CN103217135A - 一种确定可拆卸板式热交换器压紧板厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其基于刚度控制参数即换热器活动压紧板变形曲面切线相对位于垂直方向的许用偏转角，并引入修正系数对开有角孔的固定压紧板进行厚度补强，以计算可拆卸板式换热器压紧板的厚度；所述方法包括以下步骤：(一)计算水压试验条件下换热器所有夹紧螺栓的夹紧载荷；(二)通过步骤(一)中所获得的所述夹紧载荷计算所述夹紧螺栓在水压试验压力下对所述压紧板施加的弯矩；(三)计算与压紧板长宽比值有关的特征参数；(四)通过步骤(三)中所获得的上述特征参数计算活动压紧板厚度；(五)利用上述活动压紧板的厚度计算获得固定压紧板的厚度。

Description

一种确定可拆卸板式热交换器压紧板厚度的方法

技术领域

本发明属于热交换器结构设计技术领域，具体涉及一种用于确定板式换热器压紧板的厚度的方法。 

背景技术

可拆卸板式换热器是广泛应用于石油、化工、电力等行业的工艺传热设备。可拆卸板式换热器活动压紧板与固定压紧板的主要作用是为设备承载时能提供足够的刚度从而避免压紧板变形越大，夹紧板之间的间隙越大使得密封胶垫回弹变形过大密封垫片表面的密封压力降低太多从而发生泄漏，决定压紧板变形程度的参数主要有长度、宽度、厚度、波松比、弹性模量，其中，压紧板的长、宽由换热板片大小决定，材料一般选用特定材料，因此，设计压紧板的主要内容是确定合适的厚度尺寸在保证密封要求的前提下节约材料。 

已公布的中国专利CN101349557B，公开了一种用于固定管板换热器的确定非均厚薄管板厚度的方法，其关键在于建立非均厚薄管板厚度的数学模型，其在无支撑区的计算实际上是一个为满足由于热膨胀而引起的应力弯矩的刚度校核，其实质上为引用的重型机械中管撑弹簧的计算模型。 

上述厚度计算方法为采用通用的计算模型，即通用的解析表达式，其基于许用应力要求选择厚度，导致其强度计算公式偏于保守，所计算得到的厚 度尺寸富裕量较大。 

如上述专利，可拆卸板式换热器压紧板厚度的设计方法主要有两类。一是数值模拟方法可根据计算得到的不同变形值、应力大小设计压紧板厚度，但计算周期较长，计算过程复杂，不易被多数工程设计人员掌握，二是采用通用的解析表达式，板式换热器国家标准NBT 47004-2009依据设计压力列出了压紧板厚度的选取尺寸。制冷用板式换热器行业标准JB8701参照平板封头强度设计公式给出了制冷用板式换热器压紧板厚度的设计表达式。该类设计方法存在的优点是适用于计算压紧板长和宽尺寸、材质、载荷不同的压紧板厚度，计算方法简单，不足是基于许用应力要求或依据设计压力选择压紧板厚度，而板式换热器压紧板主要失效形式是泄漏而非断裂或屈服，上述方法的设计准则中采用的是许用应力而没有采取对橡胶垫处泄漏有直接影响的压紧板刚度控制参数且提供的强度计算公式也偏于保守，导致计算的压紧板尺寸富裕量过大。 

发明内容

为克服上述技术难点，本发明目的在于提供一种基于刚度要求的确定可拆卸板式换热压紧板厚度的方法。 

为实现上述目标，本发明采取的技术方案是，提供一种确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，基于刚度控制参数即换热器活动压紧板变形曲面切线相对位于垂直方向的许用偏转角，并引入修正系数对开有角孔的固定压紧板进行厚度补强，以计算可拆卸板式换热器压紧板的厚度； 

所述方法包括以下步骤： 

步骤(一)：计算水压试验条件下换热器所有夹紧螺栓的夹紧载荷； 

步骤(二)：通过步骤(一)中所获得的所述夹紧载荷计算所述夹紧螺栓在水压试验压力下对所述压紧板施加的弯矩； 

步骤(三)：计算与压紧板长宽比值有关的特征参数； 

步骤(四)：通过步骤(三)中所获得的上述特征参数计算活动压紧板厚度； 

步骤(五)：利用上述活动压紧板的厚度计算获得固定压紧板的厚度。 

较佳的，所述计算水压试验条件下螺栓载荷的步骤(一)为： 

W_p＝(A+2·B·L_G·m)×q_o

(1) 

W_p表示水压实验压力条件下，所有夹紧螺栓夹紧载荷之和，A表示换热板片单板面积，B-垫片有效宽度，m-垫片系数，m＝1，L_G-密封垫片周长。 

较佳的，步骤(二)中计算夹紧螺栓在水压试验压力下对压紧板施加的弯矩： 

M_o＝W_p/2×e/a    (2) 

M₀表示夹紧螺栓对压紧板在单位高度上施加的弯矩，e代表夹紧螺栓中心线距离橡胶密封垫片中心线的距离，a代表固定压紧板上、下角孔中心线沿高度方向的跨距。 

较佳的，步骤(三)中计算与压紧板长-宽比值有关的特征参数的步骤为： 

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\mathrm{\π}\·b}{2a},$ $\mathrm{th}{\mathrm{\α}}_1=\frac{e^{{\mathrm{\α}}_1}-e^{-{\mathrm{\α}}_1}}{e^{{\mathrm{\α}}_1}+e^{-{\mathrm{\α}}_1}},$ $\mathrm{ch}{\mathrm{\α}}_1=\frac{e^{{\mathrm{\α}}_1}+e^{-{\mathrm{\α}}_1}}{2}---\left(3\right)$

b代表活动压紧板沿水平方向的有效宽度，定义为压紧板宽度总值减去垫片与螺栓中心水平距离的2倍； 

特征参数Ω、∏为： 

$\mathrm{\Ω}=(1-\frac{2+{\mathrm{\α}}_1\mathrm{th}{\mathrm{\α}}_1}{2\mathrm{ch}{\mathrm{\α}}_1})---\left(4\right)$

∏＝(α₁th²α₁-thα₁-α₁) 

(5)。 

较佳的，所述计算活动压紧板厚度的步骤(四)为： 

$h\≥{[(\frac{4\·q_0\·a^3}{{\mathrm{\π}}^4}\·\mathrm{\Ω}+\frac{2\·M_0\·a}{{\mathrm{\π}}^2}\·\mathrm{\Π})\·\frac{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{E\·\left[\mathrm{\β}\right]\×\mathrm{\π}/180}]}^{\frac{1}{3}}---\left(6\right)$

h-活动压紧厚度，q₀-水压实验压力，μ表示泊松比，E表示弹性模量，[β]代表活动压紧板在承受载荷条件下沿垂直方向许用偏转角。 

较佳的，所述计算固定压紧板厚度的步骤(五)为： 

$h^{\′}=h\·\sqrt{1/v}---\left(7\right)$

$v=\frac{b-\mathrm{\Σd}}{b}---\left(8\right)$

h′代表可拆卸板式换热器固定压紧板厚度之和，v代表固定压紧板因开角孔造成的抗弯刚度削弱系数，∑d表示压紧板开孔直径之和。 

本发明中，基于刚度控制参数即活动压紧板变形曲面切线相对位于垂直方向的许用偏转角，并通过引入修正系数对开有角孔的固定压紧板进行厚度补强的方法具有通用性、计算方便特点，可适用于不同载荷、材质的压紧板厚度设计。在同等工艺条件下，较传统设计方法减薄压紧板厚度10％以上， 这对于企业节约材料，降低制造成本具有重要价值。 

附图说明

图1为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算流程示意图； 

图2为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤一的流程示意图； 

图3为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤二的流程示意图； 

图4为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤三的流程示意图； 

图5为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的活动压紧板结构示意图； 

图6为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤四的流程示意图； 

图7为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤五的流程示意图。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明上述的和另外的技术特征和优点，作更详细的说明。 

实施例： 

压紧板材质为碳钢，板弹性模量E是2.06×10¹¹Pa，压紧板材料泊松比0.28，活动压紧板长度a为1.35m，有效宽度b是0.532m，角孔直径为0.155m，单板传热面积0.72m²，螺栓中轴线与垫片中心线间距e为0.054m，垫片有效长度5.417m，垫片有效宽度B为0.01m，许用偏转角[β]为0.35°。设计压力1.6×10⁶，计算压力2.0×10⁶Pa。 

本发明为一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，请参阅图1所示，其为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算流程示意图，该计算流程共包括五个步骤，分别为：第一步，a1：计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷；第二步，a2：计算夹紧螺栓在水压试验压力下对压紧板施加的弯矩；第三步，a3：计算与压紧板长宽比值有关的特征参数；第四步，a4：计算活动压紧板厚度；第五步，a5：计算固定压紧板的厚度。 

现结合附图对各步骤进行详细说明。 

第一步：a1：计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷，请参阅图2所示，其为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤一的流程示意图，其具体流程为，a11：确定换热板片单板面积，a12：确定垫片有效宽度，a13：确定垫片系数，a14：确定密封垫片周长，a15；确定设计压力，之后由上述五个小步骤，进行a1：计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷，在本实施例中， 

W_p＝(A+2·B·L_G·m)×q_o    (1) 

W_p＝(0.72+2×10×10^-3×5.42×1)×(1.25×1.6×10⁶)＝1656.68×10³N 

W_p表示水压实验压力条件下，所有夹紧螺栓夹紧载荷之和，Pa，A表示 换热板片单板面积(m²)，B代表垫片有效宽度，m代表垫片系数，m＝1，L_G-密封垫片周长(m)。 

第二步：a2：计算夹紧螺栓在水压试验压力下对压紧板施加的弯矩，请参阅图3所示，其为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤二的流程示意图，其具体流程为：a1：计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷，a21：确定夹紧螺栓中心线距离橡胶密封垫片中心线的距离，a22：确定固定压紧板上、下角孔中心线沿高度方向的跨距，经由上述三个小步骤，结合进行a2：计算夹紧螺栓在水压试验压力下对压紧板施加的弯矩，在本实施例中， 

M_o＝W_p/2×e/a    (2) 

M_o＝828.3×10³×54×10^-3/1.35＝33133.6N·m 

M0表示夹紧螺栓对压紧板在单位高度上施加的弯矩(N·m/m)，e代表夹紧螺栓中心线距离橡胶密封垫片中心线的距离(m)。a代表固定压紧板上、下角孔中心线沿高度方向的跨距， 

第三步：a3：计算与压紧板长-宽比值有关的特征参数，请参阅图4所示，其为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤三的流程示意图，其具体流程为：a22：确定固定压紧板上、下角孔中心线沿高度方向的跨距，a31：确定活动压紧板沿水平方向的有效宽度，经由上述两个小步骤，结合进行a32：确定水平偏转角α，进行a21：确定夹紧螺栓中心线距离橡胶密封垫片中心线的距离，再与上述两个小步骤结合进行a33：确定特征系数thα，a34：确定特征系数chα，经a32：确定特征系数α，a33：确定特征系数thα后，进行a36；确定特征参数∏，再由确定的三个特征系数，进行a35：确定特征参数Ω，在本实施例中， 

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\mathrm{\π}\·b}{2a}=0.619,$ $\mathrm{th}{\mathrm{\α}}_1=\frac{e^{{\mathrm{\α}}_1}-e^{-{\mathrm{\α}}_1}}{e^{{\mathrm{\α}}_1}+e^{-{\mathrm{\α}}_1}}=0.550,$ $\mathrm{ch}{\mathrm{\α}}_1=\frac{e^{{\mathrm{\α}}_1}+e^{-{\mathrm{\α}}_1}}{2}=1.198---\left(3\right)$

请结合图5所示，b代表活动压紧板沿水平方向的有效宽度4，定义为密封胶垫片在水平方向的横向跨距，a代表活动压紧板长度3，α代表活动压紧板在承受载荷条件下沿水平方偏转角2。 

$\mathrm{\Ω}=(1-\frac{2+{\mathrm{\α}}_1\mathrm{th}{\mathrm{\α}}_1}{2\mathrm{ch}{\mathrm{\α}}_1})=0.229---\left(4\right)$

∏＝(α₁th²α₁-thα₁-α₁)＝0.284    (5) 

第四步：a4：计算活动压紧板厚度，请参阅图6所示，其为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤四的流程示意图，其具体流程为：a41：确定水压试验压力，a42：确定泊松比，a43：确定弹性模量，a44：确定沿垂直方向需用偏转角，a35：确定特征参数Ω，a36；确定特征参数∏，a22：确定固定压紧板上、下角孔中心线沿高度方向的跨距，a1：计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷，经由上述小步骤结合进行a4：计算活动压紧板厚度，在本实施例中， 

$h\≥{[(\frac{4\·q_0\·a^3}{{\mathrm{\π}}^4}\·\mathrm{\Ω}+\frac{2\·M_0\·a}{{\mathrm{\π}}^2}\·\mathrm{\Π})\·\frac{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{E\·\left[\mathrm{\β}\right]\×\mathrm{\π}/180}]}^{\frac{1}{3}}---\left(6\right)$

$=0.0398m=39.8\mathrm{mm}$

h-活动压紧厚度(m)，q₀-水压实验压力(Pa)，μ表示泊松比，E表示弹性模量(Pa)。请结合图5所示，[β]代表活动压紧板在承受载荷条件下沿垂直方向许用偏转角1，单位度。 

第五步：a5：计算固定压紧板厚度，请参阅图7所示，其为本发明一种用于确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法实施例的计算步骤四的流程示意图，其具体流程为：a31：确定活动压紧板沿水平方向的有效宽度，a51：确定压紧板开孔直径之和，由上述两个小步骤结合进行a52；确定固定压紧板抗弯刚度削弱系数，其再与a4：计算活动压紧板厚度，进行a5：计算固定压紧板厚度，在本实施例中， 

$h^{\′}=h\·\sqrt{1/v}=39.8\×1.19=47\mathrm{mm}---\left(7\right)$

$v=\frac{b-\mathrm{\Σd}}{b}$

$\sqrt{1/v}={\left[\frac{(0.64-0.054\×2)}{(0.64-0.054\×2)-0.155\×2}\right]}^{1/2}=1.19---\left(8\right)$

代表可拆卸板式换热器固定压紧板厚度之和。v代表固定压紧板因开角孔造成的抗弯刚度削弱系数，∑d表示压紧板开孔直径之和。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。 

Claims (6)

1.一种确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，基于刚度控制参数即换热器活动压紧板变形曲面切线相对位于垂直方向的许用偏转角，并引入修正系数对开有角孔的固定压紧板进行厚度补强，以计算可拆卸板式换热器压紧板的厚度；

所述方法包括以下步骤：

步骤(一)：计算水压试验条件下换热器所有夹紧螺栓的夹紧载荷；

步骤(二)：通过步骤(一)中所获得的所述夹紧载荷计算所述夹紧螺栓在水压试验压力下对所述压紧板施加的弯矩；

步骤(三)：计算与压紧板长宽比值有关的特征参数；

步骤(四)：通过步骤(三)中所获得的上述特征参数计算活动压紧板厚度；

步骤(五)：利用上述活动压紧板的厚度计算获得固定压紧板的厚度。

2.根据权利要求1所述的确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，所述计算水压试验条件下螺栓载荷的步骤(一)为：

W_p＝(A+2·B·L_G·m)×q_o

(1)

W_p表示水压实验压力条件下，所有夹紧螺栓夹紧载荷之和，A表示换热板片单板面积，B-垫片有效宽度，m-垫片系数，m＝1，L_G-密封垫片周长。

3.根据权利要求2所述的确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，

步骤(二)中计算夹紧螺栓在水压试验压力下对压紧板施加的弯矩：

M_o＝W_p/2×e/a    (2)

M₀表示夹紧螺栓对压紧板在单位高度上施加的弯矩，e代表夹紧螺栓中心线距离橡胶密封垫片中心线的距离，a代表固定压紧板上、下角孔中心线沿高度方向的跨距。

4.根据权利要求3所述的确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，

步骤(三)中计算与压紧板长-宽比值有关的特征参数的步骤为：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\mathrm{\π}\·b}{2a},$ $\mathrm{th}{\mathrm{\α}}_1=\frac{e^{{\mathrm{\α}}_1}-e^{-{\mathrm{\α}}_1}}{e^{{\mathrm{\α}}_1}+e^{-{\mathrm{\α}}_1}},$ $\mathrm{ch}{\mathrm{\α}}_1=\frac{e^{{\mathrm{\α}}_1}+e^{-{\mathrm{\α}}_1}}{2}---\left(3\right)$

b代表活动压紧板沿水平方向的有效宽度，定义为压紧板宽度总值减去垫片与螺栓中心水平距离的2倍；

特征参数Ω、∏为：

$\mathrm{\Ω}=(1-\frac{2+{\mathrm{\α}}_1\mathrm{th}{\mathrm{\α}}_1}{2\mathrm{ch}{\mathrm{\α}}_1})---\left(4\right)$

∏＝(α₁th²α₁-thα₁-α₁)

(5)。

5.根据权利要求4所述的确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，所述计算活动压紧板厚度的步骤(四)为：

$h\≥{[(\frac{4\·q_0\·a^3}{{\mathrm{\π}}^4}\·\mathrm{\Ω}+\frac{2\·M_0\·a}{{\mathrm{\π}}^2}\·\mathrm{\Π})\·\frac{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{E\·\left[\mathrm{\β}\right]\×\mathrm{\π}/180}]}^{\frac{1}{3}}---\left(6\right)$

h-活动压紧厚度，q₀-水压实验压力，μ表示泊松比，E表示弹性模量，[β]代表活动压紧板在承受载荷条件下沿垂直方向许用偏转角。

6.根据权利要求5所述的确定可拆卸板式换热器压紧板厚度的方法，其特征在于，所述计算固定压紧板厚度的步骤(五)为：

$h^{\′}=h\·\sqrt{1/v}---\left(7\right)$

$v=\frac{b-\mathrm{\Σd}}{b}---\left(8\right)$

h′代表可拆卸板式换热器固定压紧板厚度之和，v代表固定压紧板因开角孔造成的抗弯刚度削弱系数，∑d表示压紧板开孔直径之和。

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