过程设备设计例题(答案)

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(2)贮存液体的容器

当容器盛装液体时,壳体内壁面法向将受到液体静压强的作用,它同样是一种轴对称载荷,这一点与承受气压相同,所不同的是液体静压强大小随液体深度而变化,有时液面上方还同对受到气体压力的作用。这些容器壳体中的薄膜应力一般也可用式(2-7)和式(2-12)求解。

① 中部支承半径为R的圆柱形贮液罐 如图2-9(a)所示,罐的底部自由,顶部密闭,液面上方的气体内压力为

p0,充液密度为?。

p0作用,其p?p,R1??,故可直接用式

0a) 圆筒ab段:其上任意一点,仅受气压(2-16)求解,得其经向薄膜应力

??和周向薄膜应力

??为

??????p0R2?p0R

??????2????? (2-24)

b) 圆筒bc段:其A-A断面上任一点处,受有压力载荷p?p0??gh的作用,其中h?为至液面距离, g为重力加速度,因圆筒R1??,R2?R,故?可由式(2-7)求解。另再考

察图2-9(c)所示A-A断面以上部分区域的平衡,在不计壳体自重时,作用于该区域的轴向外载荷有液体重力G和A-A断面的压力

p?p0??gh,则其合力V为

V?P?G??R2(p0??gh)??R2?gh??R2p0

将V及应力分别为

sin?2?1代入式(2-12)可求得

??。由此得bc段上任意点的经向和周向薄膜

p0R???2??(p0??gh)R??????? (2-25)

???c) 圆筒cd段:其B-B断面上任一点处,作用于图2-9(d)所示B-B断面以上部分区域的轴向外载荷除有液体重力G和承受的压力

p?p0??gh外,尚有支座反力

F反??R2?gH1,其总轴向外力变为

V?P?G?F反??R2(p0??gh)??R2?gh??R2?gH1??R2(p0??gH1)

同理将pz和V代入(2-7)、(2-12)相应式内,则cd段圆筒壁内任意点的经向和周向薄膜应力分别为

(p0??gH1)R???2??(p0??gh)R??????? (2-26)

???

图2-9中部支承的圆柱形贮液罐

由三段的应力计算式(2-24)、(2-25)、(2-26)及图2-9(b)所示圆筒壳应力分布图可以看出:

a) 对于bc及cd段,其应力实际是分别按仅受气压与仅受液压(

p0?0或敞口)时的

应力相加之和,故此情况亦可按仅受气压与仅受液压分别计算,然后叠加;

b) 在仅受液压时,液柱引起的周向应力但经向应力则与支座位置有关,支座以上

??与其深度h成正比,

而与圆筒壳的支座无关,

,支座以下

???0??恒定于液柱总深H1。

图2-10充液圆锥形壳体

② 圆锥形壳体 如图2-10所示,敞口圆锥形容器中盛装密度为?的液体,

其上端自由

支承。锥壳上任意一点处液体静压力为

p??g(H?z)

又因

R1??,R2?r/cos?,r?ztg?,则由式(2-7)得

??z)ztg? ???g(H?cos?

(2-27)

若令

d???0,则??在z?H/2dz处有最大值 ??gH2?max?tg?4?cos?

??时,如取M点处以下的部分壳体为研究对象,则该区域外载荷为M点处上部液

体所产生的静压力与M点处下部液体的重力,二外力的轴向分量之和为

V??r2?g(H?z?113z)??z2?g(h?z?3z)tg2?

将V值代入式(2-12)得

?r2?g(H?2z)?g(H?2?3z)ztg? ??32?r?cos??2?cos?

(2-28)

同理,

d??dz?0,

??z?在

3H4处有最大值

??max设计举例:

3H2?gtg??16?cos?

某厂需设计一卧式回流液罐,罐的最高工作压力pw=2.4MPa,最高工作温度为45?C,基本无腐蚀,罐的内直径为1000mm,罐体长3200mm,试确定罐体的厚度及封头的型式和厚度。

解:(1)取设计压力p?1.1pw?1.1?2.4?2.64 MPa,设计温度t可取为60?C (2)选材,确定[?]、 [?]、ReL

根据工作条件,材料选为Q345R,取C2?1假设壳体厚度在6~16mm范mm,

围内,查GB150中表4-1可得[?]=170MPa,[?]t=170MPa,

tReL=345MPa

(3)筒体壁厚设计

考虑采用双面对接焊,局部无损探伤,焊接接头系数取??0.85,计算压力

pc?p?2.64MPa

筒体计算厚度??pcDi2.64?1000??9.22mm

2[?]t??pc2?170?0.85?2.64 则筒体设计厚度?d???C2?9.22?1?10.22mm

按GB713,C1?0.3mm

则筒体名义厚度?n??d?C1?10.22?0.3?10.52mm

考虑钢板常用规格厚度,向上圆整可取筒体名义厚度?n?12mm。 (4)封头壁厚设计

选用标准椭圆形封头,其形状系数K?1,封头采用钢板整体冲压而成,焊接接头系数取??1.0,故封头计算厚度

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