浅谈锂电池洁净车间中恒温恒湿净化系统的应用

锂电池目前被广泛应用于各类数码产品，受国家产业政策支持的电动汽车、电动自行车等发展较快，动力锂电成为锂电池的潜力领域。然而其制造过程极为严苛，需要非常干燥的环境，通常要求环境空气露点温度达到－４０℃以下［１］。锂电池类的制造过程有着极为严苛的生产环境要求，因此在设计、施工过程中任何一部分出现偏差都会给整个系统带来损失。另外，为了对液晶、有机发光显示屏等新型电子元件的高性能化进行研究，或为了提高生产效率、降低生产成本等常常需要在超低露点（－８５℃）以下环境中生产［２］。因此，随着各种高性能电子元件的开发、制造过程的实用化，对超低露点干燥空气环境的需求会越来越多。

常用的超低露点环境是利用吸附技术对空气中的水分进行吸附除湿，获得干燥空气。而采用硅胶或分子筛吸附除湿的方式已经逐步成为主流［３］，吸附式除湿装置又可以分为吸附塔式和转轮式吸附除湿机２种。转轮式除湿技术已被国内企业接受和掌握，并取得了长足的发展，在核心部件采用进口除湿转轮的基础上，已完全能够胜任锂电池生产过程中所要求的低露点和超低露点湿度控制，并成为代表技术被各个行业所采用［４］。

１现行超低露点空调除湿系统存在的主要问题

１．１现行超低露点空调除湿系统流程

以锂电池干燥房的露点温度要求（－５０℃）为例（如图１所示）。在空气处理过程中，空气处理系统分为２个子系统：工作间空气处理系统和转轮再生空气处理系统。

工作间空气处理流程：室外新风Ａ 经初效过滤后进入前表冷器一，通过冷却除湿得到低温饱和湿空气Ｂ，经一级转轮除湿至Ｃ工况，再与室内回风Ｈ１混合至Ｄ工况，经过前表冷器二降温后得到Ｅ，其中大部分空气进入二级转轮进行深度除湿，得到低露点空气Ｆ，再经后表冷器和中效过滤器至Ｇ工况后送至工作间。

转轮再生空气处理流程：①一级转轮再生系统的再生空气来自二级转轮再生空气的排气，具体在二级转轮再生系统中陈述。②由于室外空气含湿量较高，尽管加热后，其水蒸气分压力降低，但仍高于二级转轮再生段吸湿剂的水蒸气分压力，不能满足二级转轮再生气体的含湿量要求。因此，采用相对干燥的空气进行转轮再生才能克服这个难题。所以，在二级转轮再生系统中，二级转轮再生气体采用了经一级转轮处理与室内回风混合并经除湿的干燥空气Ｅ１（含湿量为０．４４ｇ／ｋｇ干空气），经二级转轮冷却后至Ｊ工况，空气中的含湿量变为约１ｇ／ｋｇ干空气。在电加热的作用下，该气体温度升高至Ｋ工况，空气中的水蒸气分压力降低，并将其用于二级转轮的再生，空气状态变为Ｌ。尽管经过二级转轮的再生使用，该空气与室外新风比较还是相对干燥的，将二级转轮再生空气的部分排气加热至Ｍ 工况后，用于一级转轮的再生空气，从而提高了一级转轮处理空气的能力。

１．２运行过程中存在的主要问题

１）现行超低露点除湿系统通常采用一级和二级转轮串联方式。需要干燥的空气除了一部分作为新风进入工作间，还有一大部分作为二级转轮的再生空气［５］。因此，一级转轮的空气处理量较大，运行成本较高。

２）由于各级除湿转轮均配有再生加热器，且为了保证除湿效果，经计算一级转轮的再生温度需要１１０℃，二级转轮的再生温度需要１４０℃，在系统运行时会消耗大量的再生能源。

３）由于锂电池生产环境要求极为苛刻，任何一部分设计、施工出现偏差，都会给整个系统带来难以估量的损失。现行转轮除湿系统较为复杂，导致存在装置大型化、设备投资高、控制点多、运行调试较复杂等问题。

２新型超低露点空调除湿系统构成及特点

２．１新型超低露点空调除湿系统流程

新型超低露点空调除湿系统流程如图２所示。整个空气处理系统分为２个子系统，但是２个子系统相对较为独立。

工作间空气处理流程：室外新风经过转轮再生系统表冷器除湿后（Ｄ２状态点，具体在转轮再生

空气处理系统中陈述）与回风Ｊ１以及Ｇ１经转轮预冷后的空气混合至Ｆ点工况。此时Ｆ工况空气的含湿量已经很低，经过中效过滤器和表冷器后至Ｇ工况，一部分（Ｇ１）经过转轮预冷段和经除湿处理后的新风Ｄ２混合，另一部分Ｇ２进入二级转轮进行深度除湿至工况Ｈ，然后经过表冷器达到送风状态点Ｉ后进入工作间。

转轮再生空气处理流程：室外新风Ａ１经过初效过滤器和表冷器后至Ｂ工况，与经过二级转轮再生后的空气混合至Ｂ１，经过表冷器后进入一级转轮至Ｄ工况，其中一部分空气作为新风Ｄ２与工作间的回风混合，另一部分空气Ｄ１被加热之后用于二级转轮的再生至工况Ｅ，此时空气较室外空气相对干燥。为了节能，将其经过显热换热器后与处理的新风Ｂ混合，再经过表冷器后进入一级转轮进行除湿处理，如此循环。

２．２新型超低露点空调除湿系统特点

１）系统运行稳定后，室外空气处理量就是工作间所需的新风量。因此，无论是二级转轮还是一级转轮的除湿量都大大减少。新风量对整个系统的冲击较小，工作间的湿度得到较好控制。

２）经过计算得出，一级转轮再生温度需要１００℃，二级转轮的再生温度则是８０℃，较现行系统的再生温度大大降低，减少了转轮再生能耗，运行过程中节能降耗非常显著。二级转轮的使用寿命得到延长，并为以后利用低温热源创造了有利条件。若与高温热泵结合在一起，将进一步提升新型系统的节能效果。

３）由于一级转轮和二级转轮相对独立，系统调试较为简单，且实际运行过程中由于二级转轮的除湿量极少，且较低的再生温度使二级转轮的使用寿命得到延长（其价格在整机中比重较大），后期的维护费用相应降低。洁净车间www.iwuchen.com

３改造前后系统运行状态和节能性比较

以无锡新区某日资企业锂电池的转轮除湿空调系统改造项目为例。由于除湿转轮使用寿命和除湿效率的下降，导致原有空调除湿系统（如图１所示）无法满足工作间送风参数，故对该系统进行节能改造。所需干燥空气送风量为５０００ｍ３／ｈ，露点温度为－５０℃［６－７］。表１所示为图２中除湿系统各点对应的空气状态参数。

表２所示为２０１３年３月２＃干燥房实际运行过程中采集的各主要控制点参数。其中工作间露点温度最低是－５３.０℃，满足要求。二级转轮再生加热温度最高是８５.４℃，月平均温度是８２℃。一级转轮再生加热温度最高是１０３.１℃，月平均温度是１０１.１℃。

图３所示为２０１４年一级转轮和二级转轮空气再生加热温度的月平均值。可以看出，二级转轮再生加热温度全年稳定，年平均温度是１０１．５℃。一级转轮再生加热月平均温度在５月和６月较高，最高值６月份达到１０５．５℃。这是由于无锡５月和６月室外空气相对湿度较大，而一级转轮再生用的就是室外新风，因此再生加热温度较高。但总体较为稳定，年平均温度是１０１．５ ℃。新风全年空气状态参数的变化对整个系统的影响较小，工作间的湿度控制较好。       

实际使用时考虑留有一些安全裕量，一级转轮再生温度设定为102℃，二级转轮的再生温度为82℃，工作间空气露点的实测平均值达到－５９.６℃，满足要求。新型除湿系统能耗由额定工况参数（见表１）算出，与现行除湿系统的能耗比较结果在表３中给出。可以看出，新型除湿系统总冷负荷与现行系统相当，但总热负荷比现行除湿系统降低约４６.７％，大大节约了除湿转轮的再生能耗。           

４结论

笔者对新开发的超低露点空调除湿系统的系统构成、操作条件、节能性能等进行研究，得出以下结论：

１）新型转轮除湿系统中经过一级转轮的空气量就是工作间所需的新风量，使得一级转轮的转轮规格比改良前系统小，在前期的设备投入方面节省了部分费用。

２）新型转轮除湿系统中二级转轮和一级转轮的再生温度较改良前系统大大降低，这使得二级转轮的使用寿命得到延长，并为以后利用低温热源创造了有利条件。较低的再生温度可以节省转轮再生能耗，运行过程中节能降耗显著。

３）一级转轮和二级转轮相对独立，使得新型转轮除湿系统调试较为简单。

４）考虑到节约能耗和降低成本的要求，还需要结合现场的生产工艺通盘考虑，为后期生产建没提供有益的帮助。