无尘車(chē)间的高精度恒温恒湿控制方法

摘要:本文(wén)以一个实际的高精度恒温恒湿无尘車(chē)间為(wèi)例, 在对其房间气流组织进行分(fēn)析的基础上, 优化了空气处理(lǐ)系统。 系统采用(yòng)了一套合理(lǐ)的控制方法, 在满足无尘車(chē)间所需高级别洁净度的同时, 使无尘車(chē)间的温湿度也分(fēn)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(yòng)。

关键词:无尘車(chē)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(yòng)于高级别的无尘車(chē)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 ,其通风量遠(yuǎn)大于常规空调房间,因而使得无尘車(chē)间的高精度恒温恒湿度控制具有(yǒu)其特殊性。

為(wèi)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(yòng)等经济因素 ,使设计的难度增加。本文(wén)以实际工程為(wèi)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車(chē)间的技术要求及设计方案

工程所承担電(diàn)子部某研究所的恒温恒湿无尘車(chē)间(如图 1)主要技术指标如下 :

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

无尘車(chē)间有(yǒu)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:洁净度為(wèi)美國(guó)联邦标准FS-209E M6.5 级 (即 习 惯 采 用(yòng) 的英 制100000 级)温度為(wèi) 25 ±2 ℃

受建筑条件的限制, 设计中考虑无尘車(chē)间气流组织方案只可(kě)采用(yòng)水平平行流形式,由于气流进行方向尺寸不大,断面风速设计值為(wèi) 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 , 相对的整个墙面為(wèi)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遠(yuǎn)小(xiǎo)于净化级别所需的通风换气量,因此必然采用(yòng)二次回风方案,空气

处理(lǐ)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(yǒu)加压风机,它能(néng)对经过空调机组处理(lǐ)的空气(图 3中的K 状态)与二次回风(空气状态 N)起到充分(fēn)的混合搅拌作用(yòng), 因此不必担心由于经空调机组处理(lǐ)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(néng)满足要求。因此空调机组的容量选取可(kě)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。由于无尘車(chē)间内设备和照明的热湿负荷稳定, 工作人员固定 , 套间又(yòu)常年维持在25 ℃左右 , 通过围护结构的传热量相当小(xiǎo)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(yǒu)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(yǒu)密切关系 ,由于无尘車(chē)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(fēn)析,得出本系统的温度精度更不易保证的认识 ,因此本文(wén)主要以温度分(fēn)析為(wèi)主。1 从被控对象无尘車(chē)间来看, 尽管它是一个动态系统,但对其进行定性分(fēn)析 ,其能(néng)量蓄存量的变化率為(wèi) :

由于无尘車(chē)间内热湿负荷较稳定 , 送风量又(yòu)遠(yuǎn)大于一般空调系统 ,设计工况下 ,其送风温差相对很(hěn)小(xiǎo), 所以在监控中对送风温度不予考虑 ,而使用(yòng)回风温度作為(wèi)调节的输入。

虽然空气蓄热系数很(hěn)小(xiǎo), 但因无尘車(chē)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(yǒu)幸的是由于高级别无尘車(chē)间所采用(yòng)的是水平平行流气流方式 ,空气的运动类似活塞流 ,使无尘車(chē)间内的空气处于一个相对有(yǒu)序的状态。气流在无尘車(chē)间的行程因无尘車(chē)间的空间小(xiǎo), 相对的送回风墙距离不大, 空气在无尘車(chē)间内滞留的时间很(hěn)短, 还不到 10 秒(miǎo)钟, 所以无尘車(chē)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為(wèi)基础, 无尘車(chē)间以回风温度作為(wèi)调节的输入 。从前面分(fēn)析看出 , 无尘車(chē)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(yòng), 因此控制系统采用(yòng)单回路控制方式 。

无尘車(chē)间同时有(yǒu)湿度要求, 因此空气处理(lǐ)过程必需包括除湿 。由于本系统常年有(yǒu)余热余湿 ,所以采用(yòng)表冷器降温同时去湿的方案。為(wèi)对空气参数进行灵敏精确的调节,在表冷器后设置電(diàn)加热器和電(diàn)极式加湿器 ,虽然会发生热湿负荷的抵消 ,增加能(néng)耗,但换来的是对比较难于调节的直接蒸发式表冷器可(kě)以不予控制, 减少了控制环节。同时電(diàn)加热器和電(diàn)极式加湿器滞后

小(xiǎo),反应灵敏, 便于控制, 这在很(hěn)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(néng)进行良好配合 , PID 参数调节法在技术上已经很(hěn)成熟 ,在单回路的空调控制中应用(yòng)很(hěn)广泛 , 能(néng)解决空调系统中存在的滞后性大等问题 , 有(yǒu)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(yòng)可(kě)控硅元件 ,调节電(diàn)加热器和電(diàn)加湿器的電(diàn)压,使其功率可(kě)连续变化 ,这也是提高控制精度的一个有(yǒu)效方面 ,具體(tǐ)控制方案如图 4 所示 :

四 系统运行及调试

1 根据理(lǐ)论分(fēn)析及设计计算 ,自行选購(gòu)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為(wèi) 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(kě)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(kě)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(néng)的角度出发, 在满足无尘車(chē)间温湿度参数要求的前提下 ,尽可(kě)能(néng)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(lǐ)风量在2200 m³/h 左右时,无尘車(chē)间的温湿度能(néng)很(hěn)好地维持在 T =21 ±0.1 ℃、Υ=55 ±5 %范围内波动。

2 无尘車(chē)间采用(yòng)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(yòng)经验试凑法 , 以被控对象的精度和稳定性作為(wèi)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(fēn)时间為(wèi) 4 —8 秒(miǎo)的范围 ,而微分(fēn)作用(yòng)在本系统中并不明显 ,微分(fēn)时间一般在 0 —3 秒(miǎo)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(shāng)用(yòng)空调机组相比较 , 初投资减少约 20 %, 运行费用(yòng)减少30 %,这证明了机组的设计在应用(yòng)中是成功的 。

五 结论和建议

1 小(xiǎo)面积高精度高级别的恒温恒湿无尘車(chē)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(yòng)单回路的PID 调节方法是可(kě)行的 。但需要进行合理(lǐ)的设计和反复地进行调节 , 才能(néng)保证其所规定的各项技术参数达到要求。

2 PID 调节器在很(hěn)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(fēn)调节起到关键作用(yòng) ,能(néng)完全满足控制要求 , 而微分(fēn)调节的作用(yòng)较少 , 但对PID 参数的选择一定要根据现场实际情况进行分(fēn)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(yòng)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(lǐ)确定一 、二次回风比, 仅对部分(fēn)回风进行处理(lǐ)的方法,即不影响系统的控制精度 ,又(yòu)可(kě)降低初投资 。