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空氣電加熱器管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及管板強(qiáng)度計(jì)算 - 揚(yáng)州達(dá)瑞電氣有限公司
2020-05-14 09:40:15
空氣電加熱器管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及管板強(qiáng)度計(jì)算
分析一臺(tái)空氣電加熱器上的管板的溫度情況,合理設(shè)計(jì)管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及管板強(qiáng)度計(jì)算。此臺(tái)空氣電加熱器的設(shè)計(jì)壓力為
MPa 2.0
,設(shè)計(jì)溫度為
440
℃,介質(zhì)為空氣,電加熱功率為
1200KW
,主要受壓元件材質(zhì)
16Mn
,
Q345R
。
空氣電加熱器管板相當(dāng)于
U
形管式換熱器的管板(無(wú)管箱和隔板),管板上的管孔直徑為Φ
22.5 mm
,每個(gè)管孔中的焊接一段規(guī)格為Ф
22
×
2.5 mm
的套管,
U
形管式電熱元件直徑為Φ
16 mm
,電熱元件從套管中伸出,進(jìn)入設(shè)備頂部的接線倉(cāng),電熱元件與套管的外端面之間采用密封焊。電熱元件從接線端至管板下面的隔熱擋板之間的一段為不發(fā)熱區(qū)。管板上的管孔采用同心圓分布,從最外圈向內(nèi)每相鄰兩圈的布孔圓上的管孔數(shù)相等,
U
形管式電熱元件跨穿在該相鄰兩圈的管孔內(nèi),最內(nèi)一圈
6
個(gè)管孔用
3
根長(zhǎng)度不等
U
形管式電熱元件梅花狀交叉穿入。中心孔內(nèi)裝配熱電偶套管。
根據(jù)容器的設(shè)計(jì)壓力
P=2.0MPa
,設(shè)計(jì)溫度
t=440
℃,容器法蘭的材質(zhì)為
16Mn
鍛件,按
NB/T47020~47027-2012
《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》規(guī)定,容器法蘭選用公稱壓力為
PN4.0
的長(zhǎng)頸法蘭,法蘭外徑Φ
1215 mm
,螺柱規(guī)格
M30
,數(shù)量
48
件,螺柱材質(zhì)
35CrMoA
,墊片采用纏繞墊。按上述條件及參數(shù)用計(jì)算軟件計(jì)算管板的的厚度,得到設(shè)計(jì)厚度為δ
=124 mm
(其中平蓋危險(xiǎn)徑向截面上各開(kāi)孔寬度之和為Σ
b=420mm
)。
由上述計(jì)算結(jié)果可知,如果管板按容器的設(shè)計(jì)溫度計(jì)算,該管板的設(shè)計(jì)厚度是比較大的。但是,
150
℃的氣體從容器上部接管進(jìn)入容器后向下流動(dòng),被電熱元件加熱,溫度升高,加熱結(jié)束后溫度升到
420
℃,并從容器下部接管流出。在這個(gè)過(guò)程中,氣體的溫度是逐漸升高的,剛進(jìn)入容器上部的氣體,尚未被加熱,與氣體接觸的管板及容器法蘭的溫度只有
150
℃左右,而且管板下方還有
2
層擋板,起隔熱作用。筒體的溫度從氣體進(jìn)口端到氣體出口端,是由
150
℃逐漸升高至
420
℃的。由此可知,將該管板的設(shè)計(jì)溫度取與容器殼體相同的設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)是不合理的。根據(jù)該電加熱器的結(jié)構(gòu)及使用工況,我們認(rèn)為可以將管板的設(shè)計(jì)溫度降低,無(wú)必要取容器殼體的設(shè)計(jì)溫度。
HG/T 20580-2011
《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定》第
5.0.1
條第
4
款規(guī)定,當(dāng)容器各部分在工作情況下的金屬溫度不同時(shí),可分別設(shè)定各部分的設(shè)計(jì)溫度??紤]到筒體的熱傳導(dǎo)及電熱元件的傳熱,使管板的溫度高于氣體的溫度,這一溫差估計(jì)在
30
℃左右。所以管板的實(shí)際溫度大約為
180
℃,再考慮一定的設(shè)計(jì)余量,管板的設(shè)計(jì)溫度取
200
℃是安全的。容器法蘭與管板為同一情況,其位置也是在低溫氣體進(jìn)口的上部,實(shí)際溫度不會(huì)高于
200
℃,所以容器法蘭的設(shè)計(jì)溫度取
200
℃應(yīng)當(dāng)是安全的。當(dāng)容器法蘭的設(shè)計(jì)溫度取
200
℃時(shí),法蘭的公稱壓力可以選用
PN2.5
,法蘭外徑Φ
1195 mm
,螺柱規(guī)格為
M27
,數(shù)量
36
件,螺柱材質(zhì)為
40MnB
。將上述條件及參數(shù)用
SW6
計(jì)算軟件重新計(jì)算,得到管板的設(shè)計(jì)厚度為δ
=88 mm
。通過(guò)上述分析和計(jì)算,根據(jù)電加熱器的工作情況,分別設(shè)定殼體、管板及容器法蘭的設(shè)計(jì)溫度后,管板的設(shè)計(jì)厚度從
124 mm
降至
88 mm
,明顯減薄了管板的厚度,降低了材料的消耗。當(dāng)然,如果一臺(tái)容器上各受壓元件分別設(shè)定了不同的設(shè)計(jì)溫度,在設(shè)備總圖上的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表中,應(yīng)該將不同的設(shè)計(jì)溫度對(duì)應(yīng)的主要受壓元件列出。
對(duì)于電加熱器這種壓力容器,因?yàn)榻橘|(zhì)的溫度從進(jìn)口到出口是逐漸升高的,殼體各部分
的金屬溫度不同,所以在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),處于低溫區(qū)域的受壓元件,如果按容器的設(shè)計(jì)溫度計(jì)算,所需的厚度較大。可以根據(jù)工作情況,分別確定該元件可能達(dá)到的金屬溫度,并設(shè)定其設(shè)計(jì)溫度,然后計(jì)算該元件所需的厚度。
本文所述的空氣電加熱器,裝配電熱元件的管板都是在低溫區(qū)域的,即低溫氣體是從靠近管板的位置進(jìn)入電加熱器殼體的,如果氣體進(jìn)出口的溫差較大,分別設(shè)定管板與殼體的設(shè)計(jì)溫度,則管板的設(shè)計(jì)厚度可以明顯減小,既可減少材料消耗,又可縮短管板的金加工時(shí)間特別是管孔的鉆孔時(shí)間。
?
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