工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)研究與應(yīng)用

【摘要】工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)常用于半導(dǎo)體、微電子等行業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的間接冷卻。工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，對工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)組成、工作原理、系統(tǒng)特點及系統(tǒng)模式選擇等內(nèi)容進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】工藝?yán)鋮s水；開式系統(tǒng)；閉式系統(tǒng)

工藝?yán)鋮s水的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到工業(yè)生產(chǎn)中的各方面，包括半導(dǎo)體、微電子、工業(yè)制冷機、火電廠中汽輪機排氣冷凝、大型中央空調(diào)、煤化工、石化廠、天然氣管道降溫等場所均有大量的工藝?yán)鋮s水使用[1～5]。在許多產(chǎn)品或工藝生產(chǎn)環(huán)境都要求配備潔凈廠房，車間全年要求溫度和相對濕度保持在一定范圍，其中一些生產(chǎn)過程發(fā)熱量大，工藝設(shè)備需要低溫水冷卻降溫，甚至在冬季仍然需要空調(diào)供冷，為了滿足這些要求，必須建造工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)，工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩類。介紹了工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)組成、工作原理、系統(tǒng)特點及系統(tǒng)模式選擇等內(nèi)容。

1、工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)組成及工作原理

工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)由以下幾部分組成：冷水機組、泵、熱交換器、水箱、過濾器、工藝設(shè)備。如圖1所示。

冷水機組：給冷卻水系統(tǒng)提供冷源。

水泵：對水加壓，保證其在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動。

熱交換器：利用此設(shè)備使冷凍水系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生熱交換，以將此系統(tǒng)負(fù)載端產(chǎn)生的熱量傳送給冷凍水系統(tǒng)。熱交換器種類繁多，按其形式可分管殼式、板式、板翅式、熱管式等。相比較而言，板式熱交換器具有占地面積小，傳熱面積大的優(yōu)點，考慮到半導(dǎo)體廠房空間面積造價特點，優(yōu)選占地面積小的設(shè)備，節(jié)約用地面積，節(jié)省了工程造價。

水箱：開式系統(tǒng)中水箱主要起到補充水源作用。閉式系統(tǒng)中水箱需要選擇膨脹水箱，膨脹水箱有三個作用，一是收容和補償系統(tǒng)中水的脹縮量；二是向密閉式循環(huán)水系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力，起到系統(tǒng)穩(wěn)壓的作用；三是作為系統(tǒng)補水泵的指示，通常由膨脹水箱發(fā)出信號啟動或關(guān)閉系統(tǒng)補水泵。

過濾器：過慮掉水中的固體顆粒雜質(zhì)，凈化水源。

工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)中有冷凍水和冷卻水這兩個相對獨立的系統(tǒng)，冷凍水由冷水機組提供，冷凍水與冷卻水進(jìn)行熱交換，使冷卻水降溫從而降低設(shè)備的溫度。從生產(chǎn)設(shè)備抽水經(jīng)水泵至熱交換器通過控制冷凍水的量來保證工藝?yán)鋮s水的水溫，通過過濾器后送至生產(chǎn)線設(shè)備，再回到水泵。構(gòu)成工藝?yán)鋮s水反復(fù)循環(huán)。冷凍水則直接回冷水機組。

1.1風(fēng)冷與水冷冷水機組比較

風(fēng)冷冷水機組是以空氣為冷（熱）介質(zhì)，作為冷（熱）源兼用型的一體化設(shè)備。如2所示。機組以其高效、低噪音、結(jié)構(gòu)合理、操作簡便、運行安全、安裝維護方便等優(yōu)點。風(fēng)冷模塊機組省去了冷凍水系統(tǒng)所必不可少的冷卻塔、水泵、鍋爐及相應(yīng)的管道系統(tǒng)等許多輔件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝空間省、維護管理方便且又節(jié)約能源。另外，冷凍水不暴露于空氣中，水的損耗很少，因此可以使用純水，避免了水質(zhì)過差的地區(qū)所造成的冷凝器結(jié)垢，水管堵塞等現(xiàn)象，同時還節(jié)約了水資源。

水冷冷水機組是靠水循環(huán)來達(dá)到冷凝效果，然后靠水循環(huán)來帶走一定的熱量的冷水設(shè)備；通常有“水冷螺桿機組”“水冷渦旋機組”。如圖3所示。水的再冷卻是通過冷卻塔來進(jìn)行的，因此冷凍水在循環(huán)過程中要與空氣接觸，部分水在通過冷卻塔時還會不斷被蒸發(fā)損失掉，因而水中各種礦物質(zhì)和離子含量也不斷被濃縮增加。為了維持各種礦物質(zhì)和離子含量穩(wěn)定在某一個定值上，必須對系統(tǒng)補充一定量的冷卻水，通常稱作補充水，并排出一定量的濃縮水，通稱排污水。

1.2冷水機組基本組成

冷水機組主要構(gòu)成部分有：壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、熱力膨脹閥。

壓縮機：壓縮機是整個制冷系統(tǒng)中的核心部件，也是制冷劑壓縮的動力之源。它的作用是將輸入的電能轉(zhuǎn)化為機械能，將制冷劑壓縮。

蒸發(fā)器：蒸發(fā)器是依靠制冷劑液體的蒸發(fā)（實際上是沸騰）來吸收被冷卻介質(zhì)熱量的換熱設(shè)備。它在制冷系統(tǒng)中的功能是吸收熱量（或稱輸出冷量）。為了保證蒸發(fā)過程能穩(wěn)定持久的進(jìn)行，必須不斷的用制冷壓縮機將蒸發(fā)的氣體抽走，以保持一定的蒸發(fā)壓力。

冷凝器：在制冷過程中冷凝器起著輸出熱能并使制冷劑得以冷凝的作用。從制冷壓縮機排出的高壓過熱蒸氣進(jìn)入冷凝器后，將其在工作過程吸收的全部熱量，其中包括從蒸發(fā)器和制冷壓縮機中以及在管道內(nèi)所吸收的熱量都傳遞給周圍介質(zhì)（水或空氣）帶走；制冷劑高壓過熱蒸氣重新凝結(jié)成液體。（根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻方式的不同，冷凝器可分為三類：水冷式冷凝器、風(fēng)冷式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器。）

熱力膨脹閥：熱力膨脹閥在制冷系統(tǒng)中既是流量的調(diào)節(jié)閥，又是制冷設(shè)備中的節(jié)流閥，它在制冷設(shè)備中安裝在干燥過濾器和蒸發(fā)器之間，它的感溫包是包扎在蒸發(fā)器的出口處。其主要作用是使高壓常溫的制冷劑液體在流經(jīng)熱力膨脹閥時節(jié)流降壓，變?yōu)榈蜏氐蛪褐评鋭裾魵猓ù蟛糠质且后w，小部分是蒸汽）進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)汽化吸熱，而達(dá)到制冷降溫的目的。

2、開式與閉式系統(tǒng)特點比較

冷卻水系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種，閉式系統(tǒng)主要由水泵、板換、工藝設(shè)備、管網(wǎng)和定壓設(shè)備組成，開式系統(tǒng)主要由水箱、水泵、板換、工藝設(shè)備和管網(wǎng)組成。

開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)相同點：①均為間接傳熱；②工藝設(shè)備對水質(zhì)要求比較高，故系統(tǒng)補水均需軟化水補水（可以采用純水站二級反滲透水作為系統(tǒng)補水，不需要再增加水處理裝置）；③系統(tǒng)冷媒均為冷凍機冷卻水。

開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)不同點：①開式系統(tǒng)冷卻水在水箱處和大氣局部有接觸；② 開式系統(tǒng)無法利用系統(tǒng)回水壓力。

3、工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)模式的選擇

工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)的模式分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，在設(shè)計過程中如何選擇開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)以下幾種情況進(jìn)行選擇[6，7]：①當(dāng)工藝設(shè)備最高處距離水泵板換設(shè)備高差比較大時（高差超過10m），建議采用閉式系統(tǒng)，這樣可以充分利用設(shè)備余壓及靜揚程；②當(dāng)工藝設(shè)備供水壓力要求很高但設(shè)備壓差不大時，建議采用閉式系統(tǒng)，這樣可以利用管網(wǎng)余壓減小水泵揚程，起到節(jié)能作用；③當(dāng)廠房工藝設(shè)備分期分批投產(chǎn)或設(shè)備更新調(diào)整比較平繁時，考慮到系統(tǒng)可調(diào)試性，建議采用開式系統(tǒng)，可以加快系統(tǒng)調(diào)試運行；④從節(jié)能角度考慮，采用閉式系統(tǒng)，可以大大減小工藝?yán)鋮s水供水循環(huán)泵的揚程，一方面可以節(jié)約初投資，另一方面可以節(jié)約能源，減小運行費用。⑤當(dāng)設(shè)備冷卻水溫度在最熱天能用冷卻塔直接降溫或業(yè)主要求投資少時，可以采用開式系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備冷卻水進(jìn)水溫度采用開式冷卻塔無法滿足時采用閉式系統(tǒng)，利用冷凍水作為冷媒。

4、結(jié)論

工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)在半導(dǎo)體、微電子等行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，為了在提高系統(tǒng)工程的穩(wěn)定性、降低工程成本以及節(jié)能等方面取得良好效益，在系統(tǒng)工程設(shè)計過程中如何選擇理想的運行模式顯得非常重要。介紹了工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)組成、工作原理、系統(tǒng)特點及系統(tǒng)模式選擇等內(nèi)容，為工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。