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無塵車間節(jié)能的十個技巧是什么?

更新時間:2021-07-20點(diǎn)擊次數(shù):3666

無塵車間節(jié)能的十個技巧是什么?潔凈室里存在大量可以節(jié)約能源的地方,例如暖氣、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)、工藝?yán)鋮s、壓縮空氣以及一些其他的設(shè)施。

HVAC系統(tǒng)消耗的電力超過了整座晶片制造廠用電量的一半。之所以造成大量浪費(fèi)電力及HVAC的容量過剩,很大程度上是因為在設(shè)計和建造工廠時走捷徑,盡可能地壓縮前期投入,而不顧后期運(yùn)行費(fèi)用。高效率的設(shè)計和高效率設(shè)備需要很大的前期投入。那種“小處節(jié)約大處浪費(fèi)”的所謂捷徑和削減成本,會造成工廠的運(yùn)行性能降低和能耗增加。
對已建成工廠的改建通常會陷入到毫無意義的經(jīng)濟(jì)漩渦當(dāng)中。升級的投資收回率通常比直接購買新設(shè)備要高很多。大部分工廠設(shè)備翻新的投資回收期不超過兩年――也就是說,通常投資收回率至少是50%,對照投資新的固定資產(chǎn),則只有10%到15%(即投資回收期需要七年時間)。這些情況降低了企業(yè)的競爭力和投資股東的興趣。在今天高度發(fā)達(dá)的工業(yè)中,工廠運(yùn)行和產(chǎn)品設(shè)計一樣需要改革。
高效率地利用能源的例子很多。挖掘浪費(fèi)的能源比賣產(chǎn)品更能增加利潤,因為節(jié)約下來的錢在*終效益中馬上就能體現(xiàn)出來。雖然能源的成本占晶片產(chǎn)品成本占不到百分之二,但是電能卻是晶片制造商在運(yùn)行中的開支卻是*大的,每座工廠每年總共要消耗上百萬美元的電能。在新建工廠時,節(jié)能措施可以節(jié)約資本和建造時間。雖然初步設(shè)計報價昂貴,但是經(jīng)濟(jì)翻新的可能性仍然存在。設(shè)備翻新的投資回收期不超過兩年,總體而言,在某種程度上投資收回率是較高的。
下面是新建和現(xiàn)有工廠提供解決能效的十個技巧,不但提供了可靠的技術(shù),風(fēng)險也*小、而且費(fèi)用低或者不需要花錢,而投資回收期又很吸引人。
潔凈室節(jié)能的十個技巧

一、 低斷面風(fēng)速設(shè)計
斷面風(fēng)速就是空氣處理部件中空氣經(jīng)過過濾器或者加熱/冷卻盤管的速度(參見圖1)。


圖1 低斷面風(fēng)速(LFV)設(shè)計使用更
大的空氣處理器和較小的風(fēng)機(jī),從而
降低空氣的流速,降低能耗和設(shè)備壽
命成本。

大部分工程師根據(jù)“經(jīng)驗”把空氣處理器設(shè)計成500英寸/分鐘。這樣的設(shè)計雖然節(jié)省時間,但是卻增加了運(yùn)作費(fèi)用。在低斷面風(fēng)速(LFV)設(shè)計中,使用更大的空氣處理器和更小的風(fēng)機(jī),從而降低空氣的流速,降低能耗和設(shè)壽命成本。
壓降決定了風(fēng)機(jī)的能量損耗。由“平方定則”可知壓降與速度下降的平方成正比。如果斷面風(fēng)速降低20%,那么壓降將下降36%;如果斷面風(fēng)速降低50%,壓降將下降四分之三。根據(jù)“立方定則”,風(fēng)機(jī)能耗的變化與流量變化的立方成正比。如果空氣流量降低50%,風(fēng)機(jī)能耗將下降88%。
因此,較大尺寸的空氣處理器、較大的過濾器和盤管面積消耗較少的風(fēng)機(jī)能量,可以使用比較小的風(fēng)機(jī)和馬達(dá)。小風(fēng)機(jī)給空氣添加的熱量比較少,降低了冷卻的難度。厚度小的盤管更容易清洗、工作效率更高,所以冷凍水的溫度可以更高。過濾器在低斷面風(fēng)速情況下,工作效果更好、壽命更長。
LFV設(shè)計減少了空氣和水的壓降,減小了冷卻盤管的帶水量。流線型設(shè)計,幾乎沒有尖角,從而使壓降減少10%到15%。
LFV設(shè)計也可以把壓降降低四分之一。目標(biāo)是使能量損耗降低至少25%,減小變速風(fēng)機(jī)的大小。*優(yōu)的斷面風(fēng)速范圍是250-450英尺/分鐘,具體取決于使用情況和能量消耗。

二、換氣次數(shù)
潔凈室維持一定的空氣流量來保持清潔度和顆粒數(shù)。流量根據(jù)每小時的換氣次數(shù)來確定,同時這也決定了風(fēng)機(jī)尺寸、建筑構(gòu)型和能量消耗。在保持潔凈度的前提條件下,空氣流速的降低可以降低建造及能耗成本。換氣次數(shù)降低20%就可以使風(fēng)機(jī)的尺寸降低50%。空氣潔凈度比節(jié)約能耗更重要,但是*新的研究成果已經(jīng)有降低潔凈成本的記載了。
關(guān)于*佳換氣次數(shù)還沒有達(dá)成共識。許多原則都已過時,是建立在老觀念上,采用低效的空氣過濾器。調(diào)查顯示,ISO第5級標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室推薦的換氣次數(shù)變化范圍是從250到700以上。
美國的一所國家實驗室正在確定ISO第5級潔凈室的標(biāo)準(zhǔn)。研究顯示,實際換氣次數(shù)范圍是90到250――比操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)低很多,而且不會影響生產(chǎn)和潔凈度。因此建議ISO第5級潔凈室的換氣次數(shù)大約是200,保守的上限是300。

三、馬達(dá)效率
馬達(dá)消耗了潔凈室的大部分電能。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的馬達(dá)每月消耗大量的電力。適當(dāng)?shù)靥岣咝?、適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)尺寸,在翻新后,經(jīng)濟(jì)效果多半是不錯的。效率增加幾個百分點(diǎn),利潤就可增加。
使用上等高效的馬達(dá),不一定會花費(fèi)太多。高效率意味著*小,在改變馬達(dá)的尺寸之前先盡量減小負(fù)荷。在輸出量變化時,利用變速驅(qū)動(VSD)可以提高操作效率。

四、變速驅(qū)動的冷凍機(jī)
變速驅(qū)動冷凍機(jī)能節(jié)省大量的能量和**。許多潔凈室的設(shè)計人員和操作人員認(rèn)為,沒有必要使用變速驅(qū)動冷凍機(jī),因為負(fù)荷通常是恒定的,多級冷凍機(jī)機(jī)組通??刂茷楦哓?fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。但是負(fù)荷恒定的冷凍機(jī)通常工作在滿負(fù)荷以下。變速驅(qū)動冷凍機(jī)通常工作在全負(fù)荷的90%-95%以節(jié)省能量。一臺1000噸的冷凍機(jī)穩(wěn)定工作在滿負(fù)荷的70%,如果使用了變速驅(qū)動,每年就可節(jié)省兩萬到三萬美元。根據(jù)生產(chǎn)商的數(shù)據(jù),電能的價格是0.05美元/千瓦時,這樣大約一年就可以回收成本。
多級冷凍機(jī)冷水式機(jī)組很少高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下,現(xiàn)場負(fù)荷通常不是正好匹配機(jī)組的能級變化。許多操作人員運(yùn)行額外的冷凍機(jī)以求可靠,一旦某個冷凍機(jī)發(fā)生故障,其它的冷凍機(jī)可以立刻補(bǔ)充,接替其全部負(fù)荷,因此冷水式機(jī)組經(jīng)常是讓冷凍機(jī)在制冷能力的60%到80%運(yùn)轉(zhuǎn)。
在購買新冷凍機(jī)的時候,購買變速驅(qū)動冷凍機(jī)是劃算的。用變速驅(qū)動冷凍機(jī)可降低能耗,同時讓其他冷凍機(jī)可靠性運(yùn)行。有許多的研究和實驗證明,變速驅(qū)動冷凍機(jī)的效果是很好的。二十多年來,變速驅(qū)動冷凍機(jī)制造廠商制造出更可靠性的產(chǎn)品,用在新建的和升級的潔凈工廠里面。

五、雙溫度冷凍循環(huán)
冷凍系統(tǒng)通常設(shè)計成可以承受*大負(fù)荷,不管*大負(fù)荷發(fā)生得是否頻繁。流程中處于冷凍循環(huán)的冷凍水溫度,是由所有負(fù)荷中只占一小部分的熱負(fù)荷來確定,這只是許多情況中的一兩種。這會造成冷凍能力過剩,在負(fù)荷不足的情況下效率低下。當(dāng)供給的冷凍水的溫度較低時,冷凍機(jī)的工作效率也會很低。平均來說,冷凍水的供給溫度每增加一華氏度,冷凍器效率就提高一個百分點(diǎn)以上。如果劃分負(fù)荷,提供兩個不同溫度的冷凍水,那么工作效率將會更高(參見圖2)。


圖2 設(shè)計者可以使用并聯(lián)循環(huán)管路,
將他們分成兩個子系統(tǒng),這樣可以在
需要*大冷量的時候,冷凍機(jī)可以工
作在相對不很苛刻的條件下。

設(shè)計人員可以使用并聯(lián)循環(huán)管路,將他們成兩個子系統(tǒng),這樣可以在需要*大冷量的時候,冷凍機(jī)可以工作在相對不很苛刻的條件下。用專用冷凍機(jī)進(jìn)行中等溫度的循環(huán)(例如55oF到65oF),它的運(yùn)作是針對冷凍水的溫度進(jìn)行優(yōu)化的,可以滿足工廠的大部分需要。另一個較小的高效冷凍機(jī)提供溫度較低的循環(huán)(例如:39oF到43oF),可以滿足負(fù)荷中要求苛刻的部分。
這個方案可以迅速增加整個冷凍機(jī)機(jī)組的效率提高百分之二十五或更多。對于相同容量的冷凍機(jī),高溫工作要比低溫工作花費(fèi)小得多。

六、
冷卻塔優(yōu)化
高效冷卻塔通過降低冷凝水的供給溫度來提高冷凍機(jī)效率(參見圖3)。


圖3 所有的冷卻塔都應(yīng)該并聯(lián)工作,
在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷,效果
卻達(dá)到*佳。

從冷凍機(jī)中每輸出一噸冷凍水,一般的冷卻塔需要100瓦的能量。效率提高可高達(dá)十倍,例如采用更為接近入口、出口溫差、更有效的氣流設(shè)計、上等高效的配有變速驅(qū)動馬達(dá)的風(fēng)機(jī)、減少高度以限制泵的揚(yáng)程以及增加填充面積(選擇大尺寸的塔)等。
不同的外界空氣的濕溫度和冷卻水的供給溫度,這個溫差有所不同,應(yīng)該控制在3oF到5oF之間。
所有的冷卻塔都應(yīng)該并聯(lián)工作,在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達(dá)到*佳。
許多任務(wù)廠使用多級塔,它們使用單速或雙速的風(fēng)機(jī),并且把塔分成不同的階段。一個塔全速運(yùn)轉(zhuǎn)直到負(fù)荷超過它的承受能力,然后另一個塔開啟,它工作在較低或較高的功率狀態(tài)。這個方案可以導(dǎo)致冷卻塔負(fù)荷出現(xiàn)較大的、不斷遞增的變化,頻繁地低于或者超過要求的額定值,從而出現(xiàn)鋸齒狀的能耗狀況,降低冷凍機(jī)的效率。
因而所有的冷卻塔都應(yīng)該并行工作,在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達(dá)到*佳。如果更多的塔在低速狀態(tài)下工作,使用變速驅(qū)動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度,隨負(fù)載變化而調(diào)整,根據(jù)“立方定律”,在較低的速度下風(fēng)機(jī)可以節(jié)省能量。
工廠通常采用專門一個冷卻塔為每一個冷凍機(jī)供應(yīng)冷凝水。這種構(gòu)想不允許冷凍機(jī)利用冷卻塔并行運(yùn)作。只有為冷凝水系統(tǒng)加上普通的集管才允許冷卻塔并行運(yùn)行,不考慮冷卻要求。

七、自由冷卻
使用外面的空氣進(jìn)行冷卻是經(jīng)濟(jì)的,在商業(yè)大樓得到廣泛采用。另外一種“自由冷卻”方案適用于需要恒定的冷凍水以及風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng),比如潔凈室。
自由冷卻技術(shù)直接利用處在低溫或低濕度環(huán)境中的冷卻塔制造冷凍水,減少或取代冷凍機(jī)的使用。根據(jù)天氣的變化,使用自由冷卻系統(tǒng)可以把冷卻系統(tǒng)的耗能減少到十分之一(從0.5千瓦/冷噸減少到0.05千瓦/冷噸)。
直接與工藝負(fù)荷進(jìn)行熱交換,可以使自由冷卻技術(shù)利用外面溫度較高的大氣,要比用在二級或者三級熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱交換的時間長出若干個小時。由板式熱交換器分隔開來的冷卻水和冷凝水之間的溫差很接近(比如只有2oF)。當(dāng)溫度和濕度相當(dāng)?shù)蜁r,冷卻塔可以獨(dú)立運(yùn)行,無需風(fēng)機(jī)。根據(jù)溫濕圖,很多地方每年有很多的時間都可以進(jìn)行自由冷卻。

八、熱量回收
許多任務(wù)廠都要消耗大量的能量來制熱,同時又消耗更多的能量從工藝過程中移除“廢”熱,卻沒有把這兩個過程結(jié)合起來?;厥盏臒崃靠梢杂脕眍A(yù)熱新風(fēng),送風(fēng)再熱,以及其它用途。AHU預(yù)熱盤管可以用廢水預(yù)熱外來的空氣(在炎熱的天氣下也可預(yù)冷)。
再熱盤管可以從空氣壓縮機(jī)或者冷凍機(jī)的冷凝器回水中回收廢熱,同時節(jié)省了冷凍機(jī)能量和鍋爐燃料。熱交換器可以使不能混合或者直接接觸的不同介質(zhì)進(jìn)行熱量交換。

九、變頻泵
過去配備變頻驅(qū)動的設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障,而且控制復(fù)雜,所以很多工程師和管理人員不愿意使用變頻驅(qū)動。可靠性比節(jié)能更重要,而老的變頻驅(qū)動可靠性差。*近十年中,變頻驅(qū)動可靠性提高了,價格降低了。許多關(guān)鍵系統(tǒng)現(xiàn)在都在使用變頻驅(qū)動。
我們認(rèn)為在潔凈室中的許多系統(tǒng)和各類的泵上使用變頻驅(qū)動是安全和劃算的。實際上,可以證明考慮投資回收率卻不使用變頻驅(qū)動是不負(fù)責(zé)任的,因為其投資回收期不滿一年。
冷凍水和冷凝水的泵系統(tǒng)流量變化較大,冷凍水和冷凝水系統(tǒng)有*小流量要求,基本上在50%到75%之間。根據(jù)“立方定則”,流量減少很小,就會產(chǎn)生可觀的能量節(jié)約。流量減少20%,就會產(chǎn)生幾乎50%的泵功率下降。
大多數(shù)已知的冷凍水系統(tǒng)使用上等泵定流量/二級泵變流量設(shè)計,二級泵采用變頻驅(qū)動。使用變頻驅(qū)動時,所有冷凍水要使用雙道通閥,否則就失去使用變頻泵的意義了。
新建工廠時,使用變流量上等泵系統(tǒng),不再需要二級泵,節(jié)省了工程費(fèi)用。運(yùn)行適當(dāng),這套簡單可靠的系統(tǒng)可以通過冷凍機(jī)中的冷凍水流量變化而節(jié)約大量能源。這項技術(shù)被冷凍機(jī)供應(yīng)商和各種專業(yè)協(xié)會所廣泛宣揚(yáng),例如ASHRAE(AmericanSociety of Heating, Refrigerating & Air ConditioningEngineers)。

十、離心式壓縮機(jī)
空氣壓縮機(jī)的改進(jìn)節(jié)約了大量能源。離心式壓縮機(jī)是無油的,比螺桿式壓縮機(jī)的效率高很多。但是離心式壓縮機(jī)不能空轉(zhuǎn),這使得他們在負(fù)載低的情況下效率很低。*有效和經(jīng)濟(jì)的辦法是離心式和螺桿式壓縮機(jī)兩者結(jié)合使用。選用離心機(jī)組滿足基本負(fù)荷,再用小一些的螺桿式機(jī)組滿足峰值負(fù)荷。壓縮機(jī)組應(yīng)該配有熱回收系統(tǒng)。
另一種方案是整個現(xiàn)場用高效的離心式壓縮機(jī)作為一個大的壓縮空氣裝置,外加大的儲氣罐和連接管道作為緩沖器。這樣可以保證整個工廠維持一個恒定載荷,減輕加載與卸載對設(shè)備的損耗,并且降低能量浪費(fèi)。

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