Научные основы энергетического мониторинга системы кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений микроэлектроники Рябышенков Андрей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Микроэлектроника относится к числу
высокотехнологичных отраслей промышленности и является

важнейшим направлением развития научно-технического прогресса,
определяющим экономическую, производственную, информационную
и экологическую безопасность России. Одно из условий прогресса
отрасли состоит в обеспечении ее современной инфраструктурой по
созданию технологической среды, необходимой для дальнейшей
миниатюризации изделий. Основа такой инфраструктуры – чистое
помещение (ЧП) представляет собой сложную техническую систему,
включающую ряд подсистем и элементов для подготовки,

поддержания и мониторинга параметров внутрипроизводственной
среды. Критерием ее качества служит уровень загрязнения,
выражаемый классом чистоты помещения. Совокупные затраты на
создание и надежное функционирование ЧП, как правило,

сопоставимы с затратами на реализацию основной технологии производства.

Определяющая роль в обеспечении класса чистоты принадлежит
системе кондиционирования и фильтрации воздуха (СКФВ),

эффективность которой находится в тесной взаимосвязи с состоянием наружного воздуха, конструктивно-технологическими особенностями системы, тепло-массообменными и аэродинамическими процессами, структурой и организацией технологического процесса.

Для комплексной оценки эффективности функционирования
СКФВ, рационализации использования энергоресурсов необходима
исходная объективная информация, источником которой должен стать
энергетический мониторинг, построенный на современных методах
учета, сбора, хранения и обработки ключевых характеристик системы
воздухоподготовки. Эти характеристики в соответствии с ГОСТ Р
ИСО 50001-2012 «Системы энергетического менеджмента. Требования
и руководство по применению» включают параметры потребляемых
энергоресурсов в рамках традиционного энергетического подхода на
основе первого закона термодинамики и вычисленные на их основе
базовые показатели СКФВ (мощность, потери давления, КПД и т.п.),
зависящие только от параметров самой системы. Нормативная
документация по проектированию и эксплуатации СКФВ для
прецизионного технологического микроклимата на основе такого
подхода представляется недостаточной. Поскольку СКФВ – это
открытая термодинамическая система, энергетические показатели
которой в значительной степени определяются параметрами

динамично изменяющейся внешней атмосферы, перспективным

представляется эксергетический подход на основе первого и второго
закона термодинамики. Являясь универсальным способом

термодинамического исследования необратимых процессов

энергетических преобразований, он позволяет оценить и устранить причины снижения несовершенства системы.

Такая комплексная оценка СКФВ, охватывающая различные
аспекты ее функционирования от внутреннего устройства до
состояния окружающей среды, и связанных с этим энергозатрат, ранее
не выполнялась. В настоящее время состояние научных исследований
и разработок в области отечественной инфраструктуры

микроэлектроники свидетельствует об их отставании от мирового
развития. Сдерживающими факторами являются недостаточное

научно-методическое обоснование проектирования и эксплуатации
чистого производства, а также отсутствие системных исследований
ряда новых явлений и проблем, сопутствующих возрастающим

требованиям к технологической среде.

Исследование, направленное на решение такой крупной научно-
технической проблемы как модернизация инфраструктуры
микроэлектроники на основе современной научно-технической
концепции эффективного функционирования системы
кондиционирования и фильтрации воздуха ЧП с опорой на
отечественные разработки, является одной из ключевых задач
развития отрасли и, безусловно, актуально.

Объектом исследования является система кондиционирования и фильтрации воздуха чистого помещения микроэлектроники как компонента наукоемкой природно-технической геосистемы (НПТГ).

Предметом исследования является энергетический мониторинг
системы кондиционирования и фильтрации воздуха чистых

помещений микроэлектроники.

Цель работы. Разработка научно-технической концепции

энергоэффективного кондиционирования воздуха ЧП как подсистемы НТПГ, системно–термодинамический анализ процессов обеспечения технологического микроклимата и практическая реализация средств контроля энергоэффективности воздухоподготовки.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. Системный анализ проблемы кондиционирования и

фильтрации воздуха ЧП и определение основных факторов влияния на
энергоэффективность системы как объекта энергетического

мониторинга.

1. Разработка научно-технических основ построения энергетического мониторинга СКФВ и обоснование технико-экологических условий обеспечения класса чистоты помещений.

2. Анализ состояния атмосферного воздуха НПТГ как фактора влияния на эффективное функционирование СКФВ ЧП микроэлектроники.

3. Термодинамический анализ технологических схем СКФВ ЧП и выявление факторов обеспечения их термодинамической и экономической эффективности на основе эксергетического и термоэкономического подходов.

4. Разработка методики расчета, математическое и компьютерное моделирование аэродинамических процессов с целью их оптимизации по критериям энергоемкости и загрязнения производственной среды аэрозолями.

5. Разработка технического обеспечения контроля и управления энергоэффективностью процесса кондиционирования и фильтрации воздуха ЧП.

6. Систематизация номенклатуры энергоэффективного оборудования СКФВ, разработка и практическая реализация системы регенерации фильтров.

7. Разработка и практическая реализация рекомендаций по планировке оборудования и организации труда персонала как средств снижения энергоемкости ЧП.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В результате системного анализа проблем кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений установлены основные факторы, определяющие энергоэффективность процессов, подлежащих постоянному мониторингу.

2. Разработана научно-техническая концепция энергоэффективного кондиционирования и фильтрации воздуха, определяющая условия обеспечения заданного класса чистых помещений с учетом параметров окружающей среды.

3. Определены функциональные зависимости эксергетических потерь системы кондиционирования и фильтрации воздуха, а также её основных элементов от параметров окружающей среды и установлены факторы, обеспечивающие термодинамическую и экономическую эффективность СКФВ.

4. Проведен термодинамический анализ системы кондиционирования и фильтрации воздуха, в результате которого установлены критерии энергоемкости системы с учетом эксергетического и аэродинамического КПД.

5. Разработана методика расчета режимов воздушных потоков в системе кондиционирования и фильтрации воздуха с целью их оптимизации по критериям энергетической эффективности и загрязнения производственной среды аэрозолями.

6. Разработана методика расчета аэродинамических процессов в чистом помещении, проведено их математическое и компьютерное моделирование, позволяющие оптимизировать планировку технологического оборудования по критерию загрязнения аэрозолями.

Теоретическая и практическая значимость исследований состоит в следующем:

1. Разработан графоаналитический метод расчета перепадов давлений в элементах СКФВ, позволяющий обеспечить необходимое избыточное давление в ЧП.

2. Разработана методика расчета потерь эксергии и эксергетического КПД прямоточной системы кондиционирования воздуха и системы с рециркуляционным контуром.

3. Разработано техническое обеспечение контроля и управления энергоэффективностью процесса кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений.

4. Разработана методика регенерации фильтров для системы кондиционирования и фильтрации воздуха в условиях действующего производства.

5. Систематизирована номенклатура энергоэффективного оборудования системы кондиционирования и фильтрации воздуха и разработаны практические рекомендации по планировке технологического оборудования и организации труда персонала, как средств снижения энергозатрат.

6. Результаты диссертационной работы были апробированы в ОАО «НИИМЭ и Микрон» при выполнении проекта с Фондом инфраструктурных и образовательных программ «РОСНАНО»: «Разработка образовательной программы повышения квалификации и учебно-методического комплекса, ориентированных на инвестиционные проекты, использующие чистые производственные помещения в нанотехнологическом производстве».

7. Основные результаты диссертационного исследования использованы в системах энергомониторинга СКФВ НИУ МИЭТ, АО «ИТТиП» и НПП «НаноИнТех». Материалы исследований внедрены 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. «Электроника и наноэлектроника».

Результаты внедрения и практического использования результатов подтверждены соответствующими документами.

Методология и методы исследований. Теоретической основой
проведенных исследований служат системный анализ и

фундаментальные законы термодинамики, аэродинамики и

массопереноса. В качестве базового при оценке эффективности

функционирования системы кондиционирования и фильтрации
воздуха принят эксергетический подход термодинамического анализа.
В задачах исследования переноса аэрозольных частиц и оптимизации
планировки технологического оборудования использовались

математическое и компьютерное моделирование.

Адекватность полученных инженерных методик подтверждается аналитическими расчетами и техническими испытаниями.

На защиту выносятся:

8. Научно-техническая концепция энергоэффективного кондиционирования и фильтрации воздуха на основе системно-термодинамического анализа воздушного потока, обосновывающая комплексный учет технико-экологических условий обеспечения класса чистоты помещений.

9. Результаты анализа технологических схем системы кондиционирования и фильтрации воздуха и ранжирования факторов их обеспечения по термодинамической и экономической эффективности.

10. Критерии энергоемкости системы кондиционирования и фильтрации воздуха, учитывающие эксергетический и аэродинамический КПД.

11. Результаты компьютерного моделирования аэротермодинамических процессов для оптимизации их режимов по критериям энергоемкости и загрязнения производственной среды аэрозолями.

12. Техническое обеспечение контроля и управления энергоэффективностью процесса кондиционирования и фильтрации воздуха чистых помещений.

13. Методика регенерации и испытаний фильтров многоступенчатой системы фильтрации для восстановления исходных эксплуатационно-технических характеристик фильтров.

14. Практические рекомендации по оптимальной компоновке технологического оборудования в чистом помещении и организации труда персонала.

Степень достоверности результатов. Достоверность

диссертационного исследования подтверждается тем, что полученные результаты основаны на использовании разработанных физических и

математических моделей, не противоречат основным положениям
известных законов аэро – гидро - и термодинамики.

Экспериментальные данные находятся в соответствии с данными
зарубежных и отечественных литературных источников.

Экспериментальные исследования проводились на современном
высокотехнологичном оборудовании, а также с использованием
разработанных стендов. Предложенные инженерные методики,
проверенные аналитическими расчетами, производственными

испытаниями и компьютерным моделированием, получили

практическое применение при анализе эффективности

функционирования ЧП ряда предприятий микроэлектроники.

Личный вклад автора. Личный вклад является

основополагающим на всех этапах проведения диссертационных
исследований и состоит в определении целей и постановке задач
работы, обосновании методов теоретического исследований,

непосредственном выполнении экспериментов, систематизации и анализе полученных материалов, обосновании научных рекомендаций и выводов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на 14 Международных и 3
Всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на:
Международной НТК (г. Владимир – 2001 г.); VII Всероссийской НПК
«Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза – 2003 г.);
Всероссийской НПК «Современные проблемы контроля качества,
природной и техногенных сред» (г. Тамбов – 2009 г.); XIV
Международной НТК «Промышленные и бытовые отходы: проблемы
хранения, захоронения, утилизации и контроля» (г. Пенза – 2010 г.); 8-
й Международной НПК «Научное пространство Европы» (г. Прага –
2012 г.); Международной НПК «Наука и образование: проблемы и
тенденции развития» (г. Уфа - 2013 г.); Международной НПК

«Векторы развития современной науки» (Уфа – 2014 - 2016 г.г.); Молодежном научном семинаре «Эколог-профессия будущего» (г. Кемерово – 2014 г.); II Международной НПК «Наука и технологии в современном обществе» (г. Уфа – 2015 г.); Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (г. Тамбов – 2015 – 2017 г.г.); 12-й Международной НПК «SCIENCE AND CIVILIZATION -2016», (Sheffield UK – 2016 г.); Международной НПК «Глобализация экологических проблем: прошлое, настоящее и будущее» (г. Кемерово - 2017); Международной НПК «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово – 2017г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в
114 работах, в том числе 18 статьях в журналах, входящих в перечень
изданий рекомендованных ВАК РФ. На основе диссертационных
исследований разработана 1 программа для ЭВМ и изданы 3

учебника.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 288 страниц машинописного текста, включая 97 рисунков, 44 таблиц, список литературных источников, состоящий из 192 наименований и 5 приложений.