Установка для переработки отходов слюдопластового производства (стр. 16 из 21)
d3 = (0,056/(0,785∙2700∙0,01))0,5 = 0,05 м,(4.1.4.4)
здесь 0,056 кг/с - расход влажного материала по (3.5.2.4).
Диаметр штуцера для вывода сухой слюды из аппарата принимаем равным также 0,05 м.
Все штуцеры снабжаются фланцами. Для разъемного соединения цилиндрической части аппарата в месте установки газораспределительной решетки используем плоские приварные фланцы с Dвн = 530 мм, по ГОСТ 12820-80, их конструкция приведены на рисунке 4.1.3.1.
Рисунок 4.1.3.1. Плоский приварной фланец
Для штуцеров для подачи теплоносителя, вывода теплоносителя из аппарата, для подачи и вывода слюды используем свободные фланцы на приварном кольце по ГОСТ 12822-80. Конструкция свободного фланца приведена на рисунке 4.1.3.2. Такой фланец отличается от остальных видов удобством монтажа, так как к трубе приваривается только кольцо, а сам фланец остается свободным, что обеспечивает легкую стыковку болтовых отверстий свободного фланца с болтовыми отверстиями фланца арматуры или оборудования без поворота трубы.
Рисунок 4.1.3.2. Свободный фланец на приварном кольце
4.1.5 Расчет фланцевого соединения
Рассчитываем фланцевое соединение крышки и корпуса сушилки кипящего слоя. Выбираем плоские приварные фланцы или приварные встык и гладкую уплотнительную поверхность или поверхность типа «шип-паз». Их конструкции приведены на рисунках 4.1.5.1 и 4.1.5.2 соответственно.
Рисунок 4.1.5.1. Конструкция плоского приварного фланца. Расчетная схема
Рисунок 4.1.5.2. Уплотнительная поверхность типа «шип-паз»: 1 - фланцы; 2 - болт; 3 - прокладка
Определение конструктивных размеров фланца
Исходными данными для расчета являются внутренний диаметр аппарата D = 920 мм, толщина стенки обечайки s = 5 мм, температура обрабатываемой среды t = 300 °С. Прибавку к расчетной толщине стенки принимаем равной 1 мм. Материал корпуса и крышки - сталь 16ГС, коэффициент прочности сварных швов φ = 0,9, давление в аппарате 0,1 МПа.
Толщину втулки фланца принимаем s0 = 7 мм, что удовлетворяет условию s0 > s (7 мм > 5 мм). Высота втулки тогда будет равна:
hв > 0,5(D∙(s0 - c))0,5, (4.1.5.1.1)
hв = 0,5(920∙(7 - 1))0,5 = 37,15 мм. (4.1.5.1.2)
Принимаем hв = 50 мм.
Диаметр болтовой окружности:
Dб = D + 2∙(2∙s0 +dб + u), (4.1.5.1.3)
где dб - наружный диаметр болта при D = 920 мм, рр = 0,105 МПа, равный 20 мм;
u - нормативный зазор, равный 4 мм.
Dб = 920 + 2∙(2∙7 + 20 + 4) = 996 мм = 0,996 м.(4.1.5.1.4)
Наружный диаметр фланца:
Dн = Dб + a,(4.1.5.1.5)
где а - конструктивная добавка, равная 40 мм для шестигранных гаек при dб = 20 мм, тогда
Dн = 996 + 40 = 1036 мм.(4.1.5.1.6)
Наружный диаметр прокладки:
Dн.п. = Dб - е,(4.1.5.1.7)
где е - нормативный параметр, равный 30 мм для плоских прокладок, тогда
Dн.п. = 996 - 30 = 966 мм.(4.1.5.1.8)
Средний диаметр прокладки:
Dс.п. = Dн.п. - b,(4.1.5.1.9)
где b - ширина прокладки, принятая равной 12 мм, тогда
Dс.п. = 966 - 12 = 954 мм = 0,954 м. (4.1.5.1.10)
Количество болтов, необходимых для обеспечения герметичности соединения:
nб > π∙Dб/tш, (4.1.5.1.11)
где tш - шаг размещения болтов М20 на болтовой окружности при 0,1 МПа,
tш = 4,5∙ dб = 4,5∙ 20 = 90 мм, тогда(4.1.5.1.12)
nб = 3,14∙996/90 = 35 шт. (4.1.5.1.13)
Принимаем nб = 36, кратное четырем.
Высота (толщина) фланца:
hф > λф∙(D∙sэк)0,5,(4.1.5.1.14)
где λф - коэффициент, равный 0,3 для плоских приварных фланцев при 0,1 МПа,
sэк = s0 = 7 мм, так как для плоских приварных фланцев β1 = s1/s0 = 1.
hф = 0,3∙(920∙7)0,5 = 24,1 мм. (4.1.5.1.15)
Принимаем hф = 24 мм.
Расчетная длина болта:
ℓб = ℓб.о. + 0,28∙dб, (4.1.5.1.16)
где ℓб.о. - расстояние между опорными поверхностями головки болта и гайки при толщине прокладки hп = 2 мм,
ℓб.о. = 2∙(hф - hп) = 2∙(24 + 2) = 52 мм. (4.1.5.1.17)
ℓб = 52 + 0,28∙20 = 57,6 мм = 0, 058 м.(4.1.5.1.18)
Расчет нагрузок, действующих на фланец
Равнодействующая внутреннего давления:
Fд = рр∙π∙D2с.п./4, (4.1.5.2.1)
Fд = 0,105∙3,14∙0,9542/4 = 0,07 МН.(4.1.5.2.2)
Реакция прокладки:
Rп = π∙Dс.п.∙b0∙kпр∙рр,(4.1.5.2.3)
где b0 – эффективная ширина прокладки, равная b = 12 мм = 0,012 м, так как b
15 мм;kпр – коэффициент для паронита толщиной более 1 мм, равный 2,5.
Rп = 3,14∙0,954∙0,012∙2,5∙0,105 = 0,009 МН. (4.1.5.2.4)
Усилие, возникающее от температурных деформаций рассчитываем по формуле:
Ft = (yб∙nб∙fб∙Eб∙(αф∙tф - αб∙tб))/(4.1.5.2.5)
/(yп + yб + 0,5yф∙(Dб - Dс.п.)2),
где αф - коэффициент линейного расширения материала фланца (16ГС), равный 14,7∙10-6 1/°С;
αб - коэффициент линейного расширения материала ботов (35Х), равный 13,3∙10-6 1/°С;
tф - расчетная температура неизолированных фланцев, равная 0,96∙t= 0,96∙300 = 288 °С;
tб - расчетная температура болтов, равная 0,95∙t = 0,95∙300 = 285 °С;
Eб - модуль продольной упругости для болтов из стали 35Х, равный 1,9∙105 МПа;
fб - расчетная площадь поперечного сечения болта, равная 2,35∙10-4 м2 для болтов с диаметром dб = 20 мм;
nб - количество болтов, равное 36;
yп, yб, yф - податливости, соответственно болтов, прокладки, фланцев.
Вычисляем значение податливости болтов по формуле:
yб = ℓб/(Eб∙fб∙nб),(4.1.5.2.6)
где ℓб - расчетная длина болта равная 0,058 м по (4.1.4.1.18).
yб = 0,058/(1,9∙105∙2,35∙10-4∙36) =(4.1.5.2.7)
= 36∙10-6 м/МН.
Податливость прокладки из паронита равна:
yп = hп/(Eп∙π∙Dс.п.∙b),(4.1.5.2.8)
где Еп - модуль упругости прокладки из паронита, равный 2000 МПа;
hп - толщина прокладки, равная 2 мм;
b - ширина прокладки, равная 12 мм.
yп = 2∙10-3/(2000∙3,14∙0,954∙12∙10-3) =(4.1.5.2.9)
= 27,8∙10-6 м/МН.
Податливость фланца:
yф = [1 - ν∙(1 + 0,9∙λ'ф)]∙ψ2/(h3ф∙Е),(4.1.5.2.10)
где ν, λ'ф - безразмерные параметры;
ψ1, ψ2 - коэффициенты, определяемые по формулам;
Е - модуль упругости фланца, равный 1,8∙105 МПа для стали 16ГС.
ψ1 = 1,28∙lg(Dн/D) =(4.1.5.2.11)
= 1,28∙lg(1,036/0,92) = 0,07;
ψ2 = (Dн + D)/( Dн - D) =(4.1.5.2.12)
= (1,036 + 0,92)/( 1,036 - 0,92) = 16,9;
λ'ф = hф/( D∙sэк)0,5 =(4.1.5.2.13)
= 0,024/(0,92∙7∙10-3)0,5 = 0,002;
ν = 1/(1 + 0,9∙λ'ф∙(1 + ψ1∙h2ф/sэк2)) =(4.1.5.2.14)
= 1/(1 + 0,9∙0,002∙(1 + 0,07∙0,0242/0,0072)) = 0,99.
Таким образом,
yф = [1 - 0,99∙(1 + 0,9∙0,002)]∙16,9/ (4.1.5.2.15)
/(0,0243∙1,8∙105) = 68∙10-3 1/(МН∙м).
Тогда (4.1.5.2.5) принимает вид
Ft = (36∙10-6∙36∙2,35∙10-4∙1,9∙105∙(14,7∙10-6∙288 - (4.1.5.2.16)
- 13,3∙10-6∙285))/(27,8∙10-6 + 36∙10-6 + 0,5∙68∙10-3∙(0,996 – 0,954)2) = 0,17 МН.
Коэффициент жесткости фланцевого соединения:
kж = (yб + 0,5∙yф∙(Dб - D - sэк)∙(Dб - Dс.п.))/ (4.1.5.2.17)
/(yп + yб +0,5∙yф∙(Dб - Dс.п.)2),
kж = (36∙10-6 + 0,5∙68∙10-3∙(0,996 - 0,92 - 7∙10-3)* (4.1.5.2.18)
*(0,996 - 0,954))/(27,8∙10-6 + 36∙10-6 +
+ 0,5∙68∙10-3∙(0,996 - 0,954)2) = 2,24
Болтовая нагрузка в условиях монтажа:
kж∙Fд + Rп = 2,24∙0,07 + 0,009 = 0,166 МН (4.1.5.2.19)
Fб1 = max
0,5∙π∙Dс.п.∙b0∙pпр = 0,5∙3,14∙0,954∙12∙10-3∙20 = 0,36 МН,
где pпр - минимальное давление обжатия прокладки из паронита, равное 20 МПа.
Болтовая нагрузка в условиях монтажа равна большему из рассчитанных значений, следовательно, Fб1 = 0,36 МН.
Болтовая нагрузка в рабочих условиях:
Fб2 = Fб1 + (1 - kж) ∙Fд + Ft,(4.1.5.2.20)
Fб2 = 0,36 + (1 - 2,24)∙0,07 + 0,17 = 0,44 МН.(4.1.5.2.21)
Приведенный изгибающий момент вычисляем из условия:
0,5∙(Dб - Dс.п.)∙Fб1 = 0,5∙(0,996 - 0,954)∙0,36 = 0,0076 МН∙м
0,5∙((Dб-Dс.п.)∙Fб2+ (Dс.п. - D - sэк)∙Fд)∙[σ]20/[σ] = (4.1.54.2.2)
= 0,5∙((0,996 - 0,954)∙0,44 + (0,954 - 0,92 -
- 0,007)∙0,07)∙170/134 = 0,0129 МН∙м,
где [σ]20 = 170 МПа, [σ] = 134 МПа - соответственно для материала фланца при 20 °С и расчетной температуре t = 300 °С. [19]
Проверка прочности и герметичности соединения
Условия прочности болтов при монтаже фланцевого соединения и в его рабочем состоянии выполняются так как:
Fб1/(nб∙fб) < [σ]б.20, (4.1.5.3.1)
0,36/(36∙2,35∙10-4) = 43 МПа < 230 МПа; (4.1.5.3.2)
Fб2/(nб∙fб) < [σ]б.,(4.1.5.3.3)
0,44/(36∙2,35∙10-4) = 52 МПа < 220 МПа; (4.1.5.3.4)
Условие прочности выполняется с запасом, поэтому можно уменьшить количество болтов до 12.
Условие прочности прокладки выполняется:
Fбmax/(π∙Dс.п.∙b) < [pпр], (4.1.5.3.5)
где [pпр] = 130 МПа для прокладки из паронита;
Fбmax = max {Fб1; Fб2} = Fб2;
0,44/(3,14∙0,954∙0,012) = 12,2 < 130 МПа.(4.1.5.3.6)
Максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером s0:
σ0 = fф∙σ1 = fф∙Тф∙М0∙ν/(D*(s1 - c)2).(4.1.4.3.7)