Bài giảng cơ sơ thiết kế máy ( combo full slides 8 chương )

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA CHẤT CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN CẤU TẠO THIẾT BỊ CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ĐẾN CẤU TẠO THIẾT BỊ CHƯƠNG 4: THÂN THIẾT BỊ CHƯƠNG 5: ĐÁY VÀ NẮP CHƯƠNG 6: MỐI GHÉP BÍCH (FLANGE) CHƯƠNG 7 CÁC BỘ PHẬN PHỤ CỦA THIẾT BỊ CHƯƠNG 8:THIẾT BỊ ÁP SUẤT CAO

BÀI GIẢNG

CƠ SƠ THIẾT KẾ MÁY

Nội dung

2

1 CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA CHẤT

2 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN CẤU TẠO THIẾT BỊ

3 CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ĐẾN CẤU TẠO THIẾT BỊ

4 CHƯƠNG 4: THÂN THIẾT BỊ

5 CHƯƠNG 5: ĐÁY VÀ NẮP

6 CHƯƠNG 6: MỐI GHÉP BÍCH (FLANGE)

7 CHƯƠNG 7 CÁC BỘ PHẬN PHỤ CỦA THIẾT BỊ

8 CHƯƠNG 8:THIẾT BỊ ÁP SUẤT CAO

Chương 1: Các khái niệm cơ bản khi tính toán, thiết kế thiết bị hóa chất

- Khi Tmt < 2500C,  Ttt = Tmt max

- Khi đun nóng thành và các chi tiết của thiết bị bằng ngọn lửa, khí nóng có nhiệt độ bằng và lớn hơn 250 0 C hoặc đun nóng bằng điện,

Ttt = Tmt + 500C

- Nếu có lớp bọc cách nhiệt, Ttt = Tmt + 200C

4

ÁP SUẤT

Áp suất là một đại lượng chủ yếu khi tính sức bền cho các chi tiết của thiết bị là áp suất của môi trường bên trong

thiết bị, được chia làm bốn loại:

• Áp suất làm việc (p m ): là áp suất của môi trường trong

thiết bị sinh ra khi thực hiện các quá trình, không kể áp suất tăng tức thời (khoảng 10% áp suất làm việc) ở

trong thiết bị

• Áp suất tính toán là áp suất của môi trường trong thiết

bị, được dùng để tính thiết bị theo độ bền và độ ổn định,

pt là áp suất bên trong và áp suất bên ngoài pn

Nếu áp suất thủy tĩnh của thiết bị (chứa chất lỏng):

- ≤ 5% áp suất tính toán thì p = p m

- > 5% áp suất tính toán thì áp suất tính toán ở đáy thiết bị được xác định theo công thức:

p = pm + ρl.g.H (1.1)

+ Đối với tháp cao: xác định áp suất tính toán cho từng khu

vực theo chiều cao của tháp

+ Đối với các thiết bị chứa và các thiết bị dùng để chế biến

các môi trường cháy nổ thì chọn áp suất tính toán theo bảng 1-1

+ Đối với các thiết bị dùng để chế biến và chứa các chất khí thì

áp suất tính toán luôn bé hơn áp suất hơi của chúng ở 50 0 C Theo bảng 1-2, áp suất tính toán tối thiểu của các chất khí

+ Đối với các thiết bị đúc có áp suất làm việc nhỏ hơn 0.2

N/mm 2 thì nên chọn áp suất tính toán lớn hơn 0.2 N/mm 2

6

Bảng 1-1: Áp suất tính toán trong thiết bị dùng để

chứa và chế biến môi trường cháy nổ

Áp suất làm việc của môi

trường (p m và p m-n ) Áp suất tính toán p và p n xupap an toàn P Áp suất (dư) ở xp

N/mm 2

Không có áp suất dư:

Với dung tích thiết bị < 30 m 3

Áp suất làm việc của môi

trường (p m và p m-n ) Áp suất tính toán p và p n xupap an toàn P Áp suất (dư) ở xp

N/mm 2

0.01 0.005

-

Bảng 1-2: Áp suất tính toán tối thiểu trong thiết bị

• Áp suất gọi: là áp suất cực đại của môi trường chứa

trong thiết bị cho phép sử dụng (không kể áp suất

thủy tĩnh) ở nhiệt độ của thành thiết bị là 200C Nếu nhiệt độ cao hơn 200C thì áp suất gọi cũng giảm

tương ứng với sự giảm áp suất cho phép ở nhiệt độ này đối với mỗi kim loại

Bảng 1-3 Giá trị áp suất gọi đối với các thiết bị hóa chất tiêu

0.16*

-1.6 16 160

0.2*

-2.0 20 200

0.25*

-2.5 25 -

0.3 3.2 32.5 -

0.4*

-4.0 40 -

0.5*

-5.0 50 -

0.6 6.4 63 -

-0.07 - - 70 -

0.8 8.0 80 -

-* Dùng cho các chi tiết làm bằng kim loại màu

Áp suât thử: là áp suất dùng để thử độ bền và độ

kín của thiết bị

Nước thường được dùng để thử thủy lực

Đại lượng áp suất thử pt đối với phần dưới của thiết

bị được xác định theo công thức 1-1, thay pm bằng

áp suất thủy lực theo bảng 1-4

Các thiết bị làm việc ở áp suất thường được thử

bằng nước hoặc dầu hỏa thấm ướt cho các mối hàn

Các thiết bị làm việc ở chân không với áp suất lớn hơn 600 N/mm2 (60mm cột nước) thường được thử với áp suất dư bên trong khoảng 0.2N/mm2

10

Dạng chế tạo thiết bị Áp suất tính toán p và p n

Chú thích: các đại lượng áp suất thử thủy lực trên không tính đến áp suất thủy

tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị

Dạng chế tạo thiết bị Áp suất tính toán p và p n

Hàn, rèn ≥ 0.5

Đúc

Không phụ thuộc vào áp suất

Chú thích: các đại lượng áp suất thử thủy lực trên không tính đến áp suất thủy

Bảng 1-4: P tl tiêu chuẩn để thử các tb làm việc có áp suất dư

Phân loại Ký hiệu Vai trò Mối liên hệ

Áp suất làm việc Pm Áp suất môi trường trong

thiết bị Với p/p1.1, bảng 1-1n theo công thức

Áp suất tính

toán

P / Pn Áp suất được dùng để tính

bền và ổn định cho thiết bị

Với as gọi theo bảng 1.2

Áp suất gọi Áp suất lớn nhất của môi

trường trong thiết bị cho phép sử dụng

Áp suất thử Pt Áp suất được dùng để

kiểm tra độ bền, độ kín của thiết bị

Với p/pn theo công thức 1.1, bảng 1-4

Bảng 1-5: tóm tắt về áp suất

12

Ví dụ 1.1:

Cho thiết bị phản ứng như hình vẽ, với phản ứng xảy ra như sau:

A+ B C + D

Biết nhiệt độ làm việc của thiết bị là

300 0 C, áp suất dư là 2 bar, chiều cao mực chất lỏng là 0.5m, khối lượng riêng chất lỏng là 1100 kg/m 3

Thiết bị được gia công theo phương pháp hàn, cho áp suất thủy lực 0.35 N/

Nhiệt độ làm việc trong thiết bị: tmt = 300 0 C

(Làm giống như tuần trước)

- Trường hợp môi trường xung quanh là khí quyển

• Áp suất thử:

Thiết bị được gia công theo phương pháp hàn có

áp suất tính toán Ptt = 0.3 hoặc 0.2 N /mm2

Theo bảng 1-4 sử dụng công thức ,

N /mm2

 

Ứng suất cho phép

• Là một trong những cơ sở để tính bền và ổn định cho thiết

bị là ứng suất cho phép ở các chi tiết

• Đặc tính bền phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Công nghệ chế tạo (hàn, đúc, rèn, dập…)

- Chế độ nhiệt luyện

- Tính chất tác dụng của tải trọng (tĩnh, động)

- Kích thước chi tiết (bề dày)

- Đặc điểm môi trường, điều kiện sử dụng

16

Ứng suất tiêu chuẩn [N/mm2, N/m2] phụ thuộc vào đặc trưng bền của vật liệu ở nhiệt độ tính toán và được xác định theo các công thức sau:

Các ứng suất cho phép tiêu chuẩn của các chi tiết làm bằng vật liệu giòn có đặc tính bền khác nhau và phụ thuộc vào tải trọng (kéo, nén, uốn ) được xác định

theo công thức sau:

(1) Dùng công thức (1-5) khi không có số liệu về giới hạn bền lâu

(2) Theo lasinxki A, A và Tonchinxki A, P

(1) Dùng công thức (1-5) khi không có số liệu về giới hạn bền lâu

(2) Theo lasinxki A, A và Tonchinxki A, P

Bảng 1-5 Lựa chọn công thức để xác định ứng suất cho

phép tiêu chuẩn của các kim loại cơ bản

20

Hệ số an

toàn

Thép carbon, hợp kim thấp, hợp kim,, hợp kim cao, titan

hợp kim của chúng

a Ở điều

kiện khác

+ môi trường độc và nguy hiểm = 0.9 1.0

+ thiết bị áp suất cao, độc, dễ cháy nổ, được gia nhiệt = 0.9 + thiết bị có bọc cách nhiệt = 0.95

ứng suất cho phép tiêu chuẩn N/mm 2

 

22

Hệ số bền mối hàn

Khi ghép các chi tiết lại với nhau bằng mối hàn, phần lớn

chúng kém bền hơn so với vật liệu nguyên khối.

Khi tính độ bền của các chi tiết ghép bằng mối hàn thì thì

thêm hệ số bền mối hàn vào công thức tính.

Đặc trưng cho độ bền của mối ghép hàn so với độ bền của vật liệu cơ bản Giá trị hệ số bền mối hàn của các vật liệu phi kim loại Giá trị hệ số bền mối hàn thông dụng nhất đối với kim loại cơ bản phụ thuộc vào kết cấu mối hàn được cho ở bảng 1-7

Giá trị hệ số mối hàn của vật liệu phi kim loại được cho trong bảng 1-8

 

Hệ số bổ sung bề dày tính toán

Các chi tiết thiết bị hóa chất chịu nhiều tác dụng hóa học

và cơ học của môi trường hoạt động

Do đó cần phải bổ sung bề dày tính toán của các chi tiết

và bộ phận đó một đại lượng C:

C = C a + C b + C c + C o

Với:

Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm

C b : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm

Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm

C : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, lắp ráp, mm

Ca : phụ thuộc vào sự thẩm thấu hóa học của môi trường vào bên trong vật liệu và phụ thuộc vào thời hạn sử dụng thiết

bị Thời hạn sử dụng thiết bị hóa chất khoảng 10 15 năm

Nếu chọn thời hạn sử dụng thiết bị 10 năm:

+ Ca = 0 đối với vật liệu bền trong môi trường có độ ăn mòn không lớn hơn 0.05mm/năm

+ Ca = 1mm đ/v vật liệu tiếp xúc với môi trường có độ ăn mòn lớn hơn, từ 0.05 đến 0.1mm/năm Nếu độ ăn mòn

lớn hơn 0.1mm/năm thì căn cứ vào thời hạn sử dụng thiết

bị mà xác định Ca cho mỗi trường hợp cụ thể

Nếu hai phía của thiết bị tiếp xúc với môi trường ăn

mòn thì hệ số Ca phải lấy lớn hơn

 

26

Đối với thiết bị hóa chất có thể bỏ qua Cb Chỉ tính hệ

số Cb khi môi trường bên trong thiết bị chuyển động với v 20m/s (chất lỏng) và 100m/s (chất khí), hoặc môi trường chứa nhiều hạt rắn

Cc phụ thuộc vào dạng chi tiết, công nghệ chế tạo thiết bị

 

Ví dụ 1.2: cho thiết bị phản ứng ở ví dụ 1.1, sử dụng thép

CT3 (cán) để chế tạo thiết bị

Thiết bị có đường kính D=600mm được gia công bằng

phương pháp hàn (2 phía) ở nhiệt độ cao, làm việc ở môi trường ăn mòn cao với tốc độ ăn mòn 0.12mm/năm và thời hạn làm việc trong 10 năm.

Biết bề dày tối thiểu thân thiết bị là 9.95mm

a Tính ứng suất cho phép của thép khi chế tạo thiết bị trên

b Tính hệ số bổ sung ăn mòn hóa học

c Tính bề dày thực thân thiết bị

28

Chương 2: ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT

LIỆU ĐẾN CẤU TẠO THIẾT BỊ

CÁC THIẾT BỊ LÀM BẰNG THÉP HỢP KIM CAO

Các thiết bị hóa chất thường sử dụng théo không gỉ do

làm việc ở môi trường ăn mòn cao và áp suất cao

Khác biệt giữa cấu tạo thiết bị hàn làm bằng thép không gỉ

và théo carbon thường:

1. Cần giữ tổ chức austenit và thành phần hóa học của

thép ở mối hàn một thời gian để đảm bảo bền ăn mòn

và cơ tính

2. Tính chất vật lý khác nhau (hệ số nở vì nhiệt, hệ số

dẫn nhiệt…)

3. Thép hợp kim đắt hơn

Thép hợp kim

• Đun nóng đồng đều, không đun quá lâu vào một chổ

• Khi ghép 2 chi tiết bằng mối hàn thì bề dày phải

Hình 3-1 : Hàn đầu múc trục

rỗng

Hình 3-2: Hàn cánh lên trục

Hình 3-3: hàn thân với vỉ

• Các mối hàn không nên tập trung gần nhau, khoảng cách giữa các mối hàn nên lớn hơn 50mm

Hình 3-8: Hàn gân tăng cứng

Xét tính chất vật lý của 2 loại thép khác nhau có ảnh

hưởng của thiết bị hàn:

- Hệ số nở vì nhiệt của thép không gỉ 18-8 (α = 17.3x10

Þ Để giảm ứng suất dư cần tạo ra ở chổ gần mối hàn có kết cấu mềm bù dãn nở (hình 3-9a)

Hình 3-10: Hàn vòng tăng cứng

Thép Carbon

Thép hợp kim

Hệ số dẫn nhiệt và nở vì nhiệt cần được chú ý khi gia công các chi tiết lắp ghép cho các thiết bị trao đổi nhiệt:

Ví dụ: thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động trong môi trường có

Trường hợp hệ số cấp nhiệt α1 và α2 rất lớn và bằng nhau

- với vật liệu thép carbon:

= = 3873.3 W/m2.0C

- với vật liệu thép không gỉ:

= = 1880.8 W/m2.0C

 

Hợp kim tốt

Không nên hàn trực tiếp thép C trực tiếp vào thân tb => giảm bền

 Khi hàn các chi tiết với các vật liệu khác nhau có nhiệt độ

nóng chảy gần nhau (vd: thép thường và thép cromniken) thì trong khi hàn các kim loại bị nóng chảy và xảy ra sự chuyển dịch, khuếch tán các nguyên tố hợp kim vào thép carbon => biến đổi thành phần, tính chất ở khu vực hàn => chống ăn mòn giảm

CẤU TẠO THIẾT BỊ NHÔM

Do cơ tính thấp, dễ chảy lỏng và oxy hóa nên khi thiết kế

và chế tạo cần chú ý:

• Không dùng hàn thiếc

• Kết cấu mối hàn cũng giống như thép không gỉ, các chi tiết có chiều dày như nhau và hàn giáp mối

CẤU TẠO THIẾT BỊ ĐỒNG

• Đồng là loại vật liệu quý và mềm => ảnh hưởng đến các nguyên công phụ khi gia công phôi, hình dáng kết cấu thiết bị

Sóng tăng cứng

Không có moment uốn phụ => tốt

nhất

Cuống mép => tăng cứng,

tăng bền Hàn thiết cứng

Hình 3-16: Hàn ống nối

Đối với thiết bị cao áp, các ống dài, đường kính nhỏ được sử dụng để mối ghép chịu lực nhỏ, lực trên 1 đơn

vị diện tích nhỏ

Đối với mối hàn thiếc, cần phải ghép mí tấm đồng trước rồi hàn

sau

=> Tăng độ cứng của mối ghép, kín

• Mối ghép bằng đinh tán:

- thường dùng cho thiết bị bằng nhôm, đồng

- Mối ghép bền, tránh được biến dạng cong

- Nên tán ở trạng thái lạnh vì đồng mềm và tránh bị oxy hóa

- Lấy bề dày của chi tiết có bề dày bé để tính toán kết cấu

- Hệ số bền của mối tán một dãy là = 0.6 và mối tán 2 dãy là = 0.7

- Ứng suất cho phép khi cắt của mối đinh tán phụ

thuộc vào nhiệt độ thành thiết bị:

Ưu điểm: nhanh, khi run

không tự tháo ra, khi

nóng vật liệu nở ra làm

cho các mối ghép càng

chặt

Nhược điểm: bị phá hủy khi tháo

mối ghép

Mối ghép tháo được của thiết bị đồng

cứng

Chiều dày thân quá mỏng => một phần thân sẽ chìm theo mũ đinh tán

Ăn mòn điện hóa

CẤU TẠO THIẾT BỊ TRÁNG MEN

 Men có tính chống ăn mòn cao nên được dùng nhiều trong nhà máy hóa chất, thực phẩm và dược phẩm

 Chất lượng lớp men phụ thuộc vào hai yếu tố quan trọng nhất:

+ lựa chọn vật liệu làm thiết bị

 Khối lượng nhẹ, bề dày tại mối ghép của các chi tiết bằng nhau, độ co

Hình 3-21: Hàn tai treo và chân dỡ với thiết bị

men

Sự thoát khí khi nung thiết bị đã tráng men gây ra sự thoát khí ở mối hàn, là nguyên nhân chính xuất hiện bọt khí trong lớp men

Hình 3-24: Hàn mặt bích

phẳng

Mối hàn không liên tục

=> tạo khe hở để khí thoát ra => tránh được

sự phồng men

Mối hàn liên tục => bọt khí xuất hiện do sự thoát không khí ở khe hở giữa mặt bích và thân => phần men tại vị trí đó

bị rộp phồng => sai

Chổ thân thiết bị hàn với ống nối cần phải uốn mép => men sẽ bám chắc vào chổ nối

Không nên có kết cấu gây ra ứng suất mép cục bộ trong giai

đoạn làm nguội => dễ gây phá vỡ, nứt gãy lớp men

Hạn chế dùng gân tăng cứng vì cản trở sự co ngót của thiết bị,

xuất hiện ứng suất cục bộ

Ứng suất mép cục bộ gây

ra dịch chuyển phương hướng kính khi làm nguội

Khi dãn nở theo hướng trục lên xuống không ảnh hưởng lớp men

Mặt bích đúc, bề dày thân và

mặt bích bằng nhau

Ít hư hỏng, chất lượng lớp men

tốt Dùng nhiều bulong có đk nhỏ,

khoảng cách gần nhau => giảm

CẤU TẠO CÁC CHI TIẾT BẰNG VẬT LIỆU ÉP

Các chi tiết chế tạo bằng tấm chất dẻo sẵn có không phức tạp, khi gia công với phương pháp nhe thép nhưng cần sử dụng nhiệt độ gia nhiệt 100 – 160 0C

Khi ép các chi tiết bằng chất dẻo cần đảm bảo các yêu cầu sau:

1. chất lượng vật ép cao, ít phế phẩm

2. Tiêu hao ít nguyên liệp ép

3. Dễ tháo sản phẩm ra khỏi khuôn và lõi

4. Ít phải sửa chữa và gia công cơ sản phẩm

Các yếu tố cần chú ý khi gia công chế tạo

1 Bề dày sản phẩm không nên quá lớn Khi chi tiết có bề

dày khác nhau cần có đoạn chuyển tiếp để bề dày thay đổi

từ từ

2 Góc lượn và bán kính cong

R 0.5 – 1.5 mm

Rn 5 – 10 mm  

Thay góc nhọn bằng góc lượn

ở các chổ chuyển tiếp để => giảm góc thay đổi => Tăng bề dày ở góc lượn

Không nên làm gân cao đến bề mặt gia công => giảm chiều cao gân để dễ gia

công

4 Độ nghiêng

có độ nghiêng theo hướng chiều ép để

dễ tháo khuôn và

tháo lõi khỏi vật phẩm

5 Mép chi tiết: không nên làm quá mỏng và quá dày

=> nguyên tắc bền dày bằng nhau

Cần độ dẻo cao sai

6 Lỗ ở các chi tiết ép:

- Cần phải làm trong khi gia công ép Tuyệt đối không nên khoan/dùi sau khi đã gia công

- Ở lỗ nên để màng mỏng

- Lỗ xuyên thủng thẳng đứng L 10 D

- Lỗ không xuyên thủng L 7.5 D

- Lỗ lệch tâm : L 2 D

T = D

K = 0.75 D

7 Khóa bên trong: làm khuôn ép phức tạp và giảm

năng suất ép

Phức tạp, khó khăn khi làm

khuôn Đơn giản

Hình 3-38 vật phẩm gồm 2 nửa để tránh khoét bên trong

Gân ở trong khó gia

công

Gân ở ngoài dễ gia

Không hợp lý

8 Ren:

 Khi đường kính ren > 5 mm tạo ren bằng cách ép

 Dùng ren mịn ( ren bước ngắn)

 Lúc vặn vít cần để cách mép chi tiết 1 đoạn để tránh đầu mút ren không bị gãy

 Nếu vít bằng kim loại thì cần ép bạc kim loại đã làm ren vào chi tiết chất dẻo

Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ĐẾN

CẤU TẠO THIẾT BỊ