2. Выбор конструкционных материалов и допускаемых напряжений

П рименение конструкционного материала определяется условиями эксплуатации аппарата в зависимости от вида продукта и теплоносителя, их температуры, давления, характера агрессивного воздействия на элементы аппарата, места его установки и многими другими факторами; Работоспособность теплообменного аппарата в условиях его производственной эксплуатации можно в основном оценить критериями прочности, жесткости, устойчивости, износо­стойкости и коррозионной стойкости. Кроме того, при выборе конструкционных материалов необходимо учитывать условия изготовления аппарата и его технико-экономические показатели. Аппараты пищевой промышленности относятся, как правило, к V категории, поэтому выбираем легированную коррозиестойкую сталь

Допускаемое напряжение для стали 08Х18Н10Т при температуре стенки не выше 200°С принимаем равным [σ] = 115 МПа.

Все остальные элементы аппарата изготовляем из углеродистой стали обыкновенного качества, при необходимости части, соприкасающиеся с продуктом, покрываем оловом.

3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЕЧАЕК КОРПУСА И РУБАШКИ

3.1. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЕЧАЙКИ АППАРАТА, РАБОТАЮЩЕЙ ПОД НАРУЖНЫМ ИЗБЫТОЧНЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Толщину цилиндрической стенки аппарата определяем по формуле:

(1)

Где = =0.8-0.09=0.71 МПа - наружное избыточное давление;

D_B = 700 - внутренний диаметр цилиндра;

=115 МПа - допускаемое напряжение на сжатие материала стенки цилиндра;

L – 1.5 м длина цилиндра (между действующими жесткими креплениями), м;

=50 - опытный коэффициент (для вертикального цилиндра со стыковым швом);

с = 0,001 м - прибавка к расчетной толщине стенки, учитывающая коррозию, допуски на овальность и пр.

Принимаем = 0,01м по ГОСТ 19903-74.

Этого расчета недостаточно, так как в аппаратах, подверженных наружному избыточному давлению, цилиндрический корпус может оказаться неустойчивым против вмятин и сплющивания.

Рассчитываем оболочку корпуса аппарата на устойчивость цилиндрической стенки против вмятин и сплющивания.

Определяем приближенно число волн, получаемых при потере устойчивости оболочки по формуле

L_KP = 3,3* = м

С точки зрения устойчивости цилиндры, у которых L > L_KP. как в данном случае (L=1 < L_KP = 6,4м), называются короткими.

Критическое давление для коротких цилиндров определяем по приближенной формуле:

; (2)

Где ;

Е = 2,1*10⁵ МПа - модуль упругости материала при рабочей температуре 200° С (для сталей);

µ = 0,3 - коэффициент Пуассона материала корпуса (для сталей).

Определяем запас устойчивости по формуле:

Определяем тип оболочки < 0,03D_B, т.е. 0,006 м < 0,03*0.9 = 0,027 м, следовательно, оболочка тонкостенная.

1_КР = 2,5* = 0.16 м < 1,3 м, следовательно, цилиндр длинный.

Проверяем выбранную толщину оболочки по моментной теории с учетом краевого эффекта в месте приварки днища.

Выбираем основную систему. Радиальными и угловыми перемещениями днища можно пренебречь, считая его абсолютно жестким. Нагружаем основную систему заданной нагрузкой (внешним давлением в рубашке и внутренним давлением в аппарате), а действие отброшенного днища заменяем распределенными по по­перечному сечению оболочки поперечными силами Р₀ и изгибающими моментами М₀. Рис.1. Схема к расчету цилиндрической оболочки а - основная система;

Составляем систему канонических уравнений метода сил:

(3)

Определяем значение одиночных угловых и линейных перемещений: линейное перемещение края оболочки (прогиб) от действия единичного изгибающего момента и линейное перемещение от действия единичной поперечной силы:

(4)

единичный изгибающий момент и единичная поперечная сила:

(5)

Подставляем в полученную систему уравнений значение единичных угловых и линейных перемещений от факторов Р_{) и M₀, а также значение перемещения края цилиндрической части корпуса от заданной нагрузки.

(6)

Из первого уравнения получаем Подставляем это выражение во второе уравнение системы, после соответствующих преобразований получаем:

(7)

Определяем значение характеристики оболочки:

Определяем цилиндрическую жесткость оболочки:

Так как значения Р₀ и M₀ получились положительными, следовательно, выбранные их направления оказались правильными. Определяем напряжения на краю цилиндрического корпуса.

Точки внутренней поверхности:

Точки наружной поверхности:

По найденным значениям напряжений для края корпуса аппарата видно, что наибольшими напряжениями являются напряжения в продольном (осевом) направлении для точек внутренней поверхности корпуса. Так как , следовательно, краевой эффект надо учитывать. Наиболее опасными точками в данном случае являются точки внутренней по­верхности края цилиндрического корпуса в месте приварки днища.

Условие прочности выполняется.