本发明涉及干燥机控制技术领域，具体涉及利用一种压缩空气吸附式干燥机控制系统
背景技术：
吸附式干燥器是利用吸附剂，通常为珪胶、活性氧化铝、分子筛等吸附空气中的水分，达到干燥压缩空气的目的。该法可使压缩空气的露点达到-20－-70摄氏度，采取某些措施后可使露点低达-80度以下。吸附干燥的基本过程是吸附剂的吸附、再生、再吸附过程，吸附时吸附质逐渐在吸附剂上积累，再生时吸附质逐渐从吸附剂上脱除。吸附干燥压缩空气时吸附剂的再生方式有：加热再生法、无热再生法和微热再生法。吸附剂对压缩空气中水的吸附容量与吸附时的温度有极大的关系，吸附温度升高时吸附容量降低，反之吸附容量升高，加热再生就是利用吸附剂的这一特性进行压缩空气干燥。干燥系统采用双塔，一塔吸附一塔再生。
吸附式干燥机的控制系统设有许多气动元件，因此，在吸附式干燥机对含水的压缩空气进行干燥的过程中，需要对吸附式干燥机的控制系统供气，以保证吸附式干燥机的正常运行。
在现有的吸附式干燥机中，干燥用的吸附剂损耗多，压力损失大，耗能高；瞬时脱附能力差，再生耗气量大；且智能化水平不高，大多数情境下都需要人工记录各种数据且人工控制；且对吸附剂再生后的吸附容量缺乏合适的估计手段，不能够根据已吸附容量来合理的控制进气电磁阀；且在处理定量气体时，如何做到能量效率的提高且保证较为理想的吸附效果一直是个待解决的问题。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明旨在提供一种压缩空气吸附式干燥机控制系统，能够根据吸附容量来合理的控制进气电磁阀；且在处理定量气体时，可以极大地提高能量效率的同时且保证较为理想的吸附效果。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种压缩空气吸附式干燥机控制系统，该系统包括前级冷冻式干燥系统、中间储气系统、后级吸附式干燥系统以及控制协调系统；所述前级冷冻式干燥系统设置了预冷器、蒸发器以及多个可控电磁阀，用来将外面的空气依次通过预冷器以及蒸发器，进而实现对外来空气进行第一级干燥；所述中间储气系统包括中间进气电磁阀、中间储气罐以及中间出气电磁阀，用来将第一级干燥处理后的空气经中间进气电磁阀后进入中间储气罐进行储存，以协调前级冷冻式干燥系统与后级吸附式干燥系统的处理干燥的空气量；所述中间出口电磁阀流出的空气进入后级吸附式干燥系统的温度调节器中进行气体温度调节；所述后级吸附式干燥系统还依次包括：干燥塔、以及与干燥塔对应的进气阀、出气阀、减压阀，用来将温度调节器调节过后的空气依次经过上述所述装置，进行吸附干燥实现第二级干燥；所述控制协调系统用来对前级冷冻式干燥系统、中间储气系统、后级吸附式干燥系统中的电磁阀进行控制，进而实现对前级冷冻式干燥系统的进气处理量、中间储气系统的储存气体量、后级吸附式干燥系统可处理的空气量进行协调控制，保证系统的协调持续运行。
优选地，所述干燥塔根据工作状态分为吸附塔和再生塔，干燥塔在两种工作状态间切换，所述吸附塔对第一级干燥出来的空气中的水气进行吸附后，最终成为再生塔；所述再生塔经过高温蒸发、低温冷却、吹扫再生这些过程后再生成为吸附塔。
优选地，所述中间出口电磁阀设置两个，连接至对应的温度调节器中，温度调节器分别通过管道连接有吸附进气阀以及再生进气阀，所述吸附进气阀以及再生进气阀都为进气阀，与对应工作状态的干燥塔连接，用来通过对流入吸附塔或再生塔内空气温度调节，进而实现塔内吸附剂表面温度的调节。
优选地，所述吸附塔与再生塔的外侧都通过储气电磁阀连接有再生储气罐，用于将再生塔再生所耗的干燥气体进行储存。
优选地，所述控制协调系统包括后级耗能计算单元、功率分配单元以及吸附容量确定单元；所述后级耗能计算单元用来依据设定的干燥能耗比以及前级冷冻式干燥系统处理外来空气时单位时间所耗功率，来控制后级吸附式干燥系统单位时间所耗功率；所述功率分配单元用于计算温度调节器所耗功率与再生成为的吸附塔中压强调节所耗功率之间的功率比值，进而对后级吸附式干燥系统单位时间所耗功率进行分配，用来对干燥塔中的吸附剂温度以及气体压强进行调节；所述吸附容量确定单元用来对再生塔再生成为吸附塔的吸附容量进行计算，根据吸附容量来对与再生后吸附塔对应连接的吸附进气阀进行控制，用于当吸附处理空气量达到吸附容量时关闭吸附进气阀。
优选地，所述再生塔经过再生后的吸附容量的计算公式为：
式中，sk+1为第k次再生后吸附塔第k+1次吸附的吸附容量；sk为吸附塔第k次吸附的吸附容量；b为吸附容量再生衰减因子，l0为干燥塔中可参与吸附的区间长度，l为干燥塔中吸附床的直径；dp为吸附剂表面扩散系数；rs为吸附剂表面的扩散活化能；p为干燥塔内待干燥空气的设定压力；r为吸附塔的半径；t为采集到的吸附剂表面的温度。
本发明的有益效果为：本发明通过设计了一种压缩空气吸附式干燥机控制系统，并对每次吸附再生后的干燥塔的吸附容量进行了估计，并基于此控制下一次吸附的工作量，延长吸附剂的使用寿命，并对处理吸附容量确定的气体所耗功率进行计算分配，极大地提高能量效率的同时且保证较为理想的吸附效果。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明的一个优选实施例中干燥机控制系统的组成框架结构图；
附图标记：
入口过滤器1，预冷器2，蒸发器3，排水过滤器4，中间入口电磁阀5，中间储气罐6，中间出口电磁阀7，温度调节器8，吸附进气阀9，再生进气阀10，再生储气罐11，储气电磁阀12，升压吹扫阀13，吸附塔出气阀14，减压阀15，压缩机301，冷凝器302，热力旁通阀303，热力膨胀阀304。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
本实施例中，参见图1，一种压缩空气吸附式干燥机控制系统，该系统包括前级冷冻式干燥系统、中间储气系统、后级吸附式干燥系统以及控制协调系统；所述前级冷冻式干燥系统设置了预冷器、蒸发器以及多个可控电磁阀，用来将外面的空气依次通过预冷器以及蒸发器，进而实现对外来空气进行第一级干燥；所述中间储气系统包括中间进气电磁阀、中间储气罐以及中间出气电磁阀，用来将第一级干燥处理后的空气经中间进气电磁阀后进入中间储气罐进行储存，以协调前级冷冻式干燥系统与后级吸附式干燥系统的处理干燥的空气量；所述中间出口电磁阀流出的空气进入后级吸附式干燥系统的温度调节器中进行气体温度调节；所述后级吸附式干燥系统还依次包括：干燥塔、以及与干燥塔对应的进气阀、出气阀、减压阀，用来将温度调节器调节过后的空气依次经过上述所述装置，进行吸附干燥实现第二级干燥；所述控制协调系统用来对前级冷冻式干燥系统、中间储气系统、后级吸附式干燥系统中的电磁阀进行控制，进而实现对前级冷冻式干燥系统的进气处理量、中间储气系统的储存气体量、后级吸附式干燥系统可处理的空气量进行协调控制，保证系统的协调持续运行。
所述前级冷冻式干燥系统对空气进行干燥的过程为：湿空气进入空气入口管道，经过入口电磁阀以及入口过滤器进入预冷器，进行前级预冷，用于将过饱和的湿空气中大量水蒸气进行凝结为液体，也为后级蒸发器内的进一步冷凝干燥减少冷冻干燥负荷；将经过前级预冷后的空气送入蒸发器内的冷凝管道，蒸发器内还有制冷剂管道，冷凝管道内的空气与制冷剂管道内的制冷剂进行热交换，冷凝管道内的空气进一步放热冷却，凝结出大量的液体水；将冷凝管道冷冻后的空气以及凝结的水经过排水过滤器将水排出并对空气进行进一步的过滤；
经过蒸发器内的热交换后，低温、低压的制冷剂吸收冷凝管道内的空气的热量而汽化，被压缩机吸走至压缩机气缸，进行压缩成高温高压的制冷剂蒸汽；然后将高温高压的制冷剂蒸汽压至冷凝器内，进行冷却凝结成制冷剂液体，制冷剂液体经过电磁阀送至热力膨胀阀，经过膨胀阀后再次成为低温低压的制冷剂进入蒸发器，还设有热力旁通阀，用于保持系统可以在给定的最低吸气压力下正常工作；
本实施例中，所述干燥塔根据工作状态分为吸附塔和再生塔，干燥塔在两种工作状态间切换，所述吸附塔经过吸附第一级干燥后空气中的水气后成为再生塔；所述再生塔经过高温蒸发、低温冷却、吹扫再生过程后再生为吸附塔。
本实施例中，所述中间出口电磁阀设置两个，连接至对应的温度调节器中，温度调节器分别通过管道连接有吸附进气阀以及再生进气阀，所述吸附进气阀以及再生进气阀都为进气阀，与对应工作状态的干燥塔连接，用来通过对流入吸附塔或再生塔内空气温度调节，进而实现塔内吸附剂表面温度的调节。
本实施例中，所述吸附塔与再生塔的外侧都通过储气电磁阀连接有再生储气罐，用于将再生塔再生所耗的干燥气体进行储存。
本实施例中，经过前级冷冻式干燥系统干燥后的空气送入排水过滤器，再将所述通过排水过滤器过滤后的空气经过中间入口电磁阀，进入中间储气罐储存，中间储气罐的出口设有中间出口电磁阀，中间储气罐中储存的空气经过中间出口电磁阀，进入温度调节器；温度调节器还通过管道连接至后级吸附式干燥系统；所述中间出口电磁阀有两个，每个中间出口电磁阀都接有一个温度调节器；其中一个温度调节器连接至吸附塔进气阀，用于对送过来的空气进行温度调节至合适温度，用来提升吸附塔内干燥效果；所述另一个温度调节器连接至吸附塔出气阀，用于对送过来的空气进行加热，形成热空气送至吸附塔内对吸附剂进行再生。
本实施例中，所述吸附塔内设有加压装置，用于对吸附塔内进行气压调节。所述吸附塔上还各设有一个再生储气罐，再生储气罐与吸附塔通过管道连接，所述管道上设有储气电磁阀以及湿度监测器；所述再生储气罐用来对吸附塔中吸附剂再生时所耗吸附干燥后的空气的储存，避免气体损失。
本实施例中，以下关于上下的描述并不对本发明构成限制，仅仅表示附图图像中的上下关系。
本实施例中，所述后级吸附式干燥系统中两个干燥塔在正常工作时一塔吸附一塔再生，以上吸附塔处于吸附干燥的工作状态，下吸附塔处于再生工作状态来进行分析：
上中间出口电磁阀打开，中间储气罐中的空气经上温度调节器进行温度调整，再通过上吸附进气阀输送至压强经过调整后的吸附塔内进行吸附；此时上再生进气阀、储气电磁阀关闭、升压吹扫阀以及减压阀关闭；空气经吸附干燥后由上吸附塔出气阀排出；
下吸附塔准备进行再生，首先打开下减压阀，其他与下吸附塔连接的阀门都关闭；通过减压阀将下吸附塔内的气压降至大气压；然后将中间储气罐中的空气经过下中间电磁阀送入温度调节器内加热，形成再生空气；此时再生空气含水量小，且空气温度较高，其容纳水蒸气能力较强；打开下再生进气阀，将再生空气通入气压为大气压的吸附塔，再生空气的高温将吸附剂中的水分蒸发带走，经下减压阀排出；再生储气罐上的湿度检测器对再生空气的湿度进行实时监测，再生空气的湿度先变大后减小，一旦再生空气的湿度减小到合适的设定值时，加热再生过程即结束，此时关闭下再生进气阀以及下减压阀；最后，将升压吹扫阀13以及下吸附塔的储气电磁阀打开，将上吸附塔干燥后的空气通过升压吹扫阀送至下吸附塔中，通过少量的干燥空气从塔底到塔顶，对再生塔进行逆流冷却以及吹扫再生，对吸附剂进行吹扫再生后的干燥空气的含水量又少量增多；此时，储气电磁阀也打开，将含水量增多后的干燥空气进行抽取进入再生储气罐进行储存，并关闭储气电磁阀；此时，下吸附塔(再生塔)进行压力恢复至系统工作压力，进入待吸附工作状态，等待控制系统指令从而转为吸附工作状态。
待上吸附塔吸附充分后，控制系统发送切换信号，此时上吸附塔转为再生塔，进行如上所述过程的再生；下吸附塔转为吸附状态，对中间储气罐的空气进行干燥，且同时控制储气电磁阀打开，将再生储气罐中再生所用的空气排入下吸附塔中进行吸附干燥，经由下吸附塔出气阀排出。
本实施例中，所述干燥塔内设置多个吸附层，吸附层包括吸附床，吸附床包括金属支撑网，均匀分布在金属支撑网上的吸附剂。
本实施例中，所述控制协调系统包括后级耗能计算单元、功率分配单元以及吸附容量确定单元；所述后级耗能计算单元用来依据设定的干燥能耗比以及前级冷冻式干燥系统处理外来空气时单位时间所耗功率，来控制后级吸附式干燥系统单位时间所耗功率；所述功率分配单元用于计算温度调节器所耗功率与再生成为的吸附塔中压强调节所耗功率之间的功率比值，进而对后级吸附式干燥系统单位时间所耗功率进行分配，用来对干燥塔中的吸附剂温度以及气体压强进行调节；所述吸附容量确定单元用来对再生塔再生成为吸附塔的吸附容量进行计算，根据吸附容量来对与再生后吸附塔对应连接的吸附进气阀进行控制，用于当吸附处理空气量达到吸附容量时关闭吸附进气阀。
本实施例中，对于本干燥系统来说，采用了前级冷冻式干燥与后级吸附式干燥组成的两级干燥，该两级干燥系统在单位时间所耗功率代表了其处理气体的工作速率；故根据前级冷冻式干燥单位时间所耗费功率，且在保证系统中的干燥能耗比取值为标准最小的情况下，可得到后级吸附式干燥所耗费功率；所述后级耗能计算单元对后级吸附式干燥系统单位时间所耗功率的确定公式为：
式中，z为干燥能耗比，pq为在时间t内前级冷冻式干燥制冷机单位时间所耗功率；ph为时间t内后级吸附式干燥系统所耗的功率；q0为一次干燥过程中输入前级冷冻式干燥系统中空气的初始湿度，q1为同次干燥过程经过前级冷冻式干燥后干燥质空气的平均湿度；qx为经过吸附干燥过程处理后，后级吸附式干燥后干燥质的平均估计湿度；ρ为吸附干燥后排出的先验平均空气密度；ρ0为未经吸附干燥从中间储气罐流出的空气密度；v为吸附塔内的容积；v为后级吸附干燥的设定速率。
本实施例中，可根据行业标准设定出厂标准值，确定出最小的干燥能耗比z值，并根据该值以及传感器采集的数据，利用上述估算得到的吸附容量确定气体流量，根据气体流量的湿度、密度以及时间确定后级吸附干燥系统的功率。
本优选实施例中，设计了两级干燥系统，在已知前级冷冻式干燥所耗功率的情况下(根据进入前级的气体湿度，来选择冷冻式干燥所耗功率)，设计了干燥能耗比的计算公式，在保证前级与后级配合达到较好的干燥效率下，且为保证系统的干燥能耗比较低，这里选用标准情况下的干燥能耗比的最小值，实现降低能耗，并确定后级吸附式干燥所耗的功率。
本实施例中，计算出后级吸附式干燥所耗的功率后，就可计算温度调节器所耗功率与再生成为的吸附塔中压强调节所耗功率之间的功率比值，依据比值和后级吸附式干燥系统消耗功率，分别确定干燥塔中的吸附剂温度调节所耗功率以及气体压强进行调节所耗功率，实现对干燥塔中的吸附剂温度以及气体压强进行调节；其中温度调节器对气体的温度调节，气体进入干燥塔内进而对吸附剂温度进行影响调节。
本实施例中，温度调节器所耗功率与再生成为的吸附塔中压强调节所耗功率之间的功率比值的计算公式为：
式中，λ为吸附剂温度调节所耗功率与塔中吸附质气体压强调节所耗功率的比值；λk为第k次的吸附容量与吸附温度、压强的适应因子；sk为第k次的吸附容量；s0为吸附剂的起始吸附容量；μ为压强调节因子；ρ为设定温度下标准大气压下的吸附质含水气的密度；ρk为第k次的吸附固定温度下，压强未调整时的吸附质中含水气的密度；ρw为第k次的吸附固定温度下，使得吸附质中含水气的密度达到饱和时对应的密度；ε为温度调节因子；tw为第k次的吸附固定压强下，使得吸附质中含水气的密度达到饱和时对应的温度；tk第k次的吸附下未经调整过的温度值。
本优选实施例中，设计了吸附剂温度调节所耗功率与塔中吸附质压强调节所耗功率的比值λ的计算公式，综合考虑了吸附容量变化、温度以及压强对吸附剂吸收吸附质能力的影响，使得影响较大的因素能够通过计算出来的比值λ，分配到更多的调节耗费功率，以最大可能的提高吸附式干燥效果。
本实施例中，通过上述温度调节与压强控制，对通过后级吸附式干燥系统的气体进行进一步干燥后排出，该干燥塔也由吸附工作状态的吸附塔转变为再生状态的再生塔；该干燥塔经过前述再生过程进行再生，再生后通过吸附容量确定单元用来对其再生成为吸附塔的吸附容量进行计算，根据吸附容量来对再生后下一次吸附干燥时吸附塔对应连接的吸附进气阀进行控制，用于下一次干燥时进入的吸附处理空气量达到吸附容量时关闭吸附进气阀。
本实施例中，所述再生塔经过再生后的吸附容量的计算公式为：
式中，sk+1为第k次再生后吸附塔第k+1次吸附的吸附容量；sk为吸附塔第k次吸附的吸附容量；b为吸附容量再生衰减因子，l0为干燥塔中可参与吸附的区间长度，l为干燥塔中吸附床的直径；dp为吸附剂表面扩散系数；rs为吸附剂表面的扩散活化能；p为干燥塔内干燥状态时内部气体的设定压力；r为吸附塔的半径；t为干燥塔在吸附气体过程中采集到的吸附剂表面的温度。
本实施例中，通过计数传感器记下的再生次数，以及传感器采集到的干燥塔内的吸附剂内的温度、吸附质气体的在封闭吸附塔内的压力,计算其干燥塔内吸附剂的吸附容量，进而确定其可处理的吸附质气体的总量，通过总量调节中间出口电磁阀，控制吸附质气体的流量，对温度与压力进行调整，继续进行吸附干燥与再生。
本优选实施例中，考虑到干燥塔中的吸附床经过多次的吸附、再生；随着多次再生，其吸附床中必然还存在残留吸附的吸附剂未经再生，基于此，考虑了吸附容量的衰减，以及吸附剂在再生过程中吸附剂扩散能力以及吸附床尺寸和吸附温度与压强的影响，基于大量测试数据，设计了吸附容量的估计公式，可准确的估计出下一次吸附再生后的吸附床的吸附容量，控制吸附工作量，延长吸附剂的使用寿命。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。