Тепловой расчет

3.7.1 Тепловой расчет ванн

Расчет количества теплоты в ванне анодирования

Температура электролита ванны анодирования составляет 13-20°С, ее

необходимо охлаждать. Охлаждение ведется циркуляцией холодной воды в

рубашке ванны.

Количество теплоты рассчитывается по формуле [4]:

𝑄 = 𝑀 ∙ 𝐶𝑝 ∙ 𝑡н − 𝑡к , Дж,

где М – масса охлаждаемого электролита в ванне, кг;Ср – удельная массовая

теплоемкость электролита 4148,1Дж/ кг∙град [4]; tн, tк - начальная и конечная

температура электролита, °С.

Масса охлаждаемого электролита[4]:

М = 𝑉𝐻2𝑆𝑂4 ∙ 𝜌𝐻2𝑆𝑂4 = 3,402 ∙ 1117 = 3800 кг.

где 𝑉𝐻2𝑆𝑂4 – объем электролита анодирования, м3;𝜌𝐻2𝑆𝑂4 – плотность

электролита анодирования.

𝑄 = 3800 ∙ 4148.1 ∙ 20 − 5 = 78813.9 кДж.

Расчет массы воды для охлаждения электролита:

Мв =

𝑄

𝐶𝑝 ∙( 𝑡2− 𝑡1 )

,

где Ср – удельная массовая теплоемкость воды 4186,8 Дж/кг∙°С[13]; t1 –

температура воды, входящая в рубашку, °С ;t2 - температура воды, выходящая

из рубашки, °С [13].

Мв =

4186,8 ∙ ( 10 − 4 )

= 3138 кг

При массе воды в рубашке частота смены воды за время работы [13]:

𝑍 =

𝑀

𝑚

;

где 𝑚 – масса воды в рубашке, кг.

𝑚 = 𝑉внеш − 𝑉вн ∙ 𝜌воды = 5,474 − 3,78 ∙ 1000 = 1694 кг.

𝑍 =

= 1,85 ≈ 2 раза.

3.7.2 Тепловой расчет ванны химического обезжиривания

Определение расхода тепла на разогрев.

Расход тепла на разогрев ванны складывается из расхода тепла на

разогрев электролита, материала ванны и расхода тепла на компенсацию

тепловых потерь в окружающую среду [4]:

𝑄разогрев = 𝑄1 +

𝑄2

,

Расход тепла на разогрев электролита и материала ванны [4]:

𝑄1 = 𝑉 ∙ 𝐶𝑝

∕ ∙ 𝜌 + 𝐶𝑝

∕∕ ∙ 𝑀1 ∙ 𝑡к − 𝑡н , Дж,

где V – объем раствора в ванне, м3;𝐶𝑝

, 𝐶𝑝

∕∕

- удельная массовая теплоемкость

электролита кДж/кг ∙ °С, корпуса ванны кДж/кг ∙°С;ρ - плотность

электролита, кг/м3;М1 - масса корпуса ванны кг:

М1 = 𝑉внеш − 𝑉вн ∙ 𝜌∕,

tк – конечная температура электролита, °С;tн – начальная температура

электролита, которая соответствует температуре цеха и составляет 20°С;Vвнеш

, Vвн – внешний и внутренний объемы ванны, м3 [14]; ρ ׳ – плотность

полипропилена, кг/м3 [14].

Внутренний объем ванны рассчитывается исходя из внутренних

размеров ванны:

𝑉вн = 𝑙 ∙ 𝑏 ∙ 𝑕 = 2,1 ∙ 1,2 ∙ 1,5 = 3,78 м3.

Внешний объем ванны рассчитывается исходя из внутренних размеров

ванны плюс толщины стенок (δ, мм) [4]:

𝑉внеш = 𝑙 + 2 ∙ 𝛿 𝑏 + 2 ∙ 𝛿 𝑕 + 𝛿 = 2,1 + 2 ∗ 0,015 1,2 + 2 ∗

0,015 1,5+0,015 =4,875 м3.

Масса полипропиленового корпуса ванны:

М1 = 4,875 − 3,78 ∙ 900 = 985,5 кг.

𝑄1 = 3,4 ∙ 4,148 ∙ 1080 + 4,186 ∙ 985,5 ∙ 60 − 20 = 774272 кДж.

Расход тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду.

Расход тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую

средускладывается из потерь тепла q1 нагретой жидкости через стенки

(теплопроводностью, конвекцией, лучеиспусканием) и потерь тепла q2 на

испарение жидкости с открытой поверхности [15]:

𝑄2 = 𝑞1 + 𝑞2.

Расчет потерь тепла через стенки ванны.

Если температура жидкости, отдающей тепло, равна tк, а температура

окружающей среды – tн, то тепло, теряемое горячей жидкостью через стенки

ванны, составляет [4]:

𝑞1 = 𝐾 ∙ 𝐹 ∙ 𝜏 ( 𝑡1 − 𝑡2 ).

где q1 – потери тепла через стенки ванны, Дж;F – поверхность корпуса ванны,

м2;τ – принятое время разогрева ванны, принимаем 3600 с;tк – конечная

температура электролита, °С;tн– начальная температура электролита,

соответствующая окружающей среды

(воздуха), 20 ºС;К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ∙ К):

𝐾 =

𝛼1

+

𝛿 ст

𝜆

+

𝛼2

, Вт/м2 ∙ К.

гдеα1 и α2 – коэффициентытеплоотдачиотгорячейжидкости к стенкеванны,

Вт/(м2 ∙ К);δст – толщинастенкикорпусаванныпринимаем 0,015 м;λ –

коэффициенттеплопроводностистенкиВт/(м ∙ К) .

Коэффициенты теплоотдачи от неподвижной горячей жидкости к

стенке ванны зависят от произведения критериев Грасгофа и Прандтля [16]:

𝐺𝑟 =

𝛽 ∙ 𝑙3 ∙𝑔 ∙ Δ𝑡

𝜕2 ,

Pr =

𝜇 ∙ 𝐶𝑝

𝜆

.

где β – коэффициент объемного расширения электролита, К-1;l – высота

стенки ванны, м;g – ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2;Δt = tк– tст – разность

температур жидкости и температуры стенки со стороны жидкости,

принимаем 3°С;𝜕 – кинематическая вязкость жидкости, м2/с;μ –

динамическая вязкость электролита, мПа ∙ с;Ср – удельная массовая

теплоемкость жидкости, Дж/(кг ∙ К);λ – коэффициент теплопроводности

жидкости, Вт/(м ∙ К).

𝛼 =

𝜇

𝜌

,

где ρ – плотность электролита, кг/м3;μ – динамическая вязкость электролита

химического обезжиривания, 0,469мПа ∙ с [15].

Если Gr ∙ Pr>2∙107, то коэффициенттеплопередачи при свободной

конвекции:

𝛼 = 0,135 ∙ ( 𝛽 ∙ 𝑔 ∙ Pr)

3 ∙

𝜆

𝜕

∙ Δ𝑡

3.

Коэффициент теплопередачи от стенки корпуса ванны к воздуху

складывается из коэффициента теплопередачи конвекцией и коэффициента

теплопередачи лучеиспускания, может быть рассчитан по формуле [7]:

𝛼2 = 9,3 + 0,06 ∙ 𝑡ст.

где tст - температура наружной поверхности стенки, которую принимаю 59

°С [7].

𝛼2 = 9,3 + 0,06 ∙ 59 = 12,84 Вт/м2 ∙ К.

Исходя из приведенных данных, рассчитываю критерии:

𝐺𝑟 =

5,3 ∙ 10−4 ∙ 1,53 ∙ 9,81 ∙ 3

0,434 ∙10−6 2 = 2,8 ∙ 1011,

Pr =

0,469 ∙ 10−4 ∙ 4190

0,679

= 2,89,

𝐺𝑟 ∙ Pr = 2,8 ∙ 2,89 = 8,092 ∙ 1011.

Так как 8,092 ∙1011>2∙107, то расчет α1 ведем по формуле:

𝛼 = 0,135 ∙ 𝛽 ∙ 𝑔 ∙ 𝑃𝑟

3 ∙

𝜆

𝜕

∙ Δ𝑡

3 = 0,135 ∙ 5,3 ∙ 10−10 ∙ 9,81 ∙ 2,89

3 ∙

0,679

4,34 ∙ 10−7

∙ 3

3 = 0,135 ∙ 0,25 ∙ 104461,6 ∙ 1,44 = 5076,8 𝐵т/м2 ∙ град.

Определяю коэффициент теплопередачи:

𝐾 =

5076 ,8

+

0,015

46,5

+

12,84

= 12,76 Вт/м2 ∙ °С.

где λ – коэффициент теплопроводности полипропилена 46,5 Вт/м2∙ °С [7].

Поверхность корпуса ванны:

𝐹 = 𝑙 ∙ 𝑏 ∙ 2 + 𝑏 ∙ 𝑕 ∙ 2 + 𝑙 ∙ 𝑕 = 11.79 м2.

Расчет потерь тепла через стенки ванны:

q1 = K ∙ F ∙ τ (60 – 20) = 12,76 ∙ 11,79 ∙ 3600 ∙ 40 = 21663,4 кДж.

Расчет тепла на испарение

Потери тепла на испарение можно определить по формуле [4]:

q2 = (5,7 + 4,1 ∙ ν)(tк – tн) ∙ τ ∙ F1 = (5,7 + 4,1 ∙ 5)(60 – 20) = 9507 кДж.

где v – скорость движения воздуха над поверхностью электролита,

принимаем равным 5 м/с;tв – температура воздуха над поверхностью

жидкости, °С; F' – поверхность электролита, которая составляет 2,52 м2.

Тогда расход тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую

среду равен:

Q2 = 21663,4 + 9507,5 = 31171 кДж.

Количество тепла на разогрев ванны:

Qраз. = 774272 +

= 789857 кДж.

Определение тепла на поддержание рабочей температуры ванны

Тепло складывается из потерь тепла в окружающую среду и потерь

тепла на нагрев загружаемых в ванну деталей и приспособлений [4]:

𝑄раб.час = 𝑄2 + 𝑄3, Дж.

Если материал приспособлений и обрабатываемых деталей одинаков,

то [4]:

𝑄3 = Ср ∙ 𝑚 ∙ 𝜏 ∙ (𝑡к − 𝑡н).

где Cр – удельная массовая теплоемкость загружаемого металла, Дж/кг∙К;

𝑚– масса загружаемого металла в ванну за сутки, кг;τ - время работы

ванны,с.

Массузагруженноговваннуматериалаопределяютсучетом

продолжительностиобработкидеталейвванне по формуле [4]:

𝑚 =

𝔩

𝜏

=

7,29

= 0.024 кг.

где𝔩– массаобрабатываемыхдеталейзаоднузагрузку, кг;τ –

продолжительностьхимическогообезжириваниядеталей, с.

Потеритеплананагревприспособлений:

𝑄3 = 921 ∙ 0,024 ∙ 300 60 − 20 = 265248 Дж.

Определение тепла на поддержание рабочей температуры ванны:

𝑄раб.час = 31171 + 263,3 = 31436,3 кДж.

Аналогично рассчитываем остальные ванны.

Результаты расчетов заносим в табл. 3.8.

Таблица 3.8 – Сводная таблица теплового расчета ванн

Назначение ванны Теплота на

разогрев с учетом

потерь, кДж

Теплота на

поддержание

рабочей

температуры, кДж

Примечания

Линия никелирования

Никелирование 337825 3240

Обезжиривание 675192 6953

Горячая промывка 1182387 11342

Линия анодирования

Анодирования

– 78814

Ванна охлаждается

до до температуры

15 °С

Обезжиривание 789857 31436

Горячая промывка 1382249 55195

Наполнение пленки 1283785 43224

3.7.3 Расчет расхода пара

Для расчета расхода пара необходимо определить теплосодержание 1

кг входящего пара и уходящего в конденсат.

Расход пара в период разогрева:

Рраз =

𝑄раз

𝑞 ′ −𝑞 ′′ ,

где q/ - теплосодержание 1 кг входящего пара.

𝑞′ = 𝜆.

где λ – теплосодержание насыщенного водяного пара, 2668 кДж/кг ∙ град; q// -

теплосодержание 1 кг уходящего конденсата.

𝑞′′ = 𝐶𝑝 ∙ 𝑇,

где Ср – удельная массовая теплоемкость воды, 4,2 кДж/кг ∙ град; Т -

температура уходящего конденсата, 130 °С.

Расход пара в период разогрева ванн линии анодирования:

Ванна обезжиривания:

Рраз _____=

2668−(4,2 ∙130)

= 372,2 кг.

Ванна теплой промывки:

Рраз =

2668−(4,2 ∙130)

= 651,4 кг.

Ванна наполнения:

Рраз =

2668−(4,2 ∙130)

= 604,9 кг.

Расход пара в период разогрева ванн линии никелирования:

Ванна никелирования:

Рраз =

2668−(4,2 ∙130)

= 159,2 кг.

Ванна обезжиривания:

Рраз =

2668−(4,2 ∙130)

= 477,6 кг.

Ванна горячей промывки:

Рраз =

2668−(4,2 ∙130)

= 318,5 кг.

Результаты расчетов заносим в табл. 3.9.

Таблица 3.9 – Сводная таблица расхода пара

Назначение

ванны

Температура

раствора, ˚С

Объем

ванны, л

Кол-во ванн Расход пара на разогрев , кг

на одну

ванну

общий

Линия никелирования

Никелирование 40 3402 5 159,2 796

Обезжиривание 60 3402 1 477,6 477,6

Горячая

промывка

90 3402 3 318,5 955,5

Линия анодирования

Обезжиривание 60 960 1 372,2 372,2

Горячая

промывка

90 960 3 651,4 1954,2

Наполнение

пленки

80 960 1 604,9 604,9

Поддержание рабочей температуры в ваннах осуществляется с

помощью нагревательных элементов, поэтому расчет расхода пара на

поддержание рабочей температуры не производиться.

3.7.4 Расчет нагревательных устройств

Для нагрева раствора паром применяем теплообменник.

Расчет теплообменников сводиться к определению поверхности

теплопередачи по уравнению:

𝐹 =

𝑄раз

(𝐾 ∙ 𝑡ср)

,

где К – коэффициент теплопередачи; tср – средняя температура пара; Qраз –

количество тепла на разогрев ванны.

𝑡ср =

𝑡1−𝑡2 − 𝑡3−𝑡4

2,3 ∙lg ⁡(𝑡1−𝑡2)/(𝑡3−𝑡4)

,

где t1 – начальная температура пара; t2 – начальная температура раствора; t3 –

температура конденсата; t4 – конечная температура раствора.

Произведем расчет теплообменника для ванны химического

обезжиривания линии анодирования.

𝑡ср =

140−20 −(130−60)

2,3 ∙lg⁡(140−20)/(130−60)

= 92,6 ℃.

Тогда поверхность теплопередачи будет равна:

𝐹 =

(1000 ∙92,6)

= 7,2 м2.

Расчет теплообменников для остальных ванн производиться

аналогично.__