Аппарат с перемешивающим устройством

Аппарат с перемешивающим устройством

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет

Инженерно-технический институт

Кафедра ХТиО

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проект по дисциплине

«Конструирование и расчет оборудования отрасли»

на тему

«Аппарат с перемешивающим устройством»

Череповец 2008-2009 уч. год

Техническое задание

Цель курсового проекта - развитие навыков практического применения знаний, полученных в ходе изучения цикла общеинженерных дисциплин.

При выполнении курсового проекта решаются следующие основные задачи:

o освоение основ методики проектирования;

o   выбор материалов и конструирование оформление аппарата в соответствии с заданными технологическими параметрами процесса;

o   грамотное использование общероссийских и отраслевых нормативных материалов (ГОСТы, ОСТы, правила Госгортехнадзора и т.п.), касающихся устройства, выбора рабочих параметров и правил эксплуатации оборудования предприятий химической промышленности;

o   выполнение проектных и проверочных расчётов аппарата с перемешивающим устройством.

Исходные данные

Тип аппарата ВЭЭ - вертикальный аппарат с приварным эллиптическим днищем, съемной эллиптической крышкой, гладкой приварной рубашкой и механической мешалкой.

V=2 м3 , объем корпуса аппарата

D=1,2 м , диаметр корпуса аппарата

Рр=0,3 МПа, давление в рубашке

Тр=1400С , температура стенки рубашки

Р=0,1 МПа , давление в корпусе аппарата

Т=1300С, температура стенки корпуса аппарата

Dм=0,36 м , диаметр мешалки

N=3 кВт, мощность привода мешалки

n=130 об/мин, скорость вращения мешалки

Материал корпуса - коррозионностойкая сталь. Материал рубашки- углеродистая сталь

Введение

Аппараты с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В аппаратах этого типа проводятся многие гидромеханические и массообменные процессы в одно - и многофазных средах (растворах, эмульсиях, суспензиях). В качестве рабочей среды используются вещества с различными свойствами, в том числе агрессивные, взрывопожароопасные и токсичные. Процессы обычно проводятся при повышенных температурах, при избыточном давлении или вакууме. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло - и масса - обмена и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течении заданного срока службы. Химически аппараты подлежат периодическим проверкам и планово - предупредительным ремонтам.

Под корпусом аппарата понимают герметически закрытый сосуд, находящийся под давлением, в котором осуществляется перемешивание. Корпусы вертикальных аппаратов выполняются по ГОСТ 9931-85 и могут быть двух типов: ВЭЭ (вертикальный, эллиптическое днище, эллиптическая крышка). ВКЭ (вертикальный, коническое днище, эллиптическая крышка). Цилиндрическая оболочка корпуса называется обечайкой. Корпусы изготавливают двух исполнений: цельносварные или с отъёмной крышкой. В последнем случае для крепления крышки используется фланцевое соединение, которое обеспечивает герметичность разъёмного соединения крышки с корпусом. Отъёмная крышка позволяет проводить монтажные и ремонтные работы внутри корпуса. В приводимых примерах днища корпусов приварные. Переход от цилиндрической части к коническому или эллиптическому днищу должен быть плавным, что обеспечивается при помощи специального элемента (участка оболочки) - отбортовки.

Отбортовка, состоящая из цилиндрического участка и торового сегмента, у конуса, уменьшает дополнительные напряжения, возникающие в зоне сопряжения оболочек с различными радиусами кривизны, и позволяет вынести сварной шов из этой зоны.

Для подачи или отвода тепла, а, следовательно, и для поддержания заданной температуры рабочей среды корпус аппарата оснащается теплообменными устройствами - наружными в виде теплообменной рубашки или внутренними в виде змеевика. Для загрузки исходных компонентов, отвода готовых продуктов, подвода теплоносителя, ввода датчиков контрольно - измерительных приборов используется штуцеры, расположенные на крышке, на обечайке и на днище. Люк используется для осмотра и проникновения человека внутрь корпуса с целью проведения ремонтных работ. В аппаратах с приварной крышкой люк - лаз диаметром не менее 400 мм предназначен для монтажа мешалки и ремонтных работ. В корпусе аппарата, могут устанавливаться различные внутренние устройства, например, четыре отражательных перегородки, которые предотвращают образование центральной воронки в перемешиваемой среде и интенсифицируют процесс перемешивания; труба передавливания используется для вывода продуктов через крышку аппарата за счет избыточного давления в корпусе. Аппараты устанавливаются на фундамент при помощи опор - лап или при помощи опор стоек. Применение того или иного вида опор диктуется высотой цеха (стандартная высота помещения 6 м), или же особенностями размещения технологической аппаратуры на нескольких уровнях цеха.

Механические перемешивающие устройства (МПУ) всех аппаратов представляют собой конструкции, состоящие из привода, вала и мешалки. Привод перемешивающего устройства аппаратов состоит из электродвигателя, механической передачи в виде редуктора (зубчатой передачи) или ременной передачи и стойки привода. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Редуктор или ременная передача передают вращательное движение от вала электродвигателя с понижением скорости вращения и увеличением крутящего момента на выходном валу привода. Стопка привода, объединяя их в единый агрегат, служит для крепления элементов МПУ. Выходной вал редуктора или мотор редуктора при помощи муфты продольно - разъемной или фланцевой соединяется с валом. На конце вала установлена мешалка: трехлопастная, лопастная, рамная, турбинная открытая. Мешалка при вращении передает механическую энергию в перемешиваемую среду. Валы мешалок устанавливаются в стойках привода при помощи подшипников качения. В некоторых случаях для повышения виброустойчивости вала применяется концевой подшипник, на который опирается нижний конец вала. Герметичность вращающегося вала обеспечивается уплотнением (сальниковым или торцовым), которое крепится к крышке аппарата. Тип уплотнения зависит от величины давления в аппарате и от свойств рабочей среды.

При проектировании технологического оборудования необходимо учитывать следующие общие требования: экономичность и надежность. Экономичность определяется общими затратами средств на проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатацию и утилизацию оборудования после истечения его срока службы. Надежность - это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного срока службы (10-15 лет).

Проектирование - это разработка общей конструкции изделия.

Конструирование - это определение формы и размеров всех элементов общей конструкции изделия.

Проект - комплекс текстовых и графических документов, полученных в результате проектирования и конструирования, и предназначенных для изготовления, контроля и эксплуатации изделия.

При проектировании необходимо соблюдать правила проведения проектных работ и оформления конструкторской документации.

1. Выбор конструкционных материалов

Экономичность изготовления и надежность в работе аппарата с мешалкой в значительной мере зависят от правильного выбора материалов. По марке материала подбирают допускаемые напряжения .

Основным конструкционным материалом корпусов аппаратов, работающих под давлением в коррозионной среде и при высокой температуре являются стали, отличающиеся высокой прочностью, коррозионной стойкостью и термостойкость.

При выборе марки стали следует учитывать, прежде всего, ее коррозионную стойкость в рабочей среде.

Основные требования, предъявляемые к материалам: материал должен быть коррозионностойким (т.е. скорость коррозии не должна превышать 0.1 мм/год).

Для экономии дефицитных и дорогостоящих легированных сталей допустимо использование двухслойных сталей (углеродистая сталь с защитным слоем из легированной стали). Возможно также применение углеродистых сталей марок Ст. 3, 20 и т.п. с защитным покрытием из цветных металлов, пластмасс, эмали (если они обладают достаточной тепловой и коррозионной стойкостью в контакте с заданной рабочей средой аппарата).

Пластмассы и цветные металлы используются для изготовления уплотнительных элементов, вкладышей подшипников скольжения.

Поскольку одна часть элементов аппарата взаимодействует с рабочей средой (которая может быть агрессивной), а другая часть не взаимодействует марки стали для этих групп элементов подбираются разными. Во избежание электрохимической коррозии в сварных швах, следует избегать соединения элементов из разнородных материалов.

Например, свариваемые друг с другом корпус и рубашка, включая опоры, изготавливают из материала одной марки. Если таким материалом оказывается легированная сталь, то существенно возрастает стоимость аппарата. Коррозия не возникает в сварных швах, соединяющих оболочку корпуса из двухслойной стали (например, внутренний защитный слой из легированной стали марок 12Х18Н110Т, или 10Х17Н13М2Т, или 06ХН28МДТ, а наружный из углеродистой стали марок Ст3сп или 20К) с рубашкой из углеродистой стали. В этом случае сварка идет по углеродистой стали.

Рабочая температура для корпуса составляет 150оС, для рубашки 170 оС.

Марки выбранных материалов, а также значения допускаемых напряжений  заносятся в таблицу:

Материалы и допускаемые напряжения элементов аппарата

Таблица 1.1

2. Расчет геометрических размеров аппарата

Расчет основных размеров корпуса аппарата проводится по данным инициального объема V и внутреннего диаметра аппарата Д, (рис.2.1).

Рис. 2.1 Основные геометрические размеры химического аппарата.

Эллиптические крышки и днища получили наибольшее распространение благодаря рациональной форме при изготовлении сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Стандартное эллиптическое днище имеет форму эллипсоида вращения, у которого Нэ = 0.25D и снабжено цилиндрической отбортовкой (высотой hom6) с целью удалить сварной шов от закругленной части и не нагружать его изгибающими напряжениями .

Длина аппарата цилиндрической части:

где V - номинальный корпуса аппарата,

Vдн - объем днища,

D - диаметр корпуса аппарата.

Длина рубашки:

Высота днища:

Расчетная длина:

Диаметр рубашки D2 рассчитывают по нижеприведенным формулам:

D1+100 < D2 < 1,2D1

+100 < D2 < 1,2∙1200

Примем диаметр рубашки равным 1300 мм.

  условие выполняется.

мешалка муфта подшипник корпус

3. Определение расчетных параметров химического аппарата

Рабочее, расчетное, пробное и условное давление относятся к параметрам, которые подлежат предварительному определению. Данные параметры устанавливаются в соответствии с правилами Госгортехнадзора и ГОСТ 14249-89.

Для расчета обечаек, крышек корпуса аппарата на прочность и устойчивость под действием внутреннего и наружного давления, с учетом термостойкости и коррозионной стойкости материала должны быть определены следующие параметры.

Рабочее давление - максимальное внутреннее избыточное P давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время срабатывания предохранительного клапана или других предохранительных устройств.

Расчетное внутреннее давление Pi - давление, на которое производится расчет на прочность. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему или выше него.

Расчет параметров химического аппарата для корпуса:

где  - расчетное внутреннее давление для корпуса аппарата, МПа;

 - максимальное избыточное давление, учитывающее гидростатическое давление в аппарате, Па;

 - плотность рабочей среды, кг/м3;

g = 9,8 - ускорение свободного падения, м/с2;

 - длина рубашки, м.

- высота днища корпуса.

 условие выполняется.

- давление создаваемое при гидравлических испытаниях корпуса аппарата.

Расчет параметров химического аппарата для рубашки аппарата:

 условие выполняется.

- давление создаваемое при гидравлических испытаниях рубашки.

4. Расчет корпуса аппарата

Корпус аппарата изготавливается из листов проката, поставляемых металлургической промышленностью.

Стандартные значения толщин листов равны: 1,2,3,4,5,6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,30,32,34,36,38,40,45 мм и т.д. до 70 через 5 мм, а затем через 10мм.

Стенки корпуса аппарата воспринимают внутреннее и наружное давление.

При воздействии избыточного внутреннего давления определяющим для толщины стенки является условие прочности.

При воздействии наружного давления тонкостенные оболочки могут изменить первоначальную форму раньше, чем напряжения сжатия достигнут разрушительной величины, т.е. произойдет потеря устойчивости формы оболочки.

.1 Расчет обечайки корпуса

Расчет цилиндрических обечаек проводится при воздействии внутреннего и внешнего давлений, а толщина стенки принимается максимальной из вычисленных значений.

Считаем толщину стенки Sр, нагруженную внутренним избыточным давлением, по формуле:

где  - внутренне давление, МПа;

D - диаметр корпуса аппарата, м;

- допускаемое напряжение, МПа;

 - коэффициент прочности сварного шва

Толщина стенки обечайки, нагруженная наружным давлением:

где  - определяется по номограмме (рис.4.1)

Рис. 4.1 Монограмма для определения коэффициента К2.

Выбираем по номограмме =0,5.

≥max[S;S*;S**]+с;

где с - надбавка на коррозию, мм;

≥max[0,466;1,39;6]+2;

=6+2=8 мм.

Определим осевую сжимающую силу:

<1 - проверочный расчет.

Допускаемое давление на обечайку:

;

Допускаемое давление из условия прочности:

;

Допускаемое давление из условия устойчивости:

;

=min[1; ];

=1.

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

;

.

;

.

<1 - условие выполняется.

.2 Расчет днища

Формулы применимы при выполнении условия:

Где - толщина корпуса ,мм;

C- постоянная величина ,мм;

D-диаметр корпуса аппарата, мм;

-условие выполняется.

Определяем радиус кривизны в вершине днища по формуле:

 ;

;

,

где R-радиус кривизны,

D-диаметр корпуса аппарата, мм;

H-высота днища.

Рассчитываем толщину стенки, нагруженную внутре-избыточным давлением:

Где -внутреннее давление, МПа;

коэффициент прочности сварных швов;

допускаемое напряжение, МПа;

P1-давление в корпусе аппарата, МПа;

 допускаемое напряжение при рабочей температуре, МПа;

Где -коэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища. Для эллиптических днищ принимается предварительно 0,9.

-коэффициент запаса устойчивости;

-модуль Юнга.

S3≥max[S;S*;S**]+c;≥max[0,47;1,26;4,3]+2;

Примем S3=8 мм.

Допускаемое наружное давление:

Где -допускаемое наружное давление из условия прочности;

-допускаемое наружное давление из условия устойчивости.

Допускаемое давление из условия прочности:

Теперь определяем давление из условия устойчивости:

Коэффициент X определяется по формуле:

.3 Расчет крышки

Определим толщину стенки крышки корпуса:

;

;

S≥+c;

S≥0,46+2=2,46 мм. Принимаем S=6 мм.

4.4 Расчёт фланца

Герметичность фланцевого соединения обеспечивается правильным подбором материала прокладки и учетом действующих усилий. Элементы фланцевого соединения (болты и прокладки) проверяются на прочность.

Фланцевые соединения отъемной крышки корпуса, люка и других штуцеров комплектуются прокладками, материал которых выбирается в зависимости от коррозионной стойкости и термостойкости, причем, следует отдавать предпочтение материалам с низкой величиной коэффициента Кп.

Прокладка выполняется из фторопласта.

Ширина прокладок b принимается в зависимости от типа и размеров фланцев.

Толщина прокладок из резины, фторопласта, паронита sп =2 мм.

Ширина прокладок b=15,5 мм для аппарата диаметром 1200 мм.

Материал фланцев с учетом коррозионной стойкости принимается таким же, как и материал корпуса аппарата соприкасающийся с рабочей средой. Материал болтов (шпилек) выбирается по ГОСТ 28759.5-90 в зависимости от материала элементов корпуса аппарата. Выбираем материал болта 20К.

Тип фланца - плоский приварной (рис. 4.2). Конструктивная форма уплотнительной поверхности - шип-паз (выступ-впадина).

Рис.4.2 Расчётная схема фланцевого соединения

Согласно ГОСТ 26-426-79 по диаметру аппарата D выбираем основные размеры фланцевого соединения:

ширина шипа

диаметр фланца

диаметр паза

диаметр оси болта

высота фланца

ширина паза

диаметр шипа

болт М20 ; количество болтов 32.

Длина болта расчитывается по формуле:

где h - высота фланца, мм;

dБ - диаметр болта , мм;

Проверочный расчёт болтов на прочность.

Равнодействующая внутреннего давления Fд :

где - давление в аппарате, МПа ;

 - средний диаметр прокладки 1232 мм ;

Усилие, возникающее от разности температур фланца и болта в период эксплуатации, Qt :

где - коэффициент, определяемый по диаграмме на рис.4.3 , = 0,025

n - число болтов, 32;

- площадь поперечного сечения болта, мм2:

 - температура фланца, 130 0С;

Еб - модуль упругости материала болта при рабочей температуре, 1,8810-11 МПа;

 - коэффициенты линейного расширения материалов фланцев и болта соответственно, 17  и 12,4  ;

Коэффициент 0,95 в этой формуле отражает имеющуюся всегда разность температур фланца и болтов согласно статистическим данным.

Рис.4.3 Зависимость коэффициента  от диаметра аппарата D

- фланцы с шейкой, .

- плоские фланцы , .

- плоские фланцы , .

Ввиду того, что температуры фланца и болта одинаковы расчёт усилия, возникающего от разности температур фланца и болта в период эксплуатации (Q1) можно было не проводить и тем не менее мы его учтём.

Расчётная сила осевого сжатия фланцев, требуемая для обеспечения герметичности соединения:

где - реакция прокладки, МПа ;

 - средний диаметр прокладки 1232 мм ;

- эффективная ширина прокладки (), 15 мм ;

 - коэффициент зависящий от материала прокладки, для фторопласта 2,75 ;

Расчётное осевое усилие для болтов Рб принимается наибольшим из следующих трёх значений :

где  - усилие, действующее на болты при предварительном обжатии прокладки:

 - удельная нагрузка на прокладку, для фторопласта q=10 МПа;

 - усилие затяжки болтов при монтаже:

 - отношение допускаемых напряжений для материала болтов при монтаже и при расчётной температуре:

 - коэффициент жёсткости фланцевого соединения, для всех прокладок кроме резины =1,3;

 кН

 - предельное усилие в болтовом соединении в процессе эксплуатации

 кН

Выбираем наибольший из трёх РБ=580,3 кН.

Проверка болтов на прочность:

 - допускаемое напряжение для материала болтов при рабочей температуре, 140 МПа;

Фланцевое соединение крышки аппарата с корпусом прошло по условию прочности болтового соединения.

5. Расчет рубашки

.1 Расчет обечайки

Расчет цилиндрической части рубашки.

Внутреннее давление:

;

С учетом прибавки на коррозию:

;

.

.2 Расчет днища рубашки

Предварительный расчёт эллиптического днища:

где S4 - расчётная толщина стенки эллиптического днища из условия прочности, м;

Sд - толщина стенки эллиптического днища;

P2 - расчётное внутреннее давление, Па;

D2 - внутренний диаметр обечайки, м;

R2= D2

[σ2] - допускаемое напряжение, Па;

φ1 =1- коэффициент прочности сварного шва;

c=2мм - прибавка на коррозию.

Принимаем Sд=5 мм.

Полученные значения расчётных толщин стенок подлежат сравнению с толщинами, рассчитанными из условия устойчивости и дальнейшему уточнению с учётом коррозии, и округлению до стандартной толщины листов.

.3 Расчет соединения с корпусом

Сопряжение рубашки с корпусом сосуда при помощи кольца.

Отношение толщин и диаметров должны удовлетворять условиям:

 ;

Рис.5.1 Схема соединения рубашки с корпусом

Ширина приварного кольца:

Вспомогательные параметры определяются по формулам:

Коэффициент осевого усилия:

Принимаем d1=450мм, тогда:

Параметры кольца:

Относительный момент нагружения:

Относительный реактивный момент в стенке сосуда:

- допускаемое напряжение корпуса;

S1- толщина стенки корпуса;

С- прибавка на коррозию;

- допускаемое напряжение рубашки;

- допускаемое напряжение материала кольца;

P2- давление в рубашке;

D1 - диаметр корпуса аппарата;

- коэффициент сварного шва.

Относительный реактивный момент в стенке рубашки:

Определение высоты кольца:

Допускаемое избыточное давление в рубашке:

Проверку несущей способности от совместного действия осевого усилия и избыточного давления в рубашке рассчитаем по формуле:

где [P2] - допускаемое избыточное давление для сопряжения при помощи кольца в рубашке;

А - коэффициент осевого усилия;

F - осевая сжимающая сила.

 - условие выполняется.

Нагрузка от собственного веса:

F=G1 ,

где F-осевая сжимающая сила;

G1- вес сосуда с содержимым.

F=369,117 H.

Размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях определяют по формуле:

Принимаем

6. Расчет опор

Типоразмер опоры выбирают по допустимой грузоподъемности

где G - расчетная нагрузка на одну опору, Н;

- максимальная масса аппарата.

- число опор. Число опор для расчетов берется 2. На реальном аппарате стоит 4 опоры.

- допускаемая нагрузка на опору, Н

Вес сухого аппарата складывается из веса всех комплектующих узлов. Вес корпуса аппарата складывается из веса цилиндрической части, крышки, днища и фланцев.

Масса аппарата определяется по формуле:

где  - масса цилиндрической части корпуса;

 - масса эллиптического днища корпуса;

- масса крышки корпуса;

 - масса днища рубашки;

 - масса цилиндрической части рубашки;

 - масса кольца сопряжения рубашки с корпусом;

 - масса мешалки;

- масса вала;

 - масса привода;

 - масса стойки;

 - масса подшипников;

 - масса фланцевого соединения;

- масса уплотнения;

- масса муфты.

Масса корпуса рассчитывается по формуле:

где ρ - плотность стали корпуса.

Массы всех днищ выбираем из ГОСТ 6533-78.

Масса корпуса рубашки равна:

Масса кольца сопряжения рубашки с корпусом определяется по формуле:

Масса вала определяется:

Масса фланцев аппарата рассчитывается как вес толстостенного массивного кольца по формуле:

,

Следует учесть, что фланца два, которые образуют фланцевое соединение.

Общая масса аппарата:

Выбираем опорную лапу 1-25000 ГОСТ 26296-84 её параметры изображены в таблице

Рис.6.1 Опорные лапы и их конструктивные размеры.

Параметры опорных лап Таблица 6.1

7. Расчет перемешивающих устройств

.1. Выбор конструкции

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно из мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или на наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу.

По устройству лопастей различают мешалки лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные.

Рис.7.1 Турбинная открытая мешалка

Турбинные мешалки предназначены для скорого смешивания и растворения разнообразных жидкостей и растворов, они производят результативное перемешивание жидкостей крупной вязкости и из-за этого пригодны для постоянных процессов.

Мешалка включает в себя один или несколько центробежных колес (турбинок), зафиксированных на вертикальном валу.

Турбинные мешалки бывают 2х видов: открытого и закрытого вида. Закрытые мешалки определяют внутри направляющей конструкции представляющей из себя недвижимое кольцо с лопатками; последние выгнуты под углом, модифицирующимся от 45 до 90°. При частоте кружения 100-350 об/мин турбинные мешалки снабжают интенсивное помешивание раствора.

Минусом мешалок данного вида является относительная сложность установки и большая стоимость изготовления.

Отечественные предприятия изготавливают нормализованные турбинные мешалки с размером турбин 400, 500, 600 и 800 мм.

Выбор того или другого вида мешалок обусловливается целевым направлением перемешивающих установок и конкретными ситуациями протекания процесса.

.2 Расчет мешалки

Параметры турбинной открытой мешалки принимаем из ГОСТ 22577-77* для dм=360 мм:

-   диаметр вала под мешалку d1=45 мм

-        высота ступицы h=90 мм

         высота лопасти b=72 мм

         толщина диска мешалки s=6 мм

         допустимый крутящий момент [M] =0,28 кН·м

         масса mм=6,2 кг

         диаметр лопаток d4=0,5·dм=0,5·360=180 мм

         диаметр диска d2=0,75·dм=0,75 ·360=270 мм

Рис.7.2 Расчетная схема турбинной открытой мешалки

Наиболее нагружённым участком является сварное соединение диска со ступицей мешалки. Тавровое соединение выполнено угловыми швами. Расчётное касательное напряжение τ определяется в плоскости биссектрисы углового шва (рис. 7.2).

Условие прочности этого соединения имеет вид:

 ,

где Mкр - расчётный крутящий момент с учётом пусковых нагрузок:

Кд=1,5 - коэффициент динамичности для турбинных мешалок;

N - номинальная мощность на валу мешалки;

ω - угловая скорость вала мешалки;

ст=70 мм - диметр ступицы;

Kшв- катет сварного шва:

Kшв=0,8 ·s;

Kшв=0,8 ·6=4,8 мм=0,0048 м

[τ]c - допускаемое напряжение среза для материала швов:

[τ] - допускаемое касательное напряжение для материала шва с учётом температуры среды.

Условие прочности :

Условие прочности выполняется.

.3 Расчет вала

Расчет вала на виброустойчивость.

Рис.7.3 Основные параметры мешалки

Выбираем привод МПО1-10 =>диаметр вала под привод 40 мм

Крутящий момент на валу определяется по формуле

где η - кпд мешалки

Диаметр вала под привод определяется по формуле

Принимаем диаметр вала 50 мм.

Диаметр вала под мешалку 45 мм.

Рис.7.4 Основные параметры вала

По рисунку обозначим , обозначим , тогда общая длина мешалки L= 2500мм

Относительная длина колонны

Относительная длина консоли

Относительная координата центра тяжести детали

Безразмерный динамический прогиб вала в центре тяжести детали

Коэффициент, учитывающий условие закрепления вала

Коэффициент виброустойчивости

Безразмерный коэффициент

Угловая скорость определяется по формуле

Приведенная масса детали на консоли определяется:

Коэффициент приведения массы вала к консоли:

Диаметр вала расчетный определяется по формуле:

Принимаем диаметр вала 50 мм

Масса единицы длины вала

Относительная масса деталей

Корень частотного уравнения определяется по ГОСТ 14249-89

Рис.7.5 Монограмма для определения α

Корь частотного уравнения α=1,8

Момент инерции сечения вала:

Первая критериальная скорость вала

Проверяем условия виброустойчивости

 - условие выполняется.

Расчет вала на жесткость.

Эксцентриситет мешалки:

Относительная координата опасного по жесткости сечения

где - расстояние до втулки сальникового уплотнения

Безразмерный динамический прогиб в опасном по жесткости сечении

Приведенный эксцентриситет мешалки

Смешение оси вала за счет зазоров в подшипниках в точке В

где  для шариковых подшипников,

 для сферических подшипников,

В остальных сечениях:

Приведенный эксцентриситет мешалки:

,

где  - приведенная масса вала

Смещение оси вала за счет изогнутости вала

 м

Смещение оси вала для мешалки

 м

Смещение оси вала в опасном сечении:

Приведенный эксцентриситет вала с мешалкой в точке В

Динамический прогиб оси вала в точке В

Динамическое смещение центра тяжести мешалки

Динамическое смещение вала в опасном по жесткости сечение

Проверка условия

- допускаемое смещение в уплотнении

 условие выполняется.

Проверка вала на прочность.

Центробежная сила от мешалки:

Центробежная сила от приведенной массы вала:

изгибающий момент в точке Б:

,

реакция в точке Б

реакция в точке А

Рис.7.6 Построение изгибающего и крутящего моментов

Определим коэффициент запаса для нормальных напряжений по формуле

где σ-1- предел выносливости гладкого образца при симметричном цикле напряжений изгиба

Kσp-эффективный коэффициент концентрации напряжений для детали, Kσp=2,3

σА - амплитуда номинальных напряжений изгиба,

Определим коэффициент запаса прочности для касательных напряжений по формуле:

,

где τ-1 - предел выносливости гладкого образца при симметричном цикле напряжений кручения

τА - амплитуда номинальных напряжений кручения

Kτp - эффективный коэффициент концентрации напряжения для детали

Kτp=1,9

Определим общий коэффициент запаса прочности на совместимость действие изгиба и кручения

n=4

.4 Выбор и расчет подшипников

. По справочнику ГОСТ 3189-89 для участка вала где его диаметр d = 50 мм выбираем подшипник радиальный сферический двухрядный средней серии с регулируемой втулкой (распорной) - 1311K.

Его основные размеры:

-   Диаметр наружный: dнар=120 мм

-        Ширина подшипника: b=29 мм

-        Ширина со втулкой: b1=45 мм

2. По справочнику ГОСТ 8338-75 для участка вала где его диаметр d = 45 мм выбираем подшипник шариковый радиальный однорядный серии - 309.

Его основные размеры:

-   Диаметр наружный: dнар=100 мм

-        Ширина подшипника: b=25 мм.

7.5.   Выбор и расчет муфты

Рис.7.7 Втулочно-пальцевая муфта: 1-ведущая полумуфта, 2 - ведомая полумуфта, 3 - палец, 4 - втулка упругая, 5- гайка, 6 - шайба, 7 - кольцо упорное

Основные муфты, применяемые в химическом машиностроении, стандартизованы. Согласно стандарту их подбирают по диаметрам соединенных валов по расчетному передаваемому вращающему моменту Мр:

где Kp-коэффициент режима работы;

Mвp-номинальный вращающий момент при установившемся режиме работы (N = const, ω = const).

Значения коэффициентов режима работы Таблица 7.1

Значение кв

Спокойная с пусковым и кратковременными нагрузками(до 120% номинальной)

1,25-1,5

С умеренными колебаниями (до 150% номинальной)

1,5-1,8

По полученному расчетному моменту на валу и диаметру вала под привод dпр=40 мм. Выберем муфту МУВП с параметрами занесёнными в таблицу 3.

Таблица 7.2

7.6.   Выбор уплотнений

В химических аппаратах с перемешивающими устройствами для места прохождения вращающегося вала сквозь неподвижную крышку применяют уплотнения. С этой целью используют сальниковые и торцевые уплотнения.

Сальниковые уплотнения применяют в аппаратах, работающих в основном, при давлениях до 0,6 МПа и температурах до 70°С и до 250°С .

В качестве набивки используют асбестовые и хлопчатобумажные шнуры, пластмассовые и углеграфитовые кольца. При выборе сальниковых набивок рекомендуется руководствоваться данными. Сальниковые уплотнения не применяются при вакууме и в аппаратах с ядовитыми и взрывоопасными средами.

Назначение и условие применения набивок в сальниковых уплотнениях Таблица 7.3

Рис.7.8 Сальниковое уплотнение типов 1А и 11А: 1-корпус; 2-кольцо опорное; 3-кольцо; 4-фонарь; 5-втулка нажимная; 6-набивка; 7-прокладка; 8-шпилька; 9-гайка

Характеристика выбранного сальникового уплотнения Таблица 7.4

8.     
Выбор и расчет вспомогательных устройств.

.1 Штуцерные устройства

Для осуществления технологических процессов в аппарате предусмотрены различные штуцерные устройства:

)        Загрузочный штуцер

Dу=150 мм.

)        Труба передавливания

Dу=80 мм.

)        Подвод пара

Dу=100 мм.

)        Слив конденсата

Dу=50 мм.

)        Разгрузочный штуцер

Dу=100 мм.

)        Бобышка для манометра

Dу=20 мм.

)        Предохранительный клапан

Dу=50 мм.

)        Для термометра

Dу=20 мм.

.2 Стойка вертикальная

Для закрепления приводной части аппарата необходимо выбрать и установить стойку вертикальную (рис.8.1) с конструктивными параметрами занесёнными в таблицу 8.1.Стойка выбирается в зависимости от диаметра вала d.

Рис.7.8 Стойка вертикальная: 1-муфта МУВП; 2-стойка верхняя; 3- подшипник радиально-упорный; 4-вал; 5-стойка нижняя; 6-подшипник двухрядный самоустанавливающийся

Параметры выбранной вертикальной стойки Таблица 8.1

8.3 Мотор-редуктор

Основные характеристики мотор-редуктора типа МПО1-10 занесены в таблицу 8.2.

Рис.7.8 Мотор-редуктор типа МПО1: 1-электродвигатель; 2-планетарный редуктор

Параметры привода МПО1-15 Таблица 8.1

Вывод

В ходе данного проекта разработали аппарат с перемешивающим устройством и подогревом среды по средствам рубашки . Была разработана конструкция аппарата, рассчитаны основные геометрические параметры и размеры конструкций. Подобрана муфта для передачи движения от электродвигателя к валу мешалки. При проверочном расчете определили силы действующие на вал мешалки. Спроектированы и подобраны детали аппарата: вал, мешалка, корпус, рубашка, стойка вертикальная под привод, опоры для установки аппарата. Проведены проверочные расчеты конструкций. Подобраны все необходимые детали для работы аппарата.

Литература

1. Шейнблит А.Е. «Курсовое проектирование деталей машин»: М. “Высшая школа” 1991. - 432с.: ил.

2. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник - Л.: Машиностроение, 1981. -382с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя - М: Машиностроение, 197. - 360с.

4. Чекмарев А.А., Осипов В.К. «Справочник по машиностроительному черчению»: М. “Высшая школа” 2001.496с.

5. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. «Конструирование узлов и деталей машин»: М. “Высшая школа” 1998. - 447с., ил

. ГОСТ 9931-85. Корпусы вертикальных аппаратов.

. ГОСТ 14249-89. Характеристики материалов. Расчёты на внутренние, наружные давления, осевые сжатия.

. ГОСТ 24755-89. Укрепление отверстий.

. ГОСТ 25867-83. Сосуды и аппараты. Сосуды с рубашками. Нормы и методы расчёта на прочность.

. ГОСТ 26202-84. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта на прочность обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок.

11. ГОСТ 8338-75. Подшипники шариковые радиальные однорядные.

. ГОСТ 3189-89. Подшипники радиальные сферические двухрядные.

. ОСТ 26-426-79. Фланцевые соединения.