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）

文章通過對熱平衡節(jié)能技術(shù)進行理論分析，應(yīng)用熱平衡節(jié)能技術(shù)對PCB行業(yè)中的設(shè)備進行節(jié)能改造。實踐表明，改造后節(jié)能效果顯著，有較強的指導(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

加強節(jié)能減排，實現(xiàn)低碳發(fā)展，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是促進經(jīng)濟提質(zhì)增效升級的必由之路。PCB企業(yè)在追求自身發(fā)展的同時，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，進行熱平衡節(jié)能研究，找出能源浪費的環(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)營成本、提高企業(yè)競爭力。

2 熱平衡節(jié)能概念

目前，PCB設(shè)備在運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。它重點研究熱能的利用和損失之間的關(guān)系。它是實現(xiàn)科學(xué)用能，提高能源利用率和降低能源消耗的一項重要基礎(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，即無熱量的損失；在交換過程中無熱和功轉(zhuǎn)變問題；而且在初、末狀態(tài)都必須達到平衡態(tài)。

2.2 熱平衡模型

在實際進行熱平衡時，首先要確定熱平衡體系，然后要建立熱平衡模型，因為不同的體系其平衡關(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)測定和計算的項目，把體系用一個簡單的方框來表示，并把輸入和輸出的每個能量一個不漏地、分門別類地逐項用箭頭表示在方框的四周，這個帶著箭頭的框圖，就稱為熱平衡模型。

2.3 熱能設(shè)備效率

根據(jù)某一時間段設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及參數(shù)，進行設(shè)備的熱平衡計算，根據(jù)上述熱平衡模型得到熱能的生產(chǎn)、輸送及利用三個環(huán)節(jié)的熱效率及能源利用率。根據(jù)考察對象不同，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。

本文主要對設(shè)備效率進行分析，設(shè)備效率是指設(shè)備為達到特定目的，對供給能量有效利用程度在數(shù)量上的表示，它等于有效能量對供給能量的百分數(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)備效率與國內(nèi)外同類設(shè)備的先進用能水平進行分析和比較，根據(jù)其設(shè)備效率的數(shù)值對其熱能利用的效果進行評價，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，對重要熱能消耗設(shè)備，進行了熱平衡節(jié)能分析改善實踐應(yīng)用。

3.1 真空層壓機熱媒油爐散熱損失改善

熱媒油爐是PCB真空層壓機最主要的熱能設(shè)備，壓機系統(tǒng)中運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，單位時間的輸入量與單位時間輸出量相等。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數(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數(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數(shù)；

q4 熱媒油循環(huán)流動的熱損失熱量占輸入熱量的百分數(shù)；

q5 —熱媒油爐間排風(fēng)熱損失熱量占輸入熱量的百分數(shù)；

通過測定熱媒油爐的各項熱損失，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)以上公式計算，獲得可改善的熱媒油爐及管道表面的散熱損失（q2），計算結(jié)果參見（附表1）。

通過對熱媒油爐熱能平衡測試，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算表

表2 新舊保溫棉表面溫度比較

原保溫?zé)崃繐p失計算初步計算為143.4 W/（m2·k），新型材料保溫后熱量損失為93.6 W/（m2·k），1#車間儲油罐、管道面積合計約36 m2，2#車間儲油罐、管道面積合計約30㎡。通過表1熱媒油爐散熱損失計算表，計算得出每年可節(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)常會使用鼓氣泵鼓氣，進行藥水的攪拌。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

空氣能熱泵是運用制冷原理制熱，國家制冷標(biāo)準要求輸入1000瓦最低輸出制冷2800瓦。熱泵在工作時，工質(zhì)能在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境介質(zhì)貯存的能量，而啟動系統(tǒng)需要消耗能量，即壓縮機耗電，同時工質(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：

實際測試，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。空氣能熱泵節(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值

表3 空氣能熱與電加熱能耗對比表

4 實施效果

在以上工作的基礎(chǔ)上根據(jù)公司未來的發(fā)展，對其熱能設(shè)備進行全面的優(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)濟效益。開拓了節(jié)能改善空間，有力地促進了節(jié)能降耗持續(xù)改進工作的順利開展。

5 結(jié)論

本項目針對PCB設(shè)備建立其熱能利用過程的熱平衡分析，它是實現(xiàn)科學(xué)用能，提高能源利用率和降低能源消耗的一項重要基礎(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，找出能源浪費的環(huán)節(jié)或部位，優(yōu)化用能過程。實踐表明，改造后節(jié)能效果顯著，有較強的指導(dǎo)意義和可操作性。

[1]段光才,趙飛松. 加熱爐熱平衡測試及分析, 油氣儲運, 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