Диплом Бурхонов ТЭП
.pdf
Поскольку аноды погружены в электролит на 80-90% их глубины, то величину ′ делим на 0,8 или 0,9
7,5′ = 0,8 = 9,375 кг
2.7.2.2 Расход анодов на 100 м2 поверхности изделий
′′= 10-3*m* + ∆M,
Где m – толщина покрытия, мкм
∆M – потери анодного металла при изготовлении анодов за счет штампообразованияи.т.д. (3-8% от количества металла, расходуемого на покрытие)
′′= 10-3*9*7,133+0,003*(10-3 *9*7,133) = 0,07 кг
′′′ = 0,07 30900 = 21,63 кг 100
Годовой расход анодов
M = 9,375 + 21,63 = 31 кг
9.6.Расход воды на промывку
Вобщем виде расход воды на промывку определяется по формуле:
Q = n*q*F*
√
где K – кратность разбавления;
q – удельная вынос раствора, л/м2;
N – количество ступеней проточной промывки;
F – площадь обрабатываемой поверхности в единицу времени, м2/ч;
–коэффициент, учитывающий наличие ванн улавливания: 0,4 при одной, 0,15 при двух, 0,06 при трех ваннах улавливания;
Q – расход воды промывку, л/ч;
K0 = С ,
С
K0– критерий окончательной промывки,
51
Где С0 – концентрация основного компонента в электролите, применяемом для операции, после которой производится промывка, г/л;
Сn– предельно допустимая концентрация в воде после операции промывки, г/л.
Ванна проточной промывки после операции обезжиривания:
Q = 2*q*F*
√
Q = 2*0,3*5* √0,840 = 20 л/ч
Годовой расход воды на промывку составит:
Q = 505 30900 = 123600 л/год
Аналогично рассчитывается для всех ванн промывки. Все данные сводятся в таблицу:
Ведомость расхода воды на промывку
|
|
|
|
|
Годовой |
|
№ |
Наименование |
Количество |
Объём |
Расход |
расход |
|
п/п |
операции |
ванн |
ванн, л |
воды, л/м2 |
воды, |
|
|
|
|
|
|
л/год |
|
|
Проточная промывка в теплой |
|
|
|
|
|
1 |
воде после электрохимического |
1 |
700 |
20 |
123600 |
|
обезжиривание |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
2 |
Каскадная промывка в холодной |
2 |
700 |
20 |
123600 |
|
воде |
||||||
|
|
|
|
|
||
3 |
Промывка улавливание после |
1 |
700 |
50 |
30900 |
|
|
травление |
|||||
|
|
|
|
|
||
4 |
Каскадная промывка в холодной |
2 |
700 |
50 |
30900 |
|
|
воде |
|||||
|
|
|
|
|
||
5 |
Промывка улавливанием после |
1 |
700 |
30 |
185400 |
|
|
активация |
|||||
|
|
|
|
|
||
6 |
Каскадная промывка в холодной |
2 |
700 |
30 |
185400 |
|
|
воде |
|||||
|
|
|
|
|
||
7 |
Промывка улавливанием после |
1 |
700 |
80 |
494400 |
|
|
цинкования |
|||||
|
|
|
|
|
||
8 |
Каскадная промывка в холодной |
2 |
700 |
80 |
494400 |
|
воде |
||||||
|
|
|
|
|
||
9 |
Промывка улавливанием после |
1 |
700 |
30 |
185400 |
|
пассивации |
||||||
|
|
|
|
|
||
10 |
Каскадная промывка в холодной |
2 |
700 |
30 |
185400 |
|
воде |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
Промывка улавливанием в |
|
|
|
|
|
11 |
теплой воде |
1 |
700 |
30 |
185400 |
|
|
|
|
|
|
|
52
Расчет количества и размеров оборудования для нанесения гальванических покрытий
Стационарные ванны. Продолжительность одной операции:
t=t1+t2
где t1 - время нанесения покрытия, мин;
t2 –вспомогательные время, затрачиваемого на загрузку и выгрузку изделий из ванны (1–10 мин).
t=17+10=27(мин)
количество операцией которые можно осуществить в ваннах за сутки: x=60/tc/t
x=60*14.5/27=31.2 – округляем до 32.
Мощность одновременной загрузки изделий во все ванны, в которых проводится данная операция:
y=PC/x
где PC-количествоединицзагрузки.
y=175/32=5.5
количество ванн для данной операции:
N=y/y/
где y/ - принятое для одной ванны количество загрузочных единиц, размещаемых в ванне одновременно.y/=1
53
9.7.Электрический расчет ванн
9.7.1.Расчет величины силы тока на ванне
Расчет проводим для ванны нанесения цинкового покрытия.
Силу тока на ванне рассчитывают по плотности тока jKи величине обрабатываемой поверхности Sна рабочем электроде – катоде
l = j K * S k ; I= j a * S a jkи ja- катодная и анодная плотности тока, А/дм2
jK=2 А/дм2ja= 1 А/дм2
S- величина обрабатываемой поверхности
S= 0,7 м2;
l=2*70= 140 А
9.7.2. Баланс напряжений на ванне
Напряжение, приложенное к электролизеру, определяется с использованием уравнений:
U=( а- к)+ ∆;
∆= ∆э +∆эл +∆к,
Где а и к- поляризация анодного и катодного процессов при рабочей плотности тока на аноде и катода, В; ∆э,∆эл,∆к,-падение напряжения на преодоление омического сопротивления электролита, электродов и проводников первого рода, контактов, В.
Величина напряжения на ванне необходима для выбора источника питания ванны током, расчета расхода энергии, определения количества тепла, выделяемого в ванне при прохождении тока и т.д.
Расчет величины падения напряжения на преодоление омического сопротивления электролита.
Основной составляющей сопротивления ванны является сопротивление электролита:
э = |
|
= |
|
|
|
|
|||
|
|
54
Где - удельное сопротивление раствора; к - его удельная электрическая проводимость; S- величина обрабатываемой поверхности; 1 - расстояние между катодом и анодом.
Падение напряжения в электролите:
∆э=lRэ=l =
где I- сила тока на ванне; j- средняя проходная плотность тока.
j=√
Падение напряжения в электродах, проводниках первого рода и контактах. Падения напряжения в проводниках первого рода складывается из следующих элементов: 1) падение напряжения по длине катодных и анодных штанг; 2) падение напряжения в электродаханодах, катодах, покрываемых изделиях, в подвесках и приспособлениях. Так как проводники, проводящие ток к катодам и анодам, изготавливаются из металлов с хорошей проводимостью (медь, алюминий) и имеет большое сечение, то потери напряжения в них составляет небольшую долю общего напряжения на ванне.
Падение напряжения в электродах и проводниках первого рода рассчитывают по формуле:
∆к=lR=l
В гальванических ваннах электроды, как правило, имеют небольшой вес и оказывают малое давление на контакт. Кроме того, в ваннах наблюдается частая смена контактов и недостаточный уход за их поверхностью. Поэтому величина ∆кможет быть значительна и при благоприятных условиях составляет десятые доли вольта. Так как общее падение напряжения Uна гальванических ваннах в среднем колеблется от 3 до 6 В, то потери напряжения в контактах составляет не более 10% от напряжения на ванне U.
9.7.3 Расчет шин
Для питания гальванических ванн требуется ток большой силы, достигающей сотен и тысяч ампер. Поэтому для подводки тока к ваннам применяют шины и провода из хорошо проводящих металлов - меди или алюминия. Шины представляют собой неизолированные проводники прямоугольного сечения. Они проводятся по стенам и по потолку или укладываются в специальных каналах под полом. При небольших токах используют изолированные провода и кабель.
55
Расчет сечения шин и проводов производят, как правило, по падению напряжения в них с обязательной проверкой на допустимую силу или плотность тока. Сечение шин определяется по уравнению:
S= ∆ш
Где S- площадь сечения шины, мм; I- сила тока, А; - удельное сопротивление проводника, Ом*мм2*м-1; 1- длина проводника, м; ∆ш—допускаемое падение напряжения в шинах, В.
Полученные по приведенным выше формулам результаты сводим в таблицу.
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВАННЕ |
|
Потенциал анода, В |
-0,83 |
Потенциал катода, В |
-1,28 |
Анодная плотность тока, А/дм2 |
1 |
Катодная плотность тока, А/дм2 |
2 |
Площадь единичной загрузки, дм2 |
70 |
Сила тока на ванне, А |
140 |
Расстояние между электродами, см |
15 |
Удельная электропроводность электролита, 1/(Ом см) |
0,399 |
Электродная поляризация в ванне |
0,450 |
11роходная плотность тока, А/кв.см |
0,01414 |
Падение напряжения в электролите, В |
0.532 |
Потери напряжения в электродах и контактах ванны, В |
0,147 |
Падение напряжения в шинопроводе, В |
0.113 |
Минимальное напряжение на генераторе тока, В |
1,242 |
Коэф., учит, потери напряжения в контактах (0,02-0.1) |
0.060 |
Коэф., учит. увел, напряжения за счет газонаполнения (0.01 -0,2) |
0,150 |
Напряжение на ванне, В |
1.13 |
Расчет шин |
|
Длина шины, м |
3 |
Измеренное уд. сопротивление материала шины. Ом∙мм2/м |
0,0178 |
Температурный коэффициент материала шины |
0,00445 |
Рабочая температура шины, °С |
50 |
Температура измерения уд. сопротивления. °С |
18 |
Уд. сопротивление материала шины при ср тем-ре шин |
0,02033 |
Сечение шины, мм2 |
151,31 |
По полученным данным Sш выбираем стандартные п лоские шины размерами 40x4 мм с сечением 160 мм2. Нагрузка постоянного тока400 А.
В качестве источника постоянного тока используем полупроводниковые выпрямители.
Учитывая рассчитанные значения напряжения на ванне и силы тока, а также подбирая наибольший КПД выбираем кремниевый выпрямитель типа ВАКГ-3/9-320У4.
Техническая характеристика выпрямителя ВАКГ-3/9-320У4:
56
-вид охлаждения - воздушное принудительное; -выходная мощность - 2,88 кВт;
-выпрямленное напряжение: номинальное - 9 В, минимальное - 3 В; -сила выпрямленного тока: номинальная - 320, минимальная - 80; -КПД - 70 %
Расчет ванны для электрохимического обезжиривания.
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВАННЕ |
|
Потенциал анода, В |
0,6 |
Потенциал катода, В |
-1 |
Анодная плотность тока. А/дм2 |
2 |
Катодная плотность тока. А/дм2 |
3 |
Площадь единичной загрузки, дм2 |
70 |
Сила тока на ванне. А |
210 |
Расстояние между электродами, см |
15 |
Удельная электропроводность электролита, l/ (Ом см) |
0.399 |
Электродная поляризация в ванне |
1.600 |
Проходная плотность тока. Л/кв.см |
0.0.449 |
Падение напряжения в электролите, В |
0.921 |
Потери напряжения в электродах и контактах ванны, В |
0.378 |
Падение напряжения в шинопроводе, В |
0.290 |
Минимальное напряжение на генераторе тока. В |
3.189 |
Коэф. учит, потерн напряжения в контактах (0,02-0,1) |
0.060 |
Коэф. учит. увел, напряжения за счет газонаполнения (0.01-0,2) |
0.150 |
Напряжение на ванне. В |
2.82 |
Расчет шин
Длина шины, м |
3 |
Измеренное уд. сопротивление материала шины. Ом∙мм2/м |
0,0178 |
Температурный коэффициент материала шины |
0,00445 |
Рабочая температура шины, °С |
50 |
Температура измерения уд. сопротивления. °С |
18 |
Уд. сопротивление материала шины при ср тем-ре шин |
0,012033 |
Сечение шины, мм2 |
88,38 |
По полученным данным Sш выбираем стандартные плоские шины размерами 30x3 мм с сечением 90 мм2. Нагрузка постоянного тока520 А.
Учитывая рассчитанные значения напряжения на ванне и силы тока, а также подбирая наибольший КПД выбираем кремниевый выпрямитель типа ВАКГ-3/7-630У4.
Техническая характеристика выпрямителя ВАКГ-3/7-630У4: -вид охлаждения - воздушное принудительное; -выходная мощность - 3,78 кВт;
-выпрямленное напряжение: номинальное - 7 В, минимальное - 3 В; -сила выпрямленного тока: номинальная - 630, минимальная - 158; -КПД - 73 %
57
9.8. Тепловой расчет
Расчет ведем аналогичную предыдущему
Расчет тепла на нагрев раствора ванны
Длина ванны (внутренний размер), м |
1,12 |
Ширина ванны (внутренний размер), м |
0,63 |
Высота ванны (внутренний размер), м |
1,25 |
Толщина стенки ванны, м |
0,003 |
Плотность материала ванны, кг/м3 |
7850 |
Толщина футеровки, м |
0,003 |
Плотность материала футеровки, кг/м3 |
1380 |
Высота раствора в ванне, м |
1,05 |
Объём корпуса ванны, м3 |
0,050806 |
Масса ванны, кг |
398,827 |
Объём футеровки, м3 |
0,051 |
Масса футеровки, кг |
70,112 |
Поверхность зеркала раствора, м2 |
0,71 |
Объем металла в деталях и анодах, м3 |
5,08 |
Общая поверхность стенок и дна ванны, м2 |
0,029 |
Объем раствора, м3 |
0,661 |
Удельная теплоемкость раствора при его нам. тем-ре, Дж/кг·К |
4110 |
Плотность раствора, кг/м3 |
1150 |
Удельная теплоемкость материала корпуса ванны, кДж/кг·К |
0,462 |
Удельная теплоемкость материала футеровки, кДж/кг·К |
1,63 |
Начальная температура раствора, °С |
18 |
Конечная температура раствора, °С |
70 |
Масса р-ра, кг |
760,2 |
Часовой расход тепла на нагрев раствора, Qp, кВт· ч |
45,13 |
Расчет коэффициента теплоотдачи от раствора стенке
Температурный коэффициент объемного расширения, 1/К |
3,87Е-04 |
Температура стенки со стороны раствора, °С |
45 |
Кинематическая вязкость при при ср тем-ре р-ра, м2/с |
0,000000660 |
Коэф. динамической вязкости при при ср тем-ре р-ра, Па. с |
0,000657000 |
Удельная теплоемкость при ср тем-ре раствора, кДж/кг К |
4,18 |
Коэффициент теплопроводности при ср тем-ре раствора, Вт/м·К |
0,634 |
Критерий Грасгофа |
8,85168+11 |
Критерий Прандтля |
0,0050 |
Произведение критериев Грасгофа и Прандтля |
5 079 274 495,27 |
Критерий Нуссельта |
205,89 |
Коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке, Вт/м2·К |
104,43 |
Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки воздуху |
|
Температура наружной поверхности стенки ванны, °С |
30 |
Температура воздуха, °С |
15 |
Общий коэф. теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией, Вт/м2 ·К |
10,79 |
Определение коэффициента теплопередачи |
|
Коэфициент теплопроводности материала ванны, Вт/м·К |
46,5 |
Коэфициент теплопроводности материала футеровки, Вт/м·К |
0,163 |
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2 ·К |
6,11 |
Расчет потерь теплоты за счет теплопроводности,
58
Конвекции и лучеиспускания через стенки
Часовые потери тепла через стенки и дно ванны, кВт |
1,61 |
Расчет потерь теплоты за счет испарения |
|
Скорость движения воздуха над поверхностью электролита, м/с |
0.5 |
Влагосодержание воздуха непосредственно над поверхностью электролита при |
|
температуре раствора, кг/кг |
0,034 |
Влагосодержание окружающего воздуха, кг/кг |
0,0065 |
Часовые потери теплоты за счет испарения, кВт |
0,43 |
Часовые потери теплоты за счет излучения и конвекции, кВт |
0,37 |
Общие часовые потери теплоты с поверхности раствора, кВт |
0,80 |
Уд. теплоемкость воды, кДж/кг К |
4,19 |
Температура добавляемой холодной воды, °С |
10 |
Час. потери теплоты от добав. хол. воды взамен испаряемой. кВт |
0,07 |
Часовые потери теплоты на нагрев стенок ванны, кВт |
2,66 |
Тепловой поток для нагрева р-ра и компенсации потерь. кВт |
50,28 |
Удельная теплоемкость раствора при его коне. тем-ре, кДж/кг·К |
4,18 |
Количество воды, уносимое с деталями, кг/с |
0,00044 |
Тепловые потери от уноса раствора из ванны, кВт |
0,11 |
Коэф., учит, долю эл.энергии, превращаемой в теплоту (0,6-0,9) |
0,75 |
Джоулево тепло, кВт |
0,209 |
Масса обрабатываемых деталей, кг/с |
0,015 |
Уд. теплоемкость материала деталей, кДж/кг·К |
0,500 |
Часовые потери теплоты на нагрев деталей, кВт |
0,424 |
Тепловой поток для поддерж. тем-ры р-ра и компенс. потерь, кВт |
5,47 |
Определение длины змеевика |
|
Средняя температура раствора в ванне, °С |
44 |
Тем-pa горячего теплоносителя на входе в теплообменник, °С |
110 |
Тем-pa горячего теплоносителя на выходе из теплообменника, °С |
90 |
Средняя температура горячего теплоносителя, °С |
100 |
Уд. теплоемкость воды при ср. тем-ре гор. теплоносит., кДж/кг·К |
4,23 |
Температура конденсации греющего пара, °С |
99 |
dtcp |
50,7 |
Средняя температура р-ра, °С |
59,3 |
Средний температурный напор в режиме нагрева, К |
55,00 |
Определение коэффициента теплопередачи |
|
Наружный диаметр труб, м |
0,04 |
Внутренний диаметр труб, м |
0,036 |
Средний диаметр труб, м |
0,038 |
Уд. теплоемкость воды при ср. р-ра, Дж/кг·К |
4180 |
Разность температур горячего теплоносителя, К |
20 |
Коэф. объед.ф-х константы воды и пара |
8,30 |
Поверхность теплообмена (задаемся), м2 |
1,50 |
Длина трубы (задаемся), м |
1,50 |
Уд. теплота конденсации пара |
2208,00 |
Расход греющего пара при нагреве кг/ч |
0,0252 |
Расход греющего пара при работе, кг/ч |
0,0027 |
Расход греющего пара при нагреве кг/ч |
91 |
59
Расход греющего пара при работе, кг/ч |
|
10 |
а1 коэф. теплоотдачи от пара к стенке трубы, Вт/(м2·К) |
5468 |
|
Коэф. теплопроводности воды при ср. р-ра, Вт/(м·К) |
0,634 |
|
Критерий Нуссельта для раствора в ванне (задаемся) |
152,73 |
|
а2 коэф. теплоотдачи от стенки трубы р-ру, Вт/(м2·К) |
6718,15 |
|
Толщина стенки трубы теплообменника, м |
|
0,002 |
Теплопроводность материала трубы теплообменника, Вт/(м·К) |
16 |
|
Среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенки, Вт/(м2·К) |
4000 |
|
Термическое сопротивления стенки и загрязнений стенки, (м2·К)/Вт |
0.00063 |
|
Коэф. теплопередачи от конденс. пара к воде, Вт/(м2·К) |
1125 |
|
Проверочное значение температуры стенки |
1 |
100 |
Проверочное значение температуры стенки |
2 |
81 |
Требуемая площадь поверхности теплообмена ванны, м2 |
0.81 |
|
Длина змеевика для нагрева ванны, м |
|
6.81 |
Плотность пара, кг/м3 |
|
1.107 |
Проверочное зн-е скорости пара м/с |
|
20.06 |
Наибольшее допустимое отношение L/d |
|
14 |
Длина змеевика для нагрева ванны, м |
|
5.62 |
60