Напряженно-деформированное состояние торообразного баромембранного аппарата комбинированного типа

Введение. В настоящее время очистка сточных вод и технологических растворов мембранными методами считается перспективным способом обезвреживания жидких отходов. Поэтому вопрос разработки инженерной методики расчета баромембранных аппаратов является актуальным. Рассмотрены работы по методам расчета конструктивно-технологических параметров, проектированию мембранного оборудования, исследованиям технологических особенностей мембранных устройств, подбору расчетных схем, методов расчета на прочность и жесткость.

 Материалы и методы. Рассмотрены базовые элементы корпуса мембранного аппарата комбинированного типа, предложена расчетная схема и описана методика расчета на прочность и жесткость основного несущего элемента — крышки.  

Результаты исследования. Методика позволяет определить необходимые размеры оболочек и пластин для разработки мембранного аппарата комбинированного типа, оценить прочностные свойства аппаратов данного класса. Элементы конструкции аппарата (в первую очередь, несущие крышки) должны удовлетворять не только требованиям эффективности, качества разделения и очистки растворов, но и условиям безопасной эксплуатации. Поэтому проектирование крышек аппаратов должно производиться исходя из оптимальных конструктивных размеров (толщин круглых пластин, тороидальных оболочек и опорных колец). Для апробирования методики выполнен расчет напряженно-деформированного состояния конструкции мембранного аппарата на прочность и жесткость. В качестве примера рассмотрена одна крышка, представленная в форме открытой торообразной оболочки. Проведенная оценка применения данной методики, с учетом того, что оболочка сопряжена по внутреннему диаметру с круглой пластиной, а по внешнему — с кольцом, позволила определить необходимые размеры оболочек и пластин для проектирования и разработки аппарата.

Обсуждение и заключения. Полученная методика аналитического описания механического воздействия на элементы комбинированного аппарата и выполненный пример расчета торообразной оболочки и пластины позволяют оценить напряженно-деформированное состояние конструкции на прочность и жесткость. Приведены результаты расчета крышек из различных материалов при различном давлении. Нагружение комбинированного аппарата трансмембранным давлением позволило определить необходимые размеры оболочек и пластин для его проектирования и разработки. 

1. Development of a Membrane Distillation module for solar energy seawater desalination / A. Cipollina, M. G. Di Sparti, A. Tamburini, G. Micale // Chemical Engineering Research and Design. — 2012. — Vol. 90 (12). — P. 2101−2121. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2012.05.021

2. Многокритериальная оптимизация параметров газоструйных аппаратов / Т. А. Юсупов, В. М. Емельянов, А. М. Гумеров, А. И. Рудаков // Вестник Казанского технологического университета. — 2003. — №2. — С. 131–136.

3. Иванец, В. Н. Интенсификация процесса смешивания путем оптимизации конструкции аппарата / В. Н. Иванец, А. В. Сибиль // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. — 2010. — №4(316). — С. 66–67.

4. The potential to enhance membrane module design with 3D printing technology / Jian-Yuan Lee, Wen See Tan, Jia An [et al.] // Journal of Membrane Science. — 2016. — Vol. 499. — P. 480–490. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.11.008

5. Volfson, B. New Russian National Standards on Pressure Vessel and Apparatus Design and Strength Calculation / B. Volfson // Proc. ASME 2009 Pressure Vessels and Piping Conference. Vol. 1: Codes and Standards. Prague, Czech Republic. — 2009. — P. 531–535. https://doi.org/10.1115/PVP2009-77840

6. Теоретические аспекты прогнозирования производительности баромембранных установок для разделения жидких полидисперсных систем / С. П. Бабенышев, С. А. Емельянов, В. Е. Жидков [и др]. // Научное обозрение. — 2012. — №5. — С. 468–470.

7. Кочетов, В. И. Оптимизация конструктивных параметров фланца электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа / В. И. Кочетов, В. Ю. Попов // Механики XXI веку. — 2012. — №11. — С. 92–96.

8. Kovaleva, O. Development and calculation of an electrobaromembrane apparatus for purifying process solutions / O. Kovaleva, S. Lazarev, S. Kovalev // Chemical and Petroleum Engineering. — 2017. — Vol. 53 (1/2). — P. 21–25. https://doi.org/10.1007/s10556-017-0287-9

9. Improved design of an electrobaromembrane apparatus and calculation of the parameters of the housing chamber when subjected to the effect of excess pressure / V. I. Kochetov, S. I. Lazarev, S. V. Kovalev [et al.] // Chemical and Petroleum Engineering. — 2018. — Vol. 54 (1–2). — P. 82−86. https://doi.org/10.1007/s10556-0180443-x

10. Flat-chamber electrobaromembrane apparatus with improved characteristics and its calculation method / S. I. Lazarev, S. V. Kovalev, O. A. Kovaleva [et al.] // Chemical and Petroleum Engineering. — 2019. — Vol. 55 (1–2). — P. 114−121. https://doi.org/10.1007/s10556-019-00590-0

11. Gaydzhurov, P. P. Study of stress-strain states of a regular hinge-rod constructions with kinematically oriented shape change / Peter P. Gaydzhurov, Elvira R. Iskhakova, Nadezhda G. Tsaritova // International journal for computational civil and structural engineering. — 2020. — Vol. 16 (1). — P. 38–47. https://doi.org/10.22337/25879618-2020-16-1-38-47

12. Соловьев, А. Н. Метод конечных элементов в моделировании центробежно-ротационной обработки / А. Н. Соловьев, М. А. Тамаркин, Н. В. Тхо // Advanced Engineering Research. — 2019. — Т.19, № 3. — С. 214– 220. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2019-19-2-214-220

13. Бояршинов, С. В. Основы строительной механики машин. Учебное пособие для студентов вузов / С. В. Бояршинов. — Москва: Машиностроение, 1973. — 456 с.

14. Геворкян, Р. С. Асимптотические решения связанных динамических задач термоупругости для анизотропных в плане неоднородных тороидальных оболочек / Р. С. Геворкян // World science. — 2016. — Т.1, №9 (13). — С. 14–29.

15. Легостаев, В. Л. Методика расчета торообразных оболочек по безмоментной и моментной теориям прочности / В. Л. Легостаев, Е. Д. Мордовин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2007. — Т. 13, № 3. — С. 795–801.