Analysis of the energy intensity of the galvanic complex of machine-building production

Full Text

Введение

Удельная энергоемкость продукции промышленных предприятий мелкосерийного и единичного производства машиностроительной отрасли в России велика по сравнению с энергоемкостью продукции большинства развитых стран. Это объясняется тем, что крупные промышленные предприятия в СССР основное внимание уделяли надежности и бесперебойности производства [1]. Энергоемкость продукции не учитывалась или учитывалась крайне редко. Многие такие предприятия были градообразующими и получали энергоресурсы от централизованного источника, что приводило к перерасходу энергии при мелкосерийном производстве из-за неритмичной работы оборудования.

Некогда надежная централизованная система энергообеспечения многих промышленных предприятий машиностроительной отрасли мелкосерийного производства из-за большой протяженности инженерных сетей имеет большие потери энергии, а также не является энергоэффективной в рыночных условиях экономики при неравномерной загрузке оборудования. При этом повышенные затраты на энергоресурсы влекут за собой увеличение себестоимости продукции и снижение конкурентоспособности [2, 3].

Для примера рассмотрим типичное предприятие мелкосерийного производства машиностроительной отрасли, где имеется полный цикл производства. В его состав входят комплексы: заготовительный, литейный, кузнечно-штамповочный, гальвано-термический, механосборочный, сборочный и испытательный. Основными потребителями топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) являются элементы производственного оборудования (печи, прессы, станки, гальванические ванны и др.). Энергоснабжение производства осуществляется от централизованного энергоисточника. Энергия потребляется на отопление (горячая вода), освещение (электричество), обеспечение технологического процесса (газ, пар, электричество) и пр. Ниже приведены в процентном соотношении потребляемые ТЭР в тоннах условного топлива (т.у.т.) и в денежном эквиваленте (рис. 1 и 2 соответственно).

 

Рис. 1

 

Рис. 2

 

Сопоставление диаграмм (см. рис. 1, 2) демонстрирует, что тепловая энергия в горячей воде и паре имеет различную стоимость, так как при централизованном внешнем теплоснабжении паром предприятие несет дополнительные затраты из-за невозврата конденсата.

Общая характеристика гальванического комплекса

Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты деталей от коррозии, способствуют приданию поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости и износостойкости, высокой отражательной способности, улучшенных антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности, облегчения паяемости. А также они применяются в качестве декоративных покрытий [4, 5].

В составе гальванического комплекса имеются ванны для нанесения покрытий, травления, изоляции, промывки и т. д., печи для нагрева и сушки деталей, галтовочные машины и пескоструйные камеры для подготовки деталей под нанесение покрытий и другое технологическое оборудование. Основной технологической единицей являются гальванические ванны.

На предприятиях мелкосерийного производства машиностроительной отрасли гальванический комплекс относится к наиболее энергоемким. При этом до 45 % всего пара, поступающего на производственную площадку, расходуется на обеспечение технологических процессов гальванического комплекса.

Повышенная энергоемкость гальванического производства объясняется тем, что процесс осаждения металла происходит при помощи электролиза, который осуществляется посредством электрической энергии и в большинстве случаев требует нагрева электролита.

Нагрев электролита осуществляется металлическими «змеевиками», расположенными на дне и внутренних поверхностях стенок ванн.

Существующая схема энергообеспечения в гальваническом комплексе не позволяет перекрывать паропровод, снижая или перекрывая потребление пара в перерывах между рабочими циклами оборудования, что не дает возможности регулировать паропотребление в зависимости от динамики производства продукции. Такая организация теплоснабжения в силу мелкосерийности производства и низкого коэффициента использования оборудования гальванического комплекса приводит к дополнительным энергозатратам.

Для снижения энергоемкости продукции рассмотрим способы энергообеспечения гальванического производства с учетом коэффициента загрузки оборудования для трех основных гальванических операций (рис. 3, 4). В качестве альтернативных источников энергоресурсов рассмотрим: электронагрев, газовый парогенератор и централизованное пароснабжение.

 

Рис. 3

 

Рис. 4

 

Из графиков на рис. 3 и рис. 4 видно, что для группы ванн изоляции экономически выгоднее обеспечивать технологическое теплоснабжение при помощи электронагрева при загрузке менее 15 % процентов (см. рис. 3), для ванн нанесения покрытий – при загрузке менее 10 % (см. рис. 4).

При построении графиков учитывалось, что при снижении загрузки КПД парогенератора снижается, а при низкой загрузке (менее 20 %) парогенератор не эксплуатируется [6].

Из графика (рис. 5) видно, что энергопотребление при централизованном пароснабжении больше в холодный период года, меньше – в теплый, что обуславливается большими потерями тепла в окружающую среду. Эти сезонные энергопотери снижаются до минимума при снабжении энергоресурсами в рассчитываемых вариантах.

 

Рис. 5

 

В табл. 1 приведены температурные параметры и коэффициенты загрузки при односменной и при круглосуточной работе оборудования гальванического участка.

 

Таблица 1. Характеристики режимов работы гальванических ванн

Наименование процесса	Номера ванн	Температура электролита, °C	Коэффициент загрузки (К) при 24-часовой работе	Коэффициент загрузки (К) при односменной работе
Химическое оксидирование	ХО-1	155–135	0,463	1,39
	ХО-2		0,461	1,382
Хромирование	Х-1	60–50	0,095	0,2862
	Х-2		0,074	0,2231
	Х-3		0,095	0,2862
	Х-4		0,074	0,2231
	Х-5		0,095	0,2862
	Х-6		0,074	0,2231
Лужение	Л-1	70–60	0,043	0,1286
Травление	Т-1	90–80	0,011	0,0329
Хромовокислое анодирование	ХА-1	40–36	0,038	0,114
Химическое никелирование	ХН-1	85–75	0,0006	0,0018
Снятие нагара	СН-1	80–60	0,899	2,696
Электрохим. обезжиривание	ЭО-1	80–60	–	0,0013
	ЭО-2		–	0,0001
	ЭО-3		–	0,0007
	ЭО-4		–	0,0007
	ЭО-5		–	0,0001
	ЭО-6		–	0,0007
	ЭО-7		–	0,0003
	ЭО-8		–	0,0007
Электрополирование	ЭП-1	80–60	0,0009	0,003
Никелирование	Н-1	60–30	0,123	0,37
Хроммолибденирование	ХМ-1	60–50	0,0114	0,034
Снятие спец. слоя	ССН-1	90–70	0,032	0,095
	ССН-2		0,026	0,076
Фосфатирование	Ф-1	95–80	0,0632	0,1897
	Ф-2		0,0626	0,1871
Универсальное фосфатирование	УВФ-1	90–70	0,0624	0,187
Снятие краски	СК-1	80–60	0,0234	0,07
Промывка	ГВ № 1-13	90–70	0,33	1
Снятие воска	СВ-1, СВ-2	100–90	0,108	0,324
Изоляция	И-1, И-2, И-3, И-4	90–80	0,15	0,45
Снятие изоляции	СИ-1	100–90	0,074	0,222
Обезжиривание	О-1	60–40	0,106	0,318

 

Из табл. 1 видно, что ванны имеют значительный разброс коэффициентов загрузки: 3 ванны работают с загрузкой в 24 часа – ванны № ХО-1, ХО-2 (химическое оксидирование) и ванна № СН-1 (снятие нагара), а ванны электрохимического обезжиривания при 8-часовой работе загружены менее 1 %.

Предлагаются два возможных варианта расстановки, режима работы гальванических ванн и подключения их к локальным источникам теплоснабжения в зависимости от температурного режима и коэффициента загрузки (рис. 6, 7). Первый вариант расстановки (см. рис. 6) выполнен с учетом температурных параметров и коэффициента загрузки ванн, с теплообеспечением одной группы от парогенератора и двух групп от теплоэлектронагревателей (ТЭНов). Второй вариант (см. рис. 7) выполнен с учетом последовательности гальванических процессов, их температурных параметров, коэффициента загрузки и возможности параллельно-последовательной работы для выравнивания загрузки парогенераторов.

 

Рис. 6. Схема расстановки и подключения ванн. Вариант 1

 

 

Рис.7. Схема расстановки и подключения ванн. Вариант 2

 

Энергетический баланс гальванических ванн

Для выбора мощности источника энергоснабжения и режима его работы необходимо определить тепловые нагрузки при энергоснабжении гальванических ванн, связанные с выводом на режим и его поддержанием, исходя из времени работы каждой ванны [10].

1. Количество теплоты на нагрев электролита вычисляется по (1). $Q_{\text{н}}$ (Дж) складывается из количества теплоты $Q_{\text{1}}$, необходимой для разогрева ванн до заданной по технологическим условиям температуры, и количества теплоты $Q_{\text{2}}$ для поддержания рабочей температуры ванны, т. е. компенсации тепловых потерь в окружающую среду (вычисляется по формуле (2)) [11]:

$Q_{\text{н}}=Q_1+Q_2=\left(C_1{G}_1+C_2{G}_2+C_3{G}_3\right)\cdot \left(t_{\text{к}}+t_{\text{н}}\right)+Q_2$, (1)

где $C_1$, $C_2$ и $C_3$ – удельная теплоемкость электролита, материала ванны и футеровки (Дж/кг·ºС); $G_1$, $G_2$ и $G_3$ – масса электролита, материала корпуса ванны и футеровки соответственно (кг); $t_{\text{к}}$, $t_{\text{н}}$ – конечная и начальная температуры электролита (ºС).

2. Количество теплоты, затрачиваемое на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду [7, 8]:

$Q_2={Q^{\text{'}}}_2+{Q^{\text{'}\text{'}}}_2$, (2)

где ${Q^{\text{'}}}_2$ – потери теплоты электролита через стенки (теплопроводностью, конвекцией, лучеиспусканием), Дж (см. формулу (3)); ${Q^{\text{'}\text{'}}}_2$ – потери теплоты на испарение жидкости с открытой поверхности, Дж (см. формулу (4)):

${Q^{\text{'}}}_2=k{F}_{\text{в}}T\left(t_{\text{к}}-t_{\text{н}}\right)$, (3)

где $F_{\text{в}}$ – площадь поверхности корпуса ванны, м²; $T$ – время нагрева электролита до заданной температуры, с; $k=\frac{1}{R}=\frac{1}{\frac{1}{a_1}+{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(\frac{S_i}{{\mu }_i}\right)+\frac{1}{a_2}}}$ – коэффициент теплопередачи, $\frac{\text{Вт}}{{\text{м}}^2{}^{°}\text{С}}$; $R$ – термическое сопротивление теплопередаче, $\frac{{\text{м}}^2{}^{°}\text{С}}{\text{Вт}}$; $a_1$ и $a_2$ – коэффициенты теплоотдачи на граничных поверхностях стенки соответственно с внутренней и наружной средами, $\frac{\text{Вт}}{{\text{м}}^2{}^{°}\text{С}}$; $\sum _{i=1}^n\left(\frac{S_i}{{\mu }_i}\right)$ – суммарное внутреннее термическое сопротивление теплопроводности слоев стенки, $\frac{{\text{м}}^2{}^{°}\text{С}}{\text{Вт}}$; $S_i$ – толщина i-го слоя стенки, м; ${\mu }_i$ – теплопроводность i-го слоя стенки, $\frac{\text{Вт}}{{\text{м}}^2{}^{°}\text{С}}$;

$Q^{\text{'}\text{'}}=\left(\mathrm{5,7}+\mathrm{4,1}\upsilon \right)\left(t_{\text{к}}-t_{\text{в}}\right)F_{\text{э}}{T}_{\text{р}}$, (4)

где $\upsilon$ – скорость движения воздуха над поверхностью электролита, $\frac{м}{с}$; $t_{\text{к}}$ – температура электролита, ºС; $t_{\text{в}}$ – температура воздуха над поверхностью электролита, ºС; $F_{\text{э}}$ – площадь поверхности электролита, м²; $T_{\text{р}}$ – время работы ванны, с.

Для ванн химической обработки при расчете расхода теплоты на поддержание температуры электролита в процессе работы дополнительно учитывается количество теплоты на нагрев вносимой детали:

$Q_{\text{п}}=Q_2+Q_{\text{м}}$, (5)

где $Q_{\text{м}}={с}_{\text{м}}G\left(t_{\text{к}}-t_{\text{нм}}\right)$ – количество теплоты, вносимое с загружаемым металлом, Дж; ${с}_{\text{м}}$ – удельная теплоемкость загружаемого металла, $\frac{\text{Дж}}{{\text{кг\hspace{0.17em}}}^{\text{°}}\text{С}}$; $G$ – масса загружаемых деталей, кг; $t_{\text{нм}}$ – температура загружаемых деталей, ºС.

При расчете количества теплоты на поддержание температуры ванн промывки в горячей воде (см. формулу (6)) учтено, что для поддержания чистоты промывочной воды в ванну непрерывно поступает проточная вода:

$Q_{\text{в}}={с}_{\text{в}}{G}_{\text{в}}T\left(t_{\text{к}}-t_{\text{нв}}\right)$, (6)

где ${с}_{\text{в}}$ – удельная теплоемкость воды, $\frac{\text{Дж}}{{\text{кг\hspace{0.17em}}}^{\text{°}}\text{С}}$; $G_{\text{в}}$ – массовый расход воды, $\frac{\text{кг}}{\text{с}}$; $t_{\text{нв}}$ – температура холодной воды, ºС; $T$ – время работы ванны, с.

Организация энергоснабжения гальванического производства

Суммарные показатели тепловых нагрузок для двух предлагаемых альтернативных централизованному пароснабжению вариантов расстановки ванн, второй из которых рассмотрен как с параллельным включением оборудования, так и с последовательным, приведены в табл. 2. Затраты на ТЭР учтены на период с августа 2012 по декабрь 2017 гг.

 

Таблица 2. Потребление ТЭР при альтернативных вариантах теплообеспечения и централизованного пароснабжения

Источник	Потребляемый ТЭР	Единицы измерения	Потребление ТЭР в натуральных единицах	Затраты, тыс. руб.	Суммарное потребление ТЭР по вариантам, т.у.т.
Вариант 1
Парогенератор	Газ	тыс. м3	243,767	1 506,25	–
Электрические ТЭНы гр. 1	Электричество	кВт/ч	2 438 283	8 124,02	–
Электрические ТЭНы гр. 2	Электричество	кВт/ч	1 469 728	4 890,22	–
			Итого	14520,5	761,99
Вариант 2 (с параллельным включением оборудования)
Парогенератор 1	Газ	тыс. м3	315,93	1 952,28	–
Парогенератор 2	Газ	тыс. м3	94,84	586,05	–
Электрические ТЭНы	Электричество	кВт/ч	1247435,94	4155,45	–
			Итого	6 693,78	627,46
Вариант 2 (с параллельно-последовательным включением оборудования)
Парогенератор 1	Газ	тыс. м3	204,6	1264,44	–
Парогенератор 2	Газ	тыс. м3	78,24	483,49	–
Электрические ТЭНы	Электричество	кВт/ч	1247435,94	4 155,45	–
			Итого	5 903,38	479,83
Базовый вариант (централизованное пароснабжение)
Централизованное пароснабжение	Пар	Гкал	106 999	151973,66	15300,86

 

Из табл. 2 видно, что при организации энергообеспечения по вариантам 1 и 2 потребление энергии уменьшается по сравнению с базовым. Энергетическая эффективность обуславливается тем, что рассматриваемые варианты теплоснабжения зависят от коэффициента загрузки оборудования и по сравнению с централизованным пароснабжением имеют минимальные тепловые потери (см. рис. 7).

Экономический и энергетический эффект от внедрения альтернативных вариантов теплоснабжения гальванических ванн к базовому варианту составляет:

– при варианте 1 – 137 453,16 тыс. руб. и 14 538,80 т.у.т.;

– при варианте 2 (параллельное включение оборудования) – 145 279,88 тыс. руб. и 14 673,325 т.у.т.;

– при варианте 2 (параллельно-последовательное включение оборудования) – 146 070,28 тыс. руб. и 14 820,96 т.у.т.

Заключение

Централизованное пароснабжение гальванического производства неэффективно, т. к. низкий коэффициент загрузки приводит к нерациональному энергопотреблению. При организации теплоснабжения гальванического производства выявлено, что с учетом коэффициента загрузки наиболее эффективно запитывать ванны с низким коэффициентом (до 5 %) загрузки от гибко управляемых ТЭНов; остальные ванны – от газовых парогенераторов с учетом параллельно-последовательного их включения для более экономичной работы источника теплоснабжения. Также установлено, что при децентрализованном теплоснабжении сезонные теплопотери минимальны, т. к. при этом теплообеспечение гальванического комплекса не имеет внешних сетей в отличие от централизованного пароснабжения и поэтому наиболее эффективно используются энергоресурсы для обеспечения технологического процесса (см. рис. 8).

 

Рис. 8

About the authors

Alena S. Romanova

Samara State Technical University

Email: alyona512@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3657-8341

Postgraduate Student

Russian Federation, 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Maxim B. Mikushin

Samara State Technical University

Email: mmikushi@mail.ru

Student

Russian Federation, 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Alexander Yu. Voevodin

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: voevodinaleksandr98@mail.ru

Student

Russian Federation, 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files