路 艷

（合肥銅冠電子銅箔有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

在當(dāng)前碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，制造業(yè)如何在節(jié)能減排中做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，成為當(dāng)前的熱題。近年來(lái)信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)及新能源發(fā)展迅猛，高性能銅箔作為重要的電子專用材料，在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著非常重要的角色。電子銅箔是我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)重要的電子材料之一，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)電子銅箔的要求，無(wú)論是品質(zhì)上還是數(shù)量上都有很大提高。2021 年我國(guó)電子電路銅箔產(chǎn)能40.52 萬(wàn)t，新增2.9 萬(wàn)噸產(chǎn)能，同比增長(zhǎng)7.71%；預(yù)計(jì)到2022 年，我國(guó)電子電路銅箔產(chǎn)能為50.57 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)24.80%。在銅箔的生產(chǎn)制造過程中，潔凈室控制過程中有需要降溫和升溫的步驟，在這一過程中不僅需要耗電降溫還需蒸汽加熱，不利于節(jié)能減排，不利于行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文從節(jié)能減排的角度出發(fā)，采用新型熱管技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行改造，達(dá)到了一定的節(jié)能減排的目的，并對(duì)相關(guān)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

1 熱管技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 熱管工作原理

熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件，它可以將大量熱量通過其很小的截面積長(zhǎng)距離地傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。熱管的基本工作原理如圖1 所示。由圖1 可知，熱管以一種封閉的管子或筒體作為殼體，內(nèi)表面嵌套有多孔毛細(xì)吸液芯，待殼體抽成真空后充入適量的可以發(fā)生相變的介質(zhì)，密封殼體后即成熱管。熱管蒸發(fā)段受熱時(shí)毛細(xì)吸液芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向凝結(jié)段放熱并凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠重力作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不已[1]。

1.2 熱管換熱器

熱管換熱器屬于冷熱流體互不接觸的表面式換熱器，其最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，金屬耗材少于其它類型的換熱器；壓力損失亦比其他類型的換熱器小，故動(dòng)力損失也小。按冷熱流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣－氣式、氣－液式、液－液式、液－氣式，通常用于室內(nèi)除濕的熱管換熱器為氣－氣式。

1.3 熱管特點(diǎn)

1.3.1 無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、傳熱效率高

熱管本身工作原理是利用工作介質(zhì)的相變進(jìn)行傳導(dǎo)能量，不需要外界動(dòng)能的輔助，無(wú)動(dòng)力消耗，因此較傳統(tǒng)的熱量傳遞效率高。具有關(guān)行業(yè)研究傳遞速度可達(dá)到音速。

1.3.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便

熱管換熱器的熱管元件，每一根都是密封的，而且可以獨(dú)立安裝，可根據(jù)換熱的需要隨意改變其數(shù)目，即使個(gè)別元件損壞也不影響其他元件的傳熱，而且可單獨(dú)更換，維修極其方便，也不會(huì)造成冷、熱流體的相互混合，可完全避免冷、熱流體之間的相互泄漏與污染。

1.3.3 環(huán)境安全

熱管中充裝的為R-134a 工作介質(zhì)，R-134a 是使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑。由于R-134a 屬于HFC 類物質(zhì)，是當(dāng)前世界絕大多數(shù)國(guó)家認(rèn)可并推薦使用的環(huán)保制冷劑，且整個(gè)工作過程全部在管道內(nèi)，未直接接觸外部環(huán)境，因此完全不破壞臭氧層，對(duì)環(huán)境安全可靠。

2 應(yīng)用背景

2.1 項(xiàng)目概況

電子銅箔是我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)重要的電子材料之一，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)電子銅箔的要求，無(wú)論是品質(zhì)上，還是數(shù)量上具有很大提高。本文以年產(chǎn)1萬(wàn)噸高精度電子銅箔生產(chǎn)為研究背景。

以電子銅箔生產(chǎn)工藝制造過程如下：

溶銅：將剪切的銅料、硫酸、純水加入溶銅罐中，向罐內(nèi)鼓入壓縮空氣并加熱（控制溫度為70 ℃，本項(xiàng)目采用蒸汽加熱）條件下，使銅氧化生成氧化銅再與硫酸發(fā)生反應(yīng)生成硫酸銅溶液。

生箔：送入生箔機(jī)的電解液在低壓直流電的作用下，電解液中的銅離子不斷移向陰極輥，并在其上取得二個(gè)電子后變成銅離子沉積在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的陰極輥的表面上形成銅箔。

表面處理：高端電子銅箔在生箔完成后，需要對(duì)其表面處理進(jìn)行鍍銅、鍍鎳、鍍鋅以及鈍化處理。

成品：經(jīng)表面處理后的銅箔送分切工序，根據(jù)客戶的不同需求對(duì)銅箔進(jìn)行最后加工，由專用分切機(jī)和切片機(jī)進(jìn)行裁剪分切，通過質(zhì)檢合格后最后捆包、出廠。

銅箔生產(chǎn)車間根據(jù)工藝流程劃分為溶銅車間、生箔車間、造液車間、表面處理車間、分切車間以及電力供應(yīng)車間、通風(fēng)工序等輔助設(shè)施。其中生箔車間、表面處理車間、分切車間由于品質(zhì)管控要求，需要維持恒溫恒濕的環(huán)境。以年產(chǎn)1 萬(wàn)噸銅箔產(chǎn)能為設(shè)計(jì)依據(jù)。各個(gè)車間空調(diào)機(jī)組配備數(shù)量、風(fēng)量、溫濕度要求見表1。

表1 各車間空調(diào)機(jī)組配置參數(shù)要求

2.2 工藝簡(jiǎn)介

銅箔生產(chǎn)工藝要求潔凈室必須滿足特定溫濕度才能符合產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。目前通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用的處理工藝為：新風(fēng)→初效過濾→回風(fēng)混合→中效過濾→除濕→中間段→風(fēng)機(jī)→表熱→高效過濾→送風(fēng)段→潔凈室→回風(fēng)。如圖2 所示為空調(diào)機(jī)組工藝流程。

圖2 空調(diào)機(jī)組工藝流程圖

除濕方式為冷凍除濕。具體工作如下：非常熱及潮濕的空氣通過初效過濾器進(jìn)入中效過濾器進(jìn)一步去除空氣中的雜質(zhì)，濕熱的空氣通過表冷器后，多余的水分被去除變?yōu)榈蜏叵鄬?duì)濕度高的冷空氣，為了滿足銅箔產(chǎn)品的工藝生產(chǎn)條件需要低溫空氣加熱。綜上所述，為了解決車間溫濕度問題，一方面采用將室外空氣降到露點(diǎn)溫度分離空氣中的水，另一方面通過再熱過程進(jìn)一步對(duì)空氣除濕并提高空氣的送風(fēng)溫度。由于產(chǎn)生冷熱抵消的現(xiàn)象，造成能量的巨大浪費(fèi)[2]。

3 熱管在空調(diào)機(jī)組應(yīng)用

為了降低除濕過程中的過冷和再熱的能耗，將熱管做成U 型的結(jié)構(gòu)，夾在表冷器前后，利用熱管的工作原理，可以對(duì)冷熱量進(jìn)行自動(dòng)分配，有效解決冷熱抵消問題，從而降低空調(diào)機(jī)組的制冷能耗和再加熱的能耗。U 型除濕熱管管內(nèi)抽成高真空狀態(tài)后充注適量的R134a，管內(nèi)介質(zhì)感應(yīng)外界溫差，高溫側(cè)工質(zhì)蒸發(fā)汽化，將熱量傳遞到低溫側(cè)釋放熱量后形成液態(tài)，同時(shí)依靠自身重力與毛細(xì)力作用將低溫側(cè)冷量攜帶到高溫側(cè)釋放冷量，從而不斷蒸發(fā)和冷凝，使能量不間斷地進(jìn)行傳遞，此過程不需要外界動(dòng)能輔助，完全依靠工質(zhì)自身相變進(jìn)行能量傳遞。進(jìn)入空調(diào)箱內(nèi)的全新風(fēng)或新風(fēng)、回風(fēng)混合后的高溫高濕空氣先經(jīng)過表冷器前面的熱管蒸發(fā)段進(jìn)行預(yù)冷降溫使之溫度降低，相對(duì)濕度增大，然后再經(jīng)過表冷器進(jìn)行深度降溫和除濕，由于除濕過程是一個(gè)降溫過程，所以通過表冷后的空氣溫度過低，而需要升溫處理后才能送風(fēng)，所以再經(jīng)過表冷器后面的熱管冷凝段進(jìn)行再熱升溫，使空氣溫度升高，相對(duì)濕度降低從而完成整個(gè)空氣處理過程[3]。具體改造結(jié)構(gòu)如下圖3 所示。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式：新鮮的濕熱空氣經(jīng)過初效和中效過濾器后，去除空氣中顆粒物，經(jīng)過熱管的蒸發(fā)端濕熱的空氣得到預(yù)冷之后，再次進(jìn)入表冷器去除空氣的水分，經(jīng)過熱管的冷凝端此時(shí)空氣得到預(yù)熱，再次經(jīng)過蒸汽調(diào)節(jié)到所需要的工藝條件。

4 熱管節(jié)能分析

以單臺(tái)機(jī)組為例，簡(jiǎn)要分析熱管技術(shù)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。生箔車間空調(diào)機(jī)組風(fēng)量為42 000 m3/h，根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率40 Hz（即風(fēng)量33 600 m3/h）計(jì)算。單臺(tái)42 000 m3/h每年節(jié)約蒸汽361 噸，費(fèi)用95900 元，節(jié)省71608kW·h電量，費(fèi)用48 693 元，理論總節(jié)約費(fèi)用144 593 元，預(yù)計(jì)實(shí)際節(jié)約108 444 元。按照年產(chǎn)1 萬(wàn)噸銅箔項(xiàng)目計(jì)算，每年可實(shí)際節(jié)約節(jié)約蒸汽1 550 噸，費(fèi)用410 750元；電量306 891 kW·h，總計(jì)208 686 元，合計(jì)年可節(jié)約61 萬(wàn)元。（計(jì)算依據(jù)比熱容計(jì)算公式Q=cm△t，空氣比熱1.01 kJ/（kg·℃）；空氣密度1.23 kg/m3；市政蒸汽潛熱2 164 kJ/kg），詳見表2。

表2 2021 年4—10 月平均氣溫匯總

5 結(jié)語(yǔ)

在銅箔的生產(chǎn)制造過程中，潔凈室控制過程中有需要降溫和升溫的步驟，在這一過程中不僅需要耗電降溫還需蒸汽加熱，不利于節(jié)能減排，不利于行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文以熱管技術(shù)為研究基礎(chǔ)，通過研究熱管技術(shù)工作原理及特點(diǎn)及在銅箔空調(diào)機(jī)組中的應(yīng)用分析，證明了熱管技術(shù)在銅箔通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用既能減少電量使用又能減少蒸汽使用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。綜上所述熱管具有高傳熱性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境安全等特點(diǎn)，在空調(diào)機(jī)組節(jié)能利用方面不僅有較大的經(jīng)濟(jì)效益，還能減少二氧化碳排放，對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了重要作用，為早日實(shí)現(xiàn)銅箔行業(yè)碳達(dá)峰和碳中和貢獻(xiàn)技術(shù)支持。