如何設計選型冷凍式乾燥機讓空壓管路不會出現水氣?

壓縮空氣品質依國際標準組織針對空氣中不同大小固態顆粒數量，水氣含量 (濕度) 以及含油量 (油霧與油氣) 定義壓縮空氣品質的等級 (請參考下表)；各行各業產品品質影響，一般製程機器與重要精密儀器設備以及後續包裝運輸存儲影響來決定使用何種等級的壓縮空氣品質！

上表第二個影響空氣品質的衡量指標是壓縮空氣中的含水量 (濕度) ，由於不論是食品飲料業或者生技製藥業中有一個胖湯姆定理 FAT TOM 指出在一定環境溫度與水氣含量下，加上其他因素俱足時，微生物就會以等比級數孳生而影響另外上表沒有定義的數量。壓縮空氣中含有水氣對於整個公司的製程設備妥善率與產品品質會有一定的影響，因此是十分受到應用上的重視與期望控制在合適範圍內!

壓縮空氣的汙染源來源

壓縮空氣中的含水量來自於本來大氣中就有相對濕度的存在, 而當大氣中的相對濕度超過100%時就會產生顯形的冷凝水；冷凍式乾燥機或者是吸附式乾燥機就是用來將大部分尚未成為顯形冷凝水的水氣冷凝下來或者捕捉下來的設備。最常見且最常使用的是冷凍式乾燥機, 因此本篇就針對如何評估冷凍式乾燥機的能效價值進行分析，並且進行比較! 我們想要提醒一點的是, 我們將會以台灣炎夏的環境條件為前提, 並針對各種影響冷凍式乾燥機能力的因子做比對, 給各位一個比較容易理解比較的概念!

“處理流量"多寡是冷凍式乾燥機第一個能效與價值比較基礎

兩台冷凍式乾燥機的處理流量多寡分別為 :

每分鐘 600 Liter.
每分鐘 400 Liter.

我們可以初步認定第一台可以每分鐘處理 600 Liter 壓縮空氣流量的冷凍式乾燥機能效較高；但是我們並不會說600 Liter的就是比較好的方案, 因為還是要看實際需要處理的壓縮空氣流量多寡以及使用環境等因素考量，如果只是要處理100 Liter壓縮空氣流量而且環境因素也適用，也許有更小處理風量的而後續也只用一台冷乾機對應特定設備，那這樣也是好方案。

“壓縮空氣壓力" 是評估冷凍式乾燥機能效的第二要素

假設同樣是處理每分鐘 600 Liter (600LPM或600L/min) ；資料標稱定義可以處理該壓縮空氣流量是在多少操作壓力 (Working Pressure) 條件下，能效就會不同。

處理風量 : 600 L/min @ 7 bar。
處理風量 : 600 L/min @ 8 bar。

則第一台以7 bar為設計基礎的冷凍式乾燥機其能效能力會是以8 bar為設計基礎的冷凍式乾燥機能力的1.07倍; 我們可以想像一般牙醫診所的操作壓力通常設定在5.0~7.0 bar, 牙體技術所可能是在6.0~8.0 bar, 因此平均會落在6.0~7.0 bar的區間, 當然會是以第一台的定義較符合現實狀況. 也就是說如果系統壓力落到4.0~6.0 bar時, 能夠處理的實際風量就必須下修。

“入氣溫度"是評估冷凍式乾燥機能效的第三個要素

能夠處理的入氣溫度越高, 表示冷凍式乾燥機的能效越好；換句話說, 如果想要使用較低入氣溫度的冷凍式乾燥機, 那麼就必須控制入氣溫度：包括環境溫度降低, 在乾燥機前使用氣水分離器, 讓空氣桶先降溫除水… 我們經常看到的有：

入氣溫度35℃以下 (通常這樣定義會不知道以下到多少℃)的冷凍式乾燥機.
入氣溫度45℃以下的經濟型冷凍式乾燥機.
入氣溫度50℃的標準入氣型冷凍式乾燥機.
入氣溫度80℃的高溫入氣型的冷凍式乾燥機.

當然如果四台的處理流量都一樣是 600LPM 且定義都是在 7 bar 條件下, 第四台冷凍式乾燥機的處理能力會最佳; 以,

在台灣夏天環境溫度35℃, 同樣是處理風量 600LPM 且同樣是處理 7 bar 壓縮空氣的冷凍式乾燥機; 標準入氣型冷凍式乾燥機處理能力入氣溫度50℃時, 壓力露點攝氏10℃的乾程度時會是 600LPM x 0.43 = 258LPM. 但是高溫入氣型冷凍式乾燥機處理能力會大約是 600LPM x 0.9 = 540LPM 左右. 當然入氣溫度設計是攝氏35度C或45度C以下機型則會更低不少.

“環境溫度"是評估冷凍式乾燥機能效的第四個要素

同樣以上述案例來分析, 熱帶與亞熱帶地區一般冷凍式乾燥機設計會是以環境溫度攝氏32℃來考慮, 尤其台灣是海島型氣候, 空氣中的相對濕度又會高很多, 所以台灣夏天我們會假設客戶將機房放在樓頂室內環境將近攝氏40℃. 設計是以環境溫度攝氏30℃以下的情況, 通常會是在具有冷氣空調空間的區域. 例如參考上表, 同樣是標準入氣型冷凍式乾燥機TRX5D, 操作壓力 7 bar 且入氣溫度50℃時, 若環境溫度攝氏32℃與40℃的條件下, 個別可以將壓縮空氣乾燥程度處理到壓力露點攝氏10℃的處理流量個別是 600LPM x 0.45 = 270LPM 與 600LPM x 0.39 = 234LPM.

為何冷凍式乾燥機各種設計條件不一樣?

追根究柢就是 “成本" 的考量; 上面分析的幾個重要因素會影響到冷凍式乾燥機的零件部品選擇 :

銅管的大小, 長度, 材質種類與型式設計不同; 入氣溫度越低的機型, 相同材質型式與尺寸的銅管數量會越少, 所以成本會越低. 有的可能會選用內螺紋增加接觸面積的海軍銅較高材質的銅管來增加熱交換量並減少尺寸數量.
冷媒壓縮機的能力不同; 冷媒壓縮機有各種型式, 當然其內部的馬達繞組材質也會有不同. 使用條件較低的冷凍式乾燥機可能會考量銅管與冷媒壓縮機的成本, 而選擇採用大陸生產的低階冷媒壓縮機, 但是功率較高來節省銅管. 我們也曾經發現過日本品牌冷凍式乾燥機處理風量且入氣溫度都比較高, 但是冷媒壓縮機只使用0.3kW; 但是處理風量約僅有2/3且入氣溫度低很多的冷凍式乾燥機, 冷媒壓縮機卻使用0.4kW. 這些都後續會影響客戶的電力能源持續消耗.
銅管尺寸管徑與長度減少就可以減少外觀尺寸的西工類鈑金件數量, 成本當然也相對降低.

日本品牌在設計空氣壓縮機或者是乾燥機時通常會謹守一個原則 : 在一定品質與能效前提下, 盡量減少會持續耗電的零件部品功率, 提高該耗電部品與不耗電關鍵部品的能效與耐久品質, 並降低所有不影響能效的鈑金西工類的尺寸規格, 達成SDGs永續經營目標的理念!

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