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“干盤管”在電子潔凈廠房中的應用

引言

空氣潔凈技術(又稱潔凈技術或潔凈室技術)最初是指以控制室內空氣中懸浮顆粒物濃度為目標的相關技術,并以此來劃分潔凈度等級或級別。隨著現代技術(航天技術、原子能技術、醫療、制藥、生物,實驗室,電子技術等)的迅速發展,特別是微電子工業的發展,對生產環境的潔凈技術已被廣泛應用,控制的對象也從單一的懸浮顆粒物擴展到有害氣體,形成了當前比較完善的潔凈技術體系。現代工業潔凈室應用的代表是微電子行業,主要產品為大規模集成電路和平板顯示器。半個多世紀以來,集成電路得到迅猛發展。微電子產品的迅速發展對傳統的潔凈技術提出了極大的挑戰,同時也促進了現代潔凈技術的發展。

1 電子潔凈廠房的概念綜述

電子潔凈廠房的組成、定義及分類

電子潔凈廠房一般包括四個部分:潔凈生產用房(通常兼有一般生產用房),空調冷凍機房,純水和氣體凈化站,人員、物料凈化用房。我國國家標準GB50072‐2001《潔凈廠房設計規范》將潔凈室定義為“空氣懸浮粒子濃度受控的房間”。并要求“它的建造和使用應減少室內誘入、產生及滯留粒子。室內的其他有關參數如溫度、濕度、壓力等按要求進行控制”。這一定義與最新的ISO14644國際標準的定義是一致的。包括了潔凈室以空氣中懸浮粒子濃度為主要控制對象,空氣潔凈技術所依據的基本原理,不同的應用要求及控制級別對其它有關參數的控制要求。

潔凈室按不同分類方式有很多種。按潔凈室用途分,可分為工業潔凈室和生物潔凈室;按氣流組織形式分,可分為單向流潔凈室、非單向流潔凈室(又稱亂流潔凈室)、混合流潔凈室、矢流(對角流)潔凈室;按潔凈室建造方式分,可分為土建式潔凈室和裝配式潔凈室;按空氣潔凈設備的布置方式分,可分為全室型潔凈室、局部型潔凈室和結合型潔凈室。

1.2電子潔凈廠房的特點

電子潔凈廠房在工藝、維護結構和空調系統氣流組織上都有其獨有的特點: 1.電子潔凈廠房有其特定的工藝生產特點:

分類眾多,有集成電路生產,平面顯示器生產,硅材料生產,光纖生產,制卡業,表面貼裝,分離器件生產,整機組裝生產,自控元器件生產等等。冷負荷比其他行業的潔凈室大很多。單位冷負荷達400w/m2~500 w/m2很常見。由于冷負荷大,一般情況下,冬季也需要供冷成為電子行業特點。

2.維護結構要求嚴密性非常高,并且要求結構盡量不產生塵、不積塵。目前,潔凈廠房的圍護結構均為夾心彩鋼板,夾心層為巖棉、鋁蜂窩、紙蜂窩、聚苯、聚氨酯等,根據廠房性質

和業主要求進行選擇。采用上述結構后,潔凈室的絕熱性將大大加強,外界的熱量很難通過圍護結構進入室內,同時室內的熱量也很難通過維護結構傳出;

3.循環風量大,氣流分布要求均勻。潔凈室的潔凈度是由經過三級過濾(初、中、高)的潔凈空氣來稀釋室內被污染的空氣或利用活塞效應用潔凈空氣把被污染的空氣擠壓出潔凈室的方法而達到不同潔凈度的,因此潔凈空調系統的風量和氣流組織形式是保證達到潔凈度的關健,1.非單向流潔凈室一般適用于6、7、8、9級(也就是原美國聯邦標準209E千級、萬級、十萬級),潔凈度要求不高的潔凈室是用稀釋的方式來達到一定的潔凈度,所需的風量相應較小,送風量的取值一般以每小時換氣次數來決定。2.單向流的潔凈室的風量是以潔凈室斷面氣流流速來確定。無論何種情況的風量計算其主要作用在于限制和減少灰塵對工件或工作區域的污染;

4.溫濕度要求精度高并且恒定。由于電子產品的制造工藝對溫、濕度的變化極為敏感,所以空氣參數的波動要控制在極小的范圍內,因此,自控系統如DDC、PLC等在潔凈系統控制中有著不可忽視的作用;

5.潔凈室內換氣次數高。新風補給量大。因電子廠房工藝設備有著多種性質的工藝排風,如熱、酸、堿、有機氣體等因排風量大,這樣就需要很大的新風來補給和維持室內的正壓,從而保證室內空氣不被外界污染。為了維持高潔凈度就需要較多的換氣次數來過濾塵埃粒子。另外,因電子行業潔凈室內部產熱量極大而產濕量極小的情況,故需要大量的新風帶走熱量。

2 電子潔凈廠房中常見的空調系統形式

電子潔凈廠房的空調系統設計,具有和一般潔凈室相同的特點:除塵、防塵、溫濕度控制、正壓要求、有害氣體排放、結構物與隔間的氣密性、靜電防治、電磁干擾預防、安全因素、節能等。眾所周知的形式就是通過空調箱來實現。那么,對于電子潔凈廠房的高要求以及其特點,其空調形式又將作如何的變化呢?在這里,我們先簡單的介紹,在潔凈室一般都會使用的傳統凈化空調方式

2.1新風機組+空調機組(AHU)+高效過濾器(HEPA)的空調形式

該空調方式指的是室外新風經過新風機組處理后送入混風機組,混風機組把回風與新風混合并處理至所要求的空氣參數后直接用風管送風到各終端高效過濾器(HEPA),通常新風機組將新風處理到室內焓值,不承擔室內負荷,只承擔新風負荷,由混風機組承擔室內的濕負荷和顯熱負荷,空調方式示意圖見圖1。

 

2.2空調機組(AHU)加風機過濾器單元(FFU)的空氣處理形式

此方案中的空調機組承擔了所有熱(冷)濕負荷的處理,包括室內負荷和新風負荷的處理,還要進行初、中效過濾,空調機組的風量就是消除室內熱濕負荷所需的風量,FFU的風量就是滿足潔凈度所需的風量,計算負荷時不要漏了FFU風機的溫升形成的負荷,這部分負荷的量也是比較大的,這種空氣處理方案是將處理熱濕負荷所需的風量和潔凈所需的風量分開,這時循環空調箱(AHU)所需的風量就大大的降低了,不僅節省了運行能耗而且還大大的減少了空調機房的面積,減少了龐大的送、回風管的材料和占據的建筑空間,使潔凈廠房的總高度可以降低,節約了初投資。圖2是其它空氣處理過程。

 

2.3新風機組+干盤管(Dry Coil)+FFU的空調形式

新風機組+干盤管+FFU空調方式指的是室外新風經過新風機組處理后送入潔凈室的天花技術夾層內,干盤管負責處理空氣至所要求的參數,然后用FFU來循環空氣從而達到潔凈度要求的換氣量,通常新風機組將新風處理到室內露點溫度,承擔新風負荷及室內濕負荷,干盤管承擔室內的顯熱負荷,FFU負責循環及過濾空氣。即濕度由新風機組負責,溫度由干盤管負責,潔凈度由FFU負責,空調方式示意圖見圖3。

 

圖3新風機組+干盤管(DC)+FFU的空調形式示意圖

筆者將要重點介紹的干盤管(DC),就是該系統的重要組成部分。

3 干盤管在電子潔凈廠房中的實際應用

干盤管,是一種新型設備還是一種設計,至今業內雖然還存在著爭論,但筆者,更加傾向于其是一種設計的說法。原因是,干盤管和一般我們常見的FCU內的盤管相比,就其材質而言,是一樣的;就其工作原理而言,亦與普通的FCU內的盤管一樣。只不過在有些特定的條件下,有可能需要調整盤管的換熱面積和風機風量,讓與一般傳統的FCU內的盤管有所不同而已,即我們常說的非標產品。

干盤管,這個設計概念,最先是由臺灣人和日本人想出來的。所謂“干盤管”,是因為在這種系統中,冷凍盤管僅承擔顯熱負荷,其冷凍水進水溫度一般在13℃以上,也就是說在室內空氣的露點溫度以上,盤管一般不可能產生冷凝水,屬于干工況運行,所以叫其干盤管。

下面,筆者就先從其設計選型說起。

3.1 干盤管的設計選型

先前筆者已經提到了,干盤管與傳統的FCU內部的盤管無異,所以其選型的技術參數也是與傳統的FCU極為相似,即冷卻能力,額定風量,水量,水壓損失,重量等。 額定風管的確定:由其潔凈室的送風量減去新風量計算而得。根據“潔凈廠房設計規范”,不同潔凈等級的潔凈室,其空氣換氣次數也是不同的。例如,10萬級的潔凈室,其空氣換氣次數一般選擇10-15次/小時。 潔凈室的送風量應取下列三項中的最大值; 1.為保證空氣潔凈度等級的送風量; 2.根據熱濕負荷計算確定的送風量; 3.向潔凈室供給的新鮮空氣量。

潔凈室的新風量應取以下兩項的最大值:

1.補償室內排風量和保持室內正壓值所需新鮮空氣量之和; 2.保證供給潔凈室內每個人每小時的新鮮空氣量≥40m³/h。

對于電子廠房潔凈室來說,室內的工作人員較少,滿足人員衛生要求所需新風量要求遠小于維持室內正壓所需新風量,一般可以根據維持正壓和補充排風的要求確定最大的新風風量。另外,值得一提的是,新風還必須承擔室內全部濕負荷,保證干盤管正常運行。因此系統的新風量還必須滿足:

GX=W/((dN‐dx)•ρ) (1)

式中:dN和dx分別為新風送風和室內空氣的含濕量(kg/kg);

W為房間的散濕量(kg/h);

ρ為空氣密度(kg/m³)。

但是,原因筆者在先前在電子潔凈廠房的特點4中,已提到了,其產濕量極小。原因即是,電子潔凈廠房內的人員很少,而且人員必須經過凈化用房換鞋更衣,再經空氣淋浴等,方能進入潔凈生產用房。其工作人員的工作服裝,亦有很好的氣密性,可使其人員對外的散濕量降到最低。所以,一般情況下,此數值也遠遠小于維持正壓和補充排風的要求確定最大的新風風量。

冷卻能力的確定:

上面筆者已經提到了,其冷凍盤管僅承擔室內的顯熱負荷,可由下式確定: Qgf=QNx‐QXJx= QNx‐GXcpρ(tx‐tN)/3600 (2)

式中:QNx和QXJx分別為室內和新風所承擔的顯熱負荷(kW);

GX為系統新風量(m³/h);

cp為新風的定壓比熱容(kJ/(kg•℃));

ρ為空氣密度(kg/m³); tx為新風送風溫度(℃);

tN為室內設計溫度(℃)。

其中,新風的送風溫度,一般我們可以按照,新風空調箱可以處理到的露點溫度來計算。 在這里,值得一提的是,有時我們經常會遇到QXJx的數值,比QNx大的情況。一般會由于工藝情況變化等原因造成。此時,我們一般會在新風空調箱內加“再熱段”來解決此問題。 水量,水壓損失的確定:

W=Qgf /(cρ(th-tj)) (3)

式中,W為冷水量(m³/s);

Qgf為干盤管的顯熱負荷;

c為水的比熱容,可取4.19kJ/(kg•℃);

ρ為水的密度,可取1000kg/m³; thw為回水的平均溫度(℃);

tj為供水溫度(℃)。

其中,tj高于室內設計點的露點溫度。thw一般以與冷凍機供回水溫差匹配為原則,通常為5℃或6℃。

水壓損失,此參數一般可從廠家提供的樣本查詢,在此不做詳細的說明。下圖即是樣本中提供的水壓損失參數:

 

如此,對于干盤管選型最重要的一些參數,就確定下來了。

3.2 干盤管的換熱面積及干盤管排數的確定與FFU風壓能力的計算:

FFU在潔凈廠房吊頂上的布置采用滿布的方式,FFU單元的風扇噪音指數疊加將直接影響到潔凈室的環境要求。我們將綜合好FFU的風壓升高引起的噪聲升高和干盤管的換熱面積及盤管排數作為一個重要指標來考慮。

3.2.1 干盤管換熱面積:

干盤管的換熱面積可由潔凈室循環風量根據面風速法來確定,然而我們這里通常要配合高效送風單元FFU的風壓來綜合考慮,干盤管的風壓損失對整個系統有著至關重要的意義。但是此數據,目前在國內,尚未標準化。我們解決此問題的方法,目前一般還是根據廠家實驗室的數據,來確定在不同的送風速度下,干盤管的風壓損失。根據廠家的實驗數據以及業內的經驗,風壓損失一般希望控制在15Pa以內(綜合盤管排數數據),對于系統的設計來說非常有利。我們可以根據實驗室經驗數據提供的對應盤管面積下所取得的風速及風壓損失來確定設計當中適合的盤管面積。

3.2.2 干盤管的排數:

干盤管排數的增加可以增大盤管與回風的換熱效率,然而排數的增加同樣又增加了FFU單元的壓頭負擔,這里我們在盤管安裝面積允許的情況下優先考慮減少排數的數量,將排數控制在一排到兩排較為有利。

可見,寬裕的盤管安裝面積有利于干盤管FFU系統的換熱效率及噪聲控制。在潔凈室空調系統方案確定階段就綜合考慮到和土建工藝專業的配合非常重要。 4 實際案例分析:

上海某新建電子廠房建筑面積12341m2,其中生產廠房內潔凈區域分為ISO06和ISO07兩個級別的凈化要求。其中ISO06潔凈區域范圍為一層生產車間,凈化面積約為1941 m2。通過負荷軟件計算,除去室內新風所需承擔的顯熱冷量,干盤管所需承擔的為450KW,然后根據公式(3),可算出干盤管水流量75m3/h(其中供回水溫差為5℃)。

一層千級潔凈區域室內設計參數為:溫度23±1 °C,濕度50±5 %。采用獨立新風機組MAU+干盤管DC+末端FFU系統,室內回風經地板及回風夾道經過干盤管降溫處理送入吊頂與新風混合后經由末端FFU送入室內,氣流組織型式為上送下回形式。過濾器效率為:DOP效率η>99.97(@0.3μm)。房間的循環風量按50次/h計算。在四層空調機房內設置全新風空調MAU。新風經MAU處理(新風,初效過濾,中效過濾,降溫除濕/加熱加濕,再熱處理)后,送入吊頂內靜壓箱。

由于本案例案例中,送風量為保證空氣潔凈度等級的送風量,新風量為補償室內排風量和保持室內正壓值所需新鮮空氣量之和。兩者之差,即總回風量為562300 m3/h,根據平面布置情況,選擇干盤管數量為47片,單片經過的風量為11964 m3/h,按1.5m/s的風速確定單片干盤管面積為2.3m2,單片冷量為9.58kw,進水溫度為13°C,大于23°C,50%所對應的等濕線露點溫度,溫差選擇為5°C,單片水量為1.6m3/h。 下圖即為該廠房的原理圖:

 

 

圖如下:干盤管均勻布置于廠房四周的回風吊頂內,回風經回風夾道進入吊頂回風箱之前先經過干盤管。布置干盤管一般建議采用垂直于風向布置,在風道面積不夠的情況下可采用有角度的布置方式。

 

5 干盤管的控制及常見施工問題:

干盤管通過水量控制來實現室內溫度控制,按照區域將吊頂內的干盤管分成固定的幾組,根據室內溫度傳感器控制的結果來控制相對區域單組盤管的閥門開度,從而達到控制溫度的效果。

按照設計理論來說,干盤管是在干工況下運行的,是不會有冷凝水的,但是一個凈化房間在剛開空調機的時候,干盤管在進入正常干工況之前的那一段時間內是在濕工況下運行的,即使凝結水量很少,筆者還是建議要設置凝結水盤及排水管,保證不滴水漏水,而且如果干盤管需要清洗或者排空,也有排水設施可用,所以盡量考慮設置凝結水盤及排水管;

6 干盤管系統的優缺點比較:

空調機組(AHU)加風機過濾器單元(FFU)與新風機組+干盤管(DC)+FFU的區別在于省略了回風管,下面就傳統凈化空調方式與盤管+FFU凈化方式的匯總

 

7 結束語:

干盤管,雖早已不是什么新興事物,但是其設備樣本,設計計算等,至今尚未標準化。許多尚需通過經驗或廠家實驗來確定。最近,筆者看到國內的一些廠家,已經開始提供干盤管系列的樣本,雖然只有照片,材質等信息,但是這一變化,必是其標準化路上的必經之路。相信經過設計人員、生產廠家等的共同努力,干盤管的標準化,必會迎來其“春天”。

電子電路行業的飛速發展,潔凈室的使用將會越來越廣泛,而凈化空調方式的選擇則顯得尤為重要,由于常規系統(新風機組+混風機組+高效過濾器)存在著運行能耗高、建筑空間要求大、管線交叉多等缺點,我們有理由推薦使用新型凈化空調方式(新風機組+干盤管+FFU),其節能效果是明顯優于常規系統的,建筑空間要求小,管線也不多,并且綜合造價和成本與常規系統相差已經不大,相信在不久的將來會更低,所以新風機組+干盤管+FFU 凈化空調方式的實施是具有現實可行性的。

隨著空調技術的發展,凈化空調的設計方式必然會更多,只要我們認真了解系統,有針對性地進行研究,相信電子廠房凈化空調方式的選擇會不斷更新,并且能夠不斷完善,能夠再進一步的降低能源成本。

 

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