CC BY
14УДК 621.1.016.7:628.8
DOI: 10.24151/1561-5405-2017-22-4-341-349
Термодинамический анализ процесса воздухоподготовки
чистых помещений
А.С. Рябышенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
ryabyshenkov@mail. ru
Исследована возможность применения эксергетического метода термодинамического анализа как средство мониторинга энергоэффективности системы воздухоподготовки чистых помещений. Повышение энергоэффективности можно достичь за счет тщательного термодинамического анализа затрат энергии при изменении состояния воздушного потока в системе кондиционирования и фильтрации воздуха.
Использована математическая модель системы кондиционирования воздуха с рециркуляционным контуром. Проведены оценки эксергетиче-ской эффективности в выбранной системе кондиционирования и потерь эксергии в основных ее элементах в зависимости от различных факторов. Получена диаграмма Грассмана потоков и потерь эксергии для выбранной системы кондиционирования в теплый и холодный периоды года.
Применение эксергетического анализа позволяет определить основные способы уменьшения энергетических потерь и выбрать оптимальный вариант схемного решения системы кондиционирования и фильтрации воздуха.
Ключевые слова: системы кондиционирования воздуха; чистые помещения; рециркуляционный контур; энергоэффективность; эксергетический баланс; диаграмма Грассмана.
Для цитирования: Рябышенков А.С. Термодинамический анализ процесса воздухоподготовки чистых помещений // Изв. вузов. Электроника. - 2017. -Т. 22. - № 4. - С. 341-349. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-341-349
© А.С. Рябышенков, 2017
Thermodynamic Analysis of Process of Clean Rooms Air Handling
A.S. Ryabyshenkov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
For determination of the optimal thermodynamic processes in the air conditioning and filtration the exergy method has been used. The estimation of separate elements and of the whole complex the air conditioning and filtration based on the exergy efficiency calculation is the main purpose of the exergy analysis.
The possibility of using the method of thermodynamic exergy analysis as the means of monitoring the energy efficiency of clean rooms air handling system has been investigated. The mathematical model of an air conditioning system with the recirculation circuit has been used. The estimates of the exergy efficiency in the selected system, air conditioning and the Exergy losses in its base elements depending on various factors have been performed.
The application of the exergy analysis enables to identify the main ways to reduce the energy losses and choose the best option circuitry air conditioning and air filtration.
Keywords: air-conditioning system; clean rooms; a recirculation loop; energy efficiency; exergy balance; diagram Grassmann.
For citation: Ryabyshenkov A.S. Thermodynamic Analysis of Process of Clean Rooms Air Handling // Proc. of Universities. Electronics. - 2017. - Vol. 22. - No. 4. -P. 341-349. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-341-349
Введение. В настоящее время довольно широко применяется эксергетический подход для определения оптимальных термодинамических процессов в системе кондиционирования и фильтрации воздуха (СКФВ) чистых помещений (ЧП) микроэлектроники [1-3]. Использование эксергетического подхода для анализа СКФВ позволит выбрать наиболее энергетически эффективную схему обработки воздуха за счет сравнительного анализа различных вариантов схем воздухоподготовки (прямоточная система, рециркуляционный контур) с последующей оптимизацией основных процессов работы СКФВ. Основная цель эксергетического анализа - оценка эффективности элементов (тепло-массообменное оборудование, вентиляторы, фильтры, насосы, воздуховоды) и всего комплекса СКФВ на основе расчета эксергетического КПД. При этом необходимо учитывать, что при производстве изделий микроэлектроники в современных условиях потребляется большой объем чистого воздуха, а это, в свою очередь, предполагает еще большие затраты. Повышение энергоэффективности можно достичь за счет тщательного термодинамического анализа затрат энергии (эксергии) при изменении состояния воздушного потока в СКФВ и выработке соответствующих мероприятий по снижению энергозатрат [4-8].
В настоящей работе использована сравнительно новая математическая модель системы кондиционирования с рециркуляцией воздуха ЧП [3,6,9]. С этой целью проведена компьютерная оценка эксергетической эффективности в исследуемой схеме воздухоподготовки и потерь эксергии в основных элементах в зависимости от различных фак-
торов, влияющих на ее эффективность. Построены диаграммы Грассмана потоков и потерь эксергии для выбранной схемы кондиционирования воздуха в теплый (ТПГ) и холодный периоды года (ХПГ).
Эксергетический метод анализа - универсальный способ термодинамического исследования в различных процессах превращения энергии в СКФВ, в которых все термодинамические процессы обработки воздуха необратимы, что является причиной отклонения от условий идеального процесса. Использование эксергетического подхода для исследуемой СКФВ позволяет определить потери эксергии в основных ее элементах и тем самым повысить эффективность функционирования СКФВ в целом [10-13].
Описание объекта анализа и результаты работы. Для исследуемой СКФВ вначале составляют материальный и тепловой балансы и, следовательно, эксергетический. В отличие от теплового эксергетический баланс учитывает потери энергии от необратимости процессов в СКФВ и приближает систему к идеальной с лэ = 1.
Эксергетический баланс для СКФВ ЧП имеет следующий вид:
п
Евх = Евых + Е Ег (1)
г=1
п
или Е Ег = Евх - Евых> г=1
где Евх - подаваемая эксергия в СКФВ, кДж/кг; Евых - эксергия воздуха на выходе из
п
СКФВ, кДж/кг; Е Ег - сумма эксергетических потерь СКФВ, кДж/кг.
г=1
На основе эксергетического баланса определяются абсолютные или относительные характеристики СКФВ и отдельных ее элементов, далее строится диаграмма Грассмана, в полной мере отражающая потоки и потери эксергии в исследуемой СКФВ.
Эксергетический баланс СКФВ составляется на основе принципиальной схемы, приведенной на рис. 1.
Очевидно, что эффективность функционирования СКФВ и основных ее элементов будет тем выше, чем меньше потери эксергии. Для повышения эффективности СКФВ необходимо использовать эксергетический КПД, который определяется из эксергетиче-ского баланса [4-6]:
Е
Лэ = . (2)
Евх
Эксергетический КПД определяет энергию, зависящую от параметров наружного воздуха (НВ).
Расчеты балансов и различных характеристик СКФВ с учетом потерь эксергии дают возможность простым и наглядным способом решать научно-технические задачи. С их помощью можно свести к минимуму погрешности и пренебречь качественными преобразованиями для создания условий экономии энергоресурсов в СКФВ [4,5].
Эксергетический КПД СКФВ ЧП рассчитывают по формуле (2), в которой числитель является полезным эксергетическим эффектом, а знаменатель - затратами эксер-гии, тогда формула (2) примет следующий вид:
Лэ =—Евмх^ = . (3)
Евых + Е Е пот
г=1
Рис.1. Принципиальная схема рециркуляционной СКФВ ЧП: СДОВ - система доводки и обработки воздуха; ОНВ - объемный расход наружного воздуха; /ЧП, фчп, ^ЧП ,
Фв,
Свых - температура, относительная влажность, объемный расход воздуха в ЧП и на выходе из ЧП соответственно Fig.1. Schematic diagram of the recirculation air conditioning and air filtration system (ACAFS) in cleanrooms (CR): HB - outside air; OR - air conditioning system; %В, фНВ, Ghe - temperature, relative humidity, outside air volume flow; фЧп, Очп - temperature, relative humidity, air volume flow in cleanroom; 4ых, фвых, Овых - temperature, relative humidity, air volume flow at the exit of CR
Основная цель СКФВ ЧП - поддержание параметров внутрипроизводственной среды в соответствии с заданным классом ЧП. При этом регулированию подлежит температура ¿нВ и относительная влажность фНВ воздуха, а также концентрация частиц пыли в ЧП [14].
Работа исследуемой СКФВ с рециркуляцией воздуха в ТПГ и ХПГ зависит от параметров НВ природно-технической геосистемы (температуры и влагосодержания окружающей среды). Воздух из окружающей среды поступает в центральный кондиционер (ЦК), далее проходит через калорифер 1 (К1) первый подогрев, затем увлажняется (охлаждается) в камере орошения (КО), подогревается в калорифере 2 (К2), а потом посредством вентилятора через HEPA-фильтры подается в ЧП (см. рис.1).
Построена I-d-диаграмма процесса кондиционирования воздуха с рециркуляцией воздуха для следующих значений параметров наружного и внутреннего воздуха в ТПГ: tm = 30 °С; влагосодержание d^ = 10,9 г/кг; фНВ = 41%; энтальпия /НВ = 58,1 кДж/кг; барометрическое давление рНВ = 101325 Па; ¿ЧП = 21 °С; d4n = 6,2 г/кг; фЧП = 40 %; бЧп = 115000 Вт; разница температур между воздухом в ЧП и наружным воздухом зависит от теплоизбытков в ЧП Д= ^В-ЧП =9 оС для ХПГ: ^в = -30 °С; dm = 0,2 г/кг; фНВ = 95%; /НВ = -29,8 кДж/кг; параметры внутреннего воздуха в ЧП такие же, как для ТПГ.
Последовательность изменений, которые происходят с влажным воздухом, проходящим через различные элементы СКФВ в ТПГ и ХПГ, показана на рис.2. Для предложенной математической модели с влажным воздухом построена диаграмма Грассмана потоков и потерь эксергии при температуре наружного воздуха +30 °С в ТПГ и -30 °С в ХПГ.
Рис. 2. I-d-диаграмма рециркуляционной системы кондиционирования воздуха в ТПГ и XIII Fig.2. I-d-diagram of air condition recirculation system for warm and cold periods of year
Эксергетический КПД характеризует эффективность работы СКФВ с рециклом в ТПГ и ХПГ и определяется по формуле (3), где Евых= АЕпол ЧП = Епол - ЕЧП - уменьшение эксергии кондиционируемого воздуха в ЧП (полезно потраченная эксергия), кДж/кг; Епол и ЕЧП - эксергия поступающего и внутреннего воздуха в ЧП соответственно; АЕКО=ЕКО - ЕНВ - потеря эксергии воздуха в камере орошения; ЕКО и ЕНВ - эксергия обрабатываемого воздуха соответственно на выходе и входе (наружный воздух) в камеру орошения; АЕК2 = ЕК2 - ЕКО - потеря эксергии воздуха в калорифере 2; ЕК2 и ЕКО -эксергия обрабатываемого воздуха соответственно на выходе и входе в калорифер 2.
Удельная эксергия воздуха в отдельных элементах СКФВ Ei определяется по формуле
E = tn
(CpC + dtCpa -1 - InA-) + R
L
t„
(0,622 + dl) In
Pt (0622 + do) + d, nd
Poc (0,622 + d,) ' d o,
где и do,с - температура и влагосодержание воздуха окружающей среды, К и г/кг; Срс, Срп - удельная теплоемкость сухого воздуха и водяного пара, кДж/кг К; ррос - парциальное давление воздуха в /-элементе СКФВ и в окружающей среде, Па; Я - газовая постоянная водяного пара, Дж/(кг К); ti, di, - температура и влагосодержание воздуха в /-элементе СКФВ, К и г/кг.
Необходимо отметить, что при выполнении расчетов не учтены потери эксергии, связанные с потерей аэродинамического давления, которыми можно пренебречь. Параметры, характеризующие состояние обрабатываемого воздуха в основных элементах исследуемой системы СКФВ, приведены в таблице.
Параметры воздуха при рециркуляционном режиме СКФВ в ТПГ и ХПГ Air parameters for recirculation mode ACAFS for WPY and CPY
Точки на I-d-диаграмме t, oC I, кДж/кг d, г/кг Ф, %
ТПГ
A (НВ) 30 58,1 10,9 41,0
B (КО) 15 34,7 7,7 95,0
C (К2) 21 40,8 7,7 50,0
D (ЧП) 21 36,9 6,2 40,0
E (СДОВ) 23 38,7 6,1 35,0
ХПГ
F (НВ) -30 -29,8 0,2 95,0
G (К1) 5 5,6 0,2 4,0
I (КО) 5 36,9 3,8 70,0
R (К2) 21 30,8 3,8 25,0
D (ЧП) 21 36,9 6,2 40,0
E (СДОВ) 23 38,7 6,1 35,0
Для построения диаграммы Грассмана СКФВ в ТПГ определялись потери эксергии (Х) в основных ее элементах (в процентном соотношении подаваемой эксергии в исследуемую СКФВ):
АЕ
- в камере орошения: ХКО =--100 = 75,55%;
Евх
АЕ
- в калорифере 2: Х К2 =-К2 • 100 = 22,04%;
Евх
АЕ
- в ЧП: ХЧП = —ЧП • 100 = 0,1%;
Евх
- в СДОВ: Х сдов = АЕсДОВ • 100 = 2,3%.
Евх
Для построения диаграммы Грассмана составлялся эксергетический баланс рециркуляционной схемы СКФВ в ТПГ:
Евх = ХКО + ХК2 + ХЧП + ХСДОВ = 100% .
Далее строилась диаграмма Грассмана для ТПГ (рис.3).
Аналогично составлялся эксергетический баланс СКФВ и строилась диаграмма Грассмана для ХПГ (рис.4).
Рис.3. Диаграмма Грассмана СКФВ для ТПГ Fig.3. Grassman diagram of ACAFS for warm period of year
Потери эксергии в основных ее элементах (в процентном соотношении к подаваемой эксергии в исследуемую СКФВ):
АЕ
- в калорифере 2: XК1 =-• 100 = 17,95% ;
Евх
АЕ
- в камере орошения: X КО =--100 = 33,08%;
Евх
AEV1
- в калорифере 2: ХК 2 = —К2 • 100 = 40,58%;
Евх
АЕ
- в ЧП: ХЧП = —^ • 100 = 0,76%;
Евх
- в СДОВ: Xсдов = АЕсдов• 100 = 7,63% .
Евх
Для построения диаграммы Грассмана эксергетический баланс рециркуляционной схемы СКФВ в ХПГ имеет вид:
Евх = ХК1 + ХКО + ХК2 + ХЧП + ХСДОВ = 100% .
Заключение. Проведенный анализ диаграмм Грассмана показал, что для увеличения эксергетического КПД в исследуемой схеме для ТПГ необходимо уменьшить потери эксергии при процессах увлажнения и нагревания воздуха, а для ХПГ - при процессах нагревания в калорифере 2, а также при увлажнении воздуха в камере орошения. Построенные диаграммы для ТПГ и ХПГ дают возможность оценить относительные потери эксергии в отдельных элементах и СКФВ в целом. Это позволяет разработать необходимые мероприятия по уменьшению энергетических потерь в СКФВ ЧП, среди которых основными являются повышение эффективности обработки воздуха при уменьшении расхода воды за счет оптимизации энергозатрат при нагревании в калорифере и увлажнении в камере орошения, а также вследствие уменьшения количества во-дозапорной арматуры и длины воздуховодов по ходу движения обрабатываемого воздуха в элементах СКФВ.
Литература
1. Рябышенков А.С., Захаров А.Н., Гаврилин В.А. Эксергетический анализ рециркуляционной системы кондиционирования и фильтрации воздуха в чистых помещениях // Актуальные проблемы повышения эффективности производств микроэлектроники: сб. науч. тр. / Под ред. В.И. Каракеяна. -М.: МИЭТ, 2016. - С. 28-33.
2. Каракеян В.И., Дисветова Н.М. Система кондиционирования воздуха чистых помещений как объект термодинамического анализа // Актуальные проблемы повышения эффективности производств микроэлектроники: сб. науч. тр. / Под ред. В.И. Каракеяна. - М.: МИЭТ, 2016. - С. 3-8.
3. Labay V., Harasym D. Innovation model for energy effective investigations of air conditioning systems for cleanrooms / // Econtechmod. - 2014. - Vol. 3. - No. 1. - P. 47-52.
4. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.
5. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / В.М. Бродянский, Г.П. Верхивкер, Я.Я. Карчев и др.; под ред. А.А. Долинского, В.М. Бродянского. - Киев: Наукова думка, 1991. - 360 с.
6. Labay V.Y., Harasym D.I. The diagram of Grassman in exergetic analysis of air conditioning systems for cleanrooms // Refrigeration Engineering and Technology. - 2014. - №5(151). - P. 17-22.
7. Архаров А.М. Почему эксергетический вариант термодинамического анализа нерационален для исследования основных низкотемпературных систем // Холодильная техника. - 2011. - №10. - C. 8-12.
8. Архаров А.М., Шишов В.В. Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии на компенсацию необратимости рабочих процессов систем кондиционирования//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2013. - №2. - С. 84-93.
9. Рябышенков А.С. Системный анализ функционирования чистых помещений для микроэлектроники // Изв. вузов. Электроника. - 2016. - Т. 21. - № 3. - С. 218-223.
10. Шишов В.В. Энтропийно-статистический анализ холодильных циклов для систем кондиционирования// Наука и инновации. - 2012. - № 5 (5). - С. 143-156.
11. Цыганков А.В., Гримитлин А.М. Состояние и перспективы развития систем кондиционирования воздуха // Вестник Международной академии холода. - 2013. - №4.- С. 47-50.
12. Коченков Н.В., Коченков В.Н. Сравнительная оценка годовых энергозатрат в центральной и децентрализованной системах кондиционирования воздуха //Научный журнал НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. - 2014. - №3. - С. 37-49.
13. Емельянов А.Л., Киселев И.Г., Приймин В.П. Методика оценки энергетической эффективности мобильных систем кондиционирования воздуха // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. - 2016. - №3. - С. 5-12.
14. ГОСТ ИСО 14644-1-2002. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч.1. Классификация чистоты воздуха. - М., 2002.
Поступила 16.01.2017 г.; принята к публикации 25.04.2017 г.
Рябышенков Андрей Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1), [email protected]
References
1. Ryabyshenkov A.S., Zakharov A.N., Gavrilin V.A. Eksergeticheskij analiz retsirkulyatsionnoj sistemy konditsionirovaniya i fil'tratsii vozdukha v chistykh pomeshheniyakh [Exergetic Analysis of air condition and air filtration recirculation system in cleanrooms]. Sbornik nauchnykh trudov «А^иаГпув problemy povysheniya ehffektivnosti proizvodstv mikroehlektroniki» [Proc. Actual problems of increasing the efficiency of microelectronics production]. Pod red. V.I. Karakeyana. Moscow, MIET, 2016, рр. 28-33. (In Russian).
2. Karakeyan V.I., Disvetova N.M. Sistema konditsionirovaniya vozdukha chistykh pomeshhenij kak ob"ekt termodinamicheskogo analiza [The cleanrooms air conditioning system as an object of thermodynamic analysis]. Sbornik nauchnykh trudov «^k^arnye problemy povysheniya ehffektivnosti proizvodstv mikroehlektroniki» [Proc. Actual problems of increasing the efficiency of microelectronics production]. Pod red. V.I. Karakeyana. Moscow, MIET, 2016, рр. 3-8. (In Russian).
3. Labay V., Harasym D. Innovation model for energy effective investigations of air conditioning systems for cleanrooms. ECONTECHMOD, 2014, vol. 3, no.1, pp. 47-52.
4. Brodyanskij V.M. Eksergeticheskij metod termodinamicheskogo analiza. Moscow, Energiya, 1973. 296 p. (In Russian).
5. Brodyanskij V.M., Verkhivker G.P.,. Karchev Ya.Ya et al. Eksergeticheskie raschety tekhnicheskikh system. Sprav.posobie [Exergetic computations of technical systems. Reference book]. Pod red. А.А. Dolinskogo, V.M. Brodyanskogo. Kiev: Nauk.dumka, 1991. 360 p. (In Russian).
6. Labay V.Y., Harasym D.I. The diagram of Grassman in exergetic analysis of air conditioning systems for cleanrooms. Refrigeration engineering and technology, 2014, no. 5(151), pp. 17-22.
7. Arkharov A.M. Pochemu ehksergeticheskij variant termodinamicheskogo analiza neratsionalen dlya issledovaniya osnovnykh nizkotemperaturnykh system [Why exergetic method of thermodynamical analysis is irrational for main low-temperature systems]. Zurnal «Kholodil'naya tekhnika, 2011, no. 10, pp. 8-12. (In Russian).
8. Arkharov A.M., Shishov V.V. Entropijno-statisticheskij analiz raspredeleniya zatrat ehnergii na kompensatsiyu neobratimosti rabochikh protsessov sistem konditsionirovaniya [Statistical entropy distribution analysis of energy expenses on compensation for irreversibility of air condition system operation processes].
Vestnik MGTU im. N.Eh. Baumana. Ser. Mashinostroenie - Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Mechanical engineering, 2013, no. 2, pp. 84-93. (In Russian).
9. Ryabyshenkov A.S. Sistemnyj analiz funktsionirovaniya chistykh pomeshhenij dlya mikroehlektroniki [System analysis of cleanrooms functioning for microelectronics] Izvestiya vuzov. Elektronika - Proceedings of Universities. Electronics, 2016, vol. 21, no. 3, pp. 218-223. (In Russian).
10. Shishov V.V. Entropijno-statisticheskij analiz kholodil'nykh tsiklov dlya sistem konditsionirovaniya [Statistical entropy analysis of air condition refrigeration cycles]. Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovatsii -Journal of engineering: science and innovations, 2012, no. 5 (5), pp. 143-156. (In Russian).
11. Tsygankov A.V., Grimitlin A.M. Sostoyanie i perspektivy razvitiya sistem konditsionirovaniya vozdukha S[ituation and development prospects of air condition systems]. Vestnik Mezhdunarodnoj Akademii kholoda - Vestnik of International Academy of Refrigeration, 2013, no. 4, pp. 47-50. (In Russian).
12. Kochenkov N.V., Kochenkov V.N. Sravnitel'naya otsenka godovykh ehnergozatrat v tsentral'noj i detsentralizovannoj sistemakh konditsionirovaniya vozdukha [Comparative estimation of annual energy costs in central and decentralized air conditioning systems]. Nauchnyj zhurnal NIUITMO. Ser. Kolodil'naya tekhnika i konditsionirovanie - The scientific series Refrigeration and Air Conditioning. ITMO University, 2014, no. 3, pp. 37- 49. (In Russian).
13. Emel'yanov A.L., Kiselev I.G., Prijmin V.P. Metodika otsenki ehnergeticheskoj ehffektivnosti mobil'nykh sistem konditsionirovaniya vozdukha [Assessment methodology of energy efficiency for mobile air condition system]. Nauchnyj zhurnal NIU ITMO. Ser.Kolodil'naya tekhnika i konditsionirovanie - The scientific series Refrigeration and Air Conditioning. ITMO University, 2016, no. 3, pp. 5-12. (In Russian).
14. GOST ISO 14644-1-2002. CHistye pomeshheniya i svyazannye s nimi kontroliruemye sredy. Chast' 1. Klassifikatsiya chistoty vozdukha [ Cleanrooms and associated controlled environments. Part 1. Classification of air cleanliness]. Moscow, 2002. (In Russian).
Submitted 16.01.2017; accepted 25.04.2017.
Ryabyshenkov Andrey S. - candidate of technical sciences, the senior lecturer of the Industrial Ecology Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Вы можете оформить подписку на 2018 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера - 1000 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).
Адрес редакции: 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1, МИЭТ, комн. 7231.
Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: [email protected] http://www.miet.ru
