Разработка технологии утилизации биогаза на промышленном объекте

Другое уравнение для расчета выхода биогаза имеет вид:

rдe Q - количество биогаза (м3), которое может быть получено на полигоне за время t

(годы);

М - масса отходов, т;

q - удельный газовый потенциал, м3/т ТБО;

к - константа скорости реакции газообразования (т/год);

ф - период выхода биогаза (годы).

Или

где - объем биогаза (м3/т ТБО) за период ф.

Указанные формулы для расчета Qt имеют лишь внешнее сходство. Величина k в них имеет различный физический смысл. При этом в формуле по [ ] сомножитель при значениях t = 1 - 20 (kt = 18,8 - 376), при значениях k = 8-10 (kt = 9- 180) тот же результат.

Выражение для Qф по [ ] представляет собой известное уравнение кинетики реакции первого порядка, которое в качестве первого приближения можно принять для описания процесса образования биогаза. В этом уравнении k - константа скорости реакции, которая характеризует процесс, протекающий на микроуровне взаимодействия молекул, и зависит от вида молекул вступающих в реакцию веществ и от температуры. Для данного вида молекул при данной температуре k = const. В общем случае константа скорости реакции зависит от температуры согласно известному закону Аррениуса:

где k0 - постоянная (зависит от числа столкновений реагирующих молекул);

Е - энергия активации (ккал/кмоль);

R - газовая постоянная (ккал/кмоль-1 К-1),

Т - абсолютная температура (К).

Для рассматриваемого случая образования биогаза биохимические процессы должны протекать при значениях W, рН и t (Т), изменяющихся в узком, заданном интервале (см. выше), при этом параметр E/RT можно принять постоянным.

Что касается величины к, то k0последняя зависит от свойств биоразлагаемых материалов (в составе органического вещества выделяют быстро-, средне- и медленно разлагающиеся материалы со временем разложения соответственно до 5 лет, более 5 лет и более десятилетий).

Поэтому в уравнении [ ] можно говорить о k = const, f (k0), как об условной константе реакции («псевдоконстанте»), характеризующей процесс в целом. Если исходить из степени превращения органического вещества, равной 50% при ф =7 лет, то

, откуда k?0.1 1/год и

Если принять k = сonst для всего рассматриваемого периода ф, средний часовой выход биогаза, равный будет уменьшаться от максимального значения до минимального с начала захоронения отходов, что следует модели «СКУЛ КАНЬОН» (см. выше). В действительности k = Var (так как k0 = Var), q = Var для разных материалов, поэтому, даже грубо выход биогаза необходимо описывать в виде уравнения:

i относится к разным материалам.

Последний вывод подтверждается данными, в соответствии с которыми выход метана составляет: 0,42 - 0,47 м3/т углеводов; 0,45 - 0,55 м3/кг белков и до 1 м3/кг жиров.

Для практических расчетов выхода биогаза на полигоне рекомендуется пользоваться известным уравнением расчета выхода биогаза при сбраживании осадков сточных вод, а именно:

где Qф - удельный выход биогаза за активный период (ф), кг/кг отходов;

W - средняя влажность отходов, %;

R - содержание органической составляющей в отходах, на сухую массу, %;

Ж, У, Б - содержание в органической части отходов соответственно жиров, углеводов и белков, %.

Если за активный период генерируется около 80% от общего количества биогаза, получаемого с полигона, то выход биогаза за один год, отнесенный к одной тонне отходов, определяется как:

Общее количество биогаза, выделившегося с полигона к моменту ф, определяется как:

где G - количество отходов на полигоне за период ф (т);

?ф - период отсутствия биогаза (годы), ?ф?1,5 - 2.



5. Разработка системы дегазации на полигоне ТБО «Торбеево»

5.1 Анализ существующих методов и обоснование выбора рационального способа сбора и утилизации биогаза

Для экстракции свалочного газа на полигонах обычно используется следующая принципиальная схема: сеть вертикальных газодренажных скважин соединяют линиями газопроводов, в которых компрессорная установка создает разрежение необходимое для транспортировки свалочного газа до места использования. Установки по сбору и утилизации монтируются на специально подготовленной площадке за пределами свалочного тела.

Система получения биогаза с эксплуатируемых полигонов состоит из скважин, дренажа, промежуточных и магистральных трубопроводов с арматурой, из устройства по очистке и осушке биогаза, вентиляторной и энергетической установки. Система является составной частью технологической схемы эксплуатации полигона.

Скважины

Для добычи свалочного газа на полигонах ТБО применяются вертикальные скважины. Обычно они располагаются равномерно по территории свалочного тела с шагом 50 - 100 м между соседними скважинами. Их диаметр колеблется в интервале 200 - 600 мм, а глубина определяется мощностью свалочного тела и может составлять несколько десятков метров.

При бурении скважин в толще отходов в российских условиях, наиболее целесообразным считается использование шнекового бурения.

Пункт сбора свалочного газа

Газосборный пункт предназначен для принудительного извлечения свалочного газа из свалочной толщи. Для этого с помощью специального электровентилятора в системе газопроводов создается небольшое разряжение (около 100 мбар).

Технология сбора и отвода свалочного газа на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов

Способ сбора и отвода свалочного газа может быть использован при обезвреживании твердых бытовых и промышленных отходов путем захоронения их на полигонах. В способе сбора и отвода свалочного газа на полигоне, включающем подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из скважин с перфорированными стенками, послойную укладку отходов, монтаж системы горизонтального газового дренажа на поверхности каждого завершенного слоя отходов в виде дрен, изолирующее покрытие поверхности сформированного полигона, отвод свалочного газа из скважин. При этом на фундаментах, распределенных по площади полигона, оборудуют скважины вертикального газового дренажа на определенную высоту. Затем производят засыпку внутренней полости и обсыпку внешней поверхности каждой скважины. После укладки первого слоя отходов формируют на его поверхности горизонтальные дрены, примыкающие к внешней дренирующей обсыпке скважин. Наращивают перфорированные скважины до определенной высоты. Обсыпают внешнюю поверхность скважин на высоту следующего слоя отходов дренирующим материалом. В последнем цикле наращивания скважины оборудуют стенками без перфораций, выше поверхности сформированного полигона и без обсыпки их внешней поверхности дренирующим материалом.

Технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием свалочного газа.

В процессе активной стадии дегазации полигона выделяющийся из субстрата свалочный газ собирается, например, в газгольдере через систему удаления конденсата водных паров. Из газгольдера свалочный газ поступает к потребителям через систему очистки от вредных примесей: воды, серы, углекислого газа. Очищенный газ поступает непосредственно в котлы для производства тепла или в когенерационные установки для выработки электроэнергии. Также свалочный газ может использоваться для производства холода на абсорбционных или комбинированных холодильных машинах и т.д.

Энергетически эффективными при использовании свалочного газа могут рассматриваться следующие подходы:

- прямое сжигание для производства тепловой энергии;

- в качестве котельного топлива 90-92% (технический, энергетический потенциал в процентах от теоретического);

- в качестве моторного топлива с выработкой электроэнергии 35-37% (технический, энергетический потенциал в процентах от теоретического);

- в качестве моторного топлива с когенерацией (совместной выработкой) электрической и тепловой энергии -- от 75% до 87% (технический энергетический потенциал в процентах от теоретического) в зависимости от технических решений утилизаторов теплоты. Максимальный КПД=87% достигается в мини-ТЭЦ с соотношением тепловой и электрической мощностей 144:100, минимальный 75% - при соотношении 100:100.

- доведение содержания метана (обогащение) до 94 -- 95% с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения.

Мощность газоэнергетической установки, работающей на свалочном газе по схеме когенерации (с совместной выработкой электричества и тепла), может составить 200-220 кВт по электроэнергии и 220-280 кВт по теплу на 1 млн. куб.м/год утилизируемого свалочного газа. Возможная максимальная выработка энергии на свалочном газе в 2-3 раза превосходит собственные потребности полигона.

Целесообразность применения того или иного способа утилизации свалочного газа зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием платежеспособного потребителя энергоносителей, полученных на основе использования газа.

Рассмотрим варианты использования свалочного газа на примере полигона ТБО «Торбеево»

Полигон ТБО "Торбеево" находится в Люберецком районе в 1 км от д. Торбеево, примерно в 25 км от МКАД по Новорязанскому шоссе. Площадь 12,8 га. Установленный лимит захоронений отходов составляет 248 тысяч тонн в год и загрязненных грунтов 162 тысячи т в год.

Использование свалочного газа для производства тепловой энергии.

Главным условием использования свалочного газа для производства тепловой энергии является наличие в непосредственной близости от полигона потребителя тепла - промышленных зданий и сооружений, зданий жилого фонда с централизованным отоплением, ферм, тепличных хозяйств и т.п. Ближайшие объекты - потребители тепловой энергии находятся в поселках Томилино, Малаховка, Родники на расстоянии 5-10 км от полигона, что делает нерациональным использование биогаза полигона Торбеево для производства тепловой энергии.

Использование в качестве котельного топлива.

Энергетический потенциал составляет 90-92%

Использование в качестве котельного топлива невозможно по причине отсутствия потребителей.

Использование в качестве моторного топлива с выработкой электроэнергии с энергетическим потенциалом 35-37%

Использование возможно т.к. Московская область и г. Москва являются крупнейшими потребителями электроэнергии в Центральном федеральном округе.

В непосредственной близости от полигона проходит ЛЭП ВЛ-10 кВ, что позволяет использовать её мощности для транспортировки произведённой электроэнергии потребителю.

Использование в качестве моторного топлива с когенерацией (совместной выработкой) электрической и тепловой энергии -- от 75% до 87% (мини-ТЭЦ)

Достигается максимальный КПД - 87%, однако требует наличия потребителя тепловой энергии.

На основании приведённых выше данных выберем оптимальный вариант технологической системы для сбора и утилизации свалочного газа по условиям для полигона ТБО «Торбеево».

Варианты с использованием биогаза для непосредственного производства тепловой энергии, в качестве котельного топлива и вариант с когенерацией следует признать нерациональными из-за отсутствия экономически оправданных потребителей тепловой энергии.

Вариант с использованием свалочного газа в качестве моторного топлива следует признать наиболее рациональным и экономически выгодным.

Система для сбора и утилизации свалочного газа с полигона ТБО «Торбеево».

Концепция сбора и утилизации биогаза на полигоне состоит в том, чтобы под контролем собирать и передавать для утилизации и/или использования образующийся в теле полигона свалочный газ посредством системы из 20 газовых колодцев с максимально возможной производительностью. Сбор свалочного газа осуществляется при низком давлении и непрерывно приспосабливается к конкретному образованию свалочного газа на отдельных участках, чтобы была достигнута максимально высокая степень добычи, качество газа было достаточно высоким для утилизации, обезвреживания и использования в энергетических целях, а расход электроэнергии при этом был как можно более низким.

Каждый из 20-и газовых колодцев соединен газосборным трубопроводом с газосборной станцией. Там газосборный трубопровод подключен к газотранспортному трубопроводу посредством газосборной балки. Отсюда свалочный газ через компрессорную станцию ведется к установке по утилизацию и обезвреживанию свалочного газа. Вся система трубопроводов снабжена установками для сбора конденсата, чтобы предотвратить закупорку стыков трубопровода образующимся конденсатом.

Система состоит из:

Газовых колодцев (20 штук);

Конденсатоотводчика;

Газосборной станции;

Сборников конденсата;

Демистра;

Компрессора;

Генератора;

ДВС;

Вентилятора;

Высокотемпературного факела.

Указанные аппараты связаны между собой коммуникациями (трубопроводами). Основные из них перечислены ниже:

линия исходного биогаза;

линия конденсата;

линия подачи атмосферного воздуха;

линия отработанных негорючих газов.

5.3 Материальный баланс

Для определения материального баланса согласно вышеописанной технологической схеме и компоновке оборудования необходимо определить:

1. Количество образующегося биогаза согласно составу поступающих отходов на полигон.

2. Количество образующегося фильтрата.

5.3.1 Определение количества образующегося биогаза на полигоне

Процесс превращения органического вещества в биогаз в анаэробных условиях под действием различных бактерий известен давно. Серьезные исследования метанового сбраживания с точки зрения химизма и кинетики этого процесса имеются применительно к осадкам сточных вод. В большинстве исследований подтверждается, что разложение отходов протекает подобно сбраживанию упомянутых осадков, проводимому в метантенках на станциях аэрации. Анаэробные процессы и выделение биогаза на полигоне начинаются после уплотнения (механического и естественного) отходов. В процессе биохимического разложения отходов, кроме биогаза, в теле полигона образуется фильтрат - токсичный раствор, который должен собираться, очищаться и частично подаваться (возвращаться) в тело полигона для создания в последнем необходимой влажности. При этом не только снижается пожароопасность, но и ускоряется ферментация ТБО.

Качественное и количественное изменение состава биогаза и фильтрата определяется различными стадиями деструкции биоразлагаемых отходов. В соответствии с современными представлениями анаэробное превращение практически любого вида биоразлагаемого вещества в метан включает четыре взаимные стадии:

1. стадия ферментативного гидролиза (расщепления) сложных органических веществ (углеводов, белков, жиров) с образованием более простых растворимых веществ (мономеров, аминокислот и др.);

2. стадия кислотообразования (кислотная стадия - кослотогенез) с образованием летучих жирных кислот, спиртов, водорода, углекислого газа, аммиака, и др.;

3. ацетогенная стадия (ацетогенез) - стадия превращения жирных кислот и др. в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;

4. метаногенная стадия (метаногенез) - образование метана из уксусной кислоты и ацетата, а также в результате реакции восстановления углекислого газа водородом.

Метановое брожение происходит при температуре 4 - 70°С; при этом может иметь место психрофильный режим сбраживания (t = 4 -- 25°С), мезофильный (t = 30 - 35 °С) и термофильный (t = 50 - 70 °С). Для обеспечения нормальной жизнедеятельности метаногенов необходимо соблюдение следующих условий: постоянство температуры и давления, строгий анаэробный процесс, нейтральная или слабощелочная среда, отсутствие света, оптимальная влажность массы (60 --70%), оптимальное соотношение водорода и азота, углерода и азота (1:16-1:19).

Количественный выход биогаза и его состав определяют отдельные компоненты органического вещества: углеводы, белки и жиры при их взаимодействии с влагой и бактериями в соответствии со стехеометрическими уравнениями реакций брожения.

Биохимические процессы, протекающие в теле полигона в анаэробных условиях, можно представить следующими уравнениями [60] (в соответствии с вышеописанными стадиями сбраживания вещества):

(С6Н10О5) n + Н2О + микроорганизмы > (С6Н12О6)n;
целлюлоза	влага	Глюкоза

(С6Н12О6)n+микроорганизмы > 2n(C2H5OH)+2n(СO2)+ СН3СН2СООН+СН3СН2СН2СООН
глюкоза	этанол	Кислоты

2n (СН3СООН) + метановые бактерии >2n (CH4) + 2n (CO2);

СН3СН2СООН + 2Н2O > 2СН3СООН + СO2 + 3Н2;

СН3СН2СН2СООН + 2Н2O > 2СН3СООН + 2Н2;

4Н2 + 2СO2 > СН3СООН + 2Н2O;

СН3СООН > СН4 + СO2;

СO2 + 4Н2 > СН4 + 2Н2O

Суммарная биохимическая реакция разложения целлюлозы может быть описана в виде уравнения:

С6Н10О5 + Н2О + микроорганизмы > 3СO2 + 3СН4 + Q,



где Q = 238,6 кДж/1 моль глюкозы.

Обычно теоретически возможный объем БГ, образующегося в процессе разложения отходов, рассчитывают, исходя из состава отходов. Что касается определения количества образующегося БГ во времени, то это задача намного сложнее. Учет реального состава отходов по сечению и глубине тела полигона при определении выхода БГ делает эту задачу еще более сложной: слишком много факторов определяют физические и химические условия образования БГ, при этом значение этих факторов различны в разных местах тела.

Предположительно количество принятых полигоном отходов с 1992 по 2008 год составляет 248680 т/год массы влажных отходов. Инертная доля отходов несущественно влияет на потенциал выброса по водному и газовому тракту, так что при оценке доставленных отходов мы исходим из 70 % всей массы принятых отходов (то есть, без строительного мусора, крупногабаритных отходов, инертных производственных отходов, и т. д.).

Время полного разложения отходов принимается 20 лет.

Упрощенное уравнение реакции газогенерации:

nC6H10O5+nH2O3nCH4+3nCO2

Таблица

№ п/п	Фазы разложения отходов	продолжительность
1 2 3 4 5	Аэробное разложение Анаэробное разложение без выделения метана (кислое брожение) Анаэробное разложение с непостоянным выделением метана (смешанное брожение) Анаэробное разложение с постоянным выделением метана Затухание анаэробных процессов	10-15 дней 10-15 дней 180-500 дней 10-30 лет
Минерализация ТБО:
1 год - 12 см	2 год - 21 см	3 год - 27 см	и т.д.

Комплексное влияние различных факторов на удельный выход биогаза (по разработкам АКХ им. К.Д. Памфилова) по данным отражается в уравнении:

где Qt - объем биогаза (м3/т ТБО) за период t;

Go= 1,868Сак(0,014Т + 0,28);

Сак - активный органический углерод, кг/т ТБО;

Т - температура тела полигона, °С;

k - постоянная разложения отходов, равная отношению C/N;

t - продолжительность периода стабилизированного выхода биогаза, годы;

W - влажность отходов, %.

Величина Сак находится в зависимости от содержания в ТБО углеводов, жиров и белков и содержания в указанных веществах углерода. Для ТБО, вывозимых на полигоны Московского региона, при значениях W = 65; к = 18,8; t = 20; Т = 30 и Сак = 12,3 имеем:

Go= 1,868·12,3(0,014·30 + 0,28)=16,08 кг/т;

Qt= [16,08·(1-10-18,8·20) ?l, 85]/ [l-(65-60)/13]= 48 м3/тТБО

Вместимость полигона составляет 248680 т/год, тогда общее количество биогаза, выделяющегося в атмосферу за 20 лет будет:

Q20=48·248680·20= 238732800 м3

а в год Q1=11 936640 м3

в сутки Qсут=32 703 м3

в час Qчас=1 363 м3.

Параметры модели газообразования.

Газовый потенциал тонны отходов описывается формулой:

GP=Cy?M?A, ()

гдеCy - удельнаягазопродуктивность органического вещества (Cy=0,8 м3/кг);

М - количество органического вещества в тонне отходов, кг;

А - коэффициент, характеризующий степень ферментабельности (40-55%).

В соответствии с составом и формулой начальный газовый потенциал 1 тонны отходов

GPt=0,8?0,4?0,5?1000=160 м3.

В качестве базовой для расчета газопродуктивности свалочного тела используется формула:

GP=GP0?exp(-kt), ()

где GPt- остаточный газовый потенциал 1 тонны ТБО на момент времени t, м3;

GP0- начальный газовый потенциал 1 тонны ТБО, м3 с тонны;

k-константа, характеризующая скорость биоконверсии органического вещества в единицу времени, 1/год;

t- время с начала заложения отходов на полигоне, годы.

С учетом различия скоростей биоконверсии компонентов органического материала он сгруппирован в три фракции и составлена трехфазная модель газопродуктивности 1 тонны:

Rt=,

где Rt - скорость газообразования, м3/час;

t- порядковый номер года с начала заложения данной порции отходов;

№ фракции органического вещества;

k - константа скорости биоконверсии органического вещества, 1/год;

GPo - начальный газовый потенциал отходов, м3 с тонны;

8760- переводной коэффициент, равен количеству часов в году (24?365).

За время активной фазы реализуется около 80% потенциала.

Газопродуктивность напрямую зависит от доступа воды в массу отходов. Участие воды в реакции можно описать формулой:

утилизация биогаз твердый бытовой отход

С63Н111О50N + Н2О 35СН4 + 33СО2 + NН3

(1741) (28) (560) (1452) (17)

Таким образом, по масссовому балансу требуется 0,165422 кг Н2О на 1 кг сухого органического вещества. При пересчете на газопродуктивность отходов при плотности биогаза 1,248 кг/м3 требуется 0,206477 кг Н2О для получения 1 м3 биогаза.

Влажность поступающих на полигон отходов составляет 35-55%. Химически свободная вода в отходах расходуется на образование фильтрата и биогаза в течение первых трех лет активной фазы, далее реакция идет за счет атмосферных осадков. При ограничении доступа воды в толщу отходов к 5 году собственный запас химически свободной воды в массе отходов расходуется на 80 - 90 %.

Проектные решения предусматривают ограничение поступления атмосферных осадков посредством послойного и финального перекрытия отходов. В таблице представлена естественная газопродуктивность 1 тонны отходов без послойного перекрытия и с послойным перекрытием, ограничивающим поступление осадков в толщу отходов.

Таблица Газопродуктивность отходов

Год с начала заложения	Газопродуктивность 1 тонны ТБО в условиях свободного поступления атмосферных осадков	Газопродуктивность 1 тонны ТБО в условиях ограниченного поступления атмосферных осадков
	М3/час	М3/год	М3/час	М3/год
1	0	0	0	0
2	0	0	0	0
3	0,00054	4,728715	0,0005398076	4,728715
4	0,000628	5,503133	0,0005653904	4,95282
5	0,000716	6,27369	0,0005013222	4,391583
6	0,000716	6,27369	0,0003580873	3,136845
7	0,000804	7,040403	0,0003214796	2,816161
8	0,000891	7,803292	0,0002672360	2,340988
9	0,000977	8,562376	0,0001954880	1,712475
10	0,001064	9,317675	0,0002127323	1,863535
11	0,001064	9,317675	0,0001595492	1,397651
12	0,001149	10,06921	0,0001149453	1,006921
13	0,001235	10,81699	0,0001234816	1,081699
14	0,001235	10,81699	0,0001234816	1,081699
15	0,001149	10,06921	0,0000574726	0,50346
16	0,001064	9,317675	0,0000531831	0,465884
17	0,000977	8,562376	0,0000293232	0,256871
18	0,000891	7,803292	0,0000178157	0,156066
19	0,000804	7,040403	0,0000160740	0,140808
20	0,000716	6,27369	0,0000071617	0,062737
21	0,000628	5,503133	0,0000062821	0,055031
22	0,00054	4,728715	0	0

Полигон ТБО «Торбеево» эксплуатируется с 1975г. Отходы складировались в отработанном карьере месторождения кирпично-черепичных глин. В настоящее время отходами занята вся площадь карьера.

Предусматривается послойное слабопроницаемое перекрытие отходов и финальное перекрытие в процессе рекультивации.

Для получения общей картины газопродуктивности полигона проведен модельный расчет для каждой годовой партии отходов и суммирование для всех годовых порций ТБО с момента открытия полигона и до конца периода его эксплуатации согласно плану.

Результаты модельного расчета представлены в виде диаграммы.



6. Сборник конденсата

6.1 Пояснительная записка

6.1.1 Назначение конструкции и описание

Сборник конденсата представляет собой шахту (сварной резервуар) для стока конденсата с системой гидрозатвора.

Откачанный из газовых колодцев и насыщенный водой газ с температурой от 35 до 40° C по пути через газосборные трубопроводы, газосборные станции и в газотранспортных трубопроводах охлаждается. Выделяющийся при этом конденсат необходимо отвести, чтобы предотвратить закупорку в низших точках трубопроводов. Конденсат течет в направлении уклона трубопроводов до низших точек проложенных труб и отводится там из системы трубопроводов через сборник конденсата (рис.).

Сборники конденсата следует изготавливать таким образом, чтобы созданная на компрессорной станции разница давлений в отдельных трубопроводах была компенсирована и была обеспечена достаточная вместимость для конденсата.

В качестве сборников конденсата могут использоваться:

Сборники на низших точках с прямым обратным отводом воды в тело полигона (отходы);

Сборники на низших точках или жалюзийные сепараторы со сборной шахтой (рис.).

Количество сборников на низших точках должно определяться углом уклона в районе трас трубопроводов для газосборных трубопроводов. Минимальный уклон для прокладываемых на теле полигона трубопроводов обычно составляет 5 %. При небольших уклонах поверхности полигона и повышении поверхности, обусловлены текущим добавлением отходов, для соответствующей уклону прокладки трубопроводов следует прокладывать траншеи. Для уменьшения возникающих усилий имеет смысл применять сборники глубокой прокладки (при глубине траншеи > 3,5 м).

рис. Сборник конденсата

1. Труба для откачки воздуха с навесом от дождя и решеткой для защиты от насекомых

2. Вентиляционная труба с навесом от дождя и решеткой для защиты от насекомых

3. Поручни

4. Заслон для конденсата двухсторонний

5. Входное отверстие в шахту, закрывающийся с защитой от падения и системой запоров

6. Трубопровод для откачки конденсата с С-образной муфтой для подключения

7. Крышка шахты с усилительными ребрами

8. Трубопровод для стока конденсата

9. Резервуар для сбора конденсата с водяной подушкой

10. Нижняя платформа

11. Индикаторзаполнениясоптическоймаркировкой

12. Входнаялестница

13. Газосборный трубопровод.

Газотранспортный трубопровод в корпусе шахты расширяется для снижения скорости течения. Конденсированная вода течет к низшей точке сборника и оттуда по вертикальному трубопроводу в приемный резервуар.

Конденсат течет по водосточной трубе в резервуар для сбора конденсата. При помощи выкачивающего устройства выделяющийся конденсат регулярно забирается из шахты для сбора конденсата через трубу из ПЭВП, Oн 63 SDR17,6, Py 6 бар и устраняется. Резервуар для сбора конденсата в сборнике конденсата одновременно используется в качестве гидравлического водяного затвора, который предохраняет дегазационную систему от попадания воздуха.

6.1.2 Технологическая характеристика

Параметры:

Объем свалочного газа на 1 газовый колодец:125 м3/ч

Температура свалочного газа:35 - 40 °C

Относительная влажность:100 %

Охлаждение до:5° C

При наличии 20-ти газовых колодцев и мощностью общей откачки 2500 м?/ч количество выделяемого конденсата составит примерно 48 - 66 л/ч или около 1,2 - 1,6 м? ежедневно.

6.1.3 Особенности монтажа и испытаний сборника конденсата

Перед началом монтажа необходимо вырыть котлован достаточной глубины. После монтажа сборник конденсата следует засыпать вместе с трубопроводом.

Сборник резервуара поступает на полигон полностью собранным и испытанным на предприятии-изготовителе, индивидуальным испытаниям на прочность и герметичность резервуар дополнительно не подвергается.

Для выявления дефектов предприятие-производитель, а также монтажные и ремонтные организации должны проводить контроль сварных соединений. Контроль материалов и сварных соединений неразрушающими методами проводится организациями, имеющими лицензию органов Ростехнадзора РФ.

Механическим испытаниям должны подвергаться контрольные стыковые сварные соединения в целях проверки соответствия их механических свойств требованиям Правил и технических условий на изготовление сосудов.

После изготовления резервуар сборника конденсата подвергается гидравлическому испытанию.

Испытание на прочность и герметичность следует производить не ранее чем через 24 часа после сварки соединений.

Гидравлическое испытание проводится пробным давлением, определяемым по формуле:

= 1,25р·,

где рпр - пробное давление, МПа;

р - расчетное давление резервуара, МПа;

[??20] -допускаемое напряжение материала резервуара при 20 °С, МПа;

[??t] -допускаемое напряжение материала резервуара при расчетной температуре, МПа.

Величину пробного давления на прочность примем 0,8 МПа

Для гидравлического испытания резервуара применяется вода либо другая жидкость с температурой не ниже +5°С и не выше 40°С. Гидравлическое испытание проводится только после внутреннего осмотра резервуара. Давление в испытуемом резервуаре следует повышать плавно. Давление контролируется двумя манометрами одного типа, имеющими одинаковые пределы измерения, класс точности и цену деления.

Испытательное гидравлическое давление на прочность должно быть выдержано в течение 5 минут. После выдержки под пробным давлением его снижают до расчетного и проводят осмотр наружной поверхности. Сосуд считается выдержавшим гидравлическое испытание, если не обнаружено: трещин, слезок, потения в сварных соединениях, падения давления по манометру.

6.1.4 Техническое обслуживание и ремонт

После ввода в эксплуатацию системы по сбору и утилизации свалочного газа следует через регулярные промежутки времени проверять данные индикатора наполненности конденсационных шахт. При наполненности чуть ниже максимума конденсат следует собрать при помощи устройства откачки (насоса) через трубопровод и его отвести для предусмотренного устранения.

При сборе конденсата из конденсационных шахт и во время промежуточного хранения конденсата всегда должна быть обеспечена защита от замерзания.

Обычно конденсат может быть отведен в коммунальные очистные сооружения или введен обратно на тело полигона для просачивания (принцип рециркуляции).

6.2 Расчет сборника конденсата

6.2.1 Технологический расчет

Диаметр шахты сборника конденсата в газотранспортном трубопроводе определяется следующими параметрами:

размеры устройства шахты;

глубина шахты;

положениегазотранспортного трубопровода;

максимальный ожидаемый вакуум в дегазационной системе.

Внутренний диаметр шахты 1,6 м.

При определении необходимой глубины шахты учитываются:

глубина в метрах под верхней гранью местности самой глубокой точки сепаратора конденсата в газотранспортном трубопроводе,

минимальное расстояние между подошвой трубы и максимальным заполнением гидравлического водяного затвора (1,5 м),

резервуар для сбора конденсата с индикатором заполнения;

подошва шахты.

Глубина шахты составляет 4м.

6.2.1.1 Расчет количества выделяющегося конденсата

Полученный из тела полигона свалочный газ принимается с температурой у газового колодца, равной 35--40° C. Как правило, газ насыщен водой, это значит, что содержание воды составляет 100 % относительной влажности. При охлаждении газа в трубопроводах происходит конденсация воды. Охлаждение свалочного газа с одновременной конденсацией воды теоретически может продолжаться до точки замерзания. Поскольку, согласно техническому исполнению системы трубопроводов, замерзание в трубопроводах не допустимо, за минимум берется температура газа 5° C.

В приведенном диапазоне температур при разнице температур от 30 до 35° C происходит изменение содержания воды приблизительно от 31 до 43 грамм H2O/м? свалочного газа.

Максимальное количество выделяющегося конденсата рассчитывается из специфического содержания воды и суммарным объемом откачки.

выделение конденсата: 50 г/м3 (40° C) - 6,25 г/м3 (5° C)

= 43,75 г/м3

или для охлаждения с 35° C до 5° C

= 31,75 г/м3

соответственно ок. 2,4 - 3,3 л/ч максимальное выделение конденсата на каждый газовый колодец, которое при нормальной работе может быть и ниже, например, летом, когда перепады температур не столь велики.

При наличии 20-ти газовых колодцев и мощностью общей откачки 2500 м?/ч количество выделяемого конденсата составит примерно 48 - 66 л/ч или около 1,2 - 1,6 м? ежедневно.

6.2.2 Прочностной расчет

6.2.2.1 Расчет цилиндрической стенки

Конструктивная схема сборника конденсата из полиэтилена представлена на рис.. Резервуар частично заглублен h=H-b1 и частично заполнен жидкостью.

1.Определение толщины стенки резервуара:

Минимальную толщину стенки д(м) выбирают из условия возможности ее выполнения согласно выражению

д = 0,0025 Дcр·Н,

где Дcр-полусумманаружнего и внутреннего диаметров цилиндрической части резервуара, м.

д = 0,0025 Дcр·Н= 0,0025·1,65·4=0,02м

По конструктивным соображениям принимаем толщину стенки сборника конденсата 0,05м.

2.Цилиндрическая жесткость стенки:

D =,

где Eпэ - модуль упругости полиэтилена (модуль Юнга), Па;

д3 - толщина стенки, м;

мпэ - коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации);

Eпэ =1100 МПа

мпэ = 0,39

D = = 0,00087 М Н·м.

3.Условный коэффициент «постели» стенки k (радиальная жесткость цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением):

k=,

4. Показатель деформации или упругая характеристика стенки m:

m = м-1.

5.Распределенная нагрузка от массы стенки N:

N=

где - плотность полиэтилена (кг/м3).

N = 0,05·4·950·9,81 = 745,56 Н·м-1.

Принимаем, что толщина днища 0.05, и следовательно, стенка жестко защемлена в днище.

6. Единичные деформации:

Цилиндрическая оболочка стенки жестко связана с плоским днищем. В зоне сопряжения стенки и днища под действием нагрузки (гидростатического давления жидкости и бокового давления грунта обсыпки) возникает краевой эффект. Поэтому рассчитывать составные элементы резервуара (оболочку) необходимо с учетом краевых нагрузок (краевого момента М0 и поперечной силы Q0). Расчет цилиндрической оболочки с краевыми нагрузками выполняют по аналогии с расчетами балки единичной ширины на условном упругом основании по методу сил используя канонические уравнения.

(дс11 + дд11)М0+ дс12·Q0=Дc1р+ Дc1N, (2)

дс21· М0+ дс22·Q0= Дc2р. (3)

Здесь верхние индексы с и д относятся соответственно к стенке и днищу; перемещение д11 и д12 выражают углы поворота стенки или днища, вызванные соответственно единичными нагрузками М0=1 и Q0=1; перемещение д21 и д22 выражают радиальные горизонтальные перемещения, вызванные соответственно единичными нагрузками М0 и Q0; грузовой член Д2р выражает горизонтальное перемещение стенки, вызванное внешней нагрузкой (давлением жидкости или обсыпки); грузовые члены Д1р и Д1N выражают угол поворота, вызванной соответственно давлением жидкости или обсыпки, а также нагрузкой N от массы стенки, равномерно распределенной на днище.

д11 = ,

д12 = д21 = ,

д22 = ,

д11 = MH-1,

д12 = д21 = м·MH-1,

д22 = м2·MH-1.

7. Грузовые члены

Д1р=

Д2р=

Д1р=

Д2р=

8.Определяем краевые нагрузки M0и Q0, используя формулы 2, 3

0,000016 - 0,3034Q0+ 0,61Q0= 0,00129

Q0= 0,00127/0,307 = 0,0042 МНм-1

= МН.

9. Максимальное напряжение сжатия:

??=,

Где jd - расстояние между равнодействующими сжимающих и растягивающих усилий;

d -расстояние до нейтральной оси сечения балки, м;

k - коэффициент.

При d= 0,05 м, k = 0.896, j= 0.7, [??доп]= 20 МПа

??==1,0 МПа

?? меньше [??доп]= 20 МПа, что говорит о правильности выбора толщины стенки сборника конденсата.

6.2.2.1 Расчет днища

Днище сборника конденсата размещено на грунте (упругом основании), оно нагружено рабочей жидкостью (конденсатом) и силой тяжести стенок резервуара. Используем расчетную схему для балки определенной ширины.

Выделяем полосу единичной ширины и длиною Дср (1,65 м), далее рассматриваем эту полосу как балку на упругом основании, нагруженную распределенным по длине давлением конденсата рк, а также нагрузкой q от массы стенки резервуара и краевым моментом Ма, распределенным по контуру (рис.)

рис. Схема нагружения днища.

Нагрузка от давления конденсата рк, распределенная по длине равна

рк = k·ск·g·z, ()

где k - коэффициент надежности (для жидкости k= 3); сф - плотность фильтрата, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; z - текущее расстояние от верхнего уровня жидкости (принимаем равным Н), м.

рк = 1·1200·9,81·4 = 47088 Па.

В данном случае изгибающий момент составляет



Мр = , ()

где х - расстояние от основания стенки до рассматриваемого сечения;

а/3 = 5188 рк/(13440+29б), Н·м-1;

б = , ()

где и - модули упругости соотвественно основания и полиэтилена, Па;

J- момент инерции сечения балки, м3;

J= д3/12 при ширине равной единице;

J= 0,053/12 =0,00001м3

б = = 1410527

а/3 = 5188 ·47088/(13440+29·1410527) = 5,97 Н·м-1,

Мр = = ·1,33 Н·м·м-1.

Этот момент принимает соответствующее максимальное значение

Мр =0,616 Н·м·м-1 при х = Дср/2 = 0,825.

Приняв сосредоточенную нагрузку на концах балки нагрузку qравной 745,56 Н·м-1 вычисляем

Мq = , ()

где а2 и а0 - величины, полученные при использовании функций Крылова для решения рассматриваемых задач:

а0 = , Н·м-2

а2/3 = , Н·м-2

а0 = =1059,68 Н·м-2

а2/3 = = 1963,76 Н·м-2

Мq = = =?334,14?529,84(х?1,65)·х+721,31(х?0,825)4.

Этот момент достигает максимального значения Мq = 102,98Нм·м-1

при х =Дср/2= 0,825м.

При данной схеме нагружения добавляем краевой момент Ма,(Нм·м-1), распределенный по контуру днища (при схеме нагружения стенки на рис.)

рис. Схема нагружения для соединений стенки давлением конденсата

Учитывая, что Ма = Нм·м-1, а параметры а0 и а2/3 принимают значения



Мм = , ()

где а0 = , ()

а2/3 = =?1489,01Н·м-1, ().

а0 = а2/3 = 1489,01 Н·м-1;

Мм = = 253,36 + 744,51 (х?1,65)·х? 546,93·(х?0,5·1,65)4.

Этот момент Мм принимает максимальное значения, равные ?253,37 и ?210 Нм·м-1 при х=0,825 м в первом случае и х=0 или х=1,65 во втором случае.

Суммарный момент действующий на днище резервуара

М?=Мр+Мq+Мм

принимает максимальные значения, равные -149,77 и -106,4 Нм·м-1, когда расстояние х=0,825 м в первом случае и х=0 или х=1,65 во втором случае.

Найдем максимальное напряжение сжатия полиэтилена по формуле:

??=M? /W,

где W-момент сопротивления (W =д3/6 =0,053/6 = 0,000021м3);

??1=149,77 /0,000021=7,13 МПа

??2=106,4 /0,000021=5,07 МПа.

??1и ??2меньше [??доп]= 20 МПа, что говорит о правильности выбора толщины дна сборника конденсата.



7. Газовый колодец

7.1 Пояснительная записка

7.1.1 Назначение конструкции и описание

Из тела полигона газ отводится через газовые колодцы и перерабатываться на территории полигона. Газовые колодцы должны эффективно обеспечивать в хранилище вакуум, создаваемый установкой откачки биогаза. При этом следует стремиться к минимизации потери давления на большом радиусе действия.

Вертикальные газовые колодцы сконструированы таким образом, чтобы свести к минимуму возможность всасывания внешнего воздуха сквозь не герметичную поверхность полигона. Для этого газовые колодцы, которые будут сооружаются в последнюю очередь строительства, в верхней части тампонируются и снабжаются сплошной трубой.

Все конструктивные элементы, соприкасающиеся с газом или газовым конденсатом, неподвержены влиянию веществ, содержащихся в газе и коррозии - по меньшей мере, на период действия дегазационной системы. Заполненные и фильтровальные трубы газовых колодцев должны выдерживать нагрузку горизонтально и вертикально действующих сил, обусловленных оседанием массы отходов.

Глубина газовых колодцев и расстояние между отдельными колодцами зависят от плотности массы отходов и характеристики отдельных участков. Здесь, в зависимости от вида наполнения отходами и их состава, могут возникнуть различия между отдельными газовыми колодцами.

Объемный расход для газовых колодцев, расположенных вблизи откосов подбирается так, чтобы свести к минимуму всасывание внешнего воздуха. Как удаление газовых колодцев от крутых откосов, так и регулирование объемов тока приведут к снижению количество всасываемого внешнего воздуха через откосы. Максимальное уменьшение количества всасываемого внешнего воздуха, в свою очередь, приведет к тому, что небольшие по площади очаги возгорания внутри откосов не будут распространяться.

В центре скважины вводится фильтровальная труба с прорезями и ограничителями отступов, снабженная фундаментной плитой. Учитывая ожидаемое оседание, фильтровальные трубы выпускаются с так называемыми переходниками. Они состоят из сплошной трубы диаметром Oн 140 SDR 11 и протягиваются сквозь концы отрезков фильтровальных труб. Такое соединение напоминает соединение «труба в трубе». Трубы соединены друг с другом винтами. Винты ломаются, если оседание корпуса отходов происходит в непосредственной близости от газового колодца, то есть увеличивается нагрузка. После поломки винтов фильтровальная труба постепенно входит в сплошную трубу и срезание труб не произойдет.

Кольцевое пространство вокруг ограничителей отступов в центре фильтровальной трубы вместе с переходниками наполняется гравием 16/32. При введении гравия необходимо следить, чтобы гравий не попал внутрь фильтровальной трубы. Следует применять гравий с низким содержанием извести, так как в ходе реакций с H2S из газа и CaCO3 (карбонат кальция) в этой среде может образоваться CaSO4 (гипс), что приводит к склеиванию щебневой колонны.

Сплошные трубы заканчиваются в трубе в верхней части колодца (Oн 140 SDR11) в 3 м под ГОК, который, как и переходники, снабжен гибкой встроенной системой крепления, чтобы оседания можно было выровнять и в этом месте. На стороне соединения со сплошной трубой на конце трубы в верхней части колодца находится воротник из полиэтилена с толщиной 8 мм и диаметром 550 мм. Он прочно приварен к трубе и предотвращает смешивание насыпанного гравия с находящимся на нем связующим материалом.

На участке соединения трубы с верхней частью колодца находится короткий переходник Oн 180 SDR11 с воротником, служащим для присоединения к герметизирующему полотнищу из синтетического материала (ПСМ), которое следует проложить вокруг переходника. ПСМ прокладывается поверх уплотнителя из связующего материала вокруг газового колодца с радиусом 7,5 м, чтобы в значительной степени предотвратить всасывание внешнего воздуха.

Выше трубы в верхней части колодца находится сама верхняя часть колодца из ПЭВП с Oн 180 SDR11, которая встроена в обшивку шахты из ПЭВП с диаметром

O 800 - O 1000. Верхняя часть колодца состоит из сплошной трубы Oн 180, SDR11, с глухим фланцем в качестве контрольного отверстия, и деталью в форме буквы Т с выходом Oн 110 к месту крепления газосборного трубопровода с газовым колодцем. На глухом фланце верхней части колодца имеется измерительный штуцер. Верхняя часть колодца на 0,6 м вставляется в трубу и закрепляется в месте описанного ниже уплотнительного конуса. Таким образом, при помощи вставления в колодец трубы в том месте, где находится пластичный уплотнительный конус, можно компенсировать оседание поверхности полигона, а, следовательно, и верхней части колодца вследствие осадочных процессов в отходах.

Верх каждого колодца герметизируется связующим материалом до уровня поверхности, чтобы минимизировать всасывание внешнего воздуха. Для этого вокруг каждой скважины вырывается коническое углубление глубиной 2,5 м и верх колодца уплотняется связующим материалом (Kf = <10 -9 m/s). Материал монтируется с плотностью не менее 95 % слоями толщиной 0,3м. В качестве альтернативы вместо конического углубления и заполнения связующим материалом можно заполнить только скважину бентонитом на 2,5 м.

Для защиты от воздействия погодных условий, особенно от мороза, вокруг верха колодца прокладывается изолированная шахта. Она прокладывается с таким расчетом, чтобы не перекрыть доступ к арматуре верха колодца. Шахта снабжена покрытием и закрывается. Дополнительная изоляция шахты на стенах шахты и покрытии абсолютно необходима для снижения потери тепла из присоединенных трубопроводов и арматуры.

Шахты ПЭВП имеют следующие габариты:

внутренний диаметр: 0,8 - 1,0 м;

высота шахты: 1,2 м.

7.1.2 Технологическая характеристика

Таблица 3

Заданные величины	Технические требования	Заданные показатели
Габариты, объемы и материал	Максимальный поток газа	10 м/с
	Сплошная труба внутренний диаметр	115 мм
	фильтровальная труба внутренний диаметр	90 мм
	перфорация стенок	7 - 8% внутренней поверхности
	прорези	ширина 4 - 8 мм
	исполнение номинального давления	SDR 11 Pу 10 бар
	диаметр внутри кольца	ок. 600 мм
	заполнение кольца	гравий/щебень с низким содержанием извести (содержание извести 10 %), грануляция 16 - 32 мм или однородная
Требования к материалам	Диапазон температур	ок. - 15 до +70° C
Соединительная техника	Соединение через трубопроводы: сваркой, резьбовое соединение, нарезка и переходники
габариты	труба Oн110 * 10,0 мм SDR 11, Pу 10 бар	отрезок с надрезами и фильтрами до 1 м над подошвой скважины
	труба Oн 140 * 12,6 мм SDR 11, Pу 10 бар	сплошная труба толщиной не менее 3 м под уровнем отходов
материал	ПЭВП (ПЭНД) для строительства полигонов	ГОСТ Р 50838-95
Мaксимальные показатели для производства	средний объем	125 м3/ч
	макс. вакуум у газового колодца	50 мбар (0,005МПа)
	Максимальная температура	50° C



7.1.3 Особенности монтажа и испытаний газового колодца

В процессе доставки и монтажа следует избегать повреждения колодцев, трубопроводов и других технических объектов. Необходим тщательный контроль, чтобы немедленно отреагировать на повреждения газовых колодцев и произвести ремонтные.

Чтобы сократить риск срезания газосборного трубопровода от приемной трубы, в этом месте необходимо встроить соответствующие уплотненные материалы (песок, гравий, землю, отходы).

Качество сварки быстро и надежно устанавливается визуальным контролем шва снаружи.

7.1.4 Техническое обслуживание и ремонт

В рабочие дни проводится визуальная проверка газовых колодцев. При повреждениях газовых колодцев немедленно производят ремонтные работы и отключают электропроводку на газосборной станции при помощи регулировочного клапана. При производстве ремонтных работ в каждом случае необходимо учитывать требования по охране труда и принимать предписанные меры предосторожности

Постоянно делают отметки о контроле и возможных замеченных отклонениях, нарушениях и т. д. в ежедневнике по эксплуатации.

7.2 Расчет газового колодца

7.2.1 Расход газового колодца

Максимальный объем потока газа исходит из максимальной скорости 2500 м?/ч. При общем количестве газовых колодцев - 20 штук, для переработки газа полигона это означает, что через каждый колодец будет отсосан объем в среднем 125 м3/ч.

Скорость тока в газовых трубах не более 10 м/с При скорости 125 м?/ч в долгосрочном производстве исходят из более низких скоростей потока, между 3 и 4 м/с

Снижение давления внутри фильтровальной трубы в газовом коллекторе должно быть незначительным, чтобы необходимый для дегазации вакуум был обеспечен практически на всей площади фильтрации.

7.2.2 Выбор параметров труб

Приемная труба:

Труба ПЭВП 110 * 10,0 мм; SDR 11 (Pу 10 бар) [23].

Показатель среднего объема переработки газа:

средний поток газа к месту обработки на полигоне (Qср.): 125 м3/ч

Габариты труб:

Внешний диаметр Oн:110 мм

Толщина стенок s: 10,1 мм

Внутренний диаметр dв:90,0 мм

Внутреннее поперечное

сечение трубы A: 0,0064 м2

Максимальный поток газа:

Qмакс = vмакс ·A,

где vмакс- максимальная скорость потока газа.

Qмакс = 10 м/с ·0,0064 м2= 0,064 м3/с = 229 м3/ч

Qмакс > Qср.

Сплошная труба:



Труба ПЭВП 140 * 12,7 мм; SDR 11 (Pу 10 бар) [23].

Показатель среднего объема переработки газа:

средний газопоток к месту обработки на полигоне (Qср.): 125 м3/ч

Габариты труб:

Внешний диаметр Oн:140 мм

Толщина стенок s: 12,7 мм

Внутренний диаметр dв:114,6 мм

Внутреннее поперечное

сечение трубы A: 0,0103 м2

Максимальный газопоток:

Qмакс = vмакс · A

Qмакс = 10 м/с ·0,0103 м2 = 0,103 м3/с = 371 м3/ч

Qмакс > Qсоб.

7.2.3 Расчет радиуса влияния газового колодца

На полигоне захоронения твердых бытовых отходов «Торбеево» имеются большие участки откосов с крутыми боковыми поверхностями. Поскольку на полигоне используются механизмы на гусеничном ходу, плотность напластования отбросов на крутых участках откосов можно считать низкой. Для того чтобы через эти откосы не втягивался воздух, или чтобы его было как можно меньше, на откосах газовые колодцы сооружаться не будут. Кроме того, сооружение газовых колодцев в очень крутых откосах было бы связано с большими техническими трудностями и высокими затратами.

Газовые колодцы будут сооружаться на расстоянии не менее 20 м от откоса.

Радиусе влияния газового колодца определим по формуле:

, (16)

где R - радиус утилизации (влияния), м; Q - объем утилизируемого биогаза, м3/ч; D - объемная масса отходов, т/м3(количество отходов к объему загрузки); h - высота складирования отходов, м; q - скорость образования биогаза, м3/т.ч (объем утилизирующего биогаза к общему количеству отходов).

=75м.

7.2.5 Прочностной расчет винтов

На рис.6 показано соединение двух листов винтами (соединение внахлестку). Соединение разрушается в результате перерезывания винтов по линии соприкосновения листов. Учитывая большие трудности, связанные с определением действительного напряженного состояния материала винта в зоне разрушения, для упрощения задачи принимаем, что по плоскостям среза действуют только касательные напряжения, которые распределяются по поверхности среза равномерно. Второе допущение устанавливает, что при действии статической нагрузки можно принимать поперечную силу в каждом винте равной

Q=P/n, (17)

где P - сила, действующая на соединение; n - число винтов.



Рис.6 Соединение двух листов винтами.

Приняв указанные допущения, получим условие прочности винтов на срез:

ф=Р/(n·F) ?[ф] (18)

где F=рd2/4

- площадь поперечного сечения винта диаметром d, [ф]?(0.6?0.8)[у]=14МПа - допускаемое касательное напряжение.

Р = [ф]·k· (19)

где k - коэффициент, зависящий от того односрезное или двухсрезное соединение (в данном случае оно односрезное);

d- диаметр винта (берем пластиковый винт М4-30 диаметром 0,007 м);

Р =14·106·1·=538,5 Н.

ф=Р/(n·F)=538,5/(4·)=3,5МПа?[ф] (18)

Кроме расчета на срез винтовое соединение рассчитывают также на смятие. Проверяют напряжения смятия по площади соприкосновения соединяемых листов и заклепок. С целью приближенного расчета истинная эпюра распределения сжимающих напряжений смятия заменяется приближенной равномерной эпюрой (рис.). Площадь смятия одной заклепки принимают равной

Fсм=dt,

где t - толщина соединяемых листов.

Рис. 7 эпюра распределения сжимающих напряжений смятия.

Условие прочности на смятие имеет следующие вид:

где [усм]?(0.5?0.6)[у]=11 МПа - допускаемое напряжение на смятие.

В случае склепывания внахлестку двух листов различной толщины принимаем t=tmin=10,1мм.

= =1,9 МПа ? [усм] (20)

Кроме расчета на срез и смятие составляют также условие прочности листа на разрыв

ус = Р/F1 ? [ур]



где F1 - площадь сечения листа по ряду винтов в направлении, перпендикулярном линии действия силы P;

n1 - число заклепок в этом сечении;

b - ширина листа (bmin= 4d, примем b= 0,04м);

[ур]- допускаемое напряжение на разрыв (16 МПа).

F1=t·(b-n·d)=0,01·(0,04-4·0,007)=0,00012м2 (22)

ус = 538,5/0,00012 = 4,5 МПа ? [ур].

Винтовое соединение удовлетворяет условиям на разрыв, смятие и срез.

Размещено на Allbest.ru

...