Корпус аппарата

Базовым элементом аппарата, обеспечивающий его прочность, является корпус. Как правило, корпус представляет собой неразъемный сварной узел, который имеет фланец для соединения с крышкой. Основной объем корпуса выполнен как цилиндрическая обечайка, свариваемая из листа. Нижний меридиональный шов позволяет укрепить днище аппарата с корпусом (Рис. XIV. 2).

Рис. XIV. 2

Расчет корпуса аппарата выполняется на прочность и устойчивость. Расчет на прочность заключается в определении толщины стенки обечайки корпуса при воздействии на него внутреннего давления р. В теории оболочек рассматриваются оболочки толстостенные и тонкостенные. В металле толстостенной оболочки при действии внутреннего давления р работают напряжения меридиональные σ_т, касательные σ_τ и радиональные σ_r (Рис. XIV. 3).

Рис. XIV. 3

Расчет на прочность в этом случае представляет собой громоздкий математический аппарат с дифференциальными уравнениями второго порядка. Однако в случае тонкостенных оболочек, как показывает практика, действуют только меридиональные σ_т и касательные σ_τ напряжения (Рис. XIV. 4).

Рис. XIV. 4

Прочностью тонкостенных оболочек занимался Лаплас. Теория Лапласа показывает связь формы и габаритов оболочки с давлением. Радиальная толщина S_r обечайки аппарата, подверженная действию внутреннего давления р, рассчитывается по формуле:

,

где ρ_m – радиус кривизны меридионального сечения;

ρ_t – радиус кривизны поперечного сечения.

В нашем случае ρ_m стремится к бесконечности:

,

тогда:

.

Величина меридионального напряжения σ_т определяется методом сечения (Рис. XIV. 5).

Рис. XIV. 5

Суммарное усилие Р от давления р, которое стремится оторвать крышку аппарата от обечайки, определяется:

,

тогда:

.

Сопоставление σ_t и σ_m показывает, что:

,

т.е. наиболее опасным напряжением является напряжение в продольном сварном шве, и все обечайки под действием внутреннего давления разрушаются именно по продольному шву.

При заданном внутреннем диаметре D корпуса аппарата:

,

где D_н – наружный диаметр корпуса аппарата,

толщина S_r стенки обечайки аппарата:

,

где φ – коэффициент сварного шва, показывающий, на сколько прочность сварного шва меньше прочности основного материала.

Коэффициент сварного шва φ зависит от конфигурации шва, а также режима сварки и, как правило, принимает значения:

.

Остальные элементы корпуса аппарата рассчитываются исходя из подобных соображений. Толщина S_Er эллиптического днища корпуса:

. (XIV. 1)

Множитель 0,5 в произведении с величиной давления р показывает, что эллиптическое днище является наиболее рациональной формой с точки зрения металлоемкости.

Исполнительная толщина S_исп стенки обечайки учитывает прибавку С ₁ для компенсации коррозии и эрозии, прибавку С ₂, обеспечивающую компенсацию минусового допуска в условиях проката и технологическую прибавку С ₃:

.

Расчетная толщина S_r не зависит от длины (высоты) обечайки, если в качестве давления, действующего на нее, рассматривать только внутреннее давление. Наружное давление р_н не разрушает корпус аппарата, но способно привести к потери устойчивости обечайки (Рис. XIV. 6).

Рис. XIV. 6

Вид деформации в этом случае зависит от габаритов обечайки корпуса. Расчет корпуса на устойчивость проводится с использованием полуэмпирической формулы:

,

где l_р – расчетная длина обечайки корпуса аппарата,

Е – модуль упругости материала обечайки.

Днища и крышки аппаратов часто представляют собой штамповочные изделия. Эллиптические днища применяются в аппаратах, обрабатывающих невязкие жидкости и материалы, в случае вязкой среды используются конические днища. Конфигурация днища определяется выпуском (сливом) продукта (из эллиптического днища трудно слить вязкую смесь).