Recipient Sub Presiune la Elemente de inginerie mecanica

Universitatea "Aurel Vlaicu"

Facultatea de Inginerie Alimentara, Turism si Protectia Mediului

Proiect la Elemente de inginerie mecanica si electrica

Recipient Sub Presiune

Sa se proiecteze un rezervor de forma cilindrica prevazut cu capac de forma semisferic, ansamblat demontabil si fund de forma semielipsoidal ansamblat nedemontabil destinat depozitarii a 6000 l fluid pentru care se cunosc inaltimea partii cilindrice 3R, presiunea mediului de lucru egala cu 1,4 ata, greutatea specifica a materialului 0,05 daN/cm³ si materialul din care se construieste rezervorul OL 34.

I.         Introducere:

Definitie: Recipientele sub presiune sunt vase inchise in care se afla fluide la o presiune mai mare decat presiunea atmosferei sau sub vid la diferite temperaturi.

Recipientele se utilizeaza pentru depozitarea diverselor fluide, pentru transportul acestora sau in diferite scopuri tehnologice.

Clasificarea recipientilor:

a)      Dupa pozitia in spatiu:

Orizontale

Verticale

Inclinate

b)      Dupa forma:

Sferice

Elipsoidale

Tronconice

Cilindrice

c)      Dupa procesul de executie:

Sudate

Turnate

d)     Din punct de vedere al temperaturii peretilor:

Racite

Neincalzite

Incalzite

e)      Dupa presiune:

La presiune inalta

La presiune medie

La presiune joasa

f)       Dupa grosimea peretilor: clasificarea se face dupa o marime caracteristica

R2 , unde R1- raza suprafetei interioare

R1 R2- raza suprafetei exterioare

si daca:

se numesc corpuri cu perete gros si au destinatie speciala: reactoare nucleare, solicitari intense de temperatura sau presiune.

este o categorie intermediara inclusa in categoria invelisurilor.

Clasificarea rezervoarelor cilindrice:

a)      dupa forma capacului:

sferic

elipsoidal

plan

b)      dupa forma fundului:

sferic

elipsoidal

tronconic

plan

Destinatia produselor lichide, armaturi, conducte si izolatii:

In fabricile de produse alimentare se gasesc numeroase materiale lichide ca:

materii prime - lapte

produse finite - lapte, ulei, bauturi alcoolice si nealcoolice

lichide ce intra in componenta produselor finite.

La aceasta se adauga faptul ca lichidele ce iau parte la procesul de productie prezinta o varietate mare de caracteristici fizico-chimice; din punctul de vedere al temperaturii, vascuozitatii, continutului de suspensii, agresivitatii, inflamabilitatii ceea ce face ca pt fiecare produs sa existe un depozit distinct cu o anumita destinatie.

Clasificarea depozitelor:

Depozitarea se face pe categorii de produse grupandu-se in cadrul aceluiasi depozit cele care au conditii asemanatoare de pastrare, conservare si manipulare.

Clasificarea se face tinand cont de mai multe cristerii:

Din punct de vedere al contactului cu atmosfera

Recipiente deschise pentru lichide care nu emana gaze si vapori toxice si nu sunt influentate de agentii exteriori.

Recipiente inchise pentru lichide care trebuie pastrate in mediu steril sau in absenta oxigenului; pentru cele care nu emana gaze sau vapori toxici si pentru cele inflamabile.

Din punct de vedere termic:

Recipiente in contact liber

Recipiente prevazute cu dispozitive de incalzire/racire sau mentinerea temperaturii, avand manta dubla, serpentine interioare izolate termic.

Din punct de vedere al pozitiei fata de locul de incarcare si descarcare:

Recipiente stationare legate prin conducte de sursa de alimentare si de locurile de predare.

Recipiente mobile montate pe calea ferata in cazul cand locul de destinatie este la distante mari fata de sursa de alimentare.

II.       Constructia rezervoarelor:

Rezervoarele cilindrice sunt construite sub forma: vericala, orizontala si paralelipipedica si in functie de destinatie au diferite variante constructive, respectiv:

v     Rezervoare cilindrice vericale pentru depozitat lichide la presiunea atmosferei; au fund plat si sunt asezate pe o fundatie din beton armat.

v     Rezervoare cilindrice verticale pentru depozitat lichide sub presiune; au fundul bombat si sunt asezate pe un suport metalic.

v     Rezervoare cilindrice orizontale pentru depozitat lichide la presiunea atmosferei; au fund lat si sunt asezate pe suporti din beton sau metal.

v     Rezervoare cilindrice orizontale pentru depozitat lichide sub presiune; au funduri bombate si sunt asezate pe suporti din beton sau din metal sub forma de sa.

In ambele ipoteze, rezervoarele sunt datate cu anexe pentru indicarea nivelului lichidului racordului de alimentare si de evacuare.

v     Rezervoare paralelipipedice: se construiesc de obicei din beton captusit cu sticla sau cu alte materiale anticorozive. Sunt folosite in industria vinului, amidonului, berii si a sucurilor de fructe. Din punct de vedere constructiv, rezervoarelor paralelipipedice sunt adaptate solutii care sa permita o mai mare productie in industria berii, conservelor, vinificarii.

Materiale de constructii:

Alegerea materialelor pentru confectionarea rezervoarelor, a recipientilor, a cuvelor se face in functie de destinatia acestora. Materialele indicate pentru confectionarea depozitelor pentru lichide sunt urmatoarele:

Fonta cenusie este folosita pentru constructia corpului si a capacelor de rezervoare.

Otelul turnat se intrebuinteaza ca tabla din otel carbon sau slab aliata. Se foloseste la realizarea rezervoarelor pentru depozitarea produselor foarte corozive sau care au temperatura mare.

Otelul cu nichel (8-9%) si de asemenea otelul cu crom (18%) se utilizeaza in cazul produselor cu temperaturi mai coborate.

Pentru depozitarea produselor corozive se utilizeaza otelul protejat prin acoperire cu zinc (pentru rezervor de apa), cu cositor (pentru recipiente de conservare) sau bidoane de lapte cu email (pentru pastrarea produselor alimentare acide).

Tabla placata se foloseste in industria fermentativa pentru reducerea consumului de otel malt aliat. Plecarea se face pe fata interioara a rezervorului folosindu-se un otel anticoroziv sau chiar pelicule de material plastic sau sticla. Stratul de plecare nu trebuie sa depaseasca 10% din grosimea stratului de rezistenta.

Aluminiul se foloseste in industria laptelui sub forma de tabla sau numai ca strat de plecare. Pentru vase din aluminiu trebuie sa se ia masuri speciale pentru spalare deoarece solutiile de carbonat de sodiu ataca aluminiul. Spalarea acestor ambalaje se face cu solutii ce contin fosfati.

Armaturi, conducte si izolatii ale rezervoarelor si conductelor:

Destinatia si domeniul de folosire:

Armaturile sunt dispozitive care se monteaza de-a lungul conductelor, aparatelor pentru rezervoarele cu lichid sub presiune si pe cele cu abur sau cu mediu gazos sub presiune. Armatura este destinata pentru reglarea debitului si a presiunii mediului pentru inversarea sensului sau a directiei de miscare a mediului in sistem pentru indicarea si reglarea nivelului lichidului si pentru evacuarea lichidului sau a gazului.

In functie de destinatie armaturile pot fi:

v     armaturi de distributie: se folosesc pentru decuplarea unor portiuni si decuplarea simultana a altor portiuni de conducte care schimba directia de circulatie a mediului.

v     armaturi de reglaj: se folosesc pentru mentinerea unei anumite valoari a presiunii, debitului si a temperaturii.

v     armaturi de dozare: se folosesc pentru reducerea presiunii mediului.

v     armaturi de siguranta: se folosesc pentru evitarea cresterii presiunii ,ediului pentru o anumita valoare stabilita.

v     armaturi de avarie: intrerup instantaneu si aautomat accesul mediului in portiunea de instalatie avariata.

v     armaturi de evacuare a condensului: servesc la evacuarea condensului din conducte si aparate si separarea acestuia de abur.

Fiecare tip de armatura se compune dintr-un dispozitiv de executie si dintr-un dispozitiv de actionare. Dispozitivele de executie se fac sub forma de venilte, vane sau robinete. Dispozitivul de actionare a dispozitivului de executie poate fi manual cu servomotor care se alimenteaza dintr-o sursa separata cu energie sau automat, care nu necesita o sursa separata de energie.

III.        Elemente constructive ale rezervoarelor:

Recipiente:

Recipientele din industria chimica sunt destinate scopurilor tehnologice precum si pastrarii si depozitarii diferitelor substante solide, lichide sau gazoase.

Din punctul de vedere al factorilor care influenteaza constructia si calculul de rezistenta al peretilor, recipientele si alte aparate sub presiune se clasifica astfel:

Dupa materialul de constructie folosit - recipientele pot fi construite din diferite materiale standardizate ca: otel, carbon slab aliat si aliat, fonta, cupru si aliaje de cupru, aluminiu si aliaje de aluminiu, nichel si aliaje de nichel. Alegerea lor se face in functie de natura, presiunea si temperatura mediului de lucru tinand seama sei de prescriptiile tehnice.

Dupa procedeul de executie - a carui alegere se face in functie de materialul folosit pentru constructie; recipientele pot fi sudate, turnate, forjate, nituite, lipite. Categoria cea mai raspandita o reprezinta recipientele sub presiune de constructie sudata executate din table de otel carbon si otel slab aliat din randul carora fac parte marcile de otel R si otel K (STAS 2883/,3-80).

Dupa temperatura - recipientele pot fi incalzite si neincalzite.

Dupa forma - recipientele pot fi: cilindrice, conice tronconice si combinate. Majoritatea proceselor tehnologice din industria chimica se desfasoara in recipiente cilindrice cu funduri si capace elipsoidale asezate in pozitie verticala sau orizontala. Forma cilindrului este cea mai economica din punctul de vedere al executiei si al exploatarii.

Elemente cilindrice:

In functie de inaltime sau de lungime elementele cilindrice sudate sunt realizate din una sau mai multe virole folosind imbinari longitudinale si imbinari circulare.

Virolele cilindrice se executa din table prin roluire si sudare cap la cap de-a lungul generatorului. Forma rostului se stabileste in functie de grosimea tablei de material si de procedeul de sudare utilizat.

Imbinarea virolelor intre ele se executa prin sudare cap la cap. Pentru cusaturile longitudinale alaturate trebuie sa existe un decalaj de cel putin 200m.

Elemente conice:

Ele servesc ca elemente de trecere intre doua portiuni cilindrice ale recipientelor sau sunt folosite ca funduri pentru a usura descarcarea recipientelor verticale.

Fundurile conice maresc intotdeauna gabaritul axial al aparatelor si au raportul dintre aria si volumul lor nefavorabil economiei de material. De aceea fundurile conice trebuie sa fie utilizate numai in cazuri bine justificate. Constructiv elementele conice pot fi racordate si neracordate. Raza de racordare ı dintre portiunea conica si portiunea cilindrica de inaltime "a" se adopta constructiv.

3.4 Elemente sferice:

Se intalnesc in principal la constructiile rezervoarelor mari destinate pastrarii lichidelor si gazelor sub presiune. Servesc, de asemenea, la executarea fundurilor pentru recipiente. Utilizarea fundurilor sferice este rationala numai la aparatele cu diametru mare, care functioneaza sub presiune. Au dezavantajul ca maresc mult gabaritul axial al aparatelor. Ca tip, fundul sferic poate fi neracordat (sub forma de calota sferica) si semisferic. Nu sunt standardizate.

Elemente polare:

In industria chimica se intalnesc foarte des elemente polare circulare utilizate in constructia recipientelor sub forma de funduri si capace, cu sau fara racordare. Se intalnesc si sub forma de elemente plane dreptunghiulare (pereti, funduri, capace) dar mult mai rar sunt simple in ceea ce priveste constructia, si nu maresc gabaritulrecipientului; dar la presiuni si diametre mari devin grele si incomode. De aceea, sunt indicate in principal pentru recipiente cu diametre si presiuni mici.

Formele constructive ale elementelor polare circulare si modul de imbinare cu alte elemente ale recipientului difera fosrte mult in functie de destinatia recipientului.

Flanse:

Flansele sunt elemente de recipiente care se executa totdeauna in pereche si sunt folosite pentru imbinarea demontabila dintre corp si capacul recipientului.

Tot cu ajutorul flanselor se realizeaza imbinarea demontabila dintre tronsoarele coloanelor de distilare sau de conducte dintre armaturi si recipiente.

Imbinarile cu flansa necesita de regula utilizarea unei garnituri de etansare asezata intre cele doua flanse precum si strangerea acestora cu ajutorul suruburilor.

IV.        Intretinerea tehnica a rezervoarelor:

La rezervoare, lucrarile de intretinere tehnica se executa periodic in functie de fluidele depozitate in acestea si constau in:

Aburirea rezervorului cu aburi de joasa presiune;

Aerisirea rezervorului;

Curatirea depunerilor dupa fiecare descarcare a lichidului care a fost depozitat;

Spalarea rezervorului cu jet de apa si aburi;

Revopsirea rezervorului cu substante anticorozive;

Eliminarea neetansietatilor atunci cand se observa scapari de fluid sau cand la demontare se observa garnituri defecte. In acest caz se strang garniturile sau se inlocuiesc cu altele noi; avand in vedere metalul din care este confectionat rezervorul si fluidul depozitat.

4.1 Revizia rezervoarelor de depozitat lichide:

Acestea se realizeaza periodic si constau in:

Controlul vizual: incepe cu partea inferioara a rezervorului verificandu-se cu atentie sudurile tablelor ce formeaza fundul rezervorului precum si suadarea de imbinare a fundului cu partea cilindrica. Sudurile si tablele nu trebuie sa prezinte fisuri sau coroziuni pronuntate. Daca se observa portiuni de tabla corodate sau fisurate, acestea se reconditioneaza sau se inlocuiesc.

Controlul sistemului de incalzire a stuturilor de intrare si iesire si al gurii de vizitare de la partea inferioara: daca rezervorul are dimensiuni mari, se monteaza o schela in interior pentru a se putea controla partea cilindrica.

Verificarea etansietatii: se face indeosebi la rezervoarele foarte mari precum si la rezervoarele cu fund plat, asezate direct pe fundatie deoarece cel mai greu se depisteaza neetensietatile la fundul rezervorului.Daca depistarea neetansietatilornu se poate face vizual se efectueaza o proba hidraulica. In acest caz , obligatoriu se produc urmatoarele faze:

Se ridica intregul rezervor la circa 1 m fata de locul de montare calandu-se la aceasta inaltime pe suporti de rezistenta

Se introduce apa sau alte lichide penetrante pana se acopera capacul inferior

Dupa depistarea si remedierea neetensietatii, se repeta proba.

Calibrarea rezervorului: se realizeaza pentru stabilirea echivalentei intre inaltime si volum si se executa mai ales la modificarile structurale ale rezervorului.

4.2 Repararea rezervoarelorsudate:

Se efectueaza periodic in conformitate cu ciclurile stabilite.In cadrul reparatiilor se urmaresc:

Inlocuirea partii din manta, fund sau capac ale rezervorului;

Repararea, inlocuirea si probarea armaturilor

Verificarea si repararea aparatelor de masura.

Defectiunile principale la rezervoare:

Cele mai intalnite defectiuni la rezervoare sunt fisurile. Remedierea acestora se face in functie de tipul fisurii, astfel:

Fisurile nepatrunse se daltuiesc pana la adancimea maxima a fisurii, se taie marginile fisurii la 50-60 grade apoi se sudeaza.

Fisurile inguste patrunse se daltuiesc pe toata lungimea sau se taie cu flacara oxiacetilenica. Ultima metoda are o calitate mai buna deoarece exclude deformarea masinilor.

V.     Rezolvarea problemei:

b=D/4

VL=6000 l= 6 m³

Hc= 3R

Pm= 1,4 ata

ρ= 0,05 daN/cm³

OL= 34

5.1 Calculul de dimensionare:

Scop: stabilirea dimensiunilor: raza calculata, raza standardizata, diametru calculat si standardizat, inaltimea totala a rezervorului si inaltimea la care ajunge fluidul.

Calculul Vt

Vt=Vl/ Ku = 6/ 0,8= 7,5 m³ Ku-este coeficientul de umplere pe care l-am

considerat 0,8 deoarece lichidul nu spumeaza.

Exprimarea lui Vt in functie de forma rezervorului:

Vt= V1 + V2 +V3

V1- volumul semielipsoidului:

V1 ∙ π a²b = π R² 2R/6 = π R³/3

V2 - volumul cilindrului:

V2= π R² Hc = π R³ 3R = 3π R³

V3 - volumul semisferei:

V3 π R³

Vt= V1 + V2 + V3 = πR³/3 + 3πR³ + ⅔πR³ = 4πR³

Calculul razei R:

R = Vt/4π = 1,442 m³ = 1,129m

Rc = 1,129 m = 1129mm

Dc = 2 Rc = 2 ∙1129 = 2258 mm

Determinarea Rstandardizate si Dstandardizat

-valorile se iau din indrumator, p.7

Dst =2400 mm

Rst = 1200 mm

Determinarea Ht:

Ht = H1 + H2 + H3 R + 3R + R = 3R

Ht = 3 Rst = 3 1200 = 3600 mm

Determinarea Hlmax:

Hlmax = H1 + Hx

Hx = Vx/πR²

Vx = Vl - V1 = 6 - πR³/3 = 4,193 m³

Hx = 4,193/π (1,2)² = 0,927 m

Hlmax = H1 + Hx = R/ + 0,927 = 1,527 m

Vt = volumul total

Vl = volumul lichidului

Ku = coeficientul de umplere

Rc = raza calculata

Dc = diametrul calculat

Ht = inaltimea totala a rezervorului

Hlmax = inaltimea la care ajunge fluidul

Calculul de rezistenta:

Scop: stabilirea grosimii materialului si a dimensiunii.

S = Sc + A, la o t 250⁰ : Sc = p ·Di/2,3 ·φ · δa - p

Di = 2400 mm = 240 m

P = Pm + Ph

Pm = 1,4 · 9,81 · 10⁴ = 1,3734 daN/cm²

Ph = 1/10· ρ · Hm = 1/10 ·0,05 ·152,7 = 0,763 daN/cm²

P = 1,373 + 0,763 = ,136 daN/cm² 3 daN/cm²

ρ = pentru greutatea specifica a fluidului am luat valoarea din tabel in functie de fluid.

am considerat coeficientul de rezistenta φ=0,8 in conformitate cu tabelul din Indrumator, p130, in functie de tipul sudurii.

δ^tc = 19 daN/mm² · 10^-2 = 1900 daN/cm²

δ^tc = 38 daN/mm² · 10^-2 = 3800 daN/cm²

valorile pentru δ^tc si δ^tr se iau din Indrumator.

Cc ; Cr = 0,8 - am ales valoarea aceasta in conformitate cu materialul, din Indrumator.

η = 1 - am ales valoarea aceasta deoarece recipientul este exploatat tot timpul anului.

a = δ^tc cc · η = 2000/0,8 = 2375 daN/cm²

a = δ^tr cr · η = 3800/0,8 = 4750 daN/cm²

a se determina pe baza caracteristicilor pe care le are materialul, iar dintre cele  valori se alege cea mai mica, adica, in acest caz prima valoare 2375 daN/cm².

Revenind la formulele de inceput, se inlocuiesc necunoscutele:

Sc = p ·Di/ a - P = 3 · 240/ 1,3 · 0,8 · 2375 - 3 = 0,16 cm

S = Sc + A = 0,16 cm + A

A = A1 A2

S = 0,16 + 0,1 + A2 = 0,26 +0,4 = 3mm

S = grosimea de proiectare

Sc= grosimea calculata

P = presiunea de calcul

Di = diametrul interior stabilit la calculul de dimensionare

= coeficientul de rezistenta sau de calitate al sudurii

a = rezistenta admisibila la tractiune a materialului

Pm = presiunea mediului de lucru

Ph = presiunea hidrostatica

= greutatea specifica a fluidului din recipient

Hm = inaltimea maxima a coloanei de lichid = Hlmax

δ^tc = limita de curgere la temperatura de calcul

δ^tr = rezistenta minima la rupere la temperatura de calcul

η = coeficientul de corectie in functie de exploatarea recipientului

cc ; cr = coeficienti de siguranta

Calculul de rezistenta pentru capac si fundul recipientului:

S = Sc +A

Sc = P · Di · Ks/ 4· φ· δ

Ks = f(H/D)

Capac semisferic: H = R, H/D = R/2R = Ks = 1,1

Sc = 3 ∙ 240 ∙ 1,1/ 4 ∙ 0,8 ∙ 2375 = 0,014

S = 0,104 + 0,5 = 0,604

Fund semielipsoidal: H = b, b = R/2, H/D = R/2/2R = 1/4 Ks = 

Sc = 3 ∙ 240 ∙ 2/ 4 ∙ 0,8 ∙ 2375 = 0,189

S = 0,189 + 0,5 = 0,689

5.4 Calculul dimensiunii tablelor din care se fac virolele:

Lv = π (Di + S)

Rst = 1200 · 3 = 3600 mm

Am ales doua table cu latimea de 600, respectiv 3000 mm.

Lv = π (240 cm + 0,3 cm) = 7545 mm

Astfel am gasit lungimile de 6000, respectiv 1545 mm.

Lv = lungimea desfasurata a virolei.

S = grosimea partii cilindrice.

Bibliografie:

Ing. Lucian Ioange, Paul Dinache, Gheorghe Popescu, Ioan Rotar - Masini, utilaje si instalatii in industria alimenatra, Ed.Ceres, Bucuresti 1986.

I. Iditoiu - Elemente de inginerie mecanica si constructia utilajului chimic, Ed.Institutul politehnic "Traian Vuia", Timisoara 1987.