Air conditioning systems for clean rooms

详细

Air conditioning systems for «clean rooms» are described. The operation of the central air conditioning system according to energy-saving technology is offered when only outside air is cooled and dehumidified in the central conditioner. Capital expenditures and energy consumption during operation are considerably reduced in this case.

全文:

Развитие современных высокотехнологичных производств связано с необходимостью создания в производственных помещениях воздушной среды повышенной чистоты, поддержания в них постоянных температуры и  относительной влажности воздуха, а также соблюдения ограничений по скорости движения воздуха. Помещения для производств с такими требованиями к внутренней воздушной среде получили специальное название «чистые помещения».

По степени чистоты воздуха чистые помещения по европейскому стандарту 209В(с) делятся на шесть классов (см. таблицу).

Таблица

Класс чистоты	Число частиц в 1 м3 воздуха, не более	Размер частиц, мкм, не более	Кратность воздухообмена, объемов в 1 ч	Удельная производительность приточных систем, м3/ч на 1 м2 площади пола
6	100 000	0,5	25	60...75
5	10 000	0,5	40...60	100...180
4	1 000	0,5	120...300	360...900
3	100	0,5	360... 500	1000... 1600
2	10	0,5	500...600	1600... 1800
1	1	0,5*	500...600	1600... 1800

Примечание. Высота помещений 3 м.

*Размер одной частицы может превышать 0,5 мкм.

Перед поступлением в чистые помещения приточный воздух подвергают многоступенчатой очистке: последовательно пропускают через фильтры различной эффективности.

Число ступеней очистки зависит от требуемого класса чистоты воздуха.

Так, приточный воздух, направляемый в чистые помещения класса 3, проходит тройную очистку. Первая ступень осуществляется в фильтре EU4: вторая ступень — в фильтре EU7: третья - в концевом фильтре класса абсолютной чистоты, который располагается в потолке чистой ком- наты. Концевые фильтры заменяют через 14 дней.

Чистые помещения создают в объеме производственной площади здания путем выгораживания специальными модульными перегородками внутренних помещений. Ограждающие перегородки выполняют из модульных инструкций, изготовленных из двойных стальных листов толщиной 1 мм стендовой изоляцией между листами. Стальные листы окрашивают путем напыления порошковой краски с последующим ее оплавлением. Это создает устойчивую поверхность окрашенного листа и предотвращает выветривание частиц с поверхности панелей. Конструкция вертикальных стеновых панелей может иметь одинарное и двойное герметичное остекление. При сборке ограждающих вертикальных перегородок с потолочными и половыми панелями используют виброгасящие вставки.

Индивидуальное рабочее место в чистом помещении показано на рис. 1. Концевой фильтр абсолютной очистки вторичного воздуха в чистых помещениях располагают над перфорацией потолочных панелей. Фильтрующий материал изготовлен из супертонкого волокна в форме листов, которые укладывают в каркас фильтра в форме складок, что обеспечивает увеличение площади фильтрующей поверхности по отношению к фасадному сечению фильтра. При удельной нагрузке на выходе в фасадном сечении кассеты фильтра 2000 (м³/ч)/м² коэффициент очистки составляет 99,995 % при размере частиц до 0,3 мкм. Очищенный приточный воздух выходит через отверстия в перфорации потолочных панелей со скоростью не более 0,5 м/с и перепадом температур Δt = (t_в – t_п), где t_в, t_п — соответственно температуры воздуха помещений рабочей зоны и приточного воздуха.

Рис. 1. Организация индивидуального рабочего места для изготовления электронных деталей в чистом помещении: 1 — вертикальная модульная панель из двойных стальных листов с тепловой изоляцией между ними; 2 — вытяжка производственных вредностей от рабочего места; 3 — кассеты концевого фильтра; 4 — фильтрующий материал класса «абсолютный фильтр», собираемый из специальной бумаги, изготовленной из супертонкого стекловолокна; 5 — потолочная модульная панель с перфорацией; 6 — специальный герметичный светильник; 7 - прозрачный экран для направления приточного воздуха в зону производственного процесса; 8 — прозрачный экран для направления приточного воздуха к работающему; 9 — рабочее место в форме стола с перфорацией; 10 — рабочий в специальной одежде; 11 — половая модульная панель с перфорацией; 12 — стойки для удерживания и виброгашения половых панелей; 13 — вытяжка через перфорацию половых панелей

Такой перепад отвечает условиям поглощения расчетных теплоизбытков при поддержании требуемой точности температуры t_в в рабочей зоне.

Вытяжка воздуха осуществляется через два устройства. Загрязненный и отепленный воздух от места проведения технологического производственного процесса через отверстия в перфорированном рабочем месте отсасывается вытяжной системой на выброс в атмосферу с температурой 4 (температура удаляемого воздуха). Внутренний воздух с температурой 4 через отверстия в перфорации пола поступает на рециркуляцию в приточный агрегат. В целях улучшения санитарно-гигиенических условий проведения работ приточный поток воздуха прозрачными вертикальными перегородками направляется к рабочему месту и работающему.

На рис. 2 показано построение на Дедиаграмме режима работы традиционной центральной СКВ на базе технологических блоков КЦКП (см. каталог фирмы «Веза» «Кондиционеры центральные, каркасно-панельные КЦКП») с зональными воздухоподогревателями на базе канальных воздухонагревателей КВН (авторы располагают информационными материалами Ultraclean фирмы WEISS TECHNIK).

Рис. 2. Построение на і,d-диаграмме расчетного режима работы традиционной центральной СКВ с зональными подогревателями в теплый период года в климате Москвы в чистом помещении.

Условное обозначение режимов: Н-СМ-В — смешение в центральном кондиционере наружного и внутреннего рециркуляционного воздуха; СМ-ОХ - охлаждение и осушение смеси в воздухоохладителе центрального кондиционера; ОХ—ОХ) — нагрев в вентиляторе и приточных воздуховодах; ОХ—П — нагрев в зональном подогревателе приточного воздуха, поступающего к каждому рабочему месту в чистом помещении: П—В - процесс поглощения тепло- и влаговыделений в каждой зоне рабочего места в чистом помещении круглый год смесь наружного воздуха (санитарная норма не менее 60 м³/ч на каждого работающего в чистом помещении)

Скорость воздуха в отверстиях всасывания должна обеспечить забор образующихся частиц пыли.

Принимаем, что чистое помещение имеет площадь S= 30 м² и в нем обеспечивается класс чистоты 3. Тогда по требованию стандарта 209В(с) в чистое помещение должно поступать приточного воздуха (м³/ч) не менее L_п = Sl_п, где l_п — удельная производительной приточных систем по требованиям стандарта, м³/(ч • м²); L_п = 30 • 1000 = 30 000 м³/ч.

В помещениях имеется три рабочих стола, через отверстия в перфорации которых отсасывается загрязненный загазованный и отепленный воздуховытяжной системой, имеющей производительность (м³/ч): L_y=Лl_y,  где Л — число рабочих мест; l_у — количество загрязненного, загазованного и отепленного воздуха, отсасываемого вытяжной системой м³/ч.

Принято, что l_у = 1000 м³/ч, тогда L_y = 3 • 1000 = 3000 м³/ч, что составляет 10% от общего проточного и больше санитарной нормы на трех работающих:

Lп.h.mhh ⁼ Л • 60 = 3 • 60 = 180 м³/ч.

В приточный агрегат будет поступать 3000 м³/ч приточного наружного воздуха и 27 000 м³/ч рециркуляционного. На входе приточного воздуха в приточном воздуховоде к каждому рабочему месту монтируют канальный воздухонагреватель КВН фирмы «Веза».

В зоне проведения технологического процесса круглый год поддерживают следующие параметры воздуха: температура t_в = 23±1°С; относительная влажность φ_в = 45±5%; влагосодержание (d_н = 8 г/кг; удельная зеотальпия i_в = 43,5 кДж/кг. Чистое помещение сооружают в климате Mосквы, где в теплый период расчета параметры Б: t_н = 28,5 °С; d_н = 10 г/кг; i_н = 54 кДж/кг.

На рис. 2 показано построение на і,d-диаграмме расчетного режима работы центральной СКВ в теплый период года. Наружный (точка Я) и вытяжной рециркуляционный воздух (точка В) смешиваются. Параметры смеси: і_см = 44,65 кДж/кг; t_см = 24°С;  d_см = 8,2 г/кг. При тяжелой работе трех человек выделяется влаги: W=Лw, где W — количество влаги от одного работающего, г/ч; в соответствии СНиП2.04.05-91 w= 260 г/(чел.)

Таким образом, W= 3 • 260 = 780 г/ч.

Требуемая поглотительная (ассмилирующая) способность приточного воздуха (г/кг): Δd_ас = W/(L_пρ_п), где ρ_п — плотность приточного воздуха; Δd_ас = 780/(30 000 • 1,2) = 0,02 г/кг.

Охлаждение и осушение приточного воздуха происходят в блоке воздухоохладителя КЦКП, питаемом холодной водой с температурой 7°С. Принятые параметры охлаждаемого воздуха: t_ох = 12°С; d_ох = 7,98 г/кг; i_ох = 32 кДж/кг.

Расход холода (Вт) Q_x.ox = L_пρ_п(i_см – i_ох)/3,6, где i_см - энтальпия смеси, кДж/кг; Q_x.ox = 30000 • 1,2(44,65 - 32)/3,6 = 126 500 Вт.

По условиям обеспечения требуемой точности поддержания температуры t_п = 23°С температуру приточного воздуха в каждой зоне принимаем t_п = 21°С.

Расход теплоты в трех зональных подогревателях (Вт): Q_кл.зн = L_пρ_пс_р(t_п – t_охl)/3,6, где с_р — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг • К); Q_кл.зн =30 000 • 1,2 • 1(21—13)/3,6 = 80 000 Вт.

Предлагается вариант работы центральной СКВ по энергосберегающей технологии, когда в центральном кондиционере из блоков КЦКП охлаждается и осушается только приточный наружный воздух. Поглотительная (ассимилирующая) способность по влаге (г/кг): Δd_асl = W/L_п.нρ_п; Δd_асl = (3 • 260)/(3000 •1,2) = 0,22 г/кг.

На рис. 3 представлено построение на i,d-диаграмме круглогодового режима работы центральной СКВ по энергосберегающей технологии. Параметры охлажденного и осушенного приточного наружного воздуха:

d_ох = 7,78 г/кг; t_ох = 11,5 °С; i_ох =30 кДж/кг; нагрев в приточном вентиляторе и воздуховодах на 1°С; параметры воздуха после нагрева: d_охl =7,78 г/кг; t_охl = 12,5 °С; i_охl = 31 кДж/кг. В вентиляторном агрегате производительностью 30 000 м³/ч смешиваются циркуляционный воздух (точка В) и приготовленный приточный наружный (точка OX₁). Параметры смеси приточного воздуха (точка П): t_п= 21°С; i_п = 40,3 кДж/кг; d_п = 7,9 г/кг.

Полученная смесь проходит двухступенчатую очистку в фильтрах EU4 и EU7 в вентиляторном очистительном агрегате, собранном из блоков КЦКП.

Расход холода на охлаждение и осушение только приточного наружного воздуха (Вт): Q_x.ox.п.н = L_п.нρ_п.н(i_н – i_ох)/3,6; Q_x.ox.п.н = 3 000 • 1,19(54 - 30)/3,6 = 23 800 Вт.

Расхода теплоты в теплый период года на подогрев смеси приточного воздуха в энергосберегающем режиме по построению на рис. 3 нет.

Оценим снижение расходов холода на охлаждение приточного воздуха в предлагаемой СКВ по сравнению с традиционной центральной: Q_x.ox/ Q_x.ox.п.н = 126 500/ 23 800 = 5,3.

Таким образом, в предлагаемой СКВ расход холода в 5,3 раза ниже, чем в традиционной. Расхода теплоты в зональных подогревателях в расчетных режимах работы предлагаемой СКВ в режиме на рис. 3 нет.

Рис. 3. Построение на і,d-диаграмме расчетных круглогодовых режимов работы предлагаемой центральной СКВ для обслуживания чистых помещений по энергосберегающей технологии.

Условные обозначения для расчетного режима работы СКВ в теплый период года (правая часть построения): Н—ОХ — охлаждение и осушение приточного наружного воздуха L_п._н, количество которого равно количеству удаляемого вытяжного воздуха L_y; ОХ- ОХ₁ - нагрев в приточном вентиляторе: ОХ₁—П—В — смешение приготовленного наружного приточного и рециркуляционного воздуха в вентиляторном очистительном агрегате: П-В — поглощение тепло- и влаговыделений на каждом рабочем участке чистого помещения. Условные обозначения для расчетного режима работы СКВ в холодный период (левая часть построения): Н₁-Н₂-нагрев приточного наружного воздуха в центральном кондиционере в теплоотдающем теплообменнике утилизируемой теплоты вытяжного воздуха; Н₂-Кл- нагрев в калорифере центрального кондиционера приточного наружного воздуха; Кл—А — адиабатное увлажнение приточного нагретого воздуха в орошаемом сотовом блоке центрального кондиционера; А-II В - смешение в смесительном блоке вентиляторного очистительного агрегата нагретого и увлажненного приточного наружного воздуха и рециркуляционного воздуха; П-В — поглощение тепло- и влаговыделений на каждом рабочем участке чистого помещения; В—У- извлечение теплоты из вытяжного удаляемого воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике вытяжного агрегата

Для повышения температуры приточного воздуха в случае снижения технологических тепловыделений на рабочем месте к потолочной панели над каждым рабочем местом предусмотрен отвод приточного воздуха от общего приточного воздуховода с установкой концевых канальных электронагревателей от технологических блоков КЦКП мощностью, равной 50 % расчетной охладительной способности приточного воздуха в рабочую зону.

Расчетная охладительная способность приточного воздуха в каждую рабочую зону чистого помещения составляет Q_x.ас = L_п.ρ_пс_р (t_в – t_н)/3,6 = 10 000 • 1,2 • 1(23-21)/3,6 = 6670 Вт.

Удельная охладительная нагрузка на одно рабочее место (на 10 м²) q_х.ас= 6670/10 = 667 Вт/м².

Расчетная удельная охладительная нагрузка на рабочем месте в чистом помещении может колебаться от 1000 до 40 Вт/м².

Требуемая точность поддержания постоянства температур t_в на рабочем месте задана: t_в = 23 ±1 °С. Поэтому при сокращении технологических тепловыделений допустимо снижение t_в до 22°С. Дальнейшее снижение компенсируется автоматическим включением зонального электронагревателя, установленная мощность которого 3,6 кВт, что для технологического блока электронагревателя КЦКП-6,3 отвечает установке двух ТЭНов по 1,8 кВт каждый.

В левой части рис. 3 представлено построение расчетного режима работы СКВ по энергосберегающей технологии в холодный период года. Первоначально в центральном кондиционере приточный наружный воздух нагревается в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации с насосной циркуляцией антифриза. На нагрев антифриза в теплоизвлекающем теплообменнике вытяжного агрегата используется теплота выбросного воздуха (процесс В—У на рис. 3). Отепленный антифриз насосом подается в трубки теплоотдающего теплообменника в приточном агрегате, и приточный наружный воздух нагревается (процесс Н₁-Н₂ на рис. 3). Далее приточный наружный воздух нагревается в калорифере до энтальпии точки Кл, отвечающей значению энтальпии, требуемой для получения параметров приточного воздуха П₁, при смешении подогретого наружного и рециркуляционного воздуха. Для получения требуемой относительной влажности φ_в=45±5 % подогретый приточный воздух адиабатно увлажняется (процесс Кл—А) в блоке сотового увлажнения КЦКП. По расчету эффективность адиабатного увлажнения Е_а = 0,8, что связано с необходимостью применения сотовых орошаемых блоков глубиной до 200 мм.

При смешении подогретого и увлажненного воздуха (точка А) и вытяжного воздуха (точка В) получаем приточный воздух (точка П₁) с энтальпией і_нl = 39,5 кДж/кг. Это приведет к допустимому снижению φ_в до 43%. Благодаря утилизации сокращение расхода теплоты на нагрев приточного наружного воздуха (%) составляет (t_н2 – t_нх)/( t_кл – t_нх) • 100 = (-4 + 26)/ (15 + 26) • 100 = 54%.

Принципиальная схема предлагаемой СКВ для чистых помещений, функционирующая по энергосберегающей технологии, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема центральной СКВ для обслуживания чистых помещений по энергосберегающей технологии: 1 — чистое помещение; 2 — рабочее место со столом с отверстиями перфорации; 3 — воздуховод рециркуляции воздуха L_в из фальшпола чистого помещения; 4 — центральный приточно-очистительный агрегат из технологических блоков КЦКП, рассчитанный на производительность L_п=L_пн+L_в; 5 — центральный приточный агрегат из технологических блоков КЦКП, рассчитанный на производительность по приточному наружному воздуху L_пн~L_у; 6 — приточный воздуховод к чистому помещению: 7 — концевые электронагреватели, управляемые от датчика контроля температуры t_в; 8 — фильтр абсолютной очистки в кассетах, расположенный над перфорированным потолком; 9 – вытяжной агрегат, рассчитанный на производительность по вытяжному выбросному воздуху L_y

В чистом помещении l площадью 30 м² устроены три рабочих места 2 с местной вытяжкой от каждого стола через перфорацию в нем. Вытяжной воздух L_y забирается в вытяжной агрегат 9, собранный из технологических блоков КЦКП-5, в которые встроен блок воздухоохладителя с поддоном и сепаратором, играющим роль теплоизвлекающего теплообменника установки утилизации.

Над перфорированным потолком чистой комнаты располагается фильтр 8, состоящий из трех кассет, заполненных фильтрующим материалом концевой очистки (абсолютный фильтр). Над фильтром 8 в приточном ответвлении к каждой рабочей зоне чистого помещения установлены зональные электронагреватели мощностью 3,6 кВт каждый, управляемые от отдатчика контроля температуры воздуха в рабочей зоне t_в.

Компенсация технологической вы тяжки L_y осуществляется подачей приточного наружного воздуха L_п.н агрегатом 5, собранным из следующих технологических блоков КЦКП-5: пере дней панели с воздушным клапаном управляемым от электропривода, сбалансированного с пускателем электродвигателя вентилятора агрегата фильтра EU3; теплоотдающего теплообменника установки утилизации; воздухоохладителя с сепаратором и поддоном; калорифера; сотового адиабатного увлажнителя; вентиляторной блока; переходной секции с клапаном.

Очистка и подача приточного воздуха (L_п = L_пн + L_в) осуществляются агрегатом 4, собранным из следующих технологических блоков КЦКП-40: камеры смешения с воздушным клапаном на линии забора рециркуляционного воздуха L_в; фильтра EU7; приточного вентиляционного агрегата (L_п = 30 000 м³/ч); шумоглушителя. Рециркуляционным 3 и приточным 6 воздуховодами приточно-очистительный агрегат 4 связан с чистым помещением l.

Применение предлагаемой СКВ по энергосберегающей технологии вместо традиционных центральных СКВ обеспечивает значительное снижение капитальных затрат и расходов энергии при эксплуатации.