Экономичные конструкции тонкостенных сосудов и аппаратов, их форма, типы и назначение

Большое распространение оболочек объясняется их экономичностью по сравнению с равнопрочными конструкциями, состоящими из плоских пластин. Например, при одной и той же площади F поперечного сечения сосуда и одинаковом постоянном внутреннем давлении наибольшие напряжения в стенке сосуда вдали от торцов при прямоугольной призматической форме (рисунок 1.14 а) будут в несколько десятков раз больше, чем при цилиндрической форме (рисунок 1.14 б). Это обусловлено тем, что в пластинах, образующих прямоугольный сосуд, вследствие изгиба наблюдается большая неравномерность распределения напряжений, чем в цилиндрической оболочке.

Рисунок 1.14- Прямоугольный и цилиндрический сосуды

Для упрощения и удешевления изготовления составляющим частям элементов конструкций придают простейшие геометрические формы − цилиндрическую, сферическую и коническую. Корпуса большинства сосудов и аппаратов представляют собой комбинацию этих простейших форм.

С точки зрения экономии материала и равномерного распределения напряжений, возникающих в материале стенок от нагрузок, наиболее благоприятной формой является сферическая. Сфера обладает наименьшей поверхностью на единицу объема, и при заданном давлении толщина ее стенки оказывается минимальной. Однако изготовление сферических оболочек более сложно и дорого, чем изготовление цилиндрических обечаек. Сфера − весьма неподходящая форма для размещения внутренних рабочих устройств аппарата и для организации тока взаимодействующих агентов. Поэтому сферическую форму придают или большим хранилищам для жидкостей и газов, в которых благодаря этому удается уменьшить вес конструкции (рисунок 1.15), или аппаратам, в которых наименьшее отношение их наружной поверхности к объему существенно важно для хорошей работы, как, например, в танках для жидкого кислорода.

Рисунок 1. 15 - Сферическое хранилище

В большинстве аппаратов основной рабочий объем ограничен цилиндрической обечайкой, сделанной из листового материала, или цилиндрическими обечайками с фланцами, т. е. царгами, а крышки делаются сферическими, эллиптическими или коническими.

Значительно реже применяются аппараты, ограниченные не поверхностями вращения, а плоскими стенками. Плоские стенки применяются только в аппаратуре, работающей при небольших перепадах давления. Плоские стенки невыгодны потому, что они плохо сопротивляются действующему на них давлению и расход металла на единицу полезного объема в таких конструкциях бывает более высок. Плоские стенки неудобны и из технологических соображений: их «ведет» и коробит при сварке; отливка аппаратов, ограниченных плоскими стенками, трудна и сопряжена с опасностью брака. Однако во многих случаях невозможно обойтись без применения плоских стенок, и они часто служат основными составными частями аппаратов. Такими частями являются трубные решетки теплообменников, тарелки колонных аппаратов, перегородки и т. д. При существовании перепада давлений, действующего на плоские элементы, они усиливаются ребрами, анкерными тягами, трубами и т. д