محاسبه فشار، حجم و ضخامت ورق تانک و مخزن فولادی ذخیره و تحت فشار

فرمول هایی که برای محاسبات مخازن استفاده میشوند از دروس مرتبط با استاتیک رشته مهندسی مکانیک استخراج شده اند. برای ساخت مخزن، نیاز به یک سری اطلاعات اولیه میباشد تا بتوانیم محاسبات مورد نیاز برای طراحی مخزن را انجام دهیم. جهت تخمین هزینه ساخت مخزن، ابتدایی ترین سوالاتی که مطرح میشوند میتواند به شرح زیر باشد:

1. چگالی سیال (برای بدست آوردن وزن مخزن، وقتی کاملا پر است)
2. گنجایش یا ابعاد مخزن (برای تخمین میزان متریال مورد نیاز)
3. فشار داخل مخزن (از حاصل جمع وزن سیال و این پارامتر میتوان ضخامت ورق مخزن را محاسبه نمود)
4. اسیدی یا قلیایی بودن سیال (برای اینکه بدانیم جنس بدنه از فولاد باشد یا استیل)

بیشتر بخوانید: فرمول های مورد نیاز برای محاسبات طراحی عدسی مخزن

البته برای محاسبات دقیق تر، پارامترهای بیشتر مورد نیاز است (مثل دمای سیال) که در اینجا از آنها صرف نظر کرده ایم. البته همه این محاسبات را میتوان به کمک نرم افزار های طراحی مخزن نیز در وقت کمتر و بسیار دقیق تر انجام داد.

بیشتر بخوانید: محاسبه فشار آب در مخزن

محاسبه شکل و ابعاد مخزن

یک مخزن میتواند مکعبی و کروی باشد و یا استوانه ای عمودی و افقی باشد. بهینه ترین شکل یک مخزن کدام است؟ مثلا مخزنی به گنجایش هزار لیتر (یا یک متر مکعب) را میتوان به شکل یک مکعب با ابعاد مساوی یک متر ساخت و به شکل مخزن کروی به شعاع 60 سانتیمتر. تعیین ابعاد بهینه برای مخزن به شما کمک میکند که علاوه بر صرفه جویی در متریال مصرفی، بیشترین استفاده از حجم مخزن را بنمایید و در فضای مورد نیاز برای نصب مخرن نیز بهترین و بیشترین استفاده خواهد شد.

فرمول های محاسبه حجم هریک از انواع مخزن
	مخزن به شکل کپسول افقی
	πr2((4/3)r + a)
	مخزن به شکل سیلندر یا استوانه عمودی
	πr2h
	مخزن مکعبی
	a3
	مخزن مکعب مستطیل
	lwh
	محزن کروی
	(4/3)πr3

محاسبات مربوط به عدسی مخزن استوانه ای

اگر مخزن تحت فشار به شکل استوانه ای باشد، برای بستن سر و ته مخزن هم میتوان به روش های مختلف عمل کرد. به عنوان مثال میتوان از نیم کره و یا یک صفحه تخت به عنوان درپوش بالایی یک مخزن عمودی استوانه ای استفاده کرد. بدیهی است که عدسی و یا کپ مخزن نیز به حجم کلی مخزن مقداری می افزاید.

فرمول های محاسبه حجم عدسی مخازن
	عدسی مخروطی
	(1/3)πr2h
	عدسی نیم مخروطی
	(1/3)πh (r12 + r22 + (r1 * r2))
	عدسی نیم کروی
	(2/3)πr3
	عدسی نیم کروی ناقص
	(1/6)πh(3a2 + h2)

اینکه چه شکلی و چه ابعادی بهینه ترین حالت ممکن است، به عوامل زیادی بستگی دارد که ما بر طبق تجربه چندین ساله در ساخت مخزن پیشنهاداتی داریم که به شرح زیر است:

محل و منطقه ای که مخزن در آنجا قرار است استفاده شود نیز میتواند در طراحی شکل ظاهری مخزن تاثیرگذار باشد.

محاسبه ضخامت ورق مخزن

با داشتن حجم مخزن و چگالی سیالی که قرار است در مخزن ذخیره شود میتوانید تخمین بزنید چه مقدار نیرو به کف و بدنه پایینی مخزن وارد میشود. به عنوان مثلا پایه های یک مخزن 8000 لیتری که در آن آب ذخیره شده حدود 8 تن وزن سیال به علاوه وزن متریالی که مخزن با آن ساخته شده را تحمل میکنند. با دانستن چگالی سیال میتوانید فشاری که سیال به کف مخزن وارد میکند را محاسبه کنید.

در محاسبه ضخامت ورق مخزن باید نیرو های وارده به مخزن از طرف طبیعت مثل نیروی باد در مناطق بادخیر و یا نیروی لرزشی در مناطق زلزله خیر را پیش بینی کنید. حرکت سیال داخل مخزن میتوان باعث تکان خوردن های شدید مخزن شود و همچنین نباید نیروی بخارات موادی مثل بنزین و الکل که میتوانند باعث وارد آمدن فشار به بدنه مخزن شوند را نادیده بگیرید.

به عنوان مثال برای ساخت مخزن استوانه ای عمودی به قطر 2 متر و ارتفاع 3 متر به ورق فولادی 1.6 میلیمتر نیاز داریم. با توجه به فرمول های جداول فوق میدانیم این مخزن حدود 9000 لیتر آب میتواند در خود ذخیره کند بنابراین، کف مخزن باید بتواند 9 تن وزن را تحمل کند. لذا بهترین ضخامت برای ورق کف مخزن حدود 8 میلیمتر میباشد (ضخامت 1.6 میلیمتری که قبلا محاسبه کرده بودیم را با 6.3 جمع کردیم و به 7.9 میلیمتر رسیدیم). توجه داشته باشید هرچه از کف مخزن به سمت بالای مخزن حرکت کنیم فشار وزن سیال داخل مخزن به بدنه کمتر میشود لذا نیازی به استفاده از همان ضخامت کف مخزن در بالای مخزن نیست.

اگر این مخزن تحت فشار داخلی 8 اتمسفر باشد، باید 5.6 میلیمتر دیگر به ضخامت قبلی یعنی 7.9 میلیمتری که محاسبه کردیم اضافه کنیم. یعنی در نهایت برای ساخت این مخزن به ورقی به ضخامت 13.5 میلیمتر نیاز میباشد. البته فشار طراحی همیشه بیشتر از فشار کاری است، یعنی اینکه اگر فشار کاری این مخزن 8 اتمسفر است شما در هنگام طراحی، محاسبات خود را با فشار 10 اتمسفر انجام دهید.

محاسبه مقدار ورق مورد نیاز ساخت مخزن

کافیست مساحت سطح بدنه مخزن را حساب کنیم و با توجه به جدول قبل که ضخامت ورق بدنه را محاسبه کردیم و با داشتن چگالی فولاد که در حدود 7 تا 8 تن در متر مکعب است میتوانیم وزن متریال مورد نیاز را بدست آوریم.

فرمول های محاسبه مساحت ورق مورد نیاز بدنه مخزن
	مخزن به شکل کپسول افقی
	2πr(2r + a)
	مخزن به شکل سیلندر یا استوانه عمودی
	2πrh
	مخزن مکعبی
	6a2
	مخزن مکعب مستطیل
	2(lw + lh + wh)
	محزن کروی
	2πr

در مثال قبل (مخزن استوانه ای عمودی به ارتفاع 3 متر و قطر 2 متر) و با استفاده از فرمول های جدول فوق، مشخص میشود که برای ساخت این مخزن حدود 19 متر مربع ورق فولادی به ضخامت 13 میلیمتر نیاز داریم. اگر مساحت ورق را در ضخامت آن ضرب کنیم میتوانیم حجم ورق را بدست آوریم که با داشتن چگالی فولاد، میتوانیم در نهایت به وزن متریال مصرفی ساخت این مخزن برسیم.

با استفاده از فرمول های محاسبه حجم مشخص میشود که مخزنی که مثال زدیم حدود 2 تن ورق نیاز دارد، زیرا حجم 19 مترمربع ورق 13 میل، حدود 0.25 مترمکعب است و با توجه به چگالی فولاد که 8 تن در هر مترمکعب است ما 8 را در 0.25 ضرب میکنیم که به عدد 2 تن خواهیم رسید. با داشتن قیمت ورق فولادی میتوانید برآورد کنید که هزینه ساخت این مخزن چقدر خواهد شد.