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技术解析：制冷系统干燥过滤器

发布于：2025-03-24 11:00:24 来自：暖通空调/制冷技术

来源：制冷空调换热器

作者：HETA

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在安装施工篇章,本文提出了"选型、连接、焊接、检漏、绝热"五步法,对干燥过滤器的规格选择、管路连接、焊接工艺、泄漏检测、保温施工等关键环节进行了细致论述。

一、构造解析：过滤吸附的五脏六腑

干燥过滤器集杂质过滤和水分吸附为一体 , 通过滤芯拦截固体悬浮物 , 靠吸附剂去除溶解水分 , 犹如制冷系统的 " 肝肾组合 ", 时刻守护制冷剂的 " 循环健康 " 。我们一起来看看其 " 五脏六腑 " 的构造。

1. 外壳 : 坚实可靠的 " 骨骼 " 。

干燥过滤器的外壳一般采用碳钢或不锈钢制成 , 并经过酸洗钝化处理 , 以提高耐压强度和抗腐蚀性 [1] 。常见的外壳结构有贝壳式、直筒式等 , 并带有入口和出口接管 , 以方便与制冷管路连接。外壳的设计压力一般应大于系统的工作压力 1.5 倍以上 [2], 确保在高压工况下不会发生变形破裂。可见 , 外壳是干燥过滤器的 " 中流砥柱 ", 是滤芯等内件的坚实保障。

2. 过滤芯 : 截污分离的 " 把关者 " 。

过滤芯是干燥过滤器的 " 主心骨 ", 其性能的优劣直接决定了杂质的拦截效果。常见的过滤材料有玻璃纤维、不锈钢丝网、烧结青铜等 [3] 。其中 , 玻纤滤芯渗透性好 , 孔隙率高 , 多用于截留固体颗粒 ; 不锈钢滤芯网目规整 , 机械强度高 , 适用于拦截金属屑等硬杂质 ; 烧结青铜滤芯多孔度大 , 过滤精度高 , 可拦截小至 1μm 的微小颗粒 [4] 。可见 , 针对不同杂质种类 , 过滤芯材料也需 " 因材施教 ", 优选最佳 " 搭档 " 。

3. 吸附剂 : 脱水除酸的 " 克星 " 。

吸附剂是干燥过滤器的 " 灵魂 ", 其吸附容量和再生能力是制冷剂净化的决定因素。常见的吸附材料有硅胶、活性氧化铝和分子筛等。其中 , 硅胶是一种高度疏水的非晶体二氧化硅 , 吸湿容量大 , 再生温度低 , 易于重复使用 [5]; 活性氧化铝是一种多孔结构的三氧化二铝 , 比表面积高达 500m2/g, 对极性分子如水和醇等吸附能力强 [6]; 分子筛是一类具有规则孔道结构的结晶硅铝酸盐 , 孔径均一 , 吸附选择性强 , 可实现水分子的 " 精准捕获 "[7] 。此外 , 吸附剂颗粒大小对传质效果也有重要影响。根据 Carman-Kozeny 方程 [8], 颗粒直径越小 , 比表面积越大 , 传质阻力也越大 , 因此颗粒尺寸的选择需在吸附容量和渗透性之间寻求平衡。

4. 滤网 : 均流布液的 " 协调者 " 。

滤网是干燥过滤器进出口处的 " 多孔隔板 ", 犹如 " 滤布 " 一般均匀分散来流 , 减小局部流速 , 延长制冷剂与吸附剂的接触时间 [9] 。滤网的材质一般选用耐腐蚀的金属丝网 , 如不锈钢 304 、 316 等。值得注意的是 , 滤网的开孔率要合理设计。开孔率过低 , 过滤阻力大 , 易发生 " 堵塞 "; 开孔率过高 , 布液不均 , 易出现 " 短路 " 现象 [10] 。美国 ASHRAE 标准 [11] 建议 , 滤网的开孔率宜为 30%50%, 孔径宜为 0.150.25mm, 方能在压降与布液均匀性之间求得 " 最佳平衡 " 。

5. 密封圈 : 夯实可靠的 " 守门员 " 。

密封圈是干燥过滤器 " 防渗漏 " 的最后一道防线。常用的密封材料有丁腈橡胶 (NBR) 、三元乙丙橡胶 (EPDM) 等。其中 ,NBR 适用于 R22 、 R134a 等 H-FC 类制冷剂 ,EPDM 则适用于 R290 、 R600a 等 H-HC 类制冷剂 [12] 。橡胶材料的耐油性、抗老化性是密封圈设计的首要考量因素。此外 , 根据 Parker 公司的经验 [13], 密封圈的尺寸公差应控制在 ±0.15mm 以内 , 硬度应控制在 70 SHA 之间 , 方能确保在高压、高温、振动等复杂工况下不会发生泄漏。

二、工作肌理：净化卫士的五大本领

干燥过滤器是 " 过滤 " 与 " 吸附 " 的完美结合 , 既能拦截固体杂质 , 又能脱除溶解水分 , 堪称制冷剂净化的 " 多面手 " 。我们一起来揭秘其五大 " 看家本领 " 。

1. 截杂守关 :" 拦路虎 " 过滤机理。

机械杂质如焊渣、锈蚀、碳垢等若进入系统 , 会堵塞毛细管 , 磨损压缩机 , 覆盖换热面 , 危害 " 制冷健康 " 。干燥过滤器利用滤芯实现了对固体悬浮物的 " 拦路虎 " 。根据过滤机理 , 主要有三种方式 : 筛滤、惯性碰并、扩散截留 [14] 。筛滤是利用滤料的孔隙度 , 实现对大于孔径的固体颗粒的 " 拣选式 " 阻挡 ; 惯性碰并是利用颗粒的惯性力 , 使其偏离气流线 , 与纤维碰撞并被捕获 ; 扩散截留是利用颗粒的布朗运动 , 增大其与纤维的碰撞几率 , 从而被 " 网 " 住。滤芯的材质和孔径是影响过滤效果的关键。多孔度越大 , 纤维比表面积越大 , 过滤效率越高 , 但透气阻力也越大 [15] 。因此 , 设计过滤器时 , 需在过滤精度和流动阻力之间寻求 " 最佳平衡点 " 。

2. 吸湿防潮 : 吸附脱水的解困良方。

微量水分是制冷系统的 " 头号杀手 ", 它会水解制冷剂 , 生成腐蚀性酸 , 侵蚀管路和压缩机 ; 还会在毛细管处结冰 , 堵塞流道 , 导致系统 " 中风瘫痪 " 。干燥过滤器利用吸附剂 , 犹如 " 吸水海绵 ", 将水蒸气捕获并富集 , 实现制冷剂的 " 物理脱水 " 。根据吸附原理 , 分为物理吸附和化学吸附两类 [16] 。物理吸附是利用吸附质与吸附剂之间的范德华力 , 使极性水分子在材料表面富集成 " 分子膜 "; 化学吸附则是通过化学键合作用 , 使水分子与吸附位发生配位反应 , 牢牢锁定在材料内部。活性氧化铝主要依靠物理吸附脱水 , 硅胶兼具物理和化学吸附作用 , 分子筛以化学吸附为主 [17] 。不同材料的吸湿量和吸湿速率差异显著。如硅胶的平衡吸湿量可达 40% 以上 , 远高于氧化铝的 20% 和分子筛的 25%[18]; 但分子筛的吸附速率最快 , 在相对湿度 60% 时 , 其吸湿平衡时间仅为 20min, 而硅胶和氧化铝分别高达 2h 和 4h[19] 。因此 , 干燥过滤器的吸附剂选型需 " 因湿度而异 ", 既考虑吸湿容量 , 又兼顾吸附动力学。

3. 以碱制酸 : 酸碱中和的 " 保护神 " 。

制冷系统中的水分与部分含氯制冷剂会发生水解反应 , 生成 HCl 、 HF 等强腐蚀性酸 , 对铜管和压缩机构成 " 毁灭性打击 " 。干燥过滤器中的碱性吸附剂可谓化学中和的 " 及时雨 ", 它们与酸性物质反应 , 生成无害的盐类化合物 , 从源头上消除了酸腐蚀的隐患。常见的化学吸附剂有氧化镁、氢氧化钾等碱性物质以及沸石分子筛等 [20] 。其中 ,MgO 与 HCl 生成 MgCl2,KOH 与 HF 生成 KF, 分子筛与 HCl 生成无定形络合物 [21] 。化学中和反应快速高效 , 以 MgO 脱酸为例 ,HCl 的去除率可达 99% 以上 [22] 。值得注意的是 , 化学吸附剂与酸反应后会不可逆地失活 , 因此需要定期更换 , 以维持最佳的脱酸效果。

4. 视而明察 : 可视化窗口的 " 千里眼 " 。

干燥过滤器的吸附剂在饱和后 , 其外观会从干燥的浅色变为湿润的深色 , 犹如一双 " 千里眼 ", 直观反映了滤芯的湿度状态。设计可视化窗口 , 就是为吸附剂的外观变化提供一个观察口。常见的视窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃等 [23] 。考虑到制冷剂的溶解性 , 玻璃材质应优选与制冷剂相容性好、溶解度小的品种。此外 , 视窗的密封设计也至关重要。国内外标准普遍推荐采用 O 型圈或平垫密封 , 严防制冷剂泄漏 [24] 。然而 , 肉眼观测吸附剂变色存在一定局限性。一是变色滞后 , 表面变色时 , 内部可能已湿透 ; 二是凭肉眼难以量化颜色的深浅。为此 , 笔者建议在视窗设计中引入色卡对比和光度分析等定量检测方法 [25], 实现吸附剂湿度的精确判定。可见 , 干燥过滤器的可视化设计还大有学问。

5. 推陈布新 : 可更换芯元的 " 新陈代谢 " 。

定期更换吸附芯是维持干燥过滤器最佳性能的 " 养生秘诀 " 。一方面 , 饱和的吸附剂再生费时费力 , 不如 " 断臂求生 ", 更换新芯 ; 另一方面 , 腐蚀磨损的滤网再用风险极大 , 还是 " 去旧迎新 " 为上策 [26] 。可更换设计的关键在于密封圈与接口的严丝合缝。干燥过滤器的进出口宜采用承插焊或对口焊的连接方式 , 确保在反复装卸中不会发生泄漏 ; 出口端还应设置截止阀 , 在更换滤芯时防止气体外溢 [27] 。值得注意的是 , 更换周期的确定需 " 因剂而异 " 。一般来说 , 活性氧化铝 1000h 更换 , 硅胶 1500h 更换 , 分子筛 3000h 更换不等 [28] 。此外 , 系统的湿度水平也是影响更换周期的重要因素。湿度 RH 越高 , 饱和时间越短 , 更换就越频繁 [29] 。因此 , 宜采用露点仪等在线监测装置实时监控系统湿度 , 动态优化滤芯的更换时机 , 才是 " 新陈代谢 " 的上策。

三、安装要点：五步工法“规范施工”

干燥过滤器虽然体积不大 , 但安装施工的门道却不少。规范设计、合理布置、精细安装 , 才能让 " 净化卫士 " 稳定高效地 " 上岗 " 。笔者总结了一套 " 选型 - 连接 - 焊接 - 检漏 - 绝热 " 的五步工法 , 为读者提供可资借鉴的参考。

1. 选型有法 : 因制冷剂 " 度身定制 " 。

干燥过滤器的型号选择需 " 因制冷剂而异 ", 既要匹配制冷剂的物化特性 , 又要适应系统的温压工况。常见的选型参数有公称直径 DN 、公称压力 PN 和制冷剂种类等 [30] 。其中 ,DN 应与系统管径相匹配 , 选小了阻力大 , 选大了液体分布不均 ;PN 应大于系统工作压力的 1.5 倍以上 , 既满足承压需求 , 又避免过度设计 ; 此外 , 还需考虑制冷剂与滤芯和密封材料的相容性。如氟利昂类宜选不锈钢滤网和氟橡胶 , 烷烃类宜选铜网和丁腈胶等 [31] 。值得一提的是 ,ASHRAE 标准还给出了各类制冷剂的推荐干燥过滤器型号 [32], 可在选型时直接参考。

2. 管路畅通 : 左进右出 " 循序渐进 " 。

干燥过滤器的进出口方向关系到制冷剂的流动分布。通常采用 " 左进右出 " 的布置方式 , 即从左侧进入 , 经吸附芯过滤净化后 , 从右侧流出 [33] 。这样可以使制冷剂在芯体内 " 循序渐进 ", 充分接触吸附剂 , 达到最佳净化效果。进出口宜采用与系统管径相同的铜管连接 , 并尽量缩短连接管长 , 减小沿程压降 [34] 。此外 , 还需在出口端设置止回阀 , 防止系统反复启停时 , 滤芯出现 " 反吹 " 而损坏 [35] 。

3. 焊接讲究 : 氩弧钎焊 " 火候十足 " 。

干燥过滤器与制冷管路的连接须采用焊接工艺 , 确保在高压工况下不会发生泄漏。笔者推荐采用氩弧钎焊的方法 , 即在氩气保护下 , 用铜基钎料将过滤器与管道熔合在一起 [36] 。相比电阻焊 , 氩弧焊热影响区小 , 焊接强度高 , 更适合精密部件的连接。焊接时需注意以下几点 : 一是焊前除油除锈 , 确保接头清洁 ; 二是控制钎料用量 , 过多易堵塞 , 过少易虚焊 ; 三是把握电弧电流和焊接时间 , 电流宜为 80 A, 时间宜为 3 5s[37]; 四是焊后检查 , 表面应光滑平整 , 无焊瘤、裂纹等缺陷。

4. 气密严丝 : 氦质谱检漏 " 滴水不漏 " 。

焊接结束并非大功告成 , 还需进行严格的气密性检测。目前 , 氦质谱检漏是公认的快速、灵敏、可靠的检漏方法 [38] 。其原理是利用氦气分子小、渗透快的特点 , 用氦质谱仪检测焊缝处的氦气浓度 , 判断是否存在泄漏。具体步骤如下 : 先在过滤器内充入氦气 , 压力宜为 0.5MPa; 再用氦质谱仪对焊缝进行扫描 , 灵敏度应优于 1×10-9Pa·m3/s; 如发现氦浓度异常 , 则说明存在微泄漏 , 需返工处理 [39] 。值得注意的是 , 焊缝处应避免使用含硅化合物的清洗剂 , 以免掩盖微小泄漏点 , 影响检测结果。

5. 冷桥阻断 : 橡塑阻热层 " 严丝合缝 " 。

干燥过滤器安装完成后 , 还需在外表面包裹隔热保温层 , 防止环境热量进入 , 影响吸附剂性能。常用的保温材料有橡塑海绵、玻璃棉毡等。其中 , 橡塑具有难燃、防潮、绝热等特点 , 是干燥过滤器的首选保温层 [40] 。但其导热系数较高 , 在 0.03~0.04W/(m·K) 之间 , 因此保温厚度不宜小于 20mm[41] 。此外 , 在连接处还应缠绕玻璃丝带 , 避免保温层开裂。玻璃棉则导热系数低至 0.04W/(m·K), 但吸湿性较差 , 在高湿环境下 thermal conductivity 会显著上升 [42] 。可见 , 干燥过滤器的保温设计需因地制宜 , 既考虑材料的隔热性能 , 也兼顾使用环境的湿度特点。只有在制冷管路上 " 严丝合缝 " 地套上隔热 " 防护衣 ", 才能确保吸附剂的最佳 " 工作状态 " 。

四、维护保养：滤芯更换有“潜规则”

定期更换吸附滤芯是干燥过滤器的 " 保养之道 ", 但传统的 " 固定周期法 " 往往存在盲目性 , 容易造成滤芯的 " 早更 " 或 " 晚更 " 。笔者提出基于系统露点的动态评估方法 , 可为滤芯更换提供精准、及时的 " 健康体检报告 " 。

1. 压差诊断 : 过滤阻力的 " 晴雨表 " 。

吸附剂饱和后 , 其粒径会膨胀 2 倍 , 导致滤芯阻力显著上升 [43] 。因此 , 过滤器进出口的压差可作为滤芯更换的参考依据。根据 AHRI 标准 700[44], 干燥过滤器的初始压降宜小于 35kPa, 当压差升高到初值的 2 倍时 , 即可考虑更换滤芯。但值得注意的是 , 压差法只反映了吸附剂的堵塞程度 , 而无法量化湿度状态。因此 , 仅依靠压差诊断难免有失偏颇。

2. 露点检测 : 湿度变化的 " 精确画像 " 。

制冷系统露点温度是判断吸附剂性能的 " 压舱石 " 。当露点温度超过吸附剂的临界解吸温度时 , 就意味着材料已经饱和 , 必须及时更换 [45] 。以硅胶为例 , 在压力 1.5MPa 下 , 其对水蒸气的临界解吸温度为 -45℃, 当系统露点高于此值时 , 就预示着 " 更换时刻 " 的到来 [46] 。与压差相比 , 露点能更直接、更精确地反映吸附剂的湿度状态。然而 , 传统的人工取样露点检测费时费力 , 无法做到实时在线监测。笔者建议在干燥过滤器出口安装微型露点变送器 [47], 通过测量制冷剂露点温度的动态变化 , 实现吸附剂使用寿命的在线评估 , 及时预警更换时机。某大型氨制冷系统采用该方法后 , 不仅滤芯使用周期延长了 20%, 而且系统故障率下降 50% 以上 [48], 可见其效果之显著。

3. 分层取样 : 内外兼顾的 " 区域评估 " 。

大型干燥过滤器中 , 吸附剂用量大 , 内外层的饱和程度往往不一致。如果 " 一竿子捅到底 ", 势必造成外层滤料的 " 过度更换 " 。因此 , 本着 " 里急外缓 " 的原则 , 宜采用分层取样的策略 , 即分别取表层和 deep layer 的样品 , 用 karl fischer 滴定法测定其含水率 [49], 据此确定各层的最佳更换时机。某氨站就采取了外层 12000h 、内层 18000h 的分层更换方案 , 滤芯使用量减少 30%, 运行成本大幅降低 [50] 。

4. 再生利用 : 旧材新用的 " 循环经济 " 。

饱和的吸附剂并非 " 一无是处 ", 经脱附再生 , 仍可重复利用。活性氧化铝和分子筛的常用再生方法是高温烘干 , 即在 200℃ 下加热 2h, 使材料脱水并恢复孔隙结构 [51]; 硅胶的再生则采用减压加热 , 在真空度达到 10Pa 、温度为 120℃ 时持续 2h, 使吸附水分子解吸并抽出 [52] 。日本学者发现 , 活性氧化铝再生 5 次后 , 平衡吸附量仍可达到新品的 70% 以上 [53]; 德国学者则指出 , 硅胶再生 3 次后 , 吸附容量和比表面积基本恒定 , 仍有回用价值 [54] 。此外 , 再生吸附剂在某些领域还可获得 " 第二春 ", 如可作为土壤改良剂、水处理剂等 , 实现废物利用 [55] 。干燥过滤器的运营商不妨树立 " 变废为宝 " 的理念 , 在保证品质的前提下 , 最大限度地开发吸附剂再利用的 " 循环经济 " 空间。

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