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管殼式換熱器的構成特征與標準制定

文章出處:纏繞管式換熱器廠家 發表時間:2021-01-30 09:36

管殼式換熱器是換熱器中很常見的一種,它以管壁為傳熱面,從而將熱量傳輸到另一物體或設備上,在石油化工和輕工能源等行業有著廣泛的應用。那么它的結構與特征是什么呢?在參數標準制定的時候是怎樣的呢?下面我們就“管殼式換熱器的構成特征與標準制定”來詳細了解下。

 

 

【管殼式換熱器具有什么樣的特點與結構】

 

管殼式換熱器是化工、石油、輕工、能源等工業應用廣泛的過程設備之一,它具有選材范圍廣,換熱表面清洗較方便,適用性較強,處理能力大,能承受高溫和高壓等特點。

 

 

管殼式換熱器的結構設計主要依據是GB151[1],GB151 中關于換熱器管板強度校核是根據彈性基礎上薄板理論,在軸對稱結構的條件下,將薄板的三維變形簡化為二維梁式變形,由此來計算其強度的。而換熱器殼體厚度的選擇,主要是根據殼體所受到的殼程壓力來確定。

 

換熱器由于其工作特點,不僅有管程壓力和殼程壓力等載荷作用,而且還要受到工作介質的溫度載荷作用。在GB151 中對壓力載荷,給出了管板和殼體的尺寸選擇,及固定管板兼作法蘭的管板和殼體的連接方式。然而,對于在溫度載荷作用下,這些尺寸卻沒有具體的說明要求。

 

通過一個管殼式換熱器的強度校核,將載荷分類為壓力載荷和溫度載荷,來說明結構在這些載荷作用下的應力響應特點,進而提出該結構改進的意見。本文采用三維有限元的分析方法,來研究其內在規律。

 

換熱器結構尺寸及載荷工況

 

BEM型換熱器結構如圖1 所示,管板上共有500 根換熱管,分布在管板的上半部分,左右對稱。結構尺寸和材料:管板內徑:1300 mm;管板厚度:80mm;法蘭外徑:1460 mm;管板材料:00Cr19Ni10;殼體厚度:24mm。

 

為簡化計算,在建立有限元模型時,只考慮換熱器的管板、殼體、管束和膨脹節等主要結構,法蘭墊片用等效的均布比壓來代替。

 

由于整臺換熱器結構是前后左右對稱,所以只取組合體的四分之一,換熱管長度取一半。換熱管是細長形狀,所以用桿單元來模擬。這樣的作法對管子附近的管板應力計算是不準確的,事實上,如果考慮換熱管和管板的脹焊連接,該處的真實應力也很難計算。根據圣維南原理,這樣處理對遠處的非布管區管板的計算影響不大。

 

【管殼式換熱器標準制定歷史】

 

管板是管殼式換熱器重要的受力元件之一,管板的設計合理與否直接關系到換熱器的制造成本的高低及綜合性能的優劣。管板的強度計算作為管板設計的關鍵一環,一直是許多國家相關部門的研究,管板強度的計算方法也在不斷地發展和完善。

 

 

1975年以來,美國的ASME  VIII-I嘗試給出適合各種管板類型的設計規范,在1983年板中給出U形管式換熱器的簡支和整體結構的管板計算方法,在1992年版中又加入了固定式換熱器管板計算方法。法國壓力容器規范CODAP于1986年出版的非規定附錄里,給出了包括U形管式、浮頭式、固定式換熱器的管板計算方法。

 

多年來,主要工業國家都已有自己的管板設計計算公式或規定,如英國的BS 5500標準、美國的TEMA、日本工業標準JIS、捷克壓力容器計算準則、管板計算公式及TEMA修正計算公式、前蘇聯的鍋爐監察手冊及聯邦德國的AD規范等。

 

為促進承壓設備在歐盟成員國內的自由貿易,2002年3月歐盟成員國正式表決通過了修改后的表尊EN13445,并于同年5月30日頒布了該標準版,并且要求,所有與此相抵觸的歐盟成員國同類國家標準遲于2002年11月廢棄。

 

EN13445適用于設計壓力大于0.05MPa、材料為鐵素體或奧氏體鋼的非直接接觸火焰壓力容器,設計溫度低于以鋼材蠕變控制其許用應力強度的相應溫度,但不適用于如移動式壓力容器、失效后導致輻射影響的核設施上的壓力容器、能產生110度以上過熱水蒸汽的壓力容器等承壓設備。

 

對于管板的設計、EN13445中提出了兩種方法,一種是傳統方法,考慮內外壓、幾何尺寸等因素嚴格計算各種載荷狀態引起的管板應力,并嚴格校核;另一種是分析方法,通過管板的分析,確定許用應力載荷。

 

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