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1、论文换热器的管束振动. 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途修改意见：在这个论文基础上充实一下数据、加上HTRI的算例分析, 理论分析也再充实一点， 算例分析就是一台换热器列出几组数据，然后进行分析得出最优方案并对方案进行相关分析得出结论但是内容要有一些深度。（全文5000字）换热器的管束振动摘要：换热器（英语翻译：heat exchanger）是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，其管束振动破坏容易导致相邻管间磨损、挡板与管子的锯割、支承形式的改变构成磨损等现象其危害也是明显的，文中首先从理论上分析了实现换热器管束不发生较大振动的计算方法,接着以某固定管板式换热器壳体
2、为例进行了探讨，结果表明（即使流体激振频率与换热管的固有频率接近，对于换热管这种受力构件只要合理控制流体激振力对管子的作用相位，能量就不会聚集在换热管上，激振力也就无法激起大的响应；即使流体激振频率偏离管子的固有频率,如果流体激振力对管子的作用相位不合理，激振力也有可能激起较大的响应，这一研究对于改进换热器的管束振动具有一定的借鉴意义.关键词：管束振动；固定管板式换热器;激振力；响应0 引言热量交换设备换热器在工业生产领域及国民经济中具有十分广泛的应用，是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。随着社会的不断发展，一方面新材料、新工艺和新技术不断出现和运用，另
3、一方面能源的不科持续发展问题越来越严重，也因此促进了石油化工深度加工的发展和完善,对能源的最大使用和减少浪费越来越为人们所重视。换热器面临更新换代的问题。发达国家的换热器几乎高新完毕,热回收率达96之高1-3。其中，新式的换热器设备更新率占到30左右，、绝大都是管式的换热器，其热效率高，效果质量都非常好。不过，换热器内的流体诱导产生振动的问题一直以来都是个技术难点，也制约着换热器的技术发展和进步，次问题已经引起国际社会的高度重视并已加强相关的技术研究，振动计算已经成为换热器设计的重要内容之一4-7。下面,本文就将对换热器观束振动方面的话题进行一些探讨和研究。1 换热器的管束振动破坏现象我国目前
4、对换热管内流体引诱振动问题的研究已经引起了社会各界的一些关注,研究发现，散热器管束振动能导致一些破换现象8-10:1)相邻管间磨损：管束振动容易导致边缘管和壳体的撞击，或者邻进管子相互撞击，导致管束的被撞击部位出现磨损,管壁薄落的地方导致开裂现象；2）挡板与管子的锯割：在管子安装的时候，通常出于需要会给挡板与管子之间留有缝隙，管子在发生振动的时候，会产生一种和割据相似的强度较高的应力作用,当挡板较薄弱的时候，折流部位因为剪切割据或磨损导致失效，较短时间就能造成管壁的破损和开裂；3）连接处失效:由于振动的作用，管子连接管子的地方最容易受应力的破坏，造成焊接点的松动和脱落或者涨接问题，引发泄露形象
5、；4）支承形式的改变构成磨损：一些折流杆式的换热器，圆柱结构的折流杆垂直于管子，因而接触的地方是“点“接触的方式，这种，支撑不足造成管子振动时其抑制作用效果较差，理论上是要求零接触的，不过误差无可避免，如制造误差和装配误差等等,就导致管子和折流杆存在间隙，同时造成对这里的磨损,磨损导致空隙越来越大，这样振动的问题会更加严重，磨损程度更大，形成恶性循环；5)磨损腐蚀失效:管子壁周围都有防腐蚀保护膜的,振动的应力作用容易造成这里保护膜的破损或脱落，使管子失去保护，受腐蚀破坏而使寿命减短；6)材料缺陷扩展：一些换热器的振动幅度是比较大的，这样管子受到的扭弯应力就很高，时间一长，管材里的微观缺陷就会加
6、大扩展，出现应力疲劳裂纹,引起相应的疲劳损坏。2 管束振动理论分析其实振动技术及控制技术我们并不缺乏,水工结构、土木工程、航空、航海、机械工程等等很多方面都有成熟的使用，不过换热器的情况和运行环境比较特殊，使得一些如智能驱动材料、主动变阻尼以及主动变刚度等常规的振动控制方法很难在换热器中很好的控制振动。管壳式换热器在运行过程中，流体在壳程横向冲刷管束,由于工况的变化以及流动状态的复杂性，换热管总会发生或大或小的振动。产生振动的振源为流体稳定流动产生的振动、流体速度的波动、通过管道或其它连接件传播的动力机械振动等,横向流是流体诱导管束振动的主要根源.目前，还是主要通过对流体引发振动的机理研究判断
7、为重要依据来处理和控制换热管中的振动问题的,流体弹性激振当流体横向流过管束时,由于流动状态的复杂性,可能使管束中某一根管子偏离其原来的静止位置,发生瞬时位移，这会改变其周围的流场,从而破坏相邻管子上的力平衡，使之产生位移而处于振动状态。当流体速度大到某一程度时,流体弹性力对管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功,管子的响应振动振幅将迅速增大，直到管子间相互碰撞而造成破坏.发生流体弹性激振时,横流速度的临界值用式vo=fnmeod2o1/2计算。例如,对流体引起振动的漩涡脱落的方面的要求和处理就是方法之一.fv/fn0。5 （1）fn-换热管最低固有频率； fv漩涡脱落频率。对于流体弹性激振问题
8、要求 vvc （2)式中 v-换热器内流体流速; vc流体弹性激振临界流速. （3）式中 为不稳定常数，由实验确定,Connors 将 定为 9.9 对于紊流抖振引起振动问题要求 ft/fn0。5 （4）式中 ft-紊流抖振主频率. （5）式中 T横向的换热管中心距； L-纵向的换热管中心距；对顺排管束，取 L=T。 壳程流体为气体或蒸汽时,任何振型的声频处于下列范围内，就有可能发生声振动. （6） 式中 fa-声频，Hz。声频由公式(7)计算： （7)式中 c声速,m/s; D-声振动特性长度，一般采用换热器壳体直径(m） n振型数，指半波的整数倍.在换热器的实际结构中有效运用分析方法，对于
9、克服管子不至于发出大的振动还是很有效果的，并且对于换热器的制造和设计都有一定程度的指导和积极作用.不过,流体引发振动的科目及研究一来孤立进行,还有就是目前其研究成果并不突出，流体引发振动其中的计算方法和复杂性也研究的并不成熟。对于流体引发振动的研究，我们的试验通常是取一段管束的简化模型来进行分析研究的，计算状态也是理想状态的情况，这个阶段和管束的实际复杂工作环境相去甚远；另外我们还知道，管束的振动除了和流体的频率相关以外，和流体的相位、作用力等方面都有关，研究常规方法有可能是浪费精力之举。3 换热器管束的振动分析及其控制以固定管板式换热器为例这里以固定管板式换热器为例研究换热器中流体力诱发的管
10、束位移响应和管子对固定管板和折流板作用力响应.某固定管板式换热器壳体厚度为12mm;固定管板厚为 66 mm;折流板厚 12 mm；换热管的直径 252mm；固定管板尺寸 D=1360 mm；公称直径 DN=1200 mm.固定管板与折流板间距 450 mm;折流板之间的间距 60 mm。管子与折流板布置如图1 所示。由于折流板缺口处的管子刚性较差，取折流板缺口处的管子研究。在管板处简化为固定端支撑，在折流板处简化为简支,换热管采用平面梁单元模拟。整个模型共剖分 78个梁单元。如图 1所示，在横向流体冲刷下 1、2、3、4、5、6、7处管子将受流体力作用，由于流体力受流道、流体速度、流体密度、
11、管径和管束节径比排列方式等诸多因素的影响,所以在实际换热器中1、2、3、4、5、6、7 处管子所受流体力 F 的相位是不同的图 1 管子与折流板布置图本文采用模态叠加法进行了瞬态分析,积分时间步长t =T/16，求出了管子的动力响应。工况1、2、3、4最大响应值如表 1所列。工况1、2、3、4产生最大响应时刻管子的变形曲线如图2 所示.表 1 最大响应值工况位置z/m数值/mm管板2折流板1折流板2折流板3管板113。250。56E-20。8730。6680。6350。5830.37622.200。28E-012.5329。295.6117.658.6732。250.82E20。591.401
12、.501.980。6541。000.15E-10。663.323.922。610。86图 2 产生最大位移响应时刻管子的变形曲线由表 1 和图2、可看出工况2动力放大效应非常明显，而其它三种工况动力放大效应并不明显.工况2与其它工况最大横向位移、固定管板1受力、固定管板 2 受力、折流板 1 受力、折流板 2 受力和折流板 3 受力比值的最大值分别为 49.82、21。11、23。06、40.87、8。836 和 30。30。由以上计算结果对比分析可得出即使流体激振频率与管子的固有频率接近，对于换热管这种受力构件只要合理控制流体激振力对管子的作用相位，能量就不会聚集在换热管上，激振力也就无法激
13、起大的响应。实际环境中流体激振力的相位为管束节径比排列方式、管径、流体密度、流体速度以及流道等许多方面的因素影响的，通过上图以及一些计算分析可知，合理调整管束节径比或者折流板尺寸等，能够对流体力的相位起到改变和控制，进而影响流体和换热器管束的相互作用应力，分散换热器管束上面的应力作用,这样就能使流体诱发管束振动的问题得到控制和解决.通过前面提到过的一些工况研究,我们能知道管束的各种受力情况的问题。3 小结通过对固定管板式换热器流体诱发振动的各种工况的深入研究和响应计算，我们知道了流体力的相位以及流体力的作用点作用位置对换热器管束响应之间的相互关系，得出以下结论:1）只要合理的控制好流体力的作用
14、相位，对于换热器来说，即使流体的振动频率和换热器管束的振动频率很接近，都能够分散流体力对换热器管束的作用效果，从而能有效控制流体诱发的振动问题;2）如果流体力相位控制的不合理，即使管束的固有频率和流体的激振频率相差很远，也能诱发管束的振动问题.4.还有容积式换热器 容积式换热器是指利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料）表面,从而进行热量交换，它主要由器体、蒸汽盘管组件，蒸汽进出口、冷热水进出口等组成的换热器. 热负荷354KW，一次侧水温80-60度，二次侧水温2328度，可通过计算知道所需容积式换热器的换热面积、容积。 计算温差=（80+60)/2（23+28)/2=44.5Q=cmt 得
