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.__