流延法薄膜生產(chǎn)線的除濕機選型及使用探討

錢景衛(wèi)，吳宇坤，黃明威，金 鷹

（中天電子材料有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

一些流延法薄膜生產(chǎn)線核心設(shè)備單元對環(huán)境的要求較高，需選用適配的除濕機，選型時通常會考慮所在地區(qū)的空氣環(huán)境、生產(chǎn)線對除濕空氣的要求等因素，較少考慮不同產(chǎn)速下的除濕送風量需求，尤其是后續(xù)產(chǎn)線可能突破設(shè)計產(chǎn)能的情況，在初次選用時企業(yè)一般不會考慮。而正確選用除濕機對制程穩(wěn)定極為關(guān)鍵，另外企業(yè)對除濕機配套的供冷系統(tǒng)關(guān)注度不高也會影響設(shè)備運行效果。關(guān)于除濕機應(yīng)用的研究文獻眾多，但基于流延法薄膜生產(chǎn)線的除濕機選用時，對除濕送風量、產(chǎn)能突破及供冷系統(tǒng)的影響因素研究較少，因此值得進行探討和分析。

1 除濕機分類

按照除濕方式的不同，除濕機可分為冷凍除濕、溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕、HVAC 除濕、電化學除濕、熱泵除濕及膜法除濕等。

1.1 冷凍除濕

冷凍除濕機分為制冷系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)，主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、毛細管、風機等組成[1]。濕空氣進入除濕機后，經(jīng)蒸發(fā)器冷卻，凝結(jié)出液態(tài)水，達到除濕目的后，通過調(diào)整經(jīng)過冷凝器加熱的空氣比例，實現(xiàn)出風溫度的控制。冷凍除濕的主要缺點是，不能應(yīng)用于低露點的除濕場合。

1.2 溶液除濕

溶液除濕機采用氯化鋰、溴化鋰等液體吸濕劑吸收空氣中的水分，并通過液態(tài)水作為制冷劑調(diào)節(jié)空氣溫度。該系統(tǒng)由除濕器、吸濕劑再生器、蒸發(fā)冷卻器、熱交換器及泵浦等組成，其主要缺點為溶液易腐蝕金屬，并因液體吸附劑再生能力的限制，持續(xù)工作能力較差。

1.3 轉(zhuǎn)輪除濕

轉(zhuǎn)輪除濕機由送風機、轉(zhuǎn)輪、再生風機及再生加熱器等組成，蜂窩狀轉(zhuǎn)輪是其核心部件[2]，主要材料吸濕劑為具有良好吸水能力的特殊陶瓷纖維或活性硅膠。轉(zhuǎn)輪分為除濕區(qū)和再生區(qū)，待除濕空氣經(jīng)除濕區(qū)，由吸濕劑將空氣中水分吸附實現(xiàn)除濕目的。同時，另一路空氣經(jīng)再生加熱器變成高溫空氣，其通過轉(zhuǎn)輪再生區(qū)將吸濕劑吸附的水分蒸發(fā)，恢復轉(zhuǎn)輪除濕能力，再生空氣因水分的蒸發(fā)變成濕空氣，由再生風機排向室外。由于沒有制冷劑，轉(zhuǎn)輪除濕機不能實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，只能使用于溫度要求不高的區(qū)域。

1.4 HVAC 除濕

HVAC 除濕是指用冷凝和加熱方法使空氣相對濕度降低的一種技術(shù)方法，系統(tǒng)主要由風扇、過濾器、加濕器、加熱器、冷卻器及除濕器組成。因HVAC（Heating，Ventilation，Air-conditioning and Cooling，包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)）系統(tǒng)有新風循環(huán)，對人體健康有利，適合于人流量較大的公共場所如超市、圖書館、商場等[3]。

1.5 熱泵除濕

熱泵除濕是利用熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器對濕空氣進行降溫除濕。它是應(yīng)用冷凍除濕的原理，將濕空氣冷卻到露點溫度以下，析出水分后再利用回收的冷凝熱加熱冷卻后的干空氣，實現(xiàn)循環(huán)除濕的一種除濕技術(shù)。根據(jù)場合及除濕要求，可以分為單蒸發(fā)單冷凝器系統(tǒng)、雙蒸發(fā)器單冷凝器系統(tǒng)及雙蒸發(fā)器雙冷凝器系統(tǒng)。熱泵除濕裝置主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥和干燥室組成。熱泵除濕過程中，參數(shù)變化十分復雜，影響控制準確性，并且設(shè)備維修保養(yǎng)難度高，運行噪聲較大。

1.6 膜法除濕

膜法除濕技術(shù)主要是利用膜材料對水蒸汽的選擇滲透性，以膜兩側(cè)水蒸汽壓力差為動力，實現(xiàn)水蒸汽與空氣分離，從而達到空氣除濕的效果[4]。除濕膜具有親水性，可以分為高分子聚合膜、無機膜和液膜等，市場應(yīng)用較多的是高分子聚合膜。但因其在透濕率、強度、成本方面有待進一步優(yōu)化，目前在國內(nèi)普及率不高。

1.7 電化學除濕

電化學除濕是由Iwahara 等提出的通過電解水蒸汽，實現(xiàn)除濕的目的技術(shù)[5]。水電解的除濕方式只用電能，工作環(huán)境較為潔凈且除濕過程中不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，適用于小型、封閉的環(huán)境。

1.8 耦合除濕

隨著人們對居住環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的除濕技術(shù)難以滿足需求，新型除濕技術(shù)逐漸引起關(guān)注并得到發(fā)展。耦合技術(shù)具有集合幾種除濕技術(shù)的優(yōu)勢，從而獲得良好除濕效果，得到了廣泛應(yīng)用。

2 流延法薄膜生產(chǎn)線初次選用的除濕機

流延法薄膜生產(chǎn)線核心設(shè)備單元因應(yīng)加工特性，需選用適配的除濕機輸入含濕量低的干燥空氣（除濕風）。除按照除濕機選用的要求之外，還應(yīng)綜合考慮工藝要求、加工形態(tài)及地區(qū)空氣狀況等因素。

2.1 初次選型說明

企業(yè)所在地區(qū)室外氣象環(huán)境為：夏季空氣干球溫度36 ℃，相對濕度70%，絕對含水量26.6 g/kg；冬季干球溫度-3 ℃，最冷月平均室外相對濕度85%。綜合考慮各種除濕方式的性能，以及企業(yè)的流延法高分子薄膜生產(chǎn)線需求，初次選用工頻運行的冷凍、單轉(zhuǎn)輪的耦合除濕方式（圖1）。

圖1 初次選用的除濕機流程

除濕機通過兩級除濕（冷凍除法和轉(zhuǎn)輪除濕）實現(xiàn)核心設(shè)備單元的除濕要求，運行參數(shù)見表1。

表1 初次選用的除濕機運行參數(shù)

2.2 初次選用的除濕機工作原理

2.2.1 除濕原理

利用冷水機供給的冷凍水，通過表冷器（蒸發(fā)器）與濕空氣（工頻風機輸送新鮮空氣）進行換熱，將濕空氣降到一定露點溫度以下，超過飽和含量的水分被析出，從而除去空氣中的大部份含水量，可除去70%左右的水分。經(jīng)冷凍處理后的空氣送入轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)，空氣中的水分被吸附劑吸附，可除去68%左右的水分，達到除濕的目的，最終得到所需的含濕率低的干燥空氣。此外，另一路新鮮空氣經(jīng)加熱器（0.6 MPa 蒸汽，溫度150 ℃）加熱后通過轉(zhuǎn)輪再生區(qū)，將吸附劑內(nèi)的水分解吸出來并帶走，恢復吸附劑的吸濕能力。

2.2.2 凈化過程

空氣先通過初效過濾器（過濾精度≥5 μm，過濾效率90%）初步過濾，再經(jīng)中效過濾器（過濾精度≥1 μm，過濾效率85%）進一步過濾，最終由高效過濾器（過濾精度≥0.3 μm，過濾效率99.999%）處理，實現(xiàn)所需凈化效果。

2.2.3 溫度控制

除濕轉(zhuǎn)輪后側(cè)設(shè)有表冷器（使用冷凍水）及加熱器（使用0.6 MPa 蒸汽），經(jīng)兩級除濕后的干燥空氣，通過溫控系統(tǒng)實現(xiàn)冷卻或加熱后，將溫度控制在±3 ℃之內(nèi)。

3 初次選用的除濕機問題點分析

3.1 除濕機供風風機控制方式探討

除濕機安裝后與生產(chǎn)線配套使用，基于薄膜生產(chǎn)線的加工特性，隨著工藝、設(shè)備及生產(chǎn)人員的技能提高，生產(chǎn)力的不斷突破，各規(guī)格產(chǎn)品的產(chǎn)速會逐步提升，因應(yīng)產(chǎn)速、產(chǎn)能的變化，圖2所示的“區(qū)域1”給、排風風量需隨之調(diào)整，因“核心設(shè)備單元”與“區(qū)域1”相連通，為維持“核心設(shè)備單元”的內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定，確保生產(chǎn)正常，則“核心設(shè)備單元”的除濕機供風風量亦需相應(yīng)改變，但是如果初次選用的除濕機供風風機采用工頻控制，則除濕風風量僅能通過入口風閥進行粗調(diào)，不利工藝條件的固化。

圖2 薄膜生產(chǎn)線核心設(shè)備單元示意

綜上所述，薄膜生產(chǎn)線除濕機的供風風機應(yīng)考慮采用變頻控制，以利于隨著制程能力的變化，調(diào)整除濕機供風量。

3.2 除濕機風管管損探討

在初期生產(chǎn)線產(chǎn)能未充分發(fā)揮的前提下，除濕機能力能夠滿足正常生產(chǎn)所需，理論供風量達到設(shè)備設(shè)計產(chǎn)能下的風量需求。但是隨著產(chǎn)能的提升，特別是突破設(shè)計產(chǎn)能后，除濕機送風量如無法與實際產(chǎn)能匹配，將會制約正常生產(chǎn)。

根據(jù)“核心設(shè)備單元”的風量關(guān)系與“區(qū)域1”的除濕要求供風量（初次選用的除濕機供風量為2500 m3/h），確認設(shè)備裕量。

為了計算除濕機供風風管的壓損，首先要將矩形風管的風速換算為圓形風管。除濕機供風風管的尺寸為500 mm×250 mm，則換算直徑。風管內(nèi)平均風速取6.2 m/s，空氣密度取1.2 kg/m3，空氣黏度系數(shù)取0.000 015 m2/s，不銹鋼風管絕對粗糙系數(shù)取0.015 mm，首先確定流態(tài)，則雷諾數(shù)=139 333＞2300。即風管內(nèi)空氣處于紊流狀態(tài)。

3.2.1 風管內(nèi)壁摩擦阻力系數(shù)

應(yīng)用中點迭代法計算，摩擦阻力系數(shù)λ=0.017，則風管沿程單位阻力×1.2=0.81 Pa/m。

3.2.2 彎頭處的局部阻力

確定彎頭處局部阻力系數(shù)，彎頭尺寸分別為H=0.25 m、W=0.25 m、R=0.25 m，查通風管道設(shè)計手冊得局部阻力系數(shù)ξ=0.25，則彎頭處的局部阻力

3.2.3 送風口處局部阻力

出風口面積為0.5 m2，屬于長方形突擴形式，查通風管道設(shè)計手冊得局部阻力系數(shù)為ξ=0.64，則風口處的局部阻力=11.62 Pa。因此，除濕機管道的總管損ΔP=0.81×35+4.54×7+11.62×1=71.75 Pa。

除濕機配置初中高效過濾器初始抵抗壓差分別為30 Pa、70 Pa、150 Pa，計算得系統(tǒng)總壓損為321.75 Pa。而現(xiàn)有除濕機配備風機參數(shù)2500 m3/h，全壓356 Pa，設(shè)備性能裕量較小，無法滿足產(chǎn)能突破帶來的除濕風需求，因此需要擴大選型。

依照產(chǎn)能突破的最大供、排氣能力狀態(tài)計算，則給氣風機、排氣風機按照最高頻率進行運轉(zhuǎn)，給氣、排氣狀況見表2。

表2 給氣風機和排氣風機運行參數(shù)

計算全頻風量差，需要將末端用點處除濕風量擴大至26 467-23 518=3000 m3/h。

3.3 除濕機供冷系統(tǒng)配置

原供冷系統(tǒng)為雙循環(huán)系統(tǒng)，“水箱→循環(huán)泵→冷凍機→水箱”構(gòu)成整體水路降溫系統(tǒng)，“水箱→送液泵→除濕機→水箱”構(gòu)成除濕機供冷系統(tǒng)，其優(yōu)點在于可以保持系統(tǒng)整體溫度處于較低水平，在設(shè)備長時間運轉(zhuǎn)工況下可以降低冷凍機的能耗（圖3）。水箱的回水由兩部分（冷凍機出口7 ℃冷凍水+除濕機出口14 ℃回水）組成，所以水箱內(nèi)的水溫始終高于冷凍機出口水溫，即無法給除濕機提供最大制冷量，因此作出如圖4 所示的改進。該系統(tǒng)去除冷凍水循環(huán)泵，將冷凍機出口與除濕機冷水入口直接串聯(lián)，將最低溫7 ℃冷凍水直接接入除濕機，保障除濕機得到最大制冷效果的冷凍水。

圖3 原除濕機供冷系統(tǒng)

圖4 優(yōu)化后除濕機供冷系統(tǒng)

根據(jù)上文中提出的除濕機出口風量，計算實際所需的系統(tǒng)制冷量以及系統(tǒng)所需的冷凍水循環(huán)量，驗證管路系統(tǒng)是否滿足要求。按夏季最高負載條件進行計算，取外界空氣濕度為70%，氣溫36 ℃，出口空氣露點-20 ℃，氣溫25 ℃，風量3000 m3/h，查焓值表并計算得出系統(tǒng)制冷量需求為103 kW。

計算冷凍水每小時最小循環(huán)量，除濕機出入口溫差取5 ℃，則=17 657 kg。即最小循環(huán)量需求為Q=18 m3/h，考慮管道壓力損失及冷量損失，取用放大系數(shù)1.3，則設(shè)計循環(huán)水量為Q=23 m3/h。管道內(nèi)水流速取1.2 m/s，則主管徑

由于原主管路管徑為DN65（外徑為73 mm）、小于80 mm，所以系統(tǒng)優(yōu)化時主管路管徑需一并改造為DN80（外徑為88.9 mm）。

4 除濕機選型及供冷系統(tǒng)的優(yōu)化

通過上述初次選用的除濕機問題點分析所得出的結(jié)論，企業(yè)為應(yīng)對產(chǎn)能突破，在原有設(shè)備配置基礎(chǔ)上對除濕機進行優(yōu)化選型，為達到除濕風的露點和溫度，并對供冷系統(tǒng)進行優(yōu)化。

二次選型的除濕機采用變頻控制的冷凍、雙轉(zhuǎn)輪的耦合除濕方式（圖5），除濕效果更佳，可以滿足部分制品對除濕風露點的嚴苛要求。除濕風的潔凈度及溫度控制維持原有方式。

圖5 第二次選用的除濕機流程

經(jīng)二次選型及供冷系統(tǒng)優(yōu)化后，除濕機可以滿足流延法薄膜生產(chǎn)線產(chǎn)能突破的需求（表3）。

表3 第二次選用的除濕機運行參數(shù)

5 結(jié)束語

本文通過對各類型除濕方式的研究，分析初次選用的除濕機選型及使用問題，探討除濕機供風控制方式、產(chǎn)能提升及供凍系統(tǒng)配置等因素，通過計算風管管損及供冷量，最終選用適配的除濕機類型及供冷系統(tǒng)配管方式，為流延法薄膜生產(chǎn)線在除濕機選型及使用提供理論及實踐支撐。另外，選型時還需關(guān)注除濕機制造商能力、除濕機運行可靠性及運行成本等因素。