3.2 Тепловой и гидравлический расчет оборудования

3.2.1 Гидравлический расчёт

Суммарное гидравлическое давление на боковые стенки аппарата определяется по формуле:

, (3.29)

где ρ – плотность раствора, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Н – высота столба жидкости, м;

F_б – площадь боковой стенки, м².

Суммарное гидравлическое давление на днище определяется по формуле:

, (3.30)

где F_д – площадь днища, м².

Толщина дна определяется из условия максимально допустимого напряжения:

, (3.31)

где Р – величина удельного давления, Н/м²;

а – длина ванны, м;

К - коэффициент равный отношению ширины ванны к длине ванны (а / в);

σ_мак – максимально допустимое напряжение (18-30) МПа.

Величина удельного давления рассчитывается по формуле (3.26):

(3.32)

Величину прогиба днища f_max, мм,

f_max = ,

где Е – модуль Юнга, Па.

Ванна обезжиривания.

Плотность раствора – 1076 кг/м³ (из материального баланса);

Габаритные размеры ванны – 1580x640x1240мм;

Высота столба жидкости – 1,00 м;

Рассчитаем давление, действующее на днище ванны:

P = 1076 * 9,81 * 1 = 10555 Па

K = 0,64/1,58 = 0,405

Рассчитаем толщину днища:

Величина перегиба днища:

f_max = = 0,00243 м

Суммарное давление на стенку составит:

Па

Рассчитаем толщину стенки:

Ванна активирования

Плотность раствора – 1060 кг/м³;

Габаритные размеры ванны – 1580x460x1240мм;

Высота столба жидкости – 1,00 м;

Рассчитаем давление действующие на днище ванны:

P = 1060 * 9,81 * 1 = 10398 Па

K = 0,46/1,58 = 0,3

Рассчитаем толщину днища:

Величина перегиба днища:

f_max = = 0,00115 м

Суммарное давление на стенку составит:

Па

Рассчитаем толщину стенки:

= 0,014 м

Ванна никелирования

Плотность раствора – 1179 кг/м³;

Габаритные размеры ванны – 1580x460x1240 мм

Высота столба жидкости – 0,6 м;

Рассчитаем давление действующие на днище ванны:

Рассчитаем толщину днища:

Величина перегиба днища:

f_max = = 0,00213 м

Суммарное давление на стенку составит:

Па

Рассчитаем толщину стенки:

= 0,0085 м,

Для компенсации возможного прогиба увеличиваем толщину полипропиленового листа до 12 мм и предусматриваем дополнительную обвязку ребрами жесткости.

3.2.2 Тепловой расчет

Тепловой расчет ванны электрохимического обезжиривания.

Количество теплоты, необходимой на разогрев.

Количество теплоты, необходимой для разогрева раствора до рабочей температуры, определяем по формуле:

Q_раз ^р-ра = С∙m_эл-та∙(t_кон-t_нач), (3.33)

где С – удельная теплоёмкость электролита, кДж/(кг∙К);

m_эл-та – масса электролита, кг;

t_нач, t_кон – начальная и конечная температуры корпуса (соответственно 18 С⁰ и 35 С⁰).

Удельная теплоёмкость электролита находится по следующей формуле:

Либо же берутся экспериментальные данные (так, для электролита обезжиривания удельная теплоёмкость принимается равной 4,187).

Q_раз ^р-ра=4,187∙1100∙(35-18) = 34165,92 кДж.

Количество теплоты, необходимой для разогрева корпуса ванны, определяется по формуле:

Q_раз ^КОРП= С∙m_корп∙(t_кон-t_нач), (3.34)

где С – удельная теплоёмкость полипропилена, 1,93 кДж/(кг∙К); ,

m_корп. – масса корпуса ванны, кг;

t_нач, t_кон – начальная и конечная температуры электролита(соответственно 18 С⁰ и 35 С⁰).

Материал ванны - полипропилен, толщина - 12 мм, плотность полипропилена - 910 кг/м³.

m_корп = F ∙δ ·ρ + F_дн∙δ_дн·ρ_дн (3.35)

где δ-толщина стенки(изоляции),мм

ρ-плотность материала стенки(изоляции),

F_ст– поверхность стенок и дна ванны,

m_корп.= 4,04·0,012∙910 = 44,12 кг.

Q_раз ^КОРП = 1,93∙44,12∙(35-18) = 1447,58 кДж.

Количество теплоты, необходимое для покрытия потерь тепла открытым зеркалом ванны, состоит из потерь на испарение воды и потерь за счет конвекции и излучения:

Q_раз ^ЗЕРК = Q_Н2О^исп + (3.36)

Найдем потери тепла за счет конвекции и излучения по формуле:

, (3.37)

где общий коэффициент теплоотдачи,(10Вт/м²∙С);

S-площадь зеркала раствора, м²;

разности температуры раствора и окружающей среды.

Вт (489,6 кДж)

Найдем потери тепла за счет испарения воды:

Q_Н2О^исп = m^исп_вода·R (3.38)

где m^исп_вода – масса испарившейся воды (при средней температуре 27,5 ⁰С, 0,734 кг)

R – удельная теплота парообразования.

Q_Н2О^исп = 0,734 · 2431,25 = 1784,54 кДж

Количество теплоты, необходимой для покрытия потерь через стенки ванны, определяется по формуле:

Q_раз ^СТЕН=F₁∙g₁, (3.39)

где F₁ – поверхность стенок и дна ванны, м²;

g₁ – потери теплоты с 1 м² поверхности стенки и дна ванны, 690,5 кДж/(м²∙ч).

Q_раз ^СТЕН=4,04∙690,5∙0,5= 1394,81 кДж.

Определим общее количество теплоты, необходимое на разогрев:

Q_раз = 34165,92 + 1447,58 + 489,6 + 1784,54 + 1394,81 = 39282,45 кДж

Определим мощность нагревателей для разогрева ванны по формуле:

N = Q_раз/  ·  (3.40)

где Q_раз – количество теплоты, необходимой для разогрева ванны, кДж;

 - время нагрева,с;

 - КПД (не выше 0,95).

N = 39282,45 / 1800 · 0,95 = 22,97 кВт

Количество теплоты, затраченной в рабочий период.

Статьи прихода.

Количество теплоты, выделившейся при прохождении электрического тока через раствор:

Q_Дж= 3,6∙I∙τ∙(U − ∑E_T∙Вт )·К, (3.41)

Тепловое напряжение разложения:

Е_т = - ∆Н/z∙F, (3.42)

где ∆Н – изменение энтальпии по реакции, кДж/моль;

z – число электронов, участвующих в реакции;

F – число Фарадея, Кл/моль.

Процессы, протекающие в ванне:

2H₂O = 2H₂ + O₂ ВТ = 100%

Изменение энтальпии для реакции равно:

∆Н₂₉₈ = 2^.∆Н – ∆Н – 2^.∆Н

∆Н₂₉₈ = = – 572,0 кДж

Далее определяется тепловое напряжение разложения:

E = = 1,482 В.

Количество Джоулевой теплоты:

Q_дж = 3,6 · 300 ^. 4,228· 5·1,5 · (8,237– 1,482· 1)/60 = 3855,62 кДж/ч.

Найдем изменение температуры в результате протекания процесса

∆t = Q_Дж / (C · m), (3.42)

Где C – теплоемкость раствора, кДж/кг·К;

m – масса раствора (из мат.баланса), кг.

∆t = ⁰С

Статьи расхода.

Найдем количество теплоты, расходуемое на детали и технологические спутники:

Q_дет= С_дет∙m_дет∙∆t·К (3.43)

Q_подв= С_подв∙m_подв∙∆t·К (3.44)

где С – удельная теплоёмкость материала деталей и подвески, кДж/(кг∙К);

m– масса деталей и подвески (исходя из расчета линии), кг;

К – коэффициент загрузки

m_подв = ρ·V = 910·0,0119 = 10,829 кг

m_дет = 39,71 кг

Q_дет= 0,46∙39,71∙17·5 = 1552,66 кДж

Q_подв= 1,93∙10,829∙17·5 = 1776,50 кДж

Количество теплоты, теряемой через стенки ванны, определяется по формуле:

Q^СТЕН=F∙g∙τ·К, (3.45)

Где F – поверхность стенок и дна ванны, м²;

g – потери теплоты с 1 м² поверхности стенки и дна ванны, кДж/(м²∙ч).

Q^СТЕН=4,04∙590,6·5·1,5/60= 295,93 кДж.

Найдем потери тепла за счет конвекции и излучения по формуле:

,

Где общий коэффициент теплоотдачи,(10 Вт/м²∙С);

S-площадь зеркала раствора, м²;

разности температуры раствора и окружающей среды.

Вт (489,6 кДж)

Найдем потери тепла за счет испарения воды:

Q_Н2О^исп = m^исп_вода·R

где m^исп_вода – масса испарившейся воды

R – удельная теплота парообразования.

Q_Н2О^исп = 1,21 · 2403 = 2907,63 кДж

Определим мощность нагревателей по формуле:

N = Q_раз/  ·  (3.46)

где Q_раз – количество теплоты, необходимой для поддержания рабочей температуры в ванне, кДж;

 - время работы ванны,с;

 - КПД (не выше 0,95).

N = 2593,07 / 3600 · 0,95 = 0,758 кВт

Выбираем 2 трубчатых химстойких ТЭНа фирмы OOO «МП РАДИН» номинальной мощностью 12 кВт. Напряжение питания – 220/380 В.

Тепловой расчет ванны никелирования.

Электролит никелирования работает в интервале температур от +50 до +55⁰С, поэтому предварительный нагрев в начале смены нужен.

Количество теплоты, необходимой для разогрева раствора до рабочей температуры, определяем по формуле 3.33, 3.34.

Q_раз ^р-ра=4,187∙1100∙(35-18) = 34165,92 кДж.

m_корп.= 4,04·0,012∙910 = 44,12 кг.

Q_раз ^КОРП = 1,93∙44,12∙(35-18) = 1447,58 кДж

Найдем потери тепла за счет конвекции и излучения по формуле (3.37)

Вт (489,6 кДж)

Найдем потери тепла за счет испарения воды по формуле (3.38):

Q_Н2О^исп = 0,734 · 2431,25 = 1784,54 кДж

Количество теплоты, необходимой для покрытия потерь через стенки ванны, определяется по формуле (3.39)

Q_раз ^СТЕН=4,04∙690,5∙0,5= 1394,81 кДж.

Определим общее количество теплоты, необходимое на разогрев:

Q_раз = 34165,92 + 1447,58 + 489,6 + 1784,54 + 1394,81 = 39282,45 кДж

Определим мощность нагревателей для разогрева ванны по формуле (3.40).

N = 39282,45 / 1800 · 0,95 = 22,97 кВт

Определим нагрев электролита за счет прохождения электрического тока.

Количество теплоты, выделившейся при прохождении электрического тока через раствор:

Q_Дж= 3,6∙I∙τ∙(U − ∑E_T∙Вт )·К, ( 3.41)

Процессы, протекающие в ванне:

2H₂O = 2H₂ + O₂ ВТ = 14%

∆Н _р-ции= - 2·286 = - 572 кДж/моль,

Далее определяется тепловое напряжение разложения:

E_T = = 1,482 В.

Количество Джоулевой теплоты:

Q_дж = 3,6 · 150 ^. 4,228· 1,67·32,83 · (4,591 – (1,482·0,12 + 0,432·0,88))/60 = 8413,82 кДж/ч.

Найдем изменение температуры в результате протекания процесса

∆t = Q_Дж / (C · m), (3.42)

Где C – теплоемкость раствора, кДж/кг·К;

m – масса раствора (из мат.баланса), кг.

∆t = ⁰С

Количество теплоты, затраченной в рабочий период.

Статьи расхода.

Найдем количество теплоты, расходуемое на детали и технологические спутники:

Q_дет = 0,46∙39,71∙4,1·1,67 = 125,07 кДж

Q_подв = 1,93∙10,829∙4,1·1,67 = 143,10 кДж

Количество теплоты, теряемой через стенки ванны, определяется по формуле:

Q^СТЕН = 4,04∙0·1,67·32,83/60 ≈ 0 кДж.

Найдем потери тепла за счет конвекции и излучения по формуле:

Вт (118,08 кДж)

Найдем потери тепла за счет испарения воды:

Q_Н2О^исп = 0,301 · 2448,2 = 736,91 кДж

Q^расх = 125,07 + 143,10 + 0 + 736,91 + 118,08 = 1123,16 кДж

Q_нагр = Q_дж – Q_расх

Q_нагр = 8413,82 – 1123,16 = 7290,66

С учетом потерь на разогрев электролита изменение температуры составит:

∆t = ⁰С

За 1 час работы электролит разогреется на 4,1 . За рабочий день (16 ч.) температура ванны никелирования повысится на 65,6 . Температурный диапазон работы электролита составляет 50-55ºС, следовательно, есть необходимость в охлаждении.

Подберем чиллер для охлаждения электролита исходя из необходимости снижения температуры на 5 ⁰С.

Выбираем чиллер Ангара GRS 150 производительностью 0,5 - 2,6 м³/ч, Общая потребляемая мощность – 3,5 кВт, размеры – 660/610/1100.