Тепловой расчет нагревающихся ванн

 

 

Определение расхода теплоты на разогрев ванны. Количество теплоты Q_раз необходимое для разогрева ванны, скла­дывается из расхода Q₁ на разогрев раствора, материала и футеровки ванны и расхода Q₂ на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду:

Q_раз = Q₁ + Q₂ / 2,                                  (4.23)

где Q₂ - тепловые потери при рабочей температуре за время разогрева ванны; принимается, что в процессе разогрева тепловые по­тери в 2 раза ниже. Величину Q₁ определяют как:

Q₁ = (V₁×c₁×r₁ + c₂×m₂ + c₃×m₃) ×(t_K – t_H),                (4.24)

где V₁, c₁, r₁ - соответственно объем, удельная массовая теплоемкость и плотность нагреваемого раствора;

     с₁ и с₂ – теплоемкость материалов корпуса ванны и футеровки (для стали - 500 Дж/(кг ·К); для пластиката - 1630 Дж/(кг ·К));

     m₂ и m₃ - массы корпуса ванны и футеровки;

      t_к и t_н - конечная и начальная температуры раствора.

Для разбавленных растворов (с общей концентрацией компонентов до 100 кг/м³) допустимо для ориентировочных расчетов принять плотность и теплоемкость воды 1000 кг/м³ и 4180 Дж/(кг ·К).

Q₃, а также и Q₄ определяем приб­лиженно путем перемножения величины теплоотдающей поверхности (кор­пуса ванны F_K или зеркала электролита F_з) на величину удельных по­терь теплоты q через стенки ванныили через зеркало электролита и на время разогрева ванны t_р:

Q₃ = q₃·F_K·t_р,                                   (4.25)

Q₄ = q₄·F₃·t_р.                                   (4.26)

 Величина удельных потерь теплоты q_з (Вт/м²) через стенки ванны в интервале температур t в ванне 40-100°С равна:

q₃ = b₀ + b₁·t                                    (4.27)

b₀, b₁ – коэффициенты по [13, табл. 4.2].

Удельные теплопотери q₄ (Вт/м²) через зеркало электролита в ин­тервале его температуры t=30-100 °С могут быть вычислены по эмпи­рическому уравнению:

q₄ = 82 + 0,0115·t³.                                 (4.28)

Ванна электрохими­ческого обезжиривания:

С_р-ра≈ 4180 Дж/кг·К, r_р-ра≈ 1000 кг/м³, габариты ванны 1,25×0,8×1 м, r_ф= 1,5 кг/см³, r_м.в.= 7,8 кг/см³, d= 0,04 дм, t_р= 7200 с.

V₁ = 1,25·0,8·(1 – 0,2)= 0,8 м³ = 800 л,

S_дна= 1,25·0,8 = 1 м² = 100 дм²,

S_бок= 1,25·1·0,2 + 0,8·1·0,2= 4,1 м² = 410 дм²,

S_ванны = 100 + 410 = 510 дм²,

V_м.в.= 510·0,04= 20,4 дм³, V_м.ф.= 510·0,04= 20,4 дм³,

m_м.в.= 20,4·7,8= 159,12 кг (сталь 3),

m_ф= 20,4·1,5= 30,6 кг (пластикат),

Q₁=(800·4180·1+500·159,12+1630·30,6)·(60–20)=138937,5 кДж,

q₃= -183,124 + 7,553·60 = 270 Вт/м²,

Q₃= 270·5,1·7200= 9916,4 кДж,

q₄= 82 + 0,0115·60³ = 2566 Вт/м²,

Q₄= 2566·1·7200= 18475,2 кДж,

Q₂= 9916,4 + 18475,2 = 28391,6 кДж,

Q_раз= 138937,5 + 28391,6 / 2 = 153133,3 кДж.

Определение расхода теплоты на поддержание рабочей температуры. Количество теплоты Q_раб необходимое для поддержания рабочей температуры в ванне химической обработки, складываетсяиз расхода теплоты Q₂ на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду и рас­хода теплоты Q₅ на нагрев приспособлений с деталями, периодически поступающих в ванну. Для ванн электрохимической обработки из суммы Q₂ и Q₅ следует вычесть величину Q₆ - количество теплоты, выделяю­щейся при прохождении через ванну электрического тока. Таким обра­зом,

Q_раб= Q₂ + Q₅ – Q₆,                                 (4.29)

Расчет величины Q_раб удобно вести на 1 час. В этом случае вели­чины Q₂, Q₅ и Q₆ могут быть вычислены по уравнениям:

Q₂ =3600·(q₃ ·F_к + q₄ ·F_з),                                (4.30)

Q₅= (с₄ ×m₄ + c₅×m₅) ×(t_K – t_H)·n_ез^час,                (4.31)

Q₆= I·(U–E_тепл)·t_т^час,                              (4.32)

где с₄ и с₅ - удельные теплоемкости материалов барабана (винипласт 1630 Дж/(кг·К)) и об­рабатываемых деталей (сталь 500 Дж/(кг·К));

m₄ и m₅ – массы барабана (10 кг) и обрабатываемых деталей одной единичной загрузки (25 кг);

 n_ез^час – количество загрузочных единиц, обрабатываемых в ванне за 1 час (определяем по циклограмме);

Е_тепл – тепловое напряжение разложения;

t_т^час – суммарное технологическое время обработки деталей в ванне в течение часа (определяем по цик­лограмме).

Тепловое напряжение разложения для взаимообратимых электрохими­ческих процессов (осаждение металла с растворимым анодом) равно 0; для прочих процессов величину Е_тепл можно вычислить из выражения:

Е_тепл ,                                     (4.33)

где DН - изменение энтальпии в электрохимическом процессе;

z – число электронов, участвующих в реакции;

F – число Фарадея.

Ванна электрохимического обезжиривания:

Q₅= (1630·10 + 500·25)·(60–20)·6= 6912 кДж,

Q₂= 21071,3 кДж (см. выше),

H₂O ® H₂ + ½ O₂,

DH= DH^об_воды – DH^об_водор. – DH^об_кисл.,

DH= - 285,58 –0 –0 = - 285,58 кДж/моль,

Е_тепл = 1,48 В,

t_т^час= 28/(28 +527)= 0,05 ч = 182 с,

Q₆= 718,88·(3,18 – 1,48)·182= 222 кДж,

Q_раб= 21071,3 + 6912 – 222= 27 761,3 кДж.

 

 

Расчёт змеевика.

 

 

Поверхность змеевика S_зм равна:

,                                   (4.34)

где к –теплопередачи от конденсирующегося пара к наг­реваемому водному раствору;

  Dt_ср - средний температурный напор;

  t_р - время разогрева ванны (7200 с).

Коэффициент к зависит от характера движения жидкости в ванне, тол­щины трубы змеевика, наличия на ней продуктов коррозии и загрязне­ний. В случае свободного движения электролита к=1000 Вт/м²·ч.

Средний температурный напор вычисляют как:

,                             (4.35)

где t^п_н и t_н - соответственно начальные температуры пара (130°С) и нагреваемого раствора (20°С):

  t^к_к и t_к - конечные температуры конденсата (110°С) и раствора (60°С).

 После расчета теплоотдающей поверхности змеевика S_зм можно расс­читать его длину L_зм, предварительно задавшись наружным диаметром трубы d=21·10^-3 м.

L_зм= S_зм/(p· d),                                    (4.36)

Расход пара в период разогрева составит:

m^п_раз= Q_раз/(I_п – I_конд),                              (4.37)

где I_п и I_конд - соответственно удельное теплосодержание (энталь­пия) греющего пара и конденсата (I_п =2726 кДж/кг; I_конд =546,8 кДж/кг). Аналогично часовой расход пара на поддержание рабочей температу­ры будет равен:

m^п_раб= Q_раб/(I_п – I_конд),                            (4.38)

=76,1 °С,

= 0,273 м²,

L_зм= 0,273/(3,14· 21·10^-3)= 4,14 м,

m^п_раз= 149473,2/(2726 – 546,8)= 68,6 кг/час,

m^п_раб= 27761,3/(2726 – 546,8)= 12,7 кг/час.