Проектирование аппарата, нагруженного внутренним и наружным давлением
Назначение и область применения аппарата, выбор материалов для изготовления его узлов. Расчетные параметры, методика их вычисления и назначение. Порядок определения толщины стенок. Приемы укрепления отверстия. Фланцевое соединение корпуса с крышкой.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.10.2011 |
| Размер файла | 193,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Технология химических и пищевых продуктов характеризуется широкой номенклатурой процессов, свойств сырья и продуктов, режимов и параметров работы машин и аппаратов.
По характеру воздействия на обрабатываемый продукт химическое и пищевое оборудование принято разделять на машины и аппараты.
В аппаратах происходят физико-механические, тепловые, диффузионные, химические, биохимические, электрические и другие процессы.
В машинах технологические процессы происходят вследствие механического воздействия на обрабатываемый объект. Эти процессы называют механическими.
Деление технологического оборудования на машины и аппараты является условным. Имеются машины, в которых механическая обработка сочетается с нагревом, охлаждением, массообменном, химическими реакциями, и этому термину «технологическая машина» придают расширенное значение, понимая под этим любое техническое устройство, предназначенное для осуществления технологического процесса.
Машины и аппараты пищевых производств во многом сходны с оборудованием химических и смежных отраслей промышленности.
Значительную долю всего оборудования химических и пищевых производств составляют емкостная аппаратура, работающая под вакуумом или при избыточном давлении среды. Эти аппараты сложны и потенциально опасны, поэтому им уделяется особое внимание.
1. Назначение и область применения аппарата
В современной химической технологии применяются самые разнообразные машины и аппараты как по назначению, рабочим характеристикам, так и по принципу действия и конструкции основных узлов и деталей.
Для физико-химической обработки различных материалов и их перемещения, а также для интенсификации технологических процессов к обрабатываемым средам часто необходимо подводить тем или иным способом механическую энергию. Особенно широкое распространение в химической промышленности получили машины и аппараты с вращающимися деталями, образующими различной формы роторы.
К числу типовых элементов роторов относятся валы, оболочки, диски, лопасти различной формы. Главными нагрузками для элементов быстроходных роторов являются центробежные силы вращающихся масс, вызывающие значительные напряжения.
Работоспособность многих конструкций машин и аппаратов зависят от правильности учета динамических нагрузок, возникающих при колебаниях тех или иных элементов. Так надежная эксплуатация центрифуги, центробежного насоса определяется виброустойчивостью роторов этих агрегатов.
К числу наиболее распространенных типовых элементов химического и пищевого оборудования следует отнести в первую очередь такие, которые можно сгруппировать или по принципу общности расчетной схемы (стенки, пластинки и оболочки, массивные трехмерные тела), или по конструктивному признаку (элементы роторов, вращающихся аппаратов и т.д.).
2. Выбор материалов для изготовления узлов аппарата
Оборудование предприятий пищевой, химической, фармацевтической промышленности разнообразно и отличается широким диапазоном давлений и температур, усилий на рабочих органах машин и аппаратов, мощности приводных устройств. Одним из важнейших требований к материалу конструкции является высокая механическая прочность в заданных температурных интервалах, при этом выбор критериев оценки механических характеристик материала зависит от условий работы детали, узла, машины.
Выбор конструкционного материала, определяемый условиями эксплуатации проектируемого элемента (температура, величина нагрузки и ее цикличность, характер агрессивного воздействия среды и др.), следует выполнять так, что при низкой стоимости и недефицитности материала.
Сталь низколегированная конструкционная (ГОСТ 19281 - 89 и ГОСТ 19282 - 89) содержит менее 0,2% углерода и до 2,5% легирующих элементов. Такое легирование незначительно удорожает сталь, существенно повышает ее прочность, хладо-, коррозионно- и износостойкость по сравнению с углеродистыми сталями, сохраняя пластичные свойства и свариваемость. В химическом машиностроении в основном применяют стали марганцовистые 09Г2, 14Г2, кремнемарганцовые 12ГС, 16ГС, 17ГС, 09Г2С, 10Г2С1, марганцо-ванадиевые (например, 15ГФ) для изготовления обечаек, днищ, фланцев и других деталей машин и аппаратов, работающих под давлением до 10МПа в интервале температур от -700С до +4750С с неагрессивными средами.
Выбираем сталь 16ГС.
3. Расчетные параметры
Расчетное давление
а) внутри аппарата (для днища, обечайки корпуса и крышки) РР =Р =0,2 МПа, так как максимальное значение гидростатического давления рабочей среды
, где
б) в рубашке PP=Pруб=0,45МПа, так как максимальное значение гидростатического давления в рубашке при наличии конденсата водяного пара Pг.р=g·св·(Н+l2+L)=9,81·1000·(0,35+0,1+1,2)=16186,5Па?0,016МПа, где Н=0,25D=0,25·1,4=0,35 м, св=1000 кг/м3 - плотность воды
Допускаемое напряжение
[у]=з·у*=1·162,5=162,5МПа, где у*=162,5МПа - для стали 16ГС при t=800С, з=1 - для листового проката.
[у]=з·у*=1·152,8=152,8МПа, где у*=152,8МПа - для стали 16ГС при t=1600С, з=1 - для листового проката.
Модудь продольной упругости
Е=1,93·105МПа - для обечайки корпуса при t=800С;
Ер=1,85·105МПа - для рубашки при t=1600С.
Прибавки к расчетным толщинам примем: С=2 мм - обечайки и днища корпуса; Скр=2 мм - крышки; Ср=0,2 - рубашки.
Расчетная длина цилиндрической обечайки корпуса
где
4. Толщина стенок
Расчетная толщина цилиндрической обечайки корпуса:
а) при действии внутреннего давления
б) при действии наружного давления
где
К3=lP/D=1,32/1,4=0,94, откуда по номограмме (рисунок 1.14 [3]) К2=0,62.
Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении
S>max(SP; Sр.н.)+С=max (0,9; 8,7)+2=10,7 мм.
Принимаем большее стандартное значение S=12 мм. Так как обечайка корпуса при наличии давления в рубашке и внутри аппарата работает под совместным действием наружного давления Рн.р и осевого сжимающего усилия F, то должно выполняться условие устойчивости
Осевое сжимающее усилие - это усилие прижатия днища к обечайке давлением в рубашке, которое может быть рассчитано (пренебрегая силой тяжести днища и его связью с рубашкой) следующим образом:
Допускаемое наружное давление:
из условия прочности
Из условия устойчивости в пределах упругости при lP<l0 (lP=1,32;
с учетом обоих условий
Допускаемое осевое сжимающее усилие:
из условия прочности
Из условия прочности в пределах упругости при lP/D=1,32/1,4=0,94<10
с учетом обоих условий
Условие устойчивости обечайки корпуса выполняется:
Допускаемое внутренне давление на обечайку корпуса:
Условие РР<[Р] выполняется (0,2<2,18).
Исполнительную толщину Sэ эллиптического днища корпуса аппарата примем из условия равной толщины свариваемых друг с другом оболочек: Sэ=S=12 мм. При этом должно выполняться условие Рр.р?[Рн]э и Рр?[Р]э.
Допускаемое наружное давление для днища:
из условия прочности
из условия устойчивости в пределах упругости
где
с учетом обоих условий
Условие устойчивости днища выполняется:
Допускаемое внутреннее давление для эллиптического днища:
Условие Рр<[Р]э выполняется (0,2<2,175).
Исполнительная толщина эллиптической крышки:
Принимаем Sкр=3 мм.
Допускаемое внутреннее давление для крышки:
Условие РР<[Р]кр выполняется (0,2<0,232).
Исполнительная толщина:
цилиндрической обечайки рубашки
эллиптического днища рубашки
Принимаем толщину стенки рубашки SP=3 мм.
Допускаемое внутреннее давление:
на обечайку рубашки
на эллиптическое днище рубашки
Допускаемое давление внутри аппарата в рабочих условиях:
[P]а=min{[P]; [P]э; [P]кр}=min {0,218; 2,175; 0,232}=0,218 МПа
Допускаемое давление в рубашке при работе аппарата:
[P]р=min{[Pн]F; [Pн]э; [P]р.ц; [Р]р.э}=min {0,45; 1,024; 0,57; 0,57}=0,45 МПа, где [Pн]F=Рр.р=0,45 МПа.
5. Укрепление отверстия
Расчетный диаметр укрепляемого элемента DP=2D=2·1,4=2,8 м, так как Х=0.
Расчетный диаметр отверстий в стенке обечайки dP=d+2C1=600+2·2=604 мм=0,604 м.
Так как dp>d0, то необходимо провести укрепление.
Ширина зоны укрепления для отверстия
Толщина стенки щтуцера:
где
S1?0,4+2=2,4 мм
Примем S1=3 мм.
Расчетные длины щтуцера
Lk?L0
Необходимая площадь укрепления кольца
Площадь поперечного сечения укрепляемого кольца примем А2=0,0005м2.
Толщина накладного кольца
Окончательно примем S2=5 мм.
6. Фланцевое соединение корпуса с крышкой
Конструкцию соединения крышки и корпуса аппарата при D=1400 мм и Рр=0,2 МПа выбираем согласно таблице 1.36 [3] с плоскими приварными фланцами и уплотнительной поверхностью «шип-паз».
1. Конструктивные размеры фланца. Толщину втулки фланца принимаем S0=S=12 мм.
Высота втулки фланца
аппарат давление фланцевый отверстие
Принимаем hв=100 мм.
Диаметр болтовой окружности
где dб=20 мм - наружный диаметр болта при D=1,4 м и Рр=0,2 МПа (таблица 1.40 [3]); u - нормативный зазор (u=4 мм).
Наружный диаметр фланца
г
де а=40 мм - для шестигранных гаек при dб=20 мм (таблица 1.41 [3]).
Наружный диаметр прокладки
где е=30 мм - для плоских прокладок (таблица 1.41 [3]).
Средний диаметр прокладки
где b=15 мм - ширина прокладки (таблица 1.42 [3]).
Количество болтов необходимых для герметичности соединения
где tш=4,5·dб=4,5·20=90 мм - шаг размещения болтов М20 на болтовой окружности при Рр=0,2 МПа (таблица 1.43 [3]).
Принимаем nб=56, кратное четырем.
Высота (толщина) фланца
где лф=0,3 - для плоских фланцев при Рр=0,2МПа (рисунок 1.40 [3]);
Sэк=S0=12 мм, так как для плоских фланцев в1=S1/S0=1. Принимаем hф=40 мм.
Расчетная длина болта
где lб.о=2·(hф+hп)=2·(40+2)=84 мм - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при толщине прокладки hп=2 мм.
2. Нагрузки, действующие на фланец
Равнодействующая внутреннего давления
Реакция прокладки
где Кпр=1 - для резины с плотностью свыше 1,2 МПа (таблица 1.44 [3]); b0=b=15 мм=0,015 м, так как b?15 мм.
Коэффициент жесткости фланцевого соединения
где yб, yп, yф - податливость, соответственно болтов, прокладки, фланцев.
Податливость болтов
где Еб=1,9·105 МПа - для материала болтов из стали 35; fб=2,35·10-4м2 - для болтов диаметром dб=20 мм.
Податливость прокладки
где Еп=4 [1+b/(2hп)]=4·[1+0,015/(2·0,002)]=19МПа - для прокладки из резины с твердостью свыше 1,2МПа (таблица 1.44 [3]); Кп=0,09.
Податливость фланца
где Е=2·105МПа - для стали 16ГС;
Тогда
Болтовая нагрузка в условиях монтажа
где Рпр=4МПа - для резиновой прокладки с твердостью свыше 1,2МПа (таблица 1.44 [3]).
Болтовая нагрузка в рабочих условиях
Приведенный изгибающий момент
где [у]20=170МПа и [у]=162,5МПа,
Проверка прочности и герметичности соединения. Условие прочности болтов при монтаже фланцевого соединения и в его рабочем состоянии выполняется:
(для болтов из стали 35 при t=200С);
(для болтов из стали 35 при t=800С).
Условие прочности прокладок выполняется:
где Рпр=20МПа - для резиновой прокладки с твердостью свыше 1,2МПа; Fб.max=max{Fб1; Fб2}=max {0,39; 0,35}=0,39MH.
Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером S0:
где D*=D=1,4 м, так как D>20·S0 (1,4>20·0,012=0,24 м);
Напряжение во втулке от внутреннего давления:
тангенциальное
меридиональное
Условие прочности для сечения, ограниченном размером S0=12 мм, выполняется:
где [у]0=0,003·Е=0,003·1,93·105=579МПа - для фланца из стали 16ГС в сечении S0 при Рр=0,2МПа.
Окружное напряжение в кольце фланца
Условие герметичности фланцевого соединения выполняется:
7. Теплообменная рубашка
Для соединения сосуда с рубашкой используем коническое без отбортовки сопряжение. При сопряжении при помощи конуса угол б примем равным 300. Увеличим толщину стенки рубашки до Sн.руб=5 мм, так как при Sн.руб=3 мм допускаемое избыточное давление меньше расчетного.
Коэффициент осевого усилия
где d1?0,4D2=0,4·1,5=0,6 м - диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем сосуда.
Коэффициент, учитывающий расстояние между корпусом сосуда и рубашкой
где - расстояние от середины стенки до наружной стороны стенки сосуда.
Коэффициент длины сопряжения
, при б=300; с=0 - для конического соединения без отбортовки.
Коэффициент отношения прочности корпуса сосуда и рубашки
где [у]1=162,5МПа и [у]2=152,8МПа - допускаемые напряжения для стенки сосуда и рубашки при температуре 800С и 1600С, соответственно.
Радиус отбортовки определяется по уравнению
Относительная эффективная несущая длина конуса
Допускаемое избыточное давление в рубашке
где ц2 =1 - коэффициент прочности сварного продольного шва рубашки;
В-коэффициент сопряжения при помощи конуса
где f1=1,9 - коэффициент прочности, определяется по графику (рисунок 10 [4]).
где f2=3,2 - коэффициент прочности, определяется по графику (рисунок 11 [4]).
где f3=f4=1,732 - коэффициент прочности, определяется по графику (рисунок 12 и 13 [4]).
Тогда
Условие [Р]2>P2 выполняется (0,597>0,45).
Определение размеров сопряжения
Нагрузка от собственного веса
F=G1=0,027MH, так как опоры на цилиндрической обечайке корпуса.
Проверка несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в рубашке
Условие выполняется.
8. Определение оптимальных размеров корпуса аппарата
Масса аппарата, снабженного теплообменной рубашкой
Масса корпуса аппарата
Масса жидкости
Масса U-образной теплообменной цилиндрической рубашки
Массу жидкости в рубашке примем mж=0, так как среда пар.
Тогда
Сила тяжести аппарата
9. Опоры
Опоры ставим на цилиндрическую обечайку корпуса.
.
По Q выбираем по таблице 1 [2], опоры типа 1 с допускаемой нагрузкой Q=25кН:
Опора 1 - 2500 ОСТ 26 - 665 - 79
Параметры:
а=125 мм; а1=155 мм; в=155 мм; с=45 мм; с1=90 мм; h=230 мм; h1=16 мм; S1=8 мм; к=25 мм; к1=40 мм; d=24 мм; dб=М20; fmax=40 мм.
Усилие, действующее на одну опорную лапу
где G - вес аппарата в условиях эксплуатации или испытании, Н;
М - изгибающий момент: М=0,01МНм;
S0=(S-C) - толщина стенки аппарата в конце срока службы, м: S0=0,012-0,002=0,01 м;
SH - толщина подкладного листа: при отсутствии подкладного листа SH=0;
e - расстояние между точкой приложения усилия и обечайкой
b - длина опорной лапы, м.
Несущую способность обечайки в месте приварки опорной лапы без подкладного листа проверяем по формуле
где допустимое усилие на опорный элемент в условиях эксплуатации или испытания [F1] определяем по формуле
Коэффициент К7 определяем в соответствии с графиком (рисунок 5 [2]): К=0,87.
[уi] - предельное напряжение изгиба
где [у] - допускаемое напряжение для материала обечайки, МПа;
nT - запас прочности по пределу текучести;
К2 - коэффициент, принимаемый равным К2=1,2 для рабочих условий;
К1 - коэффициент, который определяем по рисунку 8 [2] в зависимости от х1 и х2;
х1 - коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба. Для опорных лап без подкладного листа принимают х1=0,3;
х2 - коэффициент, учитывающий степень нагрузки общими мембранными напряжениями, определяют по формуле
Где - общее мембранное напряжение в цилиндрической обечайке
DR=D=1,4 м - расчетный диаметр для цилиндрической обечайки.
Тогда К1=1,2.
Окончательно
, т.е. 0,019МПа<0,049МПа - условие выполняется.
Заключение
В ходе проектирования была разработан аппарат, с требуемыми техническим заданием характеристиками.
В пояснительной записке приведены механические расчёты, подтверждающие работоспособность проектируемого сосуда.
В графической части курсового проекта изображены: сборочный чертеж корпуса аппарата с выносками узлов фланцевого соединения, опорного узла и соединения рубашки с корпусом.
Список использованной литературы
1. Конструирование и расчет элементов оборудования: Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей 170500, 170600, 030500 всех форм обучения. - Красноярск: СибГТУ, 2002. -32 с.
2. Конструирование и расчет элементов оборудования. Опоры аппаратов: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальностей 170501, 170601, 030528 всех форм обучения. - Красноярск: СибГТУ, 2002. -36 с.
3. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов/М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 301 с., ил.
4. Сосуды с рубашками: Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов. - Красноярск: КГТА, 1997. - 40 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Расчет оболочек нагруженных внутренним и внешним давлением с заданной рабочей средой и температурой, привода для механического перемешивающего устройства аппарата. Подбор фланцев, прокладок и фланцевых болтов. Определение основных элементов аппарата.
курсовая работа [326,3 K], добавлен 19.12.2010Определение толщины стенок цилиндрической обечайки, эллиптического и конического днищ емкостного аппарата, нагруженного внутренним избыточным давлением. Расчет на прочность и жесткость фланцевый разъем аппарата. Болтовая нагрузка в условиях монтажа.
контрольная работа [328,4 K], добавлен 09.01.2015Расчет сферического днища корпуса химического реактора, нагруженного внутренним избыточным давлением: эллиптической крышки аппарата, сферического днища аппарата, цилиндрической обечаек реактора, конической обечайки реактора, массы аппарата и подбор опор.
курсовая работа [349,3 K], добавлен 30.03.2008Назначение и область применения фальцевально-биговального аппарата. Факторы, влияющие на качество и производительность фальцовки. Устройство и принцип работы послепечатного оборудования типографии. Кинематический расчет узлов аппарата (дисковая биговка).
дипломная работа [2,7 M], добавлен 14.05.2015Типы и конструкции мешалок. Выбор материала и его обоснование. Расчет толщины стенки обечайки аппарата, работающей под наружным давлением, проверка на прочность при гидроиспытании. Подготовка аппарата к ремонту, этапы его проведения и оценка результата.
дипломная работа [654,3 K], добавлен 28.12.2011Эскизный проект аппарата, предназначенного для нефтепродуктов. Выбор конструкционных материалов и допускаемых напряжений. Определение и выбор параметров комплектующих элементов корпуса: расчет толщины стенок оболочек из условия прочности и устойчивости.
курсовая работа [361,2 K], добавлен 12.09.2012Предварительный выбор заготовок для изготовления цилиндрического теплообменного аппарата, работающего под давлением. Расчет развертки корпуса, рубашки обогрева, патрубков, ребер жесткости и эллиптической крышки. Изготовление обечаек, днищ и фланцев.
курсовая работа [869,6 K], добавлен 14.05.2014Выбор стали для изготовления цельносварного цилиндрического аппарата в соответствии с рабочей средой, давлением и температурой. Расчет толщины стенки и днища. Определение способа и режима сварки. Техника безопасности при проведении сварочных работ.
практическая работа [139,5 K], добавлен 21.06.2012Разработка вида корпуса кипятильника, определение габаритов аппарата и описание технологического процесса его изготовления. Обоснование марки стали, расчет её раскроя и выбор метода сварки. Составление и расчет операционной карты изготовления корпуса.
курсовая работа [502,5 K], добавлен 10.02.2014Расчет аппарата на прочность элементов корпуса при действии внутреннего давления. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки корпуса, находящейся под рубашкой, из условия устойчивости. Расчет укрепления отверстия для люка. Эскиз фланцевого соединения.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 24.12.2013
