Тепловые расчеты ванны обезжиривания

Определение расхода тепла на разогрев ванны

 

Количество тепла , необходимое для разогрева ванны, складывается из расхода тепла на разогрев раствора, материала ванны  и расхода тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду Q₂ [8, с. 613]:

 

 

Расход тепла  на разогрев раствора и материала ванны [8, с. 613]:

где V - объем раствора в ванне 1,833 ;

ρ - плотность электролита химического обезжиривания, 1,08 кг/м³ [3, с. 33];

 − удельная массовая теплоемкость электролита, 4186,8 Дж/кг·К [3, с. 33];

 − удельная массовая теплоемкость стального корпуса ванны, 481,5 Дж/(кг·К) [16, с. 29];

− масса корпуса ванны химического обезжиривания 1014 кг, рассчитывается исходя из того, что ванна изготовлена из стали (плотность железа равна 7800 кг/м³), и толщина стенок составляет 8 мм = 0,008 м [5, с. 9];

− конечная температура электролита химического обезжиривания 60 ºС;

− начальная температура электролита, которая соответствует температуре цеха и составляет 25 ºС.

Расход тепла Q на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду

Q складывается из потерь тепла q₁ (кДж) нагретой жидкости через стенки и потерь тепла q₂ (кДж) на испарение жидкости с открытой поверхности, рассчитывается по формуле 1.49.

Расчет потерь тепла через стенки ванны

Потери тепла через стенки ванны рассчитывают по формуле:

 

 

где q − потери тепла через стенки ванны, Дж;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

F - поверхность корпуса ванны, .

Наружные размеры ванны химического обезжиривания в м² составляют 2,0×1,0×1,4. Площадь двух боковых стенок по длине и высоте равна
(2,0 · 1,4) · 2 = 5,6 м²; площадь двух боковых стенок по ширине и высоте равна (1,0 · 1,4) · 2 = 2,8 м²; площадь днища ванны равна 2.0 · 1,0 = 2,0 м². Итак поверхность корпуса ванны составляет 5,6 + 2,8 + 2,0 = 10,4 м².

Коэффициент теплопередачи κ определяют по формуле:

 

 

где α₁ - коэффициент теплопередачи от горячей жидкости к стенке ванны, Вт/ (м²·К);

α₂ - коэффициент теплопередачи от стенки к воздуху, Вт/ (м²·К);

δ - толщина стенки, м;

λ - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·К).

Величина δ/λ представляет собой суммарное термосопротивление слоев стенки.

Критерии Грасгофа Gr и Прандтля Pr определяют по формуле:

 

,

 

где β - температурный коэффициент объемного расширения электролита, принимаем 5,8·10^-4· К^-1 [10, с. 532];

l - внутренняя высота стенки ванны, 1,25 м;

g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с²;

Δt = (t_к - t_ст) - разность температуры электролита и температуры стенки со стороны электролита, т.е. температурный напор, принимаем 3 ºС;

с_р - удельная массовая теплоемкость электролита, Дж/(кг·К);

λ - коэффициент теплопроводности электролита, Вт/(м·К);

∂ - кинематическая вязкость электролита, м².

 

,

 

где  - плотность электролита обезжиривания, кг/м³;

 - динамический коэффициент вязкости, принимаем для NaOH при 3 ⁰С - 1,15·10^-3 Па·с [10, с. 514].

Кинематическую вязкость электролита химического обезжиривания рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопроводности электролита при 30 ˚С рассчитываем по формуле, при 70 ˚С по формуле 1.55.

При отсутствии экспериментальных данных коэффициент теплопроводности электролита  может быть рассчитан [10, с. 150]:

 

 

где А - коэффициент, зависящий от степени ассоциации раствора (для воды А = 3,58∙10 );

− удельная теплоемкость раствора, Дж/(кг·К);

 − плотность раствора, кг/м³;

Процентное содержание NaOHсоставляет1%.

Мольная доля NaOH в растворе:

где 40 - это молекулярная масса NaOH;

- это молекулярная масса Н О.

Мольная масса электролита химического обезжиривания составит:

.

Рассчитываем критерии:

Так как 20,756·10¹⁰ > 2·10⁷, то расчет α₁ ведем по формуле:

Коэффициент теплопередачи α₂ от стенки корпуса ванны к воздуху складывается из коэффициента теплопередач конвекцией α_к и коэффициента теплопередачи лучеиспусканием α_λ [8, с. 614]:

 

α₂ = α_к + α_λ

 

Коэффициент теплопередачи α₂ может быть рассчитан по формуле [16, с. 27]:

α₂ = 9,3 + 0,06 · t_ст, Вт/м²·К,

где t_ст - температура наружной поверхности стенки, принимаем 38°С.

α₂ = 9,3 + 0,06 · 38 = 11,58 Вт/м²·К

q₁ = 11,34· 10,4 · 3600 · (60 - 25) = 14859,936 кДж.

Расчет тепла на испарение

Потери тепла на испарение q₂ можно определить по формуле [16, с. 27]:

 

q₂ = (5,7 + 4,1 · υ) · (t_к - t_в) · τ · F´,

 

где υ - скорость движения воздуха над поверхностью электролита, принимаем равной 7 м/с [16, с. 70];

t_к - температура электролита, 60 ºС;

t_в - температура воздуха над поверхностью жидкости, 20 ºС;

τ - время разогрева, с;

F´ - поверхность электролита, которая составляет 1,6 · 0,8 = 1.28 м².

q₂ = (5,7 + 4,1 · 7) · (60 - 20) · 3600 · 1,28 = 6340,608 кДж

Расход тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду составит:₂ = 14859,936 + 6340,608 = 21200,544 кДж.

Количество тепла , необходимое для разогрева ванны:

  Определение тепла на поддержание рабочей температуры ванны Q _{раб/час}

Q_{раб/час} складывается из потерь тепла в окружающую среду Q₂ и потерь тепла на нагрев загружаемых в ванну деталей и приспособлений Q₃. Рассчитываем по формуле:

 

Q_{раб/час} = Q₂ + Q₃, Дж.

 

Потери тепла на нагрев загружаемых в ванну деталей и приспособлений рассчитываем по формуле:

 

Q₃ = c_p · m · τ^´ · (t_к - t_н), Дж

 

где с_p - удельная массовая теплоемкость стального корпуса ванны, 481,5 Дж/(кг·К);

m - масса загруженного металла в ванну за секунду, кг;

τ´ - основное время работы ванны за 1 час, равное 3600 · 0,8 = 2880 с.

Массу загруженного в ванну материала определяют с учетом продолжительности обработки деталей в ванне по формуле [16, с. 28]:

 

где М - масса обрабатываемых деталей и приспособлений за 1 загрузку, кг;

 - основное время работы ванны за 1 час, равное 2880 с.

 кг/с,

где 10 - количество штук деталей на подвесках;

,85 - масса одной детали, кг.

Массу загрузочного приспособления принимаем равной 10% от общей массы деталей.

кДж

Расход тепла на поддержание рабочей температуры составит:

Q_{раб/час} = 21200,544+ 1713,467 = 21914,011 кДж.

Ванну химического обезжиривания необходимо нагревать. Предусмотрен змеевик для разогрева ванны.

Определение параметров змеевика для подогрева электролита

Поверхность нагрева змеевика S зависит от расхода тепла на разогрев раствора в ванне Q_раз [16, с. 71]:

 

 

где k - коэффициент теплопередачи, составляет от 814 до 3489 Вт/(м²·К) [16, с. 71], принимаем 1000 Вт/(м²·К);

,1 - коэффициент, учитывающий потери тепла в трубах;

τ - время разогрева, 3600 с;

t_ср - средняя температура пара, ºС.

 

,

 

где t₁ - температура пара, поступающего в змеевик, 130 ºС [16, с. 71];

t₂ - начальная температура раствора, 25 ºС;

t₃ - температура конденсата, выходящего из змеевика, 130 ºС [16, с. 71];

t₄ - конечная температура раствора, 60 ºС.

Длина трубы змеевика составляет [24, с. 71]:

 

,

 

где d - диаметр трубы змеевика, принимаем равным 0,032 м [16, с. 71].

Определение расхода пара в период разогрева

Для расчета расхода пара нужно определить теплосодержание 1 кг входящего пара  и уходящего конденсата . Расход пара в период разогрева [16, с. 71]:

 

,

где λ - теплосодержание 1 кг насыщенного водяного пара, 2668 кДж/кг;

Q - температура выходящего конденсата 130°С;

С_р - удельная массовая теплоемкость конденсата, 4,20 кДж/(кг·град) [16, с. 72].

Расход греющего пара на разогрев ванны обезжиривания составит [16, с. 71]:

Данные расчета представлены в обобщающей таблице теплового расчета 2.3 Результаты расчета расхода пара для нагрева ванн теплой промывки, а также ванн линии покрытия сплавом олово-висмут представлены в таблице 2.4.

 

Таблица 2.3. Сводная таблица теплового расчета

Назначение ванны	Теплота на разогрев электролита с учетом потерь, кДж	Теплота на поддержание рабочей температуры, кДж	Примечание
Покрытие сплавом олово-висмут
Ванна обезжиривания	250520,250	21914,011	Ванну необходимо нагревать

 

Таблица 2.4. Сводная таблица расчета расхода пара

Наименование операции	Температура раствора, ˚С	Объем ванны, м³	Количество ванн	Расход пара на разогрев, кг/ч		Расход пара на поддержание рабочей темпера-туры, кг/ч		Расход пара на одну линию, кг/ч	Расход пара на две линии, кг/ч
				на единицу обору-дования	общий	на единицу обору-дования	общий	общий	общий
Покрытие сплавом олово-висмут
Обезжиривание	60	1,408	1	128,0	128,0	-	-	128,0	256,0

 

 

Список использованной литературы

1. Ажогин Ф.Ф. Гальванотехника: Справочное издание. / Ф.Ф. Ажогин, М.А. Беленький, И.Е. Галль - М.: Металлургия, 1987. - 736 с.

. Александров В.М. Оборудование цехов электрохимических покрытий: Учебное пособие. / В.М. Александров, Б.В. Антонов, Б.И. Гендлер - Л.: Машиностроение, 1987. - 309 с.

. Бородкина В.А. Краткий справочник по гальванотехнике: Учебное пособие по курсу «Основы электрохимической технологии». / В.А. Бородкина, Н.Г. Сосновская - А.: АГТА, 2008. - 66 с.

4. Варыпаев В.Н. Введение в проектирование электролизеров: Учебное пособие. / В.Н. Варыпаев - Л.: ЛТИ, 1981. - 86 с.

5. Виноградов С.С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование: Учебное пособие. / С.С. Виноградов - М.: Глобус, 2005. - 256 с.

6. Вячеславов П.М. Оборудование цехов электрохимических покрытий: Справочник. / П.М. Вячеславов - Л.: Машиностроение, 1987. - 309 с.

. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов: Учебное пособие. / С.Я. Грилихес - Л.: Машиностроение, 1977. - 112 с.

8. Лайнер В.И. Основы гальваностегии, II часть: Учебное пособие. / В.И. Лайнер, Н.Т. Кудрявцев М.: Металлургиздат, 1957. - 647 с.

9. Мельников П.С. Справочник по гальваническим покрытиям в машиностроении: Учебное пособие. / П.С. Мельников - М.: Машиностроение, 1979. - 289 с.

10. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие. / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков - Л.: Химия, 1987. - 575 с.

11. Правила устройства электроустановок. Шестое издание. Дополненное с исправлениями. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 608 с.

12. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии: Учебное пособие. / И.В. Семенова, Г.М. Флорианович - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.

. Сосновская Н.Г. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования и правила оформления: Методические указания для студентов специальности «Технология электрохимических производств». / Н.Г. Сосновская, В.А. Бородкина, Н.В. Истомина - А.: АГТА, 2009. - 89 с.

. Сосновская Н.Г. Оборудование электрохимических производств: Учебное пособие. / Н.Г. Сосновская, Н.В. Истомина, Е.Н. Ковалюк - А.: АГТА, 2005. - 100 с.

. Сосновский Г.Н. Основы электрохимической технологии. Гальванотехника: Учебное пособие. / Г.Н. Сосновский, Н.Г. Сосновская - А: АГТА, 2004. - 108 с.

16. Усанкин Н.Г. Автоматические гальванические линии с программным управлением: Учебное пособие. / Н.Г. Усанкин - М.: Машиностроение, 1977. - 512 с.

17. Фокин М.Н. Защитные покрытия в химической промышленности: Учебное пособие. / М.Н. Фокин, Ю.В. Емельянов - М.: Химия, 1981. - 304 с.

. Ямпольский А.М. Краткий справочник гальванотехника: Учебное пособие. / А.М. Ямпольский, В.А. Ильин Л.: Машиностроение, 1987. - 270 с.

19. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий. - Л.: Машиностроение, 1972. - 464 с.

20. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Оборудование цехов электрохимических покрытий. - Л.: Машиностроение, 1971. - 288 с.

21. Флеров В.Н. Сборник задач по прикладной электрохимии. - М.: Высш. школа, 1987. - 319 с.

22. Лобанов С.А. Практические советы гальванику. - Л.: Машиностроение, 1983. - 248 с.

23. Гороновский Н.М., Квят Э.И. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1967. - 611 с.