某低温等离子水处理反应器的强度设计 3页

第23卷第1期2010年1月机电产品开笈与刨新Development＆hmovationofMa{’hinery＆ElectncalProductsV01．23．No．1Jan．，2010文章编号：1002—6673(2010)01—010—03某低温等离子水处理反应器的强度设计王佑君1，陈向东1，侯立安2(1．第二炮兵工程学院，陕西西安710025；2．第二炮兵工程设计研究所，北京100011)摘要：运用低温等离子技术处理有机废水是当前废水处理领域中研究的热点．而低温等离子水处理反应器的研制是此项技术的核心之一。本文借鉴压力容器的设计准则，对反应器的强度进行设计分析．从筒体，封头，开孔补强这三项入手，最后计算出的壁厚为6mm，在后期的试验中运行良好．说明此设计合理适当．关键词：强度设计；反应器；壁厚中图分类号：THl22文献标识码：Adoi：10．3969／i．issn．1002—6673．2010．01．005TheStrengthDesignoftheReactoroftheCryogenicPlasmaWastewaterTreatmentWANGYou砒11,1，CHENXiang-Dongj，HOULi以17,2(1．SecondArtilleryEngineeringInstitute，Xi’anShaanxi710025，China；2．EngineeringDesign&l≈esearchInstituteoftheSecondArtilleryCorps，Beijing100011，China)Abstract：ExertingthecryogenicplasmaoxidationtechnologytOdisposetheorganicwastewateristhehotspotinthefieldofthewastewatertreatment，butthereactor’Sresearchisthecoreofthetechnology．Thepaperadop拓theguideofpressurevesseltoanalyseanddesignthere—actor§strength，andthecMculationresultofthedesignwallthicknessis6mm，whichembarksonthreerespects：canisterbody，envelopeandthes=ength—filling．Anditrunswellinthelaterphaseofexperiment，whichillustratestherationalityofthedesign．Keywords：strengthdesign；reactor；wallthickness0引言近年来．高级氧化技术在处理有机废水的试验研究中效果显著而备受人们的关注，如超临界氧化法，湿式氧化法，等离子体氧化法，催化氧化法等。其中低温等离子体氧化技术因其兼具有机多种降解功效而成为人们在这一领域研究的热点。低温等离子体处理有机废水是在特定的反应器内．由高压脉冲电源向水中或水面之上的空间注入高压电能，使其发生一系列复杂的化学反应来降解水体中的有机物。目前，等离子体处理有机废水的研究主要集中在以下几个方面[1’31：①低温等离子体的发生电源；②低温等离子体的反应器的研究；③各种1二艺参数的优化；④深层次的机理研究。其中低温等离子水处理反应器是是将电能转化为化学能的场所．是低温等离子水处理技——收稿日期：2009-10-16作者简介：王佑君(1964一)，男，现为陕西省西安市第二炮l兵工程学院机械教研室主任。研究方向：机械结构设计；陈：向东(1987-)，男，现为陕西省西安市第二炮兵5-程学院研I究生管理大队研三队学员。研究方向：机械设计及仿真。10术的核心f4】。本文重点对某等离子水处理反应器的强度做一设计分析，希望对此领域的科研工作者有所帮助。1设计要求为了说明此低温等离子体反应器所受到的压力情况，首先对整个处理工艺进行简要说明。在此设计中．低温等离子体反应器既要满足气相等离子体的压力载荷。又要满足液相等离子所产生的载荷。气相等离子体是指将氧气通人反应器．以氧气作为放电介质．使其电离产生等离子体。因为其中只有部分电离，故反应器要承受一部分气体压力。液相等离子体产生的载荷主要是指液电空化效应所产生的压力。综合考虑反应器在整套设计中的作用．对低温等离子体水处理反应器提出的要求如下：主体为圆柱体中150x200mm．承受内压为3．0MPa，顶部为法兰焊接，底部为椭圆形封头，圆柱体上设有一个入水口，一个出水口同为中15mm．中部设有一个观察口为065mm。2反应器的强度设计M目前对低温等离子体反应器的研制没有规定的设计\n·开发与创新·原则，主要借鉴压力容器的设计标准。设计主要包括简体，封头，法兰，开孔补强等。此设计中顶部的法兰为焊接．焊接法兰失效的情况较少．在本文中不再赘述其设计，主要阐述简体，封头，开孔补强这三项。(1)反应器器甓的强度设计。圆柱体是容器外壳形状中应用最广泛的一种，这里采用无力矩理论进行分析，如图l所示。在单元体截面上Pz作用下仅产生两个垂直于截面的法向应力，即轴向应力or。和周向应力仃。，在此处可以认为应力沿厚度均匀分布，在轴对称的条件下，盯。和or。不随0变化。另外，径向应力crz相对于仃。、Or。较小，可以忽略不计。和平板理论相同，这些应力可用作用于单元中面周边上的力来代替。即每单元长度上的内力NI和No，Nx=tr。·S，N庐o'o·S参见图1(b)。0(b)图1反应器器壁的强度设计Z轴的力平衡方程：Nodxd0一PzdxRdz=0。化简得：No=PzgR(1)这时X轴方向的平衡方程为：粤生=o。nX则N。=C，其中C为常数；式中常数C由边界条件决定。有两种情况：对于敞口容器，(N。)栅如故N产C=O；对于闭口容器，(N，)柚州故N，=C=N。此处为圆柱壳端部的轴向作用力。圆柱体两端皆有封头密闭时。容器内作用有均匀内压Pz=P=常量，由式(1)得：Na=Pz·R=P·R；在端部有轴向作用力，Nx=N=,trpR2／27rR=pR／2，所以Nx—N=pR／2；于是在均匀内压P作用下，按无力矩理论计算得到圆柱体壳中的薄膜应力为：呼等=罢(2)lh_●-LJ昨了No：粤(3)13我困机械工程设计规范是按第一与第三强度理论导出薄壁圆筒厚度的计算公式：ns≥—2[c址r]qo-p+cl；式中：p--洲g；D,--i黼：径；【叮】材料的许用应力；‘p一焊缝系数；c。一壁厚附加量。在设计中，内压为3．0MPa，内径为150mm，‘P取0．85，考虑到此反应器的加工工艺与抗震性，设计中选取了高合金钢0Crl8Ni9，许用应力为137MPa，计算得：S=I．96mm，对于不锈钢容器Sm，>2mm，壁厚附加量为2ram，则S暂取4mm。将此值代入式(2)、(3)得：叮。=28MP，盯。=56MP，在材料许用应力范围之内，适合取之。(2)封头设计。设计中选取椭圆形封头，椭圆形封头的母线为半椭圆，故曲率处处连续，考虑到长短轴因素，则其应力分布也不尽相同，其计算壁厚可以由圆筒壁厚计算公式乘以相应的系数得到，公式如下：s=可糟+c：，c厂封头壁厚的附加量；K一形状系数，K=O．16712+(告)2]，hi一封头高度(hi=50mm)，经计算得S同取4mm。其中附加壁厚为2ram。对封头强度进行校核，如图2所示。图中：盯厂纬度方向的应力；叽一经度方图2水处理反应器封头受力分析图别为：R。=、／面丽百齐弋r慕丽2厂，R。=R浊Z／R4，在任意点处纬度方向应力和经度方向应力分别为or。=旦itD{l一{})，cr,=PRt／2t。经过求极值得：cr，．．,=28MP，峙●-I-m’59．2MP，同样在材料许可的许用应力范围之内。(3)开孔与补强。在设计中，低温等离子体反应器简体的上端与下端分别设一出水121和进水口中=15mm，根据压力容器设计标准。在现有的设计基础上可以不作补强处理。而对于观察孔6=65mm的开孔，则应采用相应得补强措施。补强圈是最常用的补强措施，但此种补强措施补强区域分散．与壳体焊接连接不易于表面十分贴合，抗疲劳性能差。且考虑到液电脉冲效应所产生的压力带有随机性。不易预测。故在此设计中采用整体补强的方法，即增加整个反应器的壁厚。参照压力容器设计标准，整体增加2mm为宜。所以，(下转第20页)11\n·开发与创新·型数据库，计算破片与部件的相交情况，根据部件的毁伤准则记录部件的损伤情况。由于单次模拟随机误差较大，因此通过多次模拟对多次模拟的结果进行统计，运用概率论的方法和毁伤概率计算模型计算即可得到某型飞机的毁伤概率和损伤等级。其中．生成炸点和模拟破片场包含了破片的参数：破片的位置、方向、质量、形状、初速度等。程序设计流程如图2所示。3．4数据库系统设计本系统的结果是得到某型飞机和破片式战斗部在特定弹目交会条件下损伤部件的统计和毁伤概率的计算，建立数据库系统的目的是用以存储建立模型所需的数据、中间计算结果、统计结果，通过MicrosoftAccess2003数据库管理系统实现，利用关系数据库的特点及易损性分析的数据需求，建立数据存储及相互关联的模式。这种关联关系可以实现系统开发与运行时对相关数据的操作，实现对飞机的损伤仿真。在数据录入时。部分内容可以通过基础数据库提供辅助支持获得。4结束语目标易损性分析是一项非常复杂的系统工程．对于某型飞机来说，重点和难点还包括仿真简化模型的建立以及部件等效靶板的设计．限于篇幅没有详尽阐述。本文所介绍的某型飞机易损性分析系统已经研制成功并投入使用，在飞机战伤抢修理论研究中发挥r重要的作用。参考文献：【1l李建平，石全，甘茂治．装备战场抢修理论与应用【M】．北京：兵器工业出版社．2000．【21白梅，张茂林等．破片杀伤型战斗部对装备损伤的建模与仿真[J】．计算机仿真，2005．【3】裴扬，等．飞机易损性评估的基本方法研究田．弹箭与制导学报；2004．(上接第7页)4结束语技术创新联盟作为新时代企业竞争发展的重要模式之一．在促进企业技术创新与发展等方面发挥着重要作用。中国企业应参考、借鉴美国和日本的成功案例，并吸取经验与总结教训。在良好的政策环境下，通过搭建技术创新联盟提高技术创新及产品研发能力。降低企业风险．实现合作各方之间的共赢。参考文献：【1】陈宝明．产业技术联盟：性质、作用与政府支持【z】．中围科学技术促进发展研究中心，2007．【2】卫之奇．美国产业技术联盟的实践[J】．全球科技经济嘹单，2009，2．【3]吴松．日本支持与引导产业技术创新联盟的做法、经验与启示忉．全球经济嘹望，2009，2．【4】http：／／cordis．europa．eu／home_en．htmlf5】田IB韫，钟书华．美、日、欧盟企业技术联盟发展分析fD】．华中理工大学．2000．4．【6】倪晓峰．美、日企业技术联盟的比较研究及对我国企业的启示【D】．苏州大学商学院．2003．1．【7】http：／／www．sba．gov／advo／research／【8】JohnT．Scott，TheNationalCooperativeResearchandProductionAct，DepartmentofEconomicsDartmouthCollege，2006，3．(上接第9页)学习、借鉴全球工业分包及供应链网络的管理经验和技术．在提高中小企业自身的核心竞争能力的同时．使中国食业在经济全球化进程中获得更多的赢利机会．进一步提升了中国中小企业在全球供应链中的整体地位．提升了生产力促进中心的整体服务能力。参考文献：【1】张米尔，等．中小企业发展的企业网络模式研究叽现代企业管jE20012【2】朱俊东．工业分包与合作信息汇编【z】．1蛐'：2008．【3】田美，朱哗，等．工业分包在中国皮革和制鞋行业中的应用及前景展卑[J】．中国皮革，2009，5．(上接第11页)整体设计由原来的4mm加至6mm，根据设计原则，在6mm的基础上，此反应器均能满足设计要求。3结束语低温等离子体反应器是等离子体技术处理有机废水装置的核心部件．许多科研工作者采用了有机玻璃材料取得了较满意的结果．但其抗震性不佳。此设计借鉴了压力容器的设计标准．基本满足了系统的强度需要，在初期的运作中也表现良好．如果后期运作中考虑循环应力变化和电极、电板之间距离等因素，此设计将作进一步调整。20参考文献：【1】韩育宏，陆彬，等．高压脉冲放电等离子体水处理技术研究进展【J】．河北大学学报(自然科学版)，2007．27．【2】陈伯通，罗建中，刘芳．低温等离子体氧化法及其在有机废水中的应mlJ]．工业水处理．2006．26．【3】李红梅，郑经堂，等．高压脉冲放电等离子体技术处理有机废水机理研究fJl．化工进展，2009，6．【4】左岩．低温等离子体氧化技术在废水处理技术的应用及反应器的研究【J】．水处理技术，2008，7．【5】DennisR．Moss(美)，陈允中(译)．压力容器设计手册【M】．中国石化出版社．2006．【6】化工设备设计全书编辑委员会．化T容HIM]．化学丁业出版社，2003．【7】王志文，蔡f：良．化工容器设计【M】．化学工业出版社，2005．