温度下降析出的大量液态水和油滴。实现对压缩空气的预净化处理,减轻空气净化系统(干燥器及后置过滤器)的负担,延长维护周期,增加系统可靠性。
5干燥器的选型
5.1概述
常用的压缩空气干燥设备有三种,即冷冻式压缩空气干燥器、吸附式压缩空气干燥器和组合式低露点压缩空气干燥器。冷冻式压缩空气干燥器由于其工作原理和结构所限,压缩空气出口压力露点不可能低于0℃,一般在2～10℃之间。在机车上压缩空气处理的应用场合,对压缩空气的压力露点要求较高,如要求-40℃的压力露点,此时只能选用吸附式压缩空气干燥器或组合式低露点压缩空气干燥器。吸附干燥是吸附分离技术的应用之一。
当流体(包括气体和液体)与固体颗粒,流体中的某些组分便富集于固体颗粒中,这过程叫“吸附过程”。因此,吸附是非均相系统(如气体—固体系统)中的两相界面上发生的传质与富集过程。吸附操作的逆过程,称为“解吸”或“脱附”,我们通常称为“再生”。
具有一定选择性吸附功能的多孔性固体物质称为“吸附剂”,在吸附剂上富集的物质称为“吸附质”。在压缩空气干燥中,吸附质为水蒸气。压缩空气的吸附干燥以物理吸附为主。
吸附剂的再生方式有两种:无热再生?和有热再生。无热再生,即把干燥后的压缩空气分流出来的一部分,降压至接近大气压(其中的水蒸气分压很低),在不加热的情况下再生已饱和吸附剂。采用无热再生原理的干燥器叫无热再生干燥器。有热再生,即在加热状态下再生已饱和的吸附剂。
5.2吸附剂
吸附剂是吸附分离的物质基础。在压缩空气干燥脱水中常用的吸附剂有:硅胶、活性氧化铝、分子筛。无热再生干燥器的吸附剂通常为活性氧化铝或分子筛。其中活性氧化铝的抗破裂性能要优于分子筛等其他材料。
5.3干燥器的选型
根据机车风源系统的实际情况,我们选用双塔无热再生吸附式干燥器,采用活性氧化铝作为吸附剂。
6双塔无热再生吸附式干燥器的结构特点及再生 耗气量的计算
6.1双塔无热再生吸附式干燥器的结构
无热再生干燥器的结构比较简单(如图2所示)。干燥器下部的压缩空气进口处一般设有四个阀门,分别称为切换阀和排放阀,其中排放阀6控制吸附塔卸压、再生气排放和再生完成后吸附塔的“均压”;两个切换阀1控制了压缩空气的流动方向,即决定了吸附和再生的切换。在运行时这四个阀门对角动作。在干燥器中,采用电磁阀作为切换阀。
6.2运行特点
无热再生干燥器的运行特点主要表现为两个方面:工作周期短、再生耗气率低。
①工作周期:基于无热再生干燥器的工作周期不能太长,我们确定干燥器的工作周期如表4。
②再生耗气率的计算。再生耗气率的最佳水平应当根据干燥器的实际运用条件而确定,过高或者过低都不好。过高的耗气率对吸附剂再生充分,使输出的空气质量能充分干燥,但是浪费了过多的压缩空气,提高了能耗。耗气率过低同样不好,会导致吸附水分子的干燥器不能得到充分再生,使得干燥能力下降,甚至达不到风源系统的基本输出要求。
如何确定最佳的耗气率水平,主要是根据两个关键的参数来进行计算。一是工作压力(或者空气压缩比);二是每个工作循环内,干燥塔的干燥/再生的时间比值。
下面以 HXN5机车为例,计算该机车使用的干燥器的再生耗气率的最佳水平。
①吸附过程:一定量的干燥剂, 工作时通过1个单位体积的潮湿空气以后,吸附其中的水汽,输出不含水蒸汽的干燥空气(近似)。
②脱附过程:上述的干燥剂吸水以后,反向通过同样1个单位的干燥空气是,吸附过程此刻可逆,变成“脱附”过程,先前吸附的水蒸气恰好能被同样1单位的干燥空气带走?即吸附时,通过潮湿空气的体积V1,等于刚好“脱附” 时 通过干燥空气的体积V2;假设温度不变,一定量的空气,压力P和体积V的关系为:P1*V1=P2*V2,即,一定量的封闭空气,体积和压力成反比。因此,我们可以判定,当定量的空气从常压被压缩到内部8个大气压(即8kPa)压力的时候,它的体积必然是原来的1/8。
③对于干燥塔,工作时,假设压力为K个大气压,流量为F1,连续工作的时间为t1,那么,干燥进行时,通过的空气量为V1=F1*t1。
④对于再生塔,再生时,内部压力为1个大气压(因为它直通大气),流量为F2(F2为单位时间内进入再生塔的“压缩空气”的体积流量),连续再生的时间为t2。因为在再生塔里,进入的是 K个大气压的压缩空气,在此处压力下降到了1个大气压,根据上述第②条,此时,空气的体积会膨胀成原来的K倍。因此再生塔的,1个大气压 状态下,通过干燥器的空气的体积是:V2=F2*t2*K。
⑤根据上述第①条,再生气体量恰好完成再生的状态时(称之为理想再生耗气量),V1=V2,那么,结合③④,有F1*t1=F2*t2*K。再生耗气率=F2/F1=t1/t2/K×100%。我们的干燥器,干燥时间t1=65秒,再生时间t2=48秒,K压缩比其实就等于压力的公斤数。系数t1/t2=65/48=1.36(大约)。需要的再生耗气率 理论上和压力(压缩比K)成反比。因为有1.36的系数在这里,所以,理想耗气率恰好为15%,通过下式:kappa,耗气率接近15%,符合铁标要求。
7实际测试情况
HXN5 机车用干燥器进行了型式试验,具体进行了12项试验:气密性试验检查;压力损失试验检查;干燥再生再增压转换时间和记忆试验检查;防寒加热装置工作能力试验检查;固体颗粒等级测量检查;湿度等级测量检查;含油量等级测量检查;再生耗气量测量检查;低温试验检查;高温试验检查、连续运行试验检查;噪音试验检查;振动冲击试验检查。
8结 论
在没有后置过滤器进一步精滤的情况下,对干燥器的性能测试。测试结果表明:固体颗粒等级及含油量等级符合ISO8573标准中3级的要求,湿度等级符合GE公司采购规范84A206309(E版)要求。总的说来,该空气净化系统符合HXN5 机车对空气的质量要求。
参考文献:
[1] 刘豫湘,陆绪华.潘传熙.DK-1型电空制动机与电力机车空气管路系统[M].北京:中国铁道出版社,1998.
[2] 84A206309,GE公司采购规范[S].
[3] TB/T3183-2007,机车、动车用吸附式压缩空气干燥器[S].