化成除濕機與高溫空調(diào)熱泵運用

文／陳昊 深圳市比亞迪鋰電池有限公司坑梓分公司 廣東深圳 518000

引言：

鋰電池生產(chǎn)線各工藝車間有明確的環(huán)境參數(shù)需求，鋰電池生產(chǎn)環(huán)境中對電池放電容量、內(nèi)阻、循環(huán)性能等有非常重要的影響，當(dāng)環(huán)境溫濕度不達標(biāo)時，電池的放電容量降低，內(nèi)阻變大，循環(huán)性能衰減嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致鋰電池產(chǎn)品出現(xiàn)漏液、鼓包等危險狀況。

1.化成房和高溫浸潤的環(huán)境要求和運行能耗

化成是對注液后的電芯進行激活的過程，通過充放電使電芯內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層鈍化膜，保證后續(xù)電芯在充放電循環(huán)過程中安全、可靠，延長電池使用壽命。化成房露點溫度-40℃，干球溫度25±3℃，潔凈度等級：萬級。

高溫浸潤是對注液后的電芯進行反應(yīng)的過程，通過浸潤使電芯內(nèi)部發(fā)生吸附反應(yīng)，在干燥房間，一定溫度下，對未封口的鋰電池進行開口電池靜置，促進電解液吸收，保證充分反應(yīng)后的電芯在充放電循環(huán)過程中安全、可靠，延長電池使用壽命。高溫浸潤房干球溫度45±5℃，潔凈度等級：三十萬級。

化成工藝和高溫浸潤工藝作為相鄰工序，化成房生產(chǎn)中環(huán)境一直處于低濕的要求，對于-40℃露點溫度下的生產(chǎn)車間，設(shè)計計算后，化成房除濕空調(diào)系統(tǒng)采用單級轉(zhuǎn)輪一次回風(fēng)除濕機組。

圖1 -40 露點溫度除濕機空氣處理流程圖

圖2 -40 露點溫度除濕機空氣處理焓濕圖

（1）對于要求-40℃露點溫度的化成房，新風(fēng)W首先通過過濾器及一級表冷盤管，冷卻除濕至點O1，與室內(nèi)狀態(tài)N 混合至點C，經(jīng)過二級表冷盤管冷卻至點O2，進入轉(zhuǎn)輪除濕至點O3，經(jīng)過風(fēng)機溫升約2℃，至點O3’轉(zhuǎn)輪出口空氣O3 露點溫度約-50℃，達到車間所需的送風(fēng)濕度要求。送風(fēng)再經(jīng)三級表冷盤管或電（蒸汽）加熱后送入車間內(nèi)。

單級轉(zhuǎn)輪一次回風(fēng)除濕機組的控制邏輯：化成房室內(nèi)環(huán)境溫度需要控制在25±3℃，通常根據(jù)回風(fēng)溫度控制三級冷卻盤管水閥開度，以控制送風(fēng)溫度；對送風(fēng)濕度的控制邏輯，根據(jù)回風(fēng)濕度調(diào)節(jié)二級冷卻盤管水閥以控制轉(zhuǎn)輪入口空氣溫度，也可結(jié)合轉(zhuǎn)輪再生溫度的控制，改變轉(zhuǎn)輪除濕模塊的性能，最終調(diào)節(jié)送風(fēng)含濕量；對于再生側(cè)，除濕機機組通過監(jiān)控轉(zhuǎn)輪再生出口空氣溫度控制再生電加熱器功率或再生蒸汽用量。

（2）高溫浸潤車間生產(chǎn)中環(huán)境一直處于高溫的要求，對于45℃溫度下的生產(chǎn)車間，設(shè)計計算后，高溫浸潤車間空調(diào)系統(tǒng)采用普通高溫空調(diào)組合式機組。

（3）高溫浸潤車間熱負(fù)荷計算：

Q1：維護結(jié)構(gòu)耗熱量

表1 維護結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計算

Q2：冷風(fēng)侵入耗熱量

表2 冷風(fēng)侵入耗熱量

Q3：冷風(fēng)滲透耗熱量

①傳送帶空氣滲透耗熱量

滲透耗熱量Q3=0.278CpV(tn-tw)ρw=60.4kW。

②外門空氣滲透耗熱量

滲透耗熱量Q3=0.278CpV(tn-tw)ρw=0.7kW。

Q4：電芯的耗熱量

計算得，Q4=1.4kW

以上可得，房間總熱負(fù)荷Q=（Q1+Q2+Q3+Q4）=126.7 kW。

當(dāng)前高溫浸潤車間溫度管控要求為40℃～50℃，即室內(nèi)溫差不大于10℃；本項目送風(fēng)溫度取52℃，回風(fēng)溫度取44.5℃，送風(fēng)最大溫差取7.5℃（現(xiàn)場實測，亦是如此）；根據(jù)以上基本計算公式得：G=Q/cp（t2-t1）=126.7/7.5/1.01=16.72kg/s；即送風(fēng)量為：16.72＊3600/1.29=46677m3/h。該房間共需要1 臺送風(fēng)量不小于為50000 m3/h，加熱量不小于126.7kw 的高溫風(fēng)柜。

（4）同理計算化成房（凈化等級：萬級）冷負(fù)荷：

對于萬級潔凈、低露點區(qū)域，送風(fēng)溫差不宜超過10℃[1]、送風(fēng)含濕量差值不超過2g/kg；則送風(fēng)狀態(tài)點S即為溫度為（tn-10）℃的等溫線與含濕量的交點。表冷器處理后的空氣，經(jīng)風(fēng)機后等濕升溫送（風(fēng)機溫升一般取0.5～3℃）。

式中 LS為系統(tǒng)送風(fēng)量，m3/h；Q 為空調(diào)區(qū)全熱冷負(fù)荷，kW；hN為室內(nèi)狀態(tài)點N 的焓值，kj/kg；hS 為送風(fēng)狀態(tài)點S 的焓值，kj/ kg。

式中LX 為系統(tǒng)新風(fēng)量，m3/h；LR為滿足人員衛(wèi)生要求的新風(fēng)量，m3/h；n 為空調(diào)區(qū)人員數(shù)量；LZ為滿足室內(nèi)正壓要求的新風(fēng)量，m3/h；V 為空調(diào)區(qū)體積，m3。注意：密封性好的話，1 次/h 換氣次數(shù)對于室內(nèi)正壓為5Pa～10Pa。

混合狀態(tài)點C 由能量平衡方程計算確定（詳見公式1～公式4），具體過程如下：首先，由室內(nèi)全熱冷負(fù)荷Q 和送風(fēng)溫差△t，計算出送風(fēng)量LS；然后，由人員衛(wèi)生要求、房間正壓要求計算出新風(fēng)量LX；最后，回風(fēng)量LH即為送風(fēng)量LC與新風(fēng)量LX之差。最后根據(jù)能量平衡方程計算確定hH，與NW 連線的交點，即為混合狀態(tài)點C。

計算得：房間總冷負(fù)荷Q=128 kW；

消除余熱送風(fēng)量=34612m3/h；

消除余濕送風(fēng)量=37372m3/h；

維持正壓風(fēng)量=3114m3/h；最小新風(fēng)量=3614m3/h；

該房間共需要1 臺送風(fēng)量為45000m3/h 的轉(zhuǎn)輪除濕機。

按照計算選型設(shè)計，根據(jù)對工業(yè)園區(qū)的化成房和高溫浸潤車間進行能耗監(jiān)控統(tǒng)計，分析計算，得出一年的運行費用和能耗。

由表3 可知，化成房使用的除濕機和高溫浸潤使用的高溫空調(diào)，一年的運行能耗和費用巨大。隨著動力鋰電池需求的不斷增加，鋰電池生產(chǎn)工序各段的運行能耗已引起行業(yè)的關(guān)注。然而，鋰電池生產(chǎn)車間相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)較少，其生產(chǎn)能耗水平及節(jié)能空間尚不明確。筆者所在團隊在鋰電池廠房各工段設(shè)計中，結(jié)合已投產(chǎn)項目實際運行能耗的數(shù)據(jù)。本技術(shù)報告結(jié)合后段工序化成房和高溫浸潤車間的生產(chǎn)工藝及環(huán)境營造特點對生產(chǎn)過程中的用能特性進行分析，提出熱泵系統(tǒng)運用在化成房使用的除濕機和高溫浸潤使用的高溫空調(diào)中，來降低這兩種工序生產(chǎn)運行的能耗。

表3 化成房和高溫浸潤車間能耗統(tǒng)計

2.化成房和高溫浸潤的熱泵空調(diào)系統(tǒng)運用

高溫浸潤車間需要熱量，常年環(huán)境管控溫度為45℃±5℃；其后續(xù)工藝化成工序，需要制冷除濕，全年需要降溫，其環(huán)境管控要求為25℃±3℃，兩車間相鄰，空調(diào)設(shè)備布置也相鄰。應(yīng)用熱泵技術(shù)實現(xiàn)高溫浸潤工序與化成工序的能量互補。

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。熱泵的工作原理就是以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機械裝置，它僅消耗少量的逆循環(huán)凈功，就可以得到較大的供熱量，可以有效地把難以應(yīng)用的低品位熱能利用起來達到節(jié)能目的。化成房使用的除濕機和高溫浸潤使用的高溫空調(diào)使用過程中，高溫浸潤使用的高溫空調(diào)冷凝器中的冷媒通過相變放出的熱量可用來補償高溫空調(diào)加熱的溫度，費用成本要低于電或者蒸汽；而化成房使用的除濕機組蒸發(fā)器中的冷媒在相變過程中吸收熱量，放出冷量，可用于進入送風(fēng)轉(zhuǎn)輪前的溫度調(diào)控，降低了表冷器使用所需的冷量。通過對熱泵系統(tǒng)工作原理的管控，極大程度的減少了使用過程中的費用。

對改善后采用熱泵后根據(jù)對工業(yè)園區(qū)的化成房和高溫浸潤車間進行能耗監(jiān)控統(tǒng)計，分析計算，得出一年的運行費用和能耗。

由表3 和表4 可知，年運行費用由300.4 萬元降為260.86 萬元，年運行費用降幅為39.54 萬元，應(yīng)用熱泵技術(shù)實現(xiàn)化成工序和高溫浸潤車間工序的能量互補，從而節(jié)約運行能耗。

表4 改善后化成房和高溫浸潤車間能耗統(tǒng)計

結(jié)語：

本文通過對鋰電池廠房設(shè)計過程中，化成工藝和高溫浸潤工藝作為相鄰工序，對生產(chǎn)工藝、低露點環(huán)境特點及營造方法后提出除濕機和空調(diào)結(jié)合熱泵技術(shù)的運用，達到節(jié)能降耗的目的。同時根據(jù)各基地實測鋰電池廠房能耗現(xiàn)狀，對該類廠房的節(jié)能改造可從以下方面進行：由于涂布、電熱烘干是高能耗工藝，可采用或部分采用高溫?zé)岜茫⒔Y(jié)合蒸汽鍋爐冷凝水回收、空壓機熱回收，提升冷凝水、空壓機余熱的品位，實現(xiàn)高效烘干。此外，由于鋰電池本身具有儲存電能的能力，可結(jié)合光伏發(fā)電、蓄電技術(shù)，減少電能消耗或結(jié)合峰谷電價，通過夜間蓄電，降低能源成本。