Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология машиностроения. Моделирование и специализированные пакеты программ. Учебное пособие для СПО
.pdf
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
Точное определение области экстремума, тo есть значений
изменяемых параметров, при которых достигается максимальное качество очистки, определяется дифференцированием
полученного уравнения и проверкой критерия Сильвестра:
Для Y
из равенств дY1/дX1 = дY1/дX2 = 0 имеем:
1
('/h) = 0,7455 и (K) = 0,0868.
Для Y
из равенств дY2/дX1 = дY2/дX2 = 0 имеем:
2
('/h) = 0,7262 и (K) =.0,0947.
При использовании полоc h= 10 мм экстремум по качеству
очистки должен, таким образом, достигаться при '= 7,4 – 7,3 мм
и содержании абразива K = 8,5–9,5 %.
Характер монотонности, судя по знакам при квадратичных
членах, для обеих функций отклика аналогичен.
Проведенные эксперименты подтвердили целесообразность абразивно-импульсного воздействия на обрабатываемые
пищевые продукты и позволили предложить ряд конструкций
аппаратов для его реализации.
Расчет и конструирование опор и расчет
трубчатых теплообменных аппаратов
Опоры служат для установки аппаратов на фундаменты
и несущие конструкции. Только простые резервуары не имеют
опор и устанавливаются непосредственно на фундамент. Размеры и форма опор зависят в основном от величины и характера
нагрузок, от материала, из которого сделан аппарат, массы аппарата, а также от расположения аппарата в пространстве. Если
аппарат подвержен сотрясениям и динамическим усилиям, то
его опоры делаются массивными.
Опоры вертикальных аппаратов обычно свариваются из
кусков листовой стали (рис. 3.7). Такая конструкция наиболее
распространена. Для того, чтобы распределить реактивное усилие на большую площадь стенки сосуда и избегнуть ее смятия,
между опорой и стенкой больших или тонкостенных аппаратов
помещают (приваривают) металлическую прокладку.
-91-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
Количество опор на вертикальных аппаратах берут от двух
до четырех, количество ребер, ввариваемых в каждую опору,
зависит от нагрузки, приходящейся на опору.
Поверхность опор, опирающихся на кирпичные или бетонные фундаменты, должна быть достаточной для того, чтобы
в фундаменте не возникли напряжения выше допускаемых
(2 МПа — для бетонов, и 0,7–0,8 МПа — для кирпичных кладок),
т.е. должно соблюдаться условие:
F t G
где G
— максимальный вес аппарата во время испытания,
max
когда вся его кубатура заполнена водой, Н; [V
/[Vф], (3.1)
max
] — допустимое
ф
напряжение для фундамента, Па.
Отношение катетов ребра опоры примерно должно быть 1:2
(рис. 3.7).
Рис. 3.7. Опора вертикального аппарата:
1 — основание; 2 — ребро
При числе опор п нагрузка, приходящаяся на одну опору,
равна:
G = G
/n. (3.2)
max
Толщина ребра опоры определяется по зависимости:
V = 2,24G/(km[V
-92-
]A), (3.3)
сж
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
где k — коэффициент, зависящий от гибкости ребра по его гипотенузе; m — число ребер в каждой опоре; [V
] — допускаемое
сж
напряжение при сжатии, Па; А — вылет опоры, м.
N
O
Рис. 3.8. График зависимости коэффициента гибкости
от гибкости ребра опоры
Величиной коэффициента k приходится задаваться в пределах 0,2–1. Радиус инерции ребра r = 0,2896.
Гибкость ребра по его гипотенузе находится по выражению:
O = l/r = l/(0,289V), (3.4)
где V — толщина ребра, м.
По значению l, пользуясь графиком, построенным на основании расчетов разных вариантов в Excel (рис. 3.8), определяют
коэффициент k, который должен быть равен принятому или
превышать его. В случае необходимости после изменения принятых величин расчет произвести еще раз.
Фланговые швы опор проверяются на срез по условию:
G/(0,7hL) d [V
], (3.5)
ш
где h — размер катета сварного шва, м; L — общая длина швов,
м; [V
] — допускаемое напряжение материала шва (80 МПа).
Ш
В таблице 3.4 приведены размеры унифицированных опор
для вертикальных аппаратов.
Пример расчета и конструирования опор аппарата.
Наибольшая масса вертикального аппарата (при гидравлическом испытании) составляет 2 400 кг. Аппарат выполнен из
-93-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
углеродистой стали 30. Рабочая температура в аппарате не превышает 200 °С. Рассчитать и сконструировать опоры аппарата
при условии установки его на кирпичный фундамент.
Предположим G
= 0,7·106 Па.
ф
Поверхность опор равна по условию (3.1) равна:
F t 2 400 – 9,81/(0,7·10
ǸȜțȟȠȞȡȘȠȜȞȟȘȖȓȒȎțțȩȓȟȐȎȞțȩȣȡțȖȢȖȤȖȞȜȐȎțțȩȣȜȝȜȞ
6
) = 0,0336 м2.
ȀȎȏșȖȤȎ
ǺȎȟȟȎ
ȎȝȝȎȞȎȠȎ
Șȑ
ǼȝȜȞțȎȭ
ȝșȜȧȎȒȪ
FȚ
DzȜȝȡȟȘȎȓȚȜȓ
țȎȝȞȭȔȓțȖȓ
ǺǽǮ
ȟȎEKǔ G
ǾȎȕȚȓȞȩȚȚ
ǺȎȟȟȎ
Șȑ
По условиям эксплуатации необходимым количеством
опор является n = 3. Тогда нагрузка на одну опору будет
равна G = 2 400·9,81/3 = 7 850 Н.
Предполагается опоры изготовлять из стали Ст3, для которой при заданных условиях работы аппарата допускаемое
напряжение на сжатие можно принять равным допускаемому
напряжению на растяжение, т.е. 100 МПа.
Пусть каждая опора будет изготовлена с одним ребром
(m = 1). Опорная площадь одной опоры равна 112 см
2
. Принимая
отношение вылета опоры к ее ширине а:с = 0,8 (табл. 3.4), получим а = 100 мм; с = 120 мм. Вылет опоры А = 110 мм.
Примем коэффициент k = 0,3. Тогда толщина ребра равна:
V = 2,24·7850/(0,3·1·100·10
Гибкость ребра будет: O = 0,25/(0,289·5,3·10
По графику (рис. 3.8) коэффициент k
6
·0,11) = 0,0053 м = 5,3 мм.
-3
) = 163.
будет меньше приня-
r
того. Следовательно, делаем расчет заново.
-94-
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
Принимаем коэффициент k = 0,28. Тогда толщина ребра:
6
V = 2,24·7850/(0,28·1·100·10
а гибкость ребра: O = 0,25/(0,289·5,7·10
По графику (рис. 3.8) коэффициент k
·0,11) = 0,0057 м = 5,7 мм,
-3
) = 152.
получается больше
r
принятого коэффициента k. Расчет окончен.
Принимаем толщину ребра V = 6 мм. Конструируем и вы-
черчиваем опору.
Проверяем фланговые швы на срез:
6
7 850/(0,7·0,004·2·0,22) = 6,4·10
Па < 80·106 Па.
Условие выполнено.
Для самостоятельной работы обучаемым из таблицы 3.4
задается масса аппарата и марка стали, по которым он самостоятельно выполняет приведенный выше расчет.
Расчет трубчатых теплообменных аппаратов
Из теплового расчета конструктору известны следующие
параметры будущего аппарата: площадь поверхности теплообмена, пропускная способность (производительность), скорость
движения продукта, размеры труб, все теплофизические константы участвующих в теплообмене элементов, коэффициенты
и другие параметры, характеризующие данный тепловой процесс.
Длина пучка труб для осуществления теплообменного процесса может быть представлена зависимостью:
2
L’=(0,25F/V) (d
где F — площадь поверхности теплообмена, м
3
способность пучка труб, м
/с; dв и dp — внутренний и расчетный
/dU) v, (3.6)
в
2
; V — пропускная
диаметры трубы, м; v — скорость движения продукта в трубах
пучка, м/с.
Число ходов в аппарате определяют как отношение:
j = L’/L, (3.7)
где L — выбранная длина аппарата, м.
-95-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
За расчетный диаметр принимают внутренний или наружный диаметр трубы в зависимости от того, по какой стороне трубы коэффициент теплоотдачи меньше. При примерно равных
условиях за расчетный принимают средний диаметр трубы.
Трубы в трубной решетке размещают тремя способами: по
сторонам правильных шестиугольников (по вершинам равносторонних треугольников рис. 3.9), по сторонам квадратов и по
концентрическим окружностям.
Для получения компактного теплообменника с наименьшим
размером в поперечном сечении расстояние между осями труб
(шаг расположения труб) принимают минимальным. Значение
минимального шага расположения труб зависит от способа
крепления их в трубной решетке, самым распространенным из
которых является способ развальцовки. Пайка и заливка
концов
труб мягким припоем применяется для медных труб.
Рис. 3.9. Схема расположения труб и обтекания их конденсатом
В случае применения вальцованных соединений с наружным диаметром труб более 19 мм минимальный шаг расположения труб принимают по условию:
l
= (1,25 – 1,35) dн. (3.8)
min
-96-
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
Причем ширина простенка должна быть, в свою очередь,
связана условием:
l
где n
— наружный диаметр трубы.
д
= (l – dн) t 6 мм, (3.9)
3
Большее значение шага выбирают для труб меньшего диаметра.
Внутренний диаметр корпуса аппарата при расположении
труб по сторонам правильных шестиугольников определяют по
выражению:
D
где n
— число труб, расположенных по диагоналям наибольше-
д
= l(nд – 1)+dн + 2(l – dн), (3.10)
в
го шестиугольника.
Зная количество труб, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника — п
, определяем количество труб, распо-
с
ложенных на его диагонали, а именно:
n
= 2nс – 1. (3.11)
д
Общее количество труб в аппарате будет равно:
n
= 0,75(n
0
2
– 1) + 1 = 3nc (nс – 1) + 1. (3.12)
д
Диаметр аппарата округляется до ближайшего из унифицированных диаметров.
Когда общее количество труб в аппарате превышает число
127, появляется возможность размещения дополнительного
числа труб на шести сегментных площадках. Это количество
труб составляет 10–18 % от числа труб, размещенных в пределах наибольшего шестиугольника.
В многоходовых аппаратах необходимо предусмотреть
распределение труб по ходам и устройство его соответствующих перегородок в камерах. При этом общее количество труб
в пределах данного диаметра трубной решетки уменьшится, так
как часть плиты окажется занятой перегородками.
-97-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
Чаще всего применяются хордовые (параллельные) и радиальные перегородки. В случае наличия перегородок внутренний
диаметр аппарата определяется зависимостью:
VLQ MM QO'
(3.13)
ɜ
где M — коэффициент заполнения трубной решетки (для одноходовых аппаратов M = 0,8y0,9, для многоходовых — от 0,6 до
0,8); M
— угол, образуемый центральными линиями трубных
0
рядов, угловой градус.
При размещении труб по концентрическим окружностям
коэффициент заполнения трубной решетки необходимо уменьшить на 5–10 %, а при размещении по сторонам квадратов —
на 15 %.
При конструировании многоходовых аппаратов необходимо
вычертить трубную решетку в масштабе (по ГОСТу), нанести
расположение перегородок в каждой камере, уточнить расположение труб и конструктивно определить окончательные размеры аппарата. На чертеже необходимо указать общее количество
труб, диаметр трубы, длину аппарата и другие размеры.
Толщина трубной решетки может быть определена так же,
как и толщина плоского днища, но с учетом ослабления ее отверстиями по формуле:
K
ɜ
>@
ɢ
GQ'S.
ɜ
(3.14)
V
FV
где К — коэффициент закрепления (К # 0,162); р — перепад
давлений со стороны трубной решетки, Па; [V
] — допускаемое
и
напряжение при изгибе, Па; F — коэффициент ослабления
трубной решетки отверстиями, который определяется по выражению:
F = (l – d
)/l. (3.15)
н
Толщина трубы стальной решетки, исходя из надежной
развальцовки труб, должна быть больше, чем найденная по
следующему выражению:
h
= 0,005 + 0,125dн. (3.16)
min
-98-
ǔǽǻǺǷȈdzǺǮǬǹǴDZǻǬǶDZǾǺǮǻǼǴǶǷǬǰǹȇȁǻǼǺǯǼǬǸǸ([FHOǴ0DWK&$'ǻǼǴǼǬǽȃDZǾǬȁ
Кроме того, рекомендуется проверить ромбический участок
трубной решетки на изгиб (рис. 3.9) по уравнению:
V
= p / [3,6 (1 – 0,7dн/l’) (h/l’)2] d [Vи], (3.17)
и
где l’ — среднее арифметическое сторон FE и FB, равное:
l’ = 0,5 (FE + FB) = 0,5 (l + 0,5 l + l cos30
0
) = 1,183 l.
Проверяют также прочность крепления труб в трубной решетке в зависимости от способа их закрепления по уравнениям:
при развальцовке труб:
S = S
/(Sdнn0), (3.18)
т
при пайке или приварке труб:
V
= Sт/(Sdнhпn0) d [V
ср.
], (3.19)
ср.
где S — усилие, приходящееся на единицу длины периметра
развальцовки, Н/м (должно быть меньше 40–70 кН/м в зависимости от количества пазов для развальцовки); S
ное усилие в трубах, Н; V
и [Vср] — расчетное и допускаемое
ср
напряжения среза в сварном или паяном шве, Па; h
— суммар-
т
— глубина
п
пропайки или проварки, м.
Во время работы в трубах и корпусе аппарата возникают
усилия и напряжения, обусловленные разностями давлений
и температур в различных его зонах.
Величину осевой силы, стремящуюся оторвать одну часть
аппарата от другой вследствие разности давлений внутри и вне
аппарата, определяют по выражению:
p
P
+ S
т
P
= 0,785 (D
к
P
т
= S
P
и S
— величины осевых сил в трубах и корпусе аппа-
к
Q
где S
рата, возникающих от разности давлений, Н; р
рабочего тела в межтрубном пространстве, Па; р
2
– n0d
в
2
) рм + 0,785n0d
н
2
рт, (3.20)
в
— давление
м
— давление
т
продукта в трубном пространстве, Па.
Осевые силы в трубах и корпусе, возникающие от разности
давлений в трубном и межтрубном пространствах, определяют
по выражениям:
-99-
ǏǗnjǎnjǛǜǚǏǜnjǘǘǙǚǑǚǍǑǝǛǑǣǑǙǔǑǘǚǐǑǗǔǜǚǎnjǙǔǫǜnjǝǣǑǞnj
S
S
где f
и fк — площади поперечных сечений всех труб (колец)
т
и корпуса (кольца), м
P
= Qp fт Eт / (fтEт + fкEк); (3.21)
т
P
= Qp fк E к / (f кEк + fтEт). (3.22)
к
2
; Eт и Ек — модули упругости первого рода
для материалов труб и корпуса при рабочей температуре, Па.
Осевые силы в трубах и корпусе аппарата, возникающие
вследствие действия температур (трубы оказываются под воздействием более высоких температур, чем корпус) одинаковы
по величине, но различны по направлению. Для корпуса — сила
положительна, а для труб — она отрицательна (трубы оказываются сжатыми). Эти силы определяют по выражению:
т
S’ = –S
/ [(1 + D
где S’ — осевая сила в трубах и корпусе, Н; D
= S
т
т
= [(Dт'tт – Dк'tк) fтEтfкEк] /
к
)(fтEт + fкEк)],
к'tк
и Dк — терми-
T
(3.23)
ческие коэффициенты линейного расширения материалов труб
и корпуса, 1/°С; 't
и 'tк — разности температур между рабочи-
т
ми (средними) температурами труб или корпуса и температурой
окружающей среды в момент сборки или монтажа аппарата, °С.
Напряжения в трубах и корпусе можно определить (с учетом знаков усилий) по выражениям:
V
= (S
т
P
+ St)/fт;
т
Vк
= (S
P
+ St)/fк. (3.24)
к
Они не должны превышать допускаемых напряжений для
соответствующих материалов.
При окончательной компановке горизонтального трубчатого аппарата необходимо учитывать условия стекания с труб
конденсата. Аппарат надо располагать так, чтобы углы, составленные одной диагональю шестиугольника с вертикалью, а другой — с горизонталью (рис. 3.9), определялись по равенствам:
M = arсsin ac/bc = arcsin d/2l; M' = 30 – M. (3.25)
Пример расчета трубчатого теплообменного аппарата.
Сконструировать и рассчитать трубчатый теплообменник
жесткой конструкции, если известно, что необходимая тепло-
-100-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]