（化工过程机械专业论文）蜂窝夹套薄膜蒸发器耳式支座结构与强度研究.pdf

硕士学位论文 摘要 蜂窝夹套结构广泛应用于化工、食品、造纸等行业。薄膜蒸发器是利用高速 旋转的刮板将料液分散成均匀的薄膜，以进行物料浓缩的一种高效蒸发设备。将 蜂窝夹套结构应用于薄膜蒸发器，可以加强薄膜蒸发器内简体的外压稳定性，既 节省材料、提高承载能力，并且有较好的传热效果。由于薄膜蒸发器内部转子的 特殊要求，对内筒的圆度和变形要求更高。蜂窝夹套薄膜蒸发器的支撑结构大多 采用耳式支座。但是由于结构要求在内筒壳体上焊接耳式支座会给壳体造成较大 的局部应力，以致于内筒体产生过大变形。另外由于耳式支座安装处夹套的不连 续加热区而产生的热应力对蜂窝夹套内简体的变形也产生较大影响。分析耳式支 座对蜂窝夹套内筒体变形的影响具有重要的研究价值和工程意义。 本文借助a n s y s 有限元分析软件，探讨蜂窝排列型式、耳式支座与夹套焊 缝间距、耳式支座的结构参数等在载荷作用下对蜂窝夹套内筒体变形的影响。主 要研究工作和研究结果如下： 1 ) 经过合理简化，运用a n s y s 软件建立蜂窝夹套耳式支座的三维有限元 模型。对蜂窝夹套耳式支座进行三维有限元应力计算，发现最大应力发生在耳式 支座底板与筋板靠近壳体的连接处。 2 ) 分析耳式支座对蜂窝夹套内简体产生局部应力的分布情况。结果表明， 耳式支座与内筒壳体接触外壁面的应力大于耳式支座与内筒壳体接触内壁面的 应力，耳式支座对内筒体产生局部应力最大处发生在耳式支座筋板上端与内筒壳 体的连接处。 3 ) 探讨了蜂窝夹套耳式支座在压力载荷与热载荷共同作用下蜂窝排列型式、 耳式支座与夹套焊缝间距、耳式支座结构参数对蜂窝夹套内筒体变形的影响。结 果表明，正三角形排列蜂窝夹套较正方形排列蜂窝夹套对内筒体变形影响更小； 耳式支座与夹套焊缝间距越小，内简体变形越小；耳式支座可以采取不加垫板、 增加底板厚度、减小两筋板间距来减小蜂窝夹套内简体的变形。 4 ) 在三维有限元分析的基础上，采用分析设计方法，对蜂窝夹套耳式支座 的各个部位应力进行了强度评定，并得到蜂窝夹套耳式支座的许用工作压力。 摘要 关键词：蜂窝夹套薄膜蒸发器耳式支座变形分析设计 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t d i m p l eja c k e ts t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc h e m i c a li n d u s t r y , f o o di n d u s t r ya n dp a p e rm a k i n gi n d u s t r y t h i n - f i l m e v a p o r a t o r i sak i n d o f h i g h t e f f i c i e n te v a p o r a t i o ne q u i p m e n t ，i nw h i c ht h er o t a t i o n a lb l a d ew i t hh i g hs p e e di s u t i l i z e dt od i s p e r s et h ef l u i da sau n i f o r mt h i nf i l ms oa st oc o n c e n t r a t et h em a t e r i a l w i md i m p l ej a c k e ts t r u c t u r ei nt h i n - f i l me v a p o r a t o r , t h ee x t e r n a lp r e s s u r es t a b l i t yi n i n n e rc y l i n d e ro ft h i n - f i l me v a p o r a t o rc a nb er e i n f o r c e d ，m a t e r i a lc a nb es a v e d ，t h e l o a d - c a p a c i t yc a nb ei n c r e a s e da n da l s ot h eh e a t - t r a n s f e re f f e c tc a nb ei m p r o v e d d u e t ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fi n t e r n a lr o t o ri nt h i n - f i l me v a p o r a t o r , t h er o u n d n e s sa n d d e f o r m a t i o no fi n n e rc y l i n d e ra r er e q u i r e dh i g h e r l u gs u p p o r ti sm o s t l yu s e dt o s u p p o r td i m p l eja c k e tt h i n f i l me v a p o r a t o r b u tl a r g el o c a ls t r e s sw o u l db eg e n e r a t e d i ns h e l lo fi n n e rc y l i n d e rw h e nl u gs u p p o r ti sw e l d e di ns h e l lo fi n n e rc y l i n d e rd u et o t h es t r u c t u r ed e m a n d ，a n dt h ee x c e s s i v ed e f o r m a t i o no fi n n e rc y l i n d e rw o u l db et a k e n p l a c e i na d d i t i o n ，t h ed e f o r m a t i o no fi n n e rc y l i n d e ro fd i m p l ej a c k e tw o u l db e s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yt h et h e r m a ls t r e s sp r o d u c e db yt h eja c k e t sd i s c o n t i n u o u s h e a t i n g z o n ew h e r el u gs u p p o r ti sf i x e d s oi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h ee f f e c to fl u g s u p p o r to nt h ed e f o r m a t i o no fi n n e rc y l i n d e ro fd i m p l ej a c k e t i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r ss u c ha sa r r a n g e m e n to fd i m p l e j a c k e t ，w e l dd i s t a n c eb e t w e e nl u gs u p p o r ta n dj a c k e ta n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so fl u g s u p p o r to nt h ed e f o r m a t i o no fi n n e rc y l i n d e ro fd i m p l eja c k e tw e r ei n v e s t i g a t e db y u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n c u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) i nt e r m so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e lo fl u gs u p p o r ti nd i m p l eja c k e ts t r u c t u r ew a sb u i l tu p t h es t r e s sa n a l y s i sw a s d o n e ，a n dt h em a x i m a ls t r e s sw a sf o u n di nt h ejo i n tn e a rt h es h e l lb e t w e e nb a s ep l a t e a n dr i bp l a t eo fl u gs u p p o r t 2 ) t h el o c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni ni n n e rc y l i n d e ro fd i m p l eja c k e tp r o d u c e db yl u g s u p p o r tw a sa n l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h el o c a ls t r e s si nt h eo u t e r i i i a b s t r a c t w a l ls u r f a c eo f t h ej o i n tb e t w e e nl u gs u p p o r ta n dt h ei n n e rs h e l lw a sl a r g e rt h a nt h a ti n t h ei n n e rw a l ls u r f a c e ，a n dt h em a x i m a ll o c a ls t r e s sw a sf o u n di nt h ejo i n tb e t w e e nt h e u p p e r e x t r e m eo fr i bp l a t ea n di n n e rc y l i n d e r 3 ) t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r ss u c ha st h ea r r a n g e m e n to fd i m p l eja c k e t ， t h ew e l dd i s t a n c eb e t w e e nl u gs u p p o r ta n d ja c k e ta n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fl u g s u p p o r to nt h ed e f o r m a t i o no fi n n e rc y l i n d e ro fd i m p l eja c k e tu n d e rp r e s s u r el o a da n d t h e r m a ll o a dw e r ei n v e s t i g a t e d t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n n e rc y l i n d e r s d e f o r m a t i o ni nt h et r i a n g l ea r r a n g e m e n td i m p l ej a c k e tw a sl a r g e rt h a nt h a ti nt h e s q u a r ea r r a n g e m e n td i m p l ej a c k e t ，t h ei n n e rc y l i n d e r sd e f o r m a t i o nw a sr e d u c e db y m i n i s h i n gt h ew e l dd i s t a n c eb e t w e e nl u gs u p p o r ta n dj a c k e t ，a n dt h ei n n e rc y l i n d e r s d e f o r m a t i o nw a sa l s or e d u c e db yc h a n g i n gl u gs u p p o r t ss t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha s n ob o l s t e rp l a t e ，i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fb a s ep l a t e ，a n dm i n i s h i n gt h ed i s t a n c e b e t w e e nt w or i bp l a t e 4 ) b a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r e n g t he v a l u a t i o ni ne a c ha r e ao fl u g s u p p o r ti nd i m p l ej a c k e tw a sc a r r i e do u tu s i n ga n l y s i sd e s i g nm e t h o d ，a n dt h ea l l o w e d w o r k i n gp r e s s u r ef o rd i m p l ej a c k e tw i t hl u gs u p p o r tw a s o b t a i n e d k e y w o r d s ：d i m p l ej a c k e t ；t h i n - f i l me v a p o r a t o r ；l u gs u p p o r t ；d e f o r m a t i o n ； a n a l y s i sd e s i g n i v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 蜂窝夹套的发展概况、结构、原理1 1 1 1 发展概况1 1 1 2 结构形式1 1 1 3 基本原理2 1 2 薄膜蒸发器的结构、原理及应用4 1 2 1 薄膜蒸发器的结构4 1 2 2 薄膜蒸发器的工作原理5 1 2 3 蜂窝夹套结构在薄膜蒸发器的应用6 1 3 耳座的结构和选型及研究进展6 1 3 1 耳式支座的结构和选型7 1 3 2 耳式支座的研究进展9 1 4 耳座引起的筒体局部应力计算1 0 1 4 1 应力分析1 0 1 4 2 计算参数的确定1 2 1 4 3 应力计算汇总及局部应力的校核1 3 1 5 选题背景、研究方法及内容1 4 1 5 1 选题背景1 4 1 5 2 研究方法及内容1 5 第二章蜂窝夹套耳式支座三维有限元计算1 7 2 1 引言1 7 2 1 1 有限元法简介1 7 2 1 2 a n s y s 在压力容器设计中的应用1 8 v 目录 2 1 3 蜂窝夹套耳式支座的有限元分析1 9 2 2 耳座支撑蜂窝夹套结构的三维有限元分析1 9 2 2 1 应用举例19 2 2 2 有限元模型的建立1 9 2 2 3 网格划分及边界条件分析2 l 2 2 4 计算结果分析2 2 2 3 耳座支撑薄膜蒸发器蜂窝夹套与整体夹套内筒变形比较2 6 2 4 小结2 9 第三章对蜂窝夹套内筒体变形影响参数的研究31 3 1 引言一3 1 3 2 材料特性参数与载荷的施加3 2 3 3 耳座支撑不同排列形式蜂窝夹套的分析比较3 4 3 4 焊缝间距对耳座支撑蜂窝夹套内筒变形的影响3 5 3 5 加垫板对耳座支撑蜂窝夹套内筒变形的影响3 6 3 6 耳座底板厚度对耳座支撑蜂窝夹套内筒变形的影响3 7 3 7 两筋板间距对耳座支撑蜂窝夹套内筒变形的影响3 8 3 8 筋板长度对耳座支撑蜂窝夹套内筒变形的影响3 9 3 9 小结4 1 第四章蜂窝夹套耳式支座的分析设计4 3 4 1 引言4 3 4 2 应力分类4 4 4 3 应力强度评定方法4 5 4 4 以弹性有限元计算为基础的分析设计方法4 8 4 5 蜂窝夹套耳式支座的分析设计4 9 4 6 结论5 3 第五章结论与展望一5 5 5 1 引言一5 5 5 2 研究结果及结论5 5 v i 硕士学位论文 5 3 展望5 6 参考文献5 8 硕士期间发表论文6 3 致谢6 4 v i i 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 蜂窝夹套的发展概况、结构、原理 1 1 1 发展概况 夹套型容器广泛应用于石油、化工、制药、食品等行业中。夹套的作用是与 简体的外壁构成一个密封的空间，供通入载热体，使筒壁起传热面的作用，以加 热或冷却物料，使物料的温度在预定的范围内【l 】。夹套型式多样，目前过程设备 用得最多的夹套型式是整体夹套，这种夹套是在筒体的外表面套上一个直径稍大 的容器。整体夹套结构简单、维修方便、制造成本低。然而，随着容器的体积增 大，所需换热量也增大，整体夹套容器无法满足其换热要求。此外，装有整体夹 套的容器，在夹套内流体压力的作用下有失稳失效的可能，随着容器夹套的压力 增大，将内筒作为外压设计所需的壁厚也增大，造成设备结构笨重，设备成本加 大。无论从经济性或可靠性的角度考虑，夹套内流体压力都不能过高，因此已不 能适应不断发展的行业生产需要。因此，如何提高夹套的传热效率，提高设备的 强度和刚度就成为研究夹套容器的主要课题。 上世纪九十年代初期，出现了一种新型、高效的传热夹套一蜂窝夹套，它以 其优异的机械性能和传热性能得到了广泛的应用。蜂窝夹套【2 】是在整体夹套的基 础上，采取蜂窝结构用以加强罐体的外压稳定性，达到既节省材料又提高夹套与 内简体承压能力的目的。另一方面由于在夹套与筒体之间存在众多蜂窝结构，使 得加热( 冷却) 介质在各流通截面上不断改变流动方向和流动速度，产生扰动， 使流体达到紊流状态，强化了传热效果，从而提高了传热效率【3 】。 1 1 2 结构形式 蜂窝夹套是在整体夹套的基础上，在夹套壳上制作许多按一定规则形状排列 ( 一般为正方形或正三角形) 的经过压制成型的圆台状凹坑蜂窝，全部( 或部分) 蜂窝底部冲有圆孔，在圆孔处将蜂窝夹套与简体通过焊接连接起来，形成蜂窝状 结构。由于蜂窝点与内筒体连接为一个整体，承受筒体和夹套压力时，简体和夹 套的强度和刚度相互得到明显的加强。这样，所需内筒和夹套壁厚都可以明显减 薄，大大节省材料。蜂窝夹套结构模型如图卜l 所示。 第一章绪论 隆l 一1 蜂窝夹套馍璎列i 蒽图 f i g 1 - ls c h e m a t i cv i e wo fd i m p l ej a c k e tm o d e l 常用的蜂窝夹套有折边式和拉撑式两种型式【4 ，如图卜2 所示：图( a ) 为折边 式，即把夹套向内折边，与内筒壳体贴合焊好；图( b ) 为拉撑式，用冲压的小锥 体做拉撑体。蜂窝夹套的焊接点在筒体上可按正三角形布置或按正方形布置；在 封头上按同心圆布置。蜂窝夹套结构模型如图卜2 所示。 图l - 2 蜂窝夹套的结构形式 f i g 1 2s c h e m a t i cv i e wo fd i m p l ej a c k e ts t r u c t u r e 1 1 3 基本原理 1 ) 蜂窝夹套传热机理 夹套容器的传热过程一般可分为三个阶段： 由加热介质给热至器壁，其给热系数为h 。； 硕士学位论文 器壁内的导热，其导热系数以； 由器壁给热至料液，其给热系数为h i 。 根据传热基本方程： q = k xf xa t ( 1 1 ) 由上式可知一般强化传热有三种方法： 提高传热系数。即增大k 值，从而增大了换热量。 增大平均温差，即增大t ，换热量也就增大。 采用高效传热面f 。 很显然，增大t 即增大能耗，不可取。而蜂窝夹套换热面积即薄膜蒸发器 简体的表面积，也不可取。蜂窝夹套就是在不改变t 及表面积的基础上，从改 善传热面上介质的流动特性，增大k 值，从而达到了增大换热量的效果。在对流 传热时，不仅涉及到固体( 即器壁) ，而且还有与这些固体串联的流体薄膜，实 际上在大多数固体和流体( 液体或气体) 的热传导的情况中，薄膜起支配地位的 重要因素。在流体的主体中，被加热的分子可以自由而迅速运动，但是由于薄膜 的粒子基本是固定的，因而薄膜经常是固体和流体主体之间的主要热阻。因此， 改善对流传热的方法通常是直接用增加流体运动速度的方法来减小高度绝缘的 薄膜厚度，这样就能使流动超出层流范围，进入传热强度大大改善的紊流范围。 与整体夹套相比，蜂窝夹套的间隙比整体夹套的间隙要小，流通面积较小， 流体在腔内的流速显著增加，并且大量的蜂窝在夹套内起着扰流的作用，流体在 流经蜂窝点时不断改变流动方向和流动速度，使流体在蜂窝点多次相撞形成局部 小涡流。从而使整个腔内流体流动形成紊流，破坏或减薄原来的层流层，使热交 换加速【5 】，增强传热效果，如图1 3 所示。蜂窝夹套传热效果明显高于其他型式 的夹套，在工业生产中蜂窝夹套的平均传热系数比传统的整体式夹套可高出 5 8 7 t 6 。 第一章绪论 图1 - 3 蜂窝夹套内介质流动状态 f i g 1 - 3t h ef l u i df l o wi nd i m p l ej a c k e t 2 ) 蜂窝夹套强化机理 蜂窝夹套是在整体夹套的基础上，采取特殊的蜂窝结构即夹套壳体上有许多 按一定规则形状排列( 一般为正方形或正三角形) 的经过压制成型的圆台状凹坑 蜂窝，全部( 或部分) 蜂窝底部冲有圆孔，在圆孔处将蜂窝夹套与筒体通过焊接 连接起来，形成蜂窝状结构。由于蜂窝夹套通过正方形或正三角形排列的蜂窝底 部开孔和筒体之间的塞焊将夹套与筒连接成一个整体，把夹套内的空间分成一个 个相连的小压力容器群，夹套内的压力对于夹套及筒体的作用相当于承受均布载 荷的周边固支方形板。由于蜂窝夹套与筒体连接成一个整体，在承受筒体内压和 夹套压力时，简体和夹套的强度和刚度相互得到明显的加强。这样，所需内筒和 夹套壁厚都可以明显减薄，内筒体不需要考虑夹套中的压力引起的失稳而进行外 压设计【7 】o 1 2 薄膜蒸发器的结构、原理及应用 1 2 1 薄膜蒸发器的结构 旋转式薄膜蒸发器( r o t a t e dt h i nf i l me v a p o r a t o r ) ，也称刮膜蒸发器或机械 搅拌薄膜蒸发器，是一种新型高效节能的降膜蒸发器。薄膜蒸发器结构【8 1 如图1 - 4 所示。主要由上部的驱动部分和下部的蒸发浓缩部分组成。驱动部分由电机和减 速机组成。轴封处上端采用机械密封，下端采用轴承密封保证设备的密闭性。蒸 发浓缩部分由转子和装有加热蜂窝夹套的筒体组成。转子由分布器、捕沫器、主 轴、沟槽刮板及其支架等组成。设备底部为浓缩液出口，上部侧面为二次蒸汽出 口。在实际生产应用中，刮膜薄膜蒸发器和其它辅助设备构成蒸发操作系统。辅 4 硕士学位论文 助设备一般有预热器、预蒸馏和脱溶剂设备、真空设备、泵和贮罐等。 l 一电机、减速机； 2 一上端机械密封： 3 一分离筒； 4 一捕沫器： 5 一分布器： 6 一转子： 7 一支座： 8 一刮板； 9 一筒体： 1 卜蜂窝夹套； 1 1 一下端密封； 图1 4 蜂窝夹套薄膜蒸发器结构简图 f i g 1 - 4s k e t c ho ft h ed i m p l ej a c k e tt h i n f i l me v a p o r a t o r 国内将薄膜蒸发器一般分成固定刮板式和活动刮板式【9 】。 固定刮板式这种蒸发是不刮壁蒸发，刮板外沿与筒内壁的间隙约 o 8 2 5 m m ，在加工上对简体的圆度和在安装上对旋转轴的垂直度都有严格的要 求，给施工、安装、检修都带来一定的难度。 活动刮板式这种蒸发是刮壁蒸发，它借助于旋转轴所产生的离心力， 将刮板紧贴于筒体壁面。因此活动刮板的液膜厚度小于固定刮板的液膜厚度，加 上不断的搅拌使筒体内壁不结晶、不结垢，使总传热系数比不刮壁的高；对简体 椭圆度和安装垂直度的要求也没有固定刮板式高。活动刮板的材料有树脂与棉布 制成的层压板、聚四氟乙烯板、石墨、木材等。 1 2 2 薄膜蒸发器的工作原理 旋转薄膜蒸发器采用的是降膜真空蒸发。操作时，预热到一定温度的物料自 蒸发器上部进口进入蒸发器内，由旋转的分布器均匀地分布在内壁受热面上，被 第一章绪论 刮板涂布成薄而均匀的一层膜，并强制形成湍流，在重力和刮板推动作用下物料 向下移动吸收夹套传入的热量，并迅速蒸发浓缩，膜层减薄，又被后继而来的刮 板刮擦，形成新膜，再蒸发，如此反复进行，料液逐渐地被浓缩。浓缩液自出料 口直接或通过冷却器进入接收器 9 1 。其蒸发器内部结构原理如图1 5 所示。 lj 】 。 一。 ，一。】 c】 】 1 l 一夹套外壁 2 一夹套内壁 3 一蒸发圆筒外壁 4 一蒸发圆筒内壁 ( 蒸发表面) 5 一刮板 6 一刮板淘槽 图1 - 5 蒸发室结构 f i g 1 5t h ei n n e rs t r u c t u r eo fe v a p o r a t i n gr o o m 1 2 3 蜂窝夹套结构在薄膜蒸发器的应用 薄膜蒸发器是一种新型、高效的蒸发设备，其结构型式多样，在国内己广泛 应用于石油、化工、制药、食品等领域。将蜂窝夹套应用于薄膜蒸发器，在提高 薄膜蒸发器的换热效率的同时，也提高了薄膜蒸发器的强度和刚度，使筒体和夹 套的壁厚明显减薄，降低了生产成本，具有广泛的工程应用价值。目前，江苏溧 阳云龙化工设备有限公司获得蜂窝夹套薄膜蒸发器的专利并大量生产【l 们。主要包 括有：电机、减速机、机封、分离室、转子、加热筒体和底封头。其主要技术特 征是加热筒体采用蜂窝夹套结构，加热筒体由蜂窝夹套、内筒体和上下法兰组成。 蜂窝夹套是在薄金属板上用模具压制成按三角形或正方形排列的若干均布的蜂 窝坑，蜂窝坑底部为通孔，并将该蜂窝板卷制焊接成筒形而成。在夹套上、下端 收口处和蜂窝坑底部通孔处均焊接在内筒体的外壁上；这种结构，使加热筒体的 内筒体和夹套的强度和刚度相互得到加强，扩大了适用的工作压力和工作温度范 围。本实用新型具有传热速率大，蒸发效率高，重量轻，投资少，且用蒸汽量少， 结构合理，更有利于降低设备的长期运行成本。广泛适用于氯碱、化肥、有机、 医药、塑料等行业。 1 3 耳座的结构和选型及研究进展 设备支座用来支撑设备重量和固定设备的位置。耳式支座是立式容器中用得 较为广泛的一种，尤其是中小型设备。由于耳式支座结构简单轻便，目前薄膜蒸 硕士学位论文 发器的支撑大多采用耳座支撑。 1 3 1 耳式支座的结构和选型 耳式支座 1 l 】通常由底板及筋板组成，如图1 - 6 ，底板的作用是与基础( 或支 承件) 接触并连接，筋板的作用是增加支座的刚性，使作用在容器上外力通过底 板传递到支承件上。耳式支座的主要特点是结构简单轻便，但会给壳体造成较大 的局部应力，局部应力过大会致壳体凹陷。因此，当设备较大或器壁较薄时，应 在支座与容器之间加一块垫板，以改善壳体局部应力情况。当容器内压产生的应 力及支座产生的局部应力超过规定的应力强度许用值时，在支座处须设置加强垫 板。小型设备因受力较小可不必加垫板，可将耳座直接与壳体连接。垫板材料一 般选用与所在设备简体材料相同的材料。 垫板 筋板 底板 图1 - 6 耳式支座 f i g 1 6l u gs u p p o r t 随着容器直径的变大，为达到稳定性的要求，通常采用增加支座数量和增大 壳体的壁厚来实现。当支座数量增大( 4 ) 时，各支座面不易保持在同一水平面 上，造成安装时各耳座受力不均；当增加壳体壁厚来达到稳定性要求时，势必使 设备重量加大，投资成本增多。对于大型薄壁容器或支座上载荷较大时，可将支 座上的底板连成一体组成圈座，既改善容器局部受载过大，又可避免各耳座受力 不均。圈座如图1 7 。 第一章绪论 矿飞 犍 图1 7 圈座 f i g 1 7r i n gs u p p o r t j b t 4 7 1 2 2 0 0 7 耳式支座【1 2 】，是采用具有两块筋板和一块底板的焊接结构。 该标准适用于公称直径不大于4 0 0 0 m m 的立式圆筒形容器。分a 型、b 型、c 型三种，a 型为短臂型，b 型为长臂型，c 型加长臂型。当设备外面有保温层， 或者将设备直接放置在楼板上时，采用b 型、c 型耳座为宣。对a 型、b 型支 座在b 2 2 3 0 m m 时，增加了盖板结构，6 ，为两筋板的内壁尺寸，见图1 8 。 j b t 4 712 2 0 0 7 行业标准对耳式支座作了一些规定： ( 1 ) 提出了支座的制造要求，以保证支座的制造质量。耳式支座本体的焊 接，采用双面连续填角焊，支座与壳体的焊接采用连续焊；焊后焊缝金属表面不 得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿等缺陷，焊接区不应有飞溅物；垫板应与容器壁贴 合，局部最大间隙应不超过l m m ；若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热 处理前焊于容器壁上。 ( 2 ) 改进了垫板结构。为改善容器的受力情况，将垫板四角倒圆，并在垫 板中心开一通气孔，以利于焊接或热处理时气体的排放。 耳座的选型步骤如下： ( 1 ) 根据设备重量及作用在容器上的外载荷，算出每个支座需要承担的载 荷q 。从j b t 4 7 1 2 - 2 0 0 7 中按照允许载荷等于或大于计算载荷( 即【q 】q ) 的原 则根据公称直径d n 及估计的q 值预选出合适的支座。在确定载荷q 时，须考 虑到设备在安装时可能出现的全部支座未能同时受力等情况。 ( 2 ) 由于支反力q 对容器器壁作用一外力矩m 。： 硕士学位论文 式中1 2 ，s l 一见图1 - 8 ，m m 。 m l - 掣 j 阿 ( 1 2 ) 图1 - 8 耳式支座结构尺寸 f i g 1 8s t r u c t u r ed i m e n s i o no fl u gs u p p o r t 支座处的器壁在此力矩作用下产生弯矩和弯曲应力，为了使支座处器壁内附 加弯曲应力和由介质压力引起的薄膜应力之和不超过许用值。对于不同的公称直 径d n 、圆筒有效厚度、支座型号，在不同内压下，均有其允许承受的最大支座 弯矩m l 。校核支座处圆筒所受的支座弯矩m l ，使m l m l 】；对于衬里容器， m l 号孚，目的是为了防止过大的局部应力造成衬里层的破坏。 ( 3 ) 若( 2 ) 中不满足条件，则应选取大一号的支座或增加耳座数量，然后 重新计算支座承受载荷q 并校核圆筒处所受支座弯矩m ，直到满足( 2 ) 中条 件为止。 1 3 2 耳式支座的研究进展 在结构方面，南阳汉龙工业有限公司周福林【1 3 】等人根据在安装、拆卸条件相 当苛刻的容器中，安装及检修时必须首先割除支座才能拆卸设备，这给生产的动 火带来极大困难，有时甚至必须停车。为此设计了活动耳式支座，便于拆装、检 修，保证了生产连续性。活动耳式支座由两部分组成，一部分固定在框架或其他 支承体上，它由筋板、加强板及基础垫板组焊而成。另一部分固定在设备上，由 衬板和立筋组焊而成；中国长城铝业公司设计院汪洪杰，吴苏 1 4 】将标准耳座改型 第一章绪论 成三筋板耳座，三筋板耳座比标准耳座多一个筋板。三筋板耳座整体承载能力比 标准耳座有一定程度的增强，适用于承载较重的大型立式容器；侯淳针对在外载 荷的作用下，支座附加弯矩和附加剪力对与支座相连部分的壳体产生很高的局部 应力，对于局部应力高的区域，通过设置垫板及刚性环本体进行加强以降低应力 水平。刚性环与垫板是整圆的，在有效范围内壳体的一整圈都承担了附加弯矩和 附加剪力，比几个支耳的情况要好得多，即局部应力大大下降。 在强度计算方面，湖南省化工设计院刘建成【1 5 】参考w o l o s e w i c k 的分析方法， 推导出带垫板时四个悬挂式支座在筒体中引起的局部周向应力和轴向应力计算 公式。该计算公式简单，可作为工程设计的参考；上海医药设计院竺基梅 16 】根据 悬挂式支座对容器受力的特点，将b s 计算方法整理改变，得到一个比较简单的 计算容器处的局部应力的方法；西北大学淡勇，裴世源【1 7 】运用有限元法对工业中 的大型搅拌反应器悬挂式支座处应力进行了计算，得到了应力分布场，并采用应 力分析的分析设计原理，对反应器的局部应力进行了强度评定。 1 4 耳座引起的筒体局部应力计算 分析由耳座引起的筒体内局部应力是一个十分复杂的问题。考虑支座弯矩对 容器筒体所产生的局部应力，避免筒体由于局部应力过大有可能引起失效，采用 局部应力分析计算的方法对选取的耳座进行校核，以确定筒体此处局部应力是否 小于许用应力。耳座引起筒体局部应力计算可按h g 2 0 5 8 2 1 9 9 8 钢制化工容器 强度计算规定【1 8 】的第2 6 部分外载荷对圆筒引起的局部应力计算，符号说明见 2 6 2 。 1 4 1 应力分析 以未开孔的圆筒上承受局部外载荷作为模型，根据薄壁圆柱壳的局部受载理 论计算在载荷作用区边缘处圆筒上的最大应力。耳式支座相当于该圆筒上的矩形 附件 1 9 2 1 1 。现以圆筒设有矩形附件( 耳式支座) ，且有作用在附件上沿圆筒轴向 的弯矩m 。、设备重力引起的轴向反作用力v 。时，对附件边缘处圆筒上所产生的 各种应力分析，并在附件边界处取a 、b 、c 、d 四点，见图1 - 9 。 硕士学位论文 图1 - 9 附件周边处圆筒的应力分析 f i g 1 9s t r e s sa n a l y s i so fc y l i n d e ra r o u n da c c e s s o r y 作用在圆筒上的弯矩m l 可以看成由大小相等、方向相反的两个径向力所构 成的力偶，见图1 1 0 。 图1 1 0 圆筒上的薄膜和弯曲应力分析 f i g 1 10a n a l y s i so nm e m b r a n c es t r e s sa n db e n d i n gs t r e s so fc y l i n d e r 弯矩m ，的作用之一是在b 点引起双向拉伸薄膜应力，而在a 点引起双向压 缩薄膜应力，分别以仃。和q 表示，其中仃。表示沿圆筒的轴向应力，而表示 沿圆筒的周向，a 点和b 点在同一方向的薄膜应力大小相等、方向相反，沿壳 壁厚度按线性分布。根据图1 1 0 壳体的变形情况可知，弯矩m ，的作用之二是使 a 、b 点产生双向弯曲应力，在b 点的外壁表面( 以下标u 表示) 为拉伸而内壁 表面( 以下标l 表示) 为压缩，沿壳壁按线性分布，在壳壁中面处( 以下标m 表 第一章绪论 示) ，弯曲应力为零。因c 、d 点位于弯矩m 。作用的中性轴上，故既不存在薄膜 应力，也不存在弯曲应力。 由材料力学的分析 2 2 1 可知轴向力v ，在圆筒和矩形附件相交的截面上引起的 剪切应力，最大值位于c 、d 点，在壳体内外壁上的应力值相同，在a 、b 点处 应力为零。 对压力容器还应考虑介质压力p c 的影响，因此不论是沿圆筒周向或沿圆筒 轴向，都要叠加上由介质压力在各点所引起的薄膜应力。 1 4 2 计算参数的确定 外载荷对圆筒引起的局部应力计算的关键一步是计算参数的确定，以压力容 器的已知数据及选取的耳座的尺寸数据为基础，可计算出圆筒参数，矩形附件 参数夕，以及确定出其它各个参数值。 ，：l( 1 - 3 ) 。 t + t r 式中：r 。一圆筒平均半径，m m ； 卜圆筒厚度，在这里取圆筒的有效厚度，m m ； t r 一耳座垫板的厚度，不设垫板时t r = o ，n l n q 。 ( 1 4 ) 式中：c 1 为附件周向半长，按耳座的互1 ( b 2 + 2 疋) 计算； c ：为附件轴向半长，按耳座的高度h 的一半计算； 其中，b 2 、皖、h 见图1 - 8 。 当计算内力n 、n 。时，则：机币，然后根据和y 在相应附图上所查 1 2 硕二b 学位论文 得的系数( 警净以舭值c l 由鲁和瑚。 当计算内力矩m 一和m x 时，f l ：k l 厮一，k 。由会和y 查得。 本文考虑的各载荷不带交变性质，应力计算公式中薄膜应力集中系数 k 。= 1 0 ，弯曲应力集中系数k 。= 1 0 。计算公式中的v l 即耳座承受的载荷q 。 1 4 3 应力计算汇总及局部应力的校核 将各个参数代入下表所列的公式中，计算出耳座边界处圆筒上a 、b 、c 、d 各点的应力后，按照j b t 4 7 3 2 2 0 0 5 钢制压力容器一分析设计标准 2 3 1 的应力 分类及第三强度理论逐点进行组合应力计算，得出的计算结果如表1 1 。 由于v l 引起的剪切应力与薄膜应力、弯曲应力相比小很多，可忽略不计。 最大应力点可能出现在a 、b 两点的内壁或外壁，即在a u 、a l 、b u 、b l 上。 在支座处容器圆筒的应力主要是由容器的内压力和支座弯矩引起的，主要存在以 下几种应力： a ) 由内压引起的一次总体薄膜应力p 。； b ) 由支座弯矩引起的一次局部薄膜应力p l ； c ) 由支座弯矩引起的一次弯曲应力p b 。 根据应力分析的方法对这些应力的组合按照下列原则进行限制： 1 ) p m b ，h i up c 个r b 】； 2 揶舯= 半氐( 掣 击一= 等+ k 。( 芈 嚣糯咧周辨 3 w 舛阢，砜。( 学 嚣，o x = o n u t + k 。( 半 器一咧一脚科 第一章绪论 表l 一1 各点局部应力计算表 t a b 1 1c a c u l a t i o nt a b l eo fl o c a ls t r e s si ne a c hp o i n t 应力起因及性质计算公式 a ua lb ub lc uc ld ud la 。b 。c md 。 1 5 选题背景、研究方法及内容 1 5 1 选题背景 蜂窝夹套薄膜蒸发器在工作时，内筒由于内部的负压和夹套的外压作用而发 生变形。对于固定刮板薄膜蒸发器，由于制造和操作过程中内筒变形量会导致了 固定刮板与内筒之间的摩擦力比较大，最终使得固定刮板式薄膜蒸发器不能够长 期连续运转。 蜂窝夹套薄膜蒸发器的支撑结构大多采用耳式支座。由于蜂窝夹套壁比较薄 且呈蜂窝状，不能与耳座直接焊接，制造过程中耳座与内简体焊接，蜂窝折边成 1 4 硕士学位论文 矩形状( 尖角处圆弧过渡) 与支座焊缝间距约1 0 0 m m ，直接焊接在内筒体上。 但是内筒壳体上焊接耳式支座会给壳体造成较大的局部应力，局部应力过大会致 壳体变形。另外由于耳式支座安装处夹套的不连续加热区而产生的热应力对蜂窝 夹套内简体的变形也产生较大影响。当蜂窝夹套薄膜蒸发器内筒在外载荷作用下 内陷量大于固定刮板与内壁的间隙时，转子带动刮板转动