王大畏，張新蕾*

（煙臺(tái)首鋼東星集團(tuán)有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

鋅酸鹽鍍鋅槽液冷卻用冷水機(jī)的選型

王大畏，張新蕾*

（煙臺(tái)首鋼東星集團(tuán)有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

介紹了鋅酸鹽鍍鋅槽液冷卻用冷水機(jī)的選型以及槽液量、制冷量、制冷水流量、換熱器的換熱面積等各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算。

鋅酸鹽鍍鋅；冷水機(jī)；選型；計(jì)算

在鋅酸鹽鍍鋅生產(chǎn)中，鍍鋅槽液在反應(yīng)中不斷地產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致槽液溫度逐漸升高，當(dāng)溫度超出工藝范圍時(shí)，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)燒焦、發(fā)暗、結(jié)晶粗糙、漏鍍等不良現(xiàn)象。

筆者所在單位的生產(chǎn)線(xiàn)上鍍鋅槽液的工作溫度是20 ～ 30 °C，利用冷水機(jī)提供的冷卻水使鍍液溫度保持在工藝范圍內(nèi)。該設(shè)備的使用對(duì)生產(chǎn)效率的提高及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。本文將詳細(xì)介紹如何選擇冷水機(jī)，確定冷卻方式以及計(jì)算制冷量，以供同行參考。

1 冷水機(jī)的選擇

按冷凝器的類(lèi)型，冷水機(jī)可分為風(fēng)冷式和水冷式兩種。風(fēng)冷式冷水機(jī)直接使用機(jī)組內(nèi)的風(fēng)冷凝器把熱量傳遞到空氣中，可以自動(dòng)控溫，而且性能穩(wěn)定，占用空間小，移動(dòng)方便，操作簡(jiǎn)單。水冷式冷水機(jī)通過(guò)外部冷卻水循環(huán)和冷卻塔把熱量傳遞到空氣中，需要有良好的水源，占用面積較大，安裝維護(hù)工作量較大?？紤]到設(shè)備需要安裝在室外，要求占地面積小、操作簡(jiǎn)單(自動(dòng)運(yùn)行)等因素，選用了風(fēng)冷式水冷機(jī)組。

2 冷卻方式的選擇

冷卻方式分為直接冷卻和間接冷卻兩種。直接冷卻是鍍液直接通過(guò)過(guò)濾機(jī)進(jìn)入冷凍機(jī)的蒸發(fā)器，降溫后再回到鍍槽，冷卻時(shí)間短、效果好，但由于鍍液的腐蝕性較強(qiáng)，因此需要對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行防腐處理或采用鈦材質(zhì)的蒸發(fā)器，并且需要定期清洗，否則蒸發(fā)器內(nèi)容易結(jié)垢，影響制冷效果和機(jī)器運(yùn)行。間接冷卻是在鍍槽中鋪設(shè)鈦管，使冷凍水流經(jīng)鈦管時(shí)帶走槽液的熱量而達(dá)到降溫的目的，或者采用換熱器將冷水機(jī)冷卻的水通過(guò)換熱器與槽液進(jìn)行熱交換。

鋅酸鹽鍍鋅槽液的氫氧化鈉含量較高(一般為110 ～ 130 g/L)，在低溫下其溶解度會(huì)降低，易結(jié)晶析出。若采用直接冷卻方式，則管道中易形成堿垢而堵塞。因此采用間接冷卻方式，并通過(guò)板式換熱器進(jìn)行熱交換。

如圖1所示，鋅酸鹽鍍液通過(guò)過(guò)濾機(jī)將待冷卻槽液打入板式換熱器的物料入口，槽液在板式換熱器內(nèi)循環(huán)；冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷凍水由冷卻水泵打入板式換熱器的冷卻水入口，從而在換熱器內(nèi)循環(huán)，并與槽液發(fā)生熱交換，帶走槽液的熱量，使槽液溫度保持穩(wěn)定。

圖1 鋅酸鹽鍍鋅槽液的冷卻原理Figure 1 Cooling mechanism of zincate zinc plating bath

3 各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算

3.1 鍍鋅線(xiàn)槽液量

該鍍鋅線(xiàn)上有2個(gè)掛鍍鋅槽和7個(gè)滾鍍鋅槽，每個(gè)掛鍍鋅槽有3 500 L鍍液，每個(gè)滾鍍槽有850 L槽液，因此槽液總量為 3 500 L × 2 + 850 L × 7 = 12 950 L。

3.2 制冷量[1]

制冷量包括預(yù)制冷量Q預(yù)冷和工作冷量Q工作兩部分。預(yù)制冷量是指每小時(shí)把溶液從室溫降至工作溫度時(shí)所需冷量，工作冷量是指每小時(shí)把因電鍍時(shí)通電而使槽液產(chǎn)生的熱量帶走所需的冷量。

3.2.1 預(yù)制冷量

式中，η──散熱系數(shù)，可取1.05 ～ 1.10，本文取近似值1.0；ρ1──槽液的密度，槽液鋅含量為10 g/L時(shí)，槽液密度為 1.16 kg/L(下同)；c──槽液的比熱容，取水的比熱容 4.2 J/(g·°C)；θ初始──槽液的初始溫度(單位：°C)；θ工作──槽液的工作溫度(單位：°C)；V1──槽液體積(單位：L)；t──預(yù)計(jì)冷卻到工作溫度的時(shí)間，本工藝要求槽液在1 h內(nèi)達(dá)到工作溫度，即t = 1 h = 3 600 s。

所在地區(qū)夏季槽液最高初始溫度為 30 °C，槽液的控制溫度為 25 °C，則鍍鋅槽液的預(yù)制冷量為：

3.2.2 工作冷量[2]

工作冷量Q工作一般按鍍槽電極間通過(guò)的電流產(chǎn)生的熱量Q熱來(lái)計(jì)算，再考慮冷量損耗附加系數(shù)w(取值范圍為1.1 ～ 1.3，中小型鍍槽取上限，大型鍍槽取下限，本工藝采用的是中小型槽，故取1.3)，按式(2)和(3)式計(jì)算Q熱和Q工作。

式中，U──平均電壓(單位：V)，I──平均電流(單位：A)。

掛鍍鋅采用2臺(tái)額定電流和電壓分別為3 000 A和12 V的整流器，滾鍍鋅采用7臺(tái)額定電流和電壓分別為500 A和12 V的整流器。因鍍鋅工藝要求電壓在4 ～ 7 V，電流則依施鍍面積而定，施鍍面積越大，則電流越大，但為了延長(zhǎng)整流器的使用壽命，必須通過(guò)控制鍍件的加載量(即總施鍍面積)來(lái)保證電流不超過(guò)額定電流的85%為上限。因此，按掛鍍鋅和滾鍍鋅的平均電壓為6 V，以及各自整流器額定電流的85%(即掛鍍鋅2 550 A，滾鍍鋅425 A)來(lái)計(jì)算Q熱，則

由此可見(jiàn)，槽液工作過(guò)程中所需的最大制冷量低于預(yù)制冷量，所以將預(yù)制冷量87.63 kW作為設(shè)備的選型依據(jù)。按設(shè)備負(fù)載85%來(lái)算(預(yù)留15%的余量以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命)，則設(shè)備制冷量應(yīng)為87.63 kW ÷0.85 = 103.09 kW。

3.3 制冷水流量[2]

式中，ρ2──冷卻水的密度(取1.0 kg/L)，Δθ──制冷水進(jìn)出口的溫差(可取2 ～ 4 °C)。本工藝中制冷水的入水和出水來(lái)源于同一個(gè)冷水池，故溫差取下限2 °C，則制冷水的最小流量為：

3.4 板式換熱器換熱面積A的計(jì)算

式中，K──水的總傳熱系數(shù)，一般為850 ～ 1 700 W/(m2·°C)，因采用逆流換熱方式進(jìn)行充分熱交換，故總傳熱系數(shù)取最大值1 700 W/(m2·°C)；Δmθ──板式換熱器的平均溫差。

換熱器中熱流體(即槽液)從初始溫度θ初始(所在地區(qū)夏季槽液不工作時(shí)的最高溫度是 30 °C)降至工作溫度θ工作(即25 °C)，冷流體(即冷卻水)則從初始溫度θ′初始(設(shè)定為15 °C)變化到出口溫度θ′出口，θ′出口按式(6)計(jì)算。

式中，V2為冷卻水的體積，即冷卻水槽的有效容積7 800 L(實(shí)際尺寸為2 950 mm × 1 400 mm × 2 000 mm)，那么

綜上可知，最終通過(guò)計(jì)算確定堿性鋅酸鹽鍍鋅槽液冷卻用的冷水機(jī)組參數(shù)為：制冷量最小為103.09 kW，制冷水流量至少為27 t/h，板式換熱器換熱面積大于6.92 m2。因此選用了制冷量為110 kW(2組冷水機(jī)組，每組制冷量為55 kW)、功率為35 kW的風(fēng)冷式冷水機(jī)組，流量為30 t/h的潛水泵(作為循環(huán)泵)，以及換熱面積為7 m2的板式換熱器。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備在夏季運(yùn)行過(guò)程中，室外溫度為35 °C時(shí)，槽液溫度為30 °C，開(kāi)機(jī)運(yùn)行1 h時(shí)，槽液溫度降至25 °C，滿(mǎn)足工藝要求。單班(8 h)平均日耗電量為200 ～ 300 kW·h(以85%負(fù)荷計(jì)算，單板耗電量為35 kW ×0.85 × 8 h = 238 kW·h)。徹底解決了夏季高溫導(dǎo)致槽液溫度超出工藝范圍時(shí)出現(xiàn)的鍍層不良，鍍液添加劑消耗量大的問(wèn)題。

[1]曾華梁, 倪百祥.電鍍工程手冊(cè)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010: 306-307.

[2]陳亞.現(xiàn)代使用電鍍技術(shù)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003: 506-508.

How to select a chiller for cooling of zincate zinc plating bath

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WANG Da-wei, ZHANG Xin-lei*

The selection of chiller for cooling of zincate zinc plating bath, cooling method, and calculation of some parameters such as bath volume, refrigerating capacity, flow rate of cooling water and calculation of heat-exchange area of heat exchanger were introduced.

zincate zinc plating; chiller; type selection; calculation

Yantai Shougang Dongxing Group Co., Ltd., Yantai 264006, China

TQ153.15

B

1004 – 227X (2017) 21 – 1149 – 03

10.19289/j.1004-227x.2017.21.007

2017–07–01

2017–09–05

王大畏（1980–），男，吉林遼源人，助理工程師，主要從事鋅酸鹽鍍鋅、陰極電泳涂裝等方面的研究。

張新蕾，副高工，(E-mail) xinleizhang@126.com。

[ 編輯：周新莉 ]