电加热器管板设计温度的合理设定Word文档格式.docx

1、关键词电加热器；管板；设计温度；管板厚度在化工生产或其他工业项目中，当需要把气 体物料加热到比较高的温度时，一般的加热介质 （如蒸汽、导热油等）无法实现，这时通常采用 电加热方式。用电加热方式可将气体加热到400C 以上，甚至可达到900C 加热气体的电加热器通常为管状，结构与单 管板换热器（如U形管式换热器）类似，管状电热 元件均匀地布置在管板上，电热元件外端伸入接 线仓，用导线将每根电热元件上的电极分组连接 后接到电源控制柜。电热元件的发热端在电加热 器壳体内，通电后产生热量加热管外的气体。电热元件有直管式和U形管式两种。直管式 电热元件直径较大，加热温度不能太高，两个电 极在同一端，与管

2、板之间采用可拆式连接，连接 结构比较复杂，但电热元件可以更换。U形管式电 热元件直径较小，加热温度可以很高，两个电极 在电热元件的两端，与管板之间通过套管焊接连 接，结构比较简单，但电热元件不可更换，因此 在管板上布置时需要增加一定的备用数量，当正 常使用的元件发生损坏不发热时，可将备用元件 接入，保证加热功率不受影响。用于加热气体物料的电加热器，如被加热气 体的压力0.1MPa,则电加热器壳体属于压力容 器，应按GB 150-2011压力容器进行设计、 制造和验收，并接受TSG R0004-2009 固定式压 力容器安全技术监察规程回的监督。管板是电加热器上的关键零件。当电加热器的壳体属于压

3、力容器时，管板为主要受压元件。 由于管板属于平盖，并且管板上钻有许多装配电 热元件的管孔，强度受到削弱，所以管板的设计 厚度比较大。本文通过分析一台空气电加热器上 的管板的温度情况，合理设定管板的设计温度， 以减少管板的设计厚度。1空气电加热器的结构及设计参数一单位委托某公司制造一台空气电加热器， 容器的工作压力为1.8MPa,属于II类压力容器。 该设备为立式结构，容器直径51000 mm,电加热 功率为1200 kW,电热元件采用U形管式，将压力 为1.8MPa的压缩空气从150C加热至U420C,低温 空气从电加热器壳体的上部进入，被加热后从下 部流出。壳体材质为Q345R,容器法兰、管

4、板的 材质为16Mn锻件。空气电加热器的结构简图见图1。图2管板结构图空气电加热器设计参数见表1。表1空气电加热器设计参数名称单位壳程设计压力MPa2.0设计温度C440介质空气焊接接头系数1.0腐蚀裕量mm电加热功率kW1200主要受压元件材质16Mn, Q345R2管板设计2.1管板结构该管板相当于U形管式换热器的管板（无管箱 和隔板）,管板上的管孔直径为22.5 mm,每个 管孔中的焊接一段规格为中22X2.5 mm的套管，U 形管式电热元件直径为16 mm,电热元件从套管 中伸出，进入设备顶部的接线仓，电热元件与套 管的外端面之间采用密封焊。电热元件从接线端 至管板下面的隔热挡板之间的

5、一段为不发热区。管板上的管孔采用同心圆分布，从最外圈向 内每相邻两圈的布孔圆上的管孔数相等，U形管式 电热兀件跨穿在该相邻两圈的管孔内，最内一圈6 个管孔用3根长度不等U形管式电热元件梅花状交 叉穿入。中心孔内装配热电偶套管。管板的结构见图2。2.2管板的强度计算根据容器的设计压力P=2.0MPa,设计温度 t=440C,容器法兰的材质为16Mn锻件，按NB/T 47020-47027-2012压力容器法兰、垫片、紧固 件规定叫容器法兰选用公称压力为PN4.0的长 颈法兰，法兰外径中1215 mm,螺柱规格M30,数 量48件，螺柱材质35CrMoA,垫片采用缠绕垫。按上述条件及参数用SW6计

6、算软件计算管 板的的厚度，得到设计厚度为6 =124 mm （其中 平盖危险径向截面上各开孔宽度之和为b=420 mm） o3管板的温度分析及设计温度的合理设定由上述计算结果可知，如果管板按容器的设 计温度计算，该管板的设计厚度是比较大的。但 是，从设备结构图上可以看到，i5（rc的气体从容 器上部接管进入容器后向下流动，被电热元件加 热，温度升高，加热结束后温度升到420C,并从 容器下部接管流出。在这个过程中，气体的温度 是逐渐升高的，刚进入容器上部的气体，尚未被 加热，与气体接触的管板及容器法兰的温度只有 150C左右，而且管板下方还有2层挡板，起隔热 作用。筒体的温度从气体进口端到气体

7、出口端， 是由150C逐渐升高至42（TC的。由此可知，将该 管板的设计温度取与容器壳体相同的设计温度进 行设计是不合理的。根据该电加热器的结构及使用工况，我们认 为可以将管板的设计温度降低，无必要取容器壳 体的设计温度。HG/T 20580-2011钢制化工容器设计基础规 定可第5.0.1条第4款规定，当容器各部分在工作 情况下的金属温度不同时，可分别设定各部分的 设计温度。考虑到筒体的热传导及电热元件的传热， 使管板的温度高于气体的温度，这一温差估计在 30C左右。所以管板的实际温度大约为180C,再 考虑一定的设计余量，管板的设计温度取200C是 安全的。容器法兰与管板为同一情况，其位置

8、也是在 低温气体进口的上部，实际温度不会高于200C, 所以容器法兰的设计温度取200 C应当是安全的。当容器法兰的设计温度取200C时，根据文 献】，法兰的公称压力可以选用PN2.5,法兰外径 中1195 mm,螺柱规格为M27,数量36件，螺柱材 质为40MnB。将上述条件及参数用SW6计算软件重新计 算，得到管板的设计厚度为6 =88 mm。通过上述分析和计算，根据电加热器的工作 情况，分别设定壳体、管板及容器法兰的设计温 度后，管板的设计厚度从124 mm降至88 mm,明 显减薄了管板的厚度，降低了材料的消耗。当然，如果一台容器上各受压元件分别设定 了不同的设计温度，在设备总图上的设

9、计数据表 中，应该将不同的设计温度对应的主要受压元件 列出。4结束语（1）对于电加热器这种压力容器，因为介质 的温度从进口到出口是逐渐升高的，壳体各部分 的金属温度不同，所以在进行强度计算时，处于 低温区域的受压元件，如果按容器的设计温度计 算，所需的厚度较大。可以根据工作情况，分别 确定该元件可能达到的金属温度，并设定其设计 温度，然后计算该元件所需的厚度。（2）本文所述的气体电加热器，装配电热元 件的管板都是在低温区域的，即低温气体是从靠 近管板的位置进入电加热器壳体的，如果气体进 出口的温差较大，分别设定管板与壳体的设计温 度，则管板的设计厚度可以明显减小，既可减少 材料消耗，又可缩短管

10、板的金加工时间特别是管 孔的钻孔时间。参考文献1GB 150.1-150.4-2011,压力容器S.2TSGR0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程S.3NB/T 47020-47027-2012,压力容器法兰、垫片、紧固件 S.4SW6-2011,过程设备强度计算软件包CP/CD,上海：全 国化工设备设计技术中心站，2011.5HG/T 20580-2011,钢制化工容器设计基础规定S.收稿日期：2015-03-15；修回日期：2015-03-24石油和化工设备列入国家新闻出版广电总局第一批认定学术期刊名单2014年12月9日，国家新闻出版广电总局正式公布第一批认定学术期刊名单，其中石油和化工设 备列1217* （排名不分先后）。此前，为严格学术期刊出版资质，优化学术期刊出版环境，促进学术期刊健康发展，新闻出版广电 总局于2014年4月先后发布关于规范学术期刊出版秩序促进学术期刊健康发展的通知关于开展学术 期刊认定及清理工作的通知，经各省、区、市新闻出版广电局、中央期刊主管单位初审上报，新闻出 版广电总局组织有关专家严格审定，确定了第一批认定学术期刊名单，总局于2014年11月18日至24日进 行了公示（共5756种）,最后于2014年12月9日公布正式名单（共5737种）。（本刊编辑部）