可拆卸板式熱交換器橡膠密封墊設計

李效波,王彥龍,朱海舟,王守銀

(蘭州蘭石換熱設備有限責任公司,甘肅 蘭州 730314)

作為一種高效節能的熱交換設備,可拆卸板式熱交換器被廣泛應用于各種熱交換領域,是間壁式換熱器。可拆卸板式熱交換器主要由換熱板片、橡膠密封墊片和框架等組成。橡膠密封墊片是可拆卸板式熱交換器的關鍵部件,同時也是整臺設備中最易損壞的零部件。橡膠密封墊片截面與換熱板片密封溝槽截面相匹配以實現密封效果[1]。橡膠密封墊片結構設計合理性能夠避免密封系統發生泄漏,減小停機維修的次數和延長橡膠墊片使用壽命[2]。結合筆者橡膠密封墊片設計經驗,歸納總結可拆卸板式熱交換器的橡膠密封墊片設計要點。

1 橡膠密封墊片介紹

橡膠密封墊片是可拆卸板式熱交換器的重要組成部分,主要使用的材質有三元乙丙橡膠、丁腈橡膠和氟橡膠。橡膠密封墊片是高溫硫化制造而成,具有高彈性。按照橡膠密封墊片和換熱板片的結合形式,可分為粘接式和鑲嵌式兩類。其典型結構如圖1所示。

1.一道密封;2.二道密封;3.拉筋;4.泄漏信號槽;5.掛扣。

2 橡膠密封墊片設計

橡膠密封墊結構設計的優劣,直接關系到可拆卸板式熱交換器的承壓性能、檢修周期和使用壽命。設計時需要著重考慮橡膠密封墊片和換熱板片密封溝槽的匹配性、使用時的密封穩定性以及制造時的良品率。

2.1 密封截面設計

換熱板片和橡膠密封墊片共同決定可拆卸板式熱交換器的承壓能力,而換熱板片的剛性遠大于橡膠密封墊片,因此橡膠密封墊的主密封截面設計,直接決定了可拆卸板式熱交換器的承壓能力。橡膠密封墊片截面設計,需選擇合理的橡膠密封墊厚度壓縮比和面積壓縮比。橡膠密封墊片的厚度壓縮比偏小,容易密封失效;反之偏大,容易使墊片壓裂,或墊片使用壽命減小。橡膠密封墊片的面積壓縮比,是指橡膠密封墊片截面面積和換熱板片密封溝槽截面面積的匹配性。過小的面積壓縮比,存在橡膠密封墊片和換熱板片密封溝槽定位不穩或密封接觸面寬度不夠容易密封失效的問題;反之過大的面積壓縮比,容易在產品組裝過程產生波浪,或使換熱板片密封溝槽塌邊變形影響產品使用壽命。橡膠密封墊片厚度壓縮比和面積壓縮比計算方式如下:

(1)

(2)

橡膠密封墊厚度壓縮比建議在20%～30%之間,面積壓縮比在5%～10%之間,具體來說與橡膠密封墊片的截面形式和換熱板片的密封溝槽形式有關。圖1中雙點劃線所示為二道密封區域,在換熱板片中二道密封所在為板片剛性最薄弱區域,因此在密封墊片設計時一般會將一道截面和二道截面分開設計,二道截面的厚度壓縮比和面積壓縮比略大于一道截面。

常見的橡膠密封墊片截面形式如圖2所示,在國內外的板換廠家都有用到,各有優缺點。筆者認為,截面形式設計主要取決于橡膠密封墊片與換熱板片密封溝槽的匹配性。當換熱板片的密封溝槽位于板片波紋最低面如圖3中a所示時,建議選擇圖2中的a、b或c截面;當換熱板片的密封溝槽位于板片波紋中面 如圖3中b所示時,建議選擇圖2中的d、e或f截面。

圖2 常見的橡膠密封墊片截面形式

圖3 換熱板片密封溝槽形式

以圖2中的a截面為例,橡膠密封墊片截面和換熱板片密封溝槽尺寸如圖4所示,一般地A≤a,B≤b,H1≤h,β的取值與A/B有關,可大于α,也可小于α。一般R>r,取值1～2 mm,其他未注尖角一般取圓角0.5 mm,便于模具加工和橡膠密封墊片制造。

圖4 板片密封槽和密封墊尺寸

2.2 掛扣設計

粘接式橡膠密封墊片和換熱板片裝配時使用膠粘固定在密封溝槽內,無掛扣。鑲嵌式橡膠密封墊片需要設計掛扣,扣的數量多少以能將橡膠密封墊片固定在換熱板片上不滑脫為宜,間隔均勻美觀,常見的掛扣形式如圖5所示。

圖5 橡膠密封墊片掛扣形式

圖5中a和b形式的掛扣,換熱板片周邊不需要沖孔,在設計時需確定換熱板片成型后的長寬,使扣的內側剛好扣在板片的邊緣為宜,一般扣的長度比換熱板片邊緣約大1 mm即可。掛扣設計太短會拉扯橡膠密封墊片不能很好地覆在換熱板片的密封溝槽內,太長則起不到固定作用。如果換熱板片和橡膠密封墊片是同步設計開發,軟板和硬板成型后的寬度差異較大,扣的長度設計時需要對換熱板片長寬有一個合理的預估。可以借鑒以往相近大小換熱板片的收料情況或者使用CAE軟件計算換熱板片的收料情況,為橡膠密封墊片扣的長度設計提供依據。圖5中c和d形式的掛扣,換熱板片周邊需要沖孔,在設計時扣的寬窄與換熱板片的沖孔大小要合理匹配,一般扣的寬度比沖孔尺寸大0.5 mm即可。扣設計過寬造成裝配困難,過窄則卡不緊。換熱板片的沖裁毛刺、沖孔精度和橡膠密封墊片扣的制造精度等都會影響裝配過程,需合理安排孔和扣的尺寸公差。

圖5中a和b形式的掛扣,s取值最小3 mm,便于模具加工溢膠槽。c和d形式的掛扣,模具需要增加鑲塊,生產時不易脫模,近年來一些主機廠家創新出其他結構形式的鑲嵌扣,便于制造。

2.3 拉筋設計

拉筋可輔助實現橡膠密封墊片與板片密封溝槽的定位,同時可增強橡膠密封墊片的強度,在墊片制造時便于從模具型腔脫模,提高良品率。拉筋設計時需注意拉筋形狀與板片波紋溝槽相匹配,不能存在干涉現象影響橡膠密封墊片服帖地裝配在換熱板片上。

2.4 泄漏信號槽設計

泄漏信號槽布置在橡膠密封墊片的防護區,主要作用是引導泄漏介質優先排向設備外部,避免發生內漏。一般在圖1中橡膠密封墊片的兩端設置最少4處。需要注意是,泄漏信號槽的尺寸設計,以產品在工作狀態橡膠壓縮變形后,泄漏信號槽不被堵塞為宜。

3 橡膠密封墊片優化設計

傳統的橡膠密封墊片設計依賴技術人員的經驗和開發后壓力試驗驗證,開發難度大,試錯成本高。隨著計算機模擬分析精度的提高和有限元技術的發展,通過數值模擬研究橡膠墊片的基本結構特征對其密封性能的影響,為橡膠墊片的設計優化提供了新的方案。通過非線性仿真軟件分析橡膠密封墊片,可評估橡膠密封墊片在壓縮前、裝配壓縮后、載荷條件下的應力應變狀態結果和對板片的接觸應力結果[3]。

在橡膠小變形時,可認為它的應力與應變呈線性關系,用常規的彈性分析來計算相應的應力,能獲得較好的吻合。在橡膠大變形時,橡膠材料按照超彈性非線性材料能獲得較好的吻合。對于橡膠墊片壓縮類問題可采用CAE軟件中的Mooney-Rivlin模型來模擬分析能得到相對準確的分析結果[4]。

3.1 橡膠密封墊片的材料特性

橡膠材料具有很大的彈性變形能力,有以下特性:材料非線性;幾何非線性;體積不可壓縮,泊松比一般取0.5左右。另外,橡膠密封墊片在壓縮過程中與換熱板片的密封溝槽的接觸狀態是在不斷變化,從而表面接觸應力和內部應力也是不斷變化的,因此接觸狀態非線性。如果分析過程橡膠材料采用丁腈橡膠,可以取橡膠硬度73,C1=1.87,C2=0.47,密度1.2 g/cm3,泊松比μ=0.499。

3.2 橡膠密封墊片模型簡化

用非線性有限元分析軟件對橡膠密封墊片結構特征建模分析。橡膠墊片結構特征的分析采用二維平面結構。定義上下換熱板片密封溝槽為剛體,固定下板片槽,橡膠密封墊片裝入下換熱板片密封溝槽并和下換熱板片密封溝槽邊線接觸,運動過程為上換熱板片密封溝槽向下移動與橡膠墊片頂端發生接觸,橡膠墊片開始發生壓縮變形;上板片槽繼續向下移動至橡膠墊片工作的壓縮率時的位移量,即為橡膠墊片壓縮后狀態,如圖6所示。

圖6 二維平面模型

橡膠密封墊片結構特征側面部分在工作中承受液體或氣體介質的壓力,壓力不高于橡膠墊片設計壓力時能起到有效密封,因此模擬分析對橡膠墊片結構側面與液體或氣體介質接觸的邊線施加液壓力載荷。

3.3 橡膠密封墊片分析網格劃分

網格劃分時為提高計算精度及并保證計算可收斂,橡膠密封墊片網格使用低階網格,網格尺寸按照0.2 mm控制,換熱板片網格使用高階網格,網格尺寸按照0.4 mm控制,進行網格劃分。如圖7所示為傳熱板片主換熱區流道模型局部網格示意圖。

圖7 傳熱板片主換熱區流道模型局部網格示意圖

3.4 橡膠密封墊片分析材質及分析邊界條件

采用Mooney-Rivlin模型,橡膠密封墊片與上換熱板片密封溝槽和下換熱板片密封溝槽接觸采用線-線接觸,設置橡膠密封墊片接觸壁為接觸線,換熱板片接觸壁為目標線,設置接觸摩擦系數為0.6。接觸算法采用增強的拉格朗日算法,法向剛度系數設置為2,法向剛度更新為每個子步。設置下換熱板片密封溝槽位置為固定約束,設置上換熱板片密封溝槽位置邊線為-Y向位移,設置初始子步為10,并設置最大子步100,最小子步5。其中對帶壓力載荷條件分析時,要進行施加內部介質工作壓力作用,如圖8中c所示。

(a)接觸設置,(b)邊界條件,(c)介質工作壓力。

3.5 橡膠密封墊片分析結果評價

通過數值模擬,可以獲得橡膠密封墊片接觸應力和Mises應力的數值大小和應力分布狀態,以及主密封面的有效接觸寬度。橡膠密封墊片的密封性能主要取決于橡膠墊片因壓縮而產生的瞬時密封接觸應力,根據橡膠密封墊片的密封原理,密封面上的最大接觸應力必須大于熱交換器工作狀態介質的壓力。橡膠密封墊片與上換熱板片密封溝槽接觸的主密封面上大于密封介質壓力的單元節點數量越多,寬度越大,密封效果越好。

Mises應力值反應了橡膠密封墊片材料內部的等效應力分布,通過分析等效應力值的變化,可以進一步評價墊片材料的疲勞破壞等問題。一般Mises應力值越大的位置密封墊片越容易發生斷裂破壞;同時Mises應力值越大,會加速密封墊片出現應力松弛等情況,從而增大泄漏風險。

因此,通過不斷迭代優化橡膠密封墊片截面設計,在提高接觸應力滿足設計工況要求的前提下,盡可能降低Mises等效應力,可以有效延長橡膠密封墊片使用壽命。

4 總結

橡膠密封墊片的設計合理性,關乎可拆卸板式熱交換器的工作壓力,運行穩定性和使用壽命。橡膠密封墊片設計,主要是主密封截面的設計,包括截面形式、厚度及其他尺寸的選擇。掛扣、拉筋的設計,主要是要與換熱板片相匹配,不能存在干涉現象,使密封墊片服帖地固定在換熱板片的密封溝槽內。通過數值模擬研究,分析橡膠密封墊片的接觸應力、Mises等效應力和有效接觸寬度等,還可對設計的橡膠密封墊片進行進一步的優化設計。