《單晶爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計(jì)算方法》

ICS

CCS

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CESAXXXX—202X

單晶爐熱平衡和熱效率及綜合能耗的計(jì)算

方法

Calculationmethodofthermalequilibrium,thermalefficiency

andcomprehensiveenergyconsumptionforsiliconsinglecrystalgrower

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202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

中國(guó)電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布

T/CESAXXXX—202X

單晶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)定了單晶爐熱平衡、熱效率和綜合能耗的計(jì)算方法。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于單晶硅棒生產(chǎn)工序的單晶爐熱平衡、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)

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。

基準(zhǔn)溫度與基準(zhǔn)壓力

以單晶爐車間內(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。

熱平衡測(cè)試范圍

以單晶爐爐體為邊界，即爐體外殼、進(jìn)氣口端口及真空管道排氣端口為邊界設(shè)定的熱平衡系統(tǒng)。

熱平衡測(cè)試工況和測(cè)試頻次

單晶爐至少正常運(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

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)。

熱平衡方框圖

4.2.1單晶爐的熱平衡如圖1所示。

1

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圖1熱平衡方框圖

注：

收入熱量（kJ）：

——入爐氣體帶入的顯熱；——入爐多晶硅原料帶入的——入爐加料管帶入的顯

顯熱；熱；

——電加熱的輸入熱量；——進(jìn)口冷卻水的顯熱。

支出熱量（kJ）：

——出爐氣體帶出的顯熱；——出爐單晶硅棒帶出的顯——出爐加料管帶出的顯

熱；熱；

——出口冷卻水的熱量。——壁面熱損失；——爐體孔口熱輻射

損耗。

4.2.2單晶爐體系的劃分，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。

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)備二次加料狀態(tài)開始，完成一個(gè)完整二次加料工藝后重新回到二次加料初始狀態(tài)的時(shí)間。

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、入爐多晶硅原料溫度、出爐硅單晶棒溫度、入

爐加料管溫度、出爐加料管溫度、進(jìn)口冷卻水溫度、出口冷卻水溫度、第i段爐體結(jié)構(gòu)外壁面

的溫度、環(huán)境溫度。

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。

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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）。

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、入爐多晶硅

原料質(zhì)量、出爐硅單晶棒質(zhì)量。

5物料平衡計(jì)算方法

物料平衡圖

見圖2。

圖2物料平衡圖

收入項(xiàng)

5.2.1入爐多晶硅原料質(zhì)量

單位為千克（kg）。

5.2.2入爐氣體質(zhì)量

單位為千克（kg），按公式（1）計(jì)算：

………………（1）

式中：

——時(shí)刻τ的進(jìn)口氣體質(zhì)量流量，單位為千克每秒（kg/s）；

——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）。

支出項(xiàng)

5.3.1出爐硅單晶棒質(zhì)量

單位為千克（kg）。

5.3.2氣體出爐質(zhì)量

單位為千克（kg），按公式（2）計(jì)算：

………………（2）

式中：

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——時(shí)刻τ的出口氣體質(zhì)量流量，單位為千克每秒（kg/s）；

——在線控制器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）。

物料平衡

………………（3）

式中：

——入爐多晶硅原料質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——入爐氣體質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——出爐硅單晶棒質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——出爐氣體質(zhì)量，單位為千克（kg）。

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。

熱收入

6.1.1入爐氣體帶入的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（4）計(jì)算：

……………（4）

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（kJ/（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（kJ/（kg·℃））；

——入爐氣體質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——入爐氣體溫度，單位為攝氏度（℃）；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.1.2入爐多晶硅原料帶入的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（5）計(jì)算：

…………（5）

式中：

——溫度對(duì)應(yīng)的入爐多晶硅原料比熱容（kJ/（kg·℃））；

——溫度對(duì)應(yīng)的入爐加料管比熱容（kJ/（kg·℃））；

——入爐多晶硅原料質(zhì)量，單位為千克（kg）；

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——入爐多晶硅原料溫度，單位為攝氏度（℃）；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.1.3入爐加料管帶入的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（6）計(jì)算：

…………（6）

式中：

——入爐加料管的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（kJ/（kg·℃））；

——入爐加料管的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（kJ/（kg·℃））；

——入爐加料管總質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——入爐加料管溫度，單位為攝氏度（℃）；

——旋板閥打開前加料管溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.1.4冷卻水帶入的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（7）計(jì)算：

………（7）

式中：

——在線控制器的數(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（℃）；

——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（kJ/（kg·℃））；

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

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.1.5電加熱的輸入熱量

單位為千焦（kJ），按公式（9）計(jì)算：

…………………（9）

——在線控制器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（）；

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

s

——加熱器數(shù)量。

τ

6.1.6總熱收入

N

單位為千焦（kJ），按公式（10）計(jì)算：

…………（10）

式中：

——入爐氣體帶入的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——入爐多晶硅原料帶入的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——入爐加料管帶入的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——電加熱的輸入熱量，單位為千焦（kJ）；

——進(jìn)口冷卻水的熱量，單位為千焦（kJ）。

熱支出

6.2.1出爐氣體帶出的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（11）計(jì)算：

……………（11）

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（kJ/（kg·℃））；

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——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（kJ/（kg·℃））；

——出爐氣體質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——出爐氣體溫度，單位為攝氏度（℃）；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.2.2出爐硅單晶棒帶出的顯熱

a)

單位為千焦（KJ），按公式（12）計(jì)算：

…………（12）

式中：

——出爐硅單晶棒的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（kJ/（kg·℃））；

——出爐硅單晶棒的平均比熱容（kJ/（kg·℃））；

——出爐硅單晶棒質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——出爐硅單晶棒溫度，單位為攝氏度（℃）；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.2.3出爐加料管帶出的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（13）計(jì)算：

…………（13）

式中：

——出爐加料管的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（kJ/（kg·℃））；

——加料管的總質(zhì)量，單位為千克（kg）；

——出爐加料管的溫度，單位為攝氏度（℃）；

——環(huán)境溫度下加料管的比熱容，單位為千焦每千克攝氏度（kJ/（kg·℃））；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.2.4冷卻水帶出的顯熱

單位為千焦（kJ），按公式（15）計(jì)算：

……………（14）

式中：

——在控制器的數(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（℃）；

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

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

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

6.2.5壁面熱損失

單位為千焦（kJ），按公式（16）計(jì)算：

……………（15）

式中：

——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）；

N——爐子外壁面分段數(shù)量，N值依據(jù)爐子外壁面的幾何形狀、表面溫度、表面黑度值合理選??；

——第i段爐體結(jié)構(gòu)外壁面的對(duì)流換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米攝氏度（W/（m2·℃））；

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——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的第i段爐體結(jié)構(gòu)外壁面的溫度，單位為攝氏度（℃）；

——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的第i段爐體結(jié)構(gòu)外壁面的溫度，單位為攝氏度（K）；

——第i段爐體結(jié)構(gòu)外壁面的面積，單位為平方米（m2）；

——第i段爐體結(jié)構(gòu)外壁面的黑度；

——黑體輻射常數(shù)；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（K）。

6.2.6爐體孔口熱輻射損耗

……………（16）

——在線控制器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，單位為秒（s）；

N——爐子孔口數(shù)量；

——黑體輻射常數(shù)；

——時(shí)刻對(duì)應(yīng)的第i個(gè)孔口內(nèi)部溫度，單位為攝氏度（K）；

——第i個(gè)孔口開口面積，單位為平方米（m2）；

——第i個(gè)孔口的遮蔽系數(shù)，孔口處有玻璃蓋板時(shí)，公式中值乘0.9，孔口處有鍍金玻璃蓋板

時(shí)，公式中值乘0.3，孔口處有金屬蓋板時(shí)，公式中用替換；

——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（K）。

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（kJ），按式（17）計(jì)算：

b)…………（17）

式中：

——出爐氣體帶出的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——出爐硅單晶棒帶出的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——出爐加料管帶出的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——出口冷卻水的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——壁面熱損失，單位為千焦（kJ）；

——爐體孔口熱輻射損耗，單位為千焦（kJ）。

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：

c)≤5%……………………（18）

式中：

——單晶爐的收入熱量，單位為千焦（kJ）；

6.2.8總熱支出

單位為千焦（kJ），按公式（19）計(jì)算：

…………………（19）

式中：

——出爐氣體帶出的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——出爐硅單晶棒帶出的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——出爐加料管帶出的顯熱，單位為千焦（kJ）；

——出口冷卻水的顯熱，單位為千焦（kJ）；

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——壁面熱損失，單位為千焦（kJ）；

——爐體孔口熱輻射損耗，單位為千焦（kJ）；

——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）。

熱平衡表

將單晶爐熱平衡各項(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

kJ%kJ%

入爐氣體帶出爐氣體帶

入的顯熱出的顯熱

入爐多晶硅出爐硅單晶

原料帶入的棒帶出的顯

顯熱熱

入爐加料管出爐加料管

帶入的顯熱帶出的顯熱

電加熱的輸