0 引言

LED照明為繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命。由于LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、應用廣泛等諸多優(yōu)勢,世界上主要國家和地區(qū)均在大力發(fā)展 LED產(chǎn)業(yè)。隨著中國的城市化進程加快,在公共基礎設施建設用的路燈等功能性照明和商業(yè)性照明領域,采用LED照明為節(jié)能降耗提供了有效的方法和手段。作為LED白光照明制造必不可少的原材料之一,藍寶石襯底的需求預期也同樣被市場所推動。藍寶石長晶爐是藍寶石晶體制備工藝中的重要環(huán)節(jié),利用其可以從小型單晶到大型多晶制備多種規(guī)格形狀的藍寶石晶體。

藍寶石長晶爐的工作原理是一個復雜的過程,需要精確的溫度控制、原料處理和爐體設計等方面的技術。冷卻水作為藍寶石長晶爐的熱交換工作載體,無時無刻不在流動,它的溫度波動,直接影響了藍寶石晶體的結晶狀況,故對藍寶石晶體的質(zhì)量有著重要影響^[1]。藍寶石長晶爐的工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)(簡稱“PCW系統(tǒng)”)對于保持爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性至關重要,穩(wěn)定的PCW系統(tǒng)可以確保藍寶石晶體的生長環(huán)境穩(wěn)定,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分,也是水耗、能耗較高的部分,如循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的用水量占整個工業(yè)用水量的70%~80%^[2]。因此,通過優(yōu)化冷卻水的使用和循環(huán),可以減少熱損失,提高能源利用率。

本文首先簡述了藍寶石長晶爐PCW系統(tǒng)的設計參數(shù)需求,其次介紹了PCW系統(tǒng)并對系統(tǒng)主要設備進行計算選型和布置,并分享了藍寶石長晶爐PCW 系統(tǒng)實施過程中所采用的節(jié)能措施,望行業(yè)同仁批評指正。

1 工程概況

本項目地點位于福建省泉州市某藍寶石襯底生產(chǎn)基地的2#長晶廠房。長晶板塊由1#~2#長晶廠房組成,其中2#長晶廠房地上2層,建筑高度10 m,耐火等級為一級,火災危險性類別為丙類2項,總建筑面積約27 000m²。

1#~2#長晶廠房主要用于藍寶石襯底工藝的長晶車間和配套深加工車間,其中1#~2#長晶車間各布置200臺長晶爐,每20臺長晶爐設置一套PCW系統(tǒng),1#和2#長晶廠房各配置10套PCW系統(tǒng)。長晶車間位于長晶廠房的一層,PCW水池及泵房設置在地下一層。長晶車間和PCW機房區(qū)位圖如圖1所示。

2 單臺長晶爐PCW系統(tǒng)設計參數(shù)

冷卻水進出水溫度:25/35℃;冷卻水進水壓力:0.2 MPa;冷卻水流量:4 m³/h;緊急供水量:1.5 m³;水質(zhì)要求:RO水。

由于長晶爐需要零壓回水,因此冷卻水回水箱需要設置在比長晶爐車間低的位置,本項目在車間地下室設置了一間PCW水池及泵房設備房,專門用于放置長晶車間10套PCW系統(tǒng),包括不銹鋼高溫水箱、不銹鋼低溫水箱、板式換熱器、一次循環(huán)水泵、二次循環(huán)水泵、精密過濾器以及控制柜等設備和相關管路。長晶爐PCW系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

3 長晶爐PCW系統(tǒng)設備選型

3.1 長晶爐PCW系統(tǒng)流程介紹

傳統(tǒng)的PCW系統(tǒng)均采用冷凍水和長晶爐的冷卻水進行換熱,但此種熱交換模式需要大量冷凍水作為換熱器的一次側(cè)冷源,而冷凍水需要由螺桿機或離心機、冷卻水泵、冷凍水泵以及冷卻塔等設備組成的龐大制冷系統(tǒng)提供,該制冷系統(tǒng)能耗大,故算上為 PCW系統(tǒng)提供冷凍水的制冷系統(tǒng)的能耗,整個PCW 系統(tǒng)能耗非常高,這也是目前行業(yè)的一大痛點。

從節(jié)能及穩(wěn)定運行角度出發(fā),考慮到本工程中長晶爐的冷卻水進出水溫度為35/25℃ ,而長晶爐出水溫度高,且本工程所在地區(qū)秋、冬季室外濕球溫度長期低于17℃ ,非常有利于利用室外空氣作為天然冷源給長晶爐的冷卻水出水進行預冷,從而降低進入板式換熱器二次側(cè)的進水溫度,減少板式換熱器一次側(cè)冷凍水的需求,最終達到降低整個PCW系統(tǒng)能耗的目的。

本項目采用的具體措施是配置一臺閉式冷卻塔(考慮到冷卻水的水質(zhì)要求高,采用開式冷卻塔會導致冷卻水和室外空氣直接接觸而受到污染,降低水質(zhì),從而選擇閉式冷卻塔)^[3],長晶爐冷卻水回水依靠重力流到地下設備房內(nèi)的高溫水箱內(nèi)后,利用一次循環(huán)水泵輸送到室外閉式冷卻塔內(nèi)進行預冷,然后進入板式換熱器內(nèi)精準降溫到25℃ ,降溫到25℃后的低溫冷卻水流入低溫水箱內(nèi),然后由二次循環(huán)水泵把低溫水箱內(nèi)的25℃冷卻水經(jīng)袋式精密過濾器輸送到長晶車間內(nèi)的長晶爐PCW接入口,從而完成整個冷卻循環(huán)流程。

3.2板式換熱器選型計算

板式換熱器理論換熱量計算公式如下:

式中:Q為理論換熱量;C_p為水的比熱;Δt為冷卻水進出溫差;ρ為水的密度;W為冷卻水流量。

當C_p=4.2 kJ/(kg·℃),Δt=10℃時,板式換熱器的理論換熱量計算如下:

                                                                            Q₁=C_pΔtρW/3600

=4.2× 10× 1000×(4×20)/3600 

≈933.3 kW

考慮到換熱器效率衰減和長晶爐瞬時換熱量劇增等因素,擬選用的板式換熱器的換熱量Q2按板式換熱器理論換熱量的1.4倍計算,即:

Q₂=Q₁× 1.4=933.3×1.4≈1307 kW

考慮到二次側(cè)進出水溫度35/25℃,如果采用傳統(tǒng)的低溫冷水機組提供7/12℃的一次側(cè)供回水,板式換熱器兩側(cè)的溫差達到13℃,雖然換熱效率高,但冷水機組的制冷效率低。從節(jié)能及高效運行出發(fā),本項目采用中溫冷水機組,其提供的一次側(cè)供回水溫度為13/18℃ ,中溫冷水機組的制冷COP值比低溫冷水機組要高15%以上。

每套PCW系統(tǒng)選用兩臺板式換熱器,不銹鋼材質(zhì),一用一備,每臺板式換熱器換熱量為1 307 kW,一次側(cè)進出水溫度13/18℃,二次側(cè)進出水溫度35/25 ℃。

3.3 閉式冷卻塔選型

考慮到閉式冷卻塔盤管換熱效率的衰減、夏季也能進行大幅預冷以及閉式冷卻塔廠家的專業(yè)軟件選型建議等因素,綜合考慮建筑物功能、周圍環(huán)境條件、場地限制、熱工指標、噪聲指標及經(jīng)濟指標^[4] ,本工程選用的閉式冷卻塔規(guī)格參數(shù)如下:冷卻水量120m³/h,進出水溫35/22℃,濕球溫度17℃,盤管采用銅管材質(zhì)。

3.4 一次循環(huán)水泵選型

一次循環(huán)水泵主要用于輸送高溫水箱內(nèi)的冷卻水至閉式冷卻塔、板式換熱器,最后進入低溫水箱。水泵的揚程主要克服循環(huán)系統(tǒng)的阻力,阻力主要包括閉式冷卻塔阻力、板式換熱器阻力、閥件阻力、物理提升高度以及沿程阻力損失。水泵流量在PCW系統(tǒng)流量基礎上加20%的裕量。本工程選用兩臺一次循環(huán)水泵,一用一備,其規(guī)格參數(shù)如下:臥式端吸泵,循環(huán)水量96m³/h,揚程0.28MPa,泵體采用不銹鋼材質(zhì)。

3.5 二次循環(huán)水泵選型

二次循環(huán)水泵主要用于輸送低溫水箱內(nèi)的冷卻水至長晶車間內(nèi)的長晶爐PCW接入口。水泵的揚程主要克服循環(huán)系統(tǒng)的阻力,阻力主要包括袋式精密過濾器阻力、長晶爐PCW阻力及入口壓力需求、閥件阻力、物理提升高度以及沿程阻力損失。水泵流量在 PCW系統(tǒng)流量基礎上加20%的裕量。本工程選用兩臺二次循環(huán)水泵,一用一備,其規(guī)格參數(shù)如下:臥式端吸泵,循環(huán)水量96 m³/h,揚程0.35 MPa,泵體采用不銹鋼材質(zhì)。

3.6 不銹鋼水箱選型

本項目的PCW系統(tǒng)為開式系統(tǒng),應設置蓄水箱,蓄水量宜按系統(tǒng)循環(huán)水流量的5%~10%確定。且在水系統(tǒng)停止運行時,應能容納系統(tǒng)泄出的水,蓄水箱不得出現(xiàn)溢流現(xiàn)象^[5]。但本項 目的長晶爐廠商考慮到穩(wěn)定性需求,提出水箱的蓄水量需按15%~32%選型。因此,本項目高溫水箱和低溫水箱的規(guī)格參數(shù)如下:

高溫水箱規(guī)格參數(shù):2 m×3 m×3 m(長×寬×高),有效容積15 m³,不銹鋼材質(zhì)。

低溫水箱規(guī)格參數(shù):5m × 3m × 2.5m(長 ×寬×高),有效容積30 m³,不銹鋼材質(zhì)。

3.7 袋式精密過濾器選型

根據(jù)長晶爐PCW系統(tǒng)水質(zhì)需求,本項 目的袋式精密過濾器規(guī)格參數(shù)如下:工作流量100 m³/h,過濾范圍0.5~200μm,工作溫度范圍10~50℃ ,工作壓力1.0 MPa,不銹鋼材質(zhì),底進底出式接管形式。

4長晶爐PCW系統(tǒng)布置設計

根據(jù)第3章對長晶爐PCW系統(tǒng)中各個設備的介紹及選型,供回水管道均采用不銹鋼管^[5],長晶爐 PCW系統(tǒng)設備、機房設備和管路平面布置圖及剖面布置圖如圖3、圖4所示。

5 總結及展望

1)設計初期對長晶爐相關數(shù)據(jù)的收集、特殊需求的理解和工藝專業(yè)的緊密配合對于PCW系統(tǒng)設計而言至關重要,它們對于整個系統(tǒng)的設備計算選型、機房設置位置、節(jié)能降耗、后期運維都有影響,牽一發(fā)而動全身。項目前期設計工作做得不扎實,會導致中后期調(diào)整面臨多重掣肘。

2)本項目中PCW系統(tǒng)總量大、套數(shù)多,從而整體能耗大,如何實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗是本工程PCW系統(tǒng)設計的重點及難點。本項目采用閉式冷卻塔進行冷卻水的預冷,在冬季甚至可以少使用或不用冷凍水進行降溫,從而最大限度降低整體能耗。

3)本項目中PCW系統(tǒng)依據(jù)長晶爐的緊急供水需求(停電時能有緊急供水保證長晶爐的緊急降溫需求)設置了高位水池,該部分由工藝給排水專業(yè)完成,本文不過多贅述。

4)前期工藝需求條件調(diào)整帶來的多次設備機房提資條件的變化,造成部分設備選型過分寬裕,是本次設計的遺憾之處。今后應多總結整理長晶爐等 PCW需求設備的設計參數(shù),逐步完善設計方案,避免出現(xiàn)類似的情況。

保障生產(chǎn)工藝各系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定、節(jié)能是暖通從業(yè)者的責任和愿景,望本設計案例可為行業(yè)同仁提供參考。

[參考文獻]

[1]徐秋峰.基于生長藍寶石單晶的冷卻水系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學,2014.

[2]趙洪濤.工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水措施分析[J].山東化工,2015,44(6):10l-102.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4] 工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范:GB 50019—2015[S].

[5] 電子工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范:GB 50472—2008[S].

2024年第20期第12篇