壓縮空氣是鐵路機車、車輛空氣制動機及風(fēng)動設(shè)備必不可少的工作介質(zhì)。大氣中原有的塵埃、水蒸汽經(jīng)壓縮后，濃度劇增。另外，空壓機在工作的過程中，會混入一些霧狀機油?；覊m、水汽、油霧是機車空氣系統(tǒng)中三種主要有害物質(zhì)，其中尤以水的危害最大。為了清除上述三種物質(zhì)，延長機車、車輛使用壽命，保障機車運行安全，在機車的空氣系統(tǒng)中，必須設(shè)空氣干燥器。這一點已得到共識。
目前，機車上所使用的吸附式空氣干燥器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障多、維修維護費用高、操作不方便。另外，吸附劑耐水硅膠在高壓空氣的沖擊下，振動、摩擦產(chǎn)生的粉末、細(xì)小顆粒還會造成二次污染。雖然，在通往制動機各部件的管路上一般都設(shè)有濾塵器。但是，機車運用單位在檢修機車時，在制動系統(tǒng)各部件的拆檢過程中，發(fā)現(xiàn)管路系統(tǒng)內(nèi)部銹蝕現(xiàn)象仍然存在，大的銹渣可被濾塵器截住，而很多膠狀銹泥(鐵銹粉末或細(xì)小顆粒與油、水的混合物)卻可通過濾塵器，粘附在各閥內(nèi)部零件上，使制動機的動作失控。這種現(xiàn)象的存在，說明目前使用的吸附式空氣干燥器尚不能完全滿足機車制動機的使用要求。因此，有必要進一步提高壓縮空氣的質(zhì)量。新型空氣干燥器— —高分子膜式壓縮空氣干燥器(簡稱為膜式干燥器)具有壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、不消耗能源、無運動部件、重量輕、安裝維修方便等特點。在國內(nèi)外市場上，已是成熟產(chǎn)品，且規(guī)格齊全，是較理想的壓縮空氣干燥器換代產(chǎn)品。由膜式干燥器與吸附式空氣干燥器的各項指標(biāo)的對比情況(見表1)，可以看出滲膜式干燥器具有很大的優(yōu)越性，為了提高壓縮空氣的質(zhì)量，機車上應(yīng)安裝滲膜式干燥器。
項目 | 膜式干燥器 | 吸附式空氣干燥器 |
處理后壓縮空氣含油率(PPM) | <5 | <10 |
處理后壓縮空氣含塵埃的顆粒(μm） | <0.1 | <10 |
處理后壓縮空氣的相對濕度 | 35％ 、l0％ 一l5％、3％任選 | ≤40％(非定值) |
是否產(chǎn)生污染物 | 不產(chǎn)生任何污染 | 干燥劑振動、摩擦產(chǎn)生粉末和細(xì)小顆粒 |
2 機車上運用膜式干燥器的可行性論證
膜式干燥器是利用高分子中空膜纖維管來分離水分子，實現(xiàn)使空氣干燥的目的。膜式干燥器具有節(jié)能、壽命長、免維修、維護簡單、費用低、體積小和重量輕的特點。提供的干燥空氣具有穩(wěn)定的相對濕度”。
2．1 技術(shù)上的可行性論證
2．1．1 結(jié)構(gòu)
膜式干燥器包括過濾器和滲水膜分離器二部分，其中預(yù)過濾器為可選部件，。
膜式干燥器的組成
1一預(yù)過濾器(可選用)；2一精密過濾器；3一滲水膜分離器。
(1)過濾器
潮濕的壓縮空氣首先通過預(yù)過濾器和精密過濾器。二者結(jié)構(gòu)基本相同，外殼是耐壓、耐腐蝕的簡體，內(nèi)裝具有高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(耐高溫可達120~C)的濾芯，自動排污閥。經(jīng)預(yù)過濾器處理后，空氣含塵埃的顆粒度小于lμm，經(jīng)精密過濾器處理后，空氣含塵埃的顆粒度小于0．01μm。因此，經(jīng)處理后的壓縮空氣可有效去除雜質(zhì)、油滴和部分水份，然后進入滲水膜分離器。濾出的雜質(zhì)、液滴沿濾芯纖維流向殼底，經(jīng)排污閥排出，從而有效提高空氣品質(zhì)，并起到有效保護后端膜式干燥器的作用。過濾器濾芯為防水型纖維材料，遇水、油后不會膨脹，可避免堵塞過濾器，造成壓力損失。精密過濾器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于安裝。維護簡單、方便，只需定期更換濾芯。另外，精密過濾器殼體設(shè)有安全壓力鎖，卸壓后才能進行維護操作。同現(xiàn)在機車上與吸附式干燥器配套使用的油水分離器相比，不但體積小，維護方便，而且凈化空氣的效果大大提高。
圖2 滲水膜分離器的工作原理圖
1一反吹氣控制器；2一耐壓保護筒；3一中空膜纖維管；4一環(huán)氧聚合物粘結(jié)劑。
滲水膜分離器利用高分子中空纖維膜的過濾作用，分離水分子。水份分離過程具有無相變、不消耗能量、效率高的特點。每個分離器單只組件由數(shù)萬根高分子材料中空纖維絲管集合在一起組合成束，每束絲的兩端粘結(jié)固定在一個耐壓筒內(nèi)。潮濕的壓縮空氣從膜分離器纖維絲管的一端進入，水份透過高分子纖維膜分離出來，干燥空氣從膜分離器纖維絲管的另一端排出。其中的水汽在溶解、擴散的過程中，水份的分離推動力就是氣體各組分的分壓力在中空纖維內(nèi)腔與外腔所形成的分壓差。壓縮空氣和反吹氣的相對濕度的差異導(dǎo)致只有水汽向纖維管外快速擴散。然后，再用所產(chǎn)生的干空氣的10％ ～15％(自動調(diào)節(jié))將分離出的水汽及時反吹人大氣中。因此，中空纖維絲管內(nèi)流出的干燥壓縮空氣除去了水份，而其它成份保持不變。機車上使用的壓縮空氣要求在空氣系統(tǒng)中最末端也不產(chǎn)生冷凝液，以避免空氣系統(tǒng)中各部件受到腐蝕。這與滲水膜分離器的工作特性完全吻合。滲水膜分離器的反吹氣控制器可以自動按比例調(diào)節(jié)反吹氣量，提供符合要求的干燥空氣，在空氣系統(tǒng)中不產(chǎn)生冷凝水。在間歇用氣階段(空壓機停機階段)，反吹氣控制器可自動控制反吹氣量速下降。由于壓縮空氣耗氣量很小，應(yīng)用在機車上時，可以確保足夠的干燥壓縮空氣進入空氣系統(tǒng)，不會造成空壓機頻繁啟動，耗費過多的能量。
2．1．3 滲水膜分離器的工作特點
(1)滲水膜分離器處理后的空氣可保持穩(wěn)定的相對濕度，因此能為空氣系統(tǒng)提供干燥程度恒定的干燥空氣。目前市場上，有相對濕度為35％、10％ ～15％及3％的干燥空氣的成熟產(chǎn)品供選用，干燥空氣露點可達一30～一50~C，完全可保證在機車運行中空氣系統(tǒng)不會產(chǎn)生冷凝水。
(2)滲水膜分離器的反吹氣調(diào)節(jié)閥不需任何附加能源，根據(jù)空氣系統(tǒng)的耗氣量大小、氣候、溫度的變化，按比例全自動調(diào)節(jié)吹氣量。具有反應(yīng)快速、連續(xù)、不間斷工作的特性。在間隙用氣時會自動關(guān)閉反吹氣調(diào)節(jié)閥，反吹氣量會迅速下降。根據(jù)實際應(yīng)用狀況，反吹氣調(diào)節(jié)閥能減少75％的反吹氣量。
(3)滲水膜分離器無機械運動部件，水汽分離過程無化學(xué)反應(yīng)，不用電源?？諌簷C啟停導(dǎo)致的氣壓波動、機車運行過程中產(chǎn)生的震動、電源電壓的波動等，對滲水膜分離器均不產(chǎn)生影響。使用過程中免維修。
(4)滲水膜分離器單只組件處理空氣流量范圍是0．01～2．08m3／min，當(dāng)壓縮空氣的用氣量大于2m3／min時，最多可將5個單只干燥能力為2m3／min的滲水膜分離器并聯(lián)或串聯(lián)使用。
2．1．4 滲水膜分離器的安裝要求
(1)滲水膜分離器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕、體積小，且可任意角度放置，節(jié)省安裝空間，適合放置在機車內(nèi)空間狹窄的地方。
(2)滲水膜分離器進氣溫度要求小于60℃ ，必須前置容量與壓縮空氣流量相匹配的空氣冷卻器。
(3)滲水膜分離器對進氣質(zhì)量要求較高，必須設(shè)預(yù)過濾器和精密過濾器。其中預(yù)過濾器可根據(jù)壓縮空氣的質(zhì)量狀況選擇設(shè)置。前級精密的過濾是滲水膜分離器正常工作的前提條件。
2．1．5 滲膜式干燥器的裝車方案
(1)單獨應(yīng)用滲膜式干燥器方案要求進氣溫度不大于60℃，設(shè)計時，機車必須設(shè)置冷卻能力與用風(fēng)量相匹配的總風(fēng)冷卻器。為了滿足滲膜式干燥器的工作要求，選型時必須考慮在滲水膜干燥器前設(shè)置精密過濾器，還可根據(jù)所處理空氣的質(zhì)量，在精密過濾器前增設(shè)預(yù)過濾器。
干燥器要求工作環(huán)境溫度2～60℃，設(shè)計時，應(yīng)考慮在冬季采取防寒措施。
(2)吸附式干燥器串接滲膜式干燥器方案可以采用在現(xiàn)有干燥器的后端串接滲膜式干燥器，進一步提高空氣質(zhì)量的方案。這兩種方案的應(yīng)用，一定會提高機車空氣系統(tǒng)的空氣質(zhì)量，為機車的安全運行提供保證。
2．2 經(jīng)濟方面的可行性分析
膜式干燥器的一次投入成本約為吸附式空氣干燥器的3倍左右，可能這也是目前該產(chǎn)品沒有在鐵路機車上廣泛使用的原因之一。膜式干燥器免維修，它替代吸附式干燥器后，可徹底消除干燥器故障點，減輕操作者勞動強度，大大減少維修費用，它的壽命期成本小于吸附式干燥器，而且還能節(jié)約能源，提高機車運用的可靠性，從而，創(chuàng)造更高的效益。
2．3 膜式干燥器的應(yīng)用效果分析
研究表明，金屬零件表面生銹的臨界值是相對濕度35％(RH)，在相對濕度超過35％的環(huán)境中，普通金屬表面就會發(fā)生銹蝕；當(dāng)相對濕度超過40％時，腐蝕將會加劇。通過表1可以看出，通過滲膜式干燥器處理后的干燥空氣指標(biāo)可以滿足機車使用壓縮空氣的要求，減輕甚至消除零件的銹蝕現(xiàn)象。預(yù)計這種干燥器使用后，會有效地減緩或消除管路和制動部件銹蝕的現(xiàn)象，使制動閥操作靈活，避免前述各種危害，使制動機各部件及其它用風(fēng)設(shè)備的壽命得到有效的延長。
3 結(jié)語
膜式干燥器所采用的高分子氣體分離膜是近20年來開發(fā)研制的高新技術(shù)產(chǎn)品，目前國際上對該技術(shù)的研究方興未艾，并取得了驚人的成績。膜分離技術(shù)在許多行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，在國外鐵路機車上已經(jīng)開始應(yīng)用。但在我國鐵路機車行業(yè)它還是一個新生事物。通過以上分析，可以了解滲膜式干燥器的工作特性完全能夠滿足鐵路機車空氣系統(tǒng)的用風(fēng)要求。
綜上所述，滲膜式干燥器在我國鐵路機車行業(yè)必將有廣闊的應(yīng)用前景。