Гидравлика и гидропривод ИГХТУ Вариант 1

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный химико-технологический университет»

Контрольная работа по дисциплине

ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОД

Вариант 1

Выполнил(а)

Проверил(а)

ИВАНОВО

2013 г.

Содержание

2

Вариант 1

ЗАДАЧА 1

Рассчитать мощность электродвигателя мешалки, работающей при условиях, указанных в табл. 1, в которой даны следующие условные обозначения:

D - диаметр аппарата в мм;

H - высота аппарата в мм;

Нж - высота слоя жидкости в аппарате в мм; w - окружная скорость мешалки в м/с;

ρ - плотность перемешивающей жидкости в кг/м3;. μ - вязкость перемешиваемой жидкости в Н·с/м2; dв - диаметр вала мешалки в мм;

Ρ - избыточное давление в аппарате в Н/м2; h - высота лопасти мешалки в ми;

d - наружный диаметр мешалки в мм; Z1 - число лопастей мешалки;

Z2 - число перегородок в сосуде; t - шаг винта в мм;

δ - расстояние между лопастью мешалки и стенкой аппарата в мм.

Примечания к вариантам: 1 - Одна горизонтальная лопасть; 2. Две горизонтальные лопасти; 3. Без горизонтальных лопастей; 6. Плоские лопасти, сосуд без перегородок; 7. Плоские лопасти, сосуд с перегородками; 8. Изогнутые лопасти, сосуд с перегородкам; 9. Сосуд без перегородок; 10. Сосуд без перегородок.

Тип мешалки - якорная, одна горизонтальная лопасть.

Решение

Рис. 1.1. Мешалка якорная.

Мощность электродвигателя (привода мешалки) рассчитывают по формуле:

Nэ = (К1·К2·N+Nc)/η,

где К1= НЖ/D - коэффициент, учитывающий заполнение сосуда перемешиваемой средой; Нж - высота слоя жидкости в аппарате в м; D - диаметр аппарата в м;

К2 - коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности при пуске или повышении сопротивления среды в процессе перемешивания; для большинства случаев К2 = 1;

N - мощность, затрачиваемая на перемешивание;

3

Nc - мощность, теряемая в сальнике;

η = 0,85 - 0,9 — коэффициент полезного действия привода, принимаем η = 0,85. При перемешивании среды с вязкостью μ > 0,5 Н·с/м2 или при изменении сопротивления среды в процессе перемешивания принимаются следующие значенияК2:

для однолопастных перемешивающих устройств К2 ≤ 2; для многолопастных, якорных, рамных и турбинных мешалок К2 < 2,5; для пропеллерных мешалок К2 ≤ 1,3.

В нашем случае принимаем (мешалка якорная, одна горизонтальная лопасть)

К2 = 2,0.

Мешалка якорная

Диаметр мешалки определяется как

d = D-2δ = 1600-2·40 = 1520 мм = 1,52 м.

Высота мешалки (по табл. II.1 [4])

h = 0,93d = 0,93·1520 = 1414 мм = 1,414 м.

Число оборотов

n = w/(πd) = 2/(π·1,414) = 0,42 об/с.

Значение центробежного критерия Рейнольдса

Reц = n·d2·ρ/μ = 0,42·1,522·940/2 = 455.

Для мешалки (якорная, одна горизонтальная лопасть)

КN = C·Reц0,77(h/d) = 10,3·4550,77(1,414/1,52) = 1066

Мощность, затрачиваемая на перемешивание

N = КN ·μ·n2·d3 = 1066·2·0,422·1,523 = 1314 Вт.

Мощность, теряемую в сальнике, определяем по формуле (II 3 [4]) Nc = 9,84·(ρ+0,98·105) fT·lc·n·dв2,

где р - избыточное давление в аппарате в н/м2; fT - коэффициент трения набивки сальника, принимаем fT=0,2; dв - диаметр вала мешалки в м; n - число оборотов мешалки в секунду;

lС - длина набивки сальника в м, принимаем lС=4dв=4·60 =240 мм = 0,24 м.

Nc = 9,84·(940+0,98·105)·0,2·0,24·0,42·0,062 = 355 Вт.

Мощность электропривода К1 = НЖ/D= 1,5/1,6 = 0,938;

Nэ = (К1·К2·N+Nc)/η = (0,938·2,0·1314+355)/0,85 = 3315 Вт = 3,31 кВт ≈ 3,4 кВт.

4

ЗАДАЧА 2.

Рассчитать необходимую поверхность теплообмена для проведения реакции в аппарате периодического действия типа котла. Сравнить поверхность теплообмена с выбранным по каталогу аппаратом.

Исходные данные для решения задачи приведены в табл. 2, в которой используются следующие условные обозначения:

Vc - суточная производительность аппарата в м3; Ki - константы скорости реакции;

τ - вспомогательное время работы реактора в час; n - число реакторов;

q - удельная теплота экзотермической (+), эндотермической (-) реакции, кДж/кг; Тр - температура реакции в °К;

К - коэффициент теплопередачи в Вт/(м2·град); χ - степень превращения реагирующего вещества при начальной его концентрации х0 = 1; ρ - плотность реакционной массы в кг/м3.

Решение

При степени превращения χ = 95% конечная концентрация реагирующих веществ xk = 5%. В соответствии с уравнениями (III. 4 [4]) для реакции 1 порядка имеем

τр = 2,3lg(х0/х)/K1 = 2,3lg(1/0,05)/0,5 = 5,98 ч.

Коэффициент полезного действия периодически действующего реактора

η = τр/τц = τр/(τр+τв) = 5,98/(5,98+2,5) = 0,71.

Объем реактора при степени превращения χ=95% и коэффициенте заполнения аппарата φ = 0,8:

Vp = Vc·5,98/(η·n·24·φ) = 24·5,98/(0,71·5·24·0,8) = 2,12 м3.

Тепло, выделившееся в процессе реакции:

Qp = q·Vp·φ·ρ·(x0-x) = 394·2,12·0,8·850·(1-0,05) = 539892 кДж.

Т.к. реакция экзотермическая, то теплопередача идет к воде.

Поверхность теплообменных элементов реактора, обеспечивающая отвод (подвод) реакционного тепла, определяется по формуле

F = Q/(K·ΔTcp)

Средняя разность температур при охлаждении до 40°С (313°К) ΔTcp = Tp-(θ1+θ2)/2 = 368-(368+40)/2 = 28 °K.

Поверхность теплообменных элементов реактора

F = 539892/(305·28) = 64,4 м2.

Выбираем теплообменный реактор

Τип IIIΡΤ: аппарат с рубашкой и трубой, передавливание нижнее, днище сферическое.

Емкость номинальная 2,5 м3, расчетная 2,528 м3.

Основные размеры диаметр внутреннего сосуда 1400 мм, высота 1400 мм.

Фактическая поверхность теплообмена аппарата с рубашкой

F = πDH·φ+Fд = π·1,4·1,4·0,8+π·1,42/4 =7,39 м3.

Выбираем реактор с номинальной емкостью VH = 4 м3.

5

ЗАДАЧА 3.

Определить объем и основные размеры (длину и диаметр) трубчатого реактора вытесняющего действия для проведения в нем жидкофазного непрерывного реакционного процесса. Условно считать вязкость и плотность реакционной смеси постоянными по всей длине реактора. Критерий Рейнольдса принять Re = 3000.

Производительность Gч = 1000 кг/ч; Плотность ρ = 1,1 кг/л; Доля превращения α = 0,6%;

Длительность реакционного процесса τ = 30 мин; Вязкость реакционной смеси μ = 3 Н·с/м2.

Решение

Принимаем коэффициент заполнения φ = 1. По формуле (III. 33 [4]) находим

V = Vmin·τ/(1-α) = Gч·τ/[60·ρ·(1-0,006)] = 1000·30/(60·1,1·0,994) = 457 л. Vmin = V/τ = 457/30 = 15,2 л/мин.

При Re = 3000, находим

6

ЗАДАЧА 4.

Определить основные параметры пресса верхнего давления (усилие прессования, ход плунжера, расстояние между подвижной и неподвижной плитами, диаметр плунжера (поршня), усилие возвратных цилиндров или возвратной полости дифференциального главного поршня и др.); определить расход жидкости при рабочем и холостом ходе плунжера (поршня). Номинальный тоннаж пресса подобрать по ГОСТу 8200-87.

Площади проекции изделия fизд = 375 см2; Число гнезд в пресс-форме n = 3; Удельное давление Руд = 350 Н/см2; Средн. скорость раб. хода Uр = 3 мм/с;

Средн. скорость холост. (возврат) хода Uхх = 180 мм/с; Κοэфф. трения уплотнения fT = 0,12;

Вес подв. частей пресса G = 820 кг.

Решение

Рис. 5.1. Гидравлический пресс верхнего давления в рамном исполнении с дифференциальным главным цилиндром и выталкивателем: 1 - рамы; 2 - главный цилиндр; 3 - дифференциальный плунжер; 4 – подвижная плита (ползун); 5 - стол; 6 - цилиндр выталкивателя; 7 - колонна; 8 - архитрав; 9 - цилиндр простого действия; 10 - возвратные цилиндры.

Находим необходимый фактический тоннаж 1лавного гидроцилиндра по формуле (XII. 9 [4])

Пфакт = руд·fизд·n/1000 = 350·375·3/1000 = 394 кН.

Предварительно (с последующей проверкой) принимаем Пном= 630 кН (из нормального ряда тониажей по ГОСТу 8200-87. Принимаем по формуле (XII. 4 [4]) полный ход плунжера

sпреc = 0,1·s = 0,1·380 = 38 мм; sхх = 0,9·s = 0,9·380 = 342 мм.

Принимаем по формуле (XII. 5) расстояние между столом и поднятой подвижной плитой.

7

Высоту отверстия в цилиндре hцил.внутр определяем по формуле (XII. 17)

hцил.внутр = s+hнапр+hупл+100 = 630 мм;

где hнanp = 0,7D = 98 ≈ 100мм; hупл = 50 мм.

Определяем номинальный тоннаж вспомогательных цилиндров. Возвратный цилиндр (или возвратная полость дифференциального главного цилиндра) по формуле (XII. 14)

Пвозвр = 0,2·Пном = 0,2·630 = 126 кН.

Гидроцилиндр выталкивателя по формуле (XII. 15)

Пвыь = 0,1·Пном = 0,1·630 = 63 кН.

Принимаем вариант дифференциального главного цилиндра (см. рис. 5.1); тогда при ранее найденном значении диаметра поршня главного цилиндра D=140мм диаметр штока или меньшей ступени поршня d определяется из

уравнения

d = [D2-4·104Пвозвр/(π·р)]1/2 = 126 ≈ 130 мм.

Принимаем к установке дифференциальный тип гидроцилиндра выталкивания, штоковая полость которого всегда находится под давлением р, и

возвратной полостью. Масса подвижных частей пресса 820 кг. По формуле (XII. 8) находим

Пфакт = ПК-Ттр1-Ттр2-Ттр3+Мд-Тпр.давл

где Ттр1 по формуле (XII. 10) - трение поршневых колец в цилиндре:

Ттр1=10-4·D2·fTp(p+50·100) = 10-4·142·0,12(420+50·100) = 12,7 кН.

Ттр2 по формуле (XII. 11) - трение манжетного уплотнения штока:

Ттр2 = k·Пном/d = 1·630/130 = 4,8 кН.

Ттр3 по формуле (XII. 12) - трение в совокупности направляющих деталей пресса:

Ттр3 = 0,05Пном = 0,05·630 = 31,5 кН;

Тпр.давл по формуле (XII. 13) - усилие, компенсирующее противодавление жидкости на сливе из возвратной полости:

Тпр.давл = 0,05Пвозвр = 0,05·63 = 3,15 кН;

Mg - вес подвижных частей;

Mg = 820*9,81/1000 =8,04 кН.

Таким образом,

Пфакт = 630-12,7-4,8-31,5+8,04-3,15 = 586, т. е. Пфакт = 586 > Пзад = 394.

Определяем параметры насосов гидропривода.

Принимаем для осуществления холостого хода замыкания пресса

8

давление энергетической жидкости ρ = 100 Н/см2; скорость поршня при холостом ходе uХX считаем равной 150 мм/сек (§1. А [4]).

Тогда расход жидкости низкого давления по формуле (XII. 18) составит

Vmin.н.д = 6·10-3uХX·πD2/4 = 6·10-3·150·0,785·132 = 14 л/мин.

Соответственно полученным значениям pн.д и Vн.д принимаем к установке шестеренный насос производительностью 25 л/мин, создающий давление 130 н/см2, с мощностью привода 16 кВт при 1450 об/мин.

Высокое давление используется в течение цикла трижды: при рабочем

ходе замыкания (принимаем uпрес = 3 мм/сек), при возвратном ходе (принимаем uвозер = 150 мм/сек) и для совершения прямого и обратного ходов выталкивателя. Для определения максимального расхода жидкости высокого

давления необходимо определить расходы только в первых двух упомянутых операциях (вследствие небольшого тоннажа цилиндра выталкивателя и небольшой скорости движения его поршня).

Тогда по формуле (XII. 19)

Vмин.в.д = 6·10-3·3·0,785·132 = 2,4 л/мин.

Vмин.в.д = 6·10-3·150·0,785·(142-132) = 1,9 л/мин.

Таким образом, Vв.д.max = 2,4 л/мин.

Соответственно полученным значениям рв.д и Vв.д принимаем к установке быстроходный плунжерный эксцентриковый насос производительностью 5 л/мин, с давлением 3200 Н/см2 и мощностью привода 3 кВт при 1450 об/мин.

9

ЗАДАЧА 5.

Определить длину трубчатого реактора для непрерывного получения полиэтилена высокого давления.

Исходные данные.

В I зону реактора поступает G1 тонн/сутки газа. Степень превращения этилена в полиэтилен f1%. Температура 260°С и давление 2200 атм. При этих условиях плотности (ρ) этилена, пропана и полиэтилена соответственно составляют 530, 848 и 930 кг/м3. Весовая доля пропана – γ1. Внутренний диаметр трубчатого полимеризатора составляет d1 и d2 (метров) соответственно в I и II зонах. Во вторую зону поступает G2 тонн/сутки газа, степень

превращения этилена в полиэтилен во II зоне f2%. Плотности компонентов

Решение

Принимаем коэффициент заполнения φ = 1.

В конце первой зоны находим выход полиэтилена

Gпэ1 = f1·G1 = 0,08·300 = 24 т/сутки.

Его объем

Vпэ1 = Gпэ1/ρ1 = 24000·/930 = 25,8 м3/сутки.

Вес пропана в сутки

Gп1 = γ1·G1 = 0,03·300 = 9 т/сутки.

Его объем

Vп1 = Gп1/ρ1 = 9000·/848 = 10,6 м3/сутки.

Вес этилена в сутки

Gэ1 = G1-Gпэ1-Gп1 = 300-24-9 = 267 т/сутки.

Его объем

Vэ1 = Gэ1/ρ1 = 267000·/530 = 503,8 м3/сутки.

Полный объем компонентов в сутки

V1 = Vпэ1+Vп1+Vэ1 = 25,8+10,6+503,8 = 540,2 м3/сутки.

Скорость прохождения этого объема через трубу

v1 = 4V1/(24·60·60·πd1) = 4·540,2/(24·60·60·π·0,02) = 0,398 м/с.

Время прохождения этого объема через трубу

t1 = V1/(v1·S1) = 4V1/(v1·πd12) = 4·540,2/(0,398·π·0,02) = 86400 с.

Длина 1 трубы

L1 = v1·t1 = 0,398·86400 = 34390 м.

В конце второй зоны находим выход полиэтилена

Gпэ2 = f2·G2 = 0,17·500 = 85 т/сутки.

Его объем

Vпэ2 = Gпэ2/ρ2 = 85000·/926 = 91,8 м3/сутки.

Вес пропана в сутки

Gп2 = γ2·G2 = 0,02·500 = 10 т/сутки.

Его объем

Vп2 = Gп2/ρ2 = 10000·/841 = 11,9 м3/сутки.

Вес этилена в сутки

10