Введение к работе
Актуальность темы. В большинстве технологических процессов производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники используется энергоёмкое оборудование. Необходимость непрерывного режима работы и круглосуточного поддержания параметров микроклимата в чистых помещениях значительно увеличивают энергоёмкость этих производств.
Нормальное функционирование значительной части
оборудования п/п производств требует надёжной работы теплообмеиных систем, входящих в его состав. Энергетическая эффективность теплообмеиных систем определяется чистотой теплопередающих поверхностей. В условиях эксплуатации оборудования, особенно в межсезонные периоды, имеют место случаи значительного отклонения параметров солесодержания (оборотной, сетевой и подпиточной) воды от номинальных их значений. Так, например, содержание окислов железа в сетевой воде вместо нормированных 300-400 мкг/л достигают величин, превышающих 2000 мкг/л. Такие скачки в параметрах водного энергоносителя приводят к формированию солевых отложений на теплопередающих поверхностях (рубашек, фланцев, подложкодержателей, штоков, различного типа теплообменников и т.п.), что приводит к ухудшению одной из важных эксплуатационных характеристик - энергетической эффективности, а, следовательно, и надежности оборудования п/п производства.
В целом эффективность полупроводникового производства определяется не только качественной работой технологического оборудования, но и эффективностью работы теплоэнергетического оборудования систем воздухообеспечения производственных помещений (с точностью поддержания температуры ±0,1 С и относительной влажности - ±2%).
Анализируя устройства теплообмеиных узлов технологического
и теплоэнергетического оборудования, можно заметить большое
сходство конструктивных решений (трубные, коаксиальные,
кольцевые и т.п. системы) и общность физической природы их работы, определяемой процессами переноса тепла. Это позволяет привлечь работы известных учёных М.В. Кирпичева, М.А. Михеева, А.А. Гухмана. Ю.В.Петровского, В.Г. Фастовского, В.М.Антуфьева, Э.К.Калинина, Е.В. Дубровского, H.Glaser, Н Koch, W.M.Kays and A.L.London и др. для решения основной задачи диссертации
повышение надежности работы технологического и
теплоэнергетического оборудования п/п производства.
Отсутствие прямой связи между выходом годных изделий и
энергоёмкостью п/п производства затрудняет получение
количественных зависимостей между ними. В то же время повышение эффективности теплообменных систем климатического оборудования способствует снижению энергоёмкости п/п производства, улучшая его экономические показатели.
Предварительные оценки показывают, что своевременные профилактические мероприятия, например, очистка поверхностей охлаждения (нагрева) оборудования от внутрисистемных отложений позволяет существенно повысить его энергетическую эффективность. Так, например, для ряда ведущих предприятий микроэлектроники г. Зеленограда, повышение эффективности теплового оборудования на 10 % позволяет получить значительный экономический эффект, исчисляемый миллионами рублей.
Руководствуясь требованиями государственной экономической
политики в области энергосбережения и Федеральной целевой
программой «Энергосбережение России», показатели
энергоэффективности и энергопотребления производственных
процессов и оборудования необходимо включать в соответствующие стандарты предприятия или утверждаемую предприятием технологическую документацию. В связи с этим «разработка типовых методик проведения сертификации энергопотребляющей продукции на соответствие нормативным показателям энергоэффективности» должна быть отнесена к числу первоочередных мероприятий.
В повседневной практике контроль и оценка энергоэффективности производственных процессов и оборудования осуществляются по уже устаревшим методикам. Так, нормируемая эффективность работы теплового оборудования оценивается по теплопроизводительности и коэффициенту полезного действия теплообменного устройства, перепаду давления ( на входе и выходе теплообменного устройства) и удельному расходу энергии на единицу выработанной продукции и т.п., т.е. по количественным показателям, которые могут быть отнесены к необходимым. Однако разнообразие технологических схем п/п производств приводит к различию схем подключения в систему (технологическую, энергетическую, гидравлическую и т.п.) оборудования, что естественно приводит к изменению качественных показателей энергоэффективности, как процессов, так и оборудования. К сожалению, в распространенных методиках оценки энергоэффективности оборудования этот показатель не учитывается.
Таким образом, актуальность работы состоит в том, чтобы на
основе предлагаемых в диссертации нормативных показателей
тепловых систем оборудования, методик оценки их на. соответствие
этим нормативам и методов оптимизации режимов восстановления
этих показателей повысить эффективность и надежность
оборудования, а также воспроизводимость технологических
параметров процессов производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.
Объект исследования. Теплообменные системы оборудования п/п производства.
Предмет исследования. Зависимости эксплуатационных характеристик оборудования п/п производства от его энергетической эффективности.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с «Долгосрочной программой энергосбережения в г. Москве», осуществляемой в рамках совместной программы МИЭТ, НПК «Технологический центр», ГУП «Мостеплоэнерго», Институт высоких температур РАН и др. организаций.
Цель работы Исследование эксплуатационных характеристик
теплообменных систем оборудования полупроводникового
производства на основе разработанных методик оценки и повышения энергетической эффективности теплообменных систем оборудования п/п производства.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Показать, что энергетическая эффективность и надежность оборудования п/п производства зависит от эффективности и надежности работы теплообменных систем этого оборудования.
-
Провести анализ энергопотребления различных предприятий п/п производства г. Зеленограда.
-
Провести сравнительный анализ различных методик оценки энергетической эффективности теплообменного оборудования и обосновать выбор базового метода для расчета коэффициентов эффективности теплообменных систем оборудования.
-
На основе базового метода разработать методики оценки и контроля энергетической эффективности теплообменных систем оборудования п/п производства.
-
Провести исследования энергетической эффективности теплообменных систем оборудования п/п производства.
-
Разработать математические модели, технические средства и выполнить исследования, обеспечивающие возможность повышения энергетической эффективности теплообменных систем оборудования.
-
Разработать рекомендации по организации режимов восстановления энергетической эффективности оборудования.
-
Разработать инженерные методики расчета энергетической эффективности оборудования п/п производства.
Научная новизна работы.
-
Определены основные показатели энергетической эффективности теплообменных систем оборудования, позволившие упростить методику оценки энергетических потерь различных узлов оборудования и повысить стабильность и воспроизводимость параметров технологических процессов.
-
Выявлены закономерности показателей энергетической эффективности теплообменных систем оборудования от степени чистоты теплопередающих поверхностей. На основе этих зависимостей разработаны варианты методик контроля и оценки энергетической эффективности оборудования. Методики позволяют определять техническое состояние оборудования, продолжительности периодов рентабельной и надежной эксплуатации оборудования в зависимости от схемы размещения и системы тепло- и водоснабжении его.
-
На основании анализа процесса образования накипных отложений в теплообменном оборудовании, математического моделирования процесса растворения отложений и полученных в работе зависимостях концентрации ионов железа в растворе от показателя рН раствора и его температуры, разработана методика проведения процессов «мягкой» и «жесткой» химической отмывки теплообменных систем оборудования от накипных отложений, позволяющая оптимизировать режимы восстановления эксплуатационных характеристик оборудования с учётом технических возможностей предприятия при соблюдении экологических нормативов.
Практическая значимость. В результате проведенного
комплекса теоретических, статистических и экспериментальных исследований разработаны методики, технические средства и даны рекомендации по повышению энергетической эффективности оборудования п/п производства, заключающиеся в:
І.Возможности объективного анализа эффективности и основных показателей рабочего процесса любых теплообменных систем.
2-Оценке н контроле уровня энергетической эффективности оборудования п/п производства.
З.Разработке предложений по снижению расхода основных энергоносителей в п/п производствах.
4.Оптимизации технологии и улучшению экологичности процесса восстановления эффективности технологического, климатического и теплоэнергетического оборудования.
5. Уменьшении энергоёмкости оборудования п/п производств.
Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в следующие объекты и процессы:
1. Инженерные методики контроля и оценки энергетической эффективности работы теплообменников и методы восстановления эффективности теплообменных систем оборудования приточно-вытяжной вентиляции системы кондиционирования чистых помещений, используемые на предприятиях ОАО «АНГСТРЕМ» и НПК«ТЦ».
Практическая реализация вышеупомянутых методик, проведенная в 2003 - 2004 г.г. при участии автора диссертации, позволили повысить коэффициент эффективности теплообменников на 8% (ОАО «АНГСТРЕМ) » и сэкономить за указанный срок около 200000кВт-ч(НПК«Щ»).
2.Результаты исследований используются в лабораторном практикуме специальности «Инженерная зашита окружающей среды» (330200). Самойликов Р.В. является автором методического описания лабораторной работы и экспериментального стенда по исследованию режимов очистки технологического оборудования микроэлектроники от накипных отложений.
Достоверность результатов. Результаты н выводы по работе согласуются с научно-техническими результатами отечественных и зарубежных источников, базируются на обработке большого объема статистических данных, данных режимных карт и результатах технических отчетов, что свидетельствует об их адекватности.
На защиту выносятся:
1.Теоретически обоснованные методики оценки энергетической
эффективности теплообменных систем оборудования п/п
производства, позволяющие контролировать условия эксплуатации оборудования и отклонение их от номинальных;
2.Теоретически обоснованная и практически апробированная методика контроля экономической эффективности эксплуатации теплообменных систем оборудования п/п производства;
-
Математические модели, позволяющие оптимизировать режимы восстановления эффективности технологического и теплоэнергетического оборудования;
-
Рекомендации по организации экологически безопасных режимов восстановления эффективности теплообменных систем оборудования п/п производства.
Апробация работы. Основные положения и отдельные
результаты докладывались на 8 - 11 Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2001», Москва 2001г.; «Микроэлектроника и информатика -2002», Москва 2002г.; «Микроэлектроника и информатика -2003», Москва 2003г.; «Микроэлектроника и информатика -2004», Москва 2004г.;
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ, в том числе две статьи.
Структура и объем работы.. Диссертация состоит из введения,
