组合式空调加热段节能改造

毛子胜，李 华， 胡炉剑

（江西省江铜耶兹铜箔有限公司，江西 南昌 330096）

1 引言

随着电子产品需求量的增大，电子产品制造厂对产品过程制造的环境要求越来越高，尤其是对电子类产品制造车间的洁净度和温湿度控制要求非常严格［1］，而洁净度、温湿度控制一般都是通过组合式中央空调机组来实现的，中央空调机组主要包括进风段、初效过滤段、表冷段、加热段、风机段、中高效段和出口送风段［2］。采用冷冻水先降温除湿、再蒸汽加热达到温湿度控制目标值。这种方式对蒸汽消耗非常大。

根据统计，某厂用于组合式空调机组温湿度控制的蒸汽消耗量占该厂总蒸汽消耗的50%左右，通过对蒸汽和加热段换热面积的计算，用一定温度的热水替代蒸汽加热，不仅充分利用工厂的余热，还节能了蒸汽消耗。

2 洁净车间恒温恒湿控制原理

由于产品质量控制要求，某厂洁净车间必须保持恒温恒湿，利用制冷原理来排除空气中的水分。其原理是空调机组首先吸入外界空气，经过滤后进入空调表冷段。通冷冻水的空调表冷段温度低于被冷却空气的露点温度 （露点温度是 指空气温度降低到水蒸气开始凝结为水时的温 度）［3］，流经表冷段的空气冷却降温, 空气中的部分水蒸气凝结成水,由冷凝水管排出机外, 同时冷却后的较干空气经过机组的加热段升温, 送入洁净车间,通过蒸汽控制阀，将送风温度控制在设定温度内。空调机组表冷段换热器采用铜管串铜片结构，内部通5～7℃冷冻水。空调机组送风温湿度均采用PID控制原理［4］，PID控制器采集洁净车间湿度传感器的湿度信号，与设定的标准湿度值对比，根据两者湿度偏差值，PID自动调节冷冻水比例调节阀的开度，使湿度控制在标准范围内。同样，加热段换热器采用铜管串铜片结构，铜管内通130℃蒸汽，目的是将将除湿后的低温空气加热到设定温度，蒸汽调节阀采用PID控制方式，控制器根据采集的洁净车间温度传感器信号与设定温度偏差，调节蒸汽阀的开度，使温度控制在标准范围内。控制原理图如图1。

图1 组合式空调恒温恒湿控制原理图

3 改造方案

为充分利用余热，减少蒸汽消耗，决定对组合式空调的加热段进行改造，用该厂循环冷却水系统中的热水替代蒸汽加热，实现余热回收。

经过计算，该厂工艺冷却水循环系统中存在大量未利用的余热，它是低温冷却水与高温DI水进行换热，温度20～30℃的冷却水通过板式换热器，对40℃左右DI水进行降温，吸热升温后的冷却水再通过楼顶冷却塔系统，将热量散失到空气中，从而控制系统中DI水温度，进而保证CUSO4溶液温度稳定。

根据某厂现场运行数据，工艺冷却水通过板换后，夏季温度为40～45℃，冬季为38～42℃，为充分利用换热后的冷却水的热量，决定将换热后的冷却水通过循环泵输送到空调机组加热段，对除湿后的低温空气进行加热，冷却水阀门开度通过楼宇控制系统自动控制，实现对洁净车间温度控制。这样，不仅可以节约蒸汽用量，减少天然气消耗，而且还能降低冷却塔风机的运行负荷，节约用电。

该厂有6台组合式空调机组，送风量为 70000m3/h， 风 压 1600Pa， 冷 量 为 650kW，热量为390kW，蒸汽加热盘管为2排2000mm*230mm*1260mm 铜管串铜片翅片管换热器模式［5］。改用工艺冷却水加热，原蒸汽加热盘管换热面积不够，需要重新制作空调机组加热盘管。根据冷却水系统余热以及空调加热盘管设计原则，需要至少加工4排与原尺寸相同的铜管串铜片的加热盘管，进入加热盘管的工艺冷却水量采用自动调节阀控制。原有的蒸汽加热盘管保留，当工艺冷却水循环系统检修时起备用作用。

冷却水流量方面，目前工艺设备冷却水泵有3 台， 参 数 为 Q=187m3/h ， H=28m P=22kW ， 转速=1480r/min。按冬天工艺冷却水最低DI水温度38℃和设计参数计算值，每台空调机组需要的冷却水流量大约为44.4m3/h，设计参数如图2。

图2 进水温度与进水流量设计图

按日常开启一台冷却水泵，系统冷却水循环量满足给3台同风量、同加热功率的空调机组加热，进水、回收主管采用DN100金属管道，进每台空调机组加热段热水支管为DN50。具体改造示意图如图3所示。

换热后的工艺冷却水到冷却塔之前，接一根DN100工艺冷却水支管，用于空调机组加热源，考虑到工艺冷却水循环系统水质因素，在工艺冷却水进入空调加热段盘管之前进行过滤，防止冷却水中杂质堵塞空调加热盘管，然后每台空调机组在总支管上接DN50水管至机组加热段。

图3 某厂空调机组加热段改造系统图

4 改造后的经济效益分析

改造后，在停用蒸汽的情况下，对洁净车间温湿度控制指标进行了跟踪，发现温湿度控制很好，指标值完全满足车间要求。也就是说，在满足洁净车间恒温恒湿条件下，工艺冷却水中的热量被空调机组加热段有效吸收。

根据现场记录，3台空调机组加热段冷却水入口夏季平均温度为43.2℃，冬季为39.5℃，经空调机组加热盘管换热后，冷却水回水夏季平均温度为32.3℃，冬季为29.7℃，夏、冬季冷却水平均温差为10.5℃。进入每台空调热水循环量大约为25m3/h，按加热盘管系统传热效率50%，洁净空调每日运行24h，则每台空调热水盘管每天产生的热量Q：

Q=4.2*25000*10.5*0.5*24=13230000kJ

燃气锅炉效率为92%，天然气热值为35700kJ/m3，则每台每日节省天然气为13230000/35700/0.92=402.8m3，设备年运行时间按220天计算，3台空调每年可节约天然气26.5848万m3，6台空调年节约天然气52万m3，改造后，厂单位产品天然气单耗显著下降。

5 结束语

工业余热收利用是企业节能减排的重要措施之一［6］，据了解，国内大部分企业仅回收高品位的废热，用于供暖、加热、工艺补热等，其余的废热则通过热交换的冷却方式或直接排放掉， 导致很大一部分低品位热能的浪费。其中，工业冷却 水一般在 40℃左右，是一种低品位的低温热能，通常采用冷却塔与空气进行热交换而排放掉这部分热能。 由于工业冷却水总的余热数量大，这不仅浪费能源， 还要增加冷却塔的投资成本及运行成本。方案中用于工艺过程的冷却水替代蒸汽，增加热水盘管，盘管面积进行合理计算、对DI水余热充分回收利用，不仅为企业节省能源成本，也为社会做出节能减排的贡献。