Тепловой и гидравлический расчет

 

Тепловой баланс ванны электрохимического обезжиривания.

Процессы, протекающие в ванне:

 

2H₂O + 2e = H₂ + 1/2O₂ ВТ = 100%

 

Изменение энтальпии для реакции равно:

 

∆Н₂₉₈ = 2^.∆Н – ∆Н – 2^.∆Н

 

∆Н₂₉₈ = = – 572,0 кДж

Далее определяется тепловое напряжение разложения E_T, кДж, по формуле

 

E_T = , (2.62)

где ∆Н – изменение энтальпии по реакции, кДж;

z – число электронов, участвующих в реакции;

F – число Фарадея, Кл.

 

E = = 1,481 В.

Количество Джоулевой теплоты Q_дж, кДж, определяется по формуле:

 

Q_дж = 3,6 · I · τ · (U – ∑E_T · ВТ), (2.63)

где U – напряжение на ванне, В.

 

Q_дж = 3,6 · 247,5 · 1 · (5,986– 1,481· 1) = 4036.48 кДж/ч.

 

Определяем на сколько градусов разогреется электролит за 1 час работы ванны.

 

∆t = Q_дж / C_р-ра · m_р-ра, (2.64)

где C_р-ра – теплоемкость раствора, кДж/кг ·ºС;

m_р-ра – масса раствора, кг.

 

∆t = = 0,5⁰С

За 1 час работы электролит разогреется на 0,5 ºС.

Тепловой баланс ванны цинкования.

Процессы, протекающие в ванне:

Zn _А = Zn _К ВТ = 97%

Zn + 2HСl = ZnCl₂ + Н₂ ВТ = 3%

Изменение энтальпии для первой реакции равно нулю, а для второй реакции:

 

∆Н₂₉₈ = ∆Н + 2∆Н_нcl – ∆Н – ∆Н

 

∆Н₂₉₈ = = 230,25 кДж

Тепловое напряжение разложения:

 

E = = - 1,19 В.

Количество Джоулевой теплоты:

 

Q_дж = 3,6 · 247,5 · 1 · (1,409– 1,19· 0,03) = 1220,67 кДж/ч.

Определяем на сколько градусов разогреется электролит за 1 час работы ванны.

∆t = = 0,18⁰С

 

За 1 час работы электролит разогреется на 0,18ºС; за 1 день работы температура повысится на 4 ºС. Следовательно, необходимости в охлаждении нет.

Тепловой баланс ванны горячей промывки.

Тепловые потери в период разогрева раствора ванны состоят из количества теплоты, необходимой для разогрева раствора до рабочей температуры, для покрытия потерь открытым зеркалом ванны, стенками ванны, для разогрева корпуса ванны и деталей.

Для определения тепла необходимого на разогрев ванны до рабочей температуры используется следующая формула:

 

Q_{разогрева}=Q₁+0,5^. Q₂ (2.65)

 

Q₁=Q_{раз. эл-та}+Q_{раз.ванны} (2.66)

 

Q_{раз. эл-та}+Q_{раз.ванны}=[с_эл-та ^. G_эл-та+с_{мат. ванны}^. G_{мат. ванны}]^. (t_к-t_н) (2.67)

 

Q_{раз. эл-та}+Q_{раз.ванны}=[4,18^. 1160+0,5^. 488,128](60-20)=203714,44 кДж

Суммарные потери в окружающую среду определяются:

 

Q₂=Q₂¹+Q₂¹¹, (2.68)

где Q₂¹ – потери теплоты через боковые стенки и дно ванны; Q₂¹¹ – затраты теплоты на испарение жидкости.

 

Q₂¹=q^. F^. t_раз, (2.69)

t_раз – должно составлять в зависимости от объема электролита и способа нагрева (0,5-1 ч); F – площадь стенок и дна ванны; q – потери тепла с 1 м² поверхности стенки и дна ванны, кДж/м²*ч.

 

Q₂¹=7,953^. 3,488=28,9 кДж

 

Q₂¹¹= (5,7+4,1^. V)^. (t_к-t_н)^. S_{зеркала}^. t_раз, (2.70)

где V – скорость движения воздуха (6-7 м/с); S_{зеркала} – площадь поверхности зеркала ванны.

 

Q₂¹¹= (5,7+4,1^. 7)(60-20)^. 1.079=1484,8 кДж

Суммарные потери в окружающую среду:

 

Q₂=28,9+1484,8=1513,6 кДж

Далее необходимо подобрать нагреватель в качестве, которого можно использовать ТЭН. Рассчитывается мощность ТЭНа по формуле:

 

N=Q_{разогрева}/кпд^. t_раз, (2.71)

 

где кпд – принимается меньше либо равным 0,95.

 

Q_{разогрева}=203714,44+0,5^. 1513,6=204471,24 кДж

 

N=204471,24 /0,95^. 3600=59,7 кВт.

 

2.5.1. Гидравлический расчет ванны цинкования.

Целью гидравлического расчета является определение толщины стенок и днища ванн и рабочих емкостей.

Суммарное гидравлическое давление на боковые стенки аппарата определяется по формуле:

, (2.98)

где ρ – плотность раствора, кг/м³;

g – ускорение свободного давления, м/с;

Н – высота столба жидкости, м;

F_б – площадь боковой стенки, м².

Суммарное гидравлическое давление на днище определяется по формуле:

 

, (2.99)

где F_д – площадь днища, м².

Толщина дна , мм, определяется из условия максимально допустимого напряжения:

 

, (2.100)

где Р – распределение по всей поверхности постоянного давления, Па.

К = В / L ≤ 1

σ_мак – максимально допустимое напряжение.

Для ванны цинкования: Н = 1,45 м, B= 0,95 м, L = 0,83 м.

 

К = 0,5 / 1,6 = 0,3125

Суммарное давление на стенку составит:

 

Суммарное гидравлическое давление на днище:

 

Толщину дна:

 

Принимаем толщину стенки дна равной 4 мм и определяем величину перегиба днища f_max, мм, по формуле

f_max = , (2.101)

где Е – модуль Юнга, Па.

 

f_max = = 0,0081 м

 

2.5.2.Расчет и подбор вспомогательного оборудования.

Подбор вентилятора.

Для уменьшения количества вредных испарений в воздухе рабочей зоны на бортах гальванических ванн, ванны травления, активации, ванн хроматирования и ванн обезжиривания устанавливаются бортовые отсосы с горизонтальной щелью всасывания.

Объема воздуха L, м³/ч, отсасываемого от зеркала ванн, рассчитывается по формуле:

 

L = L₀ · K_Δt · K_т · K₁ · K₂ · K₃ · K₄, (2.102)

где L₀ – удельный объем воздуха, отсасывания от ванн, м³/ч;

K_Δt – коэффициент, учитывающий разность температур раствора и помещения;

K_т – коэффициент, учитывающий токсичность и интенсивность выделения вредных веществ;

K₁ – коэффициент, учитывающий тип отсоса;

K₂ – коэффициент, учитывающий воздушное перемешивание раствора, барботаж;

K₃ – коэффициент, учитывающий укрытие зеркала электролита плавающими телами;

K₄ – коэффициент, учитывающий укрытие зеркала электролита путем введения ПАВ.

Удельный объем отсасываемого воздуха L₀, м³/ч, рассчитывается по формуле:

 

L₀ = 1400 · (0,53 · + H₁) · 0,66 · B_вн, (2.103)

где В_вн - внутренняя ширина ванны, м;

L_вн – внутренняя длина ванны, м;

Н₁ – расстояние от зеркала электролита до борта ванны, м.

Для ванн химического обезжиривания, травления, активации, хроматирования, цинкования и электрохимического обезжиривания:

 

L₀ = 1400 · (0,53 · + 0,15) · 0,66 · 0,5 = 127,6 м³/ч;

Рассчитаем объем воздуха.

Для ванны химического обезжиривания:

 

L = 127,6· 1,0 · 1,0 · 1,0 · 1,2 · 0,75 · 0,5 = 57,42 м³/ч

Для ванны электрохимического обезжиривания:

 

L = 127,6· 1,0 · 1,6 · 1,0 · 1,2 · 0,75 · 0,5 = 91,872 м³/ч

Для ванны травления и активации:

 

L = 127,6· 1,0 · 1,25 · 1,0 · 1,2 · 0,75 · 0,5 = 71,78м³/ч

Для ванны цинкования:

 

L = 127,6· 1,0 · 0,5 · 1,0 · 1,2 · 0,75 · 0,5 = 28,71м³/ч

Для ванны хроматирования:

 

L = 127,6· 1,0 · 0,5 · 1,0 · 1,2 · 0,75 · 0,5 = 28,71 м³/ч

Общий объем воздуха, который необходимо отсасывать от гальванической линии:

 

∑L = 57,42+91,872+2^. 71,78+3^. 28,71= 378,98 м³/ ч

Выбираем вентилятор среднего давления Ц4-70 марки 3,15. Его производительность 2800 м³/ч. Полное давление 116 Па, КПД = 0,755, мощность 1,5 кВт, габаритные размеры 605×637×605 мм.

Подбор насоса для ванны цинкования.

Часовой расход жидкости Q, м³/ч, рассчитывается по формуле:

 

Q = , (2.104)

где V – объем ванны, м³;

τ – время одного час в секундах.

 

Q = 1,16/ 3600 = 3,2· 10^-4 м³/с.

Для всасывающего и нагнетающего трубопровода принимаем одинаковую скорость течения, равную 2 м/с.

Внутренний диаметр трубопровода d, м, определяется по формуле:

 

d = , (2.105)

где ω – скорость течения жидкости, м/с.

 

d = = 0,014 м

Выбирается стальная труба наружным диаметром 0,022 м с толщиной стенки 2 мм. Внутренний диаметр трубы d = 0,018 м. Фактическая скорость течения жидкости по трубе:

 

ω = 4 · Q / (π · d²) = 4 · 3,2 · 10^-4 / (3,14· 0,018² )= 1,26 м/с

Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Число Рейнольдса Re рассчитывается по формуле:

 

Re = ω · d · ρ / μ, (2.106)

где ρ – плотность раствора, кг/м³;

μ – вязкость раствора, Н·с/м².

 

Re = 1,26 · 0,018 · 1088/ 2,74 · 10^-3 = 9005,8

т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной Δ = 2 · 10^-4м.

Относительная шероховатость е рассчитывается по формуле

 

е = Δ / d (2.107)

 

е = 2 · 10^-4 / 0,018 = 0,0111

Т.к. в трубопроводе имеет место смешанное трение, то расчет коэффициента трения λ следует проводить по формуле:

 

λ = 0,11 · (е + 68 / Re)^0,25 (2.108)

 

λ = 0,11 · (0,0111 + 68 / 9005,8)^0,25 = 0,041

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений Σξ

Для всасывающей линии:

ξ₁ – вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ₁ = 0,5;

ξ₂ – прямоточные вентили: ξ₂ = 1,04;

ξ₃ – отводы: коэффициент А = 1, зависит от угла, на который изменяется направление потока в отводе; коэффициент В = 0,09; ξ₃ = 0,09.

 

Σξ = ξ₁ + 2ξ₂ + 4 ξ₃

 

Σξ = 0,5 + 2 · 1,04 + 4 · 0,09 = 2,94.

 

Потерянный напор во всасывающей линии находится по формуле:

 

h_п.вс. = (λ · + Σξ) · , (2.109)

 

где l - длина трубопровода, м;

d_э – эквивалентный диаметр трубопровода, м;

g – скорость свободного падения, м/с.

 

h_п.вс. = (0,041 · + 2,94) · = 1,53 м

Для нагнетательной линии:

ξ₁ – отводы под углом 120º: А = 1,17; В = 0,09; ξ₁ = 0,105;

ξ₂ – отводы под углом 90º: А = 1; В = 0,09; ξ₂ = 0,09;

ξ₃ – нормальные вентили: ξ₃ = 8;

ξ₄ – выход из трубы ξ₄ = 1.

 

Σξ = 2ξ₁ + 10ξ₂ + 2 ξ₃ + ξ₄

 

Σξ = 2 · 0,105 + 10 · 0,09 + 2 · 8 + 1 =18,11

Потерянный напор в нагнетательной линии находится:

 

h_п.н. = (0,041· + 18,11) · = 2,39м

Общие потери напора:

 

h_п = h_п.вс. + h_п.н. = 1,53+2,39=3,92м

Необходимый напор насоса рассчитывается по формуле:

 

H = + H_г + h_п, (2.110)

 

где Р₂ – давление в аппарате, в который подается жидкость, атм;

Р₁ – давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, атм;

Н_г – геометрическая высота подъема жидкости.

Т.к. установка работает при атмосферном давлении, то Р₂ = Р₁ = 1 атм, тогда

 

Н = 3 +3,92 = 6,92м

Полезная мощность насоса N_n, Вт, рассчитывается по формуле

 

N_n = ρ · g · Q · H (2.111)

 

N_n = 1088 · 9,81 · 3,2 · 10^-4 · 6,92 = 23,63 Вт.

Мощность электродвигателя N, Вт, рассчитывается по формуле

 

N= , (2.112)

 

где η_п - коэффициенты полезного действия насоса

η_пер – коэффициенты полезного действия передачи от электродвигателя к насосу. Принимаем η_п = 0,8 и η_пер = 1 для центробежного насоса.

 

N = =29,54 Вт

Расчет штуцеров.

Для ванн, из которых жидкости вытекают самотеком, скорость ее движения в трубопроводе может быть принята до 0,5 м/с. Для ванн, из которых жидкости перекачиваются насосом, скорость ее движения в трубопроводе может быть принята до 2,0 м/с.

Часовой расход жидкости в ванне Q = 2,3 · 10^-4 м³/с.

Внутренний диаметр штуцеров

 

d₁ = = 0,024 м.

 

 

.

 

Расчет штуцеров

 

Поскольку жидкости из ванн электрохимического осаждения цинка, ванн обезжиривания, травления, улавливания и промывок вытекают самотеком, то скорость их движения в трубопроводе может быть принята до 0,5 м/с.

Расход жидкости в ванне нанесения цинка и обезжиривания 2,8 · 10^-4 м³/с, а в ваннах пассивирования, травления, улавливания и промывок 2,3 · 10^-4 м³/с.

Внутренний диаметр штуцеров определяется по формуле (3.4.4):

 

d₁ = = 0,027м.

 

Принимаем наружный диаметр штуцера 30 мм, толщина стенки 3,5 мм, материал штуцера – углеродистая сталь.

 

D₂ = = 0,024 м.

 

Принимаем наружный диаметр штуцера 30 мм, толщина стенки 3,5 мм, материал штуцера – углеродистая сталь.