第3章水工艺设备理论基础 主要内容 1、容器应力理论 2、机械传动理论 3、机械制造工艺 4、热量传递与交换理论
第3章 水工艺设备理论基础 主要内容 1、容器应力理论 2、机械传动理论 3、机械制造工艺 4、热量传递与交换理论 西安建筑科技大学
§31容器应力理论 §31.1容器概述 容器概念 容器:是设备外部壳体的总称。 薄壁容器:容器壁厚与曲率半径R之比一般小于110。即(t/R)s1/10 容器的分类 (1)按容器形状分为 ①方形或矩形容器——由平板焊成 特点:制造简单,便于布置和分格,但承压能力差 ⑨球形容器——一由数块球瓣板拼焊而成(类似篮球) 特点:承压能力好且相同表面积时容器容积最大,但制作麻烦且不便 于安置内部构件 ③圆筒形容器—由圆柱形筒体和各种形状的封头组成 特点:制造较为容易,便于安装各种内部构件,且承压性能较好
§3.1 容器应力理论 §3.1.1 容器概述 一、容器概念 容器：是设备外部壳体的总称。 薄壁容器：容器壁厚t与曲率半径R之比一般小于1/10。即 二、容器的分类 （1）按容器形状分为 ① 方形或矩形容器— — 由平板焊成 特点：制造简单，便于布置和分格，但承压能力差。 ② 球形容器— — 由数块球瓣板拼焊而成(类似篮球) 特点：承压能力好且相同表面积时容器容积最大，但制作麻烦且不便 于安置内部构件 ③ 圆筒形容器— — 由圆柱形筒体和各种形状的封头组成 特点：制造较为容易，便于安装各种内部构件，且承压性能较好。 ( / ) 1/10 max t R 西安建筑科技大学
(2)按容器承压情况分为 ①常压容器:容器仅承受容器内介质的静压力,一般为开口容器。 ②内压容器:容器内部介质压力大于外界压力的容器。 按介质工作压力PW的大小,内压容器可分为低压 (0.1~1.6MPa)、中压(10~100MPa)和高压容器(>100MPa)。 ③外压容器:容器内介质压力小于外界压力的容器。 (3)按容器组成材料分为 ①金属容器 ②非金属容器 (4)按容器内有无填料分为 ①无填料容器 ②填料容器 (本章中仅讨论水工艺中使用最多的钢制内压容器。)
（2）按容器承压情况分为 ①常压容器：容器仅承受容器内介质的静压力，一般为开口容器。 ②内压容器：容器内部介质压力大于外界压力的容器。 按介质工作压力Pw 的大小，内压容器可分为低压 （0.1~1.6MPa ）、中压（10~100MPa）和高压容器（>100MPa）。 ③外压容器：容器内介质压力小于外界压力的容器。 （3）按容器组成材料分为 ①金属容器 ②非金属容器 （4）按容器内有无填料分为 ①无填料容器 ②填料容器 (本章中仅讨论水工艺中使用最多的钢制内压容器。) 西安建筑科技大学
三、容器结构(以圆筒形容器为例) 容器一般由筒体(又称筒身)、封头(又称端盖)、法兰、支座 进出管及人孔(或手孔)视镜等组成(如图所示)。 接管 人孔封头 支座罐体 圆筒形容器结构
三、容器结构(以圆筒形容器为例) 容器一般由筒体（又称筒身）、封头（又称端盖）、法兰、支座、 进出管及人孔（或手孔）视镜等组成（如图所示）。 接管 人孔 封头 支座 罐体 圆筒形容器结构 西安建筑科技大学
四、容器设计的基本要求 (1)工艺要求 容器的总体尺寸、接口管的数目与位置、介质的工作压力PW、填 料的种类、规格、厚度等一般是根据工艺生产的要求通过工艺设计算 及生产经验决定 (2)机械设计的要求 ①强度:是容器抵抗外力而不破坏的能力。 ②刚度:是容器抵抗外力使其不发生不允许变形的能力 ③稳定性:是容器或容器构件在外力作用下维持其原有形状的能力。 ④严密性:容器必须具有足够的严密性,特别是承压容器和贮存、处 理有毒介质的容器应具有良好严密性。 ⑤抗腐蚀性和抗冲刷性:容器的材料及其构件和填充的填料要能有效 的抵抗介质的腐蚀和水流的冲刷,以保持容器具有较长的使用年限。 ⑥经济方面的要求:在保证容器和工艺要求和机械设计的要求的基础 上,应选择较为便宜的材料以降低制作成本。 ⑦制作、安装、运输及维修均应方便
四、容器设计的基本要求 （1）工艺要求 容器的总体尺寸、接口管的数目与位置、介质的工作压力Pw、填 料的种类、规格、厚度等一般是根据工艺生产的要求通过工艺设计算 及生产经验决定。 （2）机械设计的要求 ①强度：是容器抵抗外力而不破坏的能力。 ②刚度：是容器抵抗外力使其不发生不允许变形的能力。 ③稳定性 ：是容器或容器构件在外力作用下维持其原有形状的能力。 ④严密性： 容器必须具有足够的严密性，特别是承压容器和贮存、处 理有毒介质的容器应具有良好严密性。 ⑤抗腐蚀性和抗冲刷性： 容器的材料及其构件和填充的填料要能有效 的抵抗介质的腐蚀和水流的冲刷，以保持容器具有较长的使用年限。 ⑥经济方面的要求：在保证容器和工艺要求和机械设计的要求的基础 上，应选择较为便宜的材料以降低制作成本。 ⑦制作、安装、运输及维修均应方便 运输及维修均应方便。 西安建筑科技大学
§312回转曲面与回转薄壳 1、回转曲面:以一条直线或平面曲线作母线,绕其同平面的轴线(即 回转轴)旋转一周就形成了回转曲面。 2、回转薄壳:以回转曲面作为中间面的壳体称作回转壳体。内外表面 之间的法向距离称为壳体厚度。对于薄壳,常用中间面来代替壳体的 几何特性。 3、经线:在曲面上取一点C,过C点和回转轴OO′作一平面,该平面 与回转曲面的交线OB称作曲面的经线 4、纬线:过C点作与Oo′轴垂直的平面,该平面与回转曲面的交线 为一个圆,称为回转曲面的平行圆,平行圆就是回转曲面的纬线。平 行圆的圆心K3必在轴OO′上,平行圆的半径CK3用r表示 5、第一曲率半径:过C点作经线的法线CN,CN线上必有C点的曲率 中心K1点,CK1是经线上C点的曲率半径,用p1表示,称C点的第一曲 率半径。 6、第二曲率半径:过C点再作一个与经线OB在C点的切线相垂直的平 的曲率中心K2必定在OO′轴上,CK称作点的第二曲率半径,用p,表
§3.1.2 回转曲面与回转薄壳 1、回转曲面：以一条直线或平面曲线作母线，绕其同平面的轴线（即 回转轴）旋转一周就形成了回转曲面。 2、回转薄壳：以回转曲面作为中间面的壳体称作回转壳体。内外表面 之间的法向距离称为壳体厚度。对于薄壳，常用中间面来代替壳体的 几何特性。 3、经线：在曲面上取一点C，过C点和回转轴OO′作一平面，该平面 与回转曲面的交线OB称作曲面的经线 4、纬线：过C点作与OO′轴垂直的平面，该平面与回转曲面的交线 为一个圆，称为回转曲面的平行圆，平行圆就是回转曲面的纬线。平 行圆的圆心K3必在轴OO′上，平行圆的半径CK3用r表示。 5、第一曲率半径：过C点作经线的法线CN，CN线上必有C点的曲率 中心K1点，CK1是经线上C点的曲率半径，用ρ1表示，称C点的第一曲 率半径。 6、第二曲率半径：过C点再作一个与经线OB在C点的切线相垂直的平 面，该平面与回转曲面的交线为一条平面曲线，可以证明该曲线在C点 的曲率中心K2必定在OO′轴上，CK2称作点的第二曲率半径，用ρ2表 示。 西安建筑科技大学
§3.1.3回转薄壳的薄膜应力 (1)经向薄膜应力-(壳体平衡方程) 用一个与回转壳体中间面正交的圆锥面切割一承受内压的壳体, 取截面以下的分离体进行研究。经推导得: 26 式中:p一介质内压力,MPa p2壳体中间面在计算点处的第二曲率半径,mm; 8-壳体壁厚,mm 此式称作壳体平衡方程。 (2)环向薄膜应力—(微体平衡方程又称拉普拉斯方程) 在壳体上用两对截面和壳体的内外表面截取一小单元体进行研 究,如图示。经推导得: P P,p 这个公式称作微体平衡方程(又称拉普拉斯方程)
§3.1.3回转薄壳的薄膜应力 （1）经向薄膜应力--（壳体平衡方程） 用一个与回转壳体中间面正交的圆锥面切割一承受内压的壳体， 取截面以下的分离体进行研究。经推导得： 式中：p--介质内压力，MPa； ρ2 --壳体中间面在计算点处的第二曲率半径，mm； δ--壳体壁厚，mm。 此式称作壳体平衡方程。 （2）环向薄膜应力— — (微体平衡方程又称拉普拉斯方程） 在壳体上用两对截面和壳体的内外表面截取一小单元体进行研 究，如图示。经推导得： 这个公式称作微体平衡方程（又称拉普拉斯方程）。 2 p 2 m 1 2 p m 西安建筑科技大学
经线平面 母线平面 K 圆锥面N 二二一 B 截平面 纬线 母线 经线 回转曲面
回转曲面 西安建筑科技大学
01 K dQ=2π r pdL cosΦ in g dQ=2πrpdr C1 C (d) dL Q=2mr60msin中=mP Q=2np! rdr=r p
(a) (b) (d) (c) dQ＝2πr p dL cosφ dQ＝2πrpdr Q p rdr rc p rc 2 0 2 Q′＝2πrc δ σ m sinφ= r p c 2 sin 2 c r 西安建筑科技大学
O K KI 0,dll 单元体截取及各截面上的应力
单元体截取及各截面上的应力 西安建筑科技大学