螺旋板换热器密封端盖结构研究

董金善 潘兵兵 周鹏飞 常 乐

（1.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 210009；2.江苏省特种设备安全监督检测研究院苏州分院，江苏 苏州 215128；3.中建安装石化工程设计院，江苏 南京 210049）

螺旋板换热器具有传热效率高、结构紧凑、不宜结垢、能够充分利用低温热源等优点，被广泛应用于食品、化工等领域。其密封结构有两种形式，焊接密封和垫片端盖密封。焊接密封常用于不可拆式螺旋板换热器，垫片端盖密封则用于可拆式螺旋板换热器。目前欧美国家已基本淘汰了不可拆式螺旋板换热器，中国受技术限制，不可拆式螺旋板换热器仍占有很大比重，但份额也在逐年缩减［1，2］。作为可拆式螺旋板换热器的关键部件——密封端盖结构的好坏直接关系着其承压能力和泄漏失效［3］。ANSYS是最为通用和有效的商用有限元软件之一，它有效的将有限元数值分析技术和CAD、CAE有机地结合起来，使用户可以直观的分析结构设计中的问题，节省费用［4，5］。本试验采用有限元分析技术对国内外常用的螺旋板换热器密封端盖结构进行了分析研究，拟为合理选择端盖类型提供理论指导依据。

图1 环形加筋密封端盖结构Figure 1 Ring reinforcement sealing cover structure

图2 径向加筋密封端盖结构Figure 2 Radial reinforcement sealing cover structure

图3 椭圆形加筋密封端盖结构Figure 3 Oval reinforcement sealing cover structure

图4 倒锥形加筋密封端盖结构Figure 4 Reversed cone reinforcement sealing cover structure

常见的螺旋板换热器密封端盖结构见图1～4。其中平板端盖主要受均布压力和边缘的约束力，在此受力和边界条件下平板会产生切向弯矩、径向弯矩、转角和挠度。环形加筋密封端盖主要是在平盖结构上增加一个圆环形筋，圆环形筋板可以将平板上的切向弯矩和径向弯矩分解到筋板上，以达到减小平板应力和挠度作用。径向加筋密封端盖是添加径向筋板和中心管座，通过弹性稳定原理确定筋板尺寸［6］。椭圆形密封端盖增加了椭圆形封头，由于椭圆形封头具有较高的承压能力和小变形，增加此结构可以有效的减小平板中央处变形。倒锥密封端盖除增加一个环形筋板，还在其两侧增加内外倒锥筋板，倒锥筋板对环形筋板与平板起到了固定加强的作用，使变形和应力更小［7］。随着可拆卸螺旋板换热器的发展在国内外径向加筋密封端盖与倒锥密封端盖越来越受到重视。

1 有限元分析

1.1 应力分析

采用ANSYS 11.0对其进行分析模拟。

单元选取：径向加筋平盖端盖因为结构原因，采用SOLID45单元；其它类型端盖采用SHELL181 单元进行计算。SHELL181单元适合对薄壁与中等厚度的板壳结构进行计算，此种单元可退化至三节点，但三节点单元在划分网格时仅作为填充单元［8］。本试验所计算的板件都是规则的，所以不出现三节点单元。

参数设置：为了使比较具有意义，底板全部采用Ra ＝600mm，厚度t1＝36mm，除倒锥端盖两边支撑板采用t3＝6mm，其余板厚度全部取20mm。弹性模量为E ＝2.0×105MPa，泊松比为u ＝0.3。

边界条件：底板下表面施加压力P ＝1.0 MPa，周边简支约束［9］。

1.2 结果分析

图5为不同端盖结构下的轴向变形曲线，横轴代表底板中任一点距圆心距离与底板半径的比值，即长径比R／Ra。由图5可知，最大轴向变形都发生在底板的中心处；其中倒锥密封端盖轴向最大变形约为环形加筋平盖端盖的36%，径向加筋平盖端盖的89%，而椭圆密封端盖的最大轴向变形与倒锥密封端盖的最大变形基本相同。

图5 密封端盖轴向变形曲线比较Figure 5 Axial deformation curve of sealing cover

本研究采用应力强度，在ANSYS 中指标为SINT［10］。由图6可知，在基础板的上表面，倒锥密封端面的应力要比环形加筋端盖和径向加筋端盖小，倒锥密封端盖在0＜R／Ra＜0.5时应力缓慢降低，当0.5＜R／Ra＜0.8时应力由于倒锥的环形加强筋和外侧的加强筋的不连续性产生加大的局部应力使应力出现了局部增大情况，当R／Ra ＝0.8时达到最大值99.626 MPa，该应力是椭圆密封端面的96.3%，径向加筋平盖端盖的70.7%，环形加筋平盖端盖的62.7%。

图7中倒锥密封端盖的基础板下表面应力，基本上比其它端盖所受应力小，其在端盖边缘最大值为187.67 MPa，是径向加筋平盖端盖的94%，是环形加筋平盖端盖的64%。就基础板下表面受力来看椭圆密封端面的受力更好，但就4种密封端盖总体结构受力来看，倒锥密封端盖最大应力分别是椭圆密封端盖的77%，径向加筋平盖端盖的38%，环形加筋平盖端盖的64%，因此倒锥密封端盖的受力在4种端盖中时最为优秀的。

图6 密封端盖上表面应力对比曲线图Figure 6 Upper surface stress curve of sealing cover

图7 密封端盖下表面应力对比曲线图Figure 7 Lower surface stress curve of sealing cover

2 倒锥端盖优化分析

2.1 倒锥端盖结构

倒锥端盖的结构及参数见图8。

图8 倒锥端盖结构及参数Figure 8 Reversed cone structure and parameters

2.2 支撑板水平投影lc

lc／Ra对基础板变形的影响见图9。在其它参数与上文所叙倒锥密封端盖模型参数一致，内外加强锥和环形加强筋交点与基础板的垂直高度不变，在lc／Ra ＝0.1 时，即lc ＝60mm 时，变形高达3.177mm，随着lc的不断增大基础板的变形逐渐变小，当lc／Ra 达到0.15时基础板的变形量趋于稳定，若lc／Ra 继续增大，对轴向变形没有显著影响，因此lc／Ra ＝0.15时为最优值。

2.3 支撑板夹角a

在倒锥密封端盖中，内外倒锥筋板的角度也是一个重要的影响参数，角度a对基础板轴向变形影响曲线图见图10。由图10可知，20°＜a＜50°时基础板的轴向变形越来越小，当a＝50°变形达到最小值0.606mm，a＞50°时基础板轴向变形又有所增大。而在50°最小值仅比45°和55°分别减小4%和1.7%，减小量很小，因此倒锥筋板与基础板的角度应选择45°～55°为宜。

图9 lc 对基础板变形影响Figure 9 Effect of lc to axial deformation

图10 a对基础板变形的影响Figure 10 Effect of ato axial deformation

2.4 环向筋板外伸量ld

ld对基础板轴向变形的影响见图11。由图11可知，外伸长度ld／lb越大基础板的轴向变形越小，当ld／lb≥0.3时变化率减小的很低的程度，基本可以忽略，因此环形加筋板的伸出长度一般应维持在0.3倍的筋板高度。

图11 ld 对基础板轴向变形影响Figure 11 Effect of ld／lbto axial deformation

3 结论

对螺旋板换热器环向加强筋密封端盖、径向加强筋密封端盖、椭圆形加强筋密封端盖，以及倒锥形密封端盖的应力和变形进行对比研究。结果表明倒锥密封端盖结构性能优于椭圆端盖结构，椭圆端盖结构又优于径向加筋结构，无加筋的平板端盖性能最差；但加工难易程度及加工成本则截然相反，所以环向加强筋密封端盖适用于低压情况；径向加强筋密封端盖适用于中压情况；椭圆形加强筋密封端盖和倒锥密封端盖适用于高压情况。通过对倒锥密封端盖相关变量的研究表明：lc／Ra ＝0.15，a＝45°～55°，ld／lb＝0.3较为合适。试验对倒锥密封端盖相关变量进行了较为简单的优化分析，没有考虑到各变量之间的影响，后续会对此方面进行深入研究。

1 秦叔经，叶文邦，戴季煌，等.换热器［M］.北京：化学工业出版社，2003.

2 王冰.可拆式螺旋板换热器结构和传热的有限元模拟和实验研究［D］.杭州：浙江工业大学，2007.

3 王冰，蒋家羚.可拆式螺旋板换热器倒锥端盖结构有限元分析［J］.压力容器，2007（8）：17～21.

4 郑丽娜，贺小华.蒸发器异型管板有限元分析及优化设计［J］.食品与机械，2009，25（3）：74～77.

5 陈楠，贺小华，邵虎跃，等.换热器管板有限元分析模型研究［J］.食品与机械，2012，28（2）：90～93.

6 唐超.加筋平盖的一种合理计算方法［J］.化工设备设计，1994（1）：47～50.

7 林榕端，林清宇，王英钗.可拆式螺旋板换热器大平盖的设计计算［J］.石油化工设备，1995（11）：36～41.

8 龚曙光，罗显光，赵友红，等.ANSYS基础应用及范例解析［M］.北京：机械工业出版社，2003.

9 李疆英，李永生.高压平盖的设计方法［J］.石油化工设备，2006（11）：39～41.

10 韩玉坤，段非，姜永涛.XZ－1400上悬式离心机主轴的应力分析与结构优化［J］.食品与机械，2011，27（4）：98～100.