Air conditioning systems for clean rooms

Abstract

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.

Full Text

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.