熱管技術在銅箔行業節能研究

路 艷

（合肥銅冠電子銅箔有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

在當前碳達峰、碳中和的大背景下，制造業如何在節能減排中做出應有的貢獻，成為當前的熱題。近年來信息產業技術及新能源發展迅猛，高性能銅箔作為重要的電子專用材料，在整個產業鏈中扮演著非常重要的角色。電子銅箔是我國信息產業重要的電子材料之一，隨著信息產業的迅速發展，對電子銅箔的要求，無論是品質上還是數量上都有很大提高。2021 年我國電子電路銅箔產能40.52 萬t，新增2.9 萬噸產能，同比增長7.71%；預計到2022 年，我國電子電路銅箔產能為50.57 萬t，同比增長24.80%。在銅箔的生產制造過程中，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，不利于節能減排，不利于行業的碳達峰、碳中和目標的實現。本文從節能減排的角度出發，采用新型熱管技術對傳統的工藝進行改造，達到了一定的節能減排的目的，并對相關的具體數據進行了統計和計算。

1 熱管技術簡介

1.1 熱管工作原理

熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現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距離地傳輸而無需外加動力。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，內表面嵌套有多孔毛細吸液芯，待殼體抽成真空后充入適量的可以發生相變的介質，密封殼體后即成熱管。熱管蒸發段受熱時毛細吸液芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向凝結段放熱并凝結成液體，液體再沿多孔材料靠重力作用流回蒸發段，如此循環不已[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，其最大特點是：結構簡單、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，故動力損失也小。按冷熱流體的狀態，熱管換熱器可分為氣－氣式、氣－液式、液－液式、液－氣式，通常用于室內除濕的熱管換熱器為氣－氣式。

1.3 熱管特點

1.3.1 無運動部件、傳熱效率高

熱管本身工作原理是利用工作介質的相變進行傳導能量，不需要外界動能的輔助，無動力消耗，因此較傳統的熱量傳遞效率高。具有關行業研究傳遞速度可達到音速。

1.3.2 結構簡單、維修方便

熱管換熱器的熱管元件，每一根都是密封的，而且可以獨立安裝，可根據換熱的需要隨意改變其數目，即使個別元件損壞也不影響其他元件的傳熱，而且可單獨更換，維修極其方便，也不會造成冷、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 環境安全

熱管中充裝的為R-134a 工作介質，R-134a 是使用最廣泛的中低溫環保制冷劑。由于R-134a 屬于HFC 類物質，是當前世界絕大多數國家認可并推薦使用的環保制冷劑，且整個工作過程全部在管道內，未直接接觸外部環境，因此完全不破壞臭氧層，對環境安全可靠。

2 應用背景

2.1 項目概況

電子銅箔是我國信息產業重要的電子材料之一，隨著信息產業的迅速發展，對電子銅箔的要求，無論是品質上，還是數量上具有很大提高。本文以年產1萬噸高精度電子銅箔生產為研究背景。

以電子銅箔生產工藝制造過程如下：

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

生箔：送入生箔機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，并在其上取得二個電子后變成銅離子沉積在連續旋轉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，需要對其表面處理進行鍍銅、鍍鎳、鍍鋅以及鈍化處理。

成品：經表面處理后的銅箔送分切工序，根據客戶的不同需求對銅箔進行最后加工，由專用分切機和切片機進行裁剪分切，通過質檢合格后最后捆包、出廠。

銅箔生產車間根據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車間、通風工序等輔助設施。其中生箔車間、表面處理車間、分切車間由于品質管控要求，需要維持恒溫恒濕的環境。以年產1 萬噸銅箔產能為設計依據。各個車間空調機組配備數量、風量、溫濕度要求見表1。

表1 各車間空調機組配置參數要求

2.2 工藝簡介

銅箔生產工藝要求潔凈室必須滿足特定溫濕度才能符合產品生產標準。目前通風空調系統采用的處理工藝為：新風→初效過濾→回風混合→中效過濾→除濕→中間段→風機→表熱→高效過濾→送風段→潔凈室→回風。如圖2 所示為空調機組工藝流程。

圖2 空調機組工藝流程圖

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入中效過濾器進一步去除空氣中的雜質，濕熱的空氣通過表冷器后，多余的水分被去除變為低溫相對濕度高的冷空氣，為了滿足銅箔產品的工藝生產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溫度分離空氣中的水，另一方面通過再熱過程進一步對空氣除濕并提高空氣的送風溫度。由于產生冷熱抵消的現象，造成能量的巨大浪費[2]。

3 熱管在空調機組應用

為了降低除濕過程中的過冷和再熱的能耗，將熱管做成U 型的結構，夾在表冷器前后，利用熱管的工作原理，可以對冷熱量進行自動分配，有效解決冷熱抵消問題，從而降低空調機組的制冷能耗和再加熱的能耗。U 型除濕熱管管內抽成高真空狀態后充注適量的R134a，管內介質感應外界溫差，高溫側工質蒸發汽化，將熱量傳遞到低溫側釋放熱量后形成液態，同時依靠自身重力與毛細力作用將低溫側冷量攜帶到高溫側釋放冷量，從而不斷蒸發和冷凝，使能量不間斷地進行傳遞，此過程不需要外界動能輔助，完全依靠工質自身相變進行能量傳遞。進入空調箱內的全新風或新風、回風混合后的高溫高濕空氣先經過表冷器前面的熱管蒸發段進行預冷降溫使之溫度降低，相對濕度增大，然后再經過表冷器進行深度降溫和除濕，由于除濕過程是一個降溫過程，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，所以再經過表冷器后面的熱管冷凝段進行再熱升溫，使空氣溫度升高，相對濕度降低從而完成整個空氣處理過程[3]。具體改造結構如下圖3 所示。

圖3 空調系統改造結構示意圖

具體實施方式：新鮮的濕熱空氣經過初效和中效過濾器后，去除空氣中顆粒物，經過熱管的蒸發端濕熱的空氣得到預冷之后，再次進入表冷器去除空氣的水分，經過熱管的冷凝端此時空氣得到預熱，再次經過蒸汽調節到所需要的工藝條件。

4 熱管節能分析

以單臺機組為例，簡要分析熱管技術節能經濟性。生箔車間空調機組風量為42 000 m3/h，根據風機運行頻率40 Hz（即風量33 600 m3/h）計算。單臺42 000 m3/h每年節約蒸汽361 噸，費用95900 元，節省71608kW·h電量，費用48 693 元，理論總節約費用144 593 元，預計實際節約108 444 元。按照年產1 萬噸銅箔項目計算，每年可實際節約節約蒸汽1 550 噸，費用410 750元；電量306 891 kW·h，總計208 686 元，合計年可節約61 萬元。（計算依據比熱容計算公式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 結語

在銅箔的生產制造過程中，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，不利于節能減排，不利于行業的碳達峰、碳中和目標的實現。本文以熱管技術為研究基礎，通過研究熱管技術工作原理及特點及在銅箔空調機組中的應用分析，證明了熱管技術在銅箔通風系統應用既能減少電量使用又能減少蒸汽使用，具有可觀的經濟效益和環保效益。綜上所述熱管具有高傳熱性、結構簡單、環境安全等特點，在空調機組節能利用方面不僅有較大的經濟效益，還能減少二氧化碳排放，對改善環境質量發揮了重要作用，為早日實現銅箔行業碳達峰和碳中和貢獻技術支持。