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高频硅机在铝材氧化时的效率及单位膜体积能耗分析

   日期:2015-11-20     来源:山东华建铝业集团    作者:李强,张洪亮    浏览:910    评论:0    

引言:

氧化电源是铝型材阳极氧化过程中的重要设备,也是氧化电泳车间的主要耗电设备,近年来随着对节能降耗和清洁生产的重视,很多铝型材厂逐渐开始使用更加节能环保的氧化高频开关电源,某铝型材厂试用一台额定功率为600Kw的某型号高频硅机,本文通过理论计算和记录实际耗电量,分析了该型号高频硅机与普通硅机效率及单位膜体积耗电情况,以及高频硅机省电规律。

一、原始数据记录及计算部分

记录部分数据包括:硅机号;槽温(实测氧化槽温度);膜厚;面积;电流密度;设定电流、时间(按公式δ=kit计算,k=0.3);输出电流、输出电压(氧化电源控制系统显示);初始电表数、末期电表数(硅机电度度表)。

计算部分数据包括:耗电数=末期电表数-初始电表数;实际耗电=耗电数×倍率(氧化硅机倍率=200);理论耗电=输出电流×输出电压×时间(定义理论耗电即为电流所做有用功,非纯电阻电路有用功W=UIt);效率=理论耗电÷实际耗电(η=W有用功/W总功);膜体积=膜厚×面积;单位膜体积耗电=实际耗电/膜体积。

表1  原始数据记录及计算部分统计表

高频氧化硅机电源原始数据记录及计算部分统计表

高频氧化硅机电源原始数据记录及计算部分统计表2

高频氧化硅机电源原始数据记录及计算部分统计表3

高频氧化硅机电源原始数据记录及计算部分统计表4

二、数据分析:

2.1 高频硅机与普通硅机制备相同膜体积的氧化膜实际耗电对比 

高频硅机与普通硅机制备相同膜体积的氧化膜实际耗电对比

以膜体积为横坐标,实际耗电量为纵坐标,分别作普通硅机和高频硅机的XY散点图,可以看出随着膜体积的增大,耗电量也逐渐增大,通过添加趋势线发现实际耗电量与膜体积呈线性关系。对于高频硅机线性方程为y=11.23x-4.3505(相关系数R2=0.995),普通硅机线性方程y=14.581x-28.503(相关系数R2=0.9791)。因为数据有限可能存在一定误差,但是可以看出在膜体积低于10×10-4m3(相当于100m2面积上做10个膜的体积)左右时,普通硅机与高频硅机耗电量差别不大(甚至当膜体积小于7.21×10-4m3时,普通硅机略省点电),但是膜体积大于10×10-4m3时,随着膜体积的增大高频硅机的耗电量明显低于普通硅机,省电量随着膜体积的增大而增大。

相同膜体积高频硅机省电计算公式:省电率=(普通硅机耗电-高频硅机耗电)/普通硅机耗电=(14.581V-28.503-11.23V-4.3505)/(14.581V-28.503)=(3.351V-24.1525)/(14.581V-28.503),其中V表示膜体积。膜体积为15×10-4m3时,高频硅机省电13.68%;膜体积为20×10-4m3(相当于200m2面积上做10个膜的体积)时,高频硅机省电16.30%。某厂青光料电流密度取140 A/m2,着色料电流密度取130 A/m2,而硅机输出最大电流为23500A,对于青光料168m2为超面积料,着色料180m2为超面积料,可以看出超面积料用高频硅机省电效果更加明显。

高频硅机与普通硅机同膜体积实际耗电对比
图为:高频硅机与普通硅机同膜体积实际耗电对比 

上图用不同颜色表示1号高频硅机和2~6号普通硅机膜体积与实际耗电关系图,可以得到与上面相同的结论,即膜体积大于10×10-4m3时,随着膜体积的增大高频硅机的耗电量明显低于2~6号普通硅机,省电量随着膜体积的增大而增大。

2.2 高频硅机与普通硅机制备相同膜体积的氧化膜电源效率对比 

高频硅机与普通硅机制备相同膜体积的氧化膜电源效率对比

定义硅机电源效率为η=W有用功/W总功 ,从上图可以看出随着膜体积的增大,因为耗电量越来越大,普通硅机的电源效率有下降的趋势,效率与膜体积的线性关系方程为y=-0.7552x+93.678。而高频硅机电源效率没有明显的下降,都在88%到91%左右,统计计算得到高频硅机效率平均值为89.76%。膜体积小于10×10-4m3时普通硅机与高频硅机效率差别不大,但当膜体积大于10×10-4m3时普通硅机效率明显下降,而高频硅机效率几乎不变。对于普通硅机当膜体积为20×10-4m3时,效率降至78%左右,对于超面积的料,普通硅机效率更低。这是因为膜体积越大,用到的电流越大,氧化时间越长,电流所做的无用功越多,电流通过铝材导体电阻放热越多,通过实际观察普通硅机做10个膜并且超面积的料用23500A的大电流氧化23min以上,在不开冰机和冷却的情况下,槽温会升高2~3℃(冬天水槽温5℃左右)。

2.3 单位膜体积耗电分析

定义单位膜体积耗电量为W体积膜。公式计算推导:

W体积膜=W实际耗电/V=W总/δS=W有用功/ηδS=UIt/ηδS

t=δ/60ki(小时)   I=i?S

则W体积膜=U/60kη=(U/1.8η)×104  kwh/m3   (公式1)

即单位体积膜消耗的电量只与电压和电源效率有关,且与电压成正比,与效率成反比,电源效率越高单位膜体积耗电越少。上图2.2分析得出膜体积大于10×10-4m3时普通硅机效率明显下降,而高频硅机效率一直很高几乎不变,这也验证了2.1的结论,膜体积大于10×10-4m3时,随着膜体积的增大高频硅机的耗电量明显低于普通硅机,省电量随着膜体积的增大而增大。

用表1中2号硅机第一组数据验证公式1,需要数据输出电压U=16V,效率η=92.63%,代入公式1中,W体积膜=(U/1.8η)×104=(16÷1.8÷0.9263)×104=9.60×104kwh/m3,查表一知道2号硅机第一组数据单位膜体积耗电为9.5×104 kwh/m3,计算数据在误差范围内,另随机取表1任意硅机(包括1号高频硅机)的数据按公式计算的结果与表中数据相差不大,证明公式1可以用来计算单位膜体积耗电。

误差出现的原因是因为阳极氧化用恒电流模式,电压在一定范围内变化,所以对计算结果产生了影响。实际生产温度对电压的影响很明显,温度越低,电压越大,单位膜体积耗电越大。

2.4 高频硅机与普通硅机单位膜体积耗电对比 

高频硅机与普通硅机单位膜体积耗电对比

通过上图可以得出普通硅机单位膜体积耗电平均数为12.702×104kwh/m3,高频硅机单位膜体积耗电平均数为10.878×104kwh/m3。

四、结论 

某铝型材厂氧化电泳车间氧化电源为一台高频硅机(1号)和五台普通硅机(2~6号),本文通过理论计算和实际记录耗电量,对比分析了高频硅机与普通硅机效率及单位膜体积耗电情况。

1、膜体积低于10×10-4m3(相当于100m2面积上做10个膜的体积)时,普通硅机与高频硅机耗电量差别不大,但是膜体积大于10×10-4m3时,随着膜体积的增大高频硅机的耗电量明显低于普通硅机,省电量随着膜体积的增大而增大。

2、省电量=普通硅机耗电-高频硅机耗电=3.351V-24.1525,其中V表示膜体积。

省电率=(普通硅机耗电-高频硅机耗电)/普通硅机耗电=(3.351V-24.1525)/(14.581V-28.503),膜体积为20×10-4m3(相当于200m2面积上做10个膜的体积)时,高频硅机省电16.30%。

3、随着膜体积的增大,普通硅机电源效率逐渐降低,当膜体积为20×10-4m3时,效率降至78%左右,而高频硅机电源效率不随膜体积的增大而明显变化,高频硅机效率平均值为89.76%。

4、通过推导得出单位膜体积耗电公式W体积膜=(U/1.8η)×104kwh/m3,效率越高,耗电越少,所以高频硅机单位膜体积耗电更少。

5、普通硅机单位膜体积耗电平均数为12.702×104kwh/m3,高频硅机单位膜体积耗电平均数为10.878×104kwh/m3。

 
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