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    多對棒多晶硅還原爐徑向熱輻射的角系數(shù)

    2020-10-26 02:50:56張鐵鋒陳紹林李壽琴劉逸楓甘居富
    四川化工 2020年5期
    關鍵詞:還原爐熱輻射多晶硅

    楊 楠 張鐵鋒 陳紹林 李壽琴 劉逸楓 甘居富

    (1.四川永祥股份有限公司,四川樂山,614800;2.山東魯新設計工程有限公司,山東淄博,255000)

    研究多晶硅還原爐的輻射散熱對降低還原過程的電耗有重要意義。筆者曾在文獻[1]中,對4對、12對、24對和40對棒的多晶硅還原爐徑向熱輻射的角系數(shù)進行了計算和分析,認為硅棒數(shù)量越多,角系數(shù)越小,能耗越低。但角系數(shù)減小的幅度也會變小,認為角系數(shù)與硅棒數(shù)量之間應有一極限值。近年來,隨著多晶硅還原爐設備向多對棒大型化方向發(fā)展[2-5],還原爐內(nèi)安裝的硅芯數(shù)量越來越多,對多對棒大型化還原爐的徑向熱輻射研究需求也越來越迫切。本文在前文的方法和基礎上,優(yōu)化了計算程序,對60對棒和84對棒多晶硅還原爐內(nèi)徑向熱輻射的角系數(shù)進行了計算,結果和方法可以在大型化多晶硅還原爐的設計時作為參考。

    1 幾何模型與程序

    60對棒和84對棒多晶硅還原爐內(nèi)硅棒布置示意如圖1。

    圖1 60和84對硅棒布置示意圖

    60對和84對硅棒按同心圓布置,從內(nèi)到外分別為第1,第2,……,和5(6)層。根據(jù)對稱性,以整體的1/2幾何模型進行計算,在相同直徑時,各層的硅棒具有同樣的角系數(shù)。

    為減小誤差,在程序設計時,將每根硅棒中心輻射出的熱射線掃掠角從原1°降為0.1°。

    2 結果與分析

    2.1 60對和84對棒角系數(shù)

    不同直徑時,60對和84對棒還原爐各層和總角系數(shù)分別如圖2和圖3,其中總角系數(shù)是以各層角系數(shù)與各層硅棒加權平均所得。

    從圖2和圖3可見,60對和84對棒各層和總角系數(shù)隨著直徑增加而減小,第1層最小,最外層最大,總角系數(shù)介于第4(5)層和最外層之間。

    圖2 60對棒角系數(shù)

    另外,通過程序計算,如圖2和圖3當硅棒直徑為φ160mm時,第2層角系數(shù)均已為0,但第1層角系數(shù)卻有0.013和0.011,即使硅棒達到φ180mm時,第1層仍然不為0。通過幾何分析,如圖4。可見,當硅棒直徑為φ180mm時,第一層硅棒仍有熱輻射到達還原爐筒內(nèi)壁上,與程序計算相符。

    圖3 84對棒角系數(shù)

    圖4 硅棒大直徑時第1層的輻射

    2.2 總角系數(shù)對比

    結合40對棒的計算結果,圖5為40對、60對和84對棒還原爐的總角系數(shù)對比。

    從圖5可見,84對棒還原爐徑向熱輻射的總角系數(shù)最小,其平均值大約是40對棒的73.1%,是60對棒的86.2%。

    圖5 40、60和84對棒還原爐的總角系數(shù)

    2.3 徑向熱輻射功率

    根據(jù)輻射功率計算公式:

    其中,φ12即為角系數(shù)。

    在溫度與黑度系數(shù)相同的條件時,

    Q12∝φ12A∝φ12N·φ

    其中,N為硅棒對數(shù),φ為硅棒直徑。

    圖6為不同直徑時,徑向熱輻射功率φ12N·φ的變化曲線。

    圖6 徑向熱輻射功率φ12N·φ

    2.4 徑向熱輻射單位能耗

    徑向熱輻射單位能耗,是指在一定的沉積時間,硅棒直徑按一定的速度生長,徑向輻射到還原爐筒壁的總熱量累積與此時硅棒總質量的比值,如下式,

    結合40對棒的計算結果,圖7為40對、60對和84對棒還原爐的徑向熱輻射單位能耗。

    圖7 徑向熱輻射單位能耗

    從圖7可見,徑向熱輻射單位能耗隨硅棒數(shù)量增多而減小,84對棒比60對棒和40對棒還原爐具有更好的節(jié)能優(yōu)勢。同時隨著直徑增加,徑向熱輻射單位能耗減小,在硅棒最終為φ200mm時,84對棒和60對棒分別相對40對棒還原爐的徑向熱輻射單位能耗為71.74%和83.79%。

    3 結論

    通過程序計算了60對棒和84對棒還原爐硅棒徑向熱輻射的角系數(shù)。兩種爐型的還原爐每層硅棒和總角系數(shù)和徑向熱輻射單位能耗隨著硅棒數(shù)量和直徑增加而減小,相對40對棒還原爐,節(jié)能效果明顯。

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