دمای رویکردی که اندازه را تعیین می کند
یک نیمکت مرطوب نیمه هادی که مخلوطی از اسید سولفوریک{0}}پراکسید هیدروژن در دمای 140 درجه کار می کند، برای حفظ دما به مبدل حرارتی نیاز دارد. سیال سرویس بخار 160 درجه است که دمای نزدیک 20 درجه را فراهم می کند.
دمای نزدیک تفاوت بین دمای سیال سرویس و دمای سیال فرآیند در نقطه ای است که دو سیال به نزدیک ترین نقطه هستند. در یک مبدل حرارتی جریان شمارنده، نزدیکترین رویکرد در خروجی فرآیند و خروجی سرویس است. در یک مبدل حرارتی موازی، نزدیکترین رویکرد در خروجی فرآیند و ورودی سرویس است.
برای یک بار حرارتی معین، مساحت سطح مورد نیاز به طور معکوس با اختلاف دمای میانگین لگاریتم (LMTD) که تابعی از دمای نزدیک است، متناسب است. دمای نزدیک‌تر، LMTD کوچک‌تری تولید می‌کند و به سطح بزرگ‌تری نیاز دارد.
رابطه LMTD و سطح سطح
میانگین لگاریتم اختلاف دما از اختلاف دما در دو سر مبدل حرارتی محاسبه می شود. برای چیدمان جریان شمارنده با ورودی فرآیند در 140 درجه، خروجی فرآیند در 140 درجه (فرآیند همدما)، ورودی سرویس در 160 درجه و خروجی سرویس در 150 درجه، LMTD تقریباً 15 درجه است.
برای مبدل حرارتی 20 کیلووات با ضریب انتقال حرارت کلی 200 W/m²·K و LMTD 15 درجه، سطح مورد نیاز 6.7 متر مربع است. اگر دمای نزدیک به 10 درجه کاهش یابد، LMTD تقریباً به 7.5 درجه کاهش می یابد و سطح مورد نیاز به 13.3 متر مربع افزایش می یابد.
وقتی دمای نزدیک به نصف کاهش می یابد، سطح سطح دو برابر می شود. هزینه سرمایه به تناسب افزایش می یابد و ردپای نیز افزایش می یابد. در نیمکت های مرطوب نیمه هادی، جایی که فضای موجود محدود است، سطح بزرگتر ممکن است امکان پذیر نباشد.
محدودیت تحمل دمای فرآیند
دمای نزدیک توسط تحمل دمای فرآیند محدود می شود. در پردازش مرطوب نیمه هادی، دمای فرآیند باید در حد تحملی که معمولاً 1± درجه یا کمتر است حفظ شود. دمای سیال سرویس باید به اندازه کافی بالا باشد تا انتقال حرارت را هدایت کند اما نه آنقدر بالا که از دمای فرآیند فراتر رود.
اگر دمای سیال سرویس خیلی نزدیک به دمای فرآیند باشد، سرعت انتقال حرارت کم است و مبدل حرارتی باید بزرگ باشد. اگر دمای سیال سرویس بیش از حد بالا باشد، دمای فرآیند ممکن است در طول گذرا بیش از حد باشد و سیستم کنترل باید پیچیده‌تر باشد.
دمای نزدیک بهینه دمایی است که اندازه مبدل حرارتی را در برابر پیچیدگی کنترل متعادل می کند. دمای نزدیک تر، اندازه مبدل حرارتی را کاهش می دهد، اما پیچیدگی کنترل و خطر بیش از حد را افزایش می دهد. دمای نزدیک‌تر، اندازه مبدل حرارتی را افزایش می‌دهد اما حاشیه کنترل بیشتری را فراهم می‌کند.
محدودیت در دسترس بودن مایع سرویس
دمای نزدیک نیز توسط در دسترس بودن سیال سرویس محدود می شود. بخار در تعداد محدودی فشار موجود است و دمای اشباع مربوط به هر فشار ثابت است. برای فرآیندی در 140 درجه، بخار در 4 بار دمای اشباع 152 درجه را فراهم می کند که دمای نزدیک به 12 درجه را می دهد. بخار در 6 بار دمای اشباع 165 درجه را فراهم می کند که دمای نزدیک 25 درجه را می دهد.
انتخاب فشار بخار دمای نزدیک و اندازه مبدل حرارتی را تعیین می کند. فشار بخار بالاتر، دمای نزدیک‌تر و مبدل حرارتی کوچک‌تری را فراهم می‌کند، اما دمای بالاتر، دمای دیواره لوله و نرخ تخریب PTFE را افزایش می‌دهد.
محدودیت خلوص در سرویس نیمه هادی
در پردازش مرطوب نیمه هادی، مبدل حرارتی نباید آلودگی را به سیال فرآیند وارد کند. دمای دیواره لوله بر میزان شسته شدن PTFE تأثیر می‌گذارد و دمای دیواره بالاتر سرعت شستشو را افزایش می‌دهد. دمای نزدیک دمای دیوار را برای یک شار حرارتی معین تعیین می کند.
دمای نزدیک‌تر به سطح بزرگتر و شار حرارتی کمتری نیاز دارد که دمای دیواره لوله و سرعت شستشو را کاهش می‌دهد. دمای نزدیک‌تر به سطح کوچکتر و شار حرارتی بالاتر اجازه می‌دهد که دمای دیواره و سرعت شستشو را افزایش می‌دهد.
بنابراین نیاز به خلوص به نفع یک دمای نزدیک کمتر و یک مبدل حرارتی بزرگتر است. مبادله-میان هزینه سرمایه مبدل حرارتی بزرگتر و مزیت خلوص نرخ شسته شدن پایین است.
مقایسه دماهای رویکرد برای پردازش مرطوب نیمه هادی
جدول زیر اندازه و عملکرد مبدل حرارتی را برای دماهای رویکرد مختلف در یک نیمکت مرطوب نیمه هادی که در 140 درجه کار می کند با بار حرارتی 20 کیلو وات خلاصه می کند.
| دمای رویکرد | LMTD | مساحت سطح مورد نیاز | شار حرارتی | دمای دیواره لوله | میزان شسته شدن | هزینه سرمایه |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 درجه | 4 درجه | 25 m² | 0.8 وات بر سانتی متر مربع | 155 درجه | خیلی کم | $52,000 |
| 10 درجه | 8 درجه | 12.5 m² | 1.6 وات بر سانتی متر مربع | 170 درجه | کم | $32,000 |
| 15 درجه | 12 درجه | 8.3 m² | 2.4 وات بر سانتی متر مربع | 185 درجه | متوسط | $24,000 |
| 20 درجه | 16 درجه | 6.3 m² | 3.2 وات بر سانتی متر مربع | 200 درجه | بالا | $19,000 |
| 25 درجه | 20 درجه | 5.0 m² | 4.0 وات بر سانتی متر مربع | 215 درجه | خیلی بالا | $16,000 |
| 30 درجه | 24 درجه | 4.2 m² | 4.8 وات بر سانتی متر مربع | 230 درجه | افراطی | $14,000 |
دمای دیواره لوله از شار حرارتی و مقاومت حرارتی دیواره لوله برای یک دیوار PTFE 0.8 میلی متری محاسبه می شود. نرخ لیچینگ یک ارزیابی کیفی بر اساس دمای دیواره و رفتار لیچینگ شناخته شده PTFE در سرویس اسید با خلوص بالا است.
محدودیت های عملی دمای رویکرد
محدودیت های عملی دمای نزدیک در پردازش مرطوب نیمه هادی با مبادله{0}} بین اندازه مبدل حرارتی و دمای دیوار تعیین می شود. یک دمای نزدیک بسیار کوچک به یک مبدل حرارتی بسیار بزرگ نیاز دارد که ممکن است در فضای موجود جا نگیرد. یک دمای نزدیک بسیار زیاد به دمای دیواره بسیار بالایی نیاز دارد که ممکن است از آستانه تخریب PTFE فراتر رود.
برای اکثر کاربردهای پردازش مرطوب نیمه هادی، محدوده دمایی رویکرد عملی 10 تا 20 درجه است. زیر 10 درجه، مبدل حرارتی به طور غیر عملی بزرگ می شود. بالاتر از 20 درجه، دمای دیوار به اندازه ای بالا می شود که تخریب PTFE و سرعت شستشو را تسریع کند.
ویژگی‌های طراحی که اجازه می‌دهد دمای رویکرد کمتری داشته باشد
چندین ویژگی طراحی اجازه می دهد تا دمای نزدیک کمتری بدون افزایش بیش از حد در اندازه مبدل حرارتی ایجاد شود.
مواد لوله رسانایی بالاتریک ترکیب PTFE پر شده با هدایت حرارتی 0.5 W/m·K دارای نصف مقاومت حرارتی دیواره PTFE بکر است. مقاومت کمتر، شار حرارتی بالاتری را برای دمای دیواره مشابه امکان پذیر می کند، که سطح مورد نیاز را کاهش می دهد.
دیواره لوله نازک تردیوار نازکتر مقاومت حرارتی را کاهش می دهد و شار حرارتی بالاتری را برای همان دمای دیوار ممکن می سازد. یک دیوار 0.5 میلی متری دارای نصف مقاومت حرارتی یک دیوار 1.0 میلی متری است.
سرعت جریان بالاترسرعت جریان بالاتر، ضرایب فیلم را در دو طرف دیواره لوله افزایش می دهد، که ضریب انتقال حرارت کلی را افزایش می دهد و سطح مورد نیاز را کاهش می دهد.
سطح لوله پیشرفتهسطح لوله با باله ها یا شیارها سطح سطح را در واحد طول و ضریب فیلم را افزایش می دهد. سطح تقویت‌شده اجازه می‌دهد تا دمای نزدیک‌تری را بدون افزایش بیش از حد در اندازه مبدل حرارتی فراهم کند.
پیکربندی مبدل حرارتی تقسیم شدهتقسیم بار حرارتی بین دو مبدل حرارتی کوچکتر به هر واحد اجازه می دهد تا در دمای نزدیک کمتری بدون جریمه فضایی یک واحد بزرگ کار کند.
پارامترهای مشخصات برای پردازش مرطوب نیمه هادی
مهندسان تجهیزاتی که مبدل حرارتی PTFE را برای پردازش مرطوب نیمه هادی مشخص می کنند باید پارامترهای زیر را با تامین کننده تأیید کنند.
دمای فرآینددمای فرآیند و تحمل را مشخص کنید.
دمای سیال سرویس.دمای سیال سرویس و فشار موجود را مشخص کنید.
دمای نزدیک.دمای نزدیک را بر اساس تحمل فرآیند و در دسترس بودن سیال سرویس مشخص کنید.
بار حرارتی و مساحت سطح.بار حرارتی و سطح مورد نیاز را مشخص کنید.
شار حرارتی.حداکثر شار حرارتی مجاز را بر اساس حد دمای دیوار مشخص کنید.
ضخامت دیواره لولهضخامت دیواره لوله را بر اساس شار حرارتی و دمای مجاز دیوار مشخص کنید.
مواد لوله.مواد لوله را بر اساس دمای دیواره و سرعت شستشو مشخص کنید.
شرط خلوصحداکثر سطوح آلودگی مجاز را برای یون های فلزی، ذرات و ترکیبات آلی مشخص کنید.
محدودیت های فضاییفضای موجود و حداکثر ردپای مجاز را مشخص کنید.
تطبیق دمای رویکرد با الزامات فرآیند
دمای نزدیک LMTD، سطح مورد نیاز و دمای دیواره لوله را در یک مبدل حرارتی PTFE برای پردازش مرطوب نیمه هادی تعیین می کند. دمای نزدیک‌تر به یک مبدل حرارتی بزرگتر نیاز دارد، اما دمای دیواره کمتر و سرعت شستشو کمتری را فراهم می‌کند. دمای نزدیک‌تر اجازه می‌دهد مبدل حرارتی کوچک‌تری داشته باشد، اما دمای دیواره و سرعت شستشو را افزایش می‌دهد.
دمای رویکرد باید بر اساس تحمل فرآیند، در دسترس بودن سیال سرویس، نیاز خلوص و محدودیت‌های فضا انتخاب شود. یک مدل صفحه گسترده ساده با محاسبه انتقال حرارت و داده های هزینه، اطلاعات مورد نیاز برای انتخاب دمای نزدیک بهینه را فراهم می کند.
برای تأسیسات پردازش مرطوب نیمه هادی که گزینه های مبدل حرارتی PTFE را ارزیابی می کنند، دمای نزدیک باید در اسناد خرید مشخص شود و در هنگام راه اندازی تأیید شود. پیکربندی پیش‌فرض ارائه‌شده توسط سازنده ممکن است برای فشردگی به‌جای خلوص بهینه‌سازی شده باشد و دمای دیوار حاصل ممکن است از آستانه تخریب فراتر رود.
مهندسان تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای پردازش مرطوب نیمه‌رسانا یا سایر خدمات با خلوص{0} بالا ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بازنگری طراحی در مورد دمای فرآیند، دمای سیال سرویس، دمای نزدیک، شار گرما، ضخامت دیواره لوله و مواد لوله را برای تأیید مطابقت واحد با الزامات فرآیند واقعی و خلوص فاکتور درخواست کنند.
