冰水機工藝冷卻水系統的組成及工作原理
發布日期:2022-02-09
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工藝冷卻水系統是用于半導體、微電子等行業中關鍵設備的間接冷卻裝置。分為開式系統和閉式系統，本篇就冰水機組成、工作原理、系統特點及系統模式選擇等內容進行詳細介紹。
冰水機的應用范圍非常廣泛，涉及到工業生產中的各方面，包括半導體、微電子、工業制冷機、火電廠中汽輪機排氣冷凝、大型空調、煤化工、石化廠、氣管道降溫等場所均有大量的工藝冷卻水使用。在許多產品或工藝生產環境都要求配備潔凈廠房，車間全年要求溫度和相對濕度保持距離，其中一些生產過程發熱量大，工藝設備需要低溫水冷卻降溫，甚至在冬季仍然需要空調供冷，為了滿足這些要求，建造工藝冷卻水系統，工藝冷卻水系統分為開式系統和閉式系統兩類。
1、工藝冷卻水系統組成及工作原理
工藝冷卻水系統由以下幾部分組成：冰水機組、泵、熱交換器、水箱、過濾器、工藝設備。
冷水機組：給冷卻水系統提供冷源。
水泵：對水加壓，保證其在冷卻系統中循環流動。
熱交換器：利用此設備使冷凍水系統與冷卻水系統產生熱交換，以將此系統負載端產生的熱量傳送給冷凍水系統。熱交換器種類繁多，按其形式可分管殼式、板式、板翅式、熱管式等。相比較而言，板式熱交換器具有占地面積小，傳熱面積大的優點，考慮到半導體廠房空間面積造價特點，選擇占地面積小的設備，節約用地面積，節省了工程造價。
水箱：開式系統中水箱主要起到補充水源作用。閉式系統中水箱需要選擇膨脹水箱，膨脹水箱有三個作用，一是收容和補償系統中水的脹縮量；二是向密閉式循環水系統提供穩定的壓力，起到系統穩壓的作用；三是作為系統補水泵的指示，通常由膨脹水箱發出信號啟動或關閉系統補水泵。
過濾器：過濾掉水中的固體顆粒雜質，凈化水源。
工藝冷卻水系統中有冷凍水和冷卻水這兩個相對獨立的系統，冷凍水由冷水機組提供，冷凍水與冷卻水進行熱交換，使冷卻水降溫從而降低設備的溫度。從生產設備抽水經水泵至熱交換器通過控制冷凍水的量來保證工藝冷卻水的水溫，通過過濾器后送至生產線設備，再回到水泵。構成工藝冷卻水反復循環。冷凍水則直接回冷水機組。
冰水機設備；通常主要有“水冷螺桿機組”“水冷離心機組”兩種。如圖3所示。水的再冷卻是通過冷卻塔來進行的，因此冷凍水在循環過程中要與空氣接觸，部分水在通過冷卻塔時還會不斷被蒸發損失掉，因而水中各種礦物質和離子含量也不斷被濃縮增加。為了維持各種礦物質和離子含量穩定在某一個定值上，要對系統補充水并排出濃縮水，維持冷卻塔排污。
冰水機組主要構成部分有：壓縮機、蒸發器、冷凝器、熱力膨脹閥四大部件。
壓縮機：壓縮機是整個制冷系統中的核心部件，也是制冷劑壓縮的動力之源。它的作用是將輸入的電能轉化為機械能，將制冷劑壓縮。
蒸發器：蒸發器是依靠制冷劑液體的蒸發（實際上是沸騰）來吸收被冷卻介質熱量的換熱設備。它在制冷系統中的功能是吸收熱量（或稱輸出冷量）。為了保證蒸發過程能穩定使用的進行，不斷的用制冷壓縮機將蒸發的氣體抽走，以保持穩定的蒸發壓力。
冷凝器：在制冷過程中冷凝器起著輸出熱能并使制冷劑得以冷凝的作用。從制冷壓縮機排出的高壓過熱蒸氣進入冷凝器后，將其在工作過程吸收的全部熱量，其中包括從蒸發器和制冷壓縮機中以及在管道內所吸收的熱量都傳遞給周圍介質（水或空氣）帶走；制冷劑高壓過熱蒸氣重新凝結成液體。（根據冷卻介質和冷卻方式的不同，冷凝器可分為三類：水冷式冷凝器、風冷式冷凝器、蒸發式冷凝器。）
熱力膨脹閥：熱力膨脹閥在制冷系統中既是流量的調節閥，又是制冷設備中的節流閥，它在制冷設備中安裝在干燥過濾器和蒸發器之間。如圖2所示。機組以其效率高、低噪音、結構合理、操作簡便、運行正常、安裝維護方便等優點。
風冷模塊機組省去了冷凍水系統所少不了的冷卻塔、水泵、鍋爐及相應的管道系統等許多輔件，系統結構簡單，安裝空間省、維護管理方便且又節約能源。另外，冷凍水不暴露于空氣中，水的損耗很少，因此可以使用純水，避免了水質過差的地區所造成的冷凝器結垢，水管堵塞等現象，同時還節約了水資源。
水冷冷水機組是靠水循環來達到冷凝效果，然后靠水循環來帶走熱量的冷水設備；通常有“水冷螺桿機組”“水冷渦旋機組”。如圖3所示。水的再冷卻是通過冷卻塔來進行的，因此冷凍水在循環過程中要與空氣接觸，部分水在通過冷卻塔時還會不斷被蒸發損失掉，因而水中各種礦物質和離子含量也不斷被濃縮增加，結果導致結垢。
1.2冷水機組基本組成
冷水機組主要構成部分有：壓縮機、蒸發器、冷凝器、熱力膨脹閥
壓縮機：壓縮機是整個制冷系統中的核心部件，也是制冷劑壓縮的動力之源。它的作用是將輸入的電能轉化為機械能，將制冷劑壓縮。蒸發器：蒸發器是依靠制冷劑液體的蒸發（實際上是沸騰）來吸收被冷卻介質熱量的換熱設備。它在制冷系統中的功能是吸收熱量（或稱輸出冷量）。
冷凝器：在制冷過程中冷凝器起著輸出熱能并使制冷劑得以冷凝的作用。從制冷壓縮機排出的高壓過熱蒸氣進入冷凝器后，將其在工作過程吸收的全部熱量，其中包括從蒸發器和制冷壓縮機中以及在管道內所吸收的熱量都傳遞給周圍介質（水或空氣）帶走；制冷劑高壓過熱蒸氣重新凝結成液體。（根據冷卻介質和冷卻方式的不同，冷凝器可分為三類：水冷式冷凝器、風冷式冷凝器、蒸發式冷凝器。）
熱力膨脹閥：熱力膨脹閥在制冷系統中既是流量的調節閥，又是制冷設備中的節流閥，它在制冷設備中安裝在干燥過濾器和蒸發器之間，它的感溫包是包扎在蒸發器的出口處。其主要作用是使高壓常溫的制冷劑液體在流經熱力膨脹閥時節流降壓，變為低溫低壓制冷劑濕蒸氣（大部分是液體，小部分是蒸汽）進入蒸發器，在蒸發器內汽化吸熱而達到制冷降溫的目的。
2、開式與閉式系統特點比較
冷卻水系統分為開式系統和閉式系統兩種，閉式系統主要由水泵、板換、工藝設備、管網和定壓設備組成，開式系統主要由水箱、水泵、板換、工藝設備和管網組成。
開式系統和閉式系統相同點：①均為間接傳熱；
②工藝設備對水質要求比較高，故系統補水均需軟化水補水（可以采用純水站二級反滲透水作為系統補水，不需要再增加水處理裝置）；
③系統冷媒均為冷凍機冷卻水。
開式系統和閉式系統不同點：
①開式系統冷卻水在水箱處和大氣局部有接觸；
②開式系統無法利用系統回水壓力，不節能。
3、工藝冷卻水系統模式的選擇
工藝冷卻水系統的模式分為開式系統和閉式系統，在設計過程中如何選擇開式系統和閉式系統，應根據以下幾種情況進行選擇：
①當工藝設備最高處距離水泵板換設備高差比較大時（高差超過10m），建議采用閉式系統，這樣可以充分利用設備余壓及靜揚程；
②當工藝設備供水壓力要求很高但設備壓差不大時，建議采用閉式系統，這樣可以利用管網余壓減小水泵揚程，起到節能作用；
③當廠房工藝設備分期分批投產或設備更新調整比較頻繁時，考慮到系統可調試性，建議采用開式系統，可以加快系統調試運行，同時系統由于增加了水箱，系統保有水量增加，冷源中斷時，具備事故緩沖能力。
④從節能角度考慮，采用閉式系統，可以大大減小工藝冷卻水供水循環泵的揚程，一方面可以節約初投資，另一方面可以節約能源，減小運行費用。
⑤當設備冷卻水溫度在高溫天氣能用冷卻塔直接降溫或業主要求投資少時，可以采用開式系統。當設備冷卻水進水溫度采用開式冷卻塔無法滿足時采用閉式系統，利用冷凍水作為冷媒。
建議：為了在提高系統工程的穩定性、降低工程成本以及節能等方面取得良好效益，在系統工程設計過程中根據實際使用情況選擇理想的運行模式顯得非常重要。
