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用折流杆换热器代替折流板换热器的应用分析

点击:1248 日期:[ 2014-04-26 21:08:18 ]
                   用折流杆换热器代替折流板换热器的应用分析                                  郭展玲                         (天津津滨石化设备有限公司)     摘要:根据GB 151—1999《管壳式换热器》中的附录E,利用案例通过定量计算分析了换热器在壳程大流量作用下引起换热管与管板连接处发生泄漏的原因。结合实际情况重新合理选择换热器结构形式,用折流杆换热器代替普通的折流板换热器以减小换热管的振动,验证了折流杆换热器在实际生产中发挥的巨大作用。     关键词:换热器换热管管板泄漏管束振动折流杆     0·前言     在管壳式换热器中,由于设置了折流板,故壳程中的流体是以横向即垂直于管子轴线的方向通过管束的。随着设备的大型化以及为了强化传热而尽量增大壳程流速,横向流诱发换热器振动的事例屡见不鲜。表现为:     (1)相邻管或管与壳体间的相互碰撞,使管 与壳体受到磨损而开裂;     (2)管子与相邻管子或折流板孔内壁撞击,使管子受到磨损、开裂或切断;     (3)管子的疲劳破坏;     (4)管子与管板连接处发生泄漏;     (5)壳程空间发生强烈的噪音;     (6)增大壳程流体的压力降。     本文通过案例分析,说明普通的折流板换热器在大流量、高流速的现代生产过程中,难以避免振动破坏的原因以及补救措施。     1·案例分析     1.1设计条件     我公司为某公司设计的一台顶常油气换热器,设计参数如表1所示。                             根据设计条件,我公司利用GB 151—1999设计了一台普通的带内导流筒的浮头式换热器。由于壳程流体的流量较大,换热管与管板的连接方式选择强度焊加贴胀的焊接接头形式。管束结构如图1所示。                        由于壳程介质为顶常油气,它流经壳程时随着温度的变化容易结垢。为了管外清洗方便,设计时选择了传热效果较三角形排列差点的正方形排列,固定管板的布管结构如图2所示。                        某公司把该浮头式换热器投入生产,安全运行一年后发现管子与管板连接处发生泄漏。分析其原因,是因为壳程流体流速太大引起换热管强烈振动,以至于管子与管板连接处发生泄漏。根据GB151—1999《管壳式换热器》附录E,计算过程如下。     1.1.1计算管子的自振频率     由折流板的布置图可知,管子刚性较差的部位处于折流板有缺口的区段内,管跨数为4,总间隙量为bmin=245.5 mm,管板与相邻折流板间的距离分别为L1=0.21 m,L2=0.51 m。管间距S=25mm。折流板缺口区最大距离为L=0.592 m。换热管规格为19×2,材料为10#。     查GB 151—1999附录J,换热管空管单位长度质量为mt=0.84 kg/m。     查GB 150—1998附录F,管子的弹性模量为E=1.86×105MPa。多跨管的基频(自振频率):                    被管子排开的管外流体单位长度的虚拟质量:                      1.1.4计算卡曼漩涡脱落频率     由管子正方形排列及P/do=25/19=1.32,查图E1得斯特罗哈准数St=0.35。     进、出口处的卡曼漩涡脱落频率fv1:fv1=StV1/do=296.6 1/s     折流板间的卡曼漩涡脱落频率fv2:fv2=StV2/do=213.5 1/s     1.1.5计算紊流抖振主频率     由于管子正方形排列,则纵向和横向的管间距相等,即T=S=0.025 mm。进、出口处的紊流抖振主频率ft1为:     fv1=StV1/do=296.6 1/s折流板间的卡曼漩涡脱落频率fv2:fv2=StV2/do=213.5 1/s     1.1.5计算紊流抖振主频率     由于管子正方形排列,则纵向和横向的管间距相等,即T=S=0.025 mm。进、出口处的紊流抖振主频率ft1为:                     1.1.6结论     由于fv1/f1=296.6/167.5=1.77>0.5     fv2/f1=213.5/167.5=1.27>0.5     ft1/f1=223/167.5=1.33>0.5     ft2/f1=160.6/167.5=0.96>0.5     V1=16.1>Vc=9.23     V2=11.59>Vc=9.23     所以在壳程流体进、出口处以及折流板之间的区域都可能发生管子的振动,正是因为管子的振动造成了管子与管板连接处发生泄漏。     1.2防振措施     为了防止换热器振动,可以从以下几个方面进行控制:     (1)改变流速。     (2)改变换热器的固有频率。减小换热管间跨距;折流板缺口不布管,使换热管受到所有折流板的支撑;在不影响横流速度的情况下,折流板间增设支撑板;在换热管二阶振型的节点位置增设支撑板;U形弯管段设置支撑板或支撑条。     (3)在壳程沿平行于气流的方向插入纵向隔板,以减小声频计算中的特性长度D,可提高声频,防止声振动。纵向隔板的位置应错开驻波的节点而靠近波腹。     (4)采用杆状或条状支撑,代替折流板。     (5)在换热管外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条,可抑制周期性漩涡的形成。若以改变壳程流量的办法来消除振动,这样会降低生产能力。由多跨管基频的计算公式可知,当管子材质及尺寸确定之后,影响自振频率f1的唯一参数为折流板间距L。要提高f1,就得减小L值,也就是说,应增加折流板数。但折流板数增加后,壳程阻力增大,能耗增加,传热死区增大,有效传热面积就将减少。针对上述问题,为了使新设计的管束安全运行时间增长,就要对其进行改进。改进的原则是必须利用原来的管箱、浮头盖、外头盖和壳体。     根据国内外成熟的使用经验,我选择了用折流杆代替折流板。因为在折流杆换热器的结构中,支撑管子的折流杆与管子几乎不存在间隙,管束中每根换热管的上、下、左、右都得到了可行的支撑,而且从根本上改变了流体的流动状况,变折流板换热器的横向流动为平行于管子的轴向流动,从而消除了产生流体诱导振动的根源。采用这种结构的换热器还具有以下特点:壳程侧流体以轴向流动为主,降低了壳程侧压降;与折流板换热器相比,具有更高的壳程单位压降与总传热系数的传热特性比;在换热器内不存在严重的滞流区域,因而效益高,具有不易结垢的优点。     1.3改进后的折流杆换热器     改进后的换热器使用折流杆代替折流板,在钢环上焊了许多钢条(折流杆),钢条规格为5.5。折流杆用以支撑换热管,并两端焊于折流圈上,从四个位置将换热管牢牢地夹持住,如图3所示。                     1#和3#折流圈沿水平方向支撑着管束,2#和4#折流圈沿垂直方向支撑着管束,每四个折流圈为一组,各组折流圈都固定在支撑杆上,如图4所示。     利用SW6—1998计算软件包在同样设计条件下进行计算,增加了32根换热管后管板厚度不变。为了利用已使用过的管箱、浮头盖、外头盖和壳体,管板上隔板槽的位置必须与原管板的隔板槽的位置保持一致,如图5所示。                      2·结论     采用折流杆换热器有很多突出的优点:在传热量相同的情况下,其压力降比弓形折流板换热器降低50%以上;没有传热的“死区”;结垢速度慢;在壳程中的流体流过管束时,从主要是沿横向流动改变成为沿轴向流动,有效地防止了横向流动诱发的振动。改进后的折流杆换热器投入生产已经两年,没有出现管子泄漏问题,这说明了用折流杆换热器代替折流板换热器对减小换热管振动起到了积极作用。     参考文献     [1]聂清德.化工设备设计[M].北京:化学工业出版社,2000.        [2]谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理[M].北京:化学工业出版社,1999.     [3]李世玉.压力容器设计工程师培训教程.北京:新华出版社,2005.     [4]GB 151—1999.管壳式换热器[S].北京:中国标准出版社,2000.       [5]GB 150—1998.钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社,1998.
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