Наименование ванн
|
Количество ванн в, шт.
|
Внутренние размеры ванн, мм
|
Наружные размеры ванн, мм
|
Рабочий объем, л
|
Ванна обезжиривания
|
1
|
160080012502000100014001408
|
|
|
Ванна теплой промывки
|
2
|
160080012502000100014001408
|
|
|
Ванна травления
|
1
|
160080012502000100014001408
|
|
|
Ванна двухкаскадной холодной промывки
|
2
|
1600100012502000110014001760
|
|
|
Ванна покрытия сплавом олово-висмут
|
2
|
160080012502000100014001408
|
|
|
Ванна трехкаскадной холодной промывки
|
1
|
1600112012502000125014001971
|
|
|
Ванна улавливания
|
1
|
1600×800×1250
|
2000×1000×1400
|
1408
|
.6 Расчет количества автооператоров
Расчет ориентировочного
количества автооператоров [16,
с. 14]:
,
где z
− количество автооператоров (округляется до целого числа в большую
сторону);
kа
− коэффициент, учитывающий прямые и обратные ходы автооператора,
принимается равным 1,5;
− время работы
автооператора за цикл, которое складывается из суммарного времени вертикальных и
горизонтальных перемещений
с учетом времени остановки автооператора у ванны .
,
где τв
− суммарное время вертикальных перемещений автооператора на подъем и
опускание подвески, с;
τг
− суммарное время горизонтальных перемещений автооператора,
с;
τост
− время остановки автооператора у ванн, с.
где L - средний шаг между позициями, рассчитывается по компоновочному
чертежу, м;
N
- общее количество ванн, шт.;
− скорость
горизонтального перемещения автооператора, м/с;
Н - высота подъема
подвесок, м;
− скорость
вертикального перемещения автооператора, м/с;
N
- количество ванн, у которых задерживается автооператор, шт.;
− выстой
автооператора, принимаем 5 с;
− время задержки
автооператора у ванн, с.
Принимаем 1
автооператор.
3. Энергетические
расчеты
.1 Расчет поверхности
загрузки и силы тока на ванну
Суммарная поверхность
загрузки для одной ванны составит [5, с. 98]:
,
где −
рабочая поверхность деталей единовременной загрузки, м;
− нерабочая поверхность материала подвески в неизолированной
части, принимаем 5% от рабочей поверхности , м.
Сила тока на одну ванну
составит [5, с. 98]:
где iк - катодная плотность тока, А/м².
.2 Расчет напряжения на
ванне
Напряжение на штангах ванны [8, с.
600]:
где - разность рабочих электродных
потенциалов, В;
∆Uэл - падение напряжения на преодоление омического сопротивления
электролита, В;
∆Uконт - падение напряжения в контактах, В;
∆Uперф - падение напряжения в перфорации барабана, В.
Падение напряжения на
преодоление омического сопротивления электролита рассчитывают [8, с. 98]:
где iк - катодная плотность тока, А/см²;
lэ
- межэлектродное расстояние, см;
- удельная
электропроводность электролита, См/см.
Падение напряжения в
контактах [27, с. 57]:
Необходимое напряжение
на источнике тока Uи.т.
складывается из напряжения на ванне и падения напряжения в шинопроводе [6, с.
99]:
Падение напряжения в
шинах Uш от источника тока до ванны в обе стороны принимают обычно до 10%
от напряжения на ванне.
3.3 Выбор источника тока
Для ванны покрытия сплавом
олово-висмут выбираем выпрямитель ВАКР-1600-12-4 (номинальное напряжение 4 В,
номинальный ток 1600 А) [4, с. 75], который устанавливаем рядом с ванной.
Агрегат имеет ручное плавное регулирование выпрямленного напряжения, тока и
плотности тока, а также ручное регулирование выходного напряжения.
.4 Выбор и расчет шин
Сечение медных шин рассчитываем по
формуле [20, с. 192]:
где J - сила тока на ванне, А;
− удельное сопротивление меди, Ом·мм²/м;
L
- длина шинопровода в одну сторону, принимаем ее равной 4 м;
− максимально
допустимое падение напряжения в шинах, В.
Удельное сопротивление
меди при 18 ºС составляет 0,0178 Ом·мм²/м;
температурный коэффициент меди а = 0,00445; среднюю температуру шин принимаем
40 ºС.
Выбираем шинопровод сечением 50×5 мм. Выбранное сечение приемлемо на нагрузку 262
А.
.5 Суточный расход
электроэнергии на электролиз
Суточный расход
электроэнергии [6, с. 81]:
где ∑J - суммарная сила тока ванн, А;
− рабочее напряжение на источнике тока, равное 2,74 В;
k
− коэффициент загрузки оборудования, равный 0,8;
k−
коэффициент загрузки источника тока, который обычно принимают
равным от 0,7 до 0,85, принимаем k = 0,8;
− КПД
выпрямителя;
h
- число часов работы в сутки, равное 16.
4. Тепловые расчеты
4.1. Тепловые расчеты
ванны обезжиривания
Определение расхода
тепла на разогрев ванны
Количество тепла ,
необходимое для разогрева ванны, складывается из расхода тепла на разогрев
раствора, материала ванны и
расхода тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду Q2 [8, с. 613]:
Расход тепла на
разогрев раствора и материала ванны [8, с. 613]:
где V - объем раствора в ванне 1,833 ;
ρ -
плотность электролита химического обезжиривания, 1,08 кг/м³
[3, с. 33];
− удельная массовая теплоемкость электролита, 4186,8 Дж/кг·К
[3, с. 33];
− удельная массовая теплоемкость стального корпуса ванны,
481,5 Дж/(кг·К) [16, с. 29];
− масса корпуса
ванны химического обезжиривания 1014 кг, рассчитывается исходя из того, что
ванна изготовлена из стали (плотность железа равна 7800 кг/м³),
и толщина стенок составляет 8 мм = 0,008 м [5, с. 9];
− конечная
температура электролита химического обезжиривания 60 ºС;
− начальная
температура электролита, которая соответствует температуре цеха и составляет 25
ºС.
Расход тепла Q
на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду
Q
складывается из потерь тепла q1
(кДж) нагретой жидкости через стенки и потерь тепла q2
(кДж) на испарение жидкости с открытой поверхности, рассчитывается по формуле
1.49.
Расчет потерь тепла
через стенки ванны
Потери тепла через
стенки ванны рассчитывают по формуле:
где q − потери тепла через стенки
ванны, Дж;
k
- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);
F
- поверхность корпуса ванны, .
Наружные размеры ванны химического
обезжиривания в м² составляют 2,0×1,0×1,4. Площадь двух боковых стенок по длине и высоте равна
(2,0 · 1,4) · 2 = 5,6 м²; площадь двух боковых стенок по ширине и высоте равна (1,0 · 1,4)
· 2 = 2,8 м²;
площадь днища ванны равна 2.0 · 1,0 = 2,0 м². Итак поверхность корпуса ванны составляет 5,6 + 2,8 + 2,0 = 10,4
м².
Коэффициент теплопередачи κ определяют по формуле:
где α1
- коэффициент теплопередачи от горячей жидкости к стенке ванны, Вт/ (м²·К);
α2
- коэффициент теплопередачи от стенки к воздуху, Вт/ (м²·К);
δ
- толщина стенки, м;
λ
- коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·К).
Величина δ/λ представляет собой суммарное термосопротивление слоев стенки.
Критерии Грасгофа Gr и Прандтля Pr
определяют по формуле:
,
где β
- температурный коэффициент объемного расширения электролита,
принимаем 5,8·10-4· К-1 [10, с. 532];
l
- внутренняя высота стенки ванны, 1,25 м;
g
- ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2;
Δt = (tк -
tст) - разность температуры электролита и температуры стенки со
стороны электролита, т.е. температурный напор, принимаем 3 ºС;
ср - удельная
массовая теплоемкость электролита, Дж/(кг·К);
λ -
коэффициент теплопроводности электролита, Вт/(м·К);
∂ - кинематическая
вязкость электролита, м².
,
где -
плотность электролита обезжиривания, кг/м³;
- динамический
коэффициент вязкости, принимаем для NaOH
при 3 0С - 1,15·10-3 Па·с [10, с. 514].
Кинематическую вязкость
электролита химического обезжиривания рассчитываем по формуле:
Коэффициент
теплопроводности электролита при 30 ˚С рассчитываем по формуле, при 70 ˚С
по формуле 1.55.
При отсутствии
экспериментальных данных коэффициент теплопроводности электролита может
быть рассчитан [10, с. 150]:
где А - коэффициент,
зависящий от степени ассоциации раствора (для воды А = 3,58∙10);
− удельная
теплоемкость раствора, Дж/(кг·К);
− плотность
раствора, кг/м³;
Процентное содержание NaOH составляет 1%.
Мольная доля NaOH в растворе:
где 40 - это
молекулярная масса NaOH;
- это молекулярная масса
НО.
Мольная масса
электролита химического обезжиривания составит:
.
Рассчитываем критерии:
Так как 20,756·1010
> 2·107, то расчет α1
ведем по формуле:
Коэффициент
теплопередачи α2 от стенки корпуса ванны к воздуху складывается из коэффициента
теплопередач конвекцией αк
и коэффициента теплопередачи лучеиспусканием αλ
[8, с. 614]:
α2
= αк + αλ
Коэффициент
теплопередачи α2 может быть рассчитан по формуле [16, с. 27]:
α2 = 9,3 + 0,06 ·
tст, Вт/м²·К,
где tст - температура наружной поверхности стенки, принимаем 38°С.
α2 = 9,3 + 0,06 · 38 = 11,58 Вт/м²·К
q1 = 11,34·
10,4 · 3600 · (60 - 25) = 14859,936 кДж.
Расчет тепла на
испарение
Потери тепла на испарение q2 можно определить по формуле [16, с. 27]:
q2 = (5,7 + 4,1 · υ) · (tк - tв) · τ · F´,
где υ - скорость движения воздуха над поверхностью электролита,
принимаем равной 7 м/с [16, с. 70];
tк - температура
электролита, 60 ºС;
tв - температура воздуха
над поверхностью жидкости, 20 ºС;
τ -
время разогрева, с;
F´ - поверхность
электролита, которая составляет 1,6 · 0,8 = 1.28 м².
q2 = (5,7 + 4,1 · 7) · (60
- 20) · 3600 · 1,28 = 6340,608 кДж
Расход тепла на компенсацию тепловых
потерь в окружающую среду составит:2 = 14859,936 + 6340,608 =
21200,544 кДж.
Количество тепла ,
необходимое для разогрева ванны:
Определение тепла на поддержание рабочей температуры ванны Qраб/час
Qраб/час складывается из
потерь тепла в окружающую среду Q2 и потерь тепла на
нагрев загружаемых в ванну деталей и приспособлений Q3. Рассчитываем по формуле:
Qраб/час = Q2 + Q3, Дж.
Потери тепла на нагрев загружаемых в
ванну деталей и приспособлений рассчитываем по формуле:
Q3 = cp · m · τ´ · (tк - tн), Дж
где сp - удельная массовая
теплоемкость стального корпуса ванны, 481,5 Дж/(кг·К);
m - масса загруженного металла в ванну за секунду, кг;
τ´ - основное время работы ванны за 1 час, равное 3600 · 0,8 = 2880
с.
Массу загруженного в ванну материала
определяют с учетом продолжительности обработки деталей в ванне по формуле [16,
с. 28]:
где М - масса
обрабатываемых деталей и приспособлений за 1 загрузку, кг;
- основное время работы
ванны за 1 час, равное 2880 с.
кг/с,
где 10 - количество штук
деталей на подвесках;
,85 - масса одной
детали, кг.
Массу загрузочного
приспособления принимаем равной 10% от общей массы деталей.
кДж
Расход тепла на
поддержание рабочей температуры составит:
Qраб/час
= 21200,544+ 1713,467 = 21914,011 кДж.
Ванну химического обезжиривания
необходимо нагревать. Предусмотрен змеевик для разогрева ванны.
Определение параметров
змеевика для подогрева электролита
Поверхность нагрева змеевика S зависит от расхода тепла на разогрев
раствора в ванне Qраз [16, с. 71]:
где k - коэффициент теплопередачи, составляет от 814 до 3489 Вт/(м²·К)
[16, с. 71], принимаем 1000 Вт/(м²·К);
,1 - коэффициент,
учитывающий потери тепла в трубах;
τ
- время разогрева, 3600 с;
tср
- средняя температура пара, ºС.
,
где t1 - температура пара, поступающего в змеевик, 130 ºС
[16, с. 71];
t2
- начальная температура раствора, 25 ºС;
t3
- температура конденсата, выходящего из змеевика, 130 ºС
[16, с. 71];
t4
- конечная температура раствора, 60 ºС.
Длина трубы змеевика составляет [24,
с. 71]:
,
где d - диаметр трубы змеевика, принимаем
равным 0,032 м [16, с. 71].
Определение расхода пара
в период разогрева
Для расчета расхода пара
нужно определить теплосодержание 1 кг входящего пара и
уходящего конденсата .
Расход пара в период разогрева [16, с. 71]:
,
где λ
- теплосодержание 1 кг насыщенного водяного пара, 2668 кДж/кг;
Q
- температура выходящего конденсата 130°С;
Ср - удельная
массовая теплоемкость конденсата, 4,20 кДж/(кг·град) [16, с. 72].
Расход греющего пара на
разогрев ванны обезжиривания составит [16, с. 71]:
Данные расчета представлены в
обобщающей таблице теплового расчета 2.3 Результаты расчета расхода пара для
нагрева ванн теплой промывки, а также ванн линии покрытия сплавом олово-висмут
представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.3. Сводная таблица
теплового расчета
Назначение ванны
|
Теплота на разогрев электролита с учетом потерь, кДж
|
Теплота на поддержание рабочей температуры, кДж
|
Примечание
|
Покрытие сплавом олово-висмут
|
Ванна обезжиривания
|
250520,250
|
21914,011
|
Ванну необходимо нагревать
|
Таблица 2.4. Сводная таблица расчета
расхода пара
Наименование операции
|
Температура раствора, ˚С
|
Объем ванны, м³
|
Количество ванн
|
Расход пара на разогрев, кг/ч
|
Расход пара на поддержание рабочей темпера-туры, кг/ч
|
Расход пара на одну линию, кг/ч
|
Расход пара на две линии, кг/ч
|
|
|
|
|
на единицу обору-дования
|
общий
|
на единицу обору-дования
|
общий
|
общий
|
общий
|
Покрытие сплавом олово-висмут
|
Обезжиривание
|
60
|
1,408
|
1
|
128,0
|
128,0
|
-
|
-
|
128,0
|
256,0
|
Список использованной
литературы
1. Ажогин Ф.Ф. Гальванотехника: Справочное издание. / Ф.Ф. Ажогин,
М.А. Беленький, И.Е. Галль - М.: Металлургия, 1987. - 736 с.
. Александров В.М. Оборудование цехов электрохимических покрытий:
Учебное пособие. / В.М. Александров, Б.В. Антонов, Б.И. Гендлер - Л.: Машиностроение,
1987. - 309 с.
. Бородкина В.А. Краткий справочник по гальванотехнике: Учебное
пособие по курсу «Основы электрохимической технологии». / В.А. Бородкина, Н.Г.
Сосновская - А.: АГТА, 2008. - 66 с.
4. Варыпаев В.Н. Введение в
проектирование электролизеров: Учебное пособие. / В.Н. Варыпаев - Л.: ЛТИ,
1981. - 86 с.
5. Виноградов С.С. Организация гальванического производства.
Оборудование, расчет производства, нормирование: Учебное пособие. / С.С.
Виноградов - М.: Глобус, 2005. - 256 с.
6. Вячеславов П.М. Оборудование цехов
электрохимических покрытий: Справочник. / П.М. Вячеславов - Л.: Машиностроение,
1987. - 309 с.
. Грилихес С.Я. Обезжиривание,
травление и полирование металлов: Учебное пособие. / С.Я. Грилихес - Л.:
Машиностроение, 1977. - 112 с.
8. Лайнер В.И. Основы
гальваностегии, II часть: Учебное пособие. / В.И. Лайнер, Н.Т. Кудрявцев М.: Металлургиздат, 1957. - 647 с.
9. Мельников П.С. Справочник
по гальваническим покрытиям в машиностроении: Учебное пособие. / П.С. Мельников - М.: Машиностроение, 1979. - 289 с.
10. Павлов К.Ф. Примеры
и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие. /
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков - Л.: Химия,
1987. - 575 с.
11. Правила устройства электроустановок. Шестое издание.
Дополненное с исправлениями. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 608 с.
12. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии: Учебное пособие.
/ И.В. Семенова, Г.М. Флорианович - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.
. Сосновская Н.Г. Курсовое
и дипломное проектирование. Общие требования и правила оформления: Методические
указания для студентов специальности «Технология электрохимических
производств». / Н.Г. Сосновская, В.А. Бородкина, Н.В. Истомина - А.: АГТА,
2009. - 89 с.
. Сосновская Н.Г. Оборудование электрохимических производств:
Учебное пособие. / Н.Г. Сосновская, Н.В. Истомина, Е.Н. Ковалюк - А.: АГТА,
2005. - 100 с.
. Сосновский Г.Н. Основы электрохимической технологии.
Гальванотехника: Учебное пособие. / Г.Н. Сосновский, Н.Г. Сосновская - А: АГТА,
2004. - 108 с.
16. Усанкин Н.Г. Автоматические
гальванические линии с программным управлением: Учебное пособие. / Н.Г. Усанкин
- М.: Машиностроение, 1977. - 512 с.
17. Фокин М.Н. Защитные покрытия в химической промышленности:
Учебное пособие. / М.Н. Фокин, Ю.В. Емельянов - М.: Химия, 1981. - 304 с.
. Ямпольский А.М. Краткий
справочник гальванотехника: Учебное пособие. / А.М. Ямпольский, В.А. Ильин Л.: Машиностроение, 1987. - 270 с.
19. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических
покрытий. - Л.: Машиностроение, 1972. - 464 с.
20. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Оборудование цехов электрохимических
покрытий. - Л.: Машиностроение, 1971. - 288 с.
21. Флеров В.Н. Сборник
задач по прикладной электрохимии. - М.: Высш. школа, 1987. - 319 с.
23. Гороновский Н.М., Квят Э.И. Краткий справочник
физико-химических величин. - Л.: Химия, 1967. - 611 с.