PCB設(shè)備熱平衡節(jié)能改造實(shí)踐應(yīng)用

閔秀紅（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

PCB設(shè)備熱平衡節(jié)能改造實(shí)踐應(yīng)用

Paper Code: S-080

閔秀紅
（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

文章通過對(duì)熱平衡節(jié)能技術(shù)進(jìn)行理論分析，應(yīng)用熱平衡節(jié)能技術(shù)對(duì)PCB行業(yè)中的設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造。實(shí)踐表明，改造后節(jié)能效果顯著，有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和可操作性。

熱平衡 ；牛頓冷卻定律；節(jié)能; 電鍍線；空氣能

1 前言

加強(qiáng)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)的必由之路。PCB企業(yè)在追求自身發(fā)展的同時(shí)，要想使行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，環(huán)保治理、節(jié)能減排成為目前整個(gè)行業(yè)急需解決的課題。

提高設(shè)備的熱效率及能量利用率，進(jìn)行熱平衡節(jié)能研究，找出能源浪費(fèi)的環(huán)節(jié)或部位，可以優(yōu)化用能過程，指導(dǎo)節(jié)能工作，從而降低經(jīng)營(yíng)成本、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 熱平衡節(jié)能概念

目前，PCB設(shè)備在運(yùn)行過程中伴隨著各種能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和利用過程，而熱能則是其能量利用的主要形式，熱平衡即人們常說的能量平衡。它重點(diǎn)研究熱能的利用和損失之間的關(guān)系。它是實(shí)現(xiàn)科學(xué)用能，提高能源利用率和降低能源消耗的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。因此，在PCB行業(yè)的設(shè)備節(jié)能管理中，可以應(yīng)用熱平衡分析，找出能源浪費(fèi)的環(huán)節(jié)或部位，優(yōu)化用能過程。

2.1 熱平衡

熱平衡是按照能量守恒法則，考察一個(gè)系統(tǒng)（設(shè)備、裝置、車間或企業(yè)）的輸入能量、有效利用能量和損失能量之間的平衡關(guān)系，分析用能過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的影響因素，衡量能量的利用水平，找出能量損失的原因和節(jié)能潛力，從而有針對(duì)性地制訂技術(shù)改造措施和整改方案，以提高系統(tǒng)的能量利用水平。

其熱平衡方程（熱交換定律Thermal Balance Equation） 為：

此方程只適用于絕熱系統(tǒng)內(nèi)的熱交換過程，即無(wú)熱量的損失；在交換過程中無(wú)熱和功轉(zhuǎn)變問題；而且在初、末狀態(tài)都必須達(dá)到平衡態(tài)。

2.2 熱平衡模型

在實(shí)際進(jìn)行熱平衡時(shí)，首先要確定熱平衡體系，然后要建立熱平衡模型，因?yàn)椴煌捏w系其平衡關(guān)系也不同。為了使體系及其與外界能量輸入及輸出的關(guān)系一目了然，清晰地區(qū)別能量的類別，以便于分析確定應(yīng)測(cè)定和計(jì)算的項(xiàng)目，把體系用一個(gè)簡(jiǎn)單的方框來表示，并把輸入和輸出的每個(gè)能量一個(gè)不漏地、分門別類地逐項(xiàng)用箭頭表示在方框的四周，這個(gè)帶著箭頭的框圖，就稱為熱平衡模型。

2.3 熱能設(shè)備效率

根據(jù)某一時(shí)間段設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及參數(shù)，進(jìn)行設(shè)備的熱平衡計(jì)算，根據(jù)上述熱平衡模型得到熱能的生產(chǎn)、輸送及利用三個(gè)環(huán)節(jié)的熱效率及能源利用率。根據(jù)考察對(duì)象不同，一般有設(shè)備效率、裝置能量利用率、能量利用率、企業(yè)能源利用率。

本文主要對(duì)設(shè)備效率進(jìn)行分析，設(shè)備效率是指設(shè)備為達(dá)到特定目的，對(duì)供給能量有效利用程度在數(shù)量上的表示，它等于有效能量對(duì)供給能量的百分?jǐn)?shù)，稱為設(shè)備轉(zhuǎn)換效率，即

根據(jù)上述理論，將企主要熱能設(shè)備的設(shè)備效率與國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備的先進(jìn)用能水平進(jìn)行分析和比較，根據(jù)其設(shè)備效率的數(shù)值對(duì)其熱能利用的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出各設(shè)備、環(huán)節(jié)及系統(tǒng)節(jié)能潛力的大小及分布。

3 實(shí)踐應(yīng)用

根據(jù)上述理論分析，結(jié)合我司熱能消耗情況，對(duì)重要熱能消耗設(shè)備，進(jìn)行了熱平衡節(jié)能分析改善實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 真空層壓機(jī)熱媒油爐散熱損失改善

熱媒油爐是PCB真空層壓機(jī)最主要的熱能設(shè)備，壓機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行熱媒油爐的熱平衡體系（如附圖1所示）。根據(jù)能量守衡定律，在穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時(shí)間的輸入量與單位時(shí)間輸出量相等。輸入熱量來源于熱媒油爐電加熱器產(chǎn)生的熱，輸出熱量包括熱媒油爐有效利用熱量及各種熱損失。加熱器電能輸入熱媒油爐的熱量與有效利用熱量及各種熱損失間存在以下平衡關(guān)系。

圖1 熱媒油爐熱平衡體系

圖2 熱媒油爐熱平衡模型

式中：

Qr 熱媒油爐電加熱器的輸入熱量；

Q1 熱媒油爐有效利用熱量；

Q2 熱媒油爐及管道表面的散熱損失；

Q3 熱媒油熱量交換不完全的熱損失；

Q4 熱媒油循環(huán)流動(dòng)的熱損失；

Q5 熱媒油爐間排風(fēng)熱損失。

式中

q1 熱媒油爐有效利用熱量占輸入熱量的百分?jǐn)?shù)；

q2 熱媒油爐及管道表面的散熱損失熱量占輸入熱量的百分?jǐn)?shù)；

q3 熱媒油熱量交換不完全的熱損失熱量占輸入熱量的百分?jǐn)?shù)；

q4 熱媒油循環(huán)流動(dòng)的熱損失熱量占輸入熱量的百分?jǐn)?shù)；

q5 —熱媒油爐間排風(fēng)熱損失熱量占輸入熱量的百分?jǐn)?shù)；

通過測(cè)定熱媒油爐的各項(xiàng)熱損失，以此來確定熱媒油爐的熱效率的反平衡效率。由式（2）可得到：

假設(shè)q3=0，q4=0，則有：

熱媒油爐及管道表面的散熱2損失（q2）的計(jì)算，根據(jù)牛頓冷卻定律得到：

式中：a ——綜合換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

H ——熱媒油爐表面積，m2；

tw ——熱媒油爐外壁溫度，℃；

tk ——周圍空氣溫度，℃；

ad ——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K) ；

af ——幅射換熱系數(shù)，W/(m2·K) ；

根據(jù)以上公式計(jì)算，獲得可改善的熱媒油爐及管道表面的散熱損失（q2），計(jì)算結(jié)果參見（附表1）。

通過對(duì)熱媒油爐熱能平衡測(cè)試，考察熱媒油爐電加熱器產(chǎn)生的熱量有多少被有效利用, 有多少變?yōu)闊釗p失，這些熱損失又表現(xiàn)在哪些方面，從而找出引起熱損失的原因，以便采取有效措施，使其達(dá)到節(jié)約能源的目的。為了改善熱媒油爐及管道表面的散熱損失（q2），采用新型保溫材料，使加熱爐、管道的整體熱量損失得到很大的改善。（如下表2所示）：

表1 熱媒油爐散熱損失計(jì)算表

表2 新舊保溫棉表面溫度比較

原保溫?zé)崃繐p失計(jì)算初步計(jì)算為143.4 W/（m2·k），新型材料保溫后熱量損失為93.6 W/（m2·k），1#車間儲(chǔ)油罐、管道面積合計(jì)約36 m2，2#車間儲(chǔ)油罐、管道面積合計(jì)約30㎡。通過表1熱媒油爐散熱損失計(jì)算表，計(jì)算得出每年可節(jié)約用電18000度電。

3.2 鼓氣泵熱回收節(jié)能

在PCB電鍍線設(shè)備中經(jīng)常會(huì)使用鼓氣泵鼓氣，進(jìn)行藥水的攪拌。鼓氣泵功率通常為5.5～11 kW，鼓氣泵近端排氣管道表面溫度有80 ℃，造成熱能損失。經(jīng)過建立鼓氣泵熱平衡模型分析，可以把鼓氣泵排氣管熱能回收利用。具體方案是將鼓氣泵排氣管引入電鍍水浴加熱槽，設(shè)備熱能有效得到回收利用，使電鍍水浴加熱槽回水管平均由35 ℃提升到55 ℃。實(shí)現(xiàn)熱能回收，減少電加熱能耗。

3.3 空氣能熱泵替代電加熱

空氣能熱泵是運(yùn)用制冷原理制熱，國(guó)家制冷標(biāo)準(zhǔn)要求輸入1000瓦最低輸出制冷2800瓦。熱泵在工作時(shí)，工質(zhì)能在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境介質(zhì)貯存的能量，而啟動(dòng)系統(tǒng)需要消耗能量，即壓縮機(jī)耗電，同時(shí)工質(zhì)在冷凝器中釋放到高溫介質(zhì)的熱量；據(jù)熱平衡的原理：

實(shí)際測(cè)試，空氣能熱泵不僅節(jié)能效果顯著，較電加熱節(jié)電50%左右（如附表3），而且杜絕了電加熱管的安全隱患，使用更安全可靠?？諝饽軣岜霉?jié)能效果和安全性顯著，可推廣替代PCB設(shè)備多數(shù)電加熱設(shè)備，從安全和節(jié)能方面都具有推廣價(jià)值

表3 空氣能熱與電加熱能耗對(duì)比表

4 實(shí)施效果

在以上工作的基礎(chǔ)上根據(jù)公司未來的發(fā)展，對(duì)其熱能設(shè)備進(jìn)行全面的優(yōu)化，使設(shè)備單位面積電耗較上年下降5% ，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。開拓了節(jié)能改善空間，有力地促進(jìn)了節(jié)能降耗持續(xù)改進(jìn)工作的順利開展。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目針對(duì)PCB設(shè)備建立其熱能利用過程的熱平衡分析，它是實(shí)現(xiàn)科學(xué)用能，提高能源利用率和降低能源消耗的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。因此，在PCB行業(yè)的設(shè)備節(jié)能管理中，可以應(yīng)用熱平衡分析，找出能源浪費(fèi)的環(huán)節(jié)或部位，優(yōu)化用能過程。實(shí)踐表明，改造后節(jié)能效果顯著，有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和可操作性。

[1]段光才,趙飛松. 加熱爐熱平衡測(cè)試及分析, 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2005,24(6);50-52.

閔秀紅，工程師，從事印制線路板生產(chǎn)設(shè)備能力提升及其維修管理工作。

PCB equipment heat balance energy saving reformation practice and application

MIN Xiu-hong

Through theoretical analysis of the heat balance energy saving technology, this paper reform the equipment in PCB industry by using the heat balance energy saving technology. The practice shows that energy saving effect is significant after the reformation, furthermore, there is a strong guiding significance and maneuverability.

Heat Balance; Newton's Law of Cooling; Energy Saving; Electroplating Line; Air Energy

TN41

A

1009-0096（2015）03-0219-05