Исследование эксплуатационных характеристик теплообменных систем оборудования полупроводникового производства

Актуальность темы

В большинстве технологических процессов производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники используется энергоёмкое технологическое и теплоэнергетическое оборудование. Необходимость непрерывного режима работы и круглосуточного поддержания параметров микроклимата в чистых помещениях значительно увеличивают энергоёмкость этих производств.

Несмотря на различие функций, выполняемых технологическим и теплоэнергетическим оборудованием, у них имеются общие особенности.

Подавляющее большинство технологических процессов сопровождается необходимостью отвода энергии, регламентируемого технологическими операциями. Основной задачей теплоэнергетического оборудования является подвод энергии в производственные помещения. Поэтому в установках первого типа используются теплообменные узлы, а в установках второго типа — теплообменные устройства.

Нормальное функционирование значительной части оборудования п/п производств требует надёжной работы теплообменных систем, входящих в состав его. Энергетическая эффективность теплообменных 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 одой из важных эксплуатационных характеристик — энергетической эффективности, а следовательно, и надежности оборудования п/п производства.

Состояние вопроса. Характерной особенностью технологического оборудования, обеспечивающего основное производство является большое потребление (от десятков до нескольких сотен кВТ на одну установку) электрической и большое выделение тепловой энергии (до 200−250 кВт/м), отвод которой должен обеспечиваться эффективными системами охлаждения.

Анализируя устройства теплообменных узлов технологического и теплового оборудования, можно заметить большое сходство конструктивных решений (трубные, коаксиальные, кольцевые и т. п. системы) и общность физических основ их работы, определяемых процессами переноса тепла. Фундаментальная теоретическая база и богатый фактический (экспериментальный и статистический) материал, накопленный за многолетний период эксплуатации теплового оборудования, предоставляют уникальную возможность использовать его для решения основной задачи диссертационной работы — повышения эффективности и надежности работы технологического оборудования п/п производства.

Результаты энергоаудита, проведенного в 2001 г. на ряде ведущих предприятий микроэлектроники г. Зеленограда, показали, что в одном рубле дохода предприятий доля затрат на энергоносители составляет: 9% для АООТ «НИИМЭ и з-д «МИКРОН" — 13,5% для ОАО «АНГСТРЕМ" — 18,6% для ОАО «ЛОГИКА». Доля же удельного потребления тепловой энергии в себестоимости продукции составляет, соответственно, 4%, 2%, 1% и 5% для ОАО «ЭЛМА».

Энергетические хозяйства этих производств были сформированы на базе централизованного теплоснабжения. Это привело к зависимости энергоёмкости производств этих предприятий как от эффективности работы тепловых систем производственного оборудования, так и от технико-экономических показателей централизованного теплоэнергетического водогрейного оборудования, установленного на районных тепловых станциях (РТС) города, и теплофикационных сетей, т. е. всего теплоэнергетического комплекса.

Отсутствие прямой связи между выходом годных изделий и энергоёмкостью п/п производства затрудняет получение количественных зависимостей между ними. В то же время существует косвенная связь эффективности производства с качественными показателями работы тепловых систем оборудования. Так, например, повышение эффективности теплообменных систем климатического оборудования, способствует снижению энергоёмкости п/п производства, улучшая его экономические показатели.

Следует подчеркнуть, что помимо основного (прямого) эффекта может быть получен дополнительный экономический эффект, связанный с выплатой штрафных санкций за завышенную температуру «обратной» воды.

Предварительные оценки показывают, что своевременные профилактические мероприятия, например, очистка поверхностей охлаждения (нагрева) оборудования от внутрисистемных отложений, позволяет существенно повысить его энергетическую эффективность. Так, например, повышение эффективности теплового оборудования только на 10% позволяет получить значительный экономический эффект, исчисляемый миллионами рублей для каждого из упомянутых предприятий.

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 эффективности 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 (технологическую, энергетическую, гидравлическую и т. п.) систему 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.

В настоящей работе (на основе разработанных в ней методик) исследуются зависимости между состоянием теплопередающих поверхностей теплообменных систем оборудования п/п производства и эффективностью его работы.

Первая глава посвящена обзору и анализу эффективности работы теплонапряженных узлов базового энергоёмкого электротермического технологического оборудования п/п производства. Приведены результаты энергоаудита, проведенного в 2001 г. на ряде ведущих предприятий микроэлектроники г. Зеленограда. Представлен критический обзор методов анализа энергетической эффективности оборудования и производств. Приведены выводы и поставлены задачи исследования.

Во второй главе на основании понятий и законов термодинамики неравновесных процессов обоснована необходимость введения показателя качества — дополнительной характеристики энергоэффективности как отдельного теплового узла, так и всего устройства. Этот показатель учитывает отличительные особенности эксплуатации однотипного оборудования, находящегося в различных технологических цепочках.

В третьей главе рассматриваются основные причины снижения энергоэффективности оборудования. Излагаются теоретические предпосылки предлагаемых методики оценки энергетической эффективности эффективности теплообменных узлов и систем оборудования п/п производства.

Четвертая глава посвящена разработке методов восстановления энергетической эффективности тепловых систем оборудования. Даются рекомендации по оптимизации режимы восстановления эксплуатационных характеристик оборудования с учётом технических возможностей предприятия при соблюдении экологических нормативов.

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.

2. Провести анализ энергопотребления различных предприятий п/п производства г. Зеленограда.

3. Провести сравнительный анализ различных методик оценки энергетической эффективности теплообменного оборудования, и обосновать выбор базового метода для расчета коэффициентов эффективности теплообменных систем оборудования.

4. На основе базового метода разработать методики оценки и контроля энергетической эффективности теплообменных систем оборудования п/п производства.

5. Провести исследования энергетической эффективности теплообменных систем оборудования п/п производства.

6. Разработать математические модели, технические средства и выполнить исследования, обеспечивающие возможность повышения энергетической эффективности теплообменных систем оборудования.

7. Разработать рекомендации по организации режимов восстановления энергетической эффективности оборудования.

8. Разработать инженерные методики расчета энергетической эффективности оборудования п/п производства.

Объект исследования. Теплообменные системы оборудования п/п производства.

Предмет исследования. Зависимости эксплуатационных характеристик оборудования п/п производства от энергетической эффективность его.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с «Долгосрочной программой энергосбережения в г. Москве», осуществляемой в рамках совместной программы МИЭТ, НПК «Технологический центр», ГУЛ «Мостеплоэнерго», Институт высоких температур РАН и др. организаций.

Научная новизна работы.

1. 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.

2. 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 теплои водоснабжении его.

3. 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 «жёсткой» 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:

1 .Возможности объективного анализа эффективности и основных показателей рабочего процесса любых теплообменных систем.

2.Оценке и контроле уровня энергетической эффективности оборудования п/п производства.

3.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 (разделы 3.2.2 и 3.2.3) и методы восстановления эффективности оборудования (раздел 4.2) 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 200 000 кВт-ч (НПК «ТЦ»),.

2.Результаты исследований (разделы 4.3.1 и 4.3.2) используются в лабораторном практикуме специальности «Инженерная защита окружающей среды» (330 200). 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 и 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;

3.Математические модели, позволяющие оптимизировать режимы восстановления эффективности технологического и теплоэнергетического оборудования;

4.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 2001 г.- «Микроэлектроника и информатика -2002», Москва 2002 г.- «Микроэлектроника и информатика -2003», Москва 2003 г.- «Микроэлектроника и информатика -2004», Москва 2004 г.;

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ, в том числе две статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 92.

Основные результаты работы и выводы.

1. 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.

2. Получены 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 теплои водоснабжения его.

3. Физические методы очистки водного теплоносителя могут быть рекомендованы, главным образом, для обработки воды в замкнутых циркуляционных системах при обязательном условии удаления (сепарации) взвеси (шлама). Магнитные и ультразвуковые установки могут быть также подключены к элементам хим во до подготовки .

4. 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 «жёсткой» химической отмывки теплообменных систем оборудования от накипных отложений, позволяющая оптимизировать режимы восстановления эксплуатационных характеристик оборудования с учётом технических возможностей предприятия при соблюдении экологических нормативов. Методика многократно опробована и получила реальное внедрение в лабораторной работе по исследованию режимов очистки от накипных отложений оборудования производств электронной техники в рамках учебной дисциплины «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» для специальности 330 200 «Инженерная защита окружающей среды» на кафедре ПЭ МИЭТ.

5. Разработанные методики оценки и способы повышения энергетической эффективности работы теплообменных систем оборудования п/п производства нашли применение в ОАО «АНГСТРЕМ» и НТК «ТЦ».

В ОАО «АНГСТРЕМ» в 2003;2004 г. г. в рамках регламентных работ по отладке системы кондиционирования чистых помещений были использованы рекомендации (проведена очистка от отложений поверхностей нагрева теплообменника) по восстановлению энергетической эффективности теплового оборудования. Измерения и проведенные оценочные расчеты, выполненные по разработанной в диссертации методике, показали следующее: температура нагреваемой воды повысилась с 57 °C до 72 °Споказатель качества теплообмена повысился с 0,42 до 0,93- коэффициент эффективности теплообменников возрос на 8%.

Очистка поверхностей нагрева теплообменников от отложений и последующая наладка системы, проведенные В НТК «ТЦ» в 2003 г. позволили сэкономить за год около 200.000 кВт-час.

6. Разработана методика определения периодов рентабельной и надежной эксплуатации оборудования. Показано, что для восстановления показателя рентабельности Кр — могут быть рекомендованы режимы «мягкой» отмывки, а для восстановления показателя надежности Кн — режимы «жёсткой» отмывки.