《擴(kuò)散爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計(jì)算方法（征求意見稿）》

ICS13.020.01

Z04

備案號(hào)：SJ

中華人民共和國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

SJ/TXXXXX—202X

擴(kuò)散爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計(jì)算

方法

Calculationmethodofthermalequilibrium,thermalefficiency

andcomprehensiveenergyconsumptionfordiffusionfurnace

（征求意見稿）

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布

SJ/TXXXXX-202X

目??次

前言............................................................................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

1范圍..........................................................................................................................................................................................1

2規(guī)范性引用文件......................................................................................................................................................................1

3熱平衡測(cè)試與計(jì)算基準(zhǔn)..........................................................................................................................................................1

4測(cè)定項(xiàng)目及測(cè)定方法..............................................................................................................................................................1

5物料平衡計(jì)算方法..................................................................................................................................................................3

6熱平衡計(jì)算方法......................................................................................................................................................................4

7熱效率計(jì)算方法.................................................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。2

8綜合能耗計(jì)算方法................................................................................................................................................................12

II

SJ/TXXXXX—202X

擴(kuò)散爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計(jì)算方法

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了擴(kuò)散爐熱平衡、熱效率和綜合能耗的計(jì)算方法。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于半導(dǎo)體生產(chǎn)線前工序的擴(kuò)散爐熱平衡、熱效率及綜合能耗的計(jì)算。對(duì)于其它類型的電阻爐熱平衡、

熱效率及綜合能耗的計(jì)算可參照采用本標(biāo)準(zhǔn)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不

注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T2589綜合能耗計(jì)算通則

3熱平衡測(cè)試與計(jì)算基準(zhǔn)

3.1物料平衡和熱平衡計(jì)算單位

物料平衡、熱平衡的計(jì)算單位分別為kg、kJ。

3.2基準(zhǔn)溫度與基準(zhǔn)壓力

以擴(kuò)散爐車間內(nèi)的環(huán)境平均溫度為基準(zhǔn)溫度。

基準(zhǔn)壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa。

3.3熱平衡測(cè)試范圍

以擴(kuò)散爐爐體為邊界，即爐體外殼及兩端口為邊界設(shè)定的熱平衡系統(tǒng)。

3.4熱平衡測(cè)試工況和測(cè)試頻次

擴(kuò)散爐至少正常運(yùn)行一個(gè)生產(chǎn)周期后方可進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試要覆蓋一個(gè)完整的生產(chǎn)周期，且測(cè)試次數(shù)不低于

2次。

4測(cè)定項(xiàng)目及測(cè)定方法

4.1測(cè)定前的準(zhǔn)備

4.1.1準(zhǔn)備好測(cè)定用儀表；進(jìn)行必要的校正，使之達(dá)到規(guī)定的精度。

4.1.2布置測(cè)量點(diǎn)，開設(shè)測(cè)量孔，安裝測(cè)量?jī)x表，進(jìn)行單項(xiàng)檢測(cè)。

4.2熱平衡方框圖

4.2.1擴(kuò)散爐的熱平衡如圖1所示。

1

SJ/TXXXXX-202X

注：

收入熱量（kJ）：

——入爐氣體帶入的熱量；——入爐電池片帶入的熱量；——入爐舟帶入的熱量；

QgQsQb

——舟入爐時(shí)爐體的蓄熱量；——電加熱的輸入熱量；——進(jìn)口冷卻水的熱量。

QuQeQw

支出熱量（kJ）：

——出爐氣體帶出的熱量；——出爐光伏片帶出的熱量；——出爐舟帶出的熱量；

QgQsQb

——舟出爐時(shí)爐體的蓄熱量；——爐體向環(huán)境的散熱量；——出口冷卻水的熱量。

QuQlQw

圖1熱平衡方框圖

4.2.2擴(kuò)散爐體系的劃分，以爐體外殼和端口為界，氣體以離爐體進(jìn)出口最近的測(cè)點(diǎn)為界。

4.3測(cè)定時(shí)間

在生產(chǎn)穩(wěn)定的條件下，總連續(xù)測(cè)定時(shí)間不少于一個(gè)生產(chǎn)周期。

注：生產(chǎn)周期是指從設(shè)備IDLE狀態(tài)開始，完成一個(gè)完整的熱處理工藝后重新回到IDLE狀態(tài)的時(shí)間。

4.4測(cè)定項(xiàng)目

測(cè)定項(xiàng)目包括溫度、氣體成分、電加熱功率、質(zhì)量。

溫度項(xiàng)目：進(jìn)口氣體溫度、出口氣體溫度、入爐硅片溫度、出爐硅片溫度、入爐舟溫度、出爐

TgTgTsTsTb

舟溫度、進(jìn)口冷卻水溫度、出口冷卻水溫度'、爐體軸向內(nèi)壁面溫度（爐體沿軸向分幾段，每段采用的電

TbTwTwTli

加熱功率不同，代表第段電加熱）、爐體側(cè)壁面溫度和、環(huán)境溫度。

iiTc1Tc2Ta

2

SJ/TXXXXX—202X

氣體成分及其質(zhì)量濃度項(xiàng)目：進(jìn)口氣體組分及每個(gè)組分氣體對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度、出口氣體成分及每個(gè)組分氣體對(duì)

應(yīng)的質(zhì)量濃度。

電加熱功率：電加熱功率（爐體沿軸向分段加熱，代表第段電加熱的功率）。

Peiii

質(zhì)量測(cè)定項(xiàng)目：進(jìn)口氣體質(zhì)量流量、出口氣體質(zhì)量流量、冷卻水質(zhì)量流量、入爐硅片質(zhì)量、出

mgmgmwms

爐光伏片質(zhì)量。

ms

5物料平衡計(jì)算方法

5.1物料平衡圖

見圖2。

圖2物料平衡圖

5.2收入項(xiàng)

5.2.1入爐電池片質(zhì)量

ms

單位為千克（kg）。

5.2.2入爐氣體質(zhì)量

mg

單位為千克（kg），按公式（1）計(jì)算：

………………（）

mgtmgt1

式中：

——時(shí)刻的進(jìn)口氣體質(zhì)量流量，單位為千克每秒（）；

mgttkg/s

t——在線數(shù)據(jù)采集儀器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）。

5.3支出項(xiàng)

3

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5.3.1出爐光伏片質(zhì)量'

ms

單位為千克（kg）。

5.3.2氣體出爐質(zhì)量

mg

單位為千克（kg），按公式（2）計(jì)算：

………………（）

mgtmgt2

式中：

——時(shí)刻的出口氣體質(zhì)量流量，單位為千克每秒（）；

mgttkg/s

t——在線數(shù)據(jù)采集儀器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）。

5.4物料平衡

''………………（）

msmgmsmg3

式中：

——入爐電池片質(zhì)量，單位為千克（）；

mskg

——入爐氣體質(zhì)量，單位為千克（）；

mgkg

——出爐光伏片質(zhì)量，單位為千克（）；

mskg

——出爐氣體質(zhì)量，單位為千克（）。

mgkg

6熱平衡計(jì)算方法

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的氣體組分及每個(gè)組分氣體對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度，計(jì)算氣體的平均比熱容。

6.1熱收入

6.1.1入爐氣體帶入的熱量

單位為千焦（kJ），按公式（4）計(jì)算：

……………（）

QgcgmgTgcg0mgTa4

式中：

——溫度對(duì)應(yīng)的入爐氣體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cgTgkJ/kg

——溫度對(duì)應(yīng)的入爐氣體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cg0TakJ/kg

4

SJ/TXXXXX—202X

——入爐氣體質(zhì)量，單位為千克（）；

mgkg

——入爐氣體溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tg

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.1.2入爐電池片帶入的顯熱

Qs

單位為千焦（kJ），按公式（5）計(jì)算：

…………（）

QscsmsTscs0msTa5

式中：

——溫度對(duì)應(yīng)的入爐電池片比熱容（（·℃））；

csTskJ/kg

——溫度對(duì)應(yīng)的入爐電池片比熱容（（·℃））；

cs0TakJ/kg

——入爐電池片質(zhì)量，單位為千克（）；

mskg

——入爐電池片溫度，單位為攝氏度（℃）；

Ts

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.1.3入爐舟帶入的顯熱

Qb

單位為千焦（kJ），按公式（6）計(jì)算：

…………（）

QbcbmbTbcb0mbTa6

式中：

——入爐舟的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cbkJ/kg

——入爐舟的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cb0kJ/kg

——入爐舟質(zhì)量，單位為千克（）；

mbkg

——入爐舟溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tb

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.1.4冷卻水帶入的顯熱

Qw

5

SJ/TXXXXX-202X

單位為千焦（kJ），按公式（7）計(jì)算：

………（）

QwtcwTwcw0Tamwt7

式中：

t——在線數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）；

——入口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tw

——入口冷卻水溫度對(duì)應(yīng)的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cwTwkJ/kg

——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的冷卻水質(zhì)量流量，單位為千克每秒（）；

mwttkg/s

——環(huán)境溫度下，冷卻水的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cw0kJ/kg

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.1.5舟入爐時(shí)爐體的蓄熱量

Qu

單位為千焦（kJ），按公式（8）計(jì)算：

N

………………（）

Qumc1cc1Tc1cc1aTamc2cc2Tc2cc2aTamuicuiTuicuTa8

i1

式中：

、——測(cè)試試驗(yàn)開始時(shí)爐體兩側(cè)壁的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cc1cc2kJ/kg

、——環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的爐體兩側(cè)壁的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cc1acc2aTakJ/kg

、——爐體兩側(cè)壁的質(zhì)量，單位為千克（）；

mc1mc2kg

、——測(cè)試試驗(yàn)開始時(shí)爐體兩側(cè)壁的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tc1Tc2

N——爐體沿軸向加熱區(qū)數(shù)量，此數(shù)量根據(jù)電加熱分布數(shù)量確定；

——爐體軸向第段的質(zhì)量，單位為千克（）；

muiikg

——測(cè)試試驗(yàn)開始時(shí)，爐體軸向第段的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cuiikJ/kg

——測(cè)試試驗(yàn)開始時(shí)，爐體軸向第段的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tuii

——環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的爐體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））。

cuTakJ/kg

6.1.6電加熱的輸入熱量

Qe

6

SJ/TXXXXX—202X

單位為千焦（kJ），按公式（9）計(jì)算：

N

………………（）

QetPeit9

i1

t——在線數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）；

——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的第段電加熱功率，單位為千瓦（）；

PeittikW

N——爐體沿軸向分段數(shù)量，此數(shù)量根據(jù)電加熱分布數(shù)量確定；。

6.1.7總熱收入

Qin

單位為千焦（kJ），按公式（10）計(jì)算：

…………（）

QinQgQsQbQuQeQw10

式中：

——入爐氣體帶入的熱量，單位為千焦（）；

QgkJ

——入爐電池片帶入的熱量，單位為千焦（）；

QskJ

——入爐舟帶入的熱量，單位為千焦（）；

QbkJ

——舟入爐時(shí)爐體的蓄熱量，單位為千焦（）；

QukJ

——電加熱的輸入熱量，單位為千焦（）；

QekJ

——進(jìn)口冷卻水的熱量，單位為千焦（）。

QwkJ

6.2熱支出

6.2.1出爐氣體帶出的熱量

Qg

單位為千焦（kJ），按公式（11）計(jì)算：

……………（）

QgcgmgTgcg0mgTa11

式中：

——溫度對(duì)應(yīng)的出爐氣體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cgTgkJ/kg

——溫度對(duì)應(yīng)出爐氣體的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cg0TakJ/kg

7

SJ/TXXXXX-202X

——出爐氣體質(zhì)量，單位為千克（）；

mgkg

——出爐氣體溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tg

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.2.2出爐光伏片帶出的顯熱

Qs

單位為千焦（KJ），按公式（12）計(jì)算：

…………（）

QscsmsTscsmsTa12

式中：

——出爐光伏片的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cskJ/kg

——出爐光伏片的平均比熱容（（·℃））；

cs0kJ/kg

——出爐光伏片質(zhì)量，單位為千克（）；

mskg

——出爐光伏片溫度，單位為攝氏度（℃）；

Ts

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.2.3出爐舟帶出的顯熱

Qb

單位為千焦（kJ），按公式（13）計(jì)算：

…………（）

QbcbmbTbcb0mbTa13

式中：

——出爐舟的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cbkJ/kg

——舟的質(zhì)量，單位為千克（）；

mbkg

——出爐舟的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tb

——環(huán)境溫度下舟的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cb0kJ/kg

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.2.4舟出爐時(shí)爐體的蓄熱量

Qu

8

SJ/TXXXXX—202X

單位為千焦（kJ），按公式（14）計(jì)算：

N

………………（）

Qumc1cc1Tc1cc1aTamc2cc2Tc2cc2aTamuicuiTuicuTa14

i1

式中：

、——測(cè)試結(jié)束時(shí)爐體兩側(cè)壁的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cc1cc2kJ/kg

、——環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的爐體兩側(cè)壁的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cc1acc2aTakJ/kg

、——爐體兩側(cè)壁的質(zhì)量，單位為千克（）；

mc1mc2kg

、——測(cè)試結(jié)束時(shí)爐體兩側(cè)壁的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tc1Tc2

N——爐體沿軸向分段數(shù)量，此數(shù)量根據(jù)電加熱分布數(shù)量確定；

——爐體軸向第段的質(zhì)量，單位為千克（）；

muiikg

——測(cè)試結(jié)束時(shí)，爐體軸向第段的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cuiikJ/kg

——測(cè)試結(jié)束時(shí)，爐體軸向第段的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tuii

——環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的爐體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cuTakJ/kg

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.2.5冷卻水帶出的顯熱

Qw

單位為千焦（kJ），按公式（15）計(jì)算：

……………（）

QwtcwTwcw0Tamwt15

式中：

t——在線數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）；

——出口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tw

——冷卻水溫度對(duì)應(yīng)的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cwTwkJ/kg

——環(huán)境溫度下冷卻水的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cw0TakJ/kg

——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的冷卻水質(zhì)量流量，單位為千克每秒（）；。

mwttkg/s

6.2.6壁面熱損失

Ql

9

SJ/TXXXXX-202X

單位為千焦（kJ），按公式（16）計(jì)算：

tN1d1d1

23…………

Qwhc1Ac1Tc1tTahc2Ac2Tc2tTaTlitTa/lnln

1000i121d122d2hlAli

…（16）

式中：

t——在線數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）；

、——兩側(cè)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米攝氏度（（2·℃））；

hc1hc2W/m

、——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的側(cè)壁面溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tc1tTc2tt

、——側(cè)壁面的面積，單位為平方米（2）；

Ac1Ac2m

N——爐體沿軸向分段數(shù)量，此數(shù)量根據(jù)電加熱分布數(shù)量確定；

——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的軸向第段內(nèi)壁面溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tlitti

、——分別為擴(kuò)散爐本體的導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散爐本體外保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為瓦每平方米攝氏度（

12W/

（m·℃））；

、、——分別為擴(kuò)散爐徑向內(nèi)壁面直徑、擴(kuò)散爐本體徑向外壁面直徑、擴(kuò)散爐保溫層外壁面直徑，

d1d2d3

單位為米（m）；

——擴(kuò)散爐軸向第段的外壁面面積，單位為平方米（2）；

Aliim

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

Ta

6.2.7熱平衡的確定

熱平衡各項(xiàng)收入熱量總和與已測(cè)各項(xiàng)支出熱量總和之差即為差值Q（kJ），按式（17）計(jì)算：

…………（）

QQinQgQsQbQuQlQw17

式中：

——出爐氣體帶出的熱量，單位為千焦（）；

QgkJ

——出爐光伏片帶出的熱量，單位為千焦（）；

QskJ

——出爐舟帶出的熱量，單位為千焦（）；

QbkJ

——舟出爐時(shí)爐體的蓄熱量，單位為千焦（）；

QukJ

10

SJ/TXXXXX—202X

——壁面向環(huán)境的散熱量，單位為千焦（）；

QlkJ

——出口冷卻水的熱量，單位為千焦（）。

QwkJ

差值包括未測(cè)出的支出熱量及誤差。熱平衡允許相對(duì)誤差值為±5%以內(nèi)，按式（18）計(jì)算：

Q

≤5%……………………（18）

Qin

式中：

——擴(kuò)散爐的收入熱量，單位為千焦（）；

QinkJ

6.2.8總熱支出

Qout

單位為千焦（kJ），按公式（19）計(jì)算：

…………………（）

QoutQgQsQbQuQlQwQ19

式中：

——出爐氣體帶出的熱量，單位為千焦（）；

QgkJ

——出爐光伏片帶出的熱量，單位為千焦（）；

QskJ

——出爐舟帶出的熱量，單位為千焦（）；

QbkJ

——舟出爐時(shí)爐體的蓄熱量，單位為千焦（）；

QukJ

——壁面向環(huán)境的散熱量，單位為千焦（）；

QlkJ

——出口冷卻水的熱量，單位為千焦（）；

QwkJ

Q——熱平衡各項(xiàng)收入熱量總和與已測(cè)各項(xiàng)支出熱量總和之差即為差值，單位為千焦（kJ）。

6.3熱平衡表

將擴(kuò)散爐熱平衡各項(xiàng)收、支項(xiàng)熱量的計(jì)算結(jié)果列入表1中。

表1熱平衡表

收入支出

熱量熱量

符號(hào)項(xiàng)目符號(hào)項(xiàng)目