藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：近年來(lái)，隨著LED行業(yè)迅速發(fā)展，巨大的市場(chǎng)需求推動(dòng)了LED技術(shù)不斷創(chuàng)新，催生了高端市場(chǎng)的應(yīng)用需求，作為L(zhǎng)ED白光照明制造必不可少的原材料之一，藍(lán)寶石襯底的需求預(yù)期同樣被市場(chǎng)所推動(dòng)。藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐是藍(lán)寶石晶體制備工藝中的重要設(shè)備，而藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)尤其是無(wú)壓力回水等的穩(wěn)定性關(guān)系到藍(lán)寶石晶體的良率，這就對(duì)暖通設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。鑒于此，簡(jiǎn)述了某藍(lán)寶石長(zhǎng)晶車(chē)間的PCW系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和設(shè)備選型，針對(duì)無(wú)壓力回水的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所采用的節(jié)能措施進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石；長(zhǎng)晶爐；PCW系統(tǒng)；板式換熱器；精密過(guò)濾器；循環(huán)水泵；不銹鋼水箱；閉式冷卻塔

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ164.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）20-0054-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.012

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(zhǎng)、應(yīng)用廣泛等諸多優(yōu)勢(shì)，世界上主要國(guó)家和地區(qū)均在大力發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)。隨著中國(guó)的城市化進(jìn)程加快，在公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用的路燈等功能性照明和商業(yè)性照明領(lǐng)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L(zhǎng)ED白光照明制造必不可少的原材料之一，藍(lán)寶石襯底的需求預(yù)期也同樣被市場(chǎng)所推動(dòng)。藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐是藍(lán)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(lán)寶石晶體。

藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的工作原理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要精確的溫度控制、原料處理和爐體設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)。冷卻水作為藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的熱交換工作載體，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在流動(dòng)，它的溫度波動(dòng)，直接影響了藍(lán)寶石晶體的結(jié)晶狀況，故對(duì)藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量有著重要影響[1]。藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐的工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“PCW系統(tǒng)”）對(duì)于保持爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性至關(guān)重要，穩(wěn)定的PCW系統(tǒng)可以確保藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)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(gè)工業(yè)用水量的70%～80%[2]。因此，通過(guò)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(jiǎn)述了藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)需求，其次介紹了PCW系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行計(jì)算選型和布置，并分享了藍(lán)寶石長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中所采用的節(jié)能措施，望行業(yè)同仁批評(píng)指正。

1 工程概況

本項(xiàng)目地點(diǎn)位于福建省泉州市某藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)基地的2#長(zhǎng)晶廠房。長(zhǎng)晶板塊由1#～2#長(zhǎng)晶廠房組成，其中2#長(zhǎng)晶廠房地上2層，建筑高度10 m，耐火等級(jí)為一級(jí)，火災(zāi)危險(xiǎn)性類(lèi)別為丙類(lèi)2項(xiàng)，總建筑面積約27 000 m2。

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

2 單臺(tái)長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

冷卻水進(jìn)出水溫度：25/35 ℃；冷卻水進(jìn)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(zhǎng)晶爐需要零壓回水，因此冷卻水回水箱需要設(shè)置在比長(zhǎng)晶爐車(chē)間低的位置，本項(xiàng)目在車(chē)間地下室設(shè)置了一間PCW水池及泵房設(shè)備房，專(zhuān)門(mén)用于放置長(zhǎng)晶車(chē)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(guò)濾器以及控制柜等設(shè)備和相關(guān)管路。長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

3 長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)設(shè)備選型

3.1 長(zhǎng)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(zhǎng)晶爐的冷卻水進(jìn)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(jī)或離心機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵以及冷卻塔等設(shè)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(gè)PCW系統(tǒng)能耗非常高，這也是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。

從節(jié)能及穩(wěn)定運(yùn)行角度出發(fā)，考慮到本工程中長(zhǎng)晶爐的冷卻水進(jìn)出水溫度為35/25 ℃，而長(zhǎng)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(zhǎng)期低于17 ℃，非常有利于利用室外空氣作為天然冷源給長(zhǎng)晶爐的冷卻水出水進(jìn)行預(yù)冷，從而降低進(jìn)入板式換熱器二次側(cè)的進(jìn)水溫度，減少板式換熱器一次側(cè)冷凍水的需求，最終達(dá)到降低整個(gè)PCW系統(tǒng)能耗的目的。

本項(xiàng)目采用的具體措施是配置一臺(tái)閉式冷卻塔（考慮到冷卻水的水質(zhì)要求高，采用開(kāi)式冷卻塔會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)晶爐冷卻水回水依靠重力流到地下設(shè)備房?jī)?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(jìn)行預(yù)冷，然后進(jìn)入板式換熱器內(nèi)精準(zhǔn)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(guò)濾器輸送到長(zhǎng)晶車(chē)間內(nèi)的長(zhǎng)晶爐PCW接入口，從而完成整個(gè)冷卻循環(huán)流程。

3.2 板式換熱器選型計(jì)算

板式換熱器理論換熱量計(jì)算公式如下：

Q= （1）

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

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

Q1=CpΔtρW/3 600

=4.2×10×1 000×（4×20）/3 600

≈933.3 kW

考慮到換熱器效率衰減和長(zhǎng)晶爐瞬時(shí)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(jì)算，即：

Q2=Q1×1.4=933.3×1.4≈1 307 kW

考慮到二次側(cè)進(jìn)出水溫度35/25 ℃，如果采用傳統(tǒng)的低溫冷水機(jī)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(dá)到13 ℃，雖然換熱效率高，但冷水機(jī)組的制冷效率低。從節(jié)能及高效運(yùn)行出發(fā)，本項(xiàng)目采用中溫冷水機(jī)組，其提供的一次側(cè)供回水溫度為13/18 ℃，中溫冷水機(jī)組的制冷COP值比低溫冷水機(jī)組要高15%以上。

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

3.3 閉式冷卻塔選型

考慮到閉式冷卻塔盤(pán)管換熱效率的衰減、夏季也能進(jìn)行大幅預(yù)冷以及閉式冷卻塔廠家的專(zhuān)業(yè)軟件選型建議等因素，綜合考慮建筑物功能、周?chē)h(huán)境條件、場(chǎng)地限制、熱工指標(biāo)、噪聲指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]，本工程選用的閉式冷卻塔規(guī)格參數(shù)如下：冷卻水量120 m3/h，進(jìn)出水溫35/22 ℃，濕球溫度17 ℃，盤(pán)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(jìn)入低溫水箱。水泵的揚(yáng)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(chǔ)上加20%的裕量。本工程選用兩臺(tái)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96 m3/h，揚(yáng)程0.28 MPa，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(zhǎng)晶車(chē)間內(nèi)的長(zhǎng)晶爐PCW接入口。水泵的揚(yáng)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(guò)濾器阻力、長(zhǎng)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(chǔ)上加20%的裕量。本工程選用兩臺(tái)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(yáng)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(xiàng)目的PCW系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)置蓄水箱Hq1pLsSyHMRBNh3Mxq9MpOcxFUQavheb4FnX8jfloxI=，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(yùn)行時(shí)，應(yīng)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(xiàng)目的長(zhǎng)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(xiàng)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(zhǎng)×寬×高），有效容積15 m3，不銹鋼材質(zhì)。

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

3.7 袋式精密過(guò)濾器選型

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

4 長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

根據(jù)第3章對(duì)長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的介紹及選型，供回水管道均采用不銹鋼管[5]，長(zhǎng)晶爐PCW系統(tǒng)設(shè)備、機(jī)房設(shè)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(jié)及展望

1）設(shè)計(jì)初期對(duì)長(zhǎng)晶爐相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、特殊需求的理解和工藝專(zhuān)業(yè)的緊密配合對(duì)于PCW系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要，它們對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備計(jì)算選型、機(jī)房設(shè)置位置、節(jié)能降耗、后期運(yùn)維都有影響，牽一發(fā)而動(dòng)全身。項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)工作做得不扎實(shí)，會(huì)導(dǎo)致中后期調(diào)整面臨多重掣肘。

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

3）本項(xiàng)目中PCW系統(tǒng)依據(jù)長(zhǎng)晶爐的緊急供水需求（停電時(shí)能有緊急供水保證長(zhǎng)晶爐的緊急降溫需求）設(shè)置了高位水池，該部分由工藝給排水專(zhuān)業(yè)完成，本文不過(guò)多贅述。

4）前期工藝需求條件調(diào)整帶來(lái)的多次設(shè)備機(jī)房提資條件的變化，造成部分設(shè)備選型過(guò)分寬裕，是本次設(shè)計(jì)的遺憾之處。今后應(yīng)多總結(jié)整理長(zhǎng)晶爐等PCW需求設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，逐步完善設(shè)計(jì)方案，避免出現(xiàn)類(lèi)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(zé)任和愿景，望本設(shè)計(jì)案例可為行業(yè)同仁提供參考。

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[4] 工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50019—2015[S].

[5] 電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50472—2008[S].

收稿日期：2024-06-12

作者簡(jiǎn)介：蔣仕（1980—），男，湖南湘陰人，高級(jí)工程師，研究方向：建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)、制冷技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝機(jī)電設(shè)計(jì)。