藍(lán)寶石長晶爐PCW系統(tǒng)設(shè)計

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(yīng)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(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LED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)期也同樣被市場所推動。藍(lán)寶石長晶爐是藍(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)寶石長晶爐的工作原理是一個復(fù)雜的過程,需要精確的溫度控制、原料處理和爐體設(shè)計等方面的技術(shù)。冷卻水作為藍(lán)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(lán)寶石晶體的結(jié)晶狀況,故對藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量有著重要影響^[1]。藍(lán)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(guān)重要,穩(wěn)定的PCW系統(tǒng)可以確保藍(lán)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(lán)寶石長晶爐PCW系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)需求,其次介紹了PCW系統(tǒng)并對系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行計算選型和布置,并分享了藍(lán)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(lán)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(zāi)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(lán)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(shè)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(shè)置在地下一層。長晶車間和PCW機(jī)房區(qū)位圖如圖1所示。

2 單臺長晶爐PCW系統(tǒng)設(shè)計參數(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。

由于長晶爐需要零壓回水,因此冷卻水回水箱需要設(shè)置在比長晶爐車間低的位置,本項目在車間地下室設(shè)置了一間PCW水池及泵房設(shè)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(shè)備和相關(guān)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(shè)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(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(yùn)行角度出發(fā),考慮到本工程中長晶爐的冷卻水進(jìn)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(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(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],長晶爐冷卻水回水依靠重力流到地下設(shè)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(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(jìn)出溫差;ρ為水的密度;W為冷卻水流量。

當(dāng)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(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(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(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120m³/h,進(jìn)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(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(yáng)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(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(chǔ)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(yáng)程0.35 MPa,泵體采用不銹鋼材質(zhì)。

3.6 不銹鋼水箱選型

本項目的PCW系統(tǒng)為開式系統(tǒng),應(yīng)設(shè)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(yùn)行時,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 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(jìn)底出式接管形式。

4長晶爐PCW系統(tǒng)布置設(shè)計

根據(jù)第3章對長晶爐PCW系統(tǒng)中各個設(shè)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(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)計初期對長晶爐相關(guān)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(shè)計而言至關(guān)重要,它們對于整個系統(tǒng)的設(shè)備計算選型、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)而動全身。項目前期設(shè)計工作做得不扎實,會導(dǎo)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(shè)計的重點及難點。本項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(shè)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(shè)備機(jī)房提資條件的變化,造成部分設(shè)備選型過分寬裕,是本次設(shè)計的遺憾之處。今后應(yīng)多總結(jié)整理長晶爐等 PCW需求設(shè)備的設(shè)計參數(shù),逐步完善設(shè)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(zé)任和愿景,望本設(shè)計案例可為行業(yè)同仁提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

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

2024年第20期第12篇