流延法薄膜生產線的除濕機選型及使用探討

錢景衛，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線核心設備單元對環境的要求較高，需選用適配的除濕機，選型時通常會考慮所在地區的空氣環境、生產線對除濕空氣的要求等因素，較少考慮不同產速下的除濕送風量需求，尤其是后續產線可能突破設計產能的情況，在初次選用時企業一般不會考慮。而正確選用除濕機對制程穩定極為關鍵，另外企業對除濕機配套的供冷系統關注度不高也會影響設備運行效果。關于除濕機應用的研究文獻眾多，但基于流延法薄膜生產線的除濕機選用時，對除濕送風量、產能突破及供冷系統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和除濕系統，主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、毛細管、風機等組成[1]。濕空氣進入除濕機后，經蒸發器冷卻，凝結出液態水，達到除濕目的后，通過調整經過冷凝器加熱的空氣比例，實現出風溫度的控制。冷凍除濕的主要缺點是，不能應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，并通過液態水作為制冷劑調節空氣溫度。該系統由除濕器、吸濕劑再生器、蒸發冷卻器、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，持續工作能力較差。

1.3 轉輪除濕

轉輪除濕機由送風機、轉輪、再生風機及再生加熱器等組成，蜂窩狀轉輪是其核心部件[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。轉輪分為除濕區和再生區，待除濕空氣經除濕區，由吸濕劑將空氣中水分吸附實現除濕目的。同時，另一路空氣經再生加熱器變成高溫空氣，其通過轉輪再生區將吸濕劑吸附的水分蒸發，恢復轉輪除濕能力，再生空氣因水分的蒸發變成濕空氣，由再生風機排向室外。由于沒有制冷劑，轉輪除濕機不能實現溫度調節，只能使用于溫度要求不高的區域。

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方法，系統主要由風扇、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的控制系統）系統有新風循環，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中的蒸發器對濕空氣進行降溫除濕。它是應用冷凍除濕的原理，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，實現循環除濕的一種除濕技術。根據場合及除濕要求，可以分為單蒸發單冷凝器系統、雙蒸發器單冷凝器系統及雙蒸發器雙冷凝器系統。熱泵除濕裝置主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥和干燥室組成。熱泵除濕過程中，參數變化十分復雜，影響控制準確性，并且設備維修保養難度高，運行噪聲較大。

1.6 膜法除濕

膜法除濕技術主要是利用膜材料對水蒸汽的選擇滲透性，以膜兩側水蒸汽壓力差為動力，實現水蒸汽與空氣分離，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化，目前在國內普及率不高。

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，實現除濕的目的技術[5]。水電解的除濕方式只用電能，工作環境較為潔凈且除濕過程中不會產生有害物質，適用于小型、封閉的環境。

1.8 耦合除濕

隨著人們對居住環境和工業生產的要求不斷提高，傳統的除濕技術難以滿足需求，新型除濕技術逐漸引起關注并得到發展。耦合技術具有集合幾種除濕技術的優勢，從而獲得良好除濕效果，得到了廣泛應用。

2 流延法薄膜生產線初次選用的除濕機

流延法薄膜生產線核心設備單元因應加工特性，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，還應綜合考慮工藝要求、加工形態及地區空氣狀況等因素。

2.1 初次選型說明

企業所在地區室外氣象環境為：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，以及企業的流延法高分子薄膜生產線需求，初次選用工頻運行的冷凍、單轉輪的耦合除濕方式（圖1）。

圖1 初次選用的除濕機流程

除濕機通過兩級除濕（冷凍除法和轉輪除濕）實現核心設備單元的除濕要求，運行參數見表1。

表1 初次選用的除濕機運行參數

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。經冷凍處理后的空氣送入轉輪除濕區，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，另一路新鮮空氣經加熱器（0.6 MPa 蒸汽，溫度150 ℃）加熱后通過轉輪再生區，將吸附劑內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，實現所需凈化效果。

2.2.3 溫度控制

除濕轉輪后側設有表冷器（使用冷凍水）及加熱器（使用0.6 MPa 蒸汽），經兩級除濕后的干燥空氣，通過溫控系統實現冷卻或加熱后，將溫度控制在±3 ℃之內。

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線配套使用，基于薄膜生產線的加工特性，隨著工藝、設備及生產人員的技能提高，生產力的不斷突破，各規格產品的產速會逐步提升，因應產速、產能的變化，圖2所示的“區域1”給、排風風量需隨之調整，因“核心設備單元”與“區域1”相連通，為維持“核心設備單元”的內部環境穩定，確保生產正常，則“核心設備單元”的除濕機供風風量亦需相應改變，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，不利工藝條件的固化。

圖2 薄膜生產線核心設備單元示意

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

3.2 除濕機風管管損探討

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

根據“核心設備單元”的風量關系與“區域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。風管內平均風速取6.2 m/s，空氣密度取1.2 kg/m3，空氣黏度系數取0.000 015 m2/s，不銹鋼風管絕對粗糙系數取0.015 mm，首先確定流態，則雷諾數=139 333＞2300。即風管內空氣處于紊流狀態。

3.2.1 風管內壁摩擦阻力系數

應用中點迭代法計算，摩擦阻力系數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，彎頭尺寸分別為H=0.25 m、W=0.25 m、R=0.25 m，查通風管道設計手冊得局部阻力系數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，查通風管道設計手冊得局部阻力系數為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，計算得系統總壓損為321.75 Pa。而現有除濕機配備風機參數2500 m3/h，全壓356 Pa，設備性能裕量較小，無法滿足產能突破帶來的除濕風需求，因此需要擴大選型。

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

表2 給氣風機和排氣風機運行參數

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 除濕機供冷系統配置

原供冷系統為雙循環系統，“水箱→循環泵→冷凍機→水箱”構成整體水路降溫系統，“水箱→送液泵→除濕機→水箱”構成除濕機供冷系統，其優點在于可以保持系統整體溫度處于較低水平，在設備長時間運轉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。該系統去除冷凍水循環泵，將冷凍機出口與除濕機冷水入口直接串聯，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

圖4 優化后除濕機供冷系統

根據上文中提出的除濕機出口風量，計算實際所需的系統制冷量以及系統所需的冷凍水循環量，驗證管路系統是否滿足要求。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制冷量需求為103 kW。

計算冷凍水每小時最小循環量，除濕機出入口溫差取5 ℃，則=17 657 kg。即最小循環量需求為Q=18 m3/h，考慮管道壓力損失及冷量損失，取用放大系數1.3，則設計循環水量為Q=23 m3/h。管道內水流速取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，所以系統優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的優化

通過上述初次選用的除濕機問題點分析所得出的結論，企業為應對產能突破，在原有設備配置基礎上對除濕機進行優化選型，為達到除濕風的露點和溫度，并對供冷系統進行優化。

二次選型的除濕機采用變頻控制的冷凍、雙轉輪的耦合除濕方式（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

經二次選型及供冷系統優化后，除濕機可以滿足流延法薄膜生產線產能突破的需求（表3）。

表3 第二次選用的除濕機運行參數

5 結束語

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、產能提升及供凍系統配置等因素，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配管方式，為流延法薄膜生產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。