一种板式热交换器压紧板结构设计方法与流程

本发明涉及板式热交换器技术领域，具体涉及一种板式热交换器压紧板结构设计方法。

背景技术：

板式热交换器是一种用于冷热介质进行热量交换的装置，广泛应用于各种工业，如石油、化工、能源、冶金、航空航天等领域。长期以来作为板式热交换器的重要零部件——压紧板的设计计算一直是个难题，目前多数采用试验验证或基于经验的选用的方法，严重影响了板式热交换器的可靠性，造成该产品难于开拓新领域。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种板式热交换器压紧板结构设计方法，利用材料的不同方向的弹性变形作为设计计算的判据，通过对比板式热交换器处于预压紧状态和压力试验状态下的变形协调后计算厚度，得到压紧板材质及厚度。

本发明为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：

一种板式热交换器压紧板结构设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)、预压紧参数测验：将板束简化成弹性模量为e1矩形弹性体，以板束上固定的橡胶垫圈为轮廓，压紧板弹性模量为e，将板束与压紧板预压紧，测量长为a、宽为b的压紧板中心形变量y1，查表即得对应弹性模量为e的压紧板材料和对应截面形状的压紧板厚度；

步骤(2)、水压下的预压紧参数测验：将板束简化为矩形流体腔，压紧板在预压紧受力的基础上增加承受内部流体压力，此时压紧板中心的形变量y2，结合水压试验时压紧板所受到的载荷q，查表即得对应弹性模量为e的压紧板材料和对应截面形状的压紧板厚度；

步骤(3)、比较步骤(1)和步骤(2)下的压紧板厚度，选取最大的厚度作为压紧板的设计厚度。

进一步地，步骤(1)中，压紧板中心形变量y1计算公式为

式中，m0为螺栓预紧力在宽度方向上对压紧板产生的弯矩，m1为螺栓预紧力及内部压力对压紧板产生的弯矩，i1为压紧板在宽度方向截面的惯性矩，i2为压紧板在长度方向截面的惯性矩。

进一步地，步骤(2)中，压紧板中心形变量y2计算公式为

其中，m0为螺栓预紧力在宽度方向上对压紧板产生的弯矩，m1为螺栓预紧力及内部压力对压紧板产生的弯矩，i1为压紧板在宽度方向截面的惯性矩，i2为压紧板在长度方向截面的惯性矩，q为水压试验时压紧板所受到的载荷。

与现有技术相比，本发明的技术方案基于板材静刚度理论用于板式热交换器压紧板的设计方法，利用材料不同方向的弹性变形协调，通过材料的弹性模量并控制压紧板工作时的微变形量进而进行板材材料及厚度选择的设计计算方法。该计算属于设定材质和截面形状后的校核计算，材质决定材料弹性模量，截面形状决定压紧板抗弯的惯性矩。

附图说明

图1为本发明中压紧板预压紧测验简化模型受力示意图；

图2为本发明中压紧板水压试验简化模型受力示意图；

图3为本发明中压紧板受内压鼓胀变形示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本发明的一种板式热交换器压紧板结构设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)、预压紧参数测验：将板束简化成弹性模量为e1矩形弹性体，以板束上固定的橡胶垫圈为轮廓，压紧板弹性模量为e，将板束与压紧板预压紧，测量长为a、宽为b的压紧板中心形变量y1，查表即得对应弹性模量为e的压紧板材料和对应截面形状的压紧板厚度；

步骤(2)、水压下的预压紧参数测验：将板束简化为矩形流体腔，压紧板在预压紧受力的基础上增加承受内部流体压力，此时压紧板中心的形变量y2，结合水压试验时压紧板所受到的载荷q，查表即得对应弹性模量为e的压紧板材料和对应截面形状的压紧板厚度。

步骤(3)、比较步骤(1)和步骤(2)下的压紧板厚度，选取最大的厚度作为压紧板的设计厚度。

在步骤(1)中，压紧板中心形变量y1计算公式为

式中，m0为螺栓预紧力在宽度方向上对压紧板产生的弯矩，m1为螺栓预紧力及内部压力对压紧板产生的弯矩，i1为压紧板在宽度方向截面的惯性矩，i2为压紧板在长度方向截面的惯性矩。

压紧板在夹紧螺栓的作用下，平行夹紧板束，同时压紧板在弹性范围内与板束弹性体所产生的作用力相平衡，压紧板在两侧螺栓作用下，受力简化如图1所示，产生如图3所示的变形，在长度和宽度方向的变形角度分别为α0、β0，计算时可取tgα0、tgβ0近似等于α0、β0的工程可接受近似值，由此可得出压紧板中心的形变距离y1。

在步骤(2)中，压紧板中心形变量y2计算公式为

其中，m0为螺栓预紧力在宽度方向上对压紧板产生的弯矩，m1为螺栓预紧力及内部压力对压紧板产生的弯矩，i1为压紧板在宽度方向截面的惯性矩，i2为压紧板在长度方向截面的惯性矩，q为水压试验时压紧板所受到的载荷。

在预压紧测验受力的基础上，增加承受内部流体压力，此时虽然在流体内部压力作用下，压紧板的受力会抵消一部分，但以橡胶垫片轮廓为支点，压紧板在螺栓拉紧力及内部压力的作用下会产生沿长度a方向及宽度b两个方向的力矩作用，产生中间鼓胀变形即角α及角β(如图3所示，正常情况下此时的角α、角β远大于预紧力时的角α0、角β0)均保证压紧板在弹性范围内且满足tgα或tgβ近似等于α或β。通过两次测验得出压紧板中心点位移形变量，通过查表得出对应材料的截面参数，即厚度值。

本发明中的具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：

1.一种板式热交换器压紧板结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、预压紧参数测验：将板式热交换器的板束简化成弹性模量为e1矩形弹性体，以板束上固定的橡胶垫圈为轮廓，压紧板弹性模量为e，将板束与压紧板预压紧，测量长为a、宽为b的压紧板中心形变量y1，查表即得对应弹性模量为e的压紧板材料和对应截面形状的压紧板厚度；

步骤(2)、水压下的预压紧参数测验：将板束简化为矩形流体腔，压紧板在预压紧受力的基础上增加承受内部流体压力，此时压紧板中心的形变量y2，结合水压试验时压紧板所受到的载荷q，查表即得对应弹性模量为e的压紧板材料和对应截面形状的压紧板厚度；

步骤(3)、比较步骤(1)和步骤(2)下的压紧板厚度，选取最大的厚度作为压紧板的设计厚度。

2.根据权利要求1所述的板式热交换器压紧板结构设计方法，其特征在于，步骤(1)中，压紧板中心形变量y1计算公式为

式中，m0为板片弹性载荷在宽度方向上对板片产生的弯矩，m1为板片弹性载荷在宽度方向上对板片产生的弯矩，i1为压紧板在宽度方向截面的惯性矩，i2为压紧板在长度方向截面的惯性矩。

3.根据权利要求1所述的板式热交换器压紧板结构设计方法，其特征在于，步骤(2)中，压紧板中心形变量y2计算公式为

其中，m0为螺栓预紧力在宽度方向上对压紧板产生的弯矩，m1为螺栓预紧力及内部压力对压紧板产生的弯矩，i1为压紧板在宽度方向截面的惯性矩，i2为压紧板在长度方向截面的惯性矩，q为水压试验时压紧板所受到的载荷。

技术总结
本发明公开了一种板式热交换器压紧板结构设计方法，包括预压紧参数测验：将板束简化成矩形弹性体，将板束与压紧板预压紧，压紧板中心形变量，即得对应弹性模量的压紧板材料和对应压紧板厚度；水压下的预压紧参数测验：将板束简化为矩形流体腔，此时压紧板中心的形变量，结合水压试验时压紧板所受到的载荷，查表即得对应弹性模量的压紧板材料和对应压紧板厚度；比较前两步骤中选取的压紧板厚度，选取最大的厚度作为压紧板的设计厚度。本发明利用材料不同方向的弹性变形协调，通过材料的弹性模量并控制压紧板工作时的微变形量进而进行板材材料及厚度选择的设计计算方法。

技术研发人员：周华益;余胜亮;余建武
受保护的技术使用者：上海艾克森集团有限公司
技术研发日：2020.05.06
技术公布日：2020.08.18