Тепловой баланс ванной электрохимического обезжиривания

Это конвекционное движение играет только вспомогательную, подготовительную роль. По окончании процесса обезжиривания выключают ток и добавляют в ванну небольшое количество жидкости (из расчета примерно 0,5 л на 1 м² зеркала ванны). Эта добавка поднимает уровень раствора немного выше края кармана и вызывает быстрый и полный слив пены и грязи с поверхности раствора в карман. Направленное в сторону кармана движение поверхностного слоя раствора создается нагревающим змеевиком, расположенным в сравнительно узкой полости между противоположной карману торцовой стенкой ванны и приваренным к продольным стенкам ванны экраном, поднимающимся несколько выше верхней трубы змеевика, но не доходящим до уровня раствора на 20- 40 мм и спускающимся ниже нижней трубы змеевика, но не доходящим до дна тоже на 20—40 мм (рис. 12).

Нагревшийся около змеевика раствор поднимается вдоль змеевика вверх, затем по верхнему слою раствор движется в сторону кармана, частично подгоняя к нему пену на поверхности. Затем, остывая, слой раствора опускается на дно и подсасывается оттуда обратно в отделение змеевика. Чтобы грязная пена при доливе раствора переливалась в карман ровной сплошной струей по всей ширине ванны, не застаиваясь и не взмучиваясь, что очень важно для хорошей очистки зеркала, верхняя кромка кармана должна простираться поперек всей ванны, от одной до другой боковой стенки и иметь на всем протяжении совершенно ровную, строго горизонтальную кромку. Небольшая неровность или негоризонтальность верхнего края (кромки) кармана вызовет стекание пены через наинизшую точку, застаивание в других местах, взмучивание в верхнем слое раствора и его загрязнение. Выполнение этих требований к верхней кромке кармана очень важно для нормальной работы установки.

Боковые и нижний края перегородки (стенки) кармана должны быть наглухо приварены к боковым стенкам и дну ванны Торцовая стенка ванны образует заднюю стенку кармана. Таким образом, глубина камана равна рабочей глубине ванны. Это нужно для того, чтобы попадающая в него пена с раствором могла отстояться, твердые тяжелые загрязнения осели на дно, легкие жиры и масла всплыли наверх, а в середине остался достаточно чистый раствор, который следует использовать для долива ванны перед очередной ее разгрузкой.

Доливать ванну все время чистой водой нерационально: она не успеет разложиться под действием тока или испариться за 2—3 мин обезжиривания, в результате чего раствор будет разбавляться водой и переливаться в канализацию. Поэтому в наружной стенке кармана на уровне примерно ¼—1/3 высоты кармана от дна делают сливной кран для отбора раствора и доливки его вручную или, лучше, отвод к заборному отверстию небольшого ручного насоса укрепленного в удобном месте снаружи ванны, выходная труба которого выведена в ванну через верхний край в конце, противоположном карману.

По современным мировым тенденциям для очистки электролита от жировых загрязнения применяются специальные фильтровальные установки. В предлагаемых установках фильтровальный материал изготовлен из волокон полипропилена. Благодаря тому, что данный материал положительно заряжен (с напряжением 10'000 В), он может абсорбировать жидкие и твердые жировые загрязнения из жидкости ванны. Абсорбционная способность обезжиривающего «спагетти» в 5−12 раз больше его собственной массы.

Данный полипропиленовый материал улавливает только жировые загрязнения из жидкости ванны. Все остальные необходимые компоненты раствора в ванне останутся нетронутыми.

4. Исходные данные Состав электролита обезжиривания:

NaOH = 20 — 40 г/л;

Na3PO4 = 5 — 15 г/л;

Na2SiO3 = 10 — 30 г/л;

Обезжир. ДВ 301 = 1,4 — 1,9 г/л;

Режим работы ванны:

Температура электролита = 50 — 70 оС;

Плотность тока = 2 — 8 А/дм2;

длина детали = 60 мм;

ширина детали = 40 мм;

толщина = 2 мм.

Количество единовременно завешиваемых в ванну деталей — 104 штуки.

5. Расчет теплового баланса ванны электрохимического обезжиривания.

5.

1. Нестационарная модель теплового баланса Как правило, во всем объеме электролизера температура примерно одинаковая, поэтому электрохимический аппарат можно рассматривать как зону идеального смешения.

Скорость изменения тепла в зоне идеального смешения () определяется разностью скорости поступления тепла с входящими потоками и скорости отвода тепла с выходящим потоком плюс скорость изменения тепла за счет источников тепла внутри зоны идеального смешения:

(5.1).

где V — объем зоны идеального смешения (объем электролита в электрохимическом аппарате);

— удельная теплоемкость электролита, Дж/кг/град;

Т — температура электролита, 0К; t — время, с;

— суммарная интенсивность источников тепла в зоне идеального смешения, Дж/с.

Тепловой баланс электрохимического аппарата можно оценить по изменению температуры электролита за интервал времени. Предполагают, что объем электролита в электролизере, а также его плотность и теплоемкость за выбранный интервал времени меняются незначительно, тогда уравнение (5.1) можно записать в следующем виде:

(5.2).

Изменение температуры электролита за интервал времени составит:

(5.3).

При таком оценочном расчете делается допущение, что интенсивности источников тепла (передача тепла через стенку и дно электролизера, с зеркала электролита, а также перенос тепла в процессе испарения) остаются постоянными. Если изменение температуры будет величиной положительной, то электролит нагревается, а если отрицательной — то охлаждается. Нагрев электролита на не повлечет за собой изменение теплового режима процесса, так как одновременно с этим произойдет увеличение потерь тепла в результате обмена с окружающей средой. При более значительном изменении температуры необходимо предусмотреть нагревающие или охлаждающие теплообменники и вновь повторить расчет теплового баланса.

5.

2. Расчет суммарной интенсивности источников тепла Суммарная интенсивность источников тепла:

(5.4).

Интенсивности источников тепла за счет явлений переноса и за счет химической реакции не учитываем:

5.

2.1 Интенсивность источника тепла при прохождении через раствор электрического тока.

Количество выделяющегося тепла в результате прохождения электрического тока рассчитывается по уравнениям:

(5.5).

где напряжение на штангах ванны, В;

тепловое напряжение разложения для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны;

выход по току для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны;

Тепловое напряжение.

(5.6).

где изменение энтальпии для данного электрохимического превращения;

(5.7).

Пересчитываем при 600С по формуле.

.

где — теплоемкость веществ, ккал/г;

— молекулярная вес вещества, г;

— разность температур, К;

— энтальпия вещества при 298(С;

Для воды: ,.

Для водорода: ,.

Для кислорода: .

Изменение этальпии системы:

(5.8).

Тепловое напряжение разложения воды:

Количество теплоты, выделившееся за 1час работы:

3,6∙162∙1(3,93−1,33∙1)=1516 кДж/ч.

Потери тепла с поверхности электролита (Sэл=1,12м2) по механизму излучения (ур. 4.25) равны:

Степень черноты излучающей поверхности для раствора близок к значению (=0,95 для воды На границе электролит-воздух происходит передача тепла по механизму конвекции:

Для того чтобы найти коэффициент теплоотдачи, можно воспользоваться уравнениями табл.

4.2[2]. Для этого проверяют значение параметра:

где — ширина электролизера.

И для горизонтальной пластины по табл 4.2 [2] выбираем:

Тогда потери тепла с зеркала электролита за счет конвекции равны:

5.2 Перенос тепла при переходе в другое агрегатное состояние Процесс испарения воды сопровождается уносом тепла, что приводит к охлаждению электролита. Скорость передачи тепла зависит от интенсивности испарения воды и скрытой теплоты парообразования в соответствии со следующим уравнением:

(5.9).

где — равновесное испарение воды в объем выделяющегося или барботируемого газа, кг/(м2∙с);

— конвективный унос паров воды c поверхности зеркала электролита, кг/(м2∙с);

— скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Скрытая теплота парообразования при температуре электролита может быть рассчитана по формуле:

(5.10).

где Дж/кг — удельная теплота парообразования при температуре кипения Ткип=373 К;

Ткр — критическая температура воды, равная 647 К.

Дж/кг Дж/с.

5.

3. Расчет удельной теплоемкости электролита Удельная теплоемкость электролита рассчитывается как сумма произведений удельных теплоемкостей отдельных компонентов системы на их безразмерные концентрации:

(5.10).

где — удельная теплоемкость i-го компонента, взятая из справочника[4], Дж/(кг∙К);

xiмассовая доля i-го компонента.

cp, i=CpNaOH*χNaOH+Cp Na3PO4*χ Na3PO4+Cp Na2SiO3*χ Na2SiO3+CpH2O* *χH2O=1470*0.030+190*0.010+133*0.020+4187*0.940=3984.

4 Дж/(кг*К).

5.

4. Расчет теплового баланса Суммарная интенсивность источников тепла:

Дж/с Изменение температуры электролита за время обезжиривания:

ΔТ=-8477,43/(1,08*3984,4*0,975)=-2,02.

Так как, то, следовательно, электролит остывает. Так как необходимо предусмотреть нагревающий теплообменник.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта был рассчитан:

Тепловой баланс ванны электрохимического обезжиривания. Так же были рассчитаны: а) Интенсивности источников тепла. б) Перенос тепла при переходе в другое агрегатное состояние. в) Удельная теплоёмкость электролита. В результате всех расчётов можно сделать вывод: Так как, то, следовательно, электролит нагревается.

Скорость изменения температуры электролита 0,04. Следовательно, нагрев не повлечет за собой изменение теплового режима процесса, так как одновременно с этим произойдет увеличение потерь тепла в результате обмена с окружающей средой. поэтому, нет необходимости использовать охлаждающие устройства.

1. Гальванотехника для мастеров: Справ. изд./ Вирбилис С. Пер. с польск./.

Под ред. А. Ф. Иванова.

М.: Металлургия, 1990. 208 с.

2. Дасоян М. А., Пальмская И. Я., Сахарова Е. В. Технология электрохимических покрытий.

Л.: Машиностроение 1989.-391 с.

3. В. В. Окулов. Цинкование. Техника и тенология/ ред. Проф. В. И. Кудрявцева — М: Глобус, 2008 — с. 252;

4. Методы исследования кинетики электродных процессов: учебно-методическое пособие /В.М. Рудой, Т. Н. Останина, И. Б. Мурашова, А. Б. Даринцева. — Екатеринбург: Издательство Урал. Ун-та, 2013;112 с.

5. Справочник химика. Т.З. /Под ред. Б. П. Никольского: 2-е издание.

М.- Л.: Химия, 1964.-1000с.

6. Основы гальваностегии под ред. П. С. Титова: Москва 1936 год.

7. С. А. Лобанов Практические советы гальванику — Л. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983 — 248 с.