Тепловой баланс железнения

-\\-
...

Содержание

Введение 3
1. Хлоридный электролит 4
2. Задание на курсовой проект 5
3. Расчет габаритных размеров ванн 6
4. Расчет теплового баланса электролизера 8
4.1. Исходные данные для расчета теплового баланса и начальные приближения 8
4.2 Нестационарная модель материального баланса 9
4.3 Расчет суммарной интенсивности источников тепла 10
4.3.1 Интенсивность источника тепла при прохождении через раствор электрического тока 11
4.3.2 Перенос тепла при переходе в другое агрегатное состояние 12
4.3.3 Расчет удельной теплоемкости электролита 15
4.3.4 Расчет теплоты химической реакции растворения железа на аноде 15
4.3.5 Расчет теплового баланса 16
5. Заключение по технологической части 16
Библиографический список 17


 

Введение

На современном этапе развития промышленности в различных ее отраслях имеет место множество самых разнообразных стальных деталей, узлов и механизмов, в процессе работы которых происходит износ рабочих поверхностей. В результате изменяются не только размеры и форма деталей, но и качество их поверхностей, что оказывает влияние на процесс эксплуатации.
Деформация деталей приводит к изменению монтажных зазоров и натягов между сопряженными деталями и по мере увеличения, в конце концов превышает допустимые значения, за пределами которых становится невозможной нормальная работа машин и механизмов. Замена изношенных деталей новыми требует больших материальных затрат, а, значит, к снижению экономической эффективности производства.
Одним из широко распространенных и экономичных способов вос становления деталей является их электролитическое наращивание различными металлами, в частности, электролитическое восстановление изношенных деталей твердым электролитическим железом [1].
В железнении, также как и в любом другом гальваническом процессе, за счет прохождения электрического тока, испарения электролита, протекания химических реакций, за счет конструкции ванны, температура электролита может понижаться или повышаться. Так как гальванические процессы идут при постоянных параметрах, отклонение от нужной температуры нежелательно, поскольку может привести к некачественным покрытиям. Поэтому требуются теплообменники, работающие либо на нагрев, либо на охлаждение, в зависимости от того, охлаждается или нагревается электролит.
Цель работы – провести расчет всех источников тепла, определить теплоемкость электролита; вычислить изменение температуры в ходе процесса, на основании чего сделать вывод о необходимости нагрева или охлаждения электролита.  

Следовательно, при железнении в хлоридных электролитах нужно поддерживать установленные оптимальные значения рН.В горячих электролитах, работающих при Т=80-100°С и выше, значение рН поддерживают на уровне 1–2 ед., для чего в электролит добавляют соляную кислоту. В хлоридных электролитах, работающих при рН > 2 и температуре 18 – 20 °С для поддержания требуемой кислотности иногда применяют буферные растворы сульфата аммония, алюминия, марганца. Значение выхода по току железа связано не только с температурой электролита, но и с концентрацией солей железа. Хлоридные электролиты имеют высокую растворимость, которая еще больше увеличивается при повышенных температурах. Так, нагрев до 80–90 °С позволяет реализовать процесс при высоких плотностях тока. Выход по току составляет 80–90 %. К преимуществам хлористых электролитов относится их высокая производительность; к недостаткам – склонность к окислению кислородом воздуха, и недостаточно высокая буферная емкость. Составы хлоридных электролитов, применяемых для нанесения твердого покрытия железом с микротвердостью 5 ГПа представлены ниже [1- 4]:Компонентсодержание, г/лРежим осаждения1. FeCl2·4H2O………..……..450 HCl….……………..……..0,6-0,8t = 50-80 °С; ik = 10-80 А/дм2; pH = 2,0-3,0; Вт = 85%для покрытий большой толщины2. FeCl2·4H2O………..……..600 HCl….……………..……..0,8-1,0t = 60-100 °С; ik 140 А/дм2; pH = 1,0-2,0; Вт = 80-90%для толстослойных покрытий3. FeCl2·4H2O………..……...600 KCl….……………..……..100 MnCl2….…….……..…….15-20 Кислота аскорбиновая…..0,25-0,5t = 20-25 °С; ik = 20-30 А/дм2; pH = 2,0-3,0; Вт = 80-90%для пористых покрытийПеред железнением проводят анодное травление в растворе следующего состава (г/л) [4]:H2SO4………350-365Режим обработки: t = 15-30 °С; плотность тока для углеродистой стали 40-60 А/дм2, для чугуна 15-20 А/дм2, продолжительность обработки до 1 мин.После травления детали тщательно промывают в воде, мокрыми загружают в ванну, выдерживают без тока 10-180 с в зависимости от размера детали. В начале электролиза задают небольшой ток ik = 1-5A/дм2 для восстановления тонких оксидных пленок и активации поверхности, а затем в течении 5-10 мин. увеличивают плотность тока до заданного значения.Расчет габаритных размеров ваннНормализированные установки для нанесения покрытий относятся к оборудованию малой механизации. Они включают ряд ванн, в которых последовательно осуществляются все операции технологического процесса (рис. 1). Внутреннюю ширину гальванической ванны выбираем исходя из следующего условия: в ванне располагается 1 катодная штанга и 2 анодных штанги.абРисунок 1 – Технологический процесс твердого гальванического железнения: участок железнения (а), ванна железнения (б)Bвн = n2· B1 + 2· n2· B2 + n3· d + 2 · B3, (2.1)где B1 – максимальный размер детали по ширине ванны, 100 мм;B2 – расстояние между анодом и ближайшем краем детали, 100 мм;B3 – расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом, 50 мм;n2 – число катодных штанг;n3 – число анодных штанг;d – толщина анода, 10 мм .Bвн = 1 · 100 + 2 · 1 · 120 + 2 · 10 + 2 · 50 = 460 мм.Внутренняя ширина гальванической ванны составляет 500 ммДлину ванны определяем по формуле:, (2.2)где n1 – число загружаемых на одну штангу подвесок, 6 подвесок;L1 – размер подвески по длине ванны, 100 мм;L2 – расстояние между подвесками, 50 мм;L3 – расстояние между торцевой стенкой и краем подвески, 50 мм .Lвн = 6·100+5·50+2·50 = 950 мм.Внутренняя длина ванны составляет 1000 мм.Внутренняя высота ванны равна:Hвн = H1 + H2 + H3+H4, (2.3)где Н1 – высота подвески, 3·100+2·100=500мм;Н2 – расстояние от дна ванны до нижнего края детали, 150 мм;Н3 – высота электролита над верхним краем подвески,50 мм;Н4 – расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, 100 мм .Hвн = 500+150+50+100=800.Внутренняя высота ванны составляет 800 мм.Объем электролита можно рассчитать по формуле:Vэл-та = Lвн·Bвн·(Hвн – H4)Vэл-та = (1000·500· (800 – 100))/1000000000 = 0,350 м3В соответствии с ГОСТ 23738-85 [5] выбираем ванну с размерами 1000×500×800 мм с полной вместимостью 400 л.Расчет теплового баланса электролизераРезультаты расчета теплового баланса позволяют проверить эффективность сохранения теплового равновесия при выбранных условиях проведения процесса или подобрать тепловую изоляцию вновь проектируемого электролизера. Как правило, во всем объеме электролизера температура примерно одинаковая. В этом случае хорошим приближением является представление электрохимического аппарата как зоны идеального смешения. В зависимости от технологического процесса и его аппаратурного оформления рассчитывают стационарный, либо нестационарный тепловые балансы. Для процессов с непрерывной циркуляцией электролита (например, в гидрометаллургии) представляет интерес расчет температуры поступающего электролита, при которой в ванне будет поддерживаться постоянный температурный режим. Это позволяет сделать стационарный тепловой баланс. Для гальванических производств с периодической загрузкой и выгрузкой деталей важно проследить за изменением во времени температуры электролита в электролизере, то есть рассчитать нестационарный тепловой баланс.Исходные данные для расчета теплового баланса и основное уравнение теплового балансаИсходные данные для расчета приведены в таблице 3.1Таблица 3.