2 Расчетные данные

Давление пара в экстракторе	P=0,2 МПа
Давление пара в рубашке	Р1=0,6 МПа
Внутренний диаметр экстрактора	Dв=600 мм
Внутренний диаметр рубашки	D=700 мм
Длина цилиндрической части корпуса рубашки	L=900 мм
Диаметр установки болтов	Dб=700 мм
Диаметр верхнего люка	d1=60 мм
Диаметр патрубка для выхода пара	d 2=80 мм
Диаметр выходного патрубка для выхода конденсата	d 3=40 мм
Диаметр патрубка для выхода продукта	d 2=60 мм

Аппарат, состоит из цилиндрического корпуса и выпуклых днища и крышки. Рабочая температура не более 200^оС.

Аппараты пищевой промышленности относятся, как правило к V категории. Разрабатываемый в данной работе теплообменный аппарат предназначен для тепловой обработки молока, являющегося химически активным веществом, легко вступающим в реакцию с материалом, из которого изготовлен аппарат. Чтобы предотвратить это, корпус аппарата, его днище, рубашку, днище рубашки и крышку экстрактора изготавливают из легированной коррозиестойкой стали 08ХН10Т.

Таблица 1.1 – Химический состав стали 08ХН10Т в процентном соотношении

С	Cr	Ni	Ni	Si	Mn	Fe
0,08	18	10	1	7÷0,37	0,3÷0,6	остальные

Допускаемое напряжение для стали 08ХН10Т при температуре стенки не выше 200^оС принимаем равным [σ] = 115 МПа

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

3 Расчет на прочность цилиндрических обечаек корпуса и рубашки

3.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайки аппратата, работающей под наружным избыточным давлением

Толщину цилиндрической стенки аппарата определяем по формуле

где р_Н = р₁ – р = 0,6-0,2=0,4МПа - наружное избыточное давление;

D_В = 600 мм – внутренний диаметр цилиндра;

[σ_c] = 115 МПа – допускаемое напряжение на сжатие материала стенки цилиндра;

L = 0,9 м длина цилиндра (между действующими жесткими креплениями);

a = 50 – опытный коэффициент (для вертикального цилиндра со штыковым швом);

c = 0,002 м – прибавка к расчетной толщине стенки, учитывающая коррозию, допуски на овальность и пр.

Принимаем δ = 0,008 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:

С точки зрения устойчивости цилиндры, у которых L≥L_кр, как в данном случае (L = 0,7‹ L_кр = 3,9 м), называются короткими.

Критическое давление для коротких цилиндров определяем по приближенной формуле:

где

Е = 2,06 ×10⁵ МПа – модуль упругости материала при рабочей температуре 200^оС (для сталей);

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

Определяем запас устойчивости по формуле:

Определяем тип оболочки δ ‹0,03D_В следовательно, оболочка тонкостенная.

, следовательно, цилиндр длинный.

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

Выбираем основную систему. Радиальным 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 P_o и изгибающими моментами М_о.

Рис. 3.1.1 Схема к расчету цилиндрической оболочки

Составляем схему канонических уравнений метода сил:

Определяем значение одиночных угловых и линецных перемещений:

• линейное перемещение края оболочки (прогиб) от действия единичного изгибающего момента и линейное перемещение от действия единичной поперечной силы:

.

- единичный изгибающий момент и единичная поперечная сила:

; ,

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

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

Определяем значение характеристики оболочки:

Определяем цилиндрическую жесткость оболочки:

Так как значения P_o и М_о 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, краеваой эффект надо учитывать. Наиболее опасными точками в данном случае являются точки внутренней поверхности края цилиндрического корпуса в месте приварки днища.

Условие прочности выполняется.