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
一臺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。
該臺管空氣電加熱器管板相當(dāng)于U形管式換熱器的管板（無管箱和隔板），管板上的管孔直徑為Φ22.5 mm，每個(gè)管孔中的焊接一段規(guī)格為Ф22×2.5 mm的套管，U形管式電熱元件直徑為Φ16 mm，電熱元件從套管中伸出，進(jìn)入設(shè)備頂部的接線倉，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的長頸法蘭，法蘭外徑Φ1215 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)徑向截面上各開孔寬度之和為Σb=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，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。考慮到筒體的熱傳導(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Φ1195 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)溫度對應(yīng)的主要受壓元件列出。
對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。