La temperatura de aproximación que marca el tamaño
Un banco húmedo de semiconductores que opera una mezcla de ácido sulfúrico-peróxido de hidrógeno a 140 grados requiere un intercambiador de calor para mantener la temperatura. El fluido de servicio es vapor a 160 grados, lo que proporciona una temperatura de aproximación de 20 grados.
La temperatura de aproximación es la diferencia entre la temperatura del fluido de servicio y la temperatura del fluido de proceso en el punto donde los dos fluidos están más cerca. En un intercambiador de calor de contraflujo, el enfoque más cercano es en la salida del proceso y en la salida del servicio. En un intercambiador de calor de flujo paralelo-, el enfoque más cercano es en la salida del proceso y la entrada del servicio.
Para una carga de calor determinada, el área de superficie requerida es inversamente proporcional a la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD), que es función de la temperatura de aproximación. Una temperatura de aproximación más pequeña produce un LMTD más pequeño y requiere una superficie mayor.
La relación LMTD y área de superficie
La diferencia de temperatura media logarítmica se calcula a partir de las diferencias de temperatura en los dos extremos del intercambiador de calor. Para una disposición de contraflujo con una entrada de proceso a 140 grados, una salida de proceso a 140 grados (proceso isotérmico), una entrada de servicio a 160 grados y una salida de servicio a 150 grados, el LMTD es de aproximadamente 15 grados.
Para un intercambiador de calor que entrega 20 kW con un coeficiente global de transferencia de calor de 200 W/m²·K y un LMTD de 15 grados, la superficie requerida es de 6,7 m². Si la temperatura de aproximación se reduce a 10 grados, el LMTD cae a aproximadamente 7,5 grados y la superficie requerida aumenta a 13,3 m².
La superficie se duplica cuando la temperatura de aproximación se reduce a la mitad. El costo de capital aumenta proporcionalmente y la huella también aumenta. En bancos húmedos de semiconductores, donde el espacio disponible es limitado, es posible que no sea viable una superficie mayor.
La restricción de tolerancia de temperatura del proceso
La temperatura de aproximación está limitada por la tolerancia a la temperatura del proceso. En el procesamiento húmedo de semiconductores, la temperatura del proceso debe mantenerse dentro de una tolerancia que suele ser de ±1 grado o más estricta. La temperatura del fluido de servicio debe ser lo suficientemente alta para impulsar la transferencia de calor, pero no tan alta como para sobrepasar la temperatura del proceso.
Si la temperatura del fluido de servicio está demasiado cerca de la temperatura del proceso, la tasa de transferencia de calor es baja y el intercambiador de calor debe ser grande. Si la temperatura del fluido de servicio es demasiado alta, la temperatura del proceso puede sobrepasarse durante los transitorios y el sistema de control debe ser más sofisticado.
La temperatura de aproximación óptima es aquella que equilibra el tamaño del intercambiador de calor con la complejidad del control. Una temperatura de aproximación mayor reduce el tamaño del intercambiador de calor pero aumenta la complejidad del control y el riesgo de sobrepaso. Una temperatura de aproximación más pequeña aumenta el tamaño del intercambiador de calor pero proporciona más margen de control.
La restricción de disponibilidad de fluidos de servicio
La temperatura de aproximación también está limitada por la disponibilidad del fluido de servicio. El vapor está disponible a un número limitado de presiones y la temperatura saturada correspondiente a cada presión es fija. Para un proceso a 140 grados, el vapor a 4 bar proporciona una temperatura saturada de 152 grados, lo que da una temperatura de aproximación de 12 grados. El vapor a 6 bar proporciona una temperatura saturada de 165 grados, lo que da una temperatura de aproximación de 25 grados.
La elección de la presión del vapor determina la temperatura de aproximación y el tamaño del intercambiador de calor. Una presión de vapor más alta proporciona una temperatura de aproximación mayor y un intercambiador de calor más pequeño, pero la temperatura más alta aumenta la temperatura de la pared del tubo y la tasa de degradación del PTFE.
La restricción de pureza en el servicio de semiconductores
En el procesamiento húmedo de semiconductores, el intercambiador de calor no debe introducir contaminación en el fluido del proceso. La temperatura de la pared del tubo afecta la tasa de lixiviación del PTFE y una temperatura de pared más alta aumenta la tasa de lixiviación. La temperatura de aproximación determina la temperatura de la pared para un flujo de calor determinado.
Una temperatura de aproximación más pequeña requiere una superficie mayor y un flujo de calor más bajo, lo que reduce la temperatura de la pared del tubo y la tasa de lixiviación. Una temperatura de aproximación mayor permite una superficie más pequeña y un flujo de calor mayor, lo que aumenta la temperatura de la pared y la tasa de lixiviación.
Por lo tanto, el requisito de pureza favorece una temperatura de aproximación más pequeña y un intercambiador de calor más grande. La compensación-es entre el costo de capital del intercambiador de calor más grande y el beneficio de pureza de la tasa de lixiviación más baja.
Comparación de temperaturas de aproximación para el procesamiento húmedo de semiconductores
La siguiente tabla resume el tamaño y el rendimiento del intercambiador de calor para diferentes temperaturas de aproximación en un banco húmedo de semiconductores que funciona a 140 grados con una carga térmica de 20 kW.
| Temperatura de aproximación | LMTD | Área de superficie requerida | Flujo de calor | Temperatura de la pared del tubo | Tasa de lixiviación | Costo de capital |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 grados | 4 grados | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 grados | muy bajo | $52,000 |
| 10 grados | 8 grados | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 grados | Bajo | $32,000 |
| 15 grados | 12 grados | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 grados | Moderado | $24,000 |
| 20 grados | 16 grados | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 grados | Alto | $19,000 |
| 25 grados | 20 grados | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 grados | muy alto | $16,000 |
| 30 grados | 24 grados | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 grados | Extremo | $14,000 |
La temperatura de la pared del tubo se calcula a partir del flujo de calor y la resistencia térmica de la pared del tubo para una pared de PTFE de 0,8 mm. La tasa de lixiviación es una evaluación cualitativa basada en la temperatura de la pared y el comportamiento de lixiviación conocido del PTFE en servicio ácido de alta-pureza.
Los límites prácticos de la temperatura de aproximación
Los límites prácticos de la temperatura de aproximación en el procesamiento húmedo de semiconductores están determinados por la compensación entre el tamaño del intercambiador de calor y la temperatura de la pared. Una temperatura de aproximación muy pequeña requiere un intercambiador de calor muy grande, que puede no caber en el espacio disponible. Una temperatura de aproximación muy grande requiere una temperatura de pared muy alta, que puede exceder el umbral de degradación del PTFE.
Para la mayoría de las aplicaciones de procesamiento húmedo de semiconductores, el rango de temperatura práctico es de 10 a 20 grados. Por debajo de los 10 grados, el intercambiador de calor se vuelve imprácticamente grande. Por encima de los 20 grados, la temperatura de la pared se vuelve lo suficientemente alta como para acelerar la degradación del PTFE y la tasa de lixiviación.
Características de diseño que permiten temperaturas de aproximación más pequeñas
Varias características de diseño permiten una temperatura de aproximación más pequeña sin un aumento excesivo en el tamaño del intercambiador de calor.
Material del tubo de mayor conductividad.Un compuesto de PTFE relleno con una conductividad térmica de 0,5 W/m·K tiene la mitad de resistencia térmica de pared que el PTFE virgen. La menor resistencia permite un mayor flujo de calor para la misma temperatura de la pared, lo que reduce la superficie requerida.
Pared de tubo más delgada.Una pared más delgada reduce la resistencia térmica y permite un mayor flujo de calor para la misma temperatura de la pared. Una pared de 0,5 mm tiene la mitad de resistencia térmica que una pared de 1,0 mm.
Mayor velocidad de flujo.Una mayor velocidad de flujo aumenta los coeficientes de la película en ambos lados de la pared del tubo, lo que aumenta el coeficiente general de transferencia de calor y reduce el área de superficie requerida.
Superficie del tubo mejorada.Una superficie de tubo con aletas o ranuras aumenta el área de superficie por unidad de longitud y el coeficiente de película. La superficie mejorada permite una temperatura de aproximación más pequeña sin un aumento excesivo en el tamaño del intercambiador de calor.
Configuración de intercambiador de calor dividido.Dividir la carga de calor entre dos intercambiadores de calor más pequeños permite que cada unidad funcione a una temperatura de aproximación más pequeña sin la penalización de espacio de una sola unidad grande.
Parámetros de especificación para el procesamiento húmedo de semiconductores
Los ingenieros de equipos que especifican un intercambiador de calor de PTFE para el procesamiento húmedo de semiconductores deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Temperatura del proceso.Especifique la temperatura del proceso y la tolerancia.
Temperatura del fluido de servicio.Especifique la temperatura del fluido de servicio y la presión disponible.
Temperatura de aproximación.Especifique la temperatura de aproximación según la tolerancia del proceso y la disponibilidad del fluido de servicio.
Carga de calor y superficie.Especifique la carga de calor y la superficie requerida.
Flujo de calor.Especifique el flujo de calor máximo permitido según el límite de temperatura de la pared.
Espesor de la pared del tubo.Especifique el espesor de la pared del tubo según el flujo de calor y la temperatura de pared permitida.
Material del tubo.Especifique el material del tubo según la temperatura de la pared y la tasa de lixiviación.
Requisito de pureza.Especifique los niveles máximos de contaminación permitidos para iones metálicos, partículas y compuestos orgánicos.
Limitaciones de espacio.Especifique el espacio disponible y la huella máxima permitida.
Hacer coincidir la temperatura de aproximación con los requisitos del proceso
La temperatura de aproximación determina el LMTD, el área de superficie requerida y la temperatura de la pared del tubo en un intercambiador de calor de PTFE para el procesamiento húmedo de semiconductores. Una temperatura de aproximación más pequeña requiere un intercambiador de calor más grande pero proporciona una temperatura de pared más baja y una tasa de lixiviación más baja. Una temperatura de aproximación mayor permite un intercambiador de calor más pequeño pero aumenta la temperatura de la pared y la tasa de lixiviación.
La temperatura de aproximación debe seleccionarse en función de la tolerancia del proceso, la disponibilidad del fluido de servicio, los requisitos de pureza y las limitaciones de espacio. Un modelo de hoja de cálculo simple con el cálculo de la transferencia de calor y los datos de costos proporciona la información necesaria para seleccionar la temperatura de aproximación óptima.
Para las instalaciones de procesamiento húmedo de semiconductores que evalúan opciones de intercambiadores de calor de PTFE, la temperatura de aproximación debe especificarse en los documentos de adquisición y verificarse en la puesta en servicio. La configuración predeterminada proporcionada por el fabricante puede optimizarse para lograr compacidad en lugar de pureza, y la temperatura de la pared resultante puede exceder el umbral de degradación.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para el procesamiento húmedo de semiconductores u otros servicios de alta-pureza pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la temperatura del proceso, la temperatura del fluido de servicio, la temperatura de aproximación, el flujo de calor, el espesor de la pared del tubo y el material del tubo para confirmar que la unidad coincide con los requisitos reales del proceso y las restricciones de pureza de la instalación.
