Нагрев раствора химического никелирования паровой рубашкой
Вопрос.
Здравствуйте. Скажите можно ли заполнить пространство между внутренней и внешней ванной паром при химическом никелировании (паровая рубашка). Если нет, то почему. И как рассчитывается расход пара паровой рубашки при хим. никелировании.
Ответ.
При обогреве растворов паровой рубашкой форма ёмкости (реактора), как правило, должна быть цилиндрической или сферической формы. Дело в том, что при температуре промышленного пара 120 или 130°С его давление составляет от 2 до 3 атмосфер, соответственно. Для эффективного нагрева раствора химического никелирования до температуры выше 90°С температура греющего пара должна быть не менее 120°С. Если пар с такой температурой и соответствующим давлением подать в ёмкость с прямоугольными стенками, то вероятность, что её раздует, очень велика.
В том случае, если никелирование проводится в низкотемпературных растворах, то рубашку можно заполнить водой, а её подогрев проводить с помощью ТЭНа.
Ванны химического никелирования могут нагреваться либо непосредственно ТЭНами, либо с помощью паровой или водяной рубашки, либо погружными или выносными пластиковыми теплообменниками.
Достоинством парового обогрева является:
- бóльшая греющая поверхность и, соответственно, более низкая температура греющей поверхности, что снижает вероятность саморазложения раствора из-за перегрева;
- меньшие расходы на теплоноситель, так как нагрев ТЭНами, как правило, дороже.
Недостатками парового нагрева раствора являются:
- необходимость устройства паровой рубашки, подведения пара и отвода конденсата;
- сложность устройств автоматического поддержания температуры рабочего раствора;
- требуется наличие на предприятии самого пара;
- предъявляются более высокие требования к прочности корпуса ванны, так как пар подаётся под давлением;
- требуется установка конденсатоотводчика (устройство, которое пропускает только конденсат и не пропускает пар), для исключения вероятности неполной конденсации пара (пролётный пар).
Достоинства непосредственного обогрева ТЭНами:
- простота конструкции ванны (отсутствие рубашки);
- простота и удобство регулирования температуры;
- отсутствие коммуникаций для подвода пара и отвода конденсата.
Недостатки непосредственного обогрева ТЭНами:
- Более высокая температура поверхности ТЭНов, что может привести к инициированию саморазложения раствора химического никелирования вблизи и на поверхности ТЭНа.
Достоинства подогрева теплообменниками:
- простота конструкции ванны (отсутствие рубашки);
- большая величина поверхности теплообменника по сравнению с поверхностью ТЭНа, что позволяет снизить температуру теплообменника и таким образом снизить вероятность саморазложения раствора.
Недостатки подогрева теплообменниками:
- если в теплообменник подаётся пар, то требуются коммуникации для подвода пара и отвода конденсата;
- более сложная и дорогая запорно-регулирующая арматура для автоматического поддержания температуры;
- необходимость установки конденсатоотводчика.
При расчёте расхода пара для первоначального разогрева раствора и поддержания рабочей температуры необходимо учитывать расход тепла на разогрев раствора и потери тепла через стенки ванны и зеркало электролита.
Расчёт расхода теплоты на разогрев ванны
Количество теплоты Qраз, необходимое для разогрева ванны, рассчитывается по формуле:
Qраз = Q1 + Q2 / 2 ,
где Q1 – расход теплоты на разогрев раствора, материала, из которого изготовлена сама ванна, и на разогрев футеровки ванны;
Q2 – тепловые потери за время разогрева ванны.
В процессе разогрева ванны температура повышается от цеховой до рабочей, поэтому принимается, что в процессе разогрева средняя величина тепловых потерь равна (Q2 / 2).
Величину Q1 определяют как:
Q1 = (V1 · c1 · γ1 + c2 · m2 + c3 · m3)•(tк - tн),
где V1, c1, γ1 – объем, удельная массовая теплоемкость и плотность нагреваемого раствора, соответственно;
c2 и c3 – теплоемкости материалов корпуса ванны и футеровки (для стали - около 500 Дж/кг•град., для винипласта – около 1630 Дж/кг•град., для полипропилена и поливинилиденфторида – 1930 Дж/кг•град.;
m2 и m3 – массы корпуса ванны и футеровки;
tк и tн – конечная и начальная температуры раствора.
Для ориентировочных расчётов для разбавленных растворов (с общей концентрацией компонентов до 100 г/л) допустимо принять плотность и теплоемкость воды 1000 г/л и 4180 Дж/кг•град.
Для концентрированных растворов теплоемкость можно рассчитать по принципу аддитивности:
с1 = ∑ сi · рi ,
где сi u рi – соответственно, теплоемкости и массовые доли компонентов раствора, включая воду.
Количество теплоты, расходуемой на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду, складывается из потерь теплоты Q3, отдаваемой нагретой жидкостью через стенки ванны, и потерь теплоты Q4 через зеркало электролита за счёт испарения:
Q2 = Q3 + Q4 ,
Потери теплоты через стенки ванны:
Q3 = k · Fk · tp · (tк - tн) ,
где k - коэффициент теплопередачи через стенки ванны от раствора в ванне к воздуху;
Fk – поверхность корпуса ванны;
tр – время разогрева (обычно 3600—7200 с).
Коэффициент теплопередачи может быть рассчитан как:
,
где α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи на границе поверхности стенки с раствором и с воздухом (при свободном движении раствора и воздуха соответственно α1 = 900 Вт/м2·град, α2 = 6 Вт/м2·град);
δ – толщины слоев стенки, м;
λ – теплопроводность отдельных слоев стенки, Вт/(м·град):
для стали – 46; для полипропилена – 0,163—0,22; винипласта – 0,15—0,16; асбеста, иногда используемого для наружной изоляции ванн, – 0,15; минеральной ваты – 0,05.
Пример расчёта коэффициента теплопередачи для полипропиленовой и поливинилиденфторидной ванны с толщиной стенки 15 мм, толщиной теплоизоляционного слоя минеральной ваты 50 мм и толщиной теплоизоляционного кожуха 5 мм:
Если нет минеральной ваты и кожуха, то
Коэффициенты α1 и α2 могут быть определены по эмпирическим уравнениям с учетом величины критериев Грасгофа и Прандтля. Однако иногда расчет по этим уравнениям затруднен из-за отсутствия в технической литературе целого ряда справочных величин, используемых в уравнениях. По этой причине нередко теплопотери Q3, а также и Q4 определяют приближенно путём перемножения величины теплоотдающей поверхности (корпуса ванны Fk или зеркала электролита Fз) на величину удельных потерь теплоты q через стенки ванны или через зеркало электролита и на время разогрева ванны tр:
Q3 = q3 Fk tр
Q4 = q4 F3 tр
Величина удельных потерь теплоты q3 (Вт/м2) через стенки ванны в интервале температур t в ванне 40—100°С равна:
q3 = b0+ b1 · t ,
Коэффициент | Толщина теплоизоляционного слоя, мм | |||
0 | 25 | 50 | 75 | |
b0 b1 |
-397 15,23 |
-40,54 2,435 |
-24,85 1,357 |
-13,92 0,909 |
Удельные теплопотери q4, (Вт/м2) через зеркало электролита в интервале его температуры t = 30—100°С могут быть вычислены по эмпирическому уравнению
q4 = 82 + 0,0115 · t3
Расход теплоты на поддержание рабочей температуры.
Количество теплоты Qраб, необходимое для поддержания рабочей температуры в ванне химической обработки, складывается из расхода теплоты Q2 на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду и расхода теплоты Q5 на нагрев приспособлений с деталями, периодически поступающих в ванну.
Таким образом,
Qраб = Q2 + Q5
Расчёт величины Qраб удобно вести на 1 час. В этом случае величины Q2 и Q5 могут быть вычислены по уравнениям:
Q2 = 3600 ·(q3 · Fk + q4 · F3);
где с4 и с5 – удельные теплоемкости материалов приспособления и обрабатываемых деталей;
m4 и m5 – массы приспособления и обрабатываемых деталей одной единичной загрузки;
– количество загрузочных единиц, обрабатываемых в ванне за 1 час;
Расчёт поверхности паровой рубашки или парового теплообменника
При разогреве ванны интенсивность тепловыделения значительно выше, чем в период поддержания рабочей температуры. Поэтому расчёт греющей поверхности рассчитываются, исходя из величины Qраз.
Минимально необходимая греющая поверхность Sгреющ равна:
где k – коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к нагреваемому водному раствору, Вт/(м2 град);
Δtср – средний температурный напор, град;
τр – время разогрева ванны, с.
Величина k зависит от характера движения жидкости в ванне и толщины теплопередающей стенки. В случае вынужденного движения электролита в ванне k = 800—3500, а при свободном движении k = 300—1200 Вт/(м2 град). При расчете рекомендуется использовать следующие значения k:
- при отсутствии перемешивания в ванне – 800—1000 Вт/(м2 · град);
- при перемешивании – 1400—1500 Вт/(м2 · град).
Средний температурный напор в нагреваемых ваннах вычисляют по формуле:
,
где и tн – начальные температуры пара и нагреваемого раствора, соответственно;
и tк – конечные температуры конденсата и раствора.
Обычно температуры пара и конденсата одинаковы, так как теплосодержание конденсата существенно ниже теплоты испарения.
Расход пара в период разогрева составит:
,
где Iп и Iконд – соответственно удельное теплосодержание (энтальпия) греющего пара и конденсата (Iп = 2726 кДж/кг; Iконд = 546,8 кДж/кг).
Аналогично часовой расход пара на поддержание рабочей температуры будет равен:
,
24.04.2015