过程设备设计实验

过程设备设计实验实验1 应力应变测量实验1 实验目的了解薄壁容器在内压作用下，壳体.封头的应力分布情况，验证薄壁容器应力计算的理论公式。

初步掌握应力电测法的实验操作技能。

2 应力测量理论内压薄壁应力值：经向应力（轴向应力）为：14n pD σδ= 环向应力（周向应力）为：22npD σδ=其中：p —操作压力，MPa ；D —容器筒体中面直径，i n D D δ=+，mm ； i D —筒体内径，mm ；n δ—筒体壁厚，mm ； 1σ—筒体经向应力，MPa ； 2σ—筒体环向应力，MPa 。

3 实验原理. 测量出筒体的轴向应变和周向应变，根据虎克定律求得薄壁圆筒的应力1σ、2σ ：1122()1E σεμεμ=+- 2212()1E σεμεμ=+-其中：E —材料的弹性模量，对于碳钢52.110E =⨯MPa ；μ—泊松比，对于碳钢 0.3μ=； 1ε—测定的轴向应变值；2ε—测定的周向应变值；1σ—轴向应力，MPa ； 2σ—周向应力，MPa 。

利用金属丝的电阻随其变形而变化的电阻应变效应而工作的。

电阻金属丝的电阻R 为：LR Fρ=当电阻丝受拉伸变形时，其长度、截面积、电阻率分布改变了L ∆、F ∆、ρ∆，因而电阻值也改变了R ∆，2LL R L F F F Fρρρ∆=∆-∆+∆R LFRLFρρ∆∆∆∆=-+∵L Lε∆=∴222221112()[()]/22444Fd d d d d d d d F ddπππμε∆∆-∆∆=--∆=≈=-电阻变化率： 2s R K ρεμεερ∆∆=++=()/(12)()/s R K Rρεμερ∆∆==++其中：s K——电阻丝灵敏系数，受几何形状变形关系(12)μ+压阻系数()/ρερ∆ 的影响。

用电阻丝绕制而成的电阻应变片，还受到黏结剂、基底、横向布置的电阻丝变形等的影响。

将之综合表达为，电阻应变片的电阻变化率与其长度方向的应变有如下关系：R L KK R L ε∆∆==其中：K——电阻应变片的灵敏系数，一般由制造厂商从产品中按一定比例抽样，在单向应力状态下（弹性范围内）从标定装置中由实验方法得出。

在应变片包装上标明其平均值及误差范围。

一般K值范围在1.7～3.6之间。

4 实验器材压力泵， 平盖压力容器，YJ-5型静态应变仪，YJ －22型静态应变仪器，YJZ －22平衡箱，应变片，丙酮，导线，电烙铁等。

5 实验步骤（1）连接电源，打开应变仪预热5分钟； （2）将平衡箱调零；（3）给压力容器加压至0.5MPa 。

稳压20分钟，然后测量各点应变值； （4）再给压力容器加压至1MPa 。

稳压20分钟，然后测量各点应变值； （5）卸压，关电源。

6实验报告要求将记录的实验数据用表列出，并按照虎克定律计算出压力容器测试点处的薄膜应力，并且分析产生误差的原因。

实验2 外压容器失稳试验1 实验目的（1） 观察外压容器的失稳破坏现象及破坏后的形态。

（2） 验证外压筒体试件失稳时临界压力的理论计算式。

2 实验内容对长圆筒和短圆筒进行外压实验。

3 失稳现象承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹；载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲或失稳。

4 临界压力壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，以cr p 表示。

临界压力的理论计算公式如下: （1） 长圆筒○1当tpcr σσ<时采用勃莱斯公式： 32)(12ocr D t E p μ-=当0.3μ=时， 3)(2.2E ocr D t p =临界压力 2to cr cr D p =σ（2）短圆筒采用拉姆公式： tD p o ocr LD2.59Et 2=（3） 刚性圆筒对于短而厚的刚性圆筒，其破坏是由于强度不足而引起的，一般不存在稳定性问题，只需强度校核： ][C -2y pD σφδσ≤=）（其中：][y σ—材料的许用压应力，可以取4][sy σσ=；σ —压应力，MPa ；C— 壁厚附加量，mm ；ϕ－焊缝系数，1ϕ=。

（4） 受轴向压力的圆筒受均布轴向压缩载荷圆筒的临界压力为RtEcr )1(32μσ-=5 临界长度临界长度：tD D L o ocr 17.1=如果圆筒计算的有效长度小于临界长度（cr L L <），即属短圆筒，短圆筒失稳后的波形数为大于2的整数，临界压力值与/t D 及/L D 都有关系，当L>L cr 时，属长圆筒。

6 实验装置及主要步骤（1）实验装置外压容器可采用模拟试件或真空容器进行失稳实验。

实验前应测定容器的几何尺寸及椭圆度。

如果试验压力低于大气压力的真空设备，外压试验可采用抽真空方法进行试验。

若临界压力大于大气压的外压容器，若为大型容器可采用模拟试验。

对试件施加的外压力可以是液压或气压。

试件内部和大气相通。

为了消除轴向载荷对试件失稳压力的影响，在试件内可放一支撑架，以消除轴向压力。

若用中间有加强环的支撑架，可进行减小试件有效长度后之失稳实验。

如果取掉支撑架，试件除受均匀横向压力外，还承受轴向压力的作用，可进行双向压力作用之失稳实验。

压力表可直接显示出临界压力值，此外还可从压力传感器及贴于筒体内壁的应变片所测得的电讯号，输入X-Y 函数记录仪自动绘制P-ε曲线上读取临界压力的确切值。

实验中注意调节支撑架高度与被测试件的高度一致。

试验时必须缓慢加载，并注意观察压力表指针有无下落回跳。

一般试件在失稳时有轻微的响声发出。

（2）主要步骤① 将试件置于承压筒体中，旋紧紧固压盖，不得漏气，再紧好筒体顶盖螺栓。

○2 用打气筒打气，观察U 形压差计并倾听承压容器的声音。

○3 当压力接近试件的临界压力时，缓慢打气，当突然听到微小的“拍”的声音时，打气停止，记下压力差。

○4 卸下筒体顶盖，取出试件，进行观察和分析。

7 数据整理及分析根据实测的试件失稳时的压力差，换算出试件失稳的临界压力。

以试件的几何尺寸计算试件的临界压力，两者进行比较，分析误差原因。

实验3 压力容器爆破试验1 实验目的（1）通过容器的实际爆破，了解容器受力变形直至破坏的三个阶段，三种失效的观点和相应的设计准则。

（2）测定容器整体屈服压力合爆破压力并与理论计算进行比较。

（3）观察爆破断口的形貌，作宏观分析，了解韧性断裂与脆性断裂的特征。

2 压力容器爆破基本理论（1）压力容器爆破试验压力容器爆破试验包括模拟试件的爆破和实际产品的爆破。

模拟试件的爆破试验，通常是模拟产品的实际情况，如与产品的材料、制造方法和工艺参数等具有相同的条件。

实际产品的爆破试验，即从产品中进行抽查，考核产品的综合性能。

爆破试验是一种破坏性的试验，耗费比较高，所以确定是否需要进行这类试验要慎重考虑。

（2）压力容器爆破试验曲线压力容器爆破试验曲线与材料的拉伸试验曲线相似。

在容器爆破过程中，大体经历三个阶段。

第一阶段：弹性变形阶段，容器的应力或变形随着试验压力的增加而成正比例增加。

第二阶段：屈服变形阶段，容器内壁开始屈服，随着压力增加，屈服区域逐渐向外壁扩展，直至容器整个截面全部屈服为止。

对不同的材料的屈服段长短不一，对低碳钢屈服段较为明显，对高强度钢则不明显。

第三阶段：塑性强化与爆破阶段，当压力达到屈服压力之后，容器虽然发生了明显的塑性变化，但是不立即爆破。

这就是塑性材料屈服后的“应变硬化”现象，而使容器仍然能承受一定的压力。

压力继续增加，容器过度变形直至爆破。

为了表征容器在爆破试验过程中各阶段的变化规律，可测定压力－加水量或压力－筒体直径变化量的关系曲线。

根据曲线的形状，可以分析构件材料的力学性能，以便确定该容器的整体屈服压力和爆破压力。

（3）爆破压力应用不同失效准则可以得到不同的爆破压力计算式。

（4）安全裕度为保证压力容器安全可靠运行，试验爆破压力应高于容器的最高工作压力（设计压力）若干倍。

一般要求爆破压力不低于最高工作压力的三倍。

如果爆破压力达不到三倍的最高工作压力，则表明该容器安全裕度不足。

（5）爆破断口分析压力容器爆破后，根据破口的形状、尺寸及裂源处的金属变形，进行宏观分析可以定性的分析构件材料的断裂特征。

压力容器的爆破断口，通常可分为三个区域，即纤维区、放射区及剪切唇，这就是断口特征的三要素。

纤维区紧接着断裂源，呈粗糙的纤维状。

放射区即出现人字形花纹，人字纹的尖端指向纤维区，指向裂纹源。

靠近表面的区域是剪切唇。

根据断口三区域相对比例可判定构件材料的断裂特征。

材料越脆，纤维区、剪切唇愈小，放射区愈大。

反之即材料具有较好的塑性和韧性，纤维区、剪切唇越大，放射区减小，甚至出现全剪切的韧性断裂。

3 实验内容对试件进行爆破，测定屈服压力、爆破压力及体积膨胀率，绘制压力—加水量关系曲线，观察爆破断口进行宏观分析。

4 实验装置实验装置必须安全可靠，要求防护措施。

主要实验装置是217-03型压力表校验仪，爆破试件由φ25×3的无缝钢管制成，材质为20号钢，爆破实验介质为蓖麻油或机油，校验仪与压力表、爆破试件之间用高压管相连。

压力表校验仪主要由两部分组成，一是低压柱塞加压部分；另一是高压柱塞加压部分。

低压部分只能加压到小于40MPa，高于40MPa由高压部分完成。

5 实验步骤（1）参考所用的实验装置，掌握压力表校验仪的结构和使用方法。

（2）操作前的准备工作：先往油杯中注满油，检查油路是否畅通。

试件先注满油液并用蜡封口，再接入装置中，注意系统装置中不应有空气存在。

（3）压力表校验仪的操作顺序。

①打开油杯阀门，左旋大手轮使高压部分活塞退到油缸顶端。

左旋小手轮使低压部分活塞缸充满油液。

②关闭油杯阀门，右旋小手轮，由低压缸使系统加压到≤40MPa，关闭阀将高、低压两部分隔开。

③旋动大手轮由高压缸柱塞将系统加到更高压力。

关阀使试件保持升到的压力。

如试件没爆破，按着重复前面各步骤，直到将试件打爆。

④观察压力表，记住试件爆破时的瞬间压力指示值即为实际爆破压力。

6实验要求通过试件的实际爆破可测定屈服压力、爆破压力、体积膨胀率，并绘制压力-加水量关系曲线，观察爆破断口进行结果分析，写出实验报告。

实验4 搅拌系列实验4-1 搅拌器的扭矩测定1 实验目的（1）掌握搅拌扭矩与转速的测定方法。

（2）掌握搅拌功率曲线的测定方法。

（3）了解影响搅拌功率的因素及其关联方法。

（4）对比各类搅拌器的搅拌效果。

2 实验内容在一定浓度液体下测试搅拌器在不同转速下的扭矩值。

3 实验原理（1）搅拌原理搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀传热和传质。

对于均相系统，主要是使液体均匀混合和强化传质，混合的快慢及均匀程度都会影响传热和反应结果；至于非均相系统，则还影响到相界面的大小和相间的传质速度，情况就更复杂，所以搅拌情况的改变，常很敏感地影响到产品的质量和产率。