无尘车间的高精度恒温恒湿控制方法

摘要:本文以一个实际的高精度恒温恒湿无尘车间为例, 在对其房间气流组织进行分析的基础上, 优化了空气处理系统。 系统采用了一套合理的控制方法, 在满足无尘车间所需高级别洁净度的同时, 使无尘车间的温湿度也分别达到了±0.1 ℃、±5%的设计要求, 并大幅度降低了制冷机组的成本和运行费用。

关键词:无尘车间 优化设计 恒温恒湿控制

一 前言

高精度恒温恒湿空调技术相对而言已比较成熟 ,但用于高级别的无尘车间却是一个缺少实践和经验的课题 。由于维持高级别洁净度的需要 ,其通风量远大于常规空调房间,因而使得无尘车间的高精度恒温恒湿度控制具有其特殊性。

为了满足高级别与高精度双重的技术指标 ,并维持良好的系统调节品质 ,同时还需考虑到降低初投资和日常运行费用等经济因素 ,使设计的难度增加。本文以实际工程为例 ,从设计安装与调试的全过程介绍在综合解决上述问题时所采取的相应措施和方案,以及最终的实践效果 。

二 高精度恒温恒湿无尘车间的技术要求及设计方案

工程所承担电子部某研究所的恒温恒湿无尘车间(如图 1)主要技术指标如下 :

洁净 级别 :美国 联邦 标准 FS-209EM3.5 级(即习惯采用的英制 100 级)

无尘车间有效空间 :2.5m(L)×2.0m(W)×2.5m(H)

室内温度:21 ±0.1 ℃

室内湿度:Υ55 ±5 %

套间参数:洁净度为美国联邦标准FS-209E M6.5 级 (即 习 惯 采 用 的英 制100000 级)温度为 25 ±2 ℃

受建筑条件的限制, 设计中考虑无尘车间气流组织方案只可采用水平平行流形式,由于气流进行方向尺寸不大,断面风速设计值为 0.28m/ s, 较常规值略低而换气次数已高达 400AC/h 。送风墙面满布高效空气过滤器 , 相对的整个墙面为回风格栅(如图 1), 由于满足恒温恒湿精度要求的送风换气次数远小于净化级别所需的通风换气量,因此必然采用二次回风方案,空气

处理流程及空调方案如图 2 , 图 3 所示如下:

考虑到在二次回风后, 设置有加压风机,它能对经过空调机组处理的空气(图 3中的K 状态)与二次回风(空气状态 N)起到充分的混合搅拌作用, 因此不必担心由于经空调机组处理的空气与二次回风的温湿度不同造成的送风温湿度不均匀 , 而带来的房间温湿度精度不能满足要求。因此空调机组的容量选取可完全根据房间热湿负荷的需要, 无需对其出风温湿度作出

某种限定。由于无尘车间内设备和照明的热湿负荷稳定, 工作人员固定 , 套间又常年维持在25 ℃左右 , 通过围护结构的传热量相当小而且波动也不大, 所以总起来看室内热湿负荷比较稳定, 全年变化甚微, 从这方面看 ,对满足室内温湿度精度要求的控制是比较有利的条件 。自动控制的调节品质不仅决定于控制装置,同时与被控对象的环节特性也有密切关系 ,由于无尘车间送风换气次数大 ,使控制的难度加大, 根据对上述两方面的综合分析,得出本系统的温度精度更不易保证的认识 ,因此本文主要以温度分析为主。1 从被控对象无尘车间来看, 尽管它是一个动态系统,但对其进行定性分析 ,其能量蓄存量的变化率为 :

由于无尘车间内热湿负荷较稳定 , 送风量又远大于一般空调系统 ,设计工况下 ,其送风温差相对很小, 所以在监控中对送风温度不予考虑 ,而使用回风温度作为调节的输入。

虽然空气蓄热系数很小, 但因无尘车间的送风流率大, 所以其热容量也相当大 ,这对高精度的控制是不利的 。有幸的是由于高级别无尘车间所采用的是水平平行流气流方式 ,空气的运动类似活塞流 ,使无尘车间内的空气处于一个相对有序的状态。气流在无尘车间的行程因无尘车间的空间小, 相对的送回风墙距离不大, 空气在无尘车间内滞留的时间很短, 还不到 10 秒钟, 所以无尘车间的滞后影响并不大。

2 从控制系统来看,其确定必须以被控对象的特性为基础, 无尘车间以回风温度作为调节的输入 。从前面分析看出 , 无尘车间的负荷和干扰变化比较平和, 同时考虑到初投资和运行费用, 因此控制系统采用单回路控制方式 。

无尘车间同时有湿度要求, 因此空气处理过程必需包括除湿 。由于本系统常年有余热余湿 ,所以采用表冷器降温同时去湿的方案。为对空气参数进行灵敏精确的调节,在表冷器后设置电加热器和电极式加湿器 ,虽然会发生热湿负荷的抵消 ,增加能耗,但换来的是对比较难于调节的直接蒸发式表冷器可以不予控制, 减少了控制环节。同时电加热器和电极式加湿器滞后

小,反应灵敏, 便于控制, 这在很大程度上改善了控制效果 。控制规律的选择, 应着眼于使控制系统和被控对象能进行良好配合 , PID 参数调节法在技术上已经很成熟 ,在单回路的空调控制中应用很广泛 , 能解决空调系统中存在的滞后性大等问题 , 有效地消除静差 ,提高系统的动态品质指标,其规律是:

PID 调节器输出的是 0 —10 mA 连续信号,利用可控硅元件 ,调节电加热器和电加湿器的电压,使其功率可连续变化 ,这也是提高控制精度的一个有效方面 ,具体控制方案如图 4 所示 :

四 系统运行及调试

1 根据理论分析及设计计算 ,自行选购了散件,组装了一台制冷空调机组 ,所选直接蒸发式表冷器的额定风量为 2500m³/h ,在制冷空调机组出口装置了风阀 ,对流过机组的风量可进行调节 , 同时相应调节制冷量 。在工程现场完工后 ,对系统进行调整时 ,通过实测数据可以明显看出当开大风阀 ,风量增大, 制冷量也相应增大 ,从节能的角度出发, 在满足无尘车间温湿度参数要求的前提下 ,尽可能降低冷机制冷量 ,使其仅是略大于房间的热湿负荷 。通过反复调整测试, 确定在制冷机组处理风量在2200 m³/h 左右时,无尘车间的温湿度能很好地维持在 T =21 ±0.1 ℃、Υ=55 ±5 %范围内波动。

2 无尘车间采用的是定值控制系统, 在硬件完成后, PID 调节器的参数整定是关键,在调试过程中 , 采用经验试凑法 , 以被控对象的精度和稳定性作为调节的基本目标,经反复调试, 得到了合适的 PID 参数,其中比例带在 0.3 —0.4 之间, 最合适的积分时间为 4 —8 秒的范围 ,而微分作用在本系统中并不明显 ,微分时间一般在 0 —3 秒之间变化 。

3 所自行设计的制冷空调机组与原设计方案所选定的 5000 m³/h 的定型商用空调机组相比较 , 初投资减少约 20 %, 运行费用减少30 %,这证明了机组的设计在应用中是成功的 。

五 结论和建议

1 小面积高精度高级别的恒温恒湿无尘车间送风量大 ,气流在室内的滞留时间短 ,而且热湿负荷比较稳定 ,采用单回路的PID 调节方法是可行的 。但需要进行合理的设计和反复地进行调节 , 才能保证其所规定的各项技术参数达到要求。

2 PID 调节器在很大程度上决定了系统的控制精度 ,在本系统装置调节下,比例和积分调节起到关键作用 ,能完全满足控制要求 , 而微分调节的作用较少 , 但对PID 参数的选择一定要根据现场实际情况进行分析,反复调节, 并观察一段时间 ,以求达到最佳效果 。

3 执行器的调节必须采用连续调节的方式 ,占空比的调节方式给系统带来脉冲扰动将使系统控制精度得不到保证 。

4 应对空调系统进行优化设计, 合理确定一 、二次回风比, 仅对部分回风进行处理的方法,即不影响系统的控制精度 ,又可降低初投资 。