Расчёт расхода пара, сжатого воздуха, воды и электроэнергии

В гальванических цехах обычно нагревают электролиты и воду для промывки деталей паром. В данном курсовом проекте нагревают электролит обезжиривания (до 80⁰С), производится промывка в теплой воде (до 60⁰С), промывка в горячей воде (до 90⁰С), электролит меднения (до 25⁰С), электролит никелирования (до 60⁰С). При расчёте расхода пара необходимо учитывать расход на разогрев воды и электролитов и расход пара на поддержание рабочей температуры. Время разогрева зависит от объёма ванн и давления пара и принимается примерно за 1 час. Расход пара на разогрев рассчитывается по формуле:

Р₁ = Р_р * t_р; (22)

где Р_р – норма расхода пара на разогрев раствора в ванне заданного размера до рабочей температуры, кг/ч;

t_р – время разогрева, ч

Р_1обез. = 56 * 1 = 56 кг

Р_{1тепл промыв.} = 30 * 1 = 30 кг

Р_{1гор промыв.} = 55 * 1 = 55 кг

P_1травл.= 56*1=56 кг

Р_{1 никель.} = 56 * 1 = 56 кг

Расход пара на поддержание рабочей температуры:

Р₂ = Р_р.п. * t_р.п.; (23)

где Р_р.п. – норма расхода пара на поддержание рабочей температуры, кг/ч;

t_р.п. – время работы ванны (за исключением времени разогрева), ч.

Р_2обез. = 11.2 * 15 = 168 кг

Р_{2тепл промыв.} = 9.0 * 15 = 135кг

Р_{2гор промыв.} = 10 * 15 = 150 кг

P_2травл.=11.2*15 =168 кг

Р_{2 никель.} = 11.2* 15 = 168 кг

Определив расход пара, исходя из вышеперечисленных норм рассчитывают годовой расход пара

Р_год = (Р₁ + Р₂) Т, (24)

где Т – число рабочих дней в году.

Р_{годобез.} = (56 +168) * 253 =56672кг = 56, 6 т

Р_{годтеплпромыв.} = (30+135) * 253 = 41745кг =41, 7 т

Р_{годгор.ромыв.} = (55+150) * 253 =51865 кг =51.8т

Р_{годтравл.} =(56+168) *253 = 56.6кг =56.6 т

Р_{год никель.} = (56+168) * 253 *3=169.8т

Р_{год.общ.}= 56.6+ 41.7+51.8+56.6+169.8= 376.5т

Полученные данные по расходу пара сводятся в форму 2.

Расчёт расхода сжатого воздуха

В гальванических цехах сжатый воздух расходуется, в основном на

перемешивание растворов и электролитов, а также воды. Кроме того сжатым воздухом производят обдувку деталей. На обдувку расход сжатого воздуха при давлении 0, 2-0, 3 МПа составляет 15-20 м³/ч.

Расход сжатого воздуха на перемешивание 1 л раствора или электролита составляет (л/мин): 0, 5 при слабом перемешивании, 1, 0 – при среднем, 1, 5 – при сильном. Объем сжатого воздуха рассчитывается по формуле:

V_{сж.возд.} = V_эл.*К*τ *n/1000, (25)

Где V_эл – объём электролита, л;

К- коэффициент перемешивания;

τ - время работы ванны, мин;

n – количество ванн, шт

Данным курсовым проектом принимается:

слабое перемешивание (а=0, 5) для ванны промывки в теплой и горячей воде,

среднее перемешивание (а=1) для ванн электрохимического обезжиривания, меднения, никелирования, улавливания;

сильное перемешивание (а=1, 5) для ванн холодной промывки

Объем сжатого воздуха для теплой, горячей промывки равен:

V_{сж.возд.тепл.пром}=1159.2*0, 5*960*2/1000=1112, 8 м³

Объем сжатого воздуха для электрохимического обезжиривания, промывки-улавливания, меднения, никелирования равен:

V_{сж.возд.}= 1159.2*1, 0*960*7/1000= 7789.82 м³

Объем сжатого воздуха для процесса промывки в холодной воде равен:

V_{сж.возд.пром..} = 1159.2*1, 5*960*4/1000= 6676.99 м³

Объём сжатого воздуха для сушки:

V_{сж.возд.суш}=20*4015=80300м³

Годовой объем сжатого воздуха равен:

V_{сж.возд.год}=80300+ (1112, 8 +7789.82 +6676.99)*253 = 4021941.33 м³=40.2*10⁵

Вода расходуется в основном на промывку деталей. Расход воды на составление растворов является периодическим и составляет небольшую часть общего расхода. Вода после промывки попадает в канализацию, поэтому целью промывки является не только удаление растворов с поверхности деталей, но и их минимальное попадание в сточные воды. Существует две схемы промывки: одноступенчатая и многоступенчатая. Одноступенчатая промывка применяется в тех случаях, когда растворы имеют низкую концентрацию или после какой - то операции не требуется тщательной промывки, например между химическим и электрохимическим обезжириванием, осветлением и пассивированием, между дополнительной активацией в цианидном растворе и т.д. Многоступенчатую промывку применяют после химического или электрохимического обезжиривания, перед нанесением покрытий в кислых электролитах, после анодного окисления, химического оксидирования стали, электрохимического полирования, в других случаях. Многоступенчатая промывка делится на прямоточную и противоточную. Методы промывки могут быть различными: погружной, струйный и комбинированный. При обработке деталей на подвесках, имеющих пазы, углубления и т.п., а также при обработке деталей насыпью применяется погружной способ; при обработке деталей сложной конфигурации без пазов и углублений и после обработки в трудносмываемых растворах – комбинированный. Каждая из схем промывки может иметь ванну улавливания. Минимальная продолжительность промывки 20 сек.

Расход воды (л/м²) для любой схемы промывки в соответствии с ГОСТ 9.305 – 84 определяется по формуле:

Q^p_N = q ⁰·F, (26)

где q – удельный вынос электролита (раствора) из ванны поверхностью деталей, л/м²;

N – число ступеней (ванн) промывки;

К⁰ – критерий окончательной промывки деталей;

F – промываемая поверхность загрузки ванн, м²/ч (соответсвует производительности линии).

Для одноступенчатой промывки расход воды определяется по формуле:

Q = q·K₀·F (27)

Для двухступенчатой промывки расход воды определяется по формуле:

Q = q ₀·F (28)

Критерий окончательной промывки К₀, показывающий, во сколько раз следует снизить концентрацию основного компонента электролита (раствора), выносимого поверхностью деталей до предельно допустимых

значений в последней ванне промывки, определяют по формуле:

К₀ = С₀/С_п, (29)

где С₀ – концентрация основного компонента в электролите, применяемом для операции, после которой производится промывка, г/л;

С_п – предельно допустимая концентрация в воде после операции промывки, г/л.

В данном курсовом проекте предусматривается промывка деталей: после обезжиривания – двухступенчатая прямоточная погружная, после травления – двухступенчатая прямоточная погружная, после меднения– двухступенчатая прямоточная погружная, после никелирования – трехступенчатая прямоточная погружная.

Критерий окончательной промывки для процесса обезжиривания равен:

К₀ = 40/0, 8 = 50

После процесса обезжиривания до процесса травления расход воды равен:

Q₁= 0, 2*19.18*√ 50= 27, 12 л/ч

Критерий окончательной промывки для процесса травления равен:

К₀ = 250/0, 1 = 2500

После процесса травления до меднения расход воды равен:

Q₂= 0, 2*19.18*√ 2500=198 л/ч

Критерий окончательной промывки для процесса меднения равен:

К₀ = 40/0, 02 =2000

После процесса меднения до процесса никелирования расход воды равен:

Q₃= 0, 2*19, 18*√ 2000= 177.012 л/ч

Критерий окончательной промывки для процесса никелирования равен:

К₀ = 300/0, 02 = 15000

После процесса никелирования до процесса сушки расход воды равен:

Q₄= 0, 2*19, 18*√ 15000 =97.4 л/ч

Если перед промывкой имеется одна ванна улавливания, удельный расход воды уменьшается введением коэффициента К₁=0, 4. При комбинированной промывке в расчет годового расхода воды вводится коэффициент 0, 5. Расчетный расход воды увеличивается в 1, 5 раза на случай падения напора в водопроводной сети.

Годовой расход воды равен:

Q_год= (Q₁+ Q₂+Q₃+Q₄)*Ф_в*К*1, 5 (30)

Q_год = (27, 12+198+177.012*0, 4+97.4*0, 4)*4015*1, 5 = 2016843.708л = 2016.843708 м³

Все данные по расходу воду сводятся в форму 3

Вследствие большого количества вредных веществ, которые выделяются во время химической и электрохимической обработки, гальванические цеха относятся к категории вредных производств.

Для создания нормальных условий труда цеха должны иметь приточно–вытяжную вентиляцию. Кроме того, многие ванны должны быть

оборудованы местными бортовыми отсосами, обеспечивающими отвод вредных примесей с зеркала электролита или раствора. Бортовые отсосы устанавливаются по длине ванны. Бортовые отсосы могут быть одно – и двусторонними. По конструкции их делят на простые (щелевое окно расположено перпендикулярно к зеркалу электролита) и опрокинутые (щель расположена параллельно зеркалу).

Расчет объема воздуха, отсасываемого от зеркала ванн, производят по формуле:

L = L₀·K_{Δ t}·K_T·K₁·K₂·K₃·K₄, (31)

где L₀ – удельный объем воздуха, отсасываемого от ванн, м³/ч;

K_{Δ t} – коэффициент, учитывающий разность температур раствора и помещения, табличное значение;

K_T – коэффициент, учитывающий токсичность и интенсивность выделения вредных веществ, табличное значение;

K₁ – коэффициент, учитывающий тип отсоса, для двухбортового отсоса без поддува и однобортового с поддувомK₁ = 1, 0, для однобортовых отсосов без поддуваK₁ = 1, 8, для двухбортового с поддувомK₁ = 0, 5;

K₂ – коэффициент, учитывающий воздушное перемешивание раствора, барботаж, принимается равное 1, 2;

K₃ – коэффициент, учитывающий укрытие зеркала электролита плавающими телами;

K₄ – коэффициент, учитывающий укрытие зеркала электролита путем введения ПАВ.

Так как в данном курсовом проекте зеркало ванны не укрывается плавающими телами, а также не вводятся ПАВ, коэффициенты вводимые при вышеуказанных условиях не используются.

Удельный объем отсасываемого воздуха L₀ определяется по

следующим формулам:

для отсосов простых и опрокинутых без поддува

L₀ = 1400·(0, 53·(В_вн/В_вн + L_вн) + Н₁)·0, 66· В_вн, (32)

где В_вн, L_вн – внутренние ширина и длина ванны, м;

Н₁ – расстояние от зеркала электролита до борта ванны, обычно равное 0, 2 м;

для отсосов, опрокинутых с поддувом,

L₀ = 1200·В_вн^{1, 5} ·L_вн·К_t·К₁, (33) Данным курсовым проектом предлагается установить двухбортовые опрокинутые отсосы без поддува на ванны обезжиривания, теплой и горячей промывки, активации, меднения и никелирования.

Удельный объем воздуха для ванны обезжиривания равен:

L₀ = 1400·(0, 53·(0, 63/0, 63 +1.6) + 0, 2)·0, 66·0, 63 = 203.74

Расчет объема воздуха для обезжиривания равен:

L = 203.74·1, 94·0, 8·1·1, 2 = 379.44 м³/ч

Удельный объем воздуха для ванны теплой промывки равен:

L₀ = 1400·(0, 53·(0, 63/0, 63 +16) + 0, 2)·0, 66·0, 63 = 203.74

Расчет объема воздуха для теплой промывки равен:

L = 203.74·1, 63·0, 8·1·1, 2*1 =318.81м³/ч

Удельный объем воздуха для ванны горячей промывки равен:

L₀ = 1400·(0, 53·(0, 63/0, 63 +16) + 0, 2)·0, 66·0, 63 = 203.74

Расчет объема воздуха для горячей промывки равен:

L = 203.74·1, 94·0, 8·1·1, 2*1 =379.44 м³/ч

Удельный объем воздуха для ванны травления равен:

L₀ = 1400·(0, 53·(0, 63/0, 63 +1, 12) + 0, 2)·0, 66·0, 63 = 203.74

Расчет объема воздуха для травления равен:

L =203.74·1.47·0, 8·1·1, 2 = 287.51м³/ч

Удельный объем воздуха для ванны меднения равен:

L₀ = 1400·(0, 53·(0, 63/0, 63 +1, 12) + 0, 2)·0, 66·0, 63 = 203.74

Расчет объема воздуха для меднения равен:

L =203.74·1·0, 8·1·1, 2*1 =195.59м³/ч

Удельный объем воздуха для ванны никелирования равен:

L₀ = 1400·(0, 53·(0, 63/0, 63 +1, 12) + 0, 2)·0, 66·0, 63 = 203.74

Расчет объема воздуха для никелирования равен:

L = 203.74·1, 63·0, 8·1·1, 2*3 = 956.43 м³/ч

L_год = (379.44+318.81+379.44+287.51+195.59+956.43)*4015= 10106638.3 м³

Компенсацию оттока воздуха, уходящего в вытяжную вентиляцию, обеспечивает приточная вентиляция. Объем приточного воздуха должен быть на 5% меньше объема вытяжного воздуха.

V_{прит.возд.}= 0, 95V_{выт.возд.} (34)

Определив тип бортовых отсосов и системы воздухопроводов, подсчитываются суммарный объем воздуха, отсасываемый от системы, и подбираются соответствующие вентиляторы. Для выбора вентилятора приточной вентиляции суммируют расход воздуха всех систем вытяжной вентиляции и умножают его на коэффициент 0, 95, после чего подбирают соответствующий вентилятор.

V_{прит.возд}= 2708*0, 95 =2391.35м ³/ч

В связи с этим выбирается соответствующий вентилятор

Таблица 8 – Техническая характеристика вентилятора

Нагрев воздуха в приточных вентиляционных установках осуществляется калориферами; в зависимости от теплоносителя они бывают водяные – ВНВ и паровые – ВНП. Площадь поверхности нагрева определяется по формуле:

F = Q/K·θ _ср, (35)

где Q – тепловая нагрузка теплообменного аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·град;

θ _ср – средний температурный напор, ⁰С.

Тепловая нагрузка теплообменника определяется по формуле:

Q = L·C_возд·(t₁-t₀), (36)

где L – количество нагреваемого воздуха, м³/с;

t₀, t₁ – начальная и конечная температура нагревания воздуха в калорифере, град;

C_возд – удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг·град.

Для кожухотрубчатых и пластинчатых калориферов с паровым обогревом коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

К = 1, 162(2+√ ω _к), (37)

где ω _к – скорость движения воздуха в калорифере.

Определяем тепловую нагрузку:

Q = 0, 66·1290·(353-293) =51084 Вт

Определяем коэффициент теплопередачи:

К = 1, 162(2+√ 10) = 28 Вт/м²·⁰К

Определяем площадь поверхности:

F= 51084/28·83 = 21.98 м²

Определив общую площадь нагрева, подбирается калорифер, поверхность нагрева которого не меньше полученной по расчету. Данным курсовым проектом предлагается использовать калорифер КСк3 с площадью нагрева

22 м².

Потребителями электроэнергии являются:

1. Источники постоянного тока

2. электродвигатели;

3. сушильные агрегаты;

4. вентиляторы;

5. лампы для освещения.

1. Расход электроэнергии на работу источников постоянного тока

W₁= Р_вК_обnФ_в/ή, (38)

Где Р_в – мощность выпрямителя, кВт

К_об – коэффициент использования оборудования

Ф_в- действительный фонд работы оборудования, ч

N – число источников постоянного тока

ή – КПД источника постоянного тока

W_1обезж. = 19, 2*0, 9*1*4015/83= 835.89 кВт

W_1медн.=19.2*0, 9*1*4015/83= 835.89 кВт

W_{1никель.}=19.2*0, 9*2*4015/83= 1671.78 кВт

W_1травл. = 19, 2*0, 9*1*4015/83=835.89 кВт

W₁= W_1обезж.+W_1медн.+ W_1никел.+ W_1травл. ==835.89 +835.89 +1671.78+835.89 =4179.45 кВт

2. Расход электроэнергии на работу электродвигателей определяется по формуле:

W₂ = n·P_э·К_об·Ф_в, (39)

где P_э – мощность электродвигателя, кВт;

n- число электродвигателей

К_об- коэффициент использования оборудования

Ф_в–действительный фонд времени, ч

W₂ = 1·26, 3·0, 9·4015 =95035кВт

3. Расход электроэнергии на сушильные агрегаты:

W₃ = n·P_с·К_об·К_с·Фв, (40)

где P_с – мощность сушильного агрегата, кВт;

n – число сушильных агрегатов;

К_с – коэффициент использования сушильного агрегата; в автоматических линиях К_с=К_об.

W₃= 1·0, 9·0, 9·30·4015 = 97564, 5 кВт

4. Расход электроэнергии на работу вентиляторов:

W₄ = Р_в·n·Ф_в/η, (41)

где Р_в – мощность электродвигателя вентилятора, кВт;

n – число электродвигателей;

Ф_в – действительный фонд времени оборудования, ч;

η – КПД выпрямителя.

W₄ = 0, 6·2·4015/0, 776= 6208, 8кВт

5. Расход электроэнергии на освещение

W₅ = 0, 015·S_уч·Ф_в·К_осв, (42)

где 0, 015 – удельная норма мощности освещения, кВт/м²;

К_осв – коэффициент, учитывающий время, необходимое на освещение.

S_уч – площадь участка, м²;

В состав гальванических цехов входят основные производственные отделения и вспомогательные участки и службы. Вспомогательную площадь принимают в процентах от производственной площади: для автоматизированных – около 100-120%.

Потребная производственная площадь определяется по нормам на единицу оборудования.

S_призв.=n*H_р*К (43)

Где S_{произв.}- основная производственная площадь, м²

n – количество ванн, шт.

Н_р- норма площади на единицу оборудования, м²

К – коэффициент

S_призв.= 15*10*4=600 м²

S_вспом.=S_призв*120% (44)

S_вспом.=600 *120%= 720м²

S_общ.=S_призв.+ S_вспом. (45)

S_общ.= 600+720=1320м²

Таблица 10 – Норма площади на единицу оборудования

W₅ = 0, 015·1320·4015∙ 0, 9 =71547.3 кВт

W_год = W₁+W₂+W₃+W₄+W₅ (46)

W_год =4179.45 +95035+97564.5+6208.8+71547.3 =274535.056кВт