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冷凝器中弓形折流板结构与两相流诱发的振动点击：1878 日期：[ 2014-04-26 21:35:58 ] |
| 冷凝器中弓形折流板结构与两相流诱发的振动 聂清德,谭 蔚,朱雨峰,段振亚,周连刚 (天津大学化工学院,天津 300072) 摘要:根据两相流体诱发振动的机理与相关公式,对在两相流状态下运行的稀醋酸酐冷凝器进行了振动分析,结果表明,采用双弓形折流板可有效地防止换热器的振动。 关键词:冷凝器;两相流体;振动 中图分类号: TQ 051.502 文献标志码: A 文章编号: 1000-7466(2007)02-0001-05 对于管壳式换热器壳程内的单相流体横向流过管束时激起的振动,国内外的管壳式换热器设计标准均已给出了较成熟的振动分析方法[1,2]。实际上,工业应用中的很多换热器,如冷凝器、蒸发器或原子能蒸汽发生器,其壳程流体往往是在两相流状态下运行的。两相流体横向流过管束,同样会激起管子振动。这时需要考虑更多的影响因素,除了两相混合物的物理特性与两相流的流型外还要引入一个新的参数———体积含气率或空隙率(void fraction)εg。现有的标准尚未给出预测这类振动的方法。本文利用文献[3~6]中的资料与公式来分析稀醋酸酐冷凝器在设置了折流板结构时两相流诱发的振动,并采用双弓形折流板取代常用的单弓形折流板进行了对比分析和计算。 1 两相流诱发振动的机理 两相流诱发振动的机理主要是[3~6]:①流体弹性不稳定或流体弹性振动。②随机的湍流激振。③周期性的旋涡激振。 由于两相流体中的声阻尼很高,且当空隙率较大时,不存在周期性脱落的旋涡,故在分析两相流诱发的振动时,可不考虑声振动。 2 稀醋酸酐冷凝器的基本数据 稀醋酸酐冷凝器中设置单弓形折流板时的简图见图1。管子在管板上的布置图见图2。对换热管,有Et=1.93×105MPa,ρt=7 920 kg/m3,do=0.025 4 m,di=0.022 2 m。管子按正三角形排列,流动角为30°,P=0·032 m,l1=0·8 m。流体的操作条件与主要物理性质见表1。 利用上述操作条件下的物理性质以及有关的几何尺寸,对运行中的置有单弓形折流板的冷凝器进行振动分析,可得出以下结论:①壳程流体引入进口侧与第一块折流板后,都将激发流体弹性振动。进口侧的流速最大,为临界流速的1.88倍。②进口侧将发生湍流激振,管子的振幅大于允许值。③不发生周期性旋涡激振。防止管束振动、减小振幅的关键在于降低壳程折流板间流体的流速,故采用如图3所示的双弓形折流板,并使蒸气沿对称的两侧进入壳程。双弓形折流板的尺寸、管子与折流板布置分别见图4与图5。其它结构的尺寸均保持不变。 3 主要参数计算 3.1 εg 因壳程流体进口侧流速最大,故按此处的操作条件对换热管进行振动分析,蒸气的平均含液量定为15%。体积含气率(空隙率)按下式计算: 3.2 ρTP与νTP 两相流体的密度ρTP和粘度νTP分别用以下公式计算: 3.3 换热管的固有频率[2,4] 每米管长的总质量按下式计算: 管子按三角形排列时,de/do按下式计算: de/do=(0·96+0·5P/do)P/do 将本例数据分别代入以上各式计算可得mt=0·947 5 kg/m,mi=0·405 3 kg/m,de/do=2·003,mo=0·002 87 kg/m,m=1·356 kg/m。 利用文献[2]中的公式E8~E11,编程计算可得出不同部位管子的固有频率。 对于本文,位于图3中间部位的换热管跨数为2,其f1=34.90 Hz,f2=69.68 Hz。位于图3上方与下方的换热管跨数为3,其f1=31.45 Hz,f2=88.36 Hz。二者相比,可见最低的固有频率为f1=31.45 Hz。 3.4 管子的对数衰减率δ[4,6] 3.5 进口侧壳程流体的横流速度 由图4和图5得知,当流体按流动角30°流经各排换热管时,相邻管之间间隙的总和可以按照下式进行计算: 从表2可以看出第5排管的总间隙最小,相应的横流速度最大。文中l1=0.8 m,故: 4 振动核算 4.1 临界流速[5,6] 对于两相流体,流体弹性不稳定是最重要的激振机理。管子发生流体弹性不稳定时的临界流速用下式计算: 对式(7),不稳定常数K可从图6查得;εg<0·8时,b=0·5;εg>0·8时,b与K需根据如图7所示有关实验曲线确定。本例中,εg=0·999 47,P/do=1·26,管子为正三角形排列,由图7a知b≈0·05,K≈5·6,将有关数据代入式(7)可得vc=5·39 m/s。 则vG<vc,因此,稀醋酸酐冷凝器不会发生流体弹性振动。 4.2 湍流激振时的振幅[5,6] 进口侧换热管受湍流激振时,管子的振幅按下式计算: 进口侧管跨长度l=0·806 m的管段处于固定-简支条件下。根据振动方程可知最大振幅发生在距管板0.581l处。系数C1=0.421 3[7]。SF(f)由下式计算: 4.3 旋涡激振时的振幅 文献[8,9]的研究表明,当εg较小时,两相流体绕流管束,在尾流中确实存在周期性的旋涡。但当εg增大到0.14时,功率谱密度图上主要呈现出湍流的随机脉动成分。所以通常认为在εg<0.15时才考虑周期性旋涡激振。激振力与共振时的管子振幅可按文献[5,6]推荐的方法进行计算。在稀醋酸酐冷凝器中,εg远大于0.15,故不需要计算旋涡激振的振幅。 5 结语 振动分析的结果表明,横流速度是影响管子振动的最关键的因素。在稀醋酸酐冷凝器中设置双弓形折流板并使流体沿对称的两侧引入壳体,进口侧的横流速度减少了一半,降低为临界流速的0.94倍。湍流激振的管子振幅也低于限定的数值,从而防止了有害的管束振动。当流体流经以后的折流板间的管束时,由于单弓形折流板已改换成双弓形折流板,横流速度减少了一半,同样也防止了可能产生的管束振动。 参考文献:略 |
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