La temperatura di avvicinamento che imposta la dimensione
Un banco umido per semiconduttori che utilizza una miscela di acido solforico-perossido di idrogeno a 140 gradi richiede uno scambiatore di calore per mantenere la temperatura. Il fluido di servizio è vapore a 160 gradi, che fornisce una temperatura di avvicinamento di 20 gradi.
La temperatura di avvicinamento è la differenza tra la temperatura del fluido di servizio e la temperatura del fluido di processo nel punto in cui i due fluidi sono più vicini. In uno scambiatore di calore in contro-flusso, l'approccio più vicino è all'uscita del processo e all'uscita del servizio. In uno scambiatore di calore a flusso- parallelo, l'approccio più vicino è all'uscita del processo e all'ingresso del servizio.
Per un dato carico termico, la superficie richiesta è inversamente proporzionale alla differenza di temperatura media logaritmica (LMTD), che è una funzione della temperatura di avvicinamento. Una temperatura di approccio inferiore produce un LMTD più piccolo e richiede un'area superficiale maggiore.
La relazione LMTD e superficie
La differenza di temperatura media logaritmica viene calcolata dalle differenze di temperatura alle due estremità dello scambiatore di calore. Per una disposizione in controcorrente-con un ingresso del processo a 140 gradi, un'uscita del processo a 140 gradi (processo isotermico), un ingresso del servizio a 160 gradi e un'uscita del servizio a 150 gradi, l'LMTD è di circa 15 gradi.
Per uno scambiatore di calore da 20 kW con un coefficiente di scambio termico complessivo di 200 W/m²·K e un LMTD di 15 gradi, la superficie richiesta è di 6,7 m². Se la temperatura di avvicinamento viene ridotta a 10 gradi, l'LMTD scende a circa 7,5 gradi e la superficie richiesta aumenta a 13,3 m².
La superficie raddoppia quando la temperatura di avvicinamento si dimezza. Il costo del capitale aumenta proporzionalmente e aumenta anche l’impronta. Nei banchi umidi per semiconduttori, dove lo spazio disponibile è limitato, una superficie maggiore potrebbe non essere fattibile.
Il vincolo di tolleranza della temperatura del processo
La temperatura di approccio è vincolata dalla tolleranza della temperatura di processo. Nella lavorazione a umido dei semiconduttori, la temperatura del processo deve essere mantenuta entro una tolleranza generalmente pari a ±1 grado o più ristretta. La temperatura del fluido di servizio deve essere sufficientemente elevata da favorire il trasferimento di calore, ma non così elevata da superare la temperatura di processo.
Se la temperatura del fluido di servizio è troppo vicina alla temperatura di processo, la velocità di trasferimento del calore è bassa e lo scambiatore di calore deve essere grande. Se la temperatura del fluido di servizio è troppo elevata, la temperatura di processo potrebbe superare i valori transitori e il sistema di controllo dovrà essere più sofisticato.
La temperatura di approccio ottimale è quella che bilancia le dimensioni dello scambiatore di calore rispetto alla complessità del controllo. Una temperatura di approccio maggiore riduce le dimensioni dello scambiatore di calore ma aumenta la complessità del controllo e il rischio di superamento. Una temperatura di approccio inferiore aumenta le dimensioni dello scambiatore di calore ma fornisce un margine di controllo maggiore.
Il vincolo di disponibilità del fluido di servizio
La temperatura di avvicinamento è inoltre vincolata dalla disponibilità del fluido di servizio. Il vapore è disponibile a un numero limitato di pressioni e la temperatura satura corrispondente a ciascuna pressione è fissa. Per un processo a 140 gradi, il vapore a 4 bar fornisce una temperatura satura di 152 gradi, che dà una temperatura di approccio di 12 gradi. Il vapore a 6 bar fornisce una temperatura satura di 165 gradi, che dà una temperatura di avvicinamento di 25 gradi.
La scelta della pressione del vapore determina la temperatura di approccio e la dimensione dello scambiatore di calore. Una pressione del vapore più elevata fornisce una temperatura di approccio maggiore e uno scambiatore di calore più piccolo, ma la temperatura più elevata aumenta la temperatura della parete del tubo e il tasso di degradazione del PTFE.
Il vincolo di purezza nel servizio dei semiconduttori
Nella lavorazione a umido dei semiconduttori, lo scambiatore di calore non deve introdurre contaminanti nel fluido di processo. La temperatura della parete del tubo influisce sulla velocità di lisciviazione del PTFE e una temperatura della parete più elevata aumenta la velocità di lisciviazione. La temperatura di avvicinamento determina la temperatura della parete per un dato flusso di calore.
Una temperatura di approccio inferiore richiede una superficie maggiore e un flusso di calore inferiore, il che riduce la temperatura della parete del tubo e il tasso di lisciviazione. Una temperatura di approccio maggiore consente una superficie più piccola e un flusso di calore più elevato, che aumenta la temperatura della parete e il tasso di lisciviazione.
Il requisito di purezza favorisce quindi una temperatura di approccio più piccola e uno scambiatore di calore più grande. Il compromesso-è tra il costo di capitale dello scambiatore di calore più grande e il vantaggio in termini di purezza derivante dal tasso di lisciviazione più basso.
Confronto delle temperature di approccio per la lavorazione a umido dei semiconduttori
La tabella seguente riassume le dimensioni e le prestazioni dello scambiatore di calore per diverse temperature di approccio in un banco umido a semiconduttore funzionante a 140 gradi con un carico termico di 20 kW.
| Temperatura di avvicinamento | LMTD | Superficie richiesta | Flusso di calore | Temperatura della parete del tubo | Tasso di lisciviazione | Costo del capitale |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 gradi | 4 gradi | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 gradi | Molto basso | $52,000 |
| 10 gradi | 8 gradi | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 gradi | Basso | $32,000 |
| 15 gradi | 12 gradi | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 gradi | Moderare | $24,000 |
| 20 gradi | 16 gradi | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 gradi | Alto | $19,000 |
| 25 gradi | 20 gradi | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 gradi | Molto alto | $16,000 |
| 30 gradi | 24 gradi | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 gradi | Estremo | $14,000 |
La temperatura della parete del tubo viene calcolata dal flusso di calore e dalla resistenza termica della parete del tubo per una parete in PTFE da 0,8 mm. Il tasso di lisciviazione è una valutazione qualitativa basata sulla temperatura della parete e sul comportamento di lisciviazione noto del PTFE in servizio acido ad elevata-purezza.
I limiti pratici della temperatura di avvicinamento
I limiti pratici della temperatura di approccio nella lavorazione a umido dei semiconduttori sono determinati dal compromesso-tra le dimensioni dello scambiatore di calore e la temperatura della parete. Una temperatura di approccio molto bassa richiede uno scambiatore di calore molto grande, che potrebbe non adattarsi allo spazio disponibile. Una temperatura di approccio molto elevata richiede una temperatura della parete molto elevata, che può superare la soglia di degradazione del PTFE.
Per la maggior parte delle applicazioni di lavorazione a umido dei semiconduttori, l'intervallo di temperatura di approccio pratico è di 10–20 gradi. Al di sotto dei 10 gradi, lo scambiatore di calore diventa impraticabilmente grande. Al di sopra dei 20 gradi, la temperatura della parete diventa sufficientemente elevata da accelerare la degradazione del PTFE e il tasso di lisciviazione.
Caratteristiche di progettazione che consentono temperature di approccio più piccole
Numerose caratteristiche di progettazione consentono una temperatura di approccio inferiore senza un aumento eccessivo delle dimensioni dello scambiatore di calore.
Materiale del tubo con conduttività più elevata.Un composto di PTFE riempito con una conduttività termica di 0,5 W/m·K ha metà della resistenza termica delle pareti del PTFE vergine. La minore resistenza consente un flusso termico più elevato a parità di temperatura della parete, il che riduce la superficie richiesta.
Parete del tubo più sottile.Una parete più sottile riduce la resistenza termica e consente un flusso di calore maggiore a parità di temperatura della parete. Una parete da 0,5 mm ha la metà della resistenza termica di una parete da 1,0 mm.
Maggiore velocità del flusso.Una maggiore velocità del flusso aumenta i coefficienti del film su entrambi i lati della parete del tubo, il che aumenta il coefficiente di trasferimento termico complessivo e riduce la superficie richiesta.
Superficie del tubo migliorata.Una superficie del tubo con alette o scanalature aumenta l'area superficiale per unità di lunghezza e il coefficiente del film. La superficie migliorata consente una temperatura di approccio inferiore senza un aumento eccessivo delle dimensioni dello scambiatore di calore.
Configurazione con scambiatore di calore split.La divisione del carico termico tra due scambiatori di calore più piccoli consente a ciascuna unità di funzionare a una temperatura di approccio inferiore senza la penalità di spazio di una singola unità di grandi dimensioni.
Parametri di specifica per la lavorazione a umido dei semiconduttori
Gli ingegneri delle apparecchiature che specificano uno scambiatore di calore in PTFE per la lavorazione a umido dei semiconduttori devono confermare i seguenti parametri con il fornitore.
Temperatura di processo.Specificare la temperatura di processo e la tolleranza.
Temperatura del fluido di servizio.Specificare la temperatura del fluido di servizio e la pressione disponibile.
Avvicinarsi alla temperatura.Specificare la temperatura di approccio in base alla tolleranza del processo e alla disponibilità del fluido di servizio.
Carico termico e area superficiale.Specificare il carico termico e la superficie richiesta.
Flusso di calore.Specificare il flusso di calore massimo consentito in base al limite di temperatura della parete.
Spessore della parete del tubo.Specificare lo spessore della parete del tubo in base al flusso di calore e alla temperatura di parete consentita.
Materiale del tubo.Specificare il materiale del tubo in base alla temperatura della parete e al tasso di lisciviazione.
Requisito di purezza.Specificare i livelli massimi di contaminazione consentiti per ioni metallici, particelle e composti organici.
Vincoli di spazio.Specificare lo spazio disponibile e l'ingombro massimo consentito.
Adattamento della temperatura di approccio ai requisiti del processo
La temperatura di approccio determina l'LMTD, l'area superficiale richiesta e la temperatura della parete del tubo in uno scambiatore di calore in PTFE per la lavorazione a umido di semiconduttori. Una temperatura di approccio inferiore richiede uno scambiatore di calore più grande ma fornisce una temperatura di parete inferiore e un tasso di lisciviazione inferiore. Una temperatura di approccio maggiore consente uno scambiatore di calore più piccolo ma aumenta la temperatura della parete e il tasso di lisciviazione.
La temperatura di approccio deve essere selezionata in base alla tolleranza del processo, alla disponibilità del fluido di servizio, ai requisiti di purezza e ai vincoli di spazio. Un semplice modello di foglio di calcolo con il calcolo del trasferimento di calore e i dati sui costi fornisce le informazioni necessarie per selezionare la temperatura di approccio ottimale.
Per gli impianti di lavorazione a umido dei semiconduttori che valutano le opzioni dello scambiatore di calore in PTFE, la temperatura di approccio deve essere specificata nei documenti di approvvigionamento e verificata al momento della messa in servizio. La configurazione predefinita fornita dal produttore può essere ottimizzata per la compattezza piuttosto che per la purezza e la temperatura della parete risultante potrebbe superare la soglia di degradazione.
Gli ingegneri delle apparecchiature e gli specialisti degli approvvigionamenti che valutano le specifiche dello scambiatore di calore in PTFE per la lavorazione a umido di semiconduttori o altri servizi di elevata-purezza possono richiedere una revisione del progetto che comprenda la temperatura del processo, la temperatura del fluido di servizio, la temperatura di avvicinamento, il flusso di calore, lo spessore della parete del tubo e il materiale del tubo per confermare che l'unità corrisponda ai requisiti di processo effettivi e ai vincoli di purezza della struttura.
