Розрахунок опор циліндричного біореактора
Відомо 9 основних типів опор для вертикальних циліндричних апаратів. Опори можуть бути приварними або литими. Деякі опори та їх елементи нормалізовані.
Розрахунок ведуть в такій послідовності. Tовщина стінки опори приймається приблизно рівною товщині стінки апарату, але не менше 6 ... 8 мм. Виконується перевірка опори на міцність та стійкість. Перевіряється на міцність зварний шов, що з’єднує опору з апаратом. Визначаються розміри опорного кільця.
Розглянемо як приклад, опору в вигляді циліндричної обичайки, верхня частина якої приварена до корпусу апарату, а нижня частина – до фундаментного кільця з ребрами жорсткості (лапами):
Малюнок 3. Опора колонного апарату.
Товщину циліндричної опори визначають за формулою:
( 17 )
де: G – максимальна маса апарату;
n – число лап;
l – ширина лапи;
- напруга в матеріалі опори, що допускається;
К – коефіцієнт,
К
0,6 при
=
14
К 0,3 при = 20
Рекомендується приймати значення h = 2·l.
Враховують міцність зварних швів за рівнянням:
( 18 )
де: L – загальна довжина зварних швів;
hш – висота зварного шва, hш 0,008 м.
- напруга зрізу, що допускається, 80 Мн/м2 .
Приклад розрахунку опори ферментеру.
Визначимо розміри опори для циліндричного біореактора (ферментера), що має масу G = 0,8 Мн.
Приймаємо: число лап n = 8; ширину лапи l = 0,25 м.
Висота лапи буде дорівнювати: h = 2·l = 2 · 0,25 = 0,50 м.
Товщину ребра лапи визначаємо за формулою (17):
S =
Загальна довжина зварного шва:
lш = 4·(0,5 + 0,016) = 2,064 м.
Перевіряємо міцність зварного шва:
0,7·2,064·0,008·80 = 0,924 Мн.
0,8 / 8 = 0,100 Мн.
Бачимо, що міцність зварного шва значно перевищує очікуване навантаження.
Товщину фундаментного кільця приймаємо не меншою, ніж S .
Внутрішній діаметр опорного кільця:
D2 = D – 0,006
Наружний діаметр опорного кільця, м :
D1 = D + 2·S + 0,2 ( 19 )
Розраховуємо опорну поверхню кільця:
F =
( 20 )
Визначаємо момент опору кільця:
W =
( 21 )
Визначаємо максимальну напругу стискання на опорній поверхні кільця:
( 22 )
де: max – максимальна силаваги апарату при заповненні його
культуральною рідиною, Мн;
Мво max – вітряний момент, що відповідає максимальній силі ваги
апарату, Мн·м .
Значення qd приймають для бетонної поверхні фундаменту
-марки 300 - рівною 23 Мн/м2
-марки 200 - рівною 14 Мн/м2
Якщо максимальна напруга виявляється вище припустимої, то необхідно збільшити опорну поверхню фундаментного кільця і виконати перерахунок.
Визначаємо товщину опорного кільця:
( 23 )
де: l – відстань від виступаючої частини кільця до наружного або
внутрішнього діаметра опори, м.
Мінімальне значення Sк = 12 мм.
Виконується перевірка стійкості апарату на опрокидування під дєю вітру.
Визначаємо напругу на опорній поверхні кільця під дією сил ваги апарату за формулами:
( 24 )
( 25 )
Тепер врахуємо найбільше по абсолютній величині значення .
Якщо 0 то визначають коефіцієнт стійкості:
Ку
=
( 26 )
де: G і Mво відповідають найбільшому по абсолютній величині значенню .
Якщо станеться, що Ку 1,5 , то апарат буде стійким і ставити фундаментні болти не обов’язково. Достатньо встановити чотири центровочних болта М-24.
Якщо 0 , то необхідно передбачити установку фундаментних болтів.
Навантаження на фундаментні болти становить:
Рб1
= 0,785·(
)·
( 27 )
Приймають кількість болтів z не менше 4.
Навантаження на один болт:
( 28 )
Діаметр фундаментного болта :
( 29 )
де: Ск – збільшення на корозію.
Діаметр болтового кола:
- при dб 30 приймають:
Dб = D + 2·S + 0,12 (м) ( 30 )
- при dб 30 приймають:
Dб = D + 2·S + 4·dб ( 31 )
Якщо dб 30 мм, то наружний діаметр опорного кільця приймають:
D1 = Dб + 3·dб ( 32 )