淺談鋰電池潔凈車間中恒溫恒濕凈化系統的應用

鋰電池目前被廣泛應用于各類數碼產品，受國家產業政策支持的電動汽車、電動自行車等發展較快，動力鋰電成為鋰電池的潛力領域。然而其制造過程極為嚴苛，需要非常干燥的環境，通常要求環境空氣露點溫度達到－４０℃以下［１］。鋰電池類的制造過程有著極為嚴苛的生產環境要求，因此在設計、施工過程中任何一部分出現偏差都會給整個系統帶來損失。另外，為了對液晶、有機發光顯示屏等新型電子元件的高性能化進行研究，或為了提高生產效率、降低生產成本等常常需要在超低露點（－８５℃）以下環境中生產［２］。因此，隨著各種高性能電子元件的開發、制造過程的實用化，對超低露點干燥空氣環境的需求會越來越多。

常用的超低露點環境是利用吸附技術對空氣中的水分進行吸附除濕，獲得干燥空氣。而采用硅膠或分子篩吸附除濕的方式已經逐步成為主流［３］，吸附式除濕裝置又可以分為吸附塔式和轉輪式吸附除濕機２種。轉輪式除濕技術已被國內企業接受和掌握，并取得了長足的發展，在核心部件采用進口除濕轉輪的基礎上，已完全能夠勝任鋰電池生產過程中所要求的低露點和超低露點濕度控制，并成為代表技術被各個行業所采用［４］。

１現行超低露點空調除濕系統存在的主要問題

１．１現行超低露點空調除濕系統流程

以鋰電池干燥房的露點溫度要求（－５０℃）為例（如圖１所示）。在空氣處理過程中，空氣處理系統分為２個子系統：工作間空氣處理系統和轉輪再生空氣處理系統。

  

工作間空氣處理流程：室外新風Ａ 經初效過濾后進入前表冷器一，通過冷卻除濕得到低溫飽和濕空氣Ｂ，經一級轉輪除濕至Ｃ工況，再與室內回風Ｈ１混合至Ｄ工況，經過前表冷器二降溫后得到Ｅ，其中大部分空氣進入二級轉輪進行深度除濕，得到低露點空氣Ｆ，再經后表冷器和中效過濾器至Ｇ工況后送至工作間。

轉輪再生空氣處理流程：①一級轉輪再生系統的再生空氣來自二級轉輪再生空氣的排氣，具體在二級轉輪再生系統中陳述。②由于室外空氣含濕量較高，盡管加熱后，其水蒸氣分壓力降低，但仍高于二級轉輪再生段吸濕劑的水蒸氣分壓力，不能滿足二級轉輪再生氣體的含濕量要求。因此，采用相對干燥的空氣進行轉輪再生才能克服這個難題。所以，在二級轉輪再生系統中，二級轉輪再生氣體采用了經一級轉輪處理與室內回風混合并經除濕的干燥空氣Ｅ１（含濕量為０．４４ｇ／ｋｇ干空氣），經二級轉輪冷卻后至Ｊ工況，空氣中的含濕量變為約１ｇ／ｋｇ干空氣。在電加熱的作用下，該氣體溫度升高至Ｋ工況，空氣中的水蒸氣分壓力降低，并將其用于二級轉輪的再生，空氣狀態變為Ｌ。盡管經過二級轉輪的再生使用，該空氣與室外新風比較還是相對干燥的，將二級轉輪再生空氣的部分排氣加熱至Ｍ 工況后，用于一級轉輪的再生空氣，從而提高了一級轉輪處理空氣的能力。

１．２運行過程中存在的主要問題

１）現行超低露點除濕系統通常采用一級和二級轉輪串聯方式。需要干燥的空氣除了一部分作為新風進入工作間，還有一大部分作為二級轉輪的再生空氣［５］。因此，一級轉輪的空氣處理量較大，運行成本較高。

２）由于各級除濕轉輪均配有再生加熱器，且為了保證除濕效果，經計算一級轉輪的再生溫度需要１１０℃，二級轉輪的再生溫度需要１４０℃，在系統運行時會消耗大量的再生能源。

３）由于鋰電池生產環境要求極為苛刻，任何一部分設計、施工出現偏差，都會給整個系統帶來難以估量的損失。現行轉輪除濕系統較為復雜，導致存在裝置大型化、設備投資高、控制點多、運行調試較復雜等問題。

２新型超低露點空調除濕系統構成及特點

２．１新型超低露點空調除濕系統流程

新型超低露點空調除濕系統流程如圖２所示。整個空氣處理系統分為２個子系統，但是２個子系統相對較為獨立。

工作間空氣處理流程：室外新風經過轉輪再生系統表冷器除濕后（Ｄ２狀態點，具體在轉輪再生

空氣處理系統中陳述）與回風Ｊ１以及Ｇ１經轉輪預冷后的空氣混合至Ｆ點工況。此時Ｆ工況空氣的含濕量已經很低，經過中效過濾器和表冷器后至Ｇ工況，一部分（Ｇ１）經過轉輪預冷段和經除濕處理后的新風Ｄ２混合，另一部分Ｇ２進入二級轉輪進行深度除濕至工況Ｈ，然后經過表冷器達到送風狀態點Ｉ后進入工作間。

轉輪再生空氣處理流程：室外新風Ａ１經過初效過濾器和表冷器后至Ｂ工況，與經過二級轉輪再生后的空氣混合至Ｂ１，經過表冷器后進入一級轉輪至Ｄ工況，其中一部分空氣作為新風Ｄ２與工作間的回風混合，另一部分空氣Ｄ１被加熱之后用于二級轉輪的再生至工況Ｅ，此時空氣較室外空氣相對干燥。為了節能，將其經過顯熱換熱器后與處理的新風Ｂ混合，再經過表冷器后進入一級轉輪進行除濕處理，如此循環。

２．２新型超低露點空調除濕系統特點

１）系統運行穩定后，室外空氣處理量就是工作間所需的新風量。因此，無論是二級轉輪還是一級轉輪的除濕量都大大減少。新風量對整個系統的沖擊較小，工作間的濕度得到較好控制。

２）經過計算得出，一級轉輪再生溫度需要１００℃，二級轉輪的再生溫度則是８０℃，較現行系統的再生溫度大大降低，減少了轉輪再生能耗，運行過程中節能降耗非常顯著。二級轉輪的使用壽命得到延長，并為以后利用低溫熱源創造了有利條件。若與高溫熱泵結合在一起，將進一步提升新型系統的節能效果。

３）由于一級轉輪和二級轉輪相對獨立，系統調試較為簡單，且實際運行過程中由于二級轉輪的除濕量極少，且較低的再生溫度使二級轉輪的使用壽命得到延長（其價格在整機中比重較大），后期的維護費用相應降低。潔凈車間www.iwuchen.com

３改造前后系統運行狀態和節能性比較

以無錫新區某日資企業鋰電池的轉輪除濕空調系統改造項目為例。由于除濕轉輪使用壽命和除濕效率的下降，導致原有空調除濕系統（如圖１所示）無法滿足工作間送風參數，故對該系統進行節能改造。所需干燥空氣送風量為５０００ｍ３／ｈ，露點溫度為－５０℃［６－７］。表１所示為圖２中除濕系統各點對應的空氣狀態參數。

    

 

 

 

 

表２所示為２０１３年３月２＃干燥房實際運行過程中采集的各主要控制點參數。其中工作間露點溫度最低是－５３.０℃，滿足要求。二級轉輪再生加熱溫度最高是８５.４℃，月平均溫度是８２℃。一級轉輪再生加熱溫度最高是１０３.１℃，月平均溫度是１０１.１℃。

     

圖３所示為２０１４年一級轉輪和二級轉輪空氣再生加熱溫度的月平均值。可以看出，二級轉輪再生加熱溫度全年穩定，年平均溫度是１０１．５℃。一級轉輪再生加熱月平均溫度在５月和６月較高，最高值６月份達到１０５．５℃。這是由于無錫５月和６月室外空氣相對濕度較大，而一級轉輪再生用的就是室外新風，因此再生加熱溫度較高。但總體較為穩定，年平均溫度是１０１．５ ℃。新風全年空氣狀態參數的變化對整個系統的影響較小，工作間的濕度控制較好。       

實際使用時考慮留有一些安全裕量，一級轉輪再生溫度設定為102℃，二級轉輪的再生溫度為82℃，工作間空氣露點的實測平均值達到－５９.６℃，滿足要求。新型除濕系統能耗由額定工況參數（見表１）算出，與現行除濕系統的能耗比較結果在表３中給出。可以看出，新型除濕系統總冷負荷與現行系統相當，但總熱負荷比現行除濕系統降低約４６.７％，大大節約了除濕轉輪的再生能耗。           

４結論

筆者對新開發的超低露點空調除濕系統的系統構成、操作條件、節能性能等進行研究，得出以下結論：

１）新型轉輪除濕系統中經過一級轉輪的空氣量就是工作間所需的新風量，使得一級轉輪的轉輪規格比改良前系統小，在前期的設備投入方面節省了部分費用。

２）新型轉輪除濕系統中二級轉輪和一級轉輪的再生溫度較改良前系統大大降低，這使得二級轉輪的使用壽命得到延長，并為以后利用低溫熱源創造了有利條件。較低的再生溫度可以節省轉輪再生能耗，運行過程中節能降耗顯著。

３）一級轉輪和二級轉輪相對獨立，使得新型轉輪除濕系統調試較為簡單。

４）考慮到節約能耗和降低成本的要求，還需要結合現場的生產工藝通盤考慮，為后期生產建沒提供有益的幫助。