CC BY
16УДК 621.1.016.7:628.8
DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-573-580
Эксергетический анализ системы воздухообмена в чистых помещениях
В.И. Каракеян, А.С. Рябышенков, М.А. Гундарцев
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
gundartcev.m@yandex. ru
Система воздухообмена в чистых помещениях представляет собой сложный технологический комплекс. Одним из важнейших компонентов данного комплекса является система удаления воздуха чистых помещений. Система удаления воздуха в значительной степени определяет экологическую эффективность всего комплекса жизнеобеспечения чистых помещений. Для принятия решения по структуре и конфигурации системы в работе предложен эксергетический подход термодинамического анализа, а критерием воздействия на окружающую среду - значение удельной эксер-гии выброса. Приведена структурно-функциональная схема системы, на основании которой составлены эксергетические балансы, определены потери удельной эксергии и КПД в основных ее элементах при разных схемах организации выбросов. Установлено, что прямое удаление воздуха при термодинамическом преимуществе относительно системы удаления воздуха с дополнительной очисткой менее благоприятно для окружающей среды ввиду значительного уровня эксергии выбросов как фактора, определяющего возможность протекания физико-химических процессов в окружающей среде, приводящих к экологическому ущербу. На основе расчетов показана правомерность применения эксергии как объективного и универсального единого показателя, связывающего термодинамические и экологические качества системы. Практическое значение подхода - в установлении важных взаимосвязей между разными аспектами проектирования, эксплуатации систем жизнеобеспечения чистых помещений микроэлектроники и разработке мероприятий по снижению загрязнения окружающей среды за счет уменьшения эксергии выбросов.
Ключевые слова: система удаления воздуха; эксергия; термодинамика; выброс; эффективность; чистые помещения
Для цитирования: Каракеян В.И., Рябышенков А.С., Гундарцев М.А. Эксергетический анализ системы воздухообмена в чистых помещениях // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 6. - С. 573-580. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6573-580
© В.И. Каракеян, А.С. Рябышенков, М.А. Гундарцев, 2019
Exergetic Analysis of Air Exchange System of Clean Rooms
V.I. Karakeyan, A.S. Ryabyshenkov, M.A. Gundartsev
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia gundartcev. m@yandex. ru
Abstract. The air removal system significantly determines the ecological efficiency of the entire life-support providing clean rooms. In the work as a scientific basis for decision-making on the structure and configuration of the air removal system, the exergetic approach of thermographic analysis and as the criterion of environmental impact the value of the specific exergy of the emission have been proposed. A structural-functional scheme of the system has been proposed, on the basis of which the exergy balances have been complied, the losses of specific exergy and the efficiencies in its main elements under various emission control schemes have been determined. It has been determined that the direct air removal with a thermodynamic advantage over the air removal system with additional purification is less favorable for the environment due to a significant level of exergy of emissions as a factor, determining the possibility of physical and chemical processes in the environment leading to the environment damage. The legitimacy of using the exergy as an objective and universal single indicator, linking the thermodynamic and the environmental quality of the system has been shown. The practical significance of this approach is to establish the important relationships between various aspects of the design and operation of the life-support systems for clean microelectronics and to develop measures to reduce the environmental pollution by reducing exergy of emissions.
Keywords: system of air removal; exergy; thermodynamics; emission; efficiency; clean rooms
For citation: Karakeyan V.I., Ryabyshenkov A.S., Gundartsev M.A. Exergetic analysis of air exchange system of clean rooms. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 6, pp. 573-580. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-573-580
Введение. Системы кондиционирования воздуха (СКВ) чистых помещений (ЧП) в классической компоновке содержат подсистемы для выполнения разных функций по трансформации воздуха. Одна из них - система удаления воздуха (СУВ), в значительной степени определяющая энергетические, экологические и экономические показатели СКВ. Оптимизация структуры СУВ по критерию оптимального соотношения между этими показателями и результатом выполнения ею целевой функции актуальна как для этапа проектирования системы, так и в период ее эксплуатации.
Существуют различные подходы системного анализа, позволяющие решать задачи оптимизации материально-энергетических потоков по некоторым частным критериям (функционально-экологическим, функционально-стоимостным и др.) [1-5]. Однако для комплексного исследования взаимосвязей между техническими и эколого-экономическими показателями любой технической системы перспективным является эксергетический метод термодинамического анализа [6-10]. Он учитывает необратимость реально протекающих процессов и рассматривает каждый элемент СУВ как самостоятельную термодинамическую систему, в которой происходят потери эксергии, обусловленные как внутренней (аэродинамическое сопротивление, тепло- и массооб-мен и др.), так и внешней (выбросы в окружающую среду (ОС)) необратимостью.
Включение в систему мониторинга энерго-экологической эффективности СУВ эксерге-тической информации позволяет выявлять и количественно оценивать проблемные элементы системы и возможности ее модернизации.
Эксергия потока воздуха в открытой термодинамической системе определяется максимальной полезной работой его взаимодействия с окружающей средой до установления равновесия с ней по давлению [8,11-13]. Материально-энергетические затраты на процесс удаления воздуха из ЧП оцениваются на основе эксергетического баланса, отражающего соотношение подведенной и отведенной эксергии. При этом рассматриваемая СУВ ограничивается некоторой замкнутой контрольной поверхностью от других объектов, выбираются термодинамические параметры окружающей среды и определяется эксергетический КПД системы и отдельных ее элементов.
Цель настоящей работы - сравнительная оценка экологичности системы удаления воздуха ЧП микроэлектроники на основе эксергетического подхода термодинамического анализа.
Система удаления воздуха ЧП. Учитывая, что целевая функция СУВ - это минимизация воздействия выброса на ОС, исходной информацией для составления эксергетического баланса СУВ является ее структурно-функциональная схема со всеми входящими и выходящими термодинамическими параметрами воздуха.
Процесс выброса отработанного воздуха определяется конструктивными особенностями технологического оборудования и примесями, появившимися при прохождении в ЧП. Воздух может подвергаться обезвреживанию и удалению разными способами -напрямую от оборудования или через боковые панели или фальшпол.
На рис.1 представлена схема ЧП высокого класса, где предусмотрены финишные фильтры (ФФ), фальшпол (ФП), подфальшпольное пространство (ПФП), предварительный фильтр (ПФ), основной фильтр (ОФ), вентилятор (В) и вытяжное устройство (ВУ). При прямоточной схеме СКВ весь отработанный воздух после ФП удаляется в ОС, а в случае рецикуляционной схемы (РЦ) обработки воздуха в ОС уходит лишь часть этого объема, определяемого коэффициентом рециркуляции kpц.
в РЦ
Рис.1. Структурно-функциональная схема СУВ Fig. 1. Structural and functional scheme of ARS
Контрольная поверхность, таким образом, должна охватывать обозначенные подсистемы (см. рис.1, штриховая линия), для которых устанавливаются основные связи и проводится эксергетический анализ. Анализируется путь воздуха от входа в ФП (точка 1), далее выход в ПФП (точка 2), вход и выход из ПФ (точки 3, 4), вход и выход из ОФ (точки 5, 6), вход и выход из В (точки 7, 8), вход и выход из ВУ (точки 9, 10).
Рабочим телом в системе является воздух, термодинамические характеристики которого как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов в предположении, что концентрация сухого воздуха в смеси не изменяется, а переменной величиной является концентрация водяного пара.
Эксергетические показатели эффективности работы системы определяются посредством составления эксергетического баланса, представляющего собой сопоставление всех эксергетических потоков на входе Хевх и выходе ^вых из нее с учетом затрат эксергий на компенсацию внутренних и внешних потерь п:
Ев = ^е + ^е
вх / , вых / , п *
В данном случае входной следует считать удельную эксергию перед ФП eфп в пределах контрольной поверхности, а выходной - на выходе из ВУ eСyВ. Тогда эксергети-ческий баланс может быть представлен в следующем виде:
- для СУВ с очисткой
еФПо = вСУВ + АвФП + АвПФ + АвОФ + АеВУ ;
- для СУВ без очистки
вФПбо =еСУВ + АвФП,
где еФП , еФПб - удельная эксергия воздушного потока на входе в СУВ с очисткой и без
очистки соответственно; ЛeСyВ, ЛeФП, ЛeПФ, AeoФ, ЛeВy - потери удельной эксергии в ФП, ПФ, ОФ и ВУ соответственно.
Эксергетический КПД пэкс (%), определяющий термодинамическое совершенство системы, представляет собой отношение полезно использованной для обезвреживания потока эксергии eп ко всей затраченной эксергии:
- для СУВ с очисткой
Пэкс.о = вСУВ 1 еФП0 = 1 - ( АвФП + АвПФ + АвОФ + АвВУ ) |вФП ^ (1)
- для СУВ без очистки
Пэкс.бо =1 -АеФП 1 вФП • (2)
В общем случае эксергия влажного воздуха определяется температурой, влагосо-держанием и давлением наружного атмосферного и обрабатываемого воздуха. Поскольку общепринятым для систем кондиционирования считается равенство этих давлений при пренебрежимо малом значении кинетической энергии потока, при определении эксергии следует учитывать только две составляющие: термическую и концентрационную, обусловленные разностью температур и влагосодержания потока и окружающей среды.
Удельная эксергия e установившегося потока влажного воздуха с начальными термодинамическими параметрами (энтальпией i1, температурой Ть энтропией 51) до достижения равновесия с окружающей средой с параметрами /0, Т0, £0 определяется по формулам [2]:
- для начального состояния:
е1= (¿1 - ¿о)+то (¿0-); (3)
- для конечного состояния:
е2= (/2-/0 ) + Т0 (50 - 52). (4)
Тогда потери удельной эксергии во всей системе определяются из выражения:
Ае = е -е2 = (д ^2)+То (51 -52), (5)
где Дe - максимальная (теоретически предполагаемая) полезная внешняя работа, которую можно было бы получить при адиабатическом обратимом переходе потока из начального состояния в конечное.
Изменение энтропии определяется по формуле Гюи-Стодолы, справедливой для расчета потери эксергии в необратимых процессах:
¿2- 51= с, 1пТ / Т1), (6)
где cp = 1,96 кДж/(кг0С) - удельная теплоемкость влажного воздуха.
Подставив (6) в (5), получим
Ае = е -е2 = (/1 -/2)+То с, 1п(Т2 Т). (7)
Путем последовательного применения уравнений (1)-(7) к системе в целом или ее отдельным элементам можно установить распределение в них внутренних потерь.
Результаты исследований. В качестве примера рассмотрим работу СУВ в наиболее напряженный теплый период года. Воспользовавшись /-^-диаграммой влажного воздуха определим его термодинамические параметры в элементах системы при следующих параметрах наружного воздуха: г0 = 30 °С, ф0 = 80 %, /0 = 88 кДж/кг; на выходе из ЧП и входе в ФП г = 26 °С и ф = 50 %, / = 52 кДж/кг; на выходе из ФП г = 27 °C и ф = 50 %, / = 60 кДж/кг; на выходе из ПФ г = 28 °С и ф = 60 %, / = 66 кДж/кг; на выходе из ОФ г = 29 °С и ф = 60 %, / = 68 кДж/кг; на выходе из В г = 32 °С и ф = 50 %, / = 72 кДж/кг; на выходе из ВУ (СУВ) г = 33 °С и ф = 50 %, / = 74 кДж/кг.
Тогда по формулам (4)-(7) значения удельной эксергии составят: на выходе из ЧП и входе в ФП еФП = 44 кДж/кг; на выходе из ФП еВФП = 39 кДж/кг; на выходе из ПФ еПФ = 26 кДж/кг; на выходе из ОФ еОФ = 20 кДж/кг; на выходе из В Д еВ = 14 кДж/кг; на выходе из ВУ (СУВ) еСУВ = 10 кДж/кг.
Распределение удельной эксергии в системе наглядно показано на диаграмме Грассмана, построенной для пяти участков: ФП, ПФ, ОФ, В и ВУ (рис.2).
Рис.2. Диаграмма потоков эксергии в СУВ с обезвреживанием воздуха Fig.2. Diagram of exergy flows in ARS with air neutralization
При анализе СУВ учитываются определенные изменения температуры и относительной влажности воздуха в коммуникациях основных элементов системы и вентиляторе. При наличии сквозного потока эксергии рабочего тела эксергетический КПД определяется разностным методом, выражающим соотношение между затратами эксергии на полезный эффект и всеми ее затратами. Тогда на основании расчетов по формулам (5) и (6) и рис. 2 для эксергетического КПД, отражающего степень реализации поставленной цели, получим: эксергетический КПД СУВ с очисткой пэксо = 0,23; эксергетический КПД СУВ без очистки пэксбо = 0,89.
При рециркуляции после ФП происходит разделение потока удаляемого воздуха в соответствии с коэффициентом рециркуляции кРц. Как правило, кРц = 0,8 - 0,9, что означает возвращение 80-90% объема отработанного воздуха с термодинамическими параметрами после ФП для повторного использования и удаление 10-20% этого объема в ОС. В предположении о разделении эксергии после ФП в такой же пропорции удельная эксергия потока, направляемого в ОС, например, при кРц = 0,8 составит 6,84 кДж/кг, а потока на рециркуляцию - 27,2 кДж/кг.
Нетрудно видеть, что затраты удельной эксергии на обезвреживание воздуха на пути от ФП до ОС для СУВ с очисткой составят 39 кДж/кг, а для СУВ без очистки -5 кДж/кг. Полученные величины характеризуют нагрузку от выбросов на ОС, поэтому с экологической точки зрения предпочтителен вариант с очисткой. Рассматривая удельную эксергию в качестве основной характеристики вторичного энергетического ресурса воздушного потока, можно прийти к противоположному мнению. Решение о целесообразности включения в СУВ тех или иных элементов должно приниматься на основе тщательного эколого-экономического анализа и, безусловно, с учетом специфики основной технологии.
Сопоставление значений эксергетического КПД и затрат эксергии указывает на более низкую термодинамическую эффективность варианта с очисткой, что обусловлено значительными потерями эксергии при обработке отработанного воздуха в дополнительных аппаратах системы. Однако отработанный воздух без очистки имеет более высокую транзитную эксергию, потенциально опасную для ОС. Если учесть снижение энергозатрат на полное кондиционирование, а также резервы повышения термодинамической эффективности рециркуляции воздуха за счет совершенствования этого процесса, то преимущества прямоточной схемы обработки воздуха становятся не столь однозначными.
Очевидно, что решение о целесообразности включения в СУВ тех или иных элементов должно приниматься на основе экономического анализа с учетом снижения затрат на основное кондиционирование при рекуперации воздуха, наличия резервов повышения термодинамической эффективности рециркуляции воздуха, характера отработанного воздуха и возможного экологического риска.
Заключение. Рассмотренный случай ограничен только динамикой эксергии и не затрагивает эколого-экономическую сторону проблемы. Но поскольку на сегодняшний день эксергия признается объективным и универсальным единым показателем, связывающим термодинамику, экономику и экологию [1-3, 8], углубление такого подхода позволит аналитически установить важные взаимосвязи между разными аспектами проектирования и эксплуатации ЧП микроэлектроники.
Литература
1. Рябышенков А.С. Системный анализ функционирования чистых помещений для микроэлектроники // Изв. вузов. Электроника. - 2016. - Т. 21 - № 3. - С. 218-223.
2. Рябышенков А.С., Каракеян В.И., Ларионов Н.М. Методология системного анализа применительно к исследованию аэродинамического режима чистых помещений // Наука и образование: инновации, интеграция и развитие: материалы II Международной научно-практической конференции. -Уфа: РИО ИЦИПТ, 2015. - С. 130-135.
3. Каракеян В.И. Теоретическое обоснование и разработка систем контроля микропримесей в воздухе // Экологические приборы и системы. - 2012. - № 2. - С. 15-17.
4. Баймачев Е.Э. Определение минимальных затрат эксергии на отопление и естественную вентиляцию жилых зданий // Изв. вузов. Строительство. - 2014. - № 7. - С. 67-73.
5. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Эксергоэкономический метод оптимизации энергопреобразую-щих систем // Промышленная энергетика. - 2012. - № 3. - С. 30-35.
6. Хорошев Н.И., Елтышев Д.К., Кычкин Д.К. Комплексная оценка эффективности технического обеспечения энергомониторинга // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 5 (4). - С. 716-720.
7. Абрамчук Ф.И., Харченко А.И. Использование эксергетического метода при термодинамическом анализе газовых процессов в тепловых машинах // Вестник ХНАДУ. - 2011. - № 53. - С. 32-44.
8. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / под ред. В.М. Бродянского // М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.
9. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. - СПб.: Изд-во «АВОК Северо-Запад», 2003. - 272 с.
10. Шишов В.В. Энтропийно-статистический анализ холодильных циклов для систем кондиционирования // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2012. - № 5 (5). - С. 143 - 156.
11. Тишин О.А., Харитонов В.Н., Гатапова Н.Ц., Колиух А.Н. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии: учеб. пособие. - Тамбов: ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. -92 с.
12. Шевцов А.А., Котарев В.И. Эксергетический анализ энергоэффективной биотехнологии порошкообразных ферментных препаратов // Известия ТСХА. - 2015. - № 1. - С. 79-90.
13. Горбачев М.В., Иванова А.П. Оценка эффективности действительных циклов авиационной системы кондиционирования воздуха // Решетниковские чтения. - 2013. - Т. 1. - № 17.- С. 123-125.
Поступила в редакцию 09.04.2019 г.; после доработки 09.04.2019 г.; принята к публикации 24.09.2019 г.
Каракеян Валерий Иванович - доктор технических наук, профессор Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), zelikar@mail.ru
Рябышенков Андрей Сергеевич - доктор технических наук, доцент Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), ryabyshenkov@mail. ru
Гундарцев Михаил Александрович - аспирант Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), gundartcev.m@yandex.ru
References
1. Ryabyshenkov A.S. System analysis of clean rooms functioning for microelectronics. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2016, vol. 1, no. 3, pp. 218-223. (in Russian).
2. Ryabyshenkov A.S., Karakeyan V.I., Larionov N.M. Systems analysis methodology applied to the study of the aerodynamic regime of clean rooms. Materials of II International Scientific-Practical Conference «Science and education: innovation, integration and development». Ufa, RIO ICIPT Publ., 2015, pp. 130-135. (in Russian).
3. Karakeyan V.I. et al. Teoreticheskoe obosnovanie i razrabotka sistem kontrolya mikroprimesej v vozduhe. Ekologicheskie pribory i sistemy = Environmental Instruments and Systems, 2012, no. 2, pp. 15-17. (in Russian).
4. Bajmachev E.E. Determination of minimum exergy costs for heating and natural ventilation of residential buildings. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo = News of Higher Educational Institutions. Construction, 2014, no. 7, pp. 67-73. (in Russian).
5. Amerhanov R.A., Draganov B.H. Exergy method of optimization of energy conversion systems. Promyshlennaya energetika = Industrial Power Engineering, 2012, no. 3, pp. 30-35. (in Russian).
6. Horoshev N.I., Eltyshev D.K., Kychkin D.K. Kompleksnaya ocenka ehffektivnosti tekhnicheskogo obespecheniya ehnergomonitoringa. Fundamental'nye issledovaniya = Fundamental Research, 2014, no. 5 (4), pp. 716-720. (in Russian).
7. Abramchuk F.I, Harchenko A.I. et al. Ispol'zovanie ehksergeticheskogo metoda pri termodinamicheskom analize gazovyh processov v teplovyh mashinah. Vestnik Khar'kovskogo natsional'nogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta = Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, 2011, no. 53, pp. 32-44. (in Russian).
8. Brodyanskij V.M., Fratsher V., Mihalek K. Exergy method and its applications. Ed by V.M. Brodyanskogo. Moscow, Ehnergoatomizdat Publ., 1988. 288 p. (in Russian).
9. Rymkevich A.A. System analysis of optimization of General ventilation and air conditioning. Saint-Petersburg, AVOK Severo-Zapad Publ., 2003. 272 p. (in Russian).
10. Shishov V.V. Entropy-statistical analysis of refrigeration cycles for air conditioning systems. Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovacii = Engineering Journal: Science and Innovation, 2012, no. 5 (5), pp. 143-156.
(in Russian).
11. Tishin O.A., Haritonov V.N., Gatapova N.C., Koliuh A.N. Theoretical foundations of energy and resource saving in chemical technology: textbook. Tambov, FGBOU VPO «TGTU» Publ., 2012. 92 p. (in Russian).
12. Shevcov A.A., Kotarev V.I. et al. Eksergeticheskij analiz ehnergoehffektivnoj biotekhnologii poroshkoobraznyh fermentnyh preparatov. Izvestiya Timiryazevskoy sel'skokhozyaystvennoy akademii, 2015, no 1,
pp. 79-90. (in Russian).
13. Gorbachev M.V., Ivanova A.P. Ocenka ehffektivnosti dejstvitel'nyh ciklov aviacionnoj sistemy kondicionirovaniya vozduha. Sibirskij gosudarstvennyj universitet nauki i tekhnologij imeni akademika M.F. Reshetneva, 2013, vol. 1, no. 17, pp. 123-125. (in Russian).
Received 09.04.2019; Revised 09.04.2019; Accepted 24.09.2019.
Information about the authors:
Valery I. Karakeyan - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), zelikar@mail.ru
Andrei S. Ryabyshenkov - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), ryabyshenkov@mail.ru
Mikhail A. Gundartcev - PhD student of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), gundartcev.m@yandex.ru
