PCB设备热平衡节能改造实践应用

闵秀红（深南电路有限公司，广东 深圳 518117）

PCB设备热平衡节能改造实践应用

Paper Code: S-080

闵秀红
（深南电路有限公司，广东 深圳 518117）

文章通过对热平衡节能技术进行理论分析，应用热平衡节能技术对PCB行业中的设备进行节能改造。实践表明，改造后节能效果显著，有较强的指导意义和可操作性。

热平衡 ；牛顿冷却定律；节能; 电镀线；空气能

1 前言

加强节能减排，实现低碳发展，是生态文明建设的重要内容，是促进经济提质增效升级的必由之路。PCB企业在追求自身发展的同时，要想使行业可持续发展，环保治理、节能减排成为目前整个行业急需解决的课题。

提高设备的热效率及能量利用率，进行热平衡节能研究，找出能源浪费的环节或部位，可以优化用能过程，指导节能工作，从而降低经营成本、提高企业竞争力。

2 热平衡节能概念

目前，PCB设备在运行过程中伴随着各种能量的传递、转换和利用过程，而热能则是其能量利用的主要形式，热平衡即人们常说的能量平衡。它重点研究热能的利用和损失之间的关系。它是实现科学用能，提高能源利用率和降低能源消耗的一项重要基础工作。因此，在PCB行业的设备节能管理中，可以应用热平衡分析，找出能源浪费的环节或部位，优化用能过程。

2.1 热平衡

热平衡是按照能量守恒法则，考察一个系统（设备、装置、车间或企业）的输入能量、有效利用能量和损失能量之间的平衡关系，分析用能过程中各个环节的影响因素，衡量能量的利用水平，找出能量损失的原因和节能潜力，从而有针对性地制订技术改造措施和整改方案，以提高系统的能量利用水平。

其热平衡方程（热交换定律Thermal Balance Equation） 为：

此方程只适用于绝热系统内的热交换过程，即无热量的损失；在交换过程中无热和功转变问题；而且在初、末状态都必须达到平衡态。

2.2 热平衡模型

在实际进行热平衡时，首先要确定热平衡体系，然后要建立热平衡模型，因为不同的体系其平衡关系也不同。为了使体系及其与外界能量输入及输出的关系一目了然，清晰地区别能量的类别，以便于分析确定应测定和计算的项目，把体系用一个简单的方框来表示，并把输入和输出的每个能量一个不漏地、分门别类地逐项用箭头表示在方框的四周，这个带着箭头的框图，就称为热平衡模型。

2.3 热能设备效率

根据某一时间段设备的能耗数据及参数，进行设备的热平衡计算，根据上述热平衡模型得到热能的生产、输送及利用三个环节的热效率及能源利用率。根据考察对象不同，一般有设备效率、装置能量利用率、能量利用率、企业能源利用率。

本文主要对设备效率进行分析，设备效率是指设备为达到特定目的，对供给能量有效利用程度在数量上的表示，它等于有效能量对供给能量的百分数，称为设备转换效率，即

根据上述理论，将企主要热能设备的设备效率与国内外同类设备的先进用能水平进行分析和比较，根据其设备效率的数值对其热能利用的效果进行评价，并给出各设备、环节及系统节能潜力的大小及分布。

3 实践应用

根据上述理论分析，结合我司热能消耗情况，对重要热能消耗设备，进行了热平衡节能分析改善实践应用。

3.1 真空层压机热媒油炉散热损失改善

热媒油炉是PCB真空层压机最主要的热能设备，压机系统中运行热媒油炉的热平衡体系（如附图1所示）。根据能量守衡定律，在稳定状态下，单位时间的输入量与单位时间输出量相等。输入热量来源于热媒油炉电加热器产生的热，输出热量包括热媒油炉有效利用热量及各种热损失。加热器电能输入热媒油炉的热量与有效利用热量及各种热损失间存在以下平衡关系。

图1 热媒油炉热平衡体系

图2 热媒油炉热平衡模型

式中：

Qr 热媒油炉电加热器的输入热量；

Q1 热媒油炉有效利用热量；

Q2 热媒油炉及管道表面的散热损失；

Q3 热媒油热量交换不完全的热损失；

Q4 热媒油循环流动的热损失；

Q5 热媒油炉间排风热损失。

式中

q1 热媒油炉有效利用热量占输入热量的百分数；

q2 热媒油炉及管道表面的散热损失热量占输入热量的百分数；

q3 热媒油热量交换不完全的热损失热量占输入热量的百分数；

q4 热媒油循环流动的热损失热量占输入热量的百分数；

q5 —热媒油炉间排风热损失热量占输入热量的百分数；

通过测定热媒油炉的各项热损失，以此来确定热媒油炉的热效率的反平衡效率。由式（2）可得到：

假设q3=0，q4=0，则有：

热媒油炉及管道表面的散热2损失（q2）的计算，根据牛顿冷却定律得到：

式中：a ——综合换热系数，W/(m2·K)；

H ——热媒油炉表面积，m2；

tw ——热媒油炉外壁温度，℃；

tk ——周围空气温度，℃；

ad ——对流换热系数，W/(m2·K) ；

af ——幅射换热系数，W/(m2·K) ；

根据以上公式计算，获得可改善的热媒油炉及管道表面的散热损失（q2），计算结果参见（附表1）。

通过对热媒油炉热能平衡测试，考察热媒油炉电加热器产生的热量有多少被有效利用, 有多少变为热损失，这些热损失又表现在哪些方面，从而找出引起热损失的原因，以便采取有效措施，使其达到节约能源的目的。为了改善热媒油炉及管道表面的散热损失（q2），采用新型保温材料，使加热炉、管道的整体热量损失得到很大的改善。（如下表2所示）：

表1 热媒油炉散热损失计算表

表2 新旧保温棉表面温度比较

原保温热量损失计算初步计算为143.4 W/（m2·k），新型材料保温后热量损失为93.6 W/（m2·k），1#车间储油罐、管道面积合计约36 m2，2#车间储油罐、管道面积合计约30㎡。通过表1热媒油炉散热损失计算表，计算得出每年可节约用电18000度电。

3.2 鼓气泵热回收节能

在PCB电镀线设备中经常会使用鼓气泵鼓气，进行药水的搅拌。鼓气泵功率通常为5.5～11 kW，鼓气泵近端排气管道表面温度有80 ℃，造成热能损失。经过建立鼓气泵热平衡模型分析，可以把鼓气泵排气管热能回收利用。具体方案是将鼓气泵排气管引入电镀水浴加热槽，设备热能有效得到回收利用，使电镀水浴加热槽回水管平均由35 ℃提升到55 ℃。实现热能回收，减少电加热能耗。

3.3 空气能热泵替代电加热

空气能热泵是运用制冷原理制热，国家制冷标准要求输入1000瓦最低输出制冷2800瓦。热泵在工作时，工质能在蒸发器中吸收环境介质贮存的能量，而启动系统需要消耗能量，即压缩机耗电，同时工质在冷凝器中释放到高温介质的热量；据热平衡的原理：

实际测试，空气能热泵不仅节能效果显著，较电加热节电50%左右（如附表3），而且杜绝了电加热管的安全隐患，使用更安全可靠。空气能热泵节能效果和安全性显著，可推广替代PCB设备多数电加热设备，从安全和节能方面都具有推广价值

表3 空气能热与电加热能耗对比表

4 实施效果

在以上工作的基础上根据公司未来的发展，对其热能设备进行全面的优化，使设备单位面积电耗较上年下降5% ，产生了可观的经济效益。开拓了节能改善空间，有力地促进了节能降耗持续改进工作的顺利开展。

5 结论

本项目针对PCB设备建立其热能利用过程的热平衡分析，它是实现科学用能，提高能源利用率和降低能源消耗的一项重要基础工作。因此，在PCB行业的设备节能管理中，可以应用热平衡分析，找出能源浪费的环节或部位，优化用能过程。实践表明，改造后节能效果显著，有较强的指导意义和可操作性。

[1]段光才,赵飞松. 加热炉热平衡测试及分析, 油气储运, 2005,24(6);50-52.

闵秀红，工程师，从事印制线路板生产设备能力提升及其维修管理工作。

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