Аппараты с перемешивающими устройствами

Размещено на http://www.allbest.ru//

1. Цели, объект и последовательность проектирования

1.1 Цели и задачи проектирования

Изучение курса прикладной механики студентами химико-технологического факультета завершается, в соответствии с учебным планом, выполнением курсового проекта. Этот проект является для студентов, по сути дела, первой самостоятельной инженерной расчётной работой и синтезирует знания и навыки не только по прикладной механике, но и по другим общетехническим и общеобразовательным дисциплинам - инженерной графике, теоретической механике, математике, физике.

Цель проекта - привить и закрепить у студентов практические навыки инженерных расчётов, научит приёмам и методам выбора и проверочного расчёта типового технологического оборудования.

При выполнении любого технического проекта, в том числе и курсового, используются многообразные нормативные и справочные расчетно-технические материалы: государственные и отраслевые стандарты, нормали, технические условия и проч. Ознакомление с этими материалами и привитие практических навыков использования их является также одной из главных задач курсового проектирования в высших учебных заведениях.

В ходе курсового проектирования должен быть проявлен творческий подход к оценке конструкторских решений, с точки зрения соответствия их требованиям эксплуатации, с целью выбора оптимального варианта реализации конкретной технологической задачи.

Курсовой проект является самостоятельной работой студента, который и немеет ответственность за её качество. Согласно рекомендациям типовой по прикладной механике о выборе в качестве темы проекта механического устройства, характерного для отрасли техники, в которой будет работать выпускник ВУЗа - для студентов химико-технологического факультета в качестве основного объекта проектирования принимается ёмкостная химическая аппаратура с перемешивающим устройством.

1.2 Общие сведения об аппаратах с механическими перемешивающими устройствами

Аппараты для перемешивания жидких сред, предназначенные для химического превращения исходного сырья в целевой продукт, эмульгирования, суспендирования, диспергирования и других гидромеханических и массообменных процессов применяются во многих химических и химико-фармацевтических производствах. Как правило, такие аппараты работают под давлением и зачастую снабжены теплообменными устройствами.

В связи с повышенной производственной опасностью аппаратуры, работающей под давлением, проектирование, изготовление и эксплуатация её должны осуществляться в точном соответствии с утвержденными Госгортехнадзором при Совете Министров СССР «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», которые обязательны для всех организаций и предприятий, проектирующих, изготовляющих и эксплуатирующих такую аппаратуру

Наряду с этим, аппараты с перемешивающими устройствами должны удовлетворять следующим показателям надежности и долговечности:

а) наработка на отказ от 800 до 8000 часов (определяется конструкцией уплотнительного устройства вала);

б) ресурс до первого капитального ремонта не менее 17200 часов;

в) срок службы не менее 10 лет;

г) коэффициент технического использования не менее 0,93.

Аппараты должны иметь необходимые технологические штуцера для подвода и отвода продуктов, теплоносителя, для промывки, продувки, для установки предохранительных устройств, контрольно-измерительных приборов и аппаратуры.

Аппараты должны иметь тепловую изоляцию во всех случаях, когда температура теплоносителя, используемого для подогрева, превосходит 45°С.

Типы и основные параметры вертикальных аппаратов с мешалками регламентируются ГОСТ 20680-75. В соответствии с этим стандартом предусматривается 10 типов аппаратов, указанные в таблице 1.2.1.

Таблица 1.2.1.

Типы аппаратов, работающих под давлением.

Тип аппарата	Конструктивные особенности аппарата
0	С эллиптическим днищем и эллиптической отъёмной крышкой.
1	С неразъёмным корпусом и эллиптическим днищем и крышкой.
2	С коническим отбортованным днищем (угол при вершине конуса 2б=90°) и эллиптической крышкой.
3	С неразъёмным корпусом, с коническим отбортованным днищем (угол при вершине конуса 2б=90°) и эллиптической крышкой.
4	С эллиптическим днищем и плоской отъёмной крышкой.
5	С неразъёмным корпусом, с эллиптическим днищем и плоской крышкой.
6	С коническим отбортованным днищем (угол при вершине конуса 2б=120°) и плоской отъёмной крышкой.
7	С неразъёмным корпусом, коническим неотбортованным днищем (угол при вершине конуса 2б=120°) и плоской отъёмной крышкой.
8	С плоским днищем и плоской отъёмной крышкой.
	С неразъёмным корпусом, плоским днищем и крышкой.

Исполнение корпусов обозначаются в соответствии с таблицей 1.2.2.

Таблица 1.2.2.

Обозначение исполнений корпусов.

Исполнение корпусов аппаратов	Тип аппарата
	0	1	2	3
Без теплообменного устройства С гладкой приварной рубашкой	00 01	10 11	20 21	30 31

Обозначение мешалок и внутренних и внутренних устройств аппарата приведены в таблице 1.2.3.

Таблица 1.2.3.

Обозначение мешалок и внутренних устройств.

Типы внутренних устройств	Типы мешалок
	трёхло- пастная	турбин- ная открытая	лопастная	рамная
Без внутренних устройств Отражательные перегородки Змеевик Перегородки и змеевик	1 21 31 41	6 26 36 46	3 23 33 43	9 - 39 -

Коническое днище обычно применяется в тех случаях, когда это обусловлено технологическим процессом, исключающим применение эллиптических и плоских днищ (например, при необходимости непрерывного ил периодического удаления содержимого аппарата через нижний штуцер).

Угол конуса при вершине в конических днищах принимается 90о или 120о (в отдельных случаях до 150о). Меньшие углы рекомендуется принимать для вязких жидкостей и суспензий, а также влажных, склонных к налипанию, порошкообразных и кусковых материалов; большие - для невязких жидкостей и сухих порошкообразных и кусковых материалов.

Крышка аппарата (обычно имеющая эллиптическую форму, реже - плоскую) крепится к обечайке с помощью фланцев и фланцевых болтов. Герметичность фланцевого соединения обеспечивается прокладкой, помещаемой между фланцами.

Вал привода перемешивающего устройства введён через центральное отверстие в крышке аппарата. Так как давление внутри аппарата обычно значительно отличается от атмосферного, то для обеспечения герметичности, ввод вала в корпус аппарата осуществляется через уплотнительное устройство той или иной конструкции.

С помощью соединительной муфты вал перемешивающего устройства соединен с редуктором, ведущий вал которого, в свою очередь, соединен с электродвигателем.

Стойка, на которой размещается редуктор и электродвигатель укреплена на крышке аппарата.

Для обогрева корпуса аппарата, он снабжён паровой (водяной) рубашкой, состоящей из цилиндрической обечайки и эллиптического (или конического днища).

Обогревающую жидкость подают в рубашку через нижний штуцер, а удаляют через верхний, чтобы рубашка всегда была заполнена теплоносителем. В случае паровой рубашки, пар подают через верхний штуцер, а конденсат отводят через нижний.

Аппараты, работающие под избыточным давлением выше 0,07МПа, в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», должны снабжаться предохранительными устройствами. В качестве таких устройств обычно используются предохранительные клапаны с вертикальным расположением штока и с рычагом для продувки.

Присоединение к аппарату различных трубопроводов (для подачи жидкости, газа) и установка контрольно-измерительных приборов (манометр, термометр, предохранительный клапан) осуществляется с помощью Фланцевых или резьбовых штуцеров.

Для загрузки в аппарат и выгрузки твёрдых кусковых материалов, периодической очистки стенок аппарата в процессе эксплуатации, а также для осмотра и ремонта внутренней полости аппаратов или узлов перемешивающих узлов, аппараты снабжаются герметически закрывающимися отверстиями, называемыми люками.

Люки размещаются либо на крышке аппарата, либо на его обечайке.

Выпуск готовой продукции осуществляется или через специальный разгрузочный штуцер в днище аппарата или с помощью трубы передавливания, нижний конец которой опущен до днища, а верхний укреплен в крышке аппарата. Готовый продукт вытесняется через трубу передавливания либо за счёт давления в аппарате, либо за счёт вакуума в приёмном сосуде, с которым соединена труба передавливания.

Установка аппарата на фундамент или на специальные несущие конструкции осуществляется с помощью подвесных боковых лап или привариваемых в нижней части аппарата опор-стоек.

Последовательность проектирования

При выполнении курсового проекта разрабатываются следующие документы:

- расчётно-пояснительная записка (РПЗ);

- чертёж общего вида аппарата (ВО) с выносными элементами.

Исходным документом для разработки проекта является техническое задание, выдаваемое студенту преподавателем-руководителем проекта.

Проект выполняется поэтапно.

1-й этап - ознакомление с техническим заданием, рекомендуемой литературой и составление эскиза компоновки корпуса аппарата. Эскиз, согласованный с руководителем проекта используется в последующем при выполнении расчётов и чертежа общего вида аппарата.

2-й этап - выполнение расчётов на прочность и устойчивость конструктивных элементов корпуса аппарата. На этом этапе производится:

а) выбор и определение расчётных параметров и норм;

б) расчёт элементов корпуса, нагруженных внутренним давлением;

в) расчёт элементов корпуса, нагруженных внешним давлением;

г) выбор фланцев и проверочный расчёт фланцевого соединения;

д) определение необходимого количества штуцеров и их размещение на аппарате;

е) выбор типа и определение конструкции люков;

ж) проверочный расчёт опорных устройств.

3-й этап - выбор и расчёт перемешивающего устройства. При выполнении этого этапа производится:

а) определение конструктивных размеров мешалки;

б) выбор типоразмера мотора-редуктора и проверка его соответствия техническому заданию на проектирование;

в) выбор типоразмера стойки мотора-редуктора;

г) выбор уплотнительного устройства;

д) составление эскизной компоновки аппарата;

е) расчёт вала мешалки.

4-й этап - выполнение графической части проекта. Этап выполняется на основании эскизной компоновки корпуса и аппарата в целом, расчёта и подбора конструктивных элементов корпуса и перемешивающего устройства.

5-й этап - окончательное оформление расчётно-пояснительной записки.

6-й этап - подготовка к защите и защита курсового проекта. Выполненный проект, удовлетворяющий предъявляемым к нему требованиям и подписанный руководителем, допускается к защите. Защита проекта состоит из краткого сообщения студента о проделанной работе и ответов на вопросы членов комиссии. При оценке проекта учитывается не только техническое качество проекта, но и выполнение установленных сроков проектирования, самостоятельность и творческая инициатива, проявленные при проектировании.

2. Расчёт корпуса аппарата

Целью расчёта корпуса аппарата является определение его соответствия заданным условиям эксплуатации, обеспечивающего требуемую работоспособность в течение всего срока службы. Расчёты проводятся как проверочные, с использованием действующих технических рекомендаций и нормативов.

2.1 Исходные данные

Таблица 2.1.1.

Исходные данные.

вариант

параметры корпуса

внутр. давление в аппарате рВ, МПа

давление пара в рубашке, рП, МПа

темп-ра среды в аппарате, tС, С°

Параметры мешалки

тип опор

номиналь- ный объём,V, м3

исполнен.

материал

тип

диаметр,dМ, мм

частота вращения, nМ, об/мин

мощн. перемеши- вания, NМ,,КВт

210

10,0

21

17Г1С

0,33

0,146

98

9

1900

29

8,30

Л

Таблица 2.1.2.

Параметры конструкции корпуса аппарата [2, стр.22, табл.П1.3]

Номиналь- ный объём аппарата, V, м3	Размеры в мм
	D	D1	H	H2	H3	H4	L	l	H6
3,2	2000	2400	3670	3080	150	320	1100	375	1282

2.2 Материалы корпуса аппарата

Марки сталей для изготовления обечаек, днищ и крышек аппаратов указаны в техническом задании на курсовое проектирование.

Допускаемое напряжение при расчёте по предельным нагрузкам конструктивных элементов корпуса для углеродистых и низколегированных сталей определяется по выражению:

[1,стр14]

где ут, ув - предел текучести и временное сопротивление (предел прочности) при расчётной температуре, МПа.

nт, nв - коэффициенты запаса по пределу текучести и по пределу прочности, которые принимаются равными соответственно 1,5 и 2,4.

[у] = [у]1 +

[у]1 = 183 (МПа); [у]2 = 160 (МПа); [2, табл.П2.1, стр.23]

t2 = 20 °C; t1 = 100 °C; t=98 °C;

[у] = = 160,6 МПа (сталь 17Г1С, tc=98 оС)

2.3 Расчётные параметры и нормы

Под условным проходом DУ понимается номинальный внутренний диаметр аппарата. Фактический внутренний диаметр в зависимости от способа изготовления аппарата может несколько отличаться от номинального стандартного размера. Условные проходы установлены стандартом СЭВ 254-76.

DУ = 2000 мм [1,стр.15]

Внутренний диаметр корпусов цилиндрических сосудов и аппаратов, величина которых регламентирована ГОСТ 9931-79, совпадают с величинами условных проходов.

DУ = DВ = 2000 мм.

Расчётная температура, tР используется для определения физико-механических характеристик материала и допускаемых напряжений. При расчёте стенок корпуса, расчётная температура принимается равной температуре среды в аппарате tС.

tР = tС = 98 оС [1,стр.15]

Расчётная температура для фланцевых соединений принимается:

для фланцев при наличии тепловой изоляции -tС = 98°С, для болтов в этом случае - 0,97 tС. = 95 °С. [1,стр.15]

Условное, рабочее и расчётное давление. Под условным давлением (рУ) следует понимать наибольшее избыточное давление при температуре среды 20 °С, при котором допустима длительная работа трубопровода или аппарата, имеющих данные размеры, обусловленные расчётом на прочность. Ряд условных давлений установлен ГОСТ 356-80.

рУ = 0,40 МПа. [1,стр.16]

Под рабочим давлением (р) для сосудов и аппарата принимается наибольшее внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании процесса.

р = 0,33 МПа. [1,стр.16]

Расчётное давлением (рР) для конструктивных элементов сосуда и аппарата - давление, при котором производится их расчёт на прочность или устойчивость. Как правило, рабочее давление принимается равным рабочему давлению: рРВ = р.

рРВ = 0,33 МПа. [1,стр.16]

При расчёте на прочность (по внутреннему давлению) стенки обогревающей рубашки в качестве расчётного следует принимать рабочее давление теплоносителя (пара) рП. Это же давление принимается в качестве расчётного при проверке на устойчивость части корпуса аппарата, находящейся над рубашкой.

рП = 0,146 МПа. [1,стр.17]

Коэффициент прочности сварных швов ц, который вводят в расчётные формулы при расчёте сосудов и аппаратов, характеризует прочность сварного соединения в сравнении с прочностью основного материала. Значение этого коэффициента принимаются в зависимости от конструкции шва и вида сварки.

ц = 0,9 [2, табл.П2.4, стр.24 ].

Прибавки к расчётным толщинам конструктивных элементов корпуса, учитываемые при расчёте, определяются по формуле:

аппарат давление перемешивание

С = С1 + С2 + С3 , [1,стр.17]

где С - сумма прибавок к расчётным толщинам стенок, мм;

С1 - прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм;

С2 - прибавка для компенсации минусового допуска на стандартную толщину стального листа;

С3 - прибавка технологическая, связанная с уменьшением толщины при технологических операциях в процессе изготовления аппарата (вытяжка, штамповка и проч.), мм.

Таким образом, исполнительная толщина стенки элемента аппарата S определяется как:

S > SR + C [1, стр.18],

где SR - расчётная величина стенки, мм;

Прибавка С1 для компенсации коррозии и эрозии равна:

С1 = р · ф + СЭ, [1,стр.18],

где р - глубинныё показатель коррозии, мм/год;

ф - срок службы аппарата, в годах;

СЭ - прибавка для компенсации эрозии, мм.

Для изготовления химических аппаратов, как правило, должны использоваться металлы, для которых глубинный показатель коррозии

р < 0,1 мм/год. Коррозионную стойкость материалов в различных средах можно найти в справочной литературе.

Прибавку СЭ рекомендуется учитывать лишь при высоких скоростях движения среды в аппарате (для жидких сред более 20 м/с) или при наличии в движущейся среде абразивных частиц, что в химико-фармацевтическом производстве встречается сравнительно редко.

Прибавки С2 и С3 учитывают лишь в тех случаях, когда их суммарная величина превышает 5% номинальной толщины листа:

СЭ = 1,00 (мм)

С1 = 0,10 · 10 + 1,00 = 2,00 (мм)

С = 2,00 + С2 + С3 (мм)

Расчёт корпуса аппарата, нагруженного внутренним давлением.

Цилиндрическая обечайка.

Расчётная толщина стенки обечайки определяется выражением:

SR = pPB · Д / (2ц · [у] - pPB) [1, ф.1, стр.20]

Исполнительная толщина стенки обечайки находится из условия:

S ? SR + C [1,ф.2, стр.20]

где SR - расчётная толщина стенки обечайки, мм;

S - исполнительная толщина стенки обечайки, мм;

рРВ - расчётное внутреннее давление, МПа;

Д - внутренний диаметр обечайки, мм;

[у] - допускаемое напряжение для материала при расчётной

температуре, МПа;

ц - коэффициент прочности сварного шва;

С - сумма прибавок к расчётной толщине, мм.

SR = =2,29(мм),

С2 = 0,5 мм [2, табл.П2.5, стр.26 ].

S ? 2,29 +2,00+0,5 = 4,79 (мм)

Принимаем S = 5,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление по условию прочности определяется как:

[рВ] = 2 [у] · ц · S / (Д + S) [1, стр.20]

[рВ] = = 0,72 (МПа)

[рВ] > рРВ , условие прочности выполняется.

Эллиптическая крышка.

Для стандартных эллиптических крышек высота соответственно эллиптической части крышки (НК) (без учёта цилиндрической части отбортовки) принимается равной:

НК = 0,25 · Д [1,стр.20]

НК = 0,25 · 2000 = 500 (мм)

Радиус кривизны в вершине крышки (R) принимается равным:

R = D [1, стр.20]

R = 2000 (мм)

Расчётная толщина стенки крышки (S1R) вычисляется по формуле:

S1R = pPB · R / (2ц · [у] - 0,5 pPB) [1, стр.20]

S1R = = 2,29 (мм).

Исполнительная толщина находится из условия:

S1 ? S1R + C [1, стр.21]

С2 = 0,5 мм

S1 ? 2,29 + 2,00 + 0,5 = 4,79(мм);

Принимаем S1 = 5,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется из условия прочности:

[рВ] = 2 [у] · ц · S1 / (0,5S1 + R) [1, стр.20]

[рВ] = =0,72 (МПа)

[рВ] > рРВ, условие прочности выполняется.

Коническое днище.

Для стандартных днищ (радиус тороидального перехода r = 0,15Д) при б= 45°расчётная толщина конической части днища принимается равной:

SKR = ( DК/ cos б) · рРВ / (2ц ·[у]- рРВ) [1, стр.21]

SK ? SKR + C

где SKR - расчётная толщина конической части днища, мм;

SK - исполнительная толщина стенки днища, мм;

DК ? 0,8D - расчётный диаметр конического днища, мм.

DК = 0,8 · 2000 = 1600(мм);

SKR = = 2,59 (мм);

С2 = 0,6 мм

SK ? 2,59 + 2,00 + 0,6 = 5,19 (мм);

Принимаем SK = 6,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление находят из условия:

[рВ] = 2 [у] · ц · SК / (SК + DК / cos б) [1, стр.21]

[рВ] = = 0,76 (МПа)

[рВ] > рРВ, условие прочности выполняется.

Расчёт толщины стенки обогревающей рубашки.

Цилиндрическая обечайка обогревающей рубашки рассчитывается по тем же формулам, что и толщина стенки корпуса.

SR = pPB · D1 / (2ц · [у] - pPB)

Исполнительная толщина стенки обечайки обогревающей рубашки находится из условия:

S ? SR + C

рРВ = рП = 0,146 МПа;

SR = = 1,21(мм)

С2 = 0,4 мм

S ? 1,21 + 2,00 + 0,4 = 3,61(мм)

Принимаем S = 4,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление по условию прочности определяется как:

[рВ] = 2 [у] · ц · S / (D1 + S)

[рВ] = = 0,48 (МПа)

[рВ] > рРВ , условие прочности выполняется.

Коническое днище обогревающей рубашки рассчитывается по тем же формулам, что и толщина конического днища корпуса.

SKR = ( DК/ cos б) · рРВ / (2ц ·[у]- рРВ)

SK ? SKR + C

DК = 0,8 · 2400 = 1920 (мм);

SKR = = 1,37 (мм);

С2 = 0,4 мм

SK ? 1,37 + 2,00 + 0,4 = 3,77 (мм);

Принимаем SK = 4,00 (мм).

Допускаемое внутреннее избыточное давление находят из условия:

[рВ] = 2 [у] · ц · SК / (SК + ДК / cos б)

[рВ] = = 0,43 (МПа)

[рВ] > рРВ, условие прочности выполняется.

Расчёт корпуса аппарата, нагруженного наружным давлением.

Цилиндрическая обечайка.

Расчётная и исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки могут быть определены по выражениям:

SER = 1,122 · D0,6 (рРН · lP / E)0.4 [1, ф.3, стр.23]

SE ? SER + C [1, ф.4, стр.23]

Допускаемое наружное давление [рН] определяется по выражению:

[pH] = ( [pH]у · [pH]E ) / { ( [p]у)2 + ( [pH]E )2 }0,5 [1, ф.5, стр.23]

где [pH]у - допускаемое давление из условия прочности, рассчитываемое по формуле:

[pH]у = 2[у] · SE / (D + SE), [1, ф.6, стр.23]

а [pH]E - допускаемое давление из условия прочности, определяется как:

[pH]E = 0,75Е · (D / lP) · (SE / D)2,5 [1, ф.7, стр.23]

В приведённых формулах использованы следующие обозначения:

SER - расчётная толщина стенки цилиндрической обечайки из условия

устойчивости, мм;

SE - исполнительная толщина стенки обечайки, мм;

рРН - расчётное наружное давление, МПа;

Е - модуль продольной упругости для материала обечайки при расчётной температуре, МПа;

lP - расчётная длина гладкой (неподкреплённой кольцами) цилиндрической обечайки, этот параметр рассчитывается по следующей формуле:

lP = lЦ + h + r · sin б.

SER = 1,122·20000,6 ·(0,146 · 1885,13 / 1,912 · 105)0,4 = 7,83 (мм);

С2 = 0,8 мм

SE ? 7,83+2,00 + 0,8 =10,63 (мм);

Принимаем SE = 12,00 (мм)

[pH]у = 2 · 160,6 · 12,00 / 2000 + 12 = 1,915 (МПа);

[pH]E = 0,75 · 1,912 ·105 · (2000/1558,13)·(12,00 / 2000)2,5 =0,424 (МПа);

[pH] = (1,915 · 0,424) / (1,9152 + 0,4242)0,5= 0,414 (МПа);

[pH] ? рРН, условие прочности выполняется.

Е·10-5 = Е1 + ;

Е1· 10-5 = 1,99 (МПа); Е2· 10-5 = 1,91 (МПа);

t1 = 20 °C; t2 = 100 °C; t = 98 °C

Е·10-5 = 1,99 + = 1,912(МПа);

Е = 1,912 · 105 (МПа);

рРН = рП = 0,146 МПа;

lP = lЦ + h + r · sin б;

h = 25,00 (мм);

lЦ = Н2 -Н6 - Н3 = 3080 - 1282 - 150 = 1648,00 (мм);

r · sin б = 300 · 0,707 = 212,13(мм);

lР = 1648,00 + 25 + 212,13 = 1885,13 (мм);

Эллиптическая крышка.

Так как наружное давление на крышку оказывает только окружающая среда, то этим расчетом можно пренебречь.

Коническое днище.

Толщина стенки конического днища в первом приближении определяется по формуле:

SKER = 1,122 · DKE0,6 · (pPH · lKP / E)0,4 [1, стр.26]

где DKE - эффективный диаметр конического днища, равный:

DKE = 0,5 · (D + DO) / cos б [1, стр.26]

lКР - расчётная длина, находится из выражения:

lКР = 0,5 ·(D - DO) / sin б [1, стр.26]

В последних двух выражениях DO - диаметр отверстия в нижней части конического днища. Для данного аппарата, DO - диаметр штуцера для нижнего выпуска продукта.

DO = 150,00 (мм); [2, табл.П4.1, стр.42]

DKE = = 1520 (мм);

lKP = = 1308 (мм);

SKER = 1,122 · 15200.6 ·(0,146·1308 / 1,912 ·105)0.4 = 5,74(мм);

С2 = 0,8 мм

SKE ? SKER + C = 5,74 + 2,0 + 0,8 = 8,54(мм);

Принимаем SKE = 10,00 (мм).

Допускаемое наружное давление [pH] определяется по формуле:

[pH] = ( [pH]у · [pH]E ) / { ( [p]у)2 + ( [pH]E )2 }0,5

где [pH]у - допускаемое давление из условия прочности, считается

по формуле:

[p]у = 2[у] · SKE / (SKE + D / cosб) [1, стр. 26]

[pH]E - допускаемое давление из условия устойчивости,

определяется как:

[pH]E = 0,75Е · (DKE / lKP) · (SKE / DKE)2,5 [1, стр. 26]

[рН]у = = 1,131 (МПа);

[рН]Е = =0,585 (МПа);

[рН] = = 0,52 (МПа);

[pH] ? рРН, условие прочности выполняется.

Таблица 2.6.

№	Наименование рассчиты- ваемого элемента корпуса	Размер- ность	Толщина стенки
			на прочн.	на уст.	исполн.
1 2 3 4 5	Обечайка аппарата Обечайка рубашки Днище аппарата Днище рубашки Крышка	мм мм мм мм мм	5,00 4,00 6,00 4,00 5,00	12,00 10,00	12,00 4,00 10,00 4,00 5,00

Фланцевые соединения.

Фланцы к химическим аппаратам и штуцерам выбирают по соответствующим государственным или отраслевым стандартам с учетом условного прохода DУ, условного давления рУ и расчетной температуры t:

DУ = 2000 мм

pУ = 0,40 МПа

t = 98° C

Для данного аппарата используются фланцы плоские приварные.

По типу уплотнительной поверхности фланцы относятся к исполнению с гладкой поверхностью, применяемому при внутреннем давлении до 0,63МПа.

В качестве материала для изготовления фланцев берется углеродистая качественная сталь 17Г1С.

Фланцы, подобранные по государственному или отраслевому стандарту, имеют размеры, полностью обеспечивающие прочность и плотность соединения и не нуждаются в проверочном расчёте.

Для соединения фланцев наиболее часто применяют либо болты, либо шпильки. Так как давление в аппарате менее 1,6 МПа, то используются болты.

Таблица 2.7.1.

Размеры плоских приварных фланцев. [1, табл.П3.1, стр.95]

рУ, МПа	Размеры в мм.	Болты
	D	D1	D2	D3	D4	D5	a	a1	b	s	d	Диам. резьбы	Кол-во
0,60	2000	2130	2090	2046	2060	2043	17	14	70	12	23	М20	72

В качестве материала для крепёжных деталей фланцевых соединений с учётом рабочих условий берётся сталь марки 35Х [2, табл.П3.4, стр.36].

Выбор типа и материала уплотнительной прокладки определяется рабочей температурой, давлением и потребной частотой разборки соединения. Для данного аппарата, в качестве материала уплотнительной прокладки выбирается паронит. Его характеристики приведены в таблице 2.72.

Таблица 2.7.2. . [1, табл.П3.5, стр.103]

Характеристика прокладок из паронита для фланцевых соединений.

Материал	Параметры раб.среды в аппарате	Давление обжатия прокладки	коэффи- циент прокладки КПР	Толщина прокладки, hП, мм	Модуль упруг, ЕП, МПа
	tmax, °C	pmax, МПа	min pПР, МПа	допуск. [рПР]
Паронит	490	6,4	20	130	2,5	2±0,1	2000

Проверочный расчёт фланцевого соединения сводится к определению прочности болтов для двух различных состояний - при монтаже соединения и в рабочих условиях и к проверке прочности уплотнительных прокладок.

Расчётная нагрузка на все болты фланцевого соединения в условиях монтажа РБ1 принимается наибольшей из трёх значений:

КЖ · (Q ± F) + RП + 4М / DСП

РБ1 = max 0.5р · DСП · вО · рПР; [1, стр.29]

0,4[у]Б20 · z · fБ, (при рР < 0,6 МПа)

где, F - внешняя осевая растягивающая (+) или сжимающая (-) сила, Н;

М - внешний изгибающий момент, Н · м;

Q - равнодействующая внутреннего давления в аппарате, Н:

Q = 0,25р · DСП2 · рРВ; [1, стр.29]

КЖ - коэффициент жёсткости фланцевого соединения, который

принимается равным 1,3;

DСП - средний диаметр прокладки, м;

DСП = 0,5 · (D1 + D2); [1, стр.31]

RП - реакция прокладки (сила осевого сжатия фланцев, требующаяся

для обеспечения герметичности соединения), Н:

RП = КПР · р ·DСП · вО · рРВ; [1, стр.31]

где КПР - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки,

КПР = 2,50;

вО - эффективная ширина прокладки, м;

в - ширина прокладки, м;

в = 0,5 · (D1 - D2); [1, стр.31]

рПР - минимальное давление обжатия прокладки, Па,

рПР = 20,00 (МПа) = 20 · 106 (Па);

[у]Б20 - допускаемое напряжение для материала болтов при 20 °С, Па;

[у]Б20 = 230,00 (МПа) [2, табл.П3.9, стр.41]

z - число болтов фланцевого соединения;

z = 72;

fБ - площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру

резьбы, м2 ;

fБ = 235,5 (мм2) = 235,5 · 10-6 (м2); [2, табл.П3.3, стр.36]

Внешняя осевая сила F и внешний изгибающий момент М могут возникнуть в результате, например. эксцентрических весовых, ветровых и других внешних нагрузок. Для обычных условий эксплуатации внешние воздействия при расчёте не учитываются, т.е. F = 0, М = 0.

DСП = 0,5 · (2130 + 2090) = 2110 (мм) = 2,11(м)

в = 0,5 · (2130 - 2090) = 20,00 (мм) = 0,02 (м);

в > 0,015(м), значит вО = 0,12vв;

вО = 0,12v0,02=0,017 (м) = 17,00 (мм);

RП = 2,50 · 3,14 · 2,11 · 0,017 · 0,33 · 106 = 0,093· 106 (Н) = 0,093(МН);

Q = 0,25 · 3,14 · 2,112 · 0,33 · 106 = 1,153 · 106 (Н);

КЖ · (Q ± F) + RП + 4М / DСП = 1,3 · 1,153 · 106 + 0,093 · 106 = 1,59 · 106 (Н)

0,5р · DСП · вО · рПР = 0,5 · 3,14 · 2,11 · 0,017 · 20 · 106 = 1,13 · 106 (Н);

0,4[у]Б20 · z · fБ = 0,4 · 230 · 106 · 72 · 235,5 · 10-6 = 1,56 · 106 (Н)

Принимаем РБ1 = 1,59 · 106(Н)

Расчётная нагрузка на болты фланцевого соединения в рабочих (эксплуатационных) условиях РБ2 принимается равной:

РБ2 = РБ1 + (1 - КЖ) · (Q ± F) + Ft ; [1, стр.29]

здесь Ft - усилие, возникающее от разности температур фланца и болтов в период эксплуатации, определяемое по выражению:

Ft = EБ · г · z · fБ · t · (бtФ- 0,95бtБ), [1, стр.29]

где ЕБ - модуль упругости материала болтов при расчётной температуре, Па.

Расчётная температура для болтов - 0,97 tС. = 95о С.

Е·10-5 = Е1 + ;

Е1· 10-5 = 2,15 (МПа); Е2· 10-5 = 2,15 (МПа); [1, табл.П2.3, стр.91]

t1 = 20 °C; t2 = 100 °C

ЕБ = 2,15 · 105 (МПа)= 2,15 · 1011(Па)

г - коэффициент пропорциональности;

г · 103 = 46; [1, табл.П3.8, стр.108]

t - расчётная температура фланца, принимаемая равной температуре

рабочей среды в аппарате, °С;

t = 98 °С;

бtФ , бtБ - коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болтов соответственно;

бtФ = 11,2 · 10-6 (1/град); [1, табл.П2.6, стр.93]

бtБ = 13,1 · 10-6 (1/град);

Ft = 2,15 · 1011 · 0,046 ·72 · 235,5 · 10-6 · 98 · (11,2· 10-6 - 0,95 · 13,1 · 10-6)= - 0,0205 · 106 (Н)

РБ2 = 1,59· 106 + (1- 1,3) · 1,153· 106 - 0,0205 · 106 = 1,22· 106 (Н).

Условие прочности болтов проверяется для обоих состояний - при монтаже и в рабочих условиях:

РБ1 / (z · fБ) ? [у]Б20 [1, стр.29]

РБ2 / (z · fБ) ? [у]Б,

где [у]Б - допускаемое напряжение для материалов болтов при расчётной температуре (0,97 tС = 95о С), Па;

[у]Б = [у]Б1 + ;

[у]Б1 = 230,00 (МПа); [у]Б2 = 230,00 (МПа); [1, табл.П3.9, стр.108]

t1 = 20°С; t2 =100°C;

[у]Б = 230,00 (МПа) = 230 · 106(Па);

РБ1 / (z · fБ) = 1,59 · 106 / (72 · 235,5)= 93,77 (МПа)

[у]Б20 = 230,00 (МПа)

РБ1 / (z · fБ) ? [у]Б20 - условие прочности выполняется.

РБ2 / (z · fБ) = 1,22 · 106 / (72 · 235,5) = 71,95 (МПа)

[у]Б = 230,00 (МПа)

РБ2 / (z · fБ) ? [у]Б - условие прочности выполняется.

Условие прочности прокладки определяется по выражению:

рБmax / (р · DСП · в) ? [рПР] [1, стр.30]

где рБmax = max {РБ1, РБ2};

рБmax = PБ1 = 1,59 · 106 (Н);

[рПР] - допускаемое давление обжатия прокладки, Па;

рБmax / (р · DСП · в) = 1,59· 106 / (3,14 · 2,11 · 0,02) = 12,00 · 106 (Па)

[рПР] = 130 ·106 (Н)

рБmax / (р · DСП · в) ? [рПР] - условие прочности выполняется.

Расчёт штуцеров и люков

Для присоединения к аппаратам различных трубопроводов, установки арматуры и контрольно-измерительных приборов, как правило, используются разъёмные фланцевые и резьбовые штуцера или бобышки, размеры которых унифицированы в соответствии со стандартными условными проходами, DУ. Фланцевые штуцера используются для присоединения труб, арматуры и контрольно-измерительных приборов при DУ > 10 мм, а резьбовые штуцера при DУ < 32 мм.

При наличии тепловой изоляции аппарата вылет штуцеров должен быть таким, при котором фланцевое или резьбовое соединение штуцеров находилось бы за пределами изоляции, с целью доступа к этим соединениям для осмотра и подтяжки.

Кроме того, вылет штуцеров должен обеспечить удобную заводку фланцевых болтов со стороны аппарата.

Оценив назначение и режим эксплуатации аппарата, выбираем необходимое количество штуцеров и размещение их на аппарате в соответствии с приведенными рекомендациями [1, табл.П4.1, стр.109].

Таблица 2.8.1.

Размеры фланцев штуцеров.

	DУ	Вылет штуцера	dB	D1	D2	b	D3	h	d	болты
										кол-во, n	диаметр резьбы
А	200	200	222	315	280	19	258	3	18	8	М16
Б	125	200	135	235	200	17	178	3	18	8	М16
Г	М27
Д	50	200	59	140	110	13	90	3	14	4	М12
Е	100	200	110	205	170	15	148	3	18	4	М16
Ж	50	200	59	140	110	13	90	3	14	4	М12
К	150	200	161	260	225	17	202	3	18	8	М16
Л	150	200	161	260	225	17	202	3	18	8	М16
П	400	200	412	520	480	23	452	3	22	12	М20

Назначение штуцеров:

А - для ввода жидкости;

Б - для трубы передавливания;

Г - для установки гильзы термометра;

Д - для установки гильзы манометра;

Е - для установки предохранительного клапана

Ж - для входа и выхода теплоносителя;

К - для нижнего выпуска продукта;

Л - технологический;

П - люк.

Люки аппаратов, размещаемые обычно на их крышках, предназначаются для очистки, профилактического осмотра и ремонта внутренней полости аппарата, а также для монтажа и демонтажа перемешивающих устройств, находящихся внутри аппарата. В ряде случаев люки используются для загрузки технологического сырья.

Люки для проведения осмотра и монтажа внутренних устройств, как правило, должны устраиваться в аппаратах диаметром более 800 мм. При необходимости залезания в аппарат диаметр люка должен быть не менее 450 мм. Если производство внутренних работ возможно без залезания в аппарат, то устраивают люки диаметром не менее 150 мм, через которые должна свободно проходить рука человека.

Конструкция крышки люка и способ её крепления определяются тем, насколько часто предстоит пользоваться люком. Крепление крышки на обычных болтах применяют в тех случаях, когда люком пользуются редко. При необходимости часто открывать и закрывать люк (например, при загрузке сырья) крышку крепят откидными болтами или предусматривают быстродействующие прижимы различных конструкций.

Обечайки люков изготавливают из тех же материалов, что и обечайки аппаратов, фланцы люков - из тех же материалов, что и фланцы аппаратов.

Таблица 2.8.2. [1, табл.П4.3, стр.113]

Размеры люка загрузочного

Давление условное, МПа	Условный проход, мм	D*, мм	D1*, мм	Н*, мм	Н1, мм	Н2, мм	l, мм	S, мм
0,60	400	520	480	200	386	270	160	6

Материал обечайки люка - 17Г1С;

Материал фланцев люка - 17Г1С.

Крепление крышки люка производится с помощью обычных болтов.

Назначение люка - для проведения осмотра и монтажа внутренних устройств.

Опорные устройства.

Для установки аппарата на фундамент или на специальные несущие конструкции могут быть использованы опоры двух типов: опоры-стойки или подвесные опоры-лапы. Типовые конструкции опор нормализованы и размеры их подбирают по нагрузке, приходящейся на одну опору и по величине удельного давления, оказываемого на фундамент (несущую поверхность).

Расчетная нагрузка, воспринимаемая опорами аппарата определяется максимальной его массой (брутто) либо в условиях эксплуатации, либо при гидравлических испытаниях (при заполнении водой) с учётом дополнительных нагрузок от массы монтируемых на аппарате трубопроводов, арматуры и проч. Опоры изготовляются из стали Ст3.

Проверочный расчет опор.

Расчётная нагрузка на одну опору определяется по формуле:

G = Gmax / nоп , [1, стр.32]

где Gmax - максимальный вес аппарата (при эксплуатации или гидравлических испытаниях), Н;

nоп - число опор, n = 4

Gmax = (Ga + mводы) · g,

где Ga - масса аппарата;

Ga = 2600(кг) [1, рис.П5.4, стр.119]

mводы - масса воды, объёмом 0,8 объёма аппарата;

mводы = 0,8 ·10,0 · 1000 = 8000 (кг);

g - ускорение свободного падения. g = 9,81м/с2.

Gmax = (2600 + 8000) · 9,81 = 103986 (Н).

G = 103986 / 4= 25996,5 (Н) = 26,0 (КН).

Типовая опора выбирается по таблице П5.1. по условию:

G ? [G], [1, стр.32]

где [G] - допускаемая нагрузка на опору.

Принимаем [G] = 40 (кН).

Выбираем опоры-лапы с подкладным листом (тип-2)

Таблица 2.9.1. [2, табл.П5.1, стр.48]

Размеры подвесных опор-лап типа 2.

Размеры в мм
a	a1	a2	b	b1	b2	c	c1	h	h1	S	k	k1	d	d1	fmax
150	190	120	315	150	140	45	90	390	20	10	30	80	35	M24	160

Проверяем опорную площадь FОП из условия прочности материала фундамента:

FОП ? G / [у]Ф , [1, стр.35]

где FОП определяется как площадь подкладного листа;

FОП = а2 · b2 = 120 ·140 = 16800 (мм2) = 0,0168 (м2);

[у]Ф - допускаемое напряжение сжатия для материала фундамента;

[у]Ф = 8,00 (МПа); материал фундамента - бетон марки 100 [2, табл.П5.3, стр.117];

G / [у]Ф = 25996,5 / (8 · 106) = 0,0032 (м2);

FОП ? G / [у]Ф , условие прочности выполняется.

Проверка косынок опор на устойчивость проводится по условию:

у = 2,24G / (zP · S · b) ? KC · [у], [1, стр.35]

где у - напряжение сжатия при продольном изгибе ребра, Па;

2,24 - коэффициент, характеризующий действие неучтенных факторов;

zP - число рёбер в опоре, zP = 2;

S - толщина ребра, м; S = 0,01 (м);

b -вылет ребра, м; b = 0,31 5 (м);

КС - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений при

продольном изгибе; КС = 0,4; [1, стр.35]

[у] - допускаемое напряжение для материала рёбер опор, Па;

для стали Ст3, [у] = 134,15 (МПа) [2, табл.П2.1, стр.23]

[у] = [у]1 +

[у]1 = 140 (МПа); [у]2 = 134(МПа);

t1= 20 °C; t2= 100 °C; t=98 °C;

[у] = = 134,15 МПа [2, табл.П2.1, стр.24]

у =2,24 · 25996,5 / (2 · 0,01 · 0,315) = 9,24 (МПа);

KC · [у] = 0,4 · 134,15 = 53,66 (МПа)

у ? KC · [у], условие устойчивости выполняется.

Проверка прочности угловых сварных швов, соединяющих рёбра опор с корпусом аппарата проводится по условию:

фС = G / (0.7 · K · lШ) ? [фC], [1, стр.36]

где фС - напряжение среза в швах, Па;

К = (0,85…1,2) · S - катет среза в швах, м;

К = S =0,01 (м)

lШ - общая длина швов, м;

lШ = 3 ·2 · = 3·2·=0,865 (м)

[фС] - допускаемое напряжение среза для материалов швов, принимаемое

[фС] = 0,6[у] (Па). [фС] = 0,6 · 134,15 = 80,49 (МПа).

фС = 25996,5 / (0,7 · 0,01 · 0,865) = 0,61 (МПа);

фС ? [фC], условие прочности угловых сварных швов выполняется.

Присоединительный диаметр опор, Dб = 2760 (мм). [2, табл.П5.4, стр.52]

Масса опоры-лапы вместе с подкладным листом, m = 19,03(кг).

[2,табл.П5.5,стр.53]

3.Выбор и расчёт перемешивающего устройства

3.1 Типы и характеристики мешалок

Типы мешалок регламентированы ОСТ 26-01-125-83. Наибольшее распространение в химико-фармацевтической промышленности получили трёхлопастная мешалка - тип 1, лопастная мешалка - тип 3, Открытая турбинная мешалка - тип 6 и рамная мешалка - тип 9.

В данном проекте используется рамная мешалка - тип 9. Её размеры представлены в таблице [2, табл. П6.4, стр.124].

Таблица 3.1.1.

Размеры рамных мешалок тип 9.

dм	d1	hc	Hм	Н1	bл	Sл	Масса, Кг
1900	80	150	1800	630	130	16	163

С помощью ступицы мешалка крепится к валу привода. При этом, расстояние hM мешалки от кинического днища корпуса аппарата рекомендуется принимать:

hM = 0,3· dM = 0,3·1900 = 570 (мм). [1, стр.35]

Размеры ступицы мешалки приведены в таблице 3.1.2. [1, табл.П6.5, стр.125].

Таблица 3.1.2.

Размеры ступицы мешалки, мм.

d1	hC	d1 + t1	b1	d3	d4	d5	d6	D7	SK
80	150	88,4	22,00	120	-	105,0	М10	68,00	12,00

Выбор привода к мешалке.

Частота вращения, nМ = 29 ( об/мин );

Мощность перемешивания, NМ = 8,30 (КВт).

Привод мешалки включает в себя мотор-редуктор, стойку, муфту, вал и уплотнение места его ввода в крышку аппарата. Характеризуется мотор-редуктор мощностью электродвигателя и числом оборотов выходного вала редуктора. При выборе конкретного типа мотор-редуктора руководствуются следующими параметрами: NМ - мощность перемешивания и nМ - частота вращения мешалки. При этом, стандартную частоту вращения принимают ближайшую по отношению к заданной, Nд - мощность двигателя, принимают только ближайшую к NМ.

Конструктивно выбираем фланцевый двухступенчатый мотор-редуктор: МЦ2СФ-200-40-15-320-Ц-У2 [2, с.138]. Технические характеристики выбранного мотор-редуктора :

- Межосевое расстояние А = 200 мм;

- Мощность двигателя N = 15,0 кВт;

- Частота вращения, nМ = 28 об/мин;

- Крутящий момент T = 4040 Н · м;

Мотор-редуктор устанавливается на крышке аппарата при помощи стойки. Промышленностью для стальных аппаратов, в зависимости от рабочего объёма и типа уплотнения, выпускалось пять типа стоек, в соответствии с ОСТ 26-01-109-85, который регламентировал типы и конструкции вертикальных стоек приводов для аппарата с перемешивающим давлением не более 1,6 МПа с диаметром вала в зоне уплотнительного устройства от 40 до 130 мм .В настоящее время срок действия ОСТа на стойки истек, стандартные стойки не выпускаются. В курсовом проекте размеры верхнего фланца стойки необходимо согласовать с присоединительными размерами выбранного мотора редуктора. Для ориентации в конкретных размерах стойки можно использовать рекомендации ОСТ 26-01-109-85.

Данная стойка комплектуется торцовым уплотнением исполненным по ОСТ 26-01-1243-81. Торцовые уплотнения применяются при давлении в аппарате до 3,2 МПа, температуре среды от -30 до +350 °С и частоте вращения вала до 3000 об/мин. Среда в зоне уплотнения может быть любой. В этом уплотнении пара трения обеспечивает герметизацию среды в аппарате, осуществляемую на трущемся торцовом контакте вращающегося и неподвижного колец. Упругий элемент обеспечивает:

- герметизацию пары трения на валу;

- следящий (независимо от положения вала и крышки аппарата) контакт

колец пары трения;

- компенсацию перекоса и износа колец пары трения за счёт осевой

упругой подвижности.

Каждый тип стоек имеет ряд габаритов, определяемых мощностью установленного мотор-редуктора. С возрастанием габарита увеличивается диаметр вала мешалки, который верхней своей частью устанавливается в подшипники стойки и при помощи муфты соединяются с выходным валом мотор-редуктора. Каждый габарит стойки комплектуется своей парой подшипников качения и, следовательно, имеет определённый диаметр вала.

Расчёт вала мешалки.

Предварительный диаметр вала мешалки рассчитывается по пониженным допускаемым напряжениям на кручение [T]:

dВ ? , [1, стр.50]

где [ф] = 40 (МПа) - допускаемое напряжение;

ТКР - расчётный крутящий момент, МН · м.

Расчётный крутящий момент учитывает пусковые нагрузки и находится из выражения:

ТКР = Кд · NM· / щ, [1, стр.50]

где Кд - коэффициент динамической нагрузки, зависящий от конструкции мешалки; Кд = 2 [1, стр.50]

NM - мощность перемешивания, Вт; NM = 8,30 · 103 (Вт)

щ - угловая скорость вала мешалки, рад/с:

щ = 2р · nM / 60,

где nМ = 29 ( об/мин ) - частота вращения вала мешалки;

щ = 2 · 3,14 · 29 / 60 = 3,04 (рад/с);

ТКР = 2 · 8,30 · 103 /3,04 = 5,461 · 103 (Н · м);

= = 0,026 (м) = 26 (мм):

Принимаем dВ = 50 (мм).

Выбираем стойку с габаритом 01 [ОСТ 26-01-109-85]

Таблица 3.2.1.

Размеры стойки [ОСТ 26-01-109-85 ]

dВ, мм	d1, мм	n	D, мм	D1, мм	D2, мм	Н, мм	h, мм	h1, мм	L, мм	l, мм	l1, мм
50	23	8	500	540	430	985	595	425	350	300	400

После выбора всех комплектующих частей привода проверяется выполнение условия:

Nд ? Nп, [1, стр.50]

где Nn - мощность, потребляемая двигателем мотор-редуктора на

перемешивание.

Потребляемая двигателем мощность Nn больше заданной на величину потерь в уплотнении, подшипниках стойки, планетарном редукторе и может быть рассчитана с условием КПД в этих устройствах.

Nn = NМ / з1 · з22 · з3, [1, стр.51]

где з1 - КПД планетарного редуктора;

з2 - КПД подшипников качения, в которых установлен вал мешалки;

з3 - КПД, учитывающий потери мощности в уплотнении.

Таблица 3.2.2.

Приближённые значения КПД. [1, стр.51]

Наименование частей привода	КПД
Редуктор планетарный двухступенчатый	0,85
Подшипник качения	0,99
Уплотнение торцовое	0,98-0,99

Nn = 8,3 · 103 / (0,85 · 0,992 · 0,99) = 10,1 · 103 (Вт) = 10,1 (КВт)

15 > 10,1;

Nд ? Nп, условие выполняется.

Расчёт вала начинается с разработки его расчётной схемы, отражающей наиболее важные факторы и исключающей несущественные особенности. В аппарате с мешалкой, расчётная схема вала может быть представлена в виде вертикального консольного стержня на двух опорах (подшипники в стойке).

- длина вала между верхним подшипником и ступицей мешалки, м;

- длина консольной части вала, м;

l2 = H - hM + l1 = 3670 - 570 + 400 = 3500 (мм)

L2 = l2 + l = 3500 + 300 = 3800 (мм)

Для раннее выбранного вала определённой длины · и диаметра · при известных размерах ступицы мешалки производится проверочный расчёт по критериям усталостной прочности и виброустойчивости.

Расчёт вала мешалки на усталостную прочность.

Расчёт ведётся по следующей формуле:

n = ? [n], [1, стр.49]

где nу и nф - коэффициенты запаса прочности при изгибе и кручении

соответственно;

[n] = 1,3…1,5 - требуемый коэффициент запаса прочности.

Принимаем [n] = 1,5

Поскольку валы мешалок испытывают, в основном, касательные напряжения от кручения, то формулу расчёта по критерию усталостной прочности можно представить в виде:

nф ? [n].

Выражение для расчёта коэффициента запаса nф имеет вид:

nф = ф-1 / (Kф · фa / Kd + шф · фm), [1, стр.50]

где ф-1 - предел выносливости при кручении при симметричном цикле

напряжений, МПа;

фа и фm - соответственно амплитуда и среднее значение напряжений

циклов, МПа;

Кф - эффективный коэффициент концентраций напряжений;

Кd - коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения

вала;

шф - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла.

Величину предела выносливости определяют по формуле:

ф-1 = 0,25 · ув , [1, стр.50]

где ув - предел прочности материала вала при температуре среды , МПа;

Вал изготавливается из стали - 12ХН3А.

[у] = [у]1 +

[у]1 = 560(МПа); [у]2 = 530 (МПа);

t1 = 20 °C; t2 = 100 °C; t=98 °C;

[у] = = 530,75 МПа; [1, табл.П2.7, стр 93]

ф-1 = 0,25 · 530,75 = 132,69 (МПа)

При постоянной скорости вращения вала или редком реверсировании принимают:

фа = фm = 0,5фК = ТКР / WР НЕТТО, [1, стр.54]

где ТКР - расчётный крутящий момент, МН · м;

ТКР = 5,461 · 103 (Н · м);

WР НЕТТО - полярный момент сопротивления сечения вала по шпоночной

канавке в месте крепления ступицы мешалки, м3;

фК - касательные напряжения при кручении, МПа;

Величина WР НЕТТО учитывает уменьшение сечения вала за счёт шпоночной канавки и рассчитывается по формуле:

[1, стр.50]

где d1 - диаметр вала в месте крепления ступицы мешалки, м;

d1 = 0,08 (м)

bШ и tШ - ширина и глубина шпоночного паза на валу, м;

bШ = 0,022 (м); tШ = 0,009 (м); [1, стр.50]

WР НЕТТО = =

= 9,42 · 10-5 (м);

фа = фm = 5,461 · 103 / 9,42 · 10-5 = 57,97 (МПа);

Т.к. ув < 700 МПа, то эффективный коэффициент концентраций напряжений Кф = 1,4 [1, стр.51].

Kd = Kd1 +

Kd2 = 0,59; Kd1 = 0,65;

d2 = 100 (мм); d1 = 70 (мм); d = 80 (мм);

Kd = = 0,63; [1, табл.6, стр.55]

Т.к. ув < 750 (МПа), то шф = 0. [1, табл.7, стр.55]

nф = 132,69 / (1,4 · 57,97 / 0,63) = 1,03

nф <[n], условие прочности не выполняется, следовательно, необходимо выбрать марку стали вала с большим пределом прочности. Марка стали вала - 40Х.

Вал изготавливается из стали - 40Х.

[у] = [у]1 +

[у]1 = 790(МПа); [у]2 = 770 (МПа);

t1 = 20 °C; t2 = 200 °C; t=98 °C;

[у] = = 781,33 МПа;

ф-1 = 0,25 · 781,33 = 195,33 (МПа)

nф = 195,33 / (1,4 · 57,97 / 0,63) = 1,52

nф <[n], условие прочности выполняется, следовательно, вал

удовлетворяет критериям усталостной прочности.

Проверочный расчёт вала мешалки на виброустойчивость.

В процессе изготовления вала мешалки, а также при их сборке невозможно добиться полного совпадения их центра масс с осью вращения. Это приводить к тому, что при вращении вала возникают центробежные силы, вызывающие его прогиб. Величина прогиба вала в зависимости от угловой скорости вращения описывается частотным уравнением. На некоторых частотах вращения прогиб резко возрастает, работа аппарата сопровождается большими вибрациям, которые в итоге могут привести к аварии. Такие частоты вращения называются критическими. Поэтому для быстроходных валов обязательна проверка на виброустойчивость по условию:

щ ? 0,7щ1 ; [1, стр.56]

где щ1 - первая критическая угловая скорость вала, рад/с;

Расчёт первой критической скорости вала, соответствующей резонансу при изгибных колебаниях, выполняется следующим образом. На основании расчётной схемы определяется относительная координата центра тяжести вала () и относительная масса мешалки () из выражений:

; ; [1, стр.56]

где L2 - длина вала между верхним подшипником и ступицей мешалки, м;

L2 = 3800 (мм)

l2 - длина консольной части вала, м;

l2 = 3500 (мм)

m - масса мешалки, кг;

m = 163 (кг)

mВ - линейная масса вала, кг/м, находится по формуле:

mВ = 0,785dВ2 · сС ;

сС - плотность материала вала, кг/м3; сС = 7,85 · 103 (кг/м3);

mВ = 0,785 · 0,052 · 7,85 · 103 = 15,41 (кг/м);

= 0,92;

= 2,78;

Из графика [1, рис.19, стр.57] определяется корень б1 = f () частотного уравнения и рассчитывается первая критическая скорость.

б1 = 1,17;

щ1 = , [1, стр. 56]

где Е - модуль упругости материала вала, МПа;

Е·10-5 = Е1 + ;

Е1· 10-5 = 2,15 (МПа); Е2· 10-5 = 2,15 (МПа); [1, табл.П2.3, стр.91]

t1 = 20 °C; t2 = 100 °C; t = 98 °C

Е = 2,15 · 105 (МПа)= 2,15 · 1011(Па);

I - момент инерции сечения вала, м4;

I = [1, стр.56]

I = 3,14 · 0,054 / 64 = 3,07 · 10-7 (м4);

щ1 = = 6,2 (рад/с);

0,7щ1 =0,7 · 6,2 = 4,34 (рад/с);

3,04 < 4,34 (рад/с)

щ ? 0,7щ1 , условие выполняется.

Таким образом, подобранный вал с d = 50 мм является виброустойчивым.

Список литературы

Алфёрова Л.И., Беспалов О.И., Иванов Г.А., Шебатин В.Г., Шишкин А.В. Аппараты с механическим перемешивающим устройством. Методические указания к выполнению курсового проектирования по курсу «Прикладная механика» // Ленинград, 1987г.

Алфёрова Л.И., Беспалов О.И., Иванов Г.А., Шебатин В.Г., Шишкин А.В. Приложения к методическим указаниям к выполнению курсового проекта по курсы «Прикладная механика» // Ленинград, 1987г.

РТМ 26-01-72-82. Валы вертикальные аппаратов с перемешивающими устройствами. Методы расчета.

Г.Н. Попова, С.Ю. Алексеев «Машиностроительное черчение» // С-Пб Политехника, 1999г.

Воробьева Г.Я. Коррозийная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М. Химия,1975г.

Гузенков П.Г. Детали машин. М. Высшая школа.1982г.

Чернин И.М., Кузьмин А.В., Ицкович Г.М.. Расчеты деталей машин. Минск, Высшая школа, 1978.

Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Под редакцией М.Ф. Михалева, Л. Машиностроение,1984г.

Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М. Металлургия.1974г.

Правила технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей и правила техники безопасности при эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей. М.1973г.

Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование. М. Высшая школа.1984г.

ОСТ 26101-109-85. Стойки вертикальные приводов аппаратов с перемешивающими устройствами.

ОСТ 26-01-1245-83. Мешалки. Типы, параметры, основные размеры, конструкции.

РТМ 26-01-91-76. Уплотнения валов контактные для аппаратов с перемешивающими устройствами.

ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

Размещено на Allbest.ru