一种可拆式板式热交换器压紧板厚度的计算方法

【摘要】2 计算方法 为了克服上述技术难点，文章提供一种基于刚度要求的确定可拆式板式热交换器压紧板厚度的方法。采取的技术方案是，基于刚度控制参数即热交换器活动压紧板变形曲面切线相...

摘 要：文章提供一种基于刚度要求的确定可拆式板式热交换器压紧板厚度的方法。采取的技术方案是，基于刚度控制参数即热交换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，以计算可拆式板式热交换器压紧板的厚度。

关键词：可拆式板式换热器；压紧板厚度；计算方法

1 概述

可拆式板式热交换器是广泛应用于石化、电力、供热等行业的工艺传热设备。可拆式板式热交换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，夹紧板之间的间歇越大使得密封垫片回弹变形过大，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、弹性模量等。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。

可拆式板式热交换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和应力大小来设计压紧板厚度，但计算时间长，计算过程复杂，不易被多数工程技术人员掌握。二是采用通用的解析表达式。板式热交换器国家标准NB/T47007-2009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、材料、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，而板式热交换器压紧板主要失效形式是泄露而非断裂。上述方法的设计准则中采用的是许用应力而没有采取对垫片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裕度过大。

2 计算方法

为了克服上述技术难点，文章提供一种基于刚度要求的确定可拆式板式热交换器压紧板厚度的方法。采取的技术方案是，基于刚度控制参数即热交换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，以计算可拆式板式热交换器压紧板的厚度。具体计算步骤如下：

2.1 计算水压试验条件下热交换器所有夹紧螺栓的夹紧载荷

推荐采用Wp=（A+2・B・LG・m）×q

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

2.2 夹紧螺栓在水压试验压力下对所述压紧板施加的弯矩

推荐采用M0=Wp/2×e/a

M0表示夹紧螺栓对压紧板在单位高度上施加的弯矩，e表示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。

2.3 计算与压紧板长宽比值有关的特征参数

计算与压紧板长-宽比值有关的特征参数的步骤为：

推荐采用？琢1=■，th？琢1=■，ch？琢1=■

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：

2.4 计算活动压紧板的厚度

推荐采用

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

2.5 计算获得固定压紧板的厚度

推荐采用h'=h・■ v=■

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

3 实施

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为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，垫片有效宽度B为0.01m，许用偏转角[？茁]为

0.35°。设计压力1.6×106Pa，计算压力2.0×106Pa。

第一步：计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷。其具体流程为，（1）确定换热板片单板面积，（2）确定垫片有效宽度，（3）确定垫片系数，（4）确定密封垫片周长，（5）确定设计压力。之后由上述五个小步骤，进行计算水压试验条件下夹紧螺栓的夹紧载荷，在本实施例中：

Wp=（A+2・B・LG・m）×q0

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

Wp表示水压实验压力条件下，所有夹紧螺栓夹紧载荷之和，A

表示换热片单板面积（m2），B表示垫片有效宽度，m表示垫片系数，m=1，LG表示密封垫片周长（m）。

第二步：计算夹紧螺栓在水压试验压力下对压紧板施加的弯

矩，其具体流程为：（1）确定夹紧螺栓中心线距离橡胶密封垫片中心线的距离，（2）确定固定压紧板上下角孔中心线沿高度方向的跨距。经由上述两个小步骤，结合进行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：

M0=Wp/2×e/a

M0=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，e表示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。

第三步：计算与压紧板长-宽比值有关的特征参数，其具体流程为：（1）确定固定压紧板上下角孔中心线沿高度方向的跨距，（2）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，结合进行确定水平偏转角α，进行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确定特征系数thα，确定特征系数chα，确定特征系数α，确定特征系数thα后，确定特征参数∏，再由确定的三个特征系数，进行确定特征参数Ω，在本实施例中：

？琢1=■=0.619，th？琢1=■=0.550，ch？琢1=■=1.198

b代表活动压紧板沿水平方向的有效宽度，定义为密封胶垫片在水平方向的横向跨距，？琢代表活动压紧板长度，？琢1代表活动压紧板在承受载荷条件下沿水平方偏转角。

第四步：计算活动压紧板厚度，其具体流程为：确定水压试验压力，确定泊松比，确定弹性模量，确定沿垂直方向许用偏转角，确定特性参数Ω，确定特性参数∏，经由上述小步骤结合进行计算活动压紧板厚度，在本实施例中：

h表示活动压紧厚度（m），q0表示水压实验压力（Pa），？滋表示泊松比，E表示弹性模量（Pa），[？茁]表示活动压紧板在承受载荷条件下沿垂直方向许用偏转角，单位度。

第五步：计算固定压紧板的厚度，其具体流程为：确定活动压紧板沿水平方向的有效宽度，确定压紧板开孔直径之和，有上述两个小步骤结合进行确定固定压紧板抗弯刚度削弱系数，其再与计算活动压紧板厚度，进行计算固定压紧板厚度，本实施例中：

h'=h・■=39.8×1.19=47mm

v=■

■=■■=1.19

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

4 结束语

（1）经过推荐公式计算的压紧板厚度在实际应用中的指导作用很大。

（2）同一型号和板型的产品，若板片精度比较高，在相同工作压力下，压紧板在夹紧过程中引起的变形就小，压紧板的厚度就比较薄。

（3）有些热交换器的生产厂家对压紧板厚度的选取往往不考虑工作压力的大小，都采用一样的厚度，这是很不经济的做法。板式热交换器是一个标准化程度很高的产品，因此对压紧板而言，应采取分档的方法进行制造，既有一定的通用性又比较经济。

参考文献

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201310197497.

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作者简介：黄蕾（1989，11-），女，汉族，太原科技大学机械学院2015级博士生在读。