流延法薄膜生产线的除湿机选型及使用探讨

钱景卫，吴宇坤，黄明威，金 鹰

（中天电子材料有限公司，江苏南通 226000）

0 引言

一些流延法薄膜生产线核心设备单元对环境的要求较高，需选用适配的除湿机，选型时通常会考虑所在地区的空气环境、生产线对除湿空气的要求等因素，较少考虑不同产速下的除湿送风量需求，尤其是后续产线可能突破设计产能的情况，在初次选用时企业一般不会考虑。而正确选用除湿机对制程稳定极为关键，另外企业对除湿机配套的供冷系统关注度不高也会影响设备运行效果。关于除湿机应用的研究文献众多，但基于流延法薄膜生产线的除湿机选用时，对除湿送风量、产能突破及供冷系统的影响因素研究较少，因此值得进行探讨和分析。

1 除湿机分类

按照除湿方式的不同，除湿机可分为冷冻除湿、溶液除湿、转轮除湿、HVAC 除湿、电化学除湿、热泵除湿及膜法除湿等。

1.1 冷冻除湿

冷冻除湿机分为制冷系统和除湿系统，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管、风机等组成[1]。湿空气进入除湿机后，经蒸发器冷却，凝结出液态水，达到除湿目的后，通过调整经过冷凝器加热的空气比例，实现出风温度的控制。冷冻除湿的主要缺点是，不能应用于低露点的除湿场合。

1.2 溶液除湿

溶液除湿机采用氯化锂、溴化锂等液体吸湿剂吸收空气中的水分，并通过液态水作为制冷剂调节空气温度。该系统由除湿器、吸湿剂再生器、蒸发冷却器、热交换器及泵浦等组成，其主要缺点为溶液易腐蚀金属，并因液体吸附剂再生能力的限制，持续工作能力较差。

1.3 转轮除湿

转轮除湿机由送风机、转轮、再生风机及再生加热器等组成，蜂窝状转轮是其核心部件[2]，主要材料吸湿剂为具有良好吸水能力的特殊陶瓷纤维或活性硅胶。转轮分为除湿区和再生区，待除湿空气经除湿区，由吸湿剂将空气中水分吸附实现除湿目的。同时，另一路空气经再生加热器变成高温空气，其通过转轮再生区将吸湿剂吸附的水分蒸发，恢复转轮除湿能力，再生空气因水分的蒸发变成湿空气，由再生风机排向室外。由于没有制冷剂，转轮除湿机不能实现温度调节，只能使用于温度要求不高的区域。

1.4 HVAC 除湿

HVAC 除湿是指用冷凝和加热方法使空气相对湿度降低的一种技术方法，系统主要由风扇、过滤器、加湿器、加热器、冷却器及除湿器组成。因HVAC（Heating，Ventilation，Air-conditioning and Cooling，包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制系统）系统有新风循环，对人体健康有利，适合于人流量较大的公共场所如超市、图书馆、商场等[3]。

1.5 热泵除湿

热泵除湿是利用热泵系统中的蒸发器对湿空气进行降温除湿。它是应用冷冻除湿的原理，将湿空气冷却到露点温度以下，析出水分后再利用回收的冷凝热加热冷却后的干空气，实现循环除湿的一种除湿技术。根据场合及除湿要求，可以分为单蒸发单冷凝器系统、双蒸发器单冷凝器系统及双蒸发器双冷凝器系统。热泵除湿装置主要由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀和干燥室组成。热泵除湿过程中，参数变化十分复杂，影响控制准确性，并且设备维修保养难度高，运行噪声较大。

1.6 膜法除湿

膜法除湿技术主要是利用膜材料对水蒸汽的选择渗透性，以膜两侧水蒸汽压力差为动力，实现水蒸汽与空气分离，从而达到空气除湿的效果[4]。除湿膜具有亲水性，可以分为高分子聚合膜、无机膜和液膜等，市场应用较多的是高分子聚合膜。但因其在透湿率、强度、成本方面有待进一步优化，目前在国内普及率不高。

1.7 电化学除湿

电化学除湿是由Iwahara 等提出的通过电解水蒸汽，实现除湿的目的技术[5]。水电解的除湿方式只用电能，工作环境较为洁净且除湿过程中不会产生有害物质，适用于小型、封闭的环境。

1.8 耦合除湿

随着人们对居住环境和工业生产的要求不断提高，传统的除湿技术难以满足需求，新型除湿技术逐渐引起关注并得到发展。耦合技术具有集合几种除湿技术的优势，从而获得良好除湿效果，得到了广泛应用。

2 流延法薄膜生产线初次选用的除湿机

流延法薄膜生产线核心设备单元因应加工特性，需选用适配的除湿机输入含湿量低的干燥空气（除湿风）。除按照除湿机选用的要求之外，还应综合考虑工艺要求、加工形态及地区空气状况等因素。

2.1 初次选型说明

企业所在地区室外气象环境为：夏季空气干球温度36 ℃，相对湿度70%，绝对含水量26.6 g/kg；冬季干球温度-3 ℃，最冷月平均室外相对湿度85%。综合考虑各种除湿方式的性能，以及企业的流延法高分子薄膜生产线需求，初次选用工频运行的冷冻、单转轮的耦合除湿方式（图1）。

图1 初次选用的除湿机流程

除湿机通过两级除湿（冷冻除法和转轮除湿）实现核心设备单元的除湿要求，运行参数见表1。

表1 初次选用的除湿机运行参数

2.2 初次选用的除湿机工作原理

2.2.1 除湿原理

利用冷水机供给的冷冻水，通过表冷器（蒸发器）与湿空气（工频风机输送新鲜空气）进行换热，将湿空气降到一定露点温度以下，超过饱和含量的水分被析出，从而除去空气中的大部份含水量，可除去70%左右的水分。经冷冻处理后的空气送入转轮除湿区，空气中的水分被吸附剂吸附，可除去68%左右的水分，达到除湿的目的，最终得到所需的含湿率低的干燥空气。此外，另一路新鲜空气经加热器（0.6 MPa 蒸汽，温度150 ℃）加热后通过转轮再生区，将吸附剂内的水分解吸出来并带走，恢复吸附剂的吸湿能力。

2.2.2 净化过程

空气先通过初效过滤器（过滤精度≥5 μm，过滤效率90%）初步过滤，再经中效过滤器（过滤精度≥1 μm，过滤效率85%）进一步过滤，最终由高效过滤器（过滤精度≥0.3 μm，过滤效率99.999%）处理，实现所需净化效果。

2.2.3 温度控制

除湿转轮后侧设有表冷器（使用冷冻水）及加热器（使用0.6 MPa 蒸汽），经两级除湿后的干燥空气，通过温控系统实现冷却或加热后，将温度控制在±3 ℃之内。

3 初次选用的除湿机问题点分析

3.1 除湿机供风风机控制方式探讨

除湿机安装后与生产线配套使用，基于薄膜生产线的加工特性，随着工艺、设备及生产人员的技能提高，生产力的不断突破，各规格产品的产速会逐步提升，因应产速、产能的变化，图2所示的“区域1”给、排风风量需随之调整，因“核心设备单元”与“区域1”相连通，为维持“核心设备单元”的内部环境稳定，确保生产正常，则“核心设备单元”的除湿机供风风量亦需相应改变，但是如果初次选用的除湿机供风风机采用工频控制，则除湿风风量仅能通过入口风阀进行粗调，不利工艺条件的固化。

图2 薄膜生产线核心设备单元示意

综上所述，薄膜生产线除湿机的供风风机应考虑采用变频控制，以利于随着制程能力的变化，调整除湿机供风量。

3.2 除湿机风管管损探讨

在初期生产线产能未充分发挥的前提下，除湿机能力能够满足正常生产所需，理论供风量达到设备设计产能下的风量需求。但是随着产能的提升，特别是突破设计产能后，除湿机送风量如无法与实际产能匹配，将会制约正常生产。

根据“核心设备单元”的风量关系与“区域1”的除湿要求供风量（初次选用的除湿机供风量为2500 m3/h），确认设备裕量。

为了计算除湿机供风风管的压损，首先要将矩形风管的风速换算为圆形风管。除湿机供风风管的尺寸为500 mm×250 mm，则换算直径。风管内平均风速取6.2 m/s，空气密度取1.2 kg/m3，空气黏度系数取0.000 015 m2/s，不锈钢风管绝对粗糙系数取0.015 mm，首先确定流态，则雷诺数=139 333＞2300。即风管内空气处于紊流状态。

3.2.1 风管内壁摩擦阻力系数

应用中点迭代法计算，摩擦阻力系数λ=0.017，则风管沿程单位阻力×1.2=0.81 Pa/m。

3.2.2 弯头处的局部阻力

确定弯头处局部阻力系数，弯头尺寸分别为H=0.25 m、W=0.25 m、R=0.25 m，查通风管道设计手册得局部阻力系数ξ=0.25，则弯头处的局部阻力

3.2.3 送风口处局部阻力

出风口面积为0.5 m2，属于长方形突扩形式，查通风管道设计手册得局部阻力系数为ξ=0.64，则风口处的局部阻力=11.62 Pa。因此，除湿机管道的总管损ΔP=0.81×35+4.54×7+11.62×1=71.75 Pa。

除湿机配置初中高效过滤器初始抵抗压差分别为30 Pa、70 Pa、150 Pa，计算得系统总压损为321.75 Pa。而现有除湿机配备风机参数2500 m3/h，全压356 Pa，设备性能裕量较小，无法满足产能突破带来的除湿风需求，因此需要扩大选型。

依照产能突破的最大供、排气能力状态计算，则给气风机、排气风机按照最高频率进行运转，给气、排气状况见表2。

表2 给气风机和排气风机运行参数

计算全频风量差，需要将末端用点处除湿风量扩大至26 467-23 518=3000 m3/h。

3.3 除湿机供冷系统配置

原供冷系统为双循环系统，“水箱→循环泵→冷冻机→水箱”构成整体水路降温系统，“水箱→送液泵→除湿机→水箱”构成除湿机供冷系统，其优点在于可以保持系统整体温度处于较低水平，在设备长时间运转工况下可以降低冷冻机的能耗（图3）。水箱的回水由两部分（冷冻机出口7 ℃冷冻水+除湿机出口14 ℃回水）组成，所以水箱内的水温始终高于冷冻机出口水温，即无法给除湿机提供最大制冷量，因此作出如图4 所示的改进。该系统去除冷冻水循环泵，将冷冻机出口与除湿机冷水入口直接串联，将最低温7 ℃冷冻水直接接入除湿机，保障除湿机得到最大制冷效果的冷冻水。

图3 原除湿机供冷系统

图4 优化后除湿机供冷系统

根据上文中提出的除湿机出口风量，计算实际所需的系统制冷量以及系统所需的冷冻水循环量，验证管路系统是否满足要求。按夏季最高负载条件进行计算，取外界空气湿度为70%，气温36 ℃，出口空气露点-20 ℃，气温25 ℃，风量3000 m3/h，查焓值表并计算得出系统制冷量需求为103 kW。

计算冷冻水每小时最小循环量，除湿机出入口温差取5 ℃，则=17 657 kg。即最小循环量需求为Q=18 m3/h，考虑管道压力损失及冷量损失，取用放大系数1.3，则设计循环水量为Q=23 m3/h。管道内水流速取1.2 m/s，则主管径

由于原主管路管径为DN65（外径为73 mm）、小于80 mm，所以系统优化时主管路管径需一并改造为DN80（外径为88.9 mm）。

4 除湿机选型及供冷系统的优化

通过上述初次选用的除湿机问题点分析所得出的结论，企业为应对产能突破，在原有设备配置基础上对除湿机进行优化选型，为达到除湿风的露点和温度，并对供冷系统进行优化。

二次选型的除湿机采用变频控制的冷冻、双转轮的耦合除湿方式（图5），除湿效果更佳，可以满足部分制品对除湿风露点的严苛要求。除湿风的洁净度及温度控制维持原有方式。

图5 第二次选用的除湿机流程

经二次选型及供冷系统优化后，除湿机可以满足流延法薄膜生产线产能突破的需求（表3）。

表3 第二次选用的除湿机运行参数

5 结束语

本文通过对各类型除湿方式的研究，分析初次选用的除湿机选型及使用问题，探讨除湿机供风控制方式、产能提升及供冻系统配置等因素，通过计算风管管损及供冷量，最终选用适配的除湿机类型及供冷系统配管方式，为流延法薄膜生产线在除湿机选型及使用提供理论及实践支撑。另外，选型时还需关注除湿机制造商能力、除湿机运行可靠性及运行成本等因素。