锂电池厂除湿机系统冷凝水排放影响因素研究

发布时间：2020-04-17

　　摘要：针对锂电池厂除湿机系统冷凝水无法有效排出、停产期间水封被破坏、后表冷段水封破坏后漏风等问题，分析了影响冷凝水水封的5个主要因素，并介绍了一种可以弥补传统水封不足的新型乒乓球水封，可有效解决以上问题。此新型水封已运用到锂电池厂除湿机系统中，实际应用结果表明，可有效将冷凝水排出。

　　关键词：锂电池厂;除湿机系统;冷凝水;乒乓球水封

　　锂电池在生产过程中对湿度要求极其苛刻，如果超过工艺标准，可使单体电池性能衰减，影响电池化成及模组性能，甚至可使电池鼓胀，造成电池报废。因此，良好的环境湿度是保证锂电池高性能的重要条件之一。在锂电池厂中，多以除湿机系统保障生产环境的湿度要求，除湿机系统主要以冷冻除湿和转轮除湿相结合，达到电池生产的工艺标准。在冷冻除湿时，会产生大量的冷凝水，冷凝水的顺利排放是保障除湿机系统正常运行和车间环境湿度的重要条件，因此冷凝水排放问题也成为近期许多国内外学者研究的重点。

　　孙法森[1]对空调机组冷凝水排水系统进行改进，避免了高速气流阻碍冷凝水的正常排出。曹阳等[2]讨论了空调系统凝结水水封对系统安全运行的重要性和水封设计不当导致设备故障和漏风能耗增加等问题，分析了影响水封设计的5个主要因素，并结合影响因素提出了具体的设计计算方法，介绍了一种可弥补传统水封不足的新型浮球式水封。胡月琳[3]介绍了冷凝水系统施工中常见的一些问题及预防措施，避免了后期运行出现漏水等问题。马力等[4]探讨了湿式喷漆室循环空调排水可能带来的危害，并提出了合理的解决方法。

　　从以上研究可以看出，许多学者都对空调冷凝水进行了深度研究，但大多只是对普通空调机组的水封问题进行研究，而锂电池厂房的除湿机系统有特殊性，且相关研究较少。因此，作者对除湿机系统的冷凝水排水影响因素进行研究，并介绍了一种新型乒乓球水封，能有效保障车间生产环境湿度要求和除湿机机房的卫生要求。

　　1除湿机系统及其冷凝水水封

　　1.1除湿机系统的介绍

　　常见的除湿方法有升温除湿、冷冻除湿、溶液除湿、固体除湿和干式除湿等。转轮除湿是干式除湿的一种。不同的除湿方法适用于不同场合[5,6]。锂电池生产过程中对温度、湿度要求比较严格，且不同工序要求不同，如合浆涂布工序温度、湿度要求为(25±3)℃、20%(RH)以下;注液工序温度、湿度要求为(22±3)℃、0.5%(RH)以下。与普通空调控制区域相比，锂电池车间温度变化较小，湿度标准非常严苛。因此，几乎所有的锂电池厂都采用转轮除湿进行湿度控制，不同温湿度要求的工序则需要考虑用不同空调系统进行控制。

　　除湿机系统结构如图1所示。初、中效过滤段主要为了控制车间环境的洁净度，根据工艺标准洁净度要求等级不同而选择不同的过滤器组合;一次表冷段进行冷冻除湿，主要是将空气中大部分湿蒸汽除去;转轮除湿段主要是对空气进行深度除湿，处理到20%甚至0.5%;一次、二次回风段主要是节能;风机段是提供风量循环动力;后表冷段和加热段主要对空气进行调温，以满足工艺温度需求，几乎不会有冷凝水析出。

　　1.2冷凝水水封

　　在表冷段下面安装不锈钢凝结水盘，用以收集析出的冷凝水，冷凝水通过排水管排至地漏。为了顺利排出冷凝水，防止机箱与机外空气互串及蚊虫进入机箱，需要在排水管上加装一个排水阻气装置，一般称之为冷凝水水封。其工作原理是利用水封内水柱产生的压力与空调设备内的负压形成平衡，当表冷器析出更多冷凝水时，冷凝水就可以从水封处排出，水封可以将机箱内与机箱外的空气形成隔断，避免机箱内的空气被污染，并防止蚊虫等进入设备内部[7]。

　　从除湿机系统的结构可以看出，一次表冷段处于负压段，后表冷段处于正压段，所以除湿机系统上一般有两种形式的水封，如图2和图3所示。

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　　1.2.1负压水封。当除湿机系统处于停机状态时，水封高度为B。在风机启动过程中，空气处理机组内的负压会随着风机转速的提高而逐渐增加。为了避免水封遭到破坏，需要使A=B;当风机稳定后，冷凝水会自动向排水口聚集，为了使冷凝水能顺利排出，冷凝水产生的水头压力需满足式(1)：

　　1.2.2正压水封。当除湿机系统处于停机状态时，水封的高度为B。在风机启动过程中，空气处理机组中的正压会随着风机转速的提高而逐渐增加。为了避免水封遭到破坏，需要求B≥H。其中，H为后表冷段所处最大正压值/10;当风机稳定后，冷凝水会自动向排水口聚集，由于排水口处于正压，所以冷凝水能够顺利排出，对于A的高度则无明确要求。但为留有余量，需将A和B的高度增加50mm。

　　2冷凝水排放的影响因素

　　冷凝水排放的影响因素主要有除湿机各功能段的规格和组合、初效和中效过滤器规格、新风管道安装与否、机组基础的结构尺寸及后期的运行维护等。只有充考虑上述几个因素，才能使冷凝水顺利排出，防止冷凝水从机组检修门溢出。

　　2.1各功能段的规格和组合

　　在除湿机系统中，需要多个功能段组合才能达到工艺标准，如表冷段、过滤器段等。不同工艺标准要求功能段的规格和组合也不同，不同规格和组合会造成表冷段处的压力值不同，而除湿机系统的冷凝水水封参数也随之变化。如图1所示，一次表冷和后表冷的位置不同，两个水封的规格参数则完全不同。

　　2.2初效和中效过滤器规格

　　锂电池工艺不仅对温湿度的要求很高，对环境洁净度的要求也很高，不同工序的洁净度要求也不一样。一般车间的洁净度标准为30万级，而有些则要达到万级的级别，因而，除湿机系统根据不同洁净度要求配置相应的过滤器组合。初效过滤器的结构形式一般有袋式、板式和折叠式，中效过滤器的结构形式一般有袋式和楔式[8]。对于不同过滤器规格和结构形式，其初阻力也不一样。其中，初效过滤器的初阻力一般≤50Pa，中效过滤器的初阻力一般≤80Pa。初、中效过滤器对冷凝水排放的影响主要体现在两个方面：第一，空气通过过滤器时产生的阻力会影响冷凝水排水口处的压力;第二：运行一段时间后，灰尘附着在初、中效过滤器上，使过滤器的阻力增加，从而也会影响冷凝水排水口处的压力。在安装时，两方面的影响都要考虑。

　　2.3新风管道的影响

　　为了保持工艺标准要求的洁净度，除湿机系统需要引入新风使车间处于正压状态。有两种引入新风的方式：第一种是在外墙面开洞，不安装新风管道，除湿机系统直接从机房取新风;第二种是在外墙面开洞，安装新风管道连接到除湿机新风口，从室外取新风。对于不安装新风管道的机组，冷凝水排水口处的负压是当前风量下需要克服进风阀门、初效和中效过滤器、一次表冷器所需的压力;而安装了新风管道的机组，除了以上压力，还需要克服新风管道的沿程和局部阻力，从而使冷凝水排水口处的负压增大。

　　2.4机组基础的结构尺寸

　　对于图2所示的负压水封，如果未安装机组基础或基础尺寸较低，有可能导致冷凝水水封无法按照合适高度进行安装，从而无法保证冷凝水顺利排出，严重时会积聚在不锈钢凝结水盘，从机箱检修门溢出，形成水患。要保证冷凝水水封正常运行，应在除湿机组设计完成后，计算冷凝水水封安装的尺寸，然后再设计混凝土基础的尺寸，从而保证冷凝水顺利排出。除以上高度外，还应考虑排水管的管径和管厚、保温厚度等。

　　2.5后期运行维护

　　在除湿机系统运行过程中，会出现风机变频、风管阀门的开启度变化、初中效和效过滤器堵塞、表冷器堵塞等情况。当风机变频、风管阀门的开启度变化时，阻力损失也会随之变化;初中效和效过滤器和表冷器堵塞则会导致阻力增大。阻力的变化如果超过冷凝水水封的调节范围，则会导致冷凝水积聚在不锈钢凝结水盘内无法排出，最后从机箱底部或检修门处溢出，在机房形成水患。

　　3新型乒乓球水封

　　传统空调冷凝水水封主要是应用连通器原理和水柱产生的静压作用来实现冷凝水的排放，并隔绝外界空气，实现防蚊虫的目的。对于后表冷段，过渡季节和冬季几乎不用表冷器进行调温，所以后表冷段的冷凝水水封容易干涸，从而使其失效。由于水封处于正压，会使部分风量通过水封泄漏到室外，造成送风量减少。为解决此问题，可在排水管上增加一个球阀，在过渡季节和冬季关闭，可防止风量泄漏。由于锂电池车间的特殊环境，再加上除湿机运行时间较长，一次表冷段会发生堵塞。由于表冷器不易进行清洗，从而使排水口负压增加，导致冷凝水无法排出，最终形成水患。为克服上述问题，近年来市面上出现了一种新型乒乓球式的冷凝水水封，外形和水封安装如图4和图5所示。

　　该新型水封采用低进高出的出水方式，内部嵌有一个乒乓球，起到快速排水、阻隔空气进入及防蚊虫的作用。在除湿机停止运行时，乒乓球由于自重会封堵住排水口，阻止蚊虫进入除湿机机箱;当除湿机启动时，内部负压会将乒乓球吸至排水口，从而阻止冷凝水倒吸，运行一段时间后，产生的冷凝水积聚到排水管，产生的水头大于自重和机箱内负压水水头时，冷凝水就会正常排出。此种新型水封相较于传统水封具有以下优点。①在除湿机停止运行较长时间时，可防止水封中的冷凝水干涸，不会使水封遭到破坏;②对于有相同余压的除湿机，此种新型水封的安装高度只有1.2P+d(P为运行时功能段最低负压值等效的水头高度，d为排水管的管径)，相对于图1中负压水封在高度h=2P+d(未计入50mm余量)时减少很多，从而可以在基础和房高有限的条件下安装冷凝水水封;③施工安装简单、方便，不需要现场制作弯头、短管等部件;④后期维护方便，只需要将水封上方盖拧掉即可。

　　4结论

　　①冷凝水水封虽然只是除湿机系统中一个很小的部件，但如果设计不合理或安装不规范，则会导致冷凝水水封失效，造成冷凝水积聚在机箱内，而水流从机箱检修门溢出则会造成机房水患;同时、影响生产车间环境湿度，致使车间无法生产及电池报废。

　　②冷凝水水封在设计或安装时需要考虑空调功能段的规格和组合、初效和中效过滤器规格、新风管道、机组基础的结构尺寸、后期的运行维护等5个影响因素。

　　③新型乒乓球水封具有传统水封的作用和功能，且具有降低安装高度、施工简单方便等优点。