应力知识在热水瓶防爆上的应用

2014-12-23吴月勇曹明纬朱文旺

科技视界 2014年6期

吴月勇曹明纬朱文旺

(1.河海大学港口航道与近海工程学院，江苏南京 210098；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

我们平时在使用保温瓶接开水时，时常都有水瓶内胆玻璃突然爆炸碎裂的现象，且这种现象在冬季尤为严重；今年入冬，身边就又多起水瓶爆炸的现象。而且令人担心的是许多保温瓶内胆玻璃破碎是无法预计的，如地震、玻璃自爆。撞击等。这些情形下，现在的保温瓶可能大多没有任何形式的防护，这样危险的不确定性就更大了。之前有一些人对开水瓶做过改进，他们大多采用以下两种方式：一是采用金属材料制作保开水瓶，金属瓶胆虽然坚固耐用，不易损坏，但导热率远大于玻璃，制成的瓶胆保温效能较差，且较普通开水瓶重；二是用塑料制成的单层或双层壁容器，填充泡沫塑料隔热，轻巧方便，不易破碎，但其保温效能比真空瓶胆差。

为了克服服现有技术中的不足，提供一种带有防爆膜的防爆热水瓶。它与传统开水瓶最大的不同是在水瓶内胆外覆有防爆膜。使其在不增加水瓶重量的条件下起到防爆或者减小爆炸伤害的作用。

所述防爆膜为条状PET 膜，防爆膜的粘贴角度与内胆径向轴线的夹角为40～50 度，防爆膜许可宽度为内胆内径的2～4 倍。所述防爆膜防爆膜的粘贴角度与内胆径向轴线的夹角为45 度，防爆膜许可宽度为内胆内径的3.14 倍。有益效果：本实用新型的有益效果是在不明显增加开水瓶重量，保证开水瓶保温效果的基础上，提高开水瓶内胆防爆性能，且结构简单，易于推广。

附图说明：

图1 是本防爆热水瓶的正面半剖视图。

图2 是本防爆热水瓶的内胆计算模型图。

图3、4、5、6、7 是本防爆热水瓶的计算简图

具体实施方式：

如图1 所示的一种防爆开水瓶，包括有内胆1，所述内胆1 外覆有条状PET 膜作为防爆膜2，防爆膜2 的粘贴角度与内胆1 径向轴线的夹角为45 度，防爆膜2 许可宽度为内胆1 内径的3.14 倍。

如图2 所示，设内胆1 内直径为D，内胆1 厚度δ 远小于内胆1内直径D，将内胆1 简化为一圆柱形压力容器，将防爆膜2 粘贴其上，防爆膜2 与内胆1 横截面夹角为θ，防爆膜2 的宽度为b。容器内蒸汽压为P，防爆膜2 能承受的最大应力为W，那么由圆筒受力对称性可知，圆筒横截面处各点的正应力σ1 相等。

如图3、图4 所示，设F 代表力，圆筒横截面上的正应力σ2=F/A=P*(πD^2)/4=(PD)/(4δ)由于δ 远远小于D，故计算中圆筒横截面积A=π Dδ。

如图5 所示，为计算圆筒纵截面上的正应力σ1，假想地截取一段单位长的圆筒，沿纵截面将其切开，并研究其上半部分。由于圆筒上下部分的对称性，所以，纵截面上没有切应力，对于δ 远小于D 的薄壁圆筒，可以认为纵截面上个点的σ2 相等，而该段圆筒内表面上压力的合力Fp=PD，于是由上半部分圆筒的平衡方程∑Fy=0，PD-2，σ1*δ*1=0，即得σ1=PD/(2δ)（y 是下标，即∑Fy=0 来表示径向压力的合力为0），容器内表面上任一点处沿直径方向的正应力为σ3=-P，于是，可得圆筒内表面上各点的应力分别为σ1=PD/(2δ)、σ2=(PD)/(4δ)、σ3=-P，由于D/(4δ) 远大于1，即σ3 得绝对值远远小于σ1 和σ2，故可以视σ3=0，如图6 所示，可得圆筒各点处于平面应力状态。

上述中σ1、σ2、σ3 均需小于W所述防爆膜2 呈条状，宽度（即许可宽度）为b，如图7 可得防爆膜2 的粘贴接缝方位角θ（“防爆膜2 与内胆1 横截面夹角θ”与本方位角θ 为同一角）的正弦、余弦分别为sinθ=b/(∏D)，cosθ=√((∏D)**2-b**2)/(∏D)，防爆膜2 接缝处拉应力σθ 应满足的条件为σθ=σ1*sinθ**2+σ2*cos**2＜=σ1 即防爆膜2 条内最大拉力，将σ1、σ2、sinθ、cosθ 代入式中得b＜=(∏D)=3.14D，所以防爆膜2 的许可宽度b 为内胆1 内径的3.14 倍。

由第三强度理论可得最危险点位于圆球部分，可以在圆球部分适当增加防爆膜2 的厚度，为了安全可为其它部分的两倍。

如附图6，最大切应力作用面为附图六中的阴影面，其与σ2 与σ1 各成45 度，所以θ 取45 度最安全。