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板式换热器波纹板片结构承载特性分析

发表时间：2020/12/21 来源：《基层建设》2020年第24期作者：张志谋常浩

[导读] 摘要：开展板式换热器波纹板片结构的承载性分析，对工业领域的发展，具有不可估量的意义和价值。

        陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司 719319
        摘要：开展板式换热器波纹板片结构的承载性分析，对工业领域的发展，具有不可估量的意义和价值。本文以板式换热器波纹板片结构承载性为主要研究对象，针对波纹板片的结合特点进行合理化的改良和升级，结合笔者在换热器领域的从业经验，提出一系列真实有效的试验探究。仅供参考。
        关键词：板式换热器；承载特性；波纹板片
        引言
        随着我国工业发展进程的壮大和改善，以板式换热器为代表的工业设备迎来新的技术升级和产业升级。一方面，由于板式换热器在机械、化工、核电、轮渡等行业中具有重要的作用和意义，利用其强大的热量交换、余热回收、冷却、冷能等功能，成为行业发展的重要应用技术。
        一、板式换热器波纹板片的研究发展
        近年来，随着我国工业化技术水平的升级和优化，对行业的重要应有技术，提出了新的发展要求，以板式换热器为代表的重要工业技术，提出关于操作压力、操作温度、降低板片的使用条件等一系列要求，因此开展板式换热器波纹板片结构承载性的技术研究，提升换热器的使用寿命，成为行业重要的研究课题。
        传统的板式换热器由于板片的承载能力不足，进而引发一系列问题和事故，尤其是在核电设备中，当板式换热器发生技术问题时，极有可能引发板片变形以及换热器热量泄漏，甚至还会导致闭式冷却水与海水的热量交换问题，从而影响发电机组的安全运行。近年来，针对板式换热器的承载力特性，已经开展大量的科学研究，其中利用数字模型方式，对板片的梯形波纹板的分布压力进行分析，同时还对波纹板片结构的强度进行计算和细化，相关研究进一步将板片进行多元化的探索和科研。笔者利用数值模拟计算方式，结合计算机技术对板片结构的承载性进行系统化的设计分析，探索其中重要的影响规律以及技术参数。
        二、波纹板片结构参数
        通常，波纹板片结构的主要试验参数包括波纹斜角、波高、板片结构厚度、强度系数、截面特点等，其中截面特点包括板片各种形态的截面，如梯形截面、角形截面、弧形截面等，利用计算机模型进行计算，可以探查出工程的实际应用成效，同时根据板片的展开系数进行分析，根据展开系数的范围1.1到1.6,以及波纹倾角的范围60°到150°等相关数据，板片厚度小于1mm。
        板片结构的上下两个方向，存在不同的结构特点，因此对应承载力也会有一定的差距，根据Mises等效应力，以结构顶面、斜面、底面、垂直于波纹方向以及平行与波纹方向等方向进行板片结构强度分析，同时利用顶面、斜面、底面单个方面的刚度进行板片结构的抗变形能力分析。对板片之间的接触面进行多点位的测算，标记其中的中心位置，同时提高两个板片的接触面，进而通过减少边界条件等方式，从而降低计算结果带来的实质性影响。
        三、波纹板片的结构强度分析
        （一）不同截面特点的结构强度
        利用计算机软件，如ANSYS对板片结构进行静力学分析，结合数字化模块对板片进行多种位置的强度分析，按照三种截面特点，施加0.3Mpa的法向均布荷载，并将板片进行有效的固定。根据接触算法的计算方程式的计算结果，三种不同截面特点的应力计算内容存在巨大的差异性。

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另外在三种截面波纹板片中，应力分布并不均匀，尤其是在边界、尖角等特殊问题，其应力变化程度较大。通过与弧形波纹板片进行对比，发现梯形与角形的波纹板片相关位置的强度较大。一方面，梯形板片接触形态是以面为特征，而弧形以及角形板片是以点的形式为接触代表，因此梯形板片之间的约束力更加明显。由此推论，梯形波形板片的结构强度是三种截面形态中最为强大的。
        受角形板片自身承载面的影响，在实际的工业应用领域中，其应用成效较差，因此未能进行大量的使用和应用。相反弧形板片以及梯形板片，在相关领域中的价值和作用较为明显，因此对应的结构强度优异，符合当前工业领域的发展需求，从而应用比例以及应用范围较好。
        （二）梯形板片结构性能对结构强度的具体影响
        需用结构强度最为突出的梯形波纹板片，改变展开系统、波纹倾角、波高、厚度等结构参考系数的任意一项，进行梯形板片机构性的研究。借助计算机软件，对板片进行建模，同时以展开系数为例，进行相应的调整，发现展开系数大于1.04时，展开系数对板片机构的影响较弱，但是当在规定范围内，有效增加展开系数，具有极为明显的影响作用，降低结构的应力比例约为45%以上。针对波纹倾角的设定和调整，借助计算机技术的运算和分析，得出波纹倾角提高后，板片接触面的面积会影响较大，影响板片之间的约束强度。因此，对应的机构整体强度也会降低。当接触面调整为菱形模式时，板片接触面会自然而然增加。另外降低波纹倾角，也会提高了结构的约束强度。通过数字模型计算分析，结构强度受波纹倾角的影响极为有限，减少波纹倾角可以降低板片的结构应力。通过调整相关结构参数，从而探索最佳的参数比例，促进板片结构强度的改善和强化。
        四、波纹板片结构抗变形能力分析
        不同截面特征的板片，其刚度值经过计算机软件进行测算，差异性较小。其中，梯形板片之间的刚度值相对较大，对比弧形板片、角形板片，其刚度值高出14%、30%，由此可见，梯形板片的刚度值最大，其抗变形能力最为显著[1]。
        梯形板片结构参数的研究，以变形能力最佳的梯形波纹板片进行分析。改变其中的重要研究参数，调整对应的关系和数据，利用计算机进行分析和研究。以展开系数作为研究对象，利用对展开系数的科学调整，实现梯形板片之间接触面积有效增加。同时，还会造成斜面倾斜角度改变。根据计算机显示的结果，斜面机构变化对板片刚度影响较大。通过增加展开系数，进而提升板片的最小刚度，提升效果较为明显，另外改变波纹倾角以及波高，降低二者的数值，可以进一步提升板片的约束强度。最终实现波纹板片抗变形能力的强化和提升，提升效果最高可以达到4.5倍左右，而减少波高也能够进一步提升板片的刚度值，同时增加板片厚度值可以提升板片刚度2.5倍左右。由此可见，通过对板片结构的优化和改良，进一步明确板片的刚度值，通过采取一系列行之有效的改善策略，板片刚度值可以提升1.5倍到4.5倍左右，具有极为显著的改善作用[2]。
        结论
        通过对板式换热器多种结构截面的分析和研究，针对板片的结构参数、强度参数、刚度参数等多方面数据进行分析，通过改变板片单一结构参数，进行板片承载力性能的研究，利用计算机数字模型技术对板式换热器波纹板片结构承载力，进行更为科学和高效的研究应用，进而梳理出一系列行之有效的改善举措。
        参考文献：
        [1]程晓峰,张耀,万兴.板式换热器的结构设计与优化[J].节能,2020,39(09):81-84.
        [2]舒思未. 基于场协同原理的板式换热器的传热性能数值研究[D].大连海事大学,2020.