《擴散爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計算方法（征求意見稿）》

ICS13.020.01

Z04

備案號：SJ

中華人民共和國電子行業(yè)標準

SJ/TXXXXX—202X

擴散爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計算

方法

Calculationmethodofthermalequilibrium,thermalefficiency

andcomprehensiveenergyconsumptionfordiffusionfurnace

（征求意見稿）

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布

SJ/TXXXXX-202X

目??次

前言............................................................................................................................................................錯誤！未定義書簽。

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

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

3熱平衡測試與計算基準..........................................................................................................................................................1

4測定項目及測定方法..............................................................................................................................................................1

5物料平衡計算方法..................................................................................................................................................................3

6熱平衡計算方法......................................................................................................................................................................4

7熱效率計算方法.................................................................................................................................錯誤！未定義書簽。2

8綜合能耗計算方法................................................................................................................................................................12

II

SJ/TXXXXX—202X

擴散爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計算方法

1范圍

本標準規(guī)定了擴散爐熱平衡、熱效率和綜合能耗的計算方法。

本標準適用于半導體生產(chǎn)線前工序的擴散爐熱平衡、熱效率及綜合能耗的計算。對于其它類型的電阻爐熱平衡、

熱效率及綜合能耗的計算可參照采用本標準。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。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綜合能耗計算通則

3熱平衡測試與計算基準

3.1物料平衡和熱平衡計算單位

物料平衡、熱平衡的計算單位分別為kg、kJ。

3.2基準溫度與基準壓力

以擴散爐車間內(nèi)的環(huán)境平均溫度為基準溫度。

基準壓力為1個標準大氣壓，即101325Pa。

3.3熱平衡測試范圍

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

3.4熱平衡測試工況和測試頻次

擴散爐至少正常運行一個生產(chǎn)周期后方可進行測試，每次測試要覆蓋一個完整的生產(chǎn)周期，且測試次數(shù)不低于

2次。

4測定項目及測定方法

4.1測定前的準備

4.1.1準備好測定用儀表；進行必要的校正，使之達到規(guī)定的精度。

4.1.2布置測量點，開設(shè)測量孔，安裝測量儀表，進行單項檢測。

4.2熱平衡方框圖

4.2.1擴散爐的熱平衡如圖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

——舟入爐時爐體的蓄熱量；——電加熱的輸入熱量；——進口冷卻水的熱量。

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擴散爐體系的劃分，以爐體外殼和端口為界，氣體以離爐體進出口最近的測點為界。

4.3測定時間

在生產(chǎn)穩(wěn)定的條件下，總連續(xù)測定時間不少于一個生產(chǎn)周期。

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

4.4測定項目

測定項目包括溫度、氣體成分、電加熱功率、質(zhì)量。

溫度項目：進口氣體溫度、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)量濃度項目：進口氣體組分及每個組分氣體對應的質(zhì)量濃度、出口氣體成分及每個組分氣體對

應的質(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)量測定項目：進口氣體質(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

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）計算：

………………（）

mgtmgt1

式中：

——時刻的進口氣體質(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)采集時間間隔，單位為秒（s）。

5.3支出項

3

SJ/TXXXXX-202X

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）計算：

………………（）

mgtmgt2

式中：

——時刻的出口氣體質(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熱平衡計算方法

根據(jù)試驗測得的氣體組分及每個組分氣體對應的質(zhì)量濃度，計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）計算：

……………（）

QgcgmgTgcg0mgTa4

式中：

——溫度對應的入爐氣體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cgTgkJ/kg

——溫度對應的入爐氣體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cg0TakJ/kg

4

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——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）計算：

…………（）

QscsmsTscs0msTa5

式中：

——溫度對應的入爐電池片比熱容（（·℃））；

csTskJ/kg

——溫度對應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）計算：

………（）

QwtcwTwcw0Tamwt7

式中：

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

——入口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tw

——入口冷卻水溫度對應的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cwTwkJ/kg

——時刻對應的冷卻水質(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舟入爐時爐體的蓄熱量

Qu

單位為千焦（kJ），按公式（8）計算：

N

………………（）

Qumc1cc1Tc1cc1aTamc2cc2Tc2cc2aTamuicuiTuicuTa8

i1

式中：

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

cc1cc2kJ/kg

、——環(huán)境溫度對應的爐體兩側(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

、——測試試驗開始時爐體兩側(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

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

cuiikJ/kg

——測試試驗開始時，爐體軸向第段的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tuii

——環(huán)境溫度對應的爐體比熱容，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

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單位為千焦（kJ），按公式（9）計算：

N

………………（）

QetPeit9

i1

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

——時刻對應的第段電加熱功率，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）計算：

……………（）

QgcgmgTgcg0mgTa11

式中：

——溫度對應的出爐氣體比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cgTgkJ/kg

——溫度對應出爐氣體的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（（·℃））；

cg0TakJ/kg

7

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——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舟出爐時爐體的蓄熱量

Qu

8

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單位為千焦（kJ），按公式（14）計算：

N

………………（）

Qumc1cc1Tc1cc1aTamc2cc2Tc2cc2aTamuicuiTuicuTa14

i1

式中：

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

cc1cc2kJ/kg

、——環(huán)境溫度對應的爐體兩側(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

、——測試結(jié)束時爐體兩側(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

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

cuiikJ/kg

——測試結(jié)束時，爐體軸向第段的溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tuii

——環(huán)境溫度對應的爐體比熱容，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）計算：

……………（）

QwtcwTwcw0Tamwt15

式中：

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

——出口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tw

——冷卻水溫度對應的比熱容，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

——時刻對應的冷卻水質(zhì)量流量，單位為千克每秒（）；。

mwttkg/s

6.2.6壁面熱損失

Ql

9

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單位為千焦（kJ），按公式（16）計算：

tN1d1d1

23…………

Qwhc1Ac1Tc1tTahc2Ac2Tc2tTaTlitTa/lnln

1000i121d122d2hlAli

…（16）

式中：

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

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

hc1hc2W/m

、——時刻對應的側(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；

——時刻對應的軸向第段內(nèi)壁面溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tlitti

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

12W/

（m·℃））；

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

d1d2d3

單位為米（m）；

——擴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

熱平衡各項收入熱量總和與已測各項支出熱量總和之差即為差值Q（kJ），按式（17）計算：

…………（）

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

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

Q

≤5%……………………（18）

Qin

式中：

——擴散爐的收入熱量，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——熱平衡各項收入熱量總和與已測各項支出熱量總和之差即為差值，單位為千焦（kJ）。

6.3熱平衡表

將擴散爐熱平衡各項收、支項熱量的計算結(jié)果列入表1中。

表1熱平衡表

收入支出

熱量熱量

符號項目符號項目