冰水机工艺冷却水系统的组成及工作原理
发布日期:2022-02-09
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工艺冷却水系统是用于半导体、微电子等行业中关键设备的间接冷却装置。分为开式系统和闭式系统，本篇就冰水机组成、工作原理、系统特点及系统模式选择等内容进行详细介绍。
冰水机的应用范围非常广泛，涉及到工业生产中的各方面，包括半导体、微电子、工业制冷机、火电厂中汽轮机排气冷凝、大型空调、煤化工、石化厂、气管道降温等场所均有大量的工艺冷却水使用。在许多产品或工艺生产环境都要求配备洁净厂房，车间全年要求温度和相对湿度保持距离，其中一些生产过程发热量大，工艺设备需要低温水冷却降温，甚至在冬季仍然需要空调供冷，为了满足这些要求，建造工艺冷却水系统，工艺冷却水系统分为开式系统和闭式系统两类。
1、工艺冷却水系统组成及工作原理
工艺冷却水系统由以下几部分组成：冰水机组、泵、热交换器、水箱、过滤器、工艺设备。
冷水机组：给冷却水系统提供冷源。
水泵：对水加压，保证其在冷却系统中循环流动。
热交换器：利用此设备使冷冻水系统与冷却水系统产生热交换，以将此系统负载端产生的热量传送给冷冻水系统。热交换器种类繁多，按其形式可分管壳式、板式、板翅式、热管式等。相比较而言，板式热交换器具有占地面积小，传热面积大的优点，考虑到半导体厂房空间面积造价特点，选择占地面积小的设备，节约用地面积，节省了工程造价。
水箱：开式系统中水箱主要起到补充水源作用。闭式系统中水箱需要选择膨胀水箱，膨胀水箱有三个作用，一是收容和补偿系统中水的胀缩量；二是向密闭式循环水系统提供稳定的压力，起到系统稳压的作用；三是作为系统补水泵的指示，通常由膨胀水箱发出信号启动或关闭系统补水泵。
过滤器：过滤掉水中的固体颗粒杂质，净化水源。
工艺冷却水系统中有冷冻水和冷却水这两个相对独立的系统，冷冻水由冷水机组提供，冷冻水与冷却水进行热交换，使冷却水降温从而降低设备的温度。从生产设备抽水经水泵至热交换器通过控制冷冻水的量来保证工艺冷却水的水温，通过过滤器后送至生产线设备，再回到水泵。构成工艺冷却水反复循环。冷冻水则直接回冷水机组。
冰水机设备；通常主要有“水冷螺杆机组”“水冷离心机组”两种。如图3所示。水的再冷却是通过冷却塔来进行的，因此冷冻水在循环过程中要与空气接触，部分水在通过冷却塔时还会不断被蒸发损失掉，因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一个定值上，要对系统补充水并排出浓缩水，维持冷却塔排污。
冰水机组主要构成部分有：压缩机、蒸发器、冷凝器、热力膨胀阀四大部件。
压缩机：压缩机是整个制冷系统中的核心部件，也是制冷剂压缩的动力之源。它的作用是将输入的电能转化为机械能，将制冷剂压缩。
蒸发器：蒸发器是依靠制冷剂液体的蒸发（实际上是沸腾）来吸收被冷却介质热量的换热设备。它在制冷系统中的功能是吸收热量（或称输出冷量）。为了保证蒸发过程能稳定使用的进行，不断的用制冷压缩机将蒸发的气体抽走，以保持稳定的蒸发压力。
冷凝器：在制冷过程中冷凝器起着输出热能并使制冷剂得以冷凝的作用。从制冷压缩机排出的高压过热蒸气进入冷凝器后，将其在工作过程吸收的全部热量，其中包括从蒸发器和制冷压缩机中以及在管道内所吸收的热量都传递给周围介质（水或空气）带走；制冷剂高压过热蒸气重新凝结成液体。（根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为三类：水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器。）
热力膨胀阀：热力膨胀阀在制冷系统中既是流量的调节阀，又是制冷设备中的节流阀，它在制冷设备中安装在干燥过滤器和蒸发器之间。如图2所示。机组以其效率高、低噪音、结构合理、操作简便、运行正常、安装维护方便等优点。
风冷模块机组省去了冷冻水系统所少不了的冷却塔、水泵、锅炉及相应的管道系统等许多辅件，系统结构简单，安装空间省、维护管理方便且又节约能源。另外，冷冻水不暴露于空气中，水的损耗很少，因此可以使用纯水，避免了水质过差的地区所造成的冷凝器结垢，水管堵塞等现象，同时还节约了水资源。
水冷冷水机组是靠水循环来达到冷凝效果，然后靠水循环来带走热量的冷水设备；通常有“水冷螺杆机组”“水冷涡旋机组”。如图3所示。水的再冷却是通过冷却塔来进行的，因此冷冻水在循环过程中要与空气接触，部分水在通过冷却塔时还会不断被蒸发损失掉，因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加，结果导致结垢。
1.2冷水机组基本组成
冷水机组主要构成部分有：压缩机、蒸发器、冷凝器、热力膨胀阀
压缩机：压缩机是整个制冷系统中的核心部件，也是制冷剂压缩的动力之源。它的作用是将输入的电能转化为机械能，将制冷剂压缩。蒸发器：蒸发器是依靠制冷剂液体的蒸发（实际上是沸腾）来吸收被冷却介质热量的换热设备。它在制冷系统中的功能是吸收热量（或称输出冷量）。
冷凝器：在制冷过程中冷凝器起着输出热能并使制冷剂得以冷凝的作用。从制冷压缩机排出的高压过热蒸气进入冷凝器后，将其在工作过程吸收的全部热量，其中包括从蒸发器和制冷压缩机中以及在管道内所吸收的热量都传递给周围介质（水或空气）带走；制冷剂高压过热蒸气重新凝结成液体。（根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为三类：水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器。）
热力膨胀阀：热力膨胀阀在制冷系统中既是流量的调节阀，又是制冷设备中的节流阀，它在制冷设备中安装在干燥过滤器和蒸发器之间，它的感温包是包扎在蒸发器的出口处。其主要作用是使高压常温的制冷剂液体在流经热力膨胀阀时节流降压，变为低温低压制冷剂湿蒸气（大部分是液体，小部分是蒸汽）进入蒸发器，在蒸发器内汽化吸热而达到制冷降温的目的。
2、开式与闭式系统特点比较
冷却水系统分为开式系统和闭式系统两种，闭式系统主要由水泵、板换、工艺设备、管网和定压设备组成，开式系统主要由水箱、水泵、板换、工艺设备和管网组成。
开式系统和闭式系统相同点：①均为间接传热；
②工艺设备对水质要求比较高，故系统补水均需软化水补水（可以采用纯水站二级反渗透水作为系统补水，不需要再增加水处理装置）；
③系统冷媒均为冷冻机冷却水。
开式系统和闭式系统不同点：
①开式系统冷却水在水箱处和大气局部有接触；
②开式系统无法利用系统回水压力，不节能。
3、工艺冷却水系统模式的选择
工艺冷却水系统的模式分为开式系统和闭式系统，在设计过程中如何选择开式系统和闭式系统，应根据以下几种情况进行选择：
①当工艺设备最高处距离水泵板换设备高差比较大时（高差超过10m），建议采用闭式系统，这样可以充分利用设备余压及静扬程；
②当工艺设备供水压力要求很高但设备压差不大时，建议采用闭式系统，这样可以利用管网余压减小水泵扬程，起到节能作用；
③当厂房工艺设备分期分批投产或设备更新调整比较频繁时，考虑到系统可调试性，建议采用开式系统，可以加快系统调试运行，同时系统由于增加了水箱，系统保有水量增加，冷源中断时，具备事故缓冲能力。
④从节能角度考虑，采用闭式系统，可以大大减小工艺冷却水供水循环泵的扬程，一方面可以节约初投资，另一方面可以节约能源，减小运行费用。
⑤当设备冷却水温度在高温天气能用冷却塔直接降温或业主要求投资少时，可以采用开式系统。当设备冷却水进水温度采用开式冷却塔无法满足时采用闭式系统，利用冷冻水作为冷媒。
建议：为了在提高系统工程的稳定性、降低工程成本以及节能等方面取得良好效益，在系统工程设计过程中根据实际使用情况选择理想的运行模式显得非常重要。
