压缩空气乾燥设备性能测试方法与测试系统建置

1、壓縮空氣乾燥設備性能測試方法與測試系統建置摘要本研究參考壓縮空氣乾燥設備性能測試之國際標準ISO 7183-2007，建立一套高壓空氣吸附元件性能測試系統於工研院綠能所實驗室，使其各項參數(溫度、壓力、溼度、流量、潔淨度)之均勻度與穩定性皆可符合國際標準，並將其應用於本研究團隊目前正極積開發之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試，以收集相關性能數據與操作參數、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備產品之設計依據，同時可提供國內相關空壓機乾燥設備廠商，做為吸附材料或乾燥設備開發時之測試驗證平台。一、前言完整的壓縮乾空氣系統包括空氣壓縮機、儲氣桶、乾燥設備、過濾設備、輸送管線與壓力閥

2、件等元件設備。由於空氣經過空壓機壓縮後，空氣中所含大量水汽會產生凝結水，加上氣流中微量的雜質與油污，將對精密儀器、氣動工具、氣動設備、儀錶、管路、食品與藥物製程等造成嚴重傷害。故高壓空氣系統的除溼與濾淨處理程序，已成為生產高品質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、冷凍式乾燥機與吸附式乾燥機等設備加以分離去除，其中工業常見的乾燥設備有冷凍式乾燥機、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。傳統吸附式乾燥機為雙塔並聯之乾燥桶(內裝吸附劑)所組成，當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。傳統無熱式乾燥設備，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，並消耗總供氣量中1525%的高經濟價值的壓縮空氣，有些不當作操作甚至會高達50%再生氣耗，故其操作費用極為昂貴。改良型式乾燥設備分別有A.加熱式空壓氣體吹淨再生，耗氣37%的壓縮空氣；B.加熱式鼓風機常壓空氣吹淨再生;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備之耗能，本研究則開發通電直熱式平行通道式吸附元件技術，擬藉由通電直熱方式將熱量直接傳遞至吸附劑孔洞內部脫附水汽分子，其與傳統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圍、初設成本與運轉費用比較表。表1、各種乾燥設備之使用範圍、初設成本與運轉費用比較表型式大氣露點()初始費用運轉費用耗氣(%)配合空壓機(HP)A、冷凍乾燥機5-5低低0皆可B、無熱式(高壓空氣體吹淨再生)-20-40低高1015400以下C、加熱式(高壓空氣吹淨再生)-40-70中中3775500D、加熱式(外加鼓風機吹淨再生)-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30值得注意的是由於壓力露點值與水汽濃度非呈現線性關係，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

6、值。測試結果除了標示出平均露點溫度外，亦須備註最溼狀態壓力露點溫度值。為了避免管路中空壓氣流擾動影響壓力量測，工程實務上採用如圖5所示。量測該截面之平均靜壓值。管內壁上、下、左、右4點靜壓，透過直徑1.5mm孔共通於外環溝通道，通道中再開1/4吋PT內牙接孔接壓力計。圖5、標準壓力量測管示意圖表4則為此標準規範中各項量測儀器設備精確度之要求。例如不同的壓力露點量測範圍，其相對應之精確度略有不同，若量測試範圍-10以上，則精確度要求0.5以下;而壓力露點量測範圍愈低(-40-100)，則精確度要求愈寬(2)。其他如壓力量測，亦針對不同範圍，有不同的精度要求。表4、ISO 7183之測試儀器與設備

7、精確度規範參數範圍精度a壓力露點-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備性能測試系統建置與設計本研究參考上述國際標準ISO 7183-2007，已完成建立一套高壓空氣乾燥設備及其吸附元件性能測試系統於工研院綠能所實驗室，其各項參數(溫度、壓力、溼度、流量)之穩定性測試皆符合國際標準，如圖6與圖7所示，並將其應用於本研究團隊目前正極積開發之通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試。

8、表5為本研究高壓空氣乾燥設備性能測試系統之主要設備。本系統性能測試範圍能力如下。壓力: 18 atm (錶壓)流量: 03.6 CMM (Free Air Delivery)入口氣源濕度: -2525(壓力露點溫度) 出口壓力露點量測範圍: -6525 測試艙體直徑:10cm圖6、高壓吸附元件性能測試系統之溫度、壓力、露點穩定性測試圖圖7、高壓吸附元件性能測試系統之供氣流量穩定性測試圖表5、本研究高壓乾燥設備元件性能測試系統之主要元件設備項目設備選用規格供氣源30HP氣冷螺旋式(screw type)微油變頻空壓機系統儲氣桶乾燥機(冷凍吸附)過濾器壓力計YOKOGAWA 型號：EJA430A;

9、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)GENERAL EASTERN型號：1311DR-SR露點量測範圍: -6525; 精度：0.2壓力量測管件根據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系統圖，氣源由30HP氣冷螺旋式微油變頻空壓機系統所提供，並藉由轉切閥由儲氣桶後、或經冷凍機後與吸附乾燥機後，引出3道不同濕度狀態之高壓空氣供

10、應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)。若需更多組不同濕度參數變化，則利用2道不同濕度氣流進行氣流配比調整混合，以調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測。其接口大小皆為1/4吋PT內牙接孔。在完成高壓空氣氣源供應系統配製後，依據ISO 7183標準，完成吸附元件性能測試段之管路設計與製作，如圖11所示。本測試段前後加漸擴與漸縮導管，將經壓力測試管內氣流均勻流經測試段待測物，防止氣流集中於中央區造成偏差

11、。測試設備測試段為內徑約20cm可與導管拆開以安裝元件待測物，但氣流只通過中央截面10cm正方形區域，外圍1020cm環狀區域為安裝電極、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，可將氣流限縮於中央區域，測試吸附元件本身並無氣密外殼，而是由外側艙體提供高壓氣密。由於本研究所開發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之電線、熱電偶線等將直接穿過艙體經高壓氣密接頭密封來連接外部相關裝置。測試艙外殼除電極通過外，另為記錄吸附劑內溫度變化，亦佈置數條T-type熱電偶，穿過測試艙外殼，

12、每段測試艙外殼總計設有8孔(2分PT內牙)。圖8、高壓空氣氣源供應系統圖圖9、高壓吸附元件性能測試段之供氣源示意圖圖10、壓力量測管之設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-

13、8左右，並隨時間增加至最高約-3左右，顯示持續有水氣脫附釋出，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來看(圖17)，再生50分鐘內釋出約20.5g(圖17)，約佔68.1%。代表於前面31.3%再生時間內，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，累積再生水氣

14、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脫附之結果來看，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範圍的平台現象發生，而常壓下此平台時間很短，且下游露點溫度亦明顯高出許多，達

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件未加溫前約-5加溫後升至24左右，確實亦比再生流量150時下游露點溫度22高出12，顯示水汽濃度更高，但因氣流較小，需較長時間約8分鐘後下游露點溫度才開始往下降。由60分鐘總脫附水氣量31.3g(圖17)來看，前20分鐘即可累積脫附水氣量達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，其結果相近。因此在適度地調整再生氣流下，脫附的再生耗能可望進一步降低，同時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、結論本研究參考國際標準ISO 7183-2007壓縮空氣乾燥設備性能測試，已完成建立一套高壓空氣吸附元件性能測試系統，使其各項參數(溫度、壓力、溼度、流量、潔淨度)之均勻度與穩定性皆可符合國際標準，並應用於本研究團隊目前正極積開發通電直熱再生吸附雛型元件之性能測試，同時此測試系統亦可提供國內相關空壓機乾燥設備廠商，做為吸附材料或乾燥設備開發時之測試與驗證平台。針對本研究通電直熱吸附雛型元件於不同壓力下脫附特性測試實驗發現，由於高壓下水氣分壓受限