Исследование энергетических характеристик индукционной нагревательной установки

1. Цель работы

Исследование процесса электролиза, определение его энергетических и технологических параметров.

В соответствии с этой целью рабочее задание заключается в следующем:

а) изучить схему электролизной установки, порядок практического выполнения работы;

б) провести эксперимент в соответствии с п.5;

в) по методике п.6 провести обработку результатов эксперимента;

г) оформить отчет о проведенной работе.

2. Контрольные вопросы для собеседования перед выполнением работы

а) цель работы и постановка задачи;

б) размещение силового и контрольно-измерительного оборудования лабораторной установки;

в) схема силовых цепей и цепей управления установкой;

г) порядок проведения эксперимента.

3. Краткие теоретические сведения

Электролиз - электрохимический процесс, заключающийся в выделении из электролита при протекании через электролитическую ванну постоянного тока частиц вещества и осаждении их на погруженных в ванну электродах (электроэкстракция) или в переносе веществ с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование).

Путем электролиза получают такие металлы, как алюминий, цинк, магний. Кроме того электролиз используется для рафинирования меди, никеля, свинца, а также для получения водорода, кислорода, хлора и ряда других химических веществ.

Электрический ток в металлах создается движением свободных электронов. Такая электропроводность называется электронной и металлы, которым она свойственна, относятся к проводникам первого рода.

Распад вещества на ионы при растворении или расплавлении его называется электрической диссоциацией. Число положительных и отрицательных ионов, возникающих при этом, одинаково. В кислых или щелочных растворах и расплавленных солях свободных электронов нет, и электрический ток в них создается направленным движением положительных и отрицатель- пых ионов. Такая электропроводность называется ионной и электролиты, которым она свойственна, относятся к проводникам второго рода.

Если диссоциированный раствор поместить в электрическое поле (пропустить через раствор постоянный ток), то положительные ионы (положительно заряженные атомы и молекулы вещества - катионы: Н+, Си2+, Fe3+ и др.) будут перемещаться по направлению электрического поля к отрицательному электроду, а отрицательные ионы (отрицательно заряженные частицы вещества - анионы: Cl-, ОН-, S042- и др.) - против поля к положительному электроду.

У отрицательного электрода (катода) идет процесс приобретения электронов нейтральными частицами вещества.

У положительного же электрода (анода) заряженные частицы вещества отдают полученные электроны во внешнюю цепь.



Рис. 5.1 Электрохимическая схема процесса электролиза

Таким образом, при прохождении постоянного электрического тока через электролит заряженные частицы вещества (ионы) перемещаются к соответствующим электродам: катионы к катоду, а анионы к аноду. Около электродов, вследствие взаимодействия ионов с электронами, ионы либо становятся нейтральными и выделяются на электроде в виде атомов и молекул вещества, либо меняют знак своего заряда. В этом и состоит сущность электролиза.

Электрохимическая схема электролиза (рис. 5.1) состоит из следующих элементов: раствора электролита; электродов (анода и катода), металлических проводников; соединяющих электроды с внешним источником питания; источник питания. Если суммарная электрохимическая реакция протекает с поглощением электрической энергии, то электролизная схема называется электролизной ванной или электролизером; если же процесс электролиза проходит с выделении электрической энергии, то схема носит название гальванического элемента.

В промышленности процесс электролиза нашел свое применение для электролитического рафинирования металлов (меди, никеля, алюминия, магния, благородных металлов и др.)» получения хлора и других газов.

Количество вещества, выделившегося на электроде, определяется законом Фарадея: при пропускании одинакового количества электричества через растворы различных электролитов количество каждого из веществ, претерпевающих превращения, пропорциональны их химическим эквивалентам, причем для выделения одного грамм-эквивалента любого вещества требуется пропустить 96 500 кулонов.

Для выяснения сущности закона Фарадея найдем с его помощью электрохимический эквивалент меди при осаждении ее на катоде из раствора двухвалентной соли сульфата меди CuS04.

Химический эквивалент меди равен ее атомному весу (63,54), деленному на валентность; в нашем примере 63,54/2 = 31,77.

Электрохимическим эквивалентом называется количество вещества, выделяемое единицей количества электричества - кулоном (ампер-секундой). Количественно электрохимический эквивалент а равен химическому эквиваленту, деленному на число Фарадея. Для меди получим:

.

Электрохимический эквивалент никеля - 0,000304 г/к, цинка - 0,000340 г/к, золота - 0,00204 г/к, платины - 0,00101 г/к и т. д.

Понятие об электрохимическом эквиваленте является основным выводом из закона Фарадея.

По этому закону количество вещества Q (в граммах), выделившегося из электролита на электроде при прохождении постоянного электрического тока, прямо пропорционально электрохимическому эквиваленту (в грамм/кулонах), величине тока I (в амперах) и времени его прохождения t (в секундах):

Q = It.

На практике при электролизе никогда не удается достичь теоретических значений выделения веществ на электродах. Такое отклонение от закона Фарадея является кажущимся и вызывается следующими основными причинами:

а) перезарядкой ионов;

б) наличием в электролите ионов разной валентности;

в) взаимным разрядом ионов;

г) взаимодействием продуктов электродных реакций между собой или с электролитом (вторичные реакции), катодным восстановлением продуктов;

д) утечкой тока через ванну в землю;

е) короткими замыканиями между катодами и анодами.

Отношение количества вещества, полученного при электролизе, к количеству вещества, которое должно было выделиться по закону Фарадея, называется выходом вещества потоку.

Выход вещества по току всегда меньше 100%, например, для меди он колеблется в пределах от 80 до 96%.

Выход вещества по току рассчитывается по формуле:

где q1 - фактически выделившееся количество вещества, г;

q2 - количество вещества, которое должно было теоретически выделиться по закону Фарадея при отсутствии электрических потерь, г.

Величина выхода вещества по току показывает, насколько правильно и целесообразно идет процесс электролиза.

Количество осадка металла на электроде зависит от количества прошедшего электричества, поэтому работа электролизных ванн существенно зависит от плотности тока:

где I - сила тока, А;

S - площадь электрода, м2.

Величина плотности тока определяет скорость электродных реакций, поэтому она оказывает существенное влияние на выход по току конечного продукта и определяет экономические показатели электролиза, снижая или повышая удельный расход электроэнергии на единицу готовой продукции.

Для питания электролизных установок необходим постоянный ток. Для преобразования трехфазного переменного тока в постоянный применяются двигатель-генераторы, одноякорные преобразователи, механические, контактные, ртутные и полупроводниковые выпрямители.

Двигатель-генератор (Д-Г) состоит из электрического двигателя переменного тока и генератора постоянного тока с независимым возбуждением, смонтированных на общей фундаментной плите и соединенных муфтой. При большой мощности Д-Г применяют агрегаты, состоящие из двух генераторов, вращаемых одним синхронным двигателем или изготовляют генератор с двумя коллекторами вследствие большой токовой нагрузки. Положительным качеством Д-Г является плавное регулирование в широких пределах без ухудшения коэффициента мощности сети и независимость выпрямленного напряжения от напряжения питающей сети переменного тока. Основным недостатком Д-Г являются низкий кпд, большая стоимость агрегата, наличие коллектора и щеток, снижающих надежность Д-Г по сравнению со статическими преобразователями.

На вновь сооружаемых подстанциях, предназначенных для питании мощных электролизных установок, Д-Г не устанавливаются, а на старых подстанциях постепенно заменяются полупроводниковыми выпрямителями.

Одноякорный преобразователь представляет собой электрическую машину, обмотка якоря которой с одной стороны соединена с коллектором, а с другой - с кольцами. Вследствие сложности регулирования напряжения постоянного тока, наличия коллектора и других недостатков одноякорные преобразователи в настоящее время не применяются.

Механический контактный выпрямитель, созданный в конце сороковых годов, представляет собой механическое устройство, разрывающее и включающее ток с частотой переменного тока таким образом, чтобы во внешней цепи протекал ток одного направления.

Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме путем замыкания в нужной последовательности механических контактов. Контакты приводятся в действие эксцентриками, насаженными на общий вал, вращаемый синхронным двигателем. Разрыв тока контактами происходит в момент перехода тока через нулевое значение. Для повышения надежности работы механического выпрямителя контакты его шунтируются конденсаторами.

Безыскровая коммутация обеспечивается включением последовательно с контактами коммутационных дросселей. Они при переходе от положительной полуволны тока к отрицательной перемагничиваются и создают интервал малого тока, в пределах которого и происходит размыкание контактов. Коммутационные дроссели предотвращают также быстрое нарастание обратного напряжения на разомкнувшихся контактах и пробой промежутка между ними в момент его появления.

Регулирование выпрямленного напряжения (в ограниченных пределах) осуществляется с помощью фазорегулятора сдвигом фазы переменного напряжения, питающего синхронный двигатель, вращающий вал с эксцентриками.

Механические выпрямители на ток до 20000 А выпускались рядом иностранных фирм. В нашей стране механические выпрямители были выпущены в ограни ченном количестве и распространения не получили.

Достоинствами механических контактных выпрямителей являются:

а) высокий кпд (0,97-0,98),

б) большой коэффициент мощности (0,9-0,93).

К недостаткам механических выпрямителей относятся:

а) меньшая по сравнению с другими выпрямителями надежность вследствие наличия подвижных контактов, работающих в тяжелых условиях,

б) сложность механической конструкции и электрической схемы управления.

Ртутные выпрямители в настоящее время являются наиболее распространенным видом выпрямителя для питания электролизных цехов. Ртутновыпрямительные агрегаты изготовляются на токи от 200 до 20000 А и выпрямленные напряжения от 230 до 3300 В. Ртутные выпрямители по сравнению с двигатель-генераторами и одноякорными преобразователями более дешевы, обладают большой надежностью и долговечностью, имеют более высокий кпд. (при напряжениях более 500 В, позволяют производить быстрое и плавное регулирование напряжения в широких пределах.

Недостатками ртутных выпрямителей являются: ухудшение коэффициента мощности при регулировании выпрямленного напряжения, сложность поддержания вакуума, низкий кпд при малых и средних напряжениях, наличие обратных зажиганий, снижающих надежность работы, необходимость поддержания заданного температурного режима ртутных вентилей, выделение ртутных паров, вредных для обслуживающего и ремонтного персонала.

Однако, несмотря на недостатки, ртутные выпрямители, благодаря перечисленным выше положительным качествам, получили широкое распространение для питания электролизных установок в период, когда не было более совершенных полупроводниковых выпрямителей.

Первыми полупроводниковыми выпрямителями, получившими весьма большое распространение, были купроксные и селеновые. Однако вследствие малой величины допустимого обратного напряжения вентилей и низкого кпд эти выпрямители нашли применение, главным образом, в гальванотехнике для установок малой мощности и низких напряжений.

Вслед за купроксными и селеновыми появились германиевые вентили, имеющие малое внутреннее падение напряжения (от 0,2 до 0,5 В). Благодаря малым потерям германиевые выпрямители на низких напряжениях установок гальванотехники работают с достаточно хорошим кпд.

Появление кремниевых вентилей с рабочим напряжением до 1000 В на один выпрямительный элемент и предельной температурой нагрева р-н-перехода 413 К коренным образом изменило положение в области выпрямления тока.

Кремниевые выпрямительные агрегаты являются наиболее совершенными из всех существующих преобразователей тока. За очень короткий срок (6-8 лет) они стали основным видом выпрямительных установок для вновь сооружаемых мощных электролизных цехов цветной металлургии, вытеснив ртутные и механические выпрямители.

Кремниевые вентили отечественной промышленностью изготовляются управляемыми и неуправляемыми. Управляемые вентили дороже и имеют меньшую надежность, поэтому в настоящее время они применяются только в установках, требующих безынерционного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах (например, в электроприводе). Для электролизных выпрямительных установок, не требующих такого регулирования, применяются неуправляемые кремниевые вентили.

Если по условиям технологии электролиза необходимо редкое и не требующее быстродействия регулирование выпрямленного напряжения, то для кремниевых выпрямительных агрегатов применяют трансформаторы со ступенчатым регулированием напряжения под нагрузкой. Если требуется плавное автоматическое регулирование напряжения, между трансформатором и выпрямителем включают дроссели насыщения. Изменением величины постоянного тока в обмотке подмагничивания дросселя можно плавно менять выпрямленное напряжение в пределах ступени переключения трансформатора.

Кремниевые выпрямительные агрегаты по сравнению с другими выпрямителями, применявшимися ранее для питания электролизных установок, имеют значительно больший кпд, достигающий 98,5%.

Для защиты обслуживающего персонала от травматизма и заболеваний при эксплуатации электролизных установок применяются индивидуальные и общие средства защиты.

К индивидуальным средствам защиты относятся:

а) спецодежда;

б) спецжиры;

в) местная вентиляция на участках цеха с повышенной концентрацией кислотных паров.

К общецеховым средствам защиты относятся:

а) ограждения;

б) вентиляция цеха;

в) освещение цеха;

г) воздушные завесы.

Кроме применения индивидуальных и общих средств защиты, регулярно должны проводиться инструктаж и проверка знаний техники безопасности обслуживающего персонала.

Спецодежда должна защищать рабочих электролизных цехов от воздействия электролита, электрического тока, острых кромок металлических листов и т. д. Спецодежда (брюки, куртка) может быть суконной или из перхлорвиниловой ткани, последняя легче и долговечнее. Рабочим выдаются кислотостойкие рукавицы, резиновые сапоги, фартуки, защитные очки, предохраняющие глаза от брызг сернокислых растворов.

Инструктаж вновь поступивших рабочих по технике безопасности проводится в течение трех месяцев ежемесячно, а далее раз в три месяца. Цель инструктажа -- сообщить и закрепить у работающего в цехе персонала правила безопасной работы, выработанные на основе опыта эксплуатации цеха.

В цехах электролиза имеют место следующие источники опасности:

а) электрический ток;

б) кислотные растворы;

в) опасности, создаваемые перемещением грузов (анодов, катодов и т. д.);

г) работа на электролизных ваннах.

Во избежание поражения электрическим током обслуживание электрических аппаратов может производиться лишь электриками с квалификационной группой по технике безопасности не ниже третьей.

В электролизном цехе запрещается касаться руками токопроводящих шин. Все работы, связанные с прикосновением к шинам, могут производить только специально инструктированные рабочие в исправной спецодежде. Особое внимание должно быть уделено заземлению электрооборудования, которое в электролизных цехах выполняется из полос нержавеющей стали. Необходимо следить за состоянием изоляции оборудования и прекращать работу в случае ее повреждения.

Обслуживание кислотопровода и наблюдение за его исправностью поручается специально обученным рабочим. Брызги электролита, шламовой пульпы и промывных вод представляют опасность при попадании на слизистую оболочку глаз. Такие случаи могут быть при повреждении трубопроводов, при установке анодов, подвешивании катодных основ, чистке ванн от шлама, ремонте ванн и т. д.

Вследствие большого грузопотока в электролизном цехе обслуживающий персонал должен строго соблюдать правила техники безопасности при работе с подъемно-транспортными устройствами. Особенно важно следить за состоянием чалочных приспособлений (крюков, карабинов, подвесок, захватов), которые в агрессивной среде электролизного цеха могут преждевременно терять свою механическую прочность.

Травмы персонала (ушибы, порезы и др.) могут быть при ручном перемещении грузов (зацепке и отцепке груза, навеске катодных основ, укладке анодных остатков, установке анодов и др.). Соблюдение правильных приемов работы, соответствующая подготовка рабочего места и производственная дисциплина позволяют избежать травматизма.

Для создания нормальных условий груда рабочим, имеющим постоянные рабочие места, используются аэраторы и вентиляторы, например, на матричных участках для обдувки рабочих, сдирающих катодные листы, на заготовке катодных основ, при чистке электролизных ванн от шлама и т. д.

Общецеховая вентиляция играет важную роль в создании нормальных условий для работающих в цехе, так как с поверхности электролита испаряется большое количество воды. Кроме водяных паров, в атмосфере электролизного цеха содержится туман из мельчайших капель электролита. Согласно нормам концентрация серной кислоты в атмосфере цеха должна быть не выше 10-6 кг/м3. Поэтому в электролизных цехах одновременно с аэрацией (за счет притока свежего воздуха через нижние проемы - ворота, окна, тамбуры) применяется приточная вентиляция. Удаление воздуха происходит через фонари перекрытия цеха. В холодное время года воздух, нагнетаемый приточной вентиляцией, забирается через калориферы.

Безопасные условия труда и его производительность зависят также от освещенности рабочих мест. В электролизных цехах по нормам требуется освещенность 100 - 150 лк, что в пересчете на удельную мощность освещения составляет, примерно, 30 вт/м2 площади цеха.

4. Описание лабораторного стенда

Работа выполняется на стенде, электрическая схема которого представлена на рисунке 5.2.

Лабораторная установка включает в себя электролизную ванну 1 с анодом (черновая медь) 3 и катодом (нержавеющая сталь) 2, составляющие блок электролизной ванны. Рубильником QS подается напряжение питания на блок электролизной ванны. Шунтовым реостатом R регулируют ток в цепи блока электролизной ванны. Для питания блока электролизной ванны постоянным током используется двигатель-генератор М1-М2 с обмоткой возбуждения L1. Для того, чтобы иметь возможность изменения и регулирования в более широких пределах напряжения на блоке электролизной ванны, низковольтный генератор М2 снабжен обмоткой добавочных полюсов L2. Двигатель М1 включается в сеть контактором КМ, защита сети осуществляется предохранителями FU. На лицевой панели стенда расположены измерительные приборы.

Рисунок 5.2 Электрическая схема лабораторной установки

5. Инструкция по выполнению эксперимента

Эксперимент необходимо выполнять в следующей последовательности:

а) залить электролит в ванну (электролит получить у преподавателя);

б) поместить электроды в ванну;

в) убедиться в том, что электроды подключены в соответствии со схемой, представленной на рисунке 5.2.

г) сдвинуть ползунок реостата R в крайнее левое положение;

д) подать питание на установку, включив контактор КМ и рубильник QS;

е) с помощью реостата R установить и поддерживать ток ванны Iв равным 2,5 А;

ж) указанный параметр по току поддерживать неизменным в течение всего эксперимента, длительность которого составляет 1 час;

з) Записать показания приборов вольтметра, амперметра, ваттметра;

и) после окончания эксперимента отключить установку от сети.

6. Указания по обработке результатов эксперимента

По полученным в ходе эксперимента данным определить расчетным путем следующие энергетические и технологические параметры процесса электролиза:

а) активную мощность, потребляемую ванной Рв , Вт

Рв = Uв•Iв,

где Uв - напряжение между анодом и катодом, В.

б) полную мощность установки Sу, ВА

в) реактивную мощность установки

где Ру - активная мощность установки, Вт.

г) коэффициент мощности установки

Cos = Ру/Sу.

д) коэффициент полезного действия установки

= Рв/ Ру.

е) Расход электрической энергии

W = Ру/t,

где t - время проведения эксперимента, час.

ж) выход вещества по току

АI = Q1/Q2,

где Q1 - количество вещества, выделившегося за время эксперимента, г;

Q2 - количество вещества, определенного по закону Фарадея, г.

7. Вопросы для защиты выполненной работы

а) В чем состоит сущность процесса электролиза?

б) Назовите преимущества и недостатки электролиза по сравнению с другими способами получения металла.

в) Что показывает выход вещества по току?

г) По каким причинам на практике при электролизе не удается достигнуть теоретически рассчитанного количества вещества?

д) Какие источники используются для питания электролизных установок?

е) Назовите основные правила техники безопасности при проведении электролиза.

8. Указания по оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) цель работы;

б) электрическую схему лабораторной установки;

в) данные, полученные в ходе эксперимента.

г) результаты расчета энергетических и технологических показателей процесса электролиза.

Более подробно с теоретическими сведениями по теме лабораторной работы можно ознакомиться в: [1] - c. 325-344; [2] - c. 239-254.

Литература

1. Электротехнологические промышленные установки/ И.П. Евтюкова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова и др. - М.: Энергоиздат, 1982.

2. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. - М.: Высшая школа, 1988.

3. Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов / А.М. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов и др.; Под. ред. А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Электротехнологические промышленные установки / И.П.Евтюкова, Л.С.Кацевич, Н.М.Некрасова и др. - М.: Энергоиздат, 1982.

5. Электротермическое оборудование: Справочник / Под общ. ред. А.П.Альтгаузена. - М.: Энергия, 1980.

6. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. - М.: Высшая школа, 1988.

7. Электротехнологические промышленные установки/ И.П.Евтюкова, Л.С.Кацевич, Н.М.Некрасова и др. - М.: Энергоиздат, 1982.

8. Электротехнологические промышленные установки/ И.П.Евтюкова, Л.С.Кацевич, Н.М.Некрасова и др. - М.: Энергоиздат, 1982.

9. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. - М.: Высшая школа, 1988.

10. Электротехнологические промышленные установки/ И.П. Евтюкова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова и др. - М.: Энергоиздат, 1982.

11. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. - М.: Высшая школа, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...