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利用蒸汽除脂清洁来降低能源消耗
作者:61ic    新闻来源:Internet    点击数:    更新时间:2014-7-12    

关键字:电子产品清洗  清洗工艺 

在产品的后加工领域,有四种常见的精密清洗方法:烃类、水溶性的、半水溶性和蒸汽除脂法。每种选择都有其长处及缺点,但水溶性与半水溶性清洗的最大问题之一是操作这些系统所花费的电力。

让我们直面现实:所有的能源成本在不断上升,电力也不例外。根据历史的发展来看,电力早已变得非常昂贵,而且还在继续上涨。产电量是另外一个问题:比如近来在得克萨斯州的寒冬产生了能源危机,那个时候由于产电量不足而实施的限电使企业饱受折磨。此外,燃烧碳氢燃料发电是全球气候变暖的一个关键因素。

蒸汽除脂可以大大减少公司用于清洗工艺的能源预算。

化学溶剂

仅仅过去了数十年的时间,业界走在前列的公司就已经开发出了新的具备商业化的、环境可接受的适用于蒸汽除脂的清洗剂。这意味着其发展速度、便利性和能源节约性已被证实,并到处可利用了。

与水溶性或碳氢类清洗不同,蒸汽除脂需要有独特特性的组合液体。理想的情况是,这些清洁剂应该不可燃、可与水混溶、具有低沸点和合适的卡里 - 丁醇值(KB)以及高密度、低的表面张力、低粘度、低比热和低的汽化潜热。对于杜邦、3M和其他供应商来说, 开发具有所有这些特性的液体并不容易。

这些特性当中有四种会影响到清洗性能。高密度、低表面张力和低粘度都能确保溶剂浸湿每一个表面,侵入(和流出)细小的隐蔽角落和孔穴。正如老话所说,如果不能浸湿就不可能清洁干净。

KB值测量的是流体的力,并确保溶剂有足够的“臂力”去溶解任何的污染物。到目前为止,一切良好。

然而, 它是低比热和低汽化潜热的挥发物,这是蒸汽除脂的能效显著高于其他技术的首要原因。

水基清洁的能效低下是源自于水本身的化学性质。水的固有特性使得它很难被利用,也很难在复杂表面上有效的被去除。相比之下,溶剂清洗来得更高效节能。

“比热”一词的定义是指一个单位质量的温度提高1摄氏度所需的热量。水的比热是非常高的,这就是为什么海洋有这样一个非常重要的的作用――稳定全球气温:它需要大量的能源来加热或冷却水。例如,水的比热是4.186焦耳/克° C,这比现代溶剂如nPB(丙基溴)溶剂或通用的杜邦HFC(氟化烃类)化学清洗溶剂高出四倍。

清洗之后,大部分清洁系统会使清洁液体从部件表面蒸发。一旦液体开始改变相态—— 也就是说,从液体转变成蒸汽——比热就不再适用了。这时,测量液体蒸发所需热量可使用的正确统计是“汽化潜热”。而这其中存在困难:它需要大量的热量来蒸发水分。

具体来说,要蒸发1磅的液体水需要970.4 BTU的热量。与此相反,同等重量的nPB只需要58.8 BTU,和通用的杜邦氟化烃溶剂相比仅为67.1 BTU/磅。这意味着跟蒸发同量的溶剂来比,水基清洗需要用更多的大约14倍的电力才能使一磅水蒸发。

水洗清洁的能源消费量

大多数水洗设备是水平设计的,使用吊笼或传送带将部件通过一系列的浸泡槽。一个典型的水洗体系有一个清洗槽和两至五个逆向流动水槽,喷淋水洗槽需要去离子水以2-5加仑/分钟的速度来冲洗。这些水洗系统通常比同样容积的蒸汽清洗系统大50-150%左右,仅仅是因为需要更多的水槽、更大的水泵、吹风机和过滤器等。这些机器通常使用大约每小时8-10千瓦的运作电力。大多数水洗系统还有3个甚至更多的超声水槽,就再需额外增加1-2千瓦的能源消耗。

水洗系统的清洗周期往往比蒸汽除脂系统要长。 20-40分钟的清洗周期并不少见。而蒸汽除脂系统的周期在5-12分钟之内,大大减少了能源成本以及库存在制品。

就像我们之前针对水的化学特性的讨论,去除部件上多余的水分是具有挑战性的。用加热的方式蒸发多余的水分是相对缓慢和昂贵的,所以最常见的干燥选择是“风刀”。一个典型的水洗系统很容易就在干燥阶段每小时消耗掉5千瓦,而且这一数字在更大的设备上可能会变成双倍,仅仅是因为用了更大的电机、风机和压缩机。最终,对于最后干燥,加热风刀往往是必要的 ——这显然又增加了能耗问题。

水的前处理和后处理系统也使用了大量的电力。在清洗工艺中,水被去除离子后通常是需要加热到140 - 160华氏度,这至少需要2~3千瓦的功率甚至更多,才能维持泵和设备的运作。在后道,假设系统一分钟内需要处理5加仑的废水,即使是最简单基本的污水处理系统,也还将需要3~5千瓦的功率。

最后一个要考虑的是待机耗电量。由于考虑到重新加热的成本以及时间延误,许多公司的水清洗机永远不会关闭电源。这些系统即使没有做清洁操作,每小时最低也要消耗掉2~5千瓦的电力。

这里有个详细的例子:一个具有中等产能的Branson 1620的水洗系统,费用大概在85000美元左右。它有四个槽体,长度几乎达到15英尺长,相当于蒸汽除脂设备的两倍长。启动时需消耗17千瓦,运作时需17千瓦。再加上任何一种超声波的使用以及加热温度到140° F,整个系统大概每小时将使用25千瓦。

水洗机也会散热到周边环境,这就增加了空调系统的负荷。Branson 1620水洗机在运作时,每小时大概会散发30万BTU的热量到空间,再加上近约15磅的水分(约为两加仑)到车间的空气中。而这些都需要暖通空调系统(HVAC)来去除。而蒸汽式除脂机使用新的低温溶剂,在这方面只会产生极其细微的影响。

(电子工程专辑)

用数据来验证

很显然,水的基本化学特性使水清洗会消耗更多的千瓦,因为清洁系统需要净化水、清洁部件、干燥部件,然后清洗后需重新处理水。与此相反,一些小的蒸汽除脂设备仅需在120V的电源下工作。

一个通用规则是,类似产能的机器, 任何一个水洗系统都将消耗掉10倍于蒸汽式清洗所需的能源。另一个根据两种清洗机器的规格所估计的测评数据显示,如果一个小型工厂从水洗系统改成蒸汽式除脂系统,每个月至少会节约$300的直接能源成本。

正如这些数字所显示的事实,许多公司发现其实际节省的成本更大。有一家在中西部地区的公司,是一个长期的水洗用户。切换到蒸汽清洗后它证实了这巨大的成本节约。当地的电力公司提供资助去支持100%购买新的清洗硬件。

但是,这仅仅是个开始。其他的成本节约,如更快的生产吞吐量、更好的良率和更低的缺陷,都促进了更大的收益率。

随着能源成本的上升,以及水资源的供给已成为全球关注的问题,高能效的溶剂清洁已成为另一关注点并极具战略意义。

Mike Jones是MicroCare公司的副总裁,该公司总部设在美国,专营精密清洗、涂料和润滑处理。他感谢John Hoffman协助完成本文。

(电子工程专辑)

边栏:蒸汽除脂的概念

如今许多年轻的工程师们从来没有见过蒸汽除脂机,因此再来回顾一下这种“闭环”技术还是值得的。图1举例说明了蒸汽除脂的方式。溶剂是装在底部一个沸腾罐(图1左下),在这里溶剂被加热到沸点——通常为100~170° F,取决于溶剂本身特性。任何沸腾的液体,都会产生产生一个清澈、密集的蒸汽,并上升到机器中。最终蒸汽上升到“主冷凝管”, 这些冷凝管将蒸汽冷却并重新凝结成液体状态。

冷凝液体会落入机器内部四壁的导流槽。在这里会经过水分分离器并定向回到漂洗罐。由于漂洗罐内早已充满了清洁剂,这些新蒸馏的干净的溶剂就会溢流进沸腾罐,这就完成了一个蒸馏周期。

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