藍寶石長晶爐PCW系統設計

摘要：近年來，隨著LED行業迅速發展，巨大的市場需求推動了LED技術不斷創新，催生了高端市場的應用需求，作為LED白光照明制造必不可少的原材料之一，藍寶石襯底的需求預期同樣被市場所推動。藍寶石長晶爐是藍寶石晶體制備工藝中的重要設備，而藍寶石長晶爐PCW系統尤其是無壓力回水等的穩定性關系到藍寶石晶體的良率，這就對暖通設計提出了新的挑戰。鑒于此，簡述了某藍寶石長晶車間的PCW系統設計方案和設備選型，針對無壓力回水的設計特點及項目設計中所采用的節能措施進行了分析研究。

關鍵詞：藍寶石；長晶爐；PCW系統；板式換熱器；精密過濾器；循環水泵；不銹鋼水箱；閉式冷卻塔

中圖分類號：TQ164.2 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0054-05

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

0 引言

LED照明為繼白熾燈、熒光燈之后的第三次光源革命。由于LED具有節能環保、壽命長、應用廣泛等諸多優勢，世界上主要國家和地區均在大力發展LED產業。隨著中國的城市化進程加快，在公共基礎設施建設用的路燈等功能性照明和商業性照明領域，采用LED照明為節能降耗提供了有效的方法和手段。作為LED白光照明制造必不可少的原材料之一，藍寶石襯底的需求預期也同樣被市場所推動。藍寶石長晶爐是藍寶石晶體制備工藝中的重要環節，利用其可以從小型單晶到大型多晶制備多種規格形狀的藍寶石晶體。

藍寶石長晶爐的工作原理是一個復雜的過程，需要精確的溫度控制、原料處理和爐體設計等方面的技術。冷卻水作為藍寶石長晶爐的熱交換工作載體，無時無刻不在流動，它的溫度波動，直接影響了藍寶石晶體的結晶狀況，故對藍寶石晶體的質量有著重要影響[1]。藍寶石長晶爐的工藝循環冷卻水系統（簡稱“PCW系統”）對于保持爐內溫度的穩定性至關重要，穩定的PCW系統可以確保藍寶石晶體的生長環境穩定，從而提高產品質量。循環冷卻水系統是工業生產中的重要組成部分，也是水耗、能耗較高的部分，如循環冷卻水系統的用水量占整個工業用水量的70%～80%[2]。因此，通過優化冷卻水的使用和循環，可以減少熱損失，提高能源利用率。

本文首先簡述了藍寶石長晶爐PCW系統的設計參數需求，其次介紹了PCW系統并對系統主要設備進行計算選型和布置，并分享了藍寶石長晶爐PCW系統實施過程中所采用的節能措施，望行業同仁批評指正。

1 工程概況

本項目地點位于福建省泉州市某藍寶石襯底生產基地的2#長晶廠房。長晶板塊由1#～2#長晶廠房組成，其中2#長晶廠房地上2層，建筑高度10 m，耐火等級為一級，火災危險性類別為丙類2項，總建筑面積約27 000 m2。

1#～2#長晶廠房主要用于藍寶石襯底工藝的長晶車間和配套深加工車間，其中1#～2#長晶車間各布置200臺長晶爐，每20臺長晶爐設置一套PCW系統，1#和2#長晶廠房各配置10套PCW系統。長晶車間位于長晶廠房的一層，PCW水池及泵房設置在地下一層。長晶車間和PCW機房區位圖如圖1所示。

2 單臺長晶爐PCW系統設計參數

冷卻水進出水溫度：25/35 ℃；冷卻水進水壓力：0.2 MPa；冷卻水流量：4 m3/h；緊急供水量：1.5 m3；水質要求：RO水。

由于長晶爐需要零壓回水，因此冷卻水回水箱需要設置在比長晶爐車間低的位置，本項目在車間地下室設置了一間PCW水池及泵房設備房，專門用于放置長晶車間10套PCW系統，包括不銹鋼高溫水箱、不銹鋼低溫水箱、板式換熱器、一次循環水泵、二次循環水泵、精密過濾器以及控制柜等設備和相關管路。長晶爐PCW系統原理圖如圖2所示。

3 長晶爐PCW系統設備選型

3.1 長晶爐PCW系統流程介紹

傳統的PCW系統均采用冷凍水和長晶爐的冷卻水進行換熱，但此種熱交換模式需要大量冷凍水作為換熱器的一次側冷源，而冷凍水需要由螺桿機或離心機、冷卻水泵、冷凍水泵以及冷卻塔等設備組成的龐大制冷系統提供，該制冷系統能耗大，故算上為PCW系統提供冷凍水的制冷系統的能耗，整個PCW系統能耗非常高，這也是目前行業的一大痛點。

從節能及穩定運行角度出發，考慮到本工程中長晶爐的冷卻水進出水溫度為35/25 ℃，而長晶爐出水溫度高，且本工程所在地區秋、冬季室外濕球溫度長期低于17 ℃，非常有利于利用室外空氣作為天然冷源給長晶爐的冷卻水出水進行預冷，從而降低進入板式換熱器二次側的進水溫度，減少板式換熱器一次側冷凍水的需求，最終達到降低整個PCW系統能耗的目的。

本項目采用的具體措施是配置一臺閉式冷卻塔（考慮到冷卻水的水質要求高，采用開式冷卻塔會導致冷卻水和室外空氣直接接觸而受到污染，降低水質，從而選擇閉式冷卻塔）[3]，長晶爐冷卻水回水依靠重力流到地下設備房內的高溫水箱內后，利用一次循環水泵輸送到室外閉式冷卻塔內進行預冷，然后進入板式換熱器內精準降溫到25 ℃，降溫到25 ℃后的低溫冷卻水流入低溫水箱內，然后由二次循環水泵把低溫水箱內的25 ℃冷卻水經袋式精密過濾器輸送到長晶車間內的長晶爐PCW接入口，從而完成整個冷卻循環流程。

3.2 板式換熱器選型計算

板式換熱器理論換熱量計算公式如下：

Q= （1）

式中：Q為理論換熱量；Cp為水的比熱；Δt為冷卻水進出溫差；ρ為水的密度；W為冷卻水流量。

當Cp=4.2 kJ/（kg·℃），Δt=10 ℃時，板式換熱器的理論換熱量計算如下：

Q1=CpΔtρW/3 600

=4.2×10×1 000×（4×20）/3 600

≈933.3 kW

考慮到換熱器效率衰減和長晶爐瞬時換熱量劇增等因素，擬選用的板式換熱器的換熱量Q2按板式換熱器理論換熱量的1.4倍計算，即：

Q2=Q1×1.4=933.3×1.4≈1 307 kW

考慮到二次側進出水溫度35/25 ℃，如果采用傳統的低溫冷水機組提供7/12 ℃的一次側供回水，板式換熱器兩側的溫差達到13 ℃，雖然換熱效率高，但冷水機組的制冷效率低。從節能及高效運行出發，本項目采用中溫冷水機組，其提供的一次側供回水溫度為13/18 ℃，中溫冷水機組的制冷COP值比低溫冷水機組要高15%以上。

每套PCW系統選用兩臺板式換熱器，不銹鋼材質，一用一備，每臺板式換熱器換熱量為1 307 kW，一次側進出水溫度13/18 ℃，二次側進出水溫度35/25 ℃。

3.3 閉式冷卻塔選型

考慮到閉式冷卻塔盤管換熱效率的衰減、夏季也能進行大幅預冷以及閉式冷卻塔廠家的專業軟件選型建議等因素，綜合考慮建筑物功能、周圍環境條件、場地限制、熱工指標、噪聲指標及經濟指標[4]，本工程選用的閉式冷卻塔規格參數如下：冷卻水量120 m3/h，進出水溫35/22 ℃，濕球溫度17 ℃，盤管采用銅管材質。

3.4 一次循環水泵選型

一次循環水泵主要用于輸送高溫水箱內的冷卻水至閉式冷卻塔、板式換熱器，最后進入低溫水箱。水泵的揚程主要克服循環系統的阻力，阻力主要包括閉式冷卻塔阻力、板式換熱器阻力、閥件阻力、物理提升高度以及沿程阻力損失。水泵流量在PCW系統流量基礎上加20%的裕量。本工程選用兩臺一次循環水泵，一用一備，其規格參數如下：臥式端吸泵，循環水量96 m3/h，揚程0.28 MPa，泵體采用不銹鋼材質。

3.5 二次循環水泵選型

二次循環水泵主要用于輸送低溫水箱內的冷卻水至長晶車間內的長晶爐PCW接入口。水泵的揚程主要克服循環系統的阻力，阻力主要包括袋式精密過濾器阻力、長晶爐PCW阻力及入口壓力需求、閥件阻力、物理提升高度以及沿程阻力損失。水泵流量在PCW系統流量基礎上加20%的裕量。本工程選用兩臺二次循環水泵，一用一備，其規格參數如下：臥式端吸泵，循環水量96 m3/h，揚程0.35 MPa，泵體采用不銹鋼材質。

3.6 不銹鋼水箱選型

本項目的PCW系統為開式系統，應設置蓄水箱Hq1pLsSyHMRBNh3Mxq9MpOcxFUQavheb4FnX8jfloxI=，蓄水量宜按系統循環水流量的5%～10%確定。且在水系統停止運行時，應能容納系統泄出的水，蓄水箱不得出現溢流現象[5]。但本項目的長晶爐廠商考慮到穩定性需求，提出水箱的蓄水量需按15%～32%選型。因此，本項目高溫水箱和低溫水箱的規格參數如下：

高溫水箱規格參數：2 m×3 m×3 m（長×寬×高），有效容積15 m3，不銹鋼材質。

低溫水箱規格參數：5 m×3 m×2.5 m（長×寬×高），有效容積30 m3，不銹鋼材質。

3.7 袋式精密過濾器選型

根據長晶爐PCW系統水質需求，本項目的袋式精密過濾器規格參數如下：工作流量100 m3/h，過濾范圍0.5～200 μm，工作溫度范圍10～50 ℃，工作壓力1.0 MPa，不銹鋼材質，底進底出式接管形式。

4 長晶爐PCW系統布置設計

根據第3章對長晶爐PCW系統中各個設備的介紹及選型，供回水管道均采用不銹鋼管[5]，長晶爐PCW系統設備、機房設備和管路平面布置圖及剖面布置圖如圖3、圖4所示。

5 總結及展望

1）設計初期對長晶爐相關數據的收集、特殊需求的理解和工藝專業的緊密配合對于PCW系統設計而言至關重要，它們對于整個系統的設備計算選型、機房設置位置、節能降耗、后期運維都有影響，牽一發而動全身。項目前期設計工作做得不扎實，會導致中后期調整面臨多重掣肘。

2）本項目中PCW系統總量大、套數多，從而整體能耗大，如何實現系統的節能降耗是本工程PCW系統設計的重點及難點。本項目采用閉式冷卻塔進行冷卻水的預冷，在冬季甚至可以少使用或不用冷凍水進行降溫，從而最大限度降低整體能耗。

3）本項目中PCW系統依據長晶爐的緊急供水需求（停電時能有緊急供水保證長晶爐的緊急降溫需求）設置了高位水池，該部分由工藝給排水專業完成，本文不過多贅述。

4）前期工藝需求條件調整帶來的多次設備機房提資條件的變化，造成部分設備選型過分寬裕，是本次設計的遺憾之處。今后應多總結整理長晶爐等PCW需求設備的設計參數，逐步完善設計方案，避免出現類似的情況。

保障生產工藝各系統的安全、可靠、穩定、節能是暖通從業者的責任和愿景，望本設計案例可為行業同仁提供參考。

[參考文獻]

[1] 徐秋峰.基于生長藍寶石單晶的冷卻水系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2014.

[2] 趙洪濤.工業循環冷卻水系統的節水措施分析[J].山東化工，2015，44（6）：10l-102.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4] 工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范：GB 50019—2015[S].

[5] 電子工業潔凈廠房設計規范：GB 50472—2008[S].

收稿日期：2024-06-12

作者簡介：蔣仕（1980—），男，湖南湘陰人，高級工程師，研究方向：建筑暖通空調設計、制冷技術設計、工藝機電設計。