Способы нагрева и нагревательные устройства

Независимо от теплоносителя нагрев гальванических ванн осуще­ствляется двумя способами: нагревательным элементом, помещенным непосредственно в раствор, и нагревательным элементом, помещенным в водяную рубашку, которая тепло, полученное от нагревательного эле­мента, передаёт через металлическую стенку ванны рабочему раствору. В случае, если раствор нейтрален по отношению к материалу греющей поверхности нагревательного элемента, применяют первый способ на­грева, если же агрессивен - используют второй способ[1].

Нагрев металлическими теплообменниками

При нагреве насыщенным паром самым распространённым нагрева­телем в гальванических цехах является паровой змеевик.Змеевики мо­гут выполняться сварными из отдельных отрезков труб или гнуться из одной трубы.

Для изготовления змеевиков применяют различные материалы в зависимости от состава нагреваемых растворов: углеродистая сталь ус­тойчива против коррозии в щелочных растворах и достаточно устойчи­ва в водопроводной воде; коррозионностойкая хромоникелевая сталь устойчива против коррозии в щелочных растворах, в растворах крепких минеральных кислот при наличии в растворе некоторого количества азотной кислоты, но при отсутствии соляной или плавиковой кислоты; свинец подвергается коррозии в присутствии азотной и соляной кислот; титановые сплавы устойчивы против коррозии в большинстве гальва­нических растворов, но не пригодны для ванн с фторсодержащими рас­творами, а также для ванн травления в горячей серной кислоте с кон­центрацией 10-20%, в соляной кислоте разрушаются за 10-15 дней ра­боты; латунь устойчива против коррозии в растворах фосфорнокислых солей.. В последнее время стали использовать змеевики из фторопласта для нагрева и охлаждения различных технологических сред[1].

Наиболее распространенными типами устройств для нагрева растворов, выпускаемыми в комплекте с ваннами, являются кол­лекторы и змеевики. Активная часть коллекторов расположена в придонной зоне ванны, поэтому обогрев ванны с помощью кол­лекторов наиболее эффективен. Для нагрева растворов, в которых происходит значительное шламообразование (например, при фосфатировании), применяют змеевики, активная часть которых располагается вдоль длинной стенки ванны. Такие же змеевики используют для охлаждения растворов. Коллекторы и змеевики изготовляют из углеродистой или нержавеющих сталей, титана, латуни, углеродистой стали с футеровкой свинцом [ 2 ].

В качестве теплоносителя для нагрева служит пар или перегретая вода, для охлаждения — вода или рассол. Выпускаемые промышленностью коллекторы и змеевики рас­считаны на рабочее давление 0,3 МПа.

Соединяются нагреватели с коммуникациями линии с помощью фланцевых соединений.

Во избежание утечек тока и в местах соединения с коммуника­циями рекомендуется устанавливать электроизоляционные вкладыши (прокладки, шайбы, втулки).

На рис. 1 изображен коллектор, состоящий из труб 1, флан­цев 4, подставок 2 для установки коллектора на дно ванны, скоб 3 для крепления его к борту ванны,

Основные размеры коллекторов приведены в таблице 1.

Стандартный металлический змеевик состоит из трубы 3, фланцев 1, скобы 2 для крепления к одному борту ванны, изогну­той пластины 4 для крепления к противоположному борту ванны(рис.2). Основные размеры типовых змеевиков (в мм) для стандартных габаритов ванн составляют [2 ]:

Длина х высота ванны

1120х1250 1600х1250 2240х1600

L. 1442 1922 2572
L ₁ 942 1734 2062

L ₂ 1254 1734 2374

D 85 85 100

d 14 14 85

Поверхность нагрева, м ² 26.5 35,2 47,0

Указанные коллекторы и змеевики используют и для освинцевания

Рис.1 Коллекторы для нагрева и охлаждения сред

Рис.2 Металлический змеевик

Основные размеры коллекторов

Таблица 1

Внутренние размеры ванн (длине X ширина X высота). мм	L	L 1	В	Н	H 1	D	d	Поверх­ность нагрева, м ^2
1 120 X (630 и 800) X 1250 1 120 X (800 и 1000) X 1250								0,81   0,87
1 120Х 1 120Х 1250								1,2
1600 X (630 и 800) X 1250								0,94
1600X800X1250								1,1
1600 X (800 и 1000) X 1250								1,0
1600X800X1250								1,15
1600Х 1000Х 1250								1,31
1600Х 1 120Х 1250								1,5
2240X630X1600								1,09
2240X630X1600								1,32
2240X630X1600								1,56
2240X800X1600								1,78
2240X800X1600								1,14
2240 X (800 и 1000) X 1600								1,84
2240Х 1000Х 1600   2240Х 1000Х 1600								2,11   2.34
2240X1120X1600								2,58

По месту установки в ванне донный змеевик имеет более высокую теплоотдачу, чем змеевик, расположенный у боковых стенок ванны, однако в этом случае он за­трудняет расположение на дне ванны барботеров, препятствует извле­чению упавших деталей, ухудшает условия чистки дна ванны, поэтому располагать змеевик на дне ванн не рекомендуется. Кроме того, донный змеевик может выполнять роль биполярною электрода, когда ток будет проходить

от нижнего края анода к донному змеевику, через змеевик и далее к деталям. В этом случае

появляется подгар на их нижних концах. Змеевик, расположенный у боковой стенки ванны, лишён перечис­ленных выше недостатков, однако установка на ванне и снятие двух та­ких змеевиков вызывают дополнительные затруднения. Змеевики долж­ны быть легкосъёмными для выполнения их ремонта или чистки и ре­монта самой ванны. Концы труб змеевиков, выходящие из раствора, имеют вертикальные участки, огибающие борт ванны и крепящиеся к нему [1 ].

Змеевики подключаются к линии пара и к линии конденсата через вентили с тем, чтобы в случае демонтажа змеевика не требовалось от­ключать общецеховую сеть подачи пара. В электролитических ваннах змеевики нагревателей должны быть изолированы от магистральных трубопроводов с целью предотвращения утечки тока через них [1 ].

В качестве нагревателей ванн и для их охлаждения применяют также графитовые теплообменники и трубчатые теплообменные аппараты из фторопласта. Рабочую часть графитовых теплообмен­ников изготовляют из графитовых материалов марок АШГ-Г-ФФФ, ЭГ-ФФФ и графитопластов марок АТМ-1 и АТМ-1-Т. Графитовые материалы стойки к действию агрессивных сред и температурным перепадам, имеют высокую теплопроводность, легко поддаются механической обработке[2 ].

Основным рабочим элементом теплообменника является прямо­угольный блок. Две группы каналов (вертикальные и горизонталь­ные) блока образуют перекрестное движение рабочих сред. Пло­щадь теплообменной поверхности аппарата зависит от размеров блока, числа блоков и диаметров каналов в блоке. Серийные графитовые теплообменники компонуют из блоков длиной 515 и 700 мм, шириной 350 мм и высотой 350 мм[2 ].

Теплообменники из фторопласта [3 ]

Интерес к использованию теплообменников из фторопласта связан с тем, что современные гальванические ванны все в большем количестве стали изготавливаться из полипропилена. Предусмотренный электронагрев таких ванн в ряде случаев крайне не экономичен, а использование металлических паровых нагревателей может привести к локальному прожогу и разгерметизации ванны.

Несмотря на низкий коэффициент теплопроводности фторопласта-4 [λ = 0.84 кДж/(м ²• ч • град)] по сравнению с коррозионностойкой сталью [λ = 104.8 – 125,7 кДж/(м² • ч • град)], и медью [λ = 1257 кДж/](м² • ч • град)],трубки из него применяют в теплообменных аппаратах при работе с различными агрес­сивными средами. Это оказалось выгодным, поскольку на стенках трубок из фторопласта Ф-4 не отлагаются накипь и другие загрязнения, а также не образуются продукты коррозии. Это позволяет применять трубки диаметром от 2,5 до 6,35 мм с более тонкими стенками. Отношение толщины стенки трубок к диаметру составляет 5—20%. Такие теплообменники обеспечивают передачу заданной тепловой на­грузки даже при меньших их размерах, чем в случае использования трубок из металла. Например, нагрузка в 230,0 кет передается пучком из 1350 труб из Ф-4 общим диаметром 127 мм при длине 1220 мм; металлический теплообменник при этом имеет общий диаметр пучка трубок 152 мм при длине 3050 мм. Тепло­обменники из Ф-4 применяют при 150° С, при этом допускается давление не более 3,5 кГ/см². Такие теплообменники изготовляются фирмой Дюпон (США).

Рис. 3. Кожухотрубчатый теплообменник с трубками из фторопласта-4

(в процессе сборки)

Эта же фирма выпускает пучки трубок из фторопласта, которые применяют для теплообменников кожухотрубчатого типа и открытых — погружного типа — для баков, ванн и т. п. (рис. 3,4).

Жидкости с твердыми и загрязняющими примесями в этом случае можно подавать в межтрубное пространство. С 1966 г. фирмой Дюпон производятся кожухотрубчатые теплообменники поверхностью 450 м².

Основным узлом теплообменного аппарата является теплообменный элемент, который представляет собой пучок трубок из фторопласта-4 на­ружным диаметром от 2,5 до 6,4 мм при толщине стенки, составляющей 10—15% от внутреннего диаметра. Применение трубок малого диаметра позволяет создать компактные теплообменные аппараты, так как поверх­ность теплообмена в единице объема пропорциональна диаметру трубок. Концы трубок соединены между собой и об­разуют головку теплообменного элемента, которая также служит для закреплелия пучка и для его соединения с внешними коммуникациями. Гибкость трубок позволяет сократить межтрубное пространство их переплетением (рис. 5). При этом по условиям теплообмена трубки находятся в равных условиях, а межтрубное пространство составляет 50—70% от объема пучка.

Коэффициент теплопередачи для нагревателя и холодильника из фторопласта-4

Таблица 2

Нагрев паром	К, кДж/м^2ч*град	Охлаждение водой	К, кДж/м^2ч*град
Воды.... Кислоты Раствора щелочи... Воздуха...		Водяного пара Ксилола... Кислоты... Нефтепродук­тов....

Установлено, что для типового случая теплообмена при загрязнении стенок слоем толщиной всего лишь 0,125 мм значение коэффициента теплопередачи для медного теплообменника всего лишь в 1,3 раза превышает значение этого пока­зателя для фторопластового теплообменника.

В табл. 2 приведены примерные значения коэффициентов теплопередачи для кожухотрубчатых теплообменников из фторопласта-4.

На рис. 6 показана зависимость снижения коэффициента теплопередачи трубок из никеля и фторопласта-4 от продолжительности испытаний. Через 76 ч при работе с углекислым кальцием на трубках из никеля образуется слой накипи и коэффициент теплопередачи снижается для никеля на 80%, а для фторопласта всего лишь на 8—10%. Интересно отметить, что накипь на трубках из фторопласта рыхлая, легко удаляется при промывке растворителем, а частицы размерами меньше 0,25 от внутреннего диаметра трубок вообще не осаждаются.

На рис.7-9 приведены зависимости,характеризующие процесс теплообмена для трубок из фторопласта диаметром 2 мм.

Фторопласт-4 широко применяют в различных теплообменных устройствах вместо драгоценных металлов, специальных сталей и других материалов, так как по химической стойкости фторопласт-4 превосходит все известные материалы, в том числе золото и платину.

В таблице 3 приведены примеры практического при­менения теплообменников из фторопласта-4.

Рис.4. Зависимость снижения (в %) коэффициента теплопередачи для трубок из фторопласта-4 (кривые 1) и никеля (кривые 2) от продолжительности испытаний в СаСО₃ (штриховые линии) и в СаSО₄ (сплошные линии)

200 300 500 1000 2000 3000 5000 10000 Re

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения для трубок из фторопласта-4 от числа Рейнольдса

Рис.6 Монтаж погружного теплообменного элемента из фторопласта -4

Рис.7 Узел крепления фторопластовых трубок в трубчатой решетке

Таблица 3

Примеры применения теплообменников из фторопластов [3].

Назначение теплообменного аппарата	Поверхность теплообмена, м^2	Максимальная температура на выходе, °С	Максимальное давление на выходе, кг/см^2
Охлаждение водой Серной кислоты………….. Азотной кислоты………… Смазочного масла для турбин…….. Ксилола………………………………. Хлорноватистого натрия………….. Латексной эмульсии……………….. Нагрев водой Технической воды……………….. Бытовой воды……………………. Хлоридного раствора…………… Смеси азотной и серной кислот…. Каустик …………………………. Метасиликата……………………. Состав для фосфатирования …….. Уксусной кислоты………………… Таллового масла…………………. Щелочного раствора…………….. Растворов солей хлористоводородной кислоты	1,6 1,6 1,1 0,5 2,4 0,4   0,37 6,3 1,5 1,6 1,6 2,7 2,7 7,9 2,4 1,5	1,33 -	5,6 0,6 1,75 0,85 2,8 0,35   2,1 1,5 1,75 2,1 2,7 1,05 1,05 - 1,34 3,2 1,4

Рис.8 Зависимость рабочего давления среды от температуры для трубок из фторопласта

Рис.9 Зависимость гидравлического сопротивления в трубках из фторопласта -4 от скорости движения агрессивной среды

В отечественных теплообменных аппаратах из фторопласта основным кон­струкционным материалом являются фторопласты марок Ф-4Д и Ф-4МБ. Эти материалы отличаются очень хорошей коррозион­ной стойкостью, гидрофобностью и высокой диэлектрической характеристикой. Фторопласт стоек практически во всех коррозионно-активных средах. Гидрофобность фторопластовой теплообменной поверхности гарантирует ее чистоту на протяжении всего периода эксплуатации, а следовательно, постоянство коэф­фициента теплопередачи. Электроизоляционные свойства фторо­пласта обеспечивают высокую работоспособность аппаратов при электрохимической обработке изделий [2 ].

Теплообменные аппараты из фторопласта включают пучки труб диаметром 3 и 5 мм и толщиной стенок соответственно 0,4 и 0,6 мм. Погружные теплообменные аппараты из фторопласта состоят из гибкого или жесткого пучка труб, узлов уплотнений и узлов подвода и отвода теплоносителя. Номенклатура и основные данные фторопластовых теплообменников, выпускаемых по ТУ 26—01—624—77, представлены в табл.4.

Отечественные фторопластовые теплообменники

Таблица 4

Индекс аппарата	Площадь теплообмена, м^2	Материал труб	Масса,кг
ПФ-11— 2,5— 91— 3	2,5	Фторопласт   Ф-4Д
ПФ-11— 2,5— 151— 3	2,5	24,1
ПФ-11— 4—151— 3		25,6
ПФ-1 1-6,3-31,3— 3	6,3	33,2
ПФ-П— 10— 31,3— 3
ПС-11— 4—151— 3		Фторопласт   Ф-4МБ	21,6
ПС-11— 6,3— 151— 3	6,3	24,3
ПС-11— 10— 151— 3		28,4
ПС-11— 16— 500— 3
ПС-11— 20— 500— 3
ПС-11— 6,3— 60— 5	6,3	27,6
Примечание. Давление в трубах 0,2—0,6 МПа. Температура среды в трубном пространстве (- 20) +150 ^0С). Внутренний диаметр труб 3 мм.

Нагрев ванн водяной рубашкой [1 ]

Основным достоинством способа нагрева ванн водяной рубашкой(рис. 10) является отсутствие непосредственного контакта с агрессив­ной средой материала греющей поверхности нагревателя. В этом случае гальванический раствор нагревается промежуточным теплоносителем водой, окружающей боковые стенки и дно гальванической ванны. Вода, в свою очередь, нагрева­ется от змеевика 1,изготовленного из углероди­стой стали (водогазопро-водной трубы). Водяная оболочка (рубашка) размещается в промежутке между стенками вспомогательной (внешней) ванны 2 и рабочей гальванической ванны 3, выполненной из коррозионностойкого материала.

Рис. 10. Водяная рубашка: 1 -нагреватель­ный змеевик. 2 - внешняя ванна, 3 - рабочая ванна, 4 - водяной барботёр, 5 - сливной пат­рубок, 6 - сливная воронка. 7 - опорные нож­ки, 8 - донный патрубок

Зазор между боковыми стенками составляет 50-100 мм, между днищами - 75-150 мм. Для заполнения рубашки водой используют барботёр 4, вваренный в рубашку на высоте, несколько ниже уровня электролита. Уровень воды в рубашке должен быть несколько выше уровня гальванического раствора и поддерживается нижней кромкой сливного патрубка 5, из которого излишки воды короткой свободной струёй стекают через воронку 6 в канализацию. По изменению цвета стекающей воды можно обнаружить течь в рабочей ванне. Рабочая ванна ножками 7 опирается на дно ванны рубашки. Верхнее соединение обеих ванн во избежание выброса горячей воды заваривается или герметизируется прокладками. Доступ внутрь рубашки для ремонта трубопроводов не требуется в силу малой агрессивности нагреваемой воды. Слив содержимого рубашки осуществляется через донный патрубок 8. Освобождение рабочей ванны от раствора производится, как правило, с помощью насоса, выполненного из химически стойких материалов, или через патру­бок донного слива, приваренный к дну или стенке ванны и проходящий через дно или стенку вспомогательной ванны через специальное уплот­нение.

Разновидностью нагрева электролита водяной рубашкой является нагрев пароводяной рубашкой (рис. 11). При таком нагреве пар и вода поступают в тройник 1, смешиваются в нём и образовавшаяся горячая вода подается в трубу-барботёр 4, проложенный по дну рубашки 3. По

Рис.11 Пароводяная рубашка: 1-тройник, 2-рабочая ванна,3-рубашка,

4-труба –барботер,5- ножки,6-сливная труба

всей длине трубы барботёра по её горизонтальному диаметру просвер­лены сквозные отверстия. Диаметр отверстий по мере удаления от начала трубы к её заваренному наглухо концу увеличивается от 2 до 4 мм для малых ванн и от 3 до 6 мм для больших ванн. Сумма площадей всех от­верстий должна быть примерно в 3 раза больше сече­ния трубы барботёра. По­ступившая в рубашку через барботёр вода и сконденси­рованный пар удаляются через сливную трубу 6, при­варенную к противополож­ной входу барботёра в рубашку стенки на высоте, несколько выше уровня электролита. Места входа и выхода труб в стенках рубашки должны быть герметично проварены. Сечение сливной трубы принима­ется примерно в 4 раза больше сечения грубы барботёра (диаметр -вдвое больше). Сливная труба не должна быть жёстко соединена с кана­лизационной трубой, что заменяет электрическую изоляцию и помогает своевременно обнаружить течь рабочей ванны по изменению цвета сливающейся воды.

Паровая рубашка греет несколько медленнее,чем паровой змеевик,но при правильно выбранном объеме она устойчивее и точнее поддерживает заданную температуру раствора в ванне. Рекомендуется выбирать объём рубашки в пределах 40-60 % от объема рабочего раствора, а уровень воды в рубашке должен быть равным или несколько выше уровня гальванического раствора. При таком соотно­шении легко удается поддерживать температуру электролита хромиро­вания с точностью ±1°С, регулируя ее примерно каждые полчаса.

Дата добавления: 2015-07-14