蓝宝石长晶炉PCW系统设计

摘要：近年来，随着LED行业迅速发展，巨大的市场需求推动了LED技术不断创新，催生了高端市场的应用需求，作为LED白光照明制造必不可少的原材料之一，蓝宝石衬底的需求预期同样被市场所推动。蓝宝石长晶炉是蓝宝石晶体制备工艺中的重要设备，而蓝宝石长晶炉PCW系统尤其是无压力回水等的稳定性关系到蓝宝石晶体的良率，这就对暖通设计提出了新的挑战。鉴于此，简述了某蓝宝石长晶车间的PCW系统设计方案和设备选型，针对无压力回水的设计特点及项目设计中所采用的节能措施进行了分析研究。

关键词：蓝宝石；长晶炉；PCW系统；板式换热器；精密过滤器；循环水泵；不锈钢水箱；闭式冷却塔

中图分类号：TQ164.2 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）20-0054-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.012

0 引言

LED照明为继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。由于LED具有节能环保、寿命长、应用广泛等诸多优势，世界上主要国家和地区均在大力发展LED产业。随着中国的城市化进程加快，在公共基础设施建设用的路灯等功能性照明和商业性照明领域，采用LED照明为节能降耗提供了有效的方法和手段。作为LED白光照明制造必不可少的原材料之一，蓝宝石衬底的需求预期也同样被市场所推动。蓝宝石长晶炉是蓝宝石晶体制备工艺中的重要环节，利用其可以从小型单晶到大型多晶制备多种规格形状的蓝宝石晶体。

蓝宝石长晶炉的工作原理是一个复杂的过程，需要精确的温度控制、原料处理和炉体设计等方面的技术。冷却水作为蓝宝石长晶炉的热交换工作载体，无时无刻不在流动，它的温度波动，直接影响了蓝宝石晶体的结晶状况，故对蓝宝石晶体的质量有着重要影响[1]。蓝宝石长晶炉的工艺循环冷却水系统（简称“PCW系统”）对于保持炉内温度的稳定性至关重要，稳定的PCW系统可以确保蓝宝石晶体的生长环境稳定，从而提高产品质量。循环冷却水系统是工业生产中的重要组成部分，也是水耗、能耗较高的部分，如循环冷却水系统的用水量占整个工业用水量的70%～80%[2]。因此，通过优化冷却水的使用和循环，可以减少热损失，提高能源利用率。

本文首先简述了蓝宝石长晶炉PCW系统的设计参数需求，其次介绍了PCW系统并对系统主要设备进行计算选型和布置，并分享了蓝宝石长晶炉PCW系统实施过程中所采用的节能措施，望行业同仁批评指正。

1 工程概况

本项目地点位于福建省泉州市某蓝宝石衬底生产基地的2#长晶厂房。长晶板块由1#～2#长晶厂房组成，其中2#长晶厂房地上2层，建筑高度10 m，耐火等级为一级，火灾危险性类别为丙类2项，总建筑面积约27 000 m2。

1#～2#长晶厂房主要用于蓝宝石衬底工艺的长晶车间和配套深加工车间，其中1#～2#长晶车间各布置200台长晶炉，每20台长晶炉设置一套PCW系统，1#和2#长晶厂房各配置10套PCW系统。长晶车间位于长晶厂房的一层，PCW水池及泵房设置在地下一层。长晶车间和PCW机房区位图如图1所示。

2 单台长晶炉PCW系统设计参数

冷却水进出水温度：25/35 ℃；冷却水进水压力：0.2 MPa；冷却水流量：4 m3/h；紧急供水量：1.5 m3；水质要求：RO水。

由于长晶炉需要零压回水，因此冷却水回水箱需要设置在比长晶炉车间低的位置，本项目在车间地下室设置了一间PCW水池及泵房设备房，专门用于放置长晶车间10套PCW系统，包括不锈钢高温水箱、不锈钢低温水箱、板式换热器、一次循环水泵、二次循环水泵、精密过滤器以及控制柜等设备和相关管路。长晶炉PCW系统原理图如图2所示。

3 长晶炉PCW系统设备选型

3.1 长晶炉PCW系统流程介绍

传统的PCW系统均采用冷冻水和长晶炉的冷却水进行换热，但此种热交换模式需要大量冷冻水作为换热器的一次侧冷源，而冷冻水需要由螺杆机或离心机、冷却水泵、冷冻水泵以及冷却塔等设备组成的庞大制冷系统提供，该制冷系统能耗大，故算上为PCW系统提供冷冻水的制冷系统的能耗，整个PCW系统能耗非常高，这也是目前行业的一大痛点。

从节能及稳定运行角度出发，考虑到本工程中长晶炉的冷却水进出水温度为35/25 ℃，而长晶炉出水温度高，且本工程所在地区秋、冬季室外湿球温度长期低于17 ℃，非常有利于利用室外空气作为天然冷源给长晶炉的冷却水出水进行预冷，从而降低进入板式换热器二次侧的进水温度，减少板式换热器一次侧冷冻水的需求，最终达到降低整个PCW系统能耗的目的。

本项目采用的具体措施是配置一台闭式冷却塔（考虑到冷却水的水质要求高，采用开式冷却塔会导致冷却水和室外空气直接接触而受到污染，降低水质，从而选择闭式冷却塔）[3]，长晶炉冷却水回水依靠重力流到地下设备房内的高温水箱内后，利用一次循环水泵输送到室外闭式冷却塔内进行预冷，然后进入板式换热器内精准降温到25 ℃，降温到25 ℃后的低温冷却水流入低温水箱内，然后由二次循环水泵把低温水箱内的25 ℃冷却水经袋式精密过滤器输送到长晶车间内的长晶炉PCW接入口，从而完成整个冷却循环流程。

3.2 板式换热器选型计算

板式换热器理论换热量计算公式如下：

Q= （1）

式中：Q为理论换热量；Cp为水的比热；Δt为冷却水进出温差；ρ为水的密度；W为冷却水流量。

当Cp=4.2 kJ/（kg·℃），Δt=10 ℃时，板式换热器的理论换热量计算如下：

Q1=CpΔtρW/3 600

=4.2×10×1 000×（4×20）/3 600

≈933.3 kW

考虑到换热器效率衰减和长晶炉瞬时换热量剧增等因素，拟选用的板式换热器的换热量Q2按板式换热器理论换热量的1.4倍计算，即：

Q2=Q1×1.4=933.3×1.4≈1 307 kW

考虑到二次侧进出水温度35/25 ℃，如果采用传统的低温冷水机组提供7/12 ℃的一次侧供回水，板式换热器两侧的温差达到13 ℃，虽然换热效率高，但冷水机组的制冷效率低。从节能及高效运行出发，本项目采用中温冷水机组，其提供的一次侧供回水温度为13/18 ℃，中温冷水机组的制冷COP值比低温冷水机组要高15%以上。

每套PCW系统选用两台板式换热器，不锈钢材质，一用一备，每台板式换热器换热量为1 307 kW，一次侧进出水温度13/18 ℃，二次侧进出水温度35/25 ℃。

3.3 闭式冷却塔选型

考虑到闭式冷却塔盘管换热效率的衰减、夏季也能进行大幅预冷以及闭式冷却塔厂家的专业软件选型建议等因素，综合考虑建筑物功能、周围环境条件、场地限制、热工指标、噪声指标及经济指标[4]，本工程选用的闭式冷却塔规格参数如下：冷却水量120 m3/h，进出水温35/22 ℃，湿球温度17 ℃，盘管采用铜管材质。

3.4 一次循环水泵选型

一次循环水泵主要用于输送高温水箱内的冷却水至闭式冷却塔、板式换热器，最后进入低温水箱。水泵的扬程主要克服循环系统的阻力，阻力主要包括闭式冷却塔阻力、板式换热器阻力、阀件阻力、物理提升高度以及沿程阻力损失。水泵流量在PCW系统流量基础上加20%的裕量。本工程选用两台一次循环水泵，一用一备，其规格参数如下：卧式端吸泵，循环水量96 m3/h，扬程0.28 MPa，泵体采用不锈钢材质。

3.5 二次循环水泵选型

二次循环水泵主要用于输送低温水箱内的冷却水至长晶车间内的长晶炉PCW接入口。水泵的扬程主要克服循环系统的阻力，阻力主要包括袋式精密过滤器阻力、长晶炉PCW阻力及入口压力需求、阀件阻力、物理提升高度以及沿程阻力损失。水泵流量在PCW系统流量基础上加20%的裕量。本工程选用两台二次循环水泵，一用一备，其规格参数如下：卧式端吸泵，循环水量96 m3/h，扬程0.35 MPa，泵体采用不锈钢材质。

3.6 不锈钢水箱选型

本项目的PCW系统为开式系统，应设置蓄水箱Hq1pLsSyHMRBNh3Mxq9MpOcxFUQavheb4FnX8jfloxI=，蓄水量宜按系统循环水流量的5%～10%确定。且在水系统停止运行时，应能容纳系统泄出的水，蓄水箱不得出现溢流现象[5]。但本项目的长晶炉厂商考虑到稳定性需求，提出水箱的蓄水量需按15%～32%选型。因此，本项目高温水箱和低温水箱的规格参数如下：

高温水箱规格参数：2 m×3 m×3 m（长×宽×高），有效容积15 m3，不锈钢材质。

低温水箱规格参数：5 m×3 m×2.5 m（长×宽×高），有效容积30 m3，不锈钢材质。

3.7 袋式精密过滤器选型

根据长晶炉PCW系统水质需求，本项目的袋式精密过滤器规格参数如下：工作流量100 m3/h，过滤范围0.5～200 μm，工作温度范围10～50 ℃，工作压力1.0 MPa，不锈钢材质，底进底出式接管形式。

4 长晶炉PCW系统布置设计

根据第3章对长晶炉PCW系统中各个设备的介绍及选型，供回水管道均采用不锈钢管[5]，长晶炉PCW系统设备、机房设备和管路平面布置图及剖面布置图如图3、图4所示。

5 总结及展望

1）设计初期对长晶炉相关数据的收集、特殊需求的理解和工艺专业的紧密配合对于PCW系统设计而言至关重要，它们对于整个系统的设备计算选型、机房设置位置、节能降耗、后期运维都有影响，牵一发而动全身。项目前期设计工作做得不扎实，会导致中后期调整面临多重掣肘。

2）本项目中PCW系统总量大、套数多，从而整体能耗大，如何实现系统的节能降耗是本工程PCW系统设计的重点及难点。本项目采用闭式冷却塔进行冷却水的预冷，在冬季甚至可以少使用或不用冷冻水进行降温，从而最大限度降低整体能耗。

3）本项目中PCW系统依据长晶炉的紧急供水需求（停电时能有紧急供水保证长晶炉的紧急降温需求）设置了高位水池，该部分由工艺给排水专业完成，本文不过多赘述。

4）前期工艺需求条件调整带来的多次设备机房提资条件的变化，造成部分设备选型过分宽裕，是本次设计的遗憾之处。今后应多总结整理长晶炉等PCW需求设备的设计参数，逐步完善设计方案，避免出现类似的情况。

保障生产工艺各系统的安全、可靠、稳定、节能是暖通从业者的责任和愿景，望本设计案例可为行业同仁提供参考。

[参考文献]

[1] 徐秋峰.基于生长蓝宝石单晶的冷却水系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014.

[2] 赵洪涛.工业循环冷却水系统的节水措施分析[J].山东化工，2015，44（6）：10l-102.

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] 工业建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50019—2015[S].

[5] 电子工业洁净厂房设计规范：GB 50472—2008[S].

收稿日期：2024-06-12

作者简介：蒋仕（1980—），男，湖南湘阴人，高级工程师，研究方向：建筑暖通空调设计、制冷技术设计、工艺机电设计。