路 艳
（合肥铜冠电子铜箔有限公司，安徽 合肥 230601）
在当前碳达峰、碳中和的大背景下，制造业如何在节能减排中做出应有的贡献，成为当前的热题。近年来信息产业技术及新能源发展迅猛，高性能铜箔作为重要的电子专用材料，在整个产业链中扮演着非常重要的角色。电子铜箔是我国信息产业重要的电子材料之一，随着信息产业的迅速发展，对电子铜箔的要求，无论是品质上还是数量上都有很大提高。2021 年我国电子电路铜箔产能40.52 万t，新增2.9 万吨产能，同比增长7.71%；
预计到2022 年，我国电子电路铜箔产能为50.57 万t，同比增长24.80%。在铜箔的生产制造过程中，洁净室控制过程中有需要降温和升温的步骤，在这一过程中不仅需要耗电降温还需蒸汽加热，不利于节能减排，不利于行业的碳达峰、碳中和目标的实现。本文从节能减排的角度出发，采用新型热管技术对传统的工艺进行改造，达到了一定的节能减排的目的，并对相关的具体数据进行了统计和计算。
1.1 热管工作原理
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的高效传热元件，它可以将大量热量通过其很小的截面积长距离地传输而无需外加动力。热管的基本工作原理如图1 所示。由图1 可知，热管以一种封闭的管子或筒体作为壳体，内表面嵌套有多孔毛细吸液芯，待壳体抽成真空后充入适量的可以发生相变的介质，密封壳体后即成热管。热管蒸发段受热时毛细吸液芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向凝结段放热并凝结成液体，液体再沿多孔材料靠重力作用流回蒸发段，如此循环不已[1]。
1.2 热管换热器
热管换热器属于冷热流体互不接触的表面式换热器，其最大特点是：结构简单、换热效率高，在传递相同热量的条件下，金属耗材少于其它类型的换热器；
压力损失亦比其他类型的换热器小，故动力损失也小。按冷热流体的状态，热管换热器可分为气－气式、气－液式、液－液式、液－气式，通常用于室内除湿的热管换热器为气－气式。
1.3 热管特点
1.3.1 无运动部件、传热效率高
热管本身工作原理是利用工作介质的相变进行传导能量，不需要外界动能的辅助，无动力消耗，因此较传统的热量传递效率高。具有关行业研究传递速度可达到音速。
1.3.2 结构简单、维修方便
热管换热器的热管元件，每一根都是密封的，而且可以独立安装，可根据换热的需要随意改变其数目，即使个别元件损坏也不影响其他元件的传热，而且可单独更换，维修极其方便，也不会造成冷、热流体的相互混合，可完全避免冷、热流体之间的相互泄漏与污染。
1.3.3 环境安全
热管中充装的为R-134a 工作介质，R-134a 是使用最广泛的中低温环保制冷剂。由于R-134a 属于HFC 类物质，是当前世界绝大多数国家认可并推荐使用的环保制冷剂，且整个工作过程全部在管道内，未直接接触外部环境，因此完全不破坏臭氧层，对环境安全可靠。
2.1 项目概况
电子铜箔是我国信息产业重要的电子材料之一，随着信息产业的迅速发展，对电子铜箔的要求，无论是品质上，还是数量上具有很大提高。本文以年产1万吨高精度电子铜箔生产为研究背景。
以电子铜箔生产工艺制造过程如下：
溶铜：将剪切的铜料、硫酸、纯水加入溶铜罐中，向罐内鼓入压缩空气并加热（控制温度为70 ℃，本项目采用蒸汽加热）条件下，使铜氧化生成氧化铜再与硫酸发生反应生成硫酸铜溶液。
生箔：送入生箔机的电解液在低压直流电的作用下，电解液中的铜离子不断移向阴极辊，并在其上取得二个电子后变成铜离子沉积在连续旋转的阴极辊的表面上形成铜箔。
表面处理：高端电子铜箔在生箔完成后，需要对其表面处理进行镀铜、镀镍、镀锌以及钝化处理。
成品：经表面处理后的铜箔送分切工序，根据客户的不同需求对铜箔进行最后加工，由专用分切机和切片机进行裁剪分切，通过质检合格后最后捆包、出厂。
铜箔生产车间根据工艺流程划分为溶铜车间、生箔车间、造液车间、表面处理车间、分切车间以及电力供应车间、通风工序等辅助设施。其中生箔车间、表面处理车间、分切车间由于品质管控要求，需要维持恒温恒湿的环境。以年产1 万吨铜箔产能为设计依据。各个车间空调机组配备数量、风量、温湿度要求见表1。
表1 各车间空调机组配置参数要求
2.2 工艺简介
铜箔生产工艺要求洁净室必须满足特定温湿度才能符合产品生产标准。目前通风空调系统采用的处理工艺为：新风→初效过滤→回风混合→中效过滤→除湿→中间段→风机→表热→高效过滤→送风段→洁净室→回风。如图2 所示为空调机组工艺流程。
图2 空调机组工艺流程图
除湿方式为冷冻除湿。具体工作如下：非常热及潮湿的空气通过初效过滤器进入中效过滤器进一步去除空气中的杂质，湿热的空气通过表冷器后，多余的水分被去除变为低温相对湿度高的冷空气，为了满足铜箔产品的工艺生产条件需要低温空气加热。综上所述，为了解决车间温湿度问题，一方面采用将室外空气降到露点温度分离空气中的水，另一方面通过再热过程进一步对空气除湿并提高空气的送风温度。由于产生冷热抵消的现象，造成能量的巨大浪费[2]。
为了降低除湿过程中的过冷和再热的能耗，将热管做成U 型的结构，夹在表冷器前后，利用热管的工作原理，可以对冷热量进行自动分配，有效解决冷热抵消问题，从而降低空调机组的制冷能耗和再加热的能耗。U 型除湿热管管内抽成高真空状态后充注适量的R134a，管内介质感应外界温差，高温侧工质蒸发汽化，将热量传递到低温侧释放热量后形成液态，同时依靠自身重力与毛细力作用将低温侧冷量携带到高温侧释放冷量，从而不断蒸发和冷凝，使能量不间断地进行传递，此过程不需要外界动能辅助，完全依靠工质自身相变进行能量传递。进入空调箱内的全新风或新风、回风混合后的高温高湿空气先经过表冷器前面的热管蒸发段进行预冷降温使之温度降低，相对湿度增大，然后再经过表冷器进行深度降温和除湿，由于除湿过程是一个降温过程，所以通过表冷后的空气温度过低，而需要升温处理后才能送风，所以再经过表冷器后面的热管冷凝段进行再热升温，使空气温度升高，相对湿度降低从而完成整个空气处理过程[3]。具体改造结构如下图3 所示。
图3 空调系统改造结构示意图
具体实施方式：新鲜的湿热空气经过初效和中效过滤器后，去除空气中颗粒物，经过热管的蒸发端湿热的空气得到预冷之后，再次进入表冷器去除空气的水分，经过热管的冷凝端此时空气得到预热，再次经过蒸汽调节到所需要的工艺条件。
以单台机组为例，简要分析热管技术节能经济性。生箔车间空调机组风量为42 000 m3/h，根据风机运行频率40 Hz（即风量33 600 m3/h）计算。单台42 000 m3/h每年节约蒸汽361 吨，费用95900 元，节省71608kW·h电量，费用48 693 元，理论总节约费用144 593 元，预计实际节约108 444 元。按照年产1 万吨铜箔项目计算，每年可实际节约节约蒸汽1 550 吨，费用410 750元；
电量306 891 kW·h，总计208 686 元，合计年可节约61 万元。（计算依据比热容计算公式Q=cm△t，空气比热1.01 kJ/（kg·℃）；
空气密度1.23 kg/m3；
市政蒸汽潜热2 164 kJ/kg），详见表2。
表2 2021 年4—10 月平均气温汇总
在铜箔的生产制造过程中，洁净室控制过程中有需要降温和升温的步骤，在这一过程中不仅需要耗电降温还需蒸汽加热，不利于节能减排，不利于行业的碳达峰、碳中和目标的实现。本文以热管技术为研究基础，通过研究热管技术工作原理及特点及在铜箔空调机组中的应用分析，证明了热管技术在铜箔通风系统应用既能减少电量使用又能减少蒸汽使用，具有可观的经济效益和环保效益。综上所述热管具有高传热性、结构简单、环境安全等特点，在空调机组节能利用方面不仅有较大的经济效益，还能减少二氧化碳排放，对改善环境质量发挥了重要作用，为早日实现铜箔行业碳达峰和碳中和贡献技术支持。
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