28 Вопрос.
Конические оболочки в химическом аппаратостроении находят применение в качестве днищ и крышек, а также переходов от цилиндрической части одного диаметра к цилиндрической части другого.
Коническое днище конструктивно представляет собой усеченную полую коническую оболочку, приваренную расширенной частью к цилиндрической обечайке корпуса аппарата.
Выбор угла при вершине конуса определяется технологическими соображениями: для жидких веществ их вязкостью, а для сыпучих и кусковых веществ их углом естественного откоса.
Согласно ГОСТ 13376-78 конические днища изготавливают с углом раствора 45, 60, 75, 90, 120 и 140.
Если коническая оболочка служит диффузором, предназначенным доя увеличения статического давления и выравнивания его по сечению, то угол у вершины конуса 2 (со стороны входа среды) не должен превышать 3840°. Диффузоры с углами 2 = 5090° не только не уменьшают, но даже повышают потери давления на I520% по сравнению с внезапным расширением (без всякого перехода).
Конфузоры, т.е. конические переходы, в которые среда входит с более широкой стороны, вносят в систему меньше сопротивления, чем диффузоры тех же размеров. Величина гидравлического коэффициента местного сопротивления для конфузоров плавно возрастает с увеличением центрального угла 2.
Прочность конической оболочки в значительной степени зависит от величины угла раствора конуса 2. Прочность конических днищ возрастает с уменьшением .
В диапазоне изменения угла 2 от 0 до 180 конические оболочки можно разделить на три группы:
I группа конуса с углами раствора 2 > 160°. При таком угле раствора свойства конуса становятся весьма схожими со свойствами пластинок, поэтому пологие конусы с 2 = 160180° приближенно можно рассчитывать как круглые пластинки (круглые плоские днища), хотя пологие конусы получаются все же более прочными, чем пластинки.
II группа конуса с углам раствора I60°< 2 < 120°, рассчитываются по формулам конусных оболочек. С точки зрения механического расчета особенности конуса проявляются именно при таком угле раствора. Однако конические аппараты или их части с такими углами раствора встречаются довольно редко. Центральное отверстие в вершине конуса при 2 < 120° мало сказывается на прочности конуса. А при 2 > 160 центральное отверстие существенно влияет на прочность, сильно ослабляя коническую оболочку и как бы превращает ее в кольцевую пластину.
III группа конуса с углами раствора 2 < 120° по прочности приближаются к цилиндрическим обечайкам. Поэтому наиболее употребляемые конические днища с углом раствора 60°< 2 < 80° и диффузоры с 30°< 2 < 40° для приближенных расчетов в неответственных случаях можно принимать за цилиндры, с диаметром равным диаметру основания конуса.
Конструктивно коническое днище выполняются в двух вариантах: без отбортовки и с отбортовкой (тороконическое) (рис. 5.19).
Таким образом тороконические днища обеспечивают меньшую концентрацию напряжений в переходной (торовой) зоне, нежели неотбортованиые, поэтому они более предпочтительны при повышенных давлениях. Такие днища еще называют шароконическими, если радиус отбортовки составляет половину диаметра цилиндрической части аппарата, т.е. r = 0,5D.
Присоединение конических днищ к цилиндрическим обечайкам без отбортованной части допускается только в оболочках, работающих под незначительными давлениями, и в том случае, если угол раствора конуса 2 мал (2 < 60°), как, например, в диффузорах и конфузорах.
Согласно ГОСТ 9931-85 для горизонтальных сосудов работающих под налив (Рраб ≤ 0,07 МПа) предусматриваются конструкции составных (пологих) конических днищ, изображенные на рис. 5.22. Такие днища состоят из конической неотбортованной части 1 с углом раствора чаще всего в 140° и привариваемого к ней плоского 2 или сферического 3 центрального участка. Место сопряжения составного конического днища с цилиндрической обечайкой 4 для смягчения действия краевых напряжений следует укреплять приварным кольцом 5 (рис. 5.22, б) иногда с ребрами жесткости 6. Такие днища изготавливаются с внутренним базовым диаметром от 1600 до 3000 мм.Наряду с коническими днищами в сосудах и аппаратах часто применяют конические переходы, соединяющие цилиндрические обечайки разных диаметров (рис. 5.23). Конические неотбортованные переходы (рис. 5.23, а) сваренные из листового проката применяются для аппаратов, работающих под внутренним или наружным избыточным давлением не более 4,0 МПа при < 10° и без давления или под наливом при ≤ 45°.
Конические отбортованные переходы (рис. 5.23, б) сваренные из листового проката, поковки или полученные литьем применяются для аппаратов, работающих под внутренним или наружным избыточным давлением при ≤ 45°.
Несимметричные конические обечайки (рис. 5.21, ж) сваренные из листового проката, применяются для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением до 4,0 МПа при ≤ 30°.
Конические отбортованные и неотбортованные днища и переходы изготовляют ковкой, литьем или вальцовкой плоских разверток с последующей отбортовкой.
Достоинства конических днищ и переходов:
возможность использования для полного удаления из аппарата сыпучих и кусковых материалов, жидких вязких сред без применения дополнительных технических устройств;
возможность использования в качестве переходов между цилиндрическими обечайками различного диаметра;
технологичны в изготовлении при наличии соответствующего оборудования.
Недостатки конических днищ и переходов:
не равномерное распределение напряжений вдоль образующей конуса;
концентрация напряжений в месте стыка «цилиндр-конус»;
зависимость прочностных характеристик днищ и переходов от угла ;
трудоемкость и сложность изготовления;
высокая стоимость по сравнению со штампованными днищами и крышками;
значительное увеличение высоты аппарата при их установке.
Расчетная толщина стенки конической обечайки вычисляется по формуле:
,
(5.19)