Разработка метода контроля параметров технологического микроклимата чистых помещений на основе эксергетического подхода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Тхеин Хтут У

• Тхеин Хтут У
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Тхеин Хтут У

ОГЛАВЛЕНИЕ

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Современное состояние вопроса кондиционирования воздуха чистых помещений микроэлектроники

1.2. Функционирование и основные требования к системам кондиционирования воздуха чистых помещений

1.3. Закономерности движения воздуха в основных элементах системы воздухоподготовки

1.4. Энергоэффективное кондиционирование и фильтрация воздуха чистых помещений

1.5. Основные выводы и постановка задач исследований

ГЛАВА 2. НАРУЖНЫЙ АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ КАК ИСТОЧНИК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ЧИСТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

2.1. Структурно-целевая модель проблемы обеспечения параметров технологического микроклимата в чистых помещениях

2.2 Анализ состояния наружного воздуха Зеленоградской наукоёмкой природно-технической геосистемы

2.3 Расчетные параметры наружного воздуха

2.4 Основные результаты и выводы

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ТЕПЛО-ВЛАЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧИСТОГО ПОМЕЩЕНИЯ И ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА

3.1. Тепловой режим чистых помещений

3.2. Влажностной режим чистых помещений

3.3. Тепло-влажностной анализ системы кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений

3.4 Основные результаты и выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ ЧИСТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

4.1. Обеспечение температурно-влажностных характеристик в чистых помещениях микроэлектроники

4.2. Расчёт термодинамической эффективности системы воздухоподготовки в чистых помещениях

4.3 Основные результаты и выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА В ЗЕЛЕНОГРАДСКОЙ НПТГ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. 1-ё ДИАГРАММА НАРУЖНОГО ВОЗДУХА В ЗЕЛЕНОГРАДСКОЙ НПТГ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА СКФВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ДИАГРАММЫ ГРАССМАНА СКФВ ЧП

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. УДЕЛЬНАЯ ЭКСЕРГИЯ В ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ СКФВ

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ЧП - чистое помещение;

СКФВ - система кондиционирования и фильтрация воздуха;

НПТГ - наукоёмкая природно-техническая геосистема;

НВ - наружный воздух;

ВЗУ - воздухозаборное устройство;

ЦК - центральный кондиционер;

Кал - калорифер;

КО - камера орошения;

КД - кондиционер-доводчик;

ВВ и ВН - всасывающий и нагнетательный воздуховод; ФФ - финишные фильтры; ФП - фальшпол;

ТО - технологическое оборудование;

Р - персонал;

ОС - окружающая среда;

РЦК - рециркуляционный контур;

ТПГ и ХПГ - теплый и холодный периоды года;

ОВ - отводящий воздуховод;

РЗ - регулирующие заслонки;

РВ - рециркуляционный воздух;

СФ - стартовый фильтр;

СУВ - система обезвреживания и удаления воздуха; ПДК - предельно-допустимая концентрация; КПД - коэффициент полезного действия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода контроля параметров технологического микроклимата чистых помещений на основе эксергетического подхода»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Мировые тенденции развития микроэлектроники характеризуются уменьшением топологических размеров элементов с переходом в наноразмерную область. Данный факт предъявляет всё более жесткие требования к проектированию и эксплуатации чистых помещений (ЧП) микроэлектроники.

Одним из основных условий эффективного функционирования ЧП является обеспечение и контроль тепло-влажностных характеристик воздуха как важнейших параметров технологического микроклимата. Это достигается посредством прецизионной системы кондиционирования и фильтрации воздуха (СКФВ), эффективность которой находится в тесной взаимосвязи с состоянием атмосферного наружного воздуха, конструктивно-технологическими особенностями системы, аэротермодинамическими процессами, структурой и организацией технологического процесса, регламентом поведения персонала в ЧП и др.

В соответствии со строгими технологическими требованиями производства изделий микроэлектроники в ЧП необходимо обеспечить с высокой точностью поддержание постоянства температуры воздуха и его относительной влажности. Однако, как показал анализ отечественных и зарубежных литературных источников по данной проблеме, эти требования не всегда полностью выполняются.

Представленная работа, направленная на исследование и установление закономерностей изменения тепло-влажностных характеристик воздуха в основных элементах СКФВ ЧП и их взаимосвязи с параметрами атмосферного наружного воздуха, а также разработку практических методов тепло - и влагостабилизации воздуха в ЧП является несомненно актуальной.

Объектом исследования является система кондиционирования и фильтрации воздуха чистого помещения микроэлектроники.

Предметом исследования являются тепло-влажностные характеристики воздуха как основные параметры контроля технологического микроклимата в ЧП микроэлектроники.

Целью работы: на основе результатов теоретического и экспериментального исследований термодинамических параметров ЧП разработка метода контроля технологического микроклимата, учитывающего эксергетические потери в основных элементах СКФВ и системе в целом.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. Системный анализ современных проблем кондиционирования и фильтрации воздуха ЧП микроэлектроники и обоснование технико-экологических условий обеспечения тепло-влажностных параметров технологического микроклимата.

2. Анализ влияния свойств атмосферного воздуха на тепло-влажностные параметры технологического микроклимата.

3. Обоснование температуры воздуха и его относительной влажности, поступающего воздуха из СКФВ в ЧП в зависимости от скорости воздушного потока в ЧП.

4. Определение суточных изменений перепадов параметров атмосферного наружного воздуха Зеленоградской наукоемкой природно-технической геосистемы (НПТГ), а именно температуры воздуха, относительной влажности, атмосферного давления и скорости ветра.

5. Термодинамический анализ СКФВ ЧП и установление основных факторов, влияющих на эффективное функционирование системы.

6. Компьютерное моделирование процессов тепло- и влагообмена с целью обоснования их оптимизации по критерию минимума потерь эксергии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана структурно-целевая модель обеспечения требуемых параметров технологического микроклимата, учитывающая динамично изменяющиеся метеорологические характеристики атмосферного воздуха НПТГ, а

также конструкционные и эксплуатационные особенности СКФВ.

6

2. Предложен критерий эффективности функционирования СКФВ, основанный на определении эксергетических потерь в отдельных элементах и системы в целом, что позволяет определить малоэффективные элементы и оптимизировать конфигурацию системы.

3. Разработана методика обеспечения технологического микроклимата в ЧП, которая позволяет управлять термодинамическими процессами в СКФВ с учетом метеорологических характеристик атмосферного наружного воздуха и влияния работы технологического оборудования.

4. Разработан метод контроля температурно-влажностных характеристик в основных элементах СКФВ с использованием математического и компьютерного моделирования, позволяющего минимизировать эксергетические потери в системе.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Теоретическое обоснование тепло-влажностных характеристик обрабатываемого воздуха в СКФВ для обеспечения заданных параметров технологического микроклимата ЧП.

2. Определение критерия эффективности функционирования СКФВ по минимуму эксергетических потерь системы.

3. Практические рекомендации по организации и управлению процессами обработки воздуха на основе аналитического определения температуры, относительной влажности и скорости поступающего воздуха из СКФВ в ЧП.

4. Установление взаимосвязи потерь эксергии в основных элементах системы и скорости воздуха в ЧП, позволяющие определить малоэффективные процессы обработки воздуха для различных компоновочных решений системы.

Достоверность полученных результатов. Разработка физических и

математических моделей подтверждена отсутствием противоречий положениям

основных законов аэро- и термодинамики, совпадением расчетных и

экспериментальных данных в пределах погрешности инженерных расчетов и

сравнением с данными зарубежных и отечественных литературных источников по

решаемой проблеме. Экспериментальные исследования проводились на

современном отечественном и зарубежном оборудовании, а также на специально

7

разработанных стендах в институте «Перспективные материалы и технологии» НИУ МИЭТ. Применимость предложенных методик подтверждена аналитическими расчетами, производственными испытаниями и компьютерным моделированием.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены при энергомониторинге системы воздухоподготовки НИУ МИЭТ, НПП «НаноИнТех» и в учебный процесс НИУ МИЭТ в качестве основных учебно-методических разработок для магистров по программе «Энергетическая эффективность производств электронной техники» по направлению подготовки 11.04.04. (Приложение 1).

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором. Главными из них являются:

1. Определение проблемной области исследований, формулировка цели и основных задач диссертационной работы.

2. Проведение системного анализа современных проблем кондиционирования и фильтрации воздуха ЧП как компонента наукоемкой природно-технической геосистемы.

3. Обоснование технико-экологических условий обеспечения заданных параметров технологического микроклимата.

4. Выполнение анализа влияния изменения параметров атмосферного воздуха Зеленоградской НПТГ на эффективное функционирование СКФВ.

5. Проведение термодинамического анализа СКФВ ЧП и установление основных факторов, влияющих на эффективное функционирование системы.

6. Проведение компьютерного моделирования тепло-влажностных процессов в чистом помещении с целью их оптимизации по критерию минимума потерь эксергии.

На защиту выносятся:

1. Результаты системного анализа состояния атмосферного воздуха Зеленоградской НПТГ как фактора влияния на эффективное функционирование СКФВ ЧП микроэлектроники.

2. Теоретическое обоснование термодинамических параметров воздуха, поступающего из СКФВ в ЧП, синхронизированных с динамично изменяющимися метеорологическими характеристиками атмосферного воздуха и влиянием технологического оборудования, направленное на обеспечение заданных параметров технологического микроклимата ЧП.

3. Результаты эксергетического анализа процессов обработки воздуха в основных элементах СКФВ ЧП, определяющих эффективность системы в целом.

4. Результаты математического и компьютерного моделирования тепло-влажностных процессов в СКФВ с целью оптимизации их режимов по минимуму эксергетических потерь.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 23-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, МИЭТ, 2016 г.); 24-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, МИЭТ, 2017 г.); Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2018 IEEE Conference of Russia; 25-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, МИЭТ, 2018 г.); III Международной научно-практической конференции «Технические науки: научные приоритеты учёных» (г. Пермь, 2018 г.); XVIII Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2018 г.); Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2019 IEEE Conference of Russia; 26-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, МИЭТ, 2019 г.), а также на научных семинарах института «Перспективные материалы и технологии» НИУ «МИЭТ».

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 работах, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ и 4 публикации в зарубежных изданиях, включенных в систему цитирования «Scopus». Разработана одна программа для ЭВМ, имеющая государственную регистрацию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов. Общий объем составляет 143 страниц машинописного текста, включая 62 рисунков, 30 таблиц, список литературных источников, состоящий из 121 наименований и 6 приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Современное состояние вопроса кондиционирования воздуха чистых

помещений микроэлектроники

Чистое помещение является тем конечным элементом производственной инфраструктуры СКФВ, где должны быть созданы и поддерживаться прецизионно-стерильные условия внутрипроизводственной среды с использованием современных технологий очистки воздуха [1-5].

Главной целью технологии очистки воздуха является максимально возможное избавление от аэрозольных частиц в обрабатываемом воздухе перед подачей его в ЧП.

Согласно стандарту ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 чистое помещение (cleanroom) - это помещение, в котором контролируется концентрация аэрозольных частиц и которое спроектировано, построено и эксплуатируется так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц в нем. Помимо этого для возможности реализации высокотехнологичных процессов в ЧП требуется строгое соблюдение нормативных параметров технологического микроклимата (температуры воздуха, его относительной влажности, скорости воздуха и давления), уровней шума и вибраций, статического электричества, степени ионизации воздуха и др. [6]. Все эти факторы неразрывно связаны между собой и оказывают непосредственное влияние на оптимальное функционирование ЧП, но все же среди них можно выделить группу основных факторов, к которым относятся параметры технологического микроклимата.

Основным классификационным критерием класса чистоты служит счетная концентрация аэрозольных частиц размером от 0,1 до 5 мкм в 1 м3 воздуха (табл. 1.1) [6-11].

Класс ЧП по ГОСТ Р ИСО 14644-1 Пределы максимальных допустимых концентраций, частицы/м3 с размерами, мкм

0,1мкм 0,2мкм 0,3мкм 0,5мкм 1,0мкм 5,0мкм

1 ИСО 10 2

2 ИСО 100 24 10 4

3 ИСО 1000 237 102 35 8

4 ИСО 10000 2370 1020 352 83

5 ИСО 100000 23700 10200 3520 832 29

6 ИСО 1000000 237000 102000 35200 8320 293

7 ИСО 1020000 352000 83200 2930

8 ИСО 3520000 832000 29300

9 ИСО 35200000 8320000 293000

Чистота по взвешенным в воздухе частицам обозначается классификационным числом N. Максимально допустимая концентрация частиц Сп для каждого данного размера частиц В определяется по формуле:

Сп = 10^ х (0")2'08 (1.1)

где Сп - максимально допустимая концентрация частиц в одном м3 воздуха. Значение Сп округляется до ближайшего целого числа, при этом используется не более трех значащих цифр; N - классификационное число ИСО, которое не должно превышать значения 9. Промежуточные числа классификации ИСО могут быть определены с наименьшим допустимым приращением N, равным 0,1; В -рассматриваемый размер частиц, мкм; 0,1 - константа, мкм.

Совокупность технических устройств, в которых производится подготовка воздуха перед подачей его в ЧП, объединяется в единую систему кондиционирования и фильтрации воздуха (рис. 1.1).

/ял°С <Рпр, %

л____а.!______

_ФП

Рисунок 1.1 - Структурная схема СКФВ ЧП с фальшполом: НВ - наружный воздух; ВЗУ - воздухозаборное устройство; ВВ - всасывающий воздуховод; ЦК -центральный кондиционер; Кал 1 и Кал 2 - калориферы 1-го и 2-го подогрева; КО - камера орошения; ВН - нагнетательный воздуховод; КД 1 и КД 2 -кондиционеры-доводчики; ФФ - финишные фильтры; ФП - фальшпол; ОС -окружающая среда; ТО - технологическое оборудование; Р - персонал.

НВ поступает во ВЗУ, служащее для забора атмосферного наружного воздуха. Далее воздух поступает в ЦК, где происходят процессы его нагревания, охлаждения, осушения, увлажнения, очистки и т. д. Современные системы ЦК не могут обеспечить требуемое качество обрабатываемого воздуха для ЧП с соответствующими параметрами (температура воздуха 22±0,5°С и его относительная влажность 40±3%), поэтому существует дополнительная система доводки воздуха до требуемых значений - КД 1. Затем воздух из КД 1 поступает в непосредственно само ЧП через ФФ. Проходя по всей высоте ЧП от ФФ до ФП, отработанный воздух поступает в ОС. Как правило, 10% отводящего воздуха выбрасывается в ОС, а 90% идёт в КД 2 на рециркуляцию (РЦК). С учётом того обстоятельства, что температура воздуха в ЧП, как правило, повышается (примерно, на 0,5-1°С) за счет тепловыделений от энергоемкого технологического

оборудования и персонала, КД 2 в СКФВ ЧП используется, в первую очередь, для охлаждения и повторной очистки отработанного воздуха из ЧП.

В нормативно-регламентирующей документации РФ исходное значение температуры воздуха в ЧП указывается исходя из санитарных норм, предусматривающих комфортные условия, а затем приводится еще одно значение, до которого может нагреться воздух и только после этого приводится значение отклонения. Например, для процессов фотолитографии температура воздуха принимается равной 20-24±0,1°С (табл. 1.2), т. е. допускается нагревание воздуха от 20 до 24 °С с точностью поддержания при нагревании и охлаждении 0,1°С.

По ГОСТ Р 50116-92 «Электронная гигиена. Термины и определения» [13] диапазон изменения температур принят равным 20-25°С при точности поддержания от ±0,2 до ±2°С. Такие диапазоны вызывают большие затруднения при выборе расчетной температуры для определения теплофизических характеристик самого здания, где эксплуатируются ЧП. Было бы более правильным, если бы требования определяли номинальную температуру с указанием точности поддержания. Например, для процесса фотолитографии: 22±2,5°С (±0,5). Кроме того, в современных технологиях при использовании кремниевых пластин диаметром 300 мм и более с числом слоев до 18 для части слоёв наиболее эффективная температура может значительно отличаться от номинальной, что выдвигает задачу установления в ЧП минимальной и максимальной температур.

Аналогично обстоит дело и с относительной влажностью. Она также должна быть номинальной и иметь максимальное и минимальное значение.

Таблица 1.2 - Комплекс требований к ЧП микроэлектроники

Эксплуатационные требования

Группа I Группа IV

Класс Механичные и

Наименование ТП ЧП по ИСО Параметры микроклимата аэромеханичные характеристики

146441 Температура, °С Относительная влажность, % Влагосодержание, г/кг Скорость воздуха, м/с Избыточное давление, Па Амплитуда вибрации, мкм Шум, дБ В

Маскирование 1-5 22±0,5 35±3 5,8±0,45 0,3±15% 30±20% 0,25 60

Окисление 2-5 22±0,2 43±5 7,5±0,55 0,3±25% 30±30% 0,5 65

Литография 1-5 22±0,5 40±3 5,8±0,45 0,3±15% 30±20% 0,25 60

Термические процессы 3-5 22±2 43±5 7,5±0,55 0,3±25% 30±30% 0,5 65

Контроль 3-5 22±2 43±5 7,5±0,55 0,3±50% 30±50% ГОСТ 12.1.01220041 ГОСТ 12.1.00320142

Сборка 5 22±2 50±10 8,3±0,83 0,3±15% 30±50% - -

Примечание:

1 ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования» [14];

2 ГОСТ 12.1.003-2014 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности» [15].

Параметры для процессов проявления, травления, диффузии и напыления не регламентированы.

Концентрация вредных веществ задается по ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», освещенность по СП 52.13330 «Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*», физиолого-гигиенические характеристики по СП 2.2.1.1312-03 «Гигиенические требования к проектированию вновь строящихся и реконструируемых промышленных предприятий» [16-18].

15

Рассмотрим теперь следующий, очень важный вопрос - каким должно быть конкретное значение температуры воздуха на каждом отдельно взятом технологическом процессе производства изделий микроэлектроники. В настоящее время не существует научно обоснованных данных по данному вопросу. Для этих целей на каждом конкретном предприятии микроэлектроники разработаны основные требования к параметрам технологического микроклимата с учетом специфики технологического процесса. В данном документе устанавливаются следующие допустимые значения по точности поддержания температуры воздушной среды: 0,1-2°С. Выбор точности поддержания температуры воздуха осуществляется в зависимости от типа технологических операций, при этом значения температуры воздуха не должны выходить за пределы 20-24°С.

В определенных обоснованных случаях при выполнении технологических процессов в ЧП, а также непосредственно на рабочих местах, где установлено ТО, могут быть установлены иные значения параметров технологического микроклимата за пределы норм по ГОСТ 12.1.005-88. В этом случае для оценки степени комфорта (дискомфорта) следует пользоваться нормативным документом ИСО 7730:1994 «Зоны умеренного климата. Определение индекса PMV и PPD и требований к условиям теплового комфорта».

Пооперационные требования к параметрам технологического микроклимата и качеству используемых в ЧП специальных технологических сред устанавливаются в технологической документации или стандарте предприятия, при этом необходимо учитывать степень сложности, размеры критических областей и другие конструктивно-технологические параметры изделий, характеризующие их чувствительность к изменениям параметров технологического микроклимата.

Таким образом, для поддержания тепловых режимов при проведении

прецизионных процессов литографии, например, температура воздуха в ЧП по

этому документу будет приниматься равной 20-24±0,1°С. Таким образом,

допускается нагревание воздуха на участке от 20 до 24°С с точностью поддержания

при нагревании и охлаждении 0,1°С. Однако при выборе расчетной температуры

16

для определения теплофизических характеристик ЧП такие диапазоны вызывают большие затруднения. Поэтому было бы более правильным, если бы требования определяли номинальную температуру с указанной точностью поддержания. Например, для процессов литографии 22±2,5(±0,5°С). Таким образом, задача установления эффективной минимальной и максимальной температур в ЧП на сегодняшний день не решена полностью.

При выборе расчетных параметров воздуха в ЧП руководствуются не только требованиями технологии, но и учитывают так же условия оптимального самочувствия работающего персонала, которое определяется условиями тепло- и влагообмена и зависит от индивидуальных особенностей человека, состояния его здоровья, характера и тяжести выполняемой работы, типа и материала спецодежды, температуры, влажности и скорости движения воздуха, расстояния от человека до поверхностей, излучающих и поглощающих тепло и пр. Регламентируемые нормами оптимальные и допускаемые температуры воздуха приведены в ГОСТ 12.1.005-88. Согласно этому документу работу в ЧП можно отнести к категории «легкая 1», характеризуемой энергозатратами до 172 Дж/сек.

Основной документ для проектирования системы кондиционирования воздуха СП 60.13330 «СНИП 41-01-2003* отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» [19], к сожалению, не предусматривает норм и правил для проектирования прецизионных систем кондиционирования воздуха. Согласно этому документу, метеорологические условия в помещениях в пределах допустимых норм следует обеспечивать по ГОСТ 12.1.005-88 в рабочей зоне производственных помещений, кроме помещений, для которых метеорологические условия установлены другими нормативными документами.

Расчетную температуру воздуха в обслуживаемой или рабочей зоне в помещении следует принимать:

а) Для теплого периода года (ТПГ): при проектировании вентиляции в помещениях с избытком явной теплоты максимальную и допустимую температуру, а при отсутствии избытков теплоты - экономически целесообразную в пределах допустимых температур;

б) Для холодного периода года (ХПГ): при проектировании вентиляции и кондиционировании воздуха для ассимиляции избытков теплоты - максимальную из допустимых температур, а при отсутствии избытков теплоты - минимальную из допустимых.

Метеорологические условия в помещениях при кондиционировании воздуха в пределах оптимальных норм следует обеспечивать по ГОСТ 12.1.005-88 в рабочей зоне производственных помещений, кроме помещений, для которых метеорологические условия установлены другими нормативными документами.

1.2. Функционирование и основные требования к системам кондиционирования воздуха чистых помещений

Многоэлементную систему наукоемкого природно-технического комплекса, включающую предприятия микроэлектроники, можно представить в виде знакового орграфа, показанного на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Знаковый орграф развития наукоемкого природно-технического комплекса

Знак "+" означает, что с ростом показателя, от которого идет отрезок, показатель, к которому он приходит, увеличивается; знак "-" ставится в обратном

случае. С учетом сказанного рассмотрим наиболее энергоемкий процесс высоких технологий - подготовку чистого воздуха.

Системы кондиционирования воздуха предназначены для:

1. Создания возможных или основных критериев (согласно выбору заказчика, СанПиН и СНиП) технологического микроклимата в помещениях, определенных с целью пребывания функционирующих или отдыхающих в них людей.

2. Создания необходимых условий технологического микроклимата с целью проведения технологических процессов с минимальным количеством брака.

Системы воздухоподготовки также систематизируют по функциональному предназначению:

1. Приточные системы: используют отводящий, обработанный и нагретый воздух в ХПГ для обеспечения технологического микроклимата в рабочем помещении и оптимальной жизнедеятельности персонала.

2. Вытяжные системы: устраняющие использованный увлажненный воздух из зоны его скопления, как правило, из верхней части помещений.

3. Рециркуляционные системы: использующие технологический микроклимат помещения вторично, целиком или часть для уменьшения энергозатрат при охлаждении в ТПГ или нагревание в ХПГ.

При выборе ЦК для ЧП по сравнению с другими типами помещений существуют отличительные особенности такие, как большая производственная площадь, установленное в ЧП высокотехнологичное энергоёмкое оборудование. При неправильном проектировании и выборе, а также монтаже ЦК, с большей степенью вероятности, система СКФВ не будет правильно функционировать, что поведет за собой выход дорогостоящей системы из стоя, вследствие чего, будет причинён материальный ущерб высокотехнологичному производству, а также будет нанесен вред здоровью персонала [20,21].

В настоящее время существует достаточное большое разнообразие

конструктивных исполнений ЦК с различными функциональными возможностями

19

[22,23]. На рисунке 1.3 представлена схема промышленного центрального кондиционера для обслуживания ЧП всех классов.

нв 1 вв 8 ВН

2 3 4 5 6 7

Рисунок 1.3 - Промышленный центральный кондиционер: 1 -воздухозаборное устройство; 2 - стартовый фильтр; 3 - участок первого нагрева; 4 - участок охлаждения: 5 - участок увлажнения; 6 - участок второго нагрева; 7 -

вентилятор; 8 - промежуточный фильтр.

Промышленные ЦК разрабатываются для обслуживания чистых зон площадью не менее 250 кв. м. Они, в большинстве случаев, установлены в промышленных зданиях, где необходимо строго соблюсти параметры внутрипроизводственной среды ЧП. Существует несколько схем компоновки СКФВ для нужд микроэлектроники.

Мультизональные СКФВ типа Variable Refrigerant Flow (VRF) и Variable Refrigerant Volume (VRV) - включают в себя до 64 внутренних блоков и от одного до трех внешних блоков, различие в минимальном уровне энергопотребления. Максимальная суммарная длина воздуховодов, составляет 300 м. Максимальный перепад высот может достигать 50 м. Присутствует возможность, для каждого внутреннего блока, задания требуемых параметров технологического микроклимата ЧП. Возможное отклонение параметров температуры от установленных, составляет порядка ±0,5°C.

Рисунок 1.4 - Чиллер-фанкойл системы кондиционирования воздуха: 1 -воздухозаборное устройство; 2 - вентилятор чиллера; 3 - чиллер; 4 - нагнетатель; 5 - фанкойл; 6 - вентилятор фанкойла; 7 - ЧП; ОВ - отводящий воздуховод.

Существенное отличие СКФВ на основе системы «чиллер-фанкойл» заключается в том, что для охлаждения воздуха используются вода или антифриз. Чиллер - это центральная холодильная машина, а фанкойлы - теплообменники в помещении [24,25]. Характерной особенностью представленной системы, является практически не ограниченное расстояние между чиллером и фанкойлом, а также минимальные требования к магистральным трубопроводам, по которым течет охлаждающий реагент.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тхеин Хтут У, 2019 год

я -

\ \

/ 1 А •, * £ к ...

\

\

\ / £ УУ / { \ 80

\ / V ТУ/ с: 1 70

// \

1 Ф, Щ VI у / 4 4 V \ \ \ \ \ \ V V \

{ 1 ¡¡ч \ \ \ \ \

и 7 10 \ \ \ \ \ \

ш к ■ \ \

- 1 = 0 кДж ч \ ч

1. \ Ч \ ч ■ \ \ 4 \ N

а) б)

т°с

\ к ч \ > > -1 ч ч \ < ч 20% - 1',' ->2

\ г\ ч ч. - ч % \ < ч

/ < ч ,ч > \ <

\ \ < ■ N X \ ч Ч" \

к \ / ■ ч X > \ ч X V > < 70*

ЧУ- N > \ ) 1 / \ > - \ -Ч < >< ч V •Ч

/ \ / ^ / > - ■Ч ч: •< \ N 80

У у;' Ч / / / Л > X ■ \ ч \ ч ■■■ ■

¡¡у / <■ • <: ч ч \ ч ■ \ Ч \ ч \ Ч \ Ч \

1 > ч. \ Ч Ч \ Ч \ ч Ч Ч ч. ч \ ч ч

■ 'л Ч /

ч /, .. % * / \ ч ч \ ч \ \ Ч \ \ ч. ч Ч Ч \ Ч \ Ч. ч

■щ < ч 1 \ \ N \ ч ч \ \ ч. \ \ \ Ч ч ч Ч ч ч

ш 1 :.<■■- \ ч \ \ К N \ \ \ \ ч \ Ч \ ч \ \ ч Ч ч \ Ч

\ »О- ч \ \ ч \ N \ 4 \ 4 Ч ч \ \ ч \ ч

!К 10 \ N \ \ \ \ \ \ ч \ \ \ ч \

\ 20 \ ч \ Ч \ \ \ ч \ ч ч \ ч ч ч \ \ ч \

0 1 2 3 4 Ь 6 Г В 9 10 11 12 13 14 15 16 1/ 18 19 24 21 22 23 24 2Ь

В)

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА СКФВ

Приложение 4.1. Параметры воздуха СКФВ при скорости воздуха 0,5 м/с в ТПГ за 2017 г.: а) для максимальной температуры; б) для средней температуры; в) для минимальной температуры.

а)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ 31,3 41 11,9 62

(Кал 1) -

AB (КО) (охлаждение) 10,2 84 6,6 26,9

BC (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,8

CD (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,4

DE (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

EF (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5

FG (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5

б)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ 12,8 74 6,9 30,3

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 11,5 77 6,6 28,2

BC (Кал 2) (нагревание) 19 48 6,6 35,9

CD (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,5

DE (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

EF (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5

FG (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ -4,9 84 2,1 0,3

АВ (Кал 1) (нагревание) 10 28 2,1 15,5

ВС (КО) (увлажнение) 10 86 6,6 26,7

CD (Кал 2) (нагревание) 16 58 6,6 32,8

DE (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,5

EF (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

FG (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5

GH (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5

Приложение 4.2. Параметры воздуха СКФВ при скорости воздуха 0,5 м/с в ХПГ за 2017 г.: а) для максимальной температуры; б) для средней температуры; в) для минимальной температуры.

а)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ 14 73 7,3 32,7

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 10,8 81 6,6 27,5

ВС (Кал 2) (нагревание) 16 58 6,6 32,8

CD (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,5

DE (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

EF (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5

FG (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ -2,7 85 2,6 3,7

АВ (Кал 1) (нагревание) 8 39 2,6 14,6

ВС (КО) (увлажнение) 8 98 6,6 24,7

CD (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,9

DE (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,5

EF (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

FG (ФП) (нагревание) 22,5 38,5 6,6 39,5

GH (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5

в)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ -22,6 82 0,4 -21,8

АВ (Кал 1) (нагревание) 8 6 0,4 9,1

ВС (КО) (увлажнение) 8 98 6,6 24,7

CD (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,9

DE (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,5

EF (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

FG (ФП) (нагревание) 22,5 38,5 6,6 39,5

GH (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5

а)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ 31,3 41 11,9 62

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 10,2 84 6,6 26,9

ВС (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,8

CD (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,6

DE (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

EF (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5

FG (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7

б)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ 12,8 74 6,9 30,3

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 11,5 77 6,6 28,2

ВС (Кал 2) (нагревание) 19 48 6,6 35,9

CD (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,7

DE (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

EF (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5

FG (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ -4,9 84 2,1 0,3

АВ (Кал 1) (нагревание) 10 28 2,1 15,5

ВС (КО) (увлажнение) 10 86 6,6 26,8

CD (Кал 2) (нагревание) 16 58 6,6 32,9

DE (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,8

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39,1

БО (ФП) (нагревание) 22,5 38,7 6,6 39,6

ОН (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7

Приложение 4.4. Параметры воздуха СКФВ при скорости воздуха 0,2 м/с в ХПГ за 2017 г.: а) для максимальной температуры; б) для средней температуры; в) для минимальной температуры.

а)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ 14 73 7,3 32,7

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 10,8 80 6,6 27,5

ВС (Кал 2) (нагревание) 16 58 6,6 32,8

CD (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,6

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

ББ (ФП) (нагревание) 22,5 38,4 6,6 39,5

БО (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ -2,7 85 2,6 3,7

АВ (Кал 1) (нагревание) 8 39 2,6 14,6

ВС (КО) (увлажнение) 8 98 6,6 24,7

CD (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,9

DE (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,7

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

БО (ФП) (нагревание) 22,5 38,5 6,6 39,5

ОН (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7

в)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг

НВ -22,6 82 0,4 -21,8

АВ (Кал 1) (нагревание) 8 6 0,4 9,1

ВС (КО) (увлажнение) 8 98 6,6 24,7

CD (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,9

DE (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,7

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39

БО (ФП) (нагревание) 22,5 38,5 6,6 39,5

ОН (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ДИАГРАММЫ ГРАССМАНА СКФВ ЧП

Приложение 5.1. Диаграмма Грассмана СКФВ ЧП при скорости воздуха 0,5 м/с в ТПГ за 2017 г.: а) для максимальной температуры; б) для средней температуры; в) для минимальной температуры.

£вх = 100%

контрольная поверхность

а)

£„х= 100%

контрольная поверхность

б)

£м= 100%

контрольная поверхность

в) 139

Еш= 100%

контрольная поверхность

а)

£вх= 100%

контрольная поверхность

б)

£„= 100%

контрольная поверхность

в)

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. УДЕЛЬНАЯ ЭКСЕРГИЯ В ОСНОВНЫХ

ЭЛЕМЕНТАХ СКФВ

Приложение 6.1. Удельная эксергия в основных элементах СКФВ при скорости воздуха 0,5 м/с в ТПГ за 2017 г.: а) для максимальной температуры; б) для средней температуры; в) для минимальной температуры.

а)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг кДж/кг

НВ 31,3 41 11,9 62 0

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 10,2 84 6,6 26,9 -113,83

ВС (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,8 -75,22

СБ (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,4 -50,68

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39 -48,00

ББ (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5 -45,33

БО (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5 -50,68

б)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг в1, кДж/кг

НВ 12,8 74 6,9 30,3 0

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 11,5 77 6,6 28,2 -7,08

ВС (Кал 2) (нагревание) 19 48 6,6 35,9 32,89

СБ (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,7 45,76

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39 48,30

ББ (ФП) (нагревание) 22,5 38 6,6 39,5 50,84

БО (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7 45,76

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг в1, кДж/кг

НВ -4,9 84 2,1 0,3 0

АВ (Кал 1) (нагревание) 10 28 2,1 15,5 82,14

ВС (КО) (увлажнение) 10 86 6,6 26,8 83,10

CD (Кал 2) (нагревание) 16 58 6,6 32,9 113,95

DE (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,8 141,12

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39,1 143,54

БО (ФП) (нагревание) 22,5 38,7 6,6 39,6 145,95

ОН (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7 141,12

Приложение 6.2. Удельная эксергия в основных элементах СКФВ при скорости воздуха 0,5 м/с в ХПГ за 2017 г.: а) для максимальной температуры; б) для средней температуры; в) для минимальной температуры.

а)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг в1, кДж/кг

НВ 14 73 7,3 32,7 0

(Кал 1) -

АВ (КО) (охлаждение) 10,8 80 6,6 27,5 -17,46

ВС (Кал 2) (нагревание) 16 58 6,6 32,8 10,72

CD (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,6 39,41

ББ (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39 41,97

ББ (ФП) (нагревание) 22,5 38,4 6,6 39,5 44,52

БО (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7 39,41

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг кДж/кг

НВ -2,7 85 2,6 3,7 0

ЛВ (Кал 1) (нагревание) 8 39 2,6 14,6 59,36

BC (КО) (увлажнение) 8 98 6,6 24,7 60,00

CD (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,9 106,76

DE (КД 1) (нагревание) 20,7 43 6,6 37,7 129,05

EF (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39 131,49

FG (ФП) (нагревание) 22,5 38,5 6,6 39,5 133,92

ОН (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 20,7 43 6,6 37,7 129,05

в)

Отрезок на диаграмме Т, °С ф, % ё, г/кг I, кДж/кг в1, кДж/кг

НВ -22,6 82 0,4 -21,8 0

ЛБ (Кал 1) (нагревание) 8 6 0,4 9,1 171,99

ВС (КО) (увлажнение) 8 98 6,6 24,7 175,08

CD (Кал 2) (нагревание) 17 54 6,6 33,9 219,05

DE (КД 1) (нагревание) 21,5 41 6,6 38,5 240,04

EF (ЧП) (нагревание) 22 40 6,6 39 242,33

FG (ФП) (нагревание) 22,5 38,5 6,6 39,5 244,61

ОН (КД 2) (охлаждение и увлажнение) 21,5 41 6,6 38,5 240,04