無塵車間的高精度恒溫恒濕控製方法
無塵車間的高精度恒溫恒濕控製方法
一、前言
高精度恒溫恒濕空調技術相對而言已比較成熟,但用於(yu) 高級別的無塵車間卻是一個(ge) 缺少實踐和經驗的課題 。由於(yu) 維持高級別潔淨度的需要,其通風量遠大於(yu) 常規空調房間,因而使得無塵車間的高精度恒溫恒濕度控製具有其特殊性。
為(wei) 了滿足高級別與(yu) 高精度雙重的技術指標,並維持良好的係統調節品質,同時還需考慮到降低初投資和日常運行費用等經濟因素,使設計的難度增加。本文以實際工程為(wei) 例,從(cong) 設計安裝與(yu) 調試的全過程介紹在綜合解決(jue) 上述問題時所采取的相應措施和方案,以及最終的實踐效果。
二、高精度恒溫恒濕無塵車間的技術要求及設計方案
工程所承擔電子部某研究所的恒溫恒濕無塵車間主要技術指標如下:
潔淨級別:美國聯邦標準FS-209EM3.5級(即習(xi) 慣采用的英製100級)
無塵車間有效空間:2.5m(L)×2.0m(W)×2.5m(H)
室內(nei) 溫度:21±0.1℃
室內(nei) 濕度:Υ55±5%
套間參數:潔淨度為(wei) 美國聯邦標準FS-209E M6.5級(即習(xi) 慣采用的英製100000級)溫度為(wei) 25±2℃受建築條件的限製, 設計中考慮無塵車間氣流組織方案隻可采用水平平行流形式,由於(yu) 氣流進行方向尺寸不大,斷麵風速設計值為(wei) 0.28m/s, 較常規值略低而換氣次數已高達400AC/h。送風牆麵滿布高效空氣過濾器, 相對的整個(ge) 牆麵為(wei) 回風格柵(如圖1), 由於(yu) 滿足恒溫恒濕精度要求的送風換氣次數遠小於(yu) 淨化級別所需的通風換氣量,因此必然采用二次回風方案,空氣處理流程及空調方案。
考慮到在二次回風後, 設置有加壓風機,它能對經過空調機組處理的空氣(圖 3中的K 狀態)與(yu) 二次回風(空氣狀態N)起到充分的混合攪拌作用, 因此不必擔心由於(yu) 經空調機組處理的空氣與(yu) 二次回風的溫濕度不同造成的送風溫濕度不均勻, 而帶來的房間溫濕度精度不能滿足要求。因此空調機組的容量選取可完全根據房間熱濕負荷的需要, 無需對其出風溫濕度作出
某種限定。由於(yu) 無塵車間內(nei) 設備和照明的熱濕負荷穩定, 工作人員固定, 套間又常年維持在25℃左右, 通過圍護結構的傳(chuan) 熱量相當小而且波動也不大, 所以總起來看室內(nei) 熱濕負荷比較穩定, 全年變化甚微, 從(cong) 這方麵看,對滿足室內(nei) 溫濕度精度要求的控製是比較有利的條件。
三、自動控製的調節
品質不僅(jin) 決(jue) 定於(yu) 控製裝置,同時與(yu) 被控對象的環節特性也有密切關(guan) 係,由於(yu) 無塵車間送風換氣次數大,使控製的難度加大, 根據對上述兩(liang) 方麵的綜合分析,得出本係統的溫度精度更不易保證的認識,因此本文主要以溫度分析為(wei) 主。
1從(cong) 被控對象無塵車間來看, 盡管它是一個(ge) 動態係統,但對其進行定性分析,其能量蓄存量的變化率為(wei) :
由於(yu) 無塵車間內(nei) 熱濕負荷較穩定, 送風量又遠大於(yu) 一般空調係統,設計工況下,其送風溫差相對很小, 所以在監控中對送風溫度不予考慮 ,而使用回風溫度作為(wei) 調節的輸入。
雖然空氣蓄熱係數很小, 但因無塵車間的送風流率大, 所以其熱容量也相當大,這對高精度的控製是不利的 。有幸的是由於(yu) 高級別無塵車間所采用的是水平平行流氣流方式,空氣的運動類似活塞流,使無塵車間內(nei) 的空氣處於(yu) 一個(ge) 相對有序的狀態。氣流在無塵車間的行程因無塵車間的空間小, 相對的送回風牆距離不大, 空氣在無塵車間內(nei) 滯留的時間很短, 還不到10秒鍾, 所以無塵車間的滯後影響並不大。
2 從(cong) 控製係統來看,其確定必須以被控對象的特性為(wei) 基礎, 無塵車間以回風溫度作為(wei) 調節的輸入 。從(cong) 前麵分析看出, 無塵車間的負荷和幹擾變化比較平和, 同時考慮到初投資和運行費用, 因此控製係統采用單回路控製方式。
無塵車間同時有濕度要求, 因此空氣處理過程必需包括除濕。由於(yu) 本係統常年有餘(yu) 熱餘(yu) 濕,所以采用表冷器降溫同時去濕的方案。為(wei) 對空氣參數進行靈敏精確的調節,在表冷器後設置電加熱器和電極式加濕器,雖然會(hui) 發生熱濕負荷的抵消,增加能耗,但換來的是對比較難於(yu) 調節的直接蒸發式表冷器可以不予控製, 減少了控製環節。同時電加熱器和電極式加濕器滯後小,反應靈敏, 便於(yu) 控製, 這在很大程度上改善了控製效果。控製規律的選擇, 應著眼於(yu) 使控製係統和被控對象能進行良好配合, PID 參數調節法在技術上已經很成熟,在單回路的空調控製中應用很廣泛, 能解決(jue) 空調係統中存在的滯後性大等問題, 有效地消除靜差,提高係統的動態品質指標,其規律是:
PID 調節器輸出的是0 —10 mA 連續信號,利用可控矽元件,調節電加熱器和電加濕器的電壓,使其功率可連續變化,這也是提高控製精度的一個(ge) 有效方麵,具體(ti) 控製方案:
四、係統運行及調試
1 根據理論分析及設計計算,自行選購了散件,組裝了一台製冷空調機組,所選直接蒸發式表冷器的額定風量為(wei) 2500m3/h,在製冷空調機組出口裝置了風閥 ,對流過機組的風量可進行調節, 同時相應調節製冷量 。在工程現場完工後,對係統進行調整時 ,通過實測數據可以明顯看出當開大風閥,風量增大, 製冷量也相應增大,從(cong) 節能的角度出發, 在滿足無塵車間溫濕度參數要求的前提下,盡可能降低冷機製冷量,使其僅(jin) 是略大於(yu) 房間的熱濕負荷。通過反複調整測試, 確定在製冷機組處理風量在2200 m3/h 左右時,無塵車間的溫濕度能很好地維持在T =21 ±0.1 ℃、Υ=55 ±5 %範圍內(nei) 波動。
2 無塵車間采用的是定值控製係統, 在硬件完成後, PID調節器的參數整定是關(guan) 鍵,在調試過程中, 采用經驗試湊法, 以被控對象的精度和穩定性作為(wei) 調節的基本目標,經反複調試, 得到了合適的PID參數,其中比例帶在0.3 —0.4 之間, 最合適的積分時間為(wei) 4 —8秒的範圍,而微分作用在本係統中並不明顯,微分時間一般在0 —3秒之間變化 。
3 所自行設計的製冷空調機組與(yu) 原設計方案所選定的5000 m3/h的定型商用空調機組相比較, 初投資減少約 20 %, 運行費用減少30 %,這證明了機組的設計在應用中是成功的 。
五、結論和建議
1 小麵積高精度高級別的恒溫恒濕無塵車間送風量大,氣流在室內(nei) 的滯留時間短,而且熱濕負荷比較穩定,采用單回路的PID調節方法是可行的。但需要進行合理的設計和反複地進行調節, 才能保證其所規定的各項技術參數達到要求。
2 PID調節器在很大程度上決(jue) 定了係統的控製精度,在本係統裝置調節,比例和積分調節起到關(guan) 鍵作用,能完全滿足控製要求, 而微分調節的作用較少, 但對PID 參數的選擇一定要根據現場實際情況進行分析,反複調節, 並觀察一段時間,以求達到最佳效果。
3 執行器的調節必須采用連續調節的方式,占空比的調節方式給係統帶來脈衝(chong) 擾動將使係統控製精度得不到保證 。
4 應對空調係統進行優(you) 化設計, 合理確定一 、二次回風比, 僅(jin) 對部分回風進行處理的方法,即不影響係統的控製精度 ,又可降低初投資 。