مفاهیم کلی آندایزینگ الومینیوم و محاسبات چیلر:
به مجموعه عملیاتی که با تشکیل یک لایه نازک اکسیدی بر روی قطعات آلومینیومی باعث افزایش سختی مقاومت در برابر خوردگی ، ایجاد نمای تزئینی و تغییر برخی از خصوصیات فیزیکی آنها می گردد آندایزینگ اطلاق می شود ،آلومینیوم در شرایط معمولی نیز اکسید می شود بطوري که در مجاورت هوا و بطور معمول لایه اي از اکسید به ضخامت 0.01میکرون به صورت غیرمتخلخل بر روي سطوح قطعات آلومینیومی تشکیل می گردد که وظیفه حفاظت از سطح فلز را در محیط برعهده دارد اما برتري و مزیت اکسید ایجاد شده در روش آندایزینگ نسبت به شرایط طبیعی مقاومت بیشتر آن در مقابل خوردگی است. مکانیزم تشکیل لایه ی اکسیدی –آندی:
حمام اسید سولفوریک به غلظت 10 % حجمی
قطعه الومینیومی آند
کاتد قلع
A: 1- 1.6 Am/ dm2
دمای اتاق
لایه اکسیدی تشکیل شده : Al2O3.9H2O
نرخ پوشش : 0.5 میکرون بر دقیقه
در داخل سیستم فوق باعث می گردد که یون هاي مثبت آلومینیوم (کاتیون ها) به سمت کاتد هدایت شوند و در همان حال در سطح آند، کاتیون ها یا آلومینیوم با آنیون هاي اکسیژن ترکیب شده و تشکیل اکسیدآلومینیوم را می دهند. مقداري از یون هاي آلومینیوم نیز قادر به ترکیب با اکسیژن نبوده و به صورت نامحلول در الکترولیت باقی می مانند.
پوشش اکسیدي – آندي آلومینیوم از تعداد زیادي حفره هاي شش ضلعی ساخته شده است که اندازه آنها در یک اینچ مربع حدود چند میلیون عددمی باشد. در وسط هر کدام از این شش ضلعی ها سوراخی وجود دارد که اطراف و قسمت تحتانی ن توسط لایه اي اکسیدي از فلز مبنا جدا شده است .ابعاد حفره ها در الکترولیت هاي مختلف تفاوت دارد و بطور تقریبی به شرح زیر می باشد:
- قطر داخلی: Ao = (1*10 -10m)Ao1
- ضخامت دیواره اطراف حفره: 100 – 200 Ao
- ارتفاع حفره یا ضخامت پوشش : 5000 تا 25000 برابر قطر داخلی حفره.
ضخامت لایه اکسیدي – آندي:
ضخامت لایه اکسیدي – آندي ایجاد شده بر روي آلومینیوم به مدت زمان حضور قطعه در داخل حمام بستگی دارد مشروط بر اینکه تمام شرایط انجام کار استاندارد باشد. در این صورت براي به دست آوردن ضخامتی 1آمپر بر دسیمتر مربع حدود 10 دقیقه / معادل 5 میکرون با دانسیته جریان 6و براي ضخامتی برابر 10 میکرون حدود 20 دقیقه زمان مورد نیاز است. به عبارت دیگر هر چه ضخامت بیشتري مدنظر باشد زمان بیشتري مورد نظر می باشد، اما در برخی موارد حتی با افزایش زمان عملیات ممکن است هیچ نوع افزایش ضخامتی ایجاد نشود. شکل زیر نشان دهنده ضخامت لایه اکسیدي حاصل از آندایزینگ برخی از آلیاژهاي مختلف الومینیوم نسبت به زمان می باشد. (محلول الکترولیت اسیدسولفوریک با غلظت 165 گرم در لیتر و دانسیته جریان 1.2 آمپر بر – دسی متر مربع است ). دلیل محدودیت در ایجاد ضخامت دلخواه و بالا در لایه پوشش اکسیدي هنوز مشخص و قطعی نیست اما میتوان آن را ناشی از تعادل بین دو عامل زیر دانست:
الف- قابلیت جریان الکتریکی در انتقال یون هاي آلومینیوم از لایه ها به منظورایجاد و تشکیل اکسید تازه.
ب – قابلیت حل آلومینیوم توسط محلول الکترولیت (اسیدسولفوریک)..
از جمله دلایل دیگر محدودیت ضخامت لایه اکسیدي قابل تشکیل می تواندگرماي ایجاد شده در پروسه آندایزینگ باشد زیرا اگر جریانی معادل 1.6آمپر و ولتاژ 16 ولت را جهت هر دسیمتر مربع از سطح آندالیز شده مناسب بدانیم در آن صورت به ازاي جریان فوق گرمایی معادل 240 وات ایجاد خواهد شد. از سوي دیگر، تشکیل اکسید آلومینیوم نیز گرمازا بوده و به ازاي هرگرم از اکسید تشکیل دشه 400 کیلوکالري گرما آزاد میگردد. هر چند که این گرما می تواند با استفاده از هم زن و یا جریان باد از داخل حمام خارج شود .
با وجود این مسائل و در نظر گرفتن میزان دما و شرایط اقلیمی ایران که باعث بالا رفتن دمای محلول میشود باید برای محلول آندایزینگ یک خنک کننده در نظر گرفت ، چیلر تعبیه شده باید با مقدار گرمای ایجاد شده در محلول متناسب باشد که مستلزم محاسبات خنک کننده است:
ابتدا به بررسی چند نمونه پروسه اندایزینگ میپردازیم:
محاسبات توان خنکی چیلر:
مثال 1:
محاسبات چیلر
مخزنی داریم برای انجام اندایز سخت با حجم محلول 3000 لیتر و دمای محیط 35 درجه و دمای کاری 0 تا 3 درجه سانتیگراد
میزان انرژی مورد نیاز برای سرد گردن محلول از دمای 35 به دمای 3 درجه مساوی است با :
مقدار گرمایی که تمام محلول در ابتدای کار دارد و میتوان ثابت درنظر گرفت :
Q: MC(T1-T2)
Q:3000kg*4200j/kgc*32C
q:403200000 j
Q:403200 kj
در حین اندایز دما بالا میرود :
40 min: 18 micron
403200 kj/40min : 10080 kj/min
پس با توجه به تبدیلات موجود میزان سرمایش برای خنک کردن محلول به دمای کاری چیلری با ظرفیت 47.7 تن تبرید نیاز داریم
47.76 ton refrigeration
حال تصور نمایید که پرت گرمایی موجود صفر باشد و محلول در این دما باقی بماند
پس بعد از خنک کردن محلول به این دما یه سرمایشی فقط به اندازه سرد کردن میزان گرمای تولید شده از فرایند آندایز نیاز داریم :
گرمای ناشی از ترسیب که دمای محلول را بالا میبرد :
1dm2:420 w گرما ازاد میکند.
420 w: 0.42 kw
0.42 kw *3440 Btu/hr : 818.88 Btu/hr
818.88 Btu/hr /12000: 0.0682 ton refrigration
حال فرض کنیم که ما برای هر بچ در وان 200 قطعه با سطح 3.62 دسی متر برای هر قطعه را باید اندایز نماییم
برای 200 قطعه به سطح 3.62 دسی متر مربع :
44.33 تن تبرید میشود
حال در واقعیت ما از دیواره و سطح وان و کف وان پرت حرارتی داریم و بخشی از گرمای محیط به محلول انتقال یافته و محلول گرم میشود:
محاسبات سطح مقطع:
دیواره 1: 140*190*2: 53200
کف: 190*140*1: 26600
سطح: 190*140*1: 26600
دیواره 2: 140*140*2: 39200
جمع کل مساحت: 145600cm2
14.56m2
از طرفی ضریب انتقال حرارتی برای دیواره با فرض آهنی وبا روکش پی وی سی 3 میلمتر به شرح زیر است:
هدایت پی وی سی را فقط مبنا قرار میدهیم ززیرا هدایت فلز بسیار بیشتر از پی وی سی است:
pvc: 0.19 w/mk
Q/T: KA(t1-t2) /d
d:برایpvc 3 میلی
مطابق محاسبات بالا ظرفیت چیلر مورد نیاز برای جبران اتلاف سرما از وان
q/t pvc: 6.34kw
که جمع آن با 44.33 تن تبرید میشود تقریبا 50 تن تبرید
برای محاسبه ظرفیت برج خنک کننده به پارامتر های زير نياز داريم:
1. دبي آب در حال گذر از برج خنک کننده
مقدار دبي آب در حال گذر از برج را دستگاه يا چيلری که برج خنک کننده با آن کار مي کند، مشخص مي کند. اين مقدار توسط شرکت سازنده آن دستگاه يا چيلر اعلام مي گردد.
2. دمای آب گرم ورودی به برج و آب سرد خروجي از برج
مقدار دمای آب گرم ورودی به برج خنک کننده و دمای لازم آب سرد خروجي از برج خنک کننده نيز توسط دستگاه يا چيلری که برج خنک کننده با آن کار مي کند، تعيين مي گردد. معمولا اين مقادير توسط شرکت سازنده آن دستگاه يا چيلر اعلام مي گردد.
3. دمای مرطوب هوا در منطقه جغرافيایی نصب برج
اين دما را مي توان از داده های سازمان های هواشناسي کشور استخراج نمود.
تیم تحقیقاتی جلاپردازان
