Расчет химических аппаратов.

[gemini74 1]

Здравствуйте.

Тема будет интересна тем, кто занимается проектированием химических аппаратов, пластиковых , или металлических. Имеется выпарной аппарат, полипропиленовый . Номинальный объем -6,5 м3, рабочий -5 м3.Рабочее давление - разряжение до 0,4 -3 кПа. Рабочая температура жидкости - до 90 град С. Диаметр корпуса - 2000 мм. Есть результаna гидростатического нагружения с учетом температуры на внутренней поверхности стенок. Продел текучести полипропилена [25 МПа ]. Прочность сильно падает с температурой. При 25 град С все нормально. Но при 90 град на стенках выдает неадекватные результаты. Мах напряжение на краю патрубка .  В расчете не учитывается разряжение. Кто подскажет, поделится опытом расчетов на устойчивость сосудов под вакуумом?

 

Edited July 12, 2024 by gemini74

[Jesse 986]

3 часа назад, gemini74 сказал:

При 25 град С все нормально. Но при 90 град на стенках выдает неадекватные результаты.

у вас неравномерный нагрев или чё?
При равномерном нагреве стеснённых температурных деформаций не будет, ёмкость просто расширится и всё. Ну около заделок может быть чё то.. Уверены что дело в температуре, а не в давлении?

 

3 часа назад, gemini74 сказал:

Кто подскажет, поделится опытом расчетов на устойчивость сосудов под вакуумом?

вот у вас вакуум и вы написали слово "устойчивость". А на потерю устойчивости проверяли? Чтоб не схлопнулся аппарат..

3 часа назад, gemini74 сказал:

выпарной аппарат, полипропиленовый

 

3 часа назад, gemini74 сказал:

Прочность сильно падает с температурой. При 25 град С все нормально. Но при 90 град на стенках выдает неадекватные результаты.

опять таки: от температуры снижается модуль Юнга и предел прочности материала. Вообще говоря, полипропилен - это гиперэластичный материал, и по линейной теории его корректно считать только при малых деформациях..
В общем, попробуйте поиграться в нелинейном расчёте

[gemini74 1]

Нагрев можно сказать равномерный.  Заделки нет , аппарат стоит на полу под собственным весом, магистрали пластиковых  трубопроводов  снизу и сверху на колонне и на корпусе. Как точно происходит процесс я особо не вдавался. Но получается постоянная тепловая нагрузка на стенки до высоты примерно 1500 мм, при общей высоте корпуса диаметром 2000 мм, и высотой этой части аппарата 2000 мм. А выше колонна . В колонне конструкция не особо тяжелая из ярусов метал. тарелок. Дело и в давлении, а вернее в некотором вакууме. Его я не знаю как учесть. И дело в температуре. Материал корпуса полипропилен PP-H, гомо полимерный. Материал библиотечный , тот что был в солиде. В идеале нужно знать функцию его прочности от температуры. Ее трудно где то найти. Если брать температуру нормальную - 25 град. С, т.е без тепловой нагрузки, то проблем нет. Simulftion считает с хорошим запасом. Все зеленое.  А вот с температурой все сильно ухудшается. И это без учета вакуумного разряжения, которое вроде не большое. Я не знаю как правильно поставить задачу на потерю устойчивости с моими данными. Буду пробовать конечно, но пока не знаю смогу ли корректно растолковать результат. 

2 часа назад, Jesse сказал:

у вас неравномерный нагрев или чё?
При равномерном нагреве стеснённых температурных деформаций не будет, ёмкость просто расширится и всё. Ну около заделок может быть чё то.. Уверены что дело в температуре, а не в давлении?

 

вот у вас вакуум и вы написали слово "устойчивость". А на потерю устойчивости проверяли? Чтоб не схлопнулся аппарат..

 

опять таки: от температуры снижается модуль Юнга и предел прочности материала. Вообще говоря, полипропилен - это гиперэластичный материал, и по линейной теории его корректно считать только при малых деформациях..
В общем, попробуйте поиграться в нелинейном расчёте

Про нелинейную задачу не думал. Возможно попробую , если комп осилит. 

[AlexKaz 1,876]

15 часов назад, gemini74 сказал:

Продел текучести полипропилена [25 МПа ]. Прочность сильно падает с температурой. При 25 град С все нормально. Но при 90 град на стенках выдает неадекватные результаты. Мах напряжение на краю патрубка .

По скрину макс. 21 МПа, что ниже предела текучести 25 МПа.

Покажите сетку на патрубке и рядом.

[gemini74 1]

14 минут назад, AlexKaz сказал:

По скрину макс. 21 МПа, что ниже предела текучести 25 МПа.

Покажите сетку на патрубке и рядом.

Вот результат при 90 град. Предыдущий который дан это при 60 град. 

[AlexKaz 1,876]

Вот здесь на стр. 43 нужные данные для разной температуры https://pureadmin.unileoben.ac.at/ws/portalfiles/portal/2471912/AC07081066n01vt.pdf

Обычно в софте есть возможность задать несколько кривых при разных температурах чтобы уточнить расчёт.

кривую упрочнения для t> 80 С можно получить по сути простым масштабированием в Excel по известным двум кривым при 80 и при комнатной.

 

Судя по кривых упрочнения в статье, полимер во фланце уйдёт в текучесть. По это допустимо, при условии если не забывать смотреть на макс деформации. До разрушения далеко.

Upd. Так это не 90С было...

Edited July 13, 2024 by AlexKaz

[gemini74 1]

[AlexKaz 1,876]

2 минуты назад, gemini74 сказал:

Вот результат при 90 град. Предыдущий который дан это при 60 град. 

Фланец закреплён? Какие ГУ на нём?

[gemini74 1]

Нет. Фланец не закреплен будем считать. К нему подходит пластиковый трубопровод с таким же фланцем. Никаких отдельных ГУ нет.

[AlexKaz 1,876]

Температуру 90С задали только на внутренней поверхности? А что на внешней? Комнатная? Если комнатная - на внешней надо задать условия конвекции : комнатную + теплоотдачу в районе 6-10.

Edited July 13, 2024 by AlexKaz

[gemini74 1]

Только что, AlexKaz сказал:

Температуру 90С задали только на внутренней поверхности? А что на внешней? Комнатная? Если комнатная - На внешней надо задать условия конвекции - комнатную + теплоотдачу в районе 6-10.

Да, температура только от жидкости внутри. Наружная не задана. Задачу считал упрощенно без процесса теплообмена. Т.е получилось более критические условия. 

14 минут назад, AlexKaz сказал:

Вот здесь на стр. 33 нужные данные для разной температуры https://pureadmin.unileoben.ac.at/ws/portalfiles/portal/2471912/AC07081066n01vt.pdf

Обычно в софте есть возможность задать несколько кривых при разных температурах чтобы уточнить расчёт.

кривую упрочнения для t> 80 С можно получить по сути простым масштабированием в Excel по известным двум кривым при 80 и при комнатной.

 

Судя по статье, полимер во фланце уйдёт в текучесть. По это допустимо, при условии если не забывать смотреть на макс деформации. До разрушения далеко.

Да, на графиках я так понял сильно падает напряжение разрушения . У них дана температура 80 град. Насчет того , что потек , сомневаюсь , что можно сказать о сохранении работоспособности, даже при малых деформациях. Они получаются в локальных зонах около 3...4 мм. 

[AlexKaz 1,876]

5 часов назад, gemini74 сказал:

получилось более критические условия. 

Немного не реалистичные. На результатах вероятно не сильно скажется. Стенка не теплоизолирована, поэтому конвекция нужна (если в SW Simulation она не выставлена по умолчанию).

5 часов назад, gemini74 сказал:

деформациях. Они получаются в локальных зонах около 3...4 мм. 

Вы привели абсолютные перемещения, а не деформации.

Два стягивающих пояса из полипропилена?

Как по мне, Simulation намекает, что стык бочки с фланцами нужно вести при большей толщине полипропилена рядом с фланцами. Посмотрите как авиаторы или строители лодок из композитов вживляют такие фланцы и другие элементы в планеры и корпуса. Они не ставят фланец к корпусу под 90 градусов с мелким радиусом перехода.

Edited July 13, 2024 by AlexKaz

[Jesse 986]

4 часа назад, AlexKaz сказал:

Стенка не теплоизолирована, поэтому конвекция нужна (если в SW Simulation она не выставлена по умолчанию).

да там товарищщ @gemini74 просто в статическом расчёте температуру на грань приложил, без предварительно выполненного теплового расчёта..) Поэтому, видимо, такие большие напряжения от температуры.
Обычно сосуды считают в установившемся тепловом режиме, когда вся стенка прогрета одинаково. Да и то это важно когда сосут толстостенный. А тут относительно тонкая стенка, да ещё и перепад темп. достаточно мал..
Чует моё сердце, что свойства материала (коэфф-т темп. расширения, теплопроводнось) криво вбиты..

[vik_q 149]

2 часа назад, Jesse сказал:

Чует моё сердце, что свойства материала (коэфф-т темп. расширения, теплопроводнось) криво вбиты..

Там ещё и стенка крупными солидами.

Вот делали бы стенку шелами - не было бы вопросов про разницу температур :)

 

а почему тема в разделе про флоу?

Edited July 13, 2024 by vik_q

[jtok 883]

Свойства PP от температуры тут немного обсуждали:

 

[gemini74 1]

13.07.2024 в 18:38, Jesse сказал:

да там товарищщ @gemini74 просто в статическом расчёте температуру на грань приложил, без предварительно выполненного теплового расчёта..) Поэтому, видимо, такие большие напряжения от температуры.
Обычно сосуды считают в установившемся тепловом режиме, когда вся стенка прогрета одинаково. Да и то это важно когда сосут толстостенный. А тут относительно тонкая стенка, да ещё и перепад темп. достаточно мал..
Чует моё сердце, что свойства материала (коэфф-т темп. расширения, теплопроводнось) криво вбиты..

Вот два расчета с разными коэффициентами конвективной теплоотдачи. Не знаю , как точно его рассчитать. Задал в первом случае a=4, Во -втором a=40 Вт /м2 *К. В теории он может сильно варьироваться , в сотни раз. Но суть в том, что в стационарном процессе температура на внутренний стороне стенки достигнет 90 град . Свойства материала библиотечные. Может не совсем соответствуют реальной модификации полипропилена.

[Jesse 986]

4 часа назад, gemini74 сказал:

втором a=40 Вт /м2 *К. В теории он может сильно варьироваться , в сотни раз.

Берите худший вариант по перепаду.

Проверьте самое главное коэфф температруного расширения: термические напряжения возникают из-за стесненных температурных перемещений/деформаций, а последние зависят от коэфф темп расширения. Его можно, к слову, сделать зависимым от температуры программе. 

Можно ещё вручную оценку сделать по простой формуле dL= alfa*L*dT, посмотреть на сколько сожмётся обечайка, "сжать" на величину этих деформаций кольцо обечайкм и рассчитать напряжения в ней

[jtok 883]

17 часов назад, Jesse сказал:

самое главное коэфф температруного расширения: термические напряжения возникают

Из моего опыта: для полипропилена напряжения от термических расширений - это не самое главное.

У него маленький модуль упругости, соответственно при температурных деформациях напряжения будут малы.

 

И при увеличении температуры этот модуль падает:

Скрытый текст

 

В расчете нижней части нужно брать модуль упругости и предел прочности PP для 90 градусов и смотреть перемещения и напряжения.

 

Т.е. у вас мах. напряжения не должны превышать в зоне нагрева 3,25МПа (в 4 раза меньше, чем при 20град.С), а это очень мало я вам скажу:

Скрытый текст

И еще - вы считаете аппарат солидами. Это неправильно, напряжения и всё остальное у вас не будут не верными.

 

Солидами можно считать только в том случае, когда перемещения узлов (вершин треугольничков) много меньше размера конечного элемента (ребро треугольника).

Иллюстрация ниже:

Скрытый текст

На рисунке красным показан размер конечного элемента в деформированном состоянии (т.е. там, где он окажется после приложения нагрузки).

Синим - его первоначальное положение для незагруженной модели.

Если перемещения (черным цветом) больше или близки к размеру конечного элемента (ребро треугольника), то результаты (перемещения и напряжения) сильно приблизительные. Эти перемещения должны быть как минимум раз в 10 меньше размера конечного элемента, только в этом случае солидами считать нормально.

 

Можно конечно включать галку "Большие перемещения", но это полумеры. Изменение размера конечного элемента тоже не особо помогает, т.к. он ограничен толщиной стенки.

 

Для решения этой проблемы придумали другой конечный элемент - оболочки (шеллы, Shells), об этом вам писал выше @vik_q .

Перемещения этого конечного элемента могут быть много больше его размера, результаты (перемещения и напряжения) близки к экспериментальным.

 

PS: Вообще, первичны перемещения. Напряжения вычисляются потом, после определения перемещений, т.к. напряжения связаны с перемещением через модуль упругости. Поэтому важно получить достоверные перемещения, а остальное приложиться.

Edited July 16, 2024 by jtok

[Jesse 986]

16.07.2024 в 15:40, jtok сказал:

И при увеличении температуры этот модуль падает:

ну это конечно тоже да

[Jesse 986]

16.07.2024 в 15:40, jtok сказал:

Т.е. у вас мах. напряжения не должны превышать в зоне нагрева 3,25МПа (в 4 раза меньше, чем при 20град.С), а это очень мало я вам скажу:

ну вот.  таким  с маленьким пределом текучести/прочности как раз имеет смысл определить верно термические напряжения). МОдуль то может быть и маленький, а коэфф-т темп. расширения большой. В 3МПа очень лихо можно будет набрать)