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管壳式换热器产生振动的原因及其探讨点击：2067 日期：[ 2014-04-26 21:53:59 ] |
| 管壳式换热器产生振动的原因及其探讨 李 汉 华陆工程科技有限责任公司 西安 710054 摘要：分析管壳式换热器产生振动的原因,通过实例,利用HTRI软件讨论管壳式换热器防止振动的措施。 关键词：振动 换热器 设计 在设计换热器时,通常会较多考虑传热的优化,即采用什么结构和尺寸能满足高效传热,而往往会忽视产生振动。目前的换热器计算软件如HTRI、BJAC等都有振动分析的结果。下面将分别讨论管子振动会造成的损害、容易发生振动的部位以及为避免振动可以调整的结构参数。 1 振动的损害 首先讨论管子振动会对换热器造成的损害。 1·1 碰撞损坏 由于发生振动管子的振幅大,使得管子与管子,管子与壳体之间的碰撞会导致管壁损坏破裂。 1·2 折流板对管子损坏 由于管子振动,折流板对穿过折流板的管子会有切割磨损,严重的会使管壁破裂。 1·3 影响管板的连接 由于管子振动,会使管子在管板上连接松动,从而可能产生泄漏。 1·4 材料缺陷扩大 管子振动产生的应力,会使材料不均匀或有裂纹等缺陷的管子的裂纹等缺陷扩大。 1·5 声共振 壳侧气相流体声振是由于气体漩涡分离引起振动而发声,一般这种声振动通常对管束无影响,但是如果振动的频率接近管子的固有频率就会产生共振。 2 振动的区域 在管壳式换热器的以下区域容易发生振动。 2·1 U型管 由于U型管子的固有振动频率低,因此容易产生振动。 2·2 进出口区 换热器进出口区域中通常局部会产生高流速,这种高流速会导致振动。 2·3 管板区 换热器中靠近管板的无支撑管跨距常大于折流板区域的跨距,从而导致管子较低的固有频率。进口及出口与该区域相连,可能存在的局部高流速连同低的固有频率,使得该处成为防止振动首要考虑的区域。 2·4 折流板区 位于折流板切口处的管子的无支撑管跨距是折流板间距的一倍,大的无支撑跨距会使管子的固有频率降低,从而容易产生振动。 2·5 障碍物区 任何有碍流动之物,例如拉杆、防冲挡板等都可以产生局部高流速,因此会在障碍物边上引发振动。 3 预防振动的措施 在设计中控制以下结构参数,可以减少产生振动的可能性。 3·1 管径 按照实际传热和水力经济性考虑,尽可能采用最大的管径。较大的管径,其惯性矩也大,因此对一定长度的管子来说,能有效地增加管子刚性。 3·2 无支撑跨距 减小跨距是减小振动最有效的措施。 3·3 管间距 增大管间距和管径的比值,即增大了一定跨距的管束韧性,也减少了管子碰撞的可能性。 3·4 进出口区 应尽量减小该区的流速,并增加支撑。 3·5 U形管区 对U形管区应考虑支撑。 3·6 管子材料和厚度 选择管子的材料和厚度,以使管子具有较好的刚性。 3·7 折流板的厚度和管孔尺寸 适当增加折流板的厚度,减小管孔与管壁的间隙都可以抑制振动。 3·8 删除管子在管束中预先确定的关键位置上不设管,可减少振动的可能性。例如在有振动倾向的换热器中,位于折流板切口线上的管子有时会受到过分的损害,因此,有选择地删除折流板切口线上的管子,对防止振动是有利的。 3·9 管子轴向载荷 由于压力或温度作用形成的对管子的轴向压缩载荷对于振动有潜在的影响。对于热物料走管程的单程固定管板换热器和所有的多管程固定管板换热器这种影响尤为明显。采用膨胀节可减少管子的压缩应力。 4 实例分析 设计的换热器不仅要满足工艺的要求,还应通过调整结构参数来避免产生振动。下面通过一个实例,讨论前三种最常见参数的调整。 流体速度是影响振动因素中最重要的参数,TEMA规定[1]对于管跨的临界流动速度是可引起管跨不可接受的大振幅振动的最小横流速度。临界流速的计算式如下: 式中, D为临界流速系数; fn为管子的固有频率, 1/s; do为管子外径, in; Vc为临界流速,ft/s。 壳侧区域每段的叉流(Cross Velocity)流速必须小于对应的临界流速才能确保不产生振动。表1为某化工厂一台碳钢管壳式热交换器工艺参数,首先满足工艺要求对换热器进行传热优化设计[2],确定换热器直径为1800mm,管长为6000mm,其次再适当调整结构参数来避免振动。 4·1 管径 增大管径可以提高管子的惯性矩,增加管子的刚性,相应也增加临界流速。对于上面的例子,换热器尺寸为1800mm×6000mm,用HTRI计算结果见表2。 从表2可以看出,在折流板间距不变的情况下,管束区域的管径加大后,叉流流速与临界流速之比从2减少到1·28,管子固有频率增大。但V/Vc大于1,还存在振动的可能。 4·2 支撑跨距 因为管子的固有频率fn与跨距平方成反比[1],所以减小跨距是减小振动的最有效措施减小跨距能大大增加管子的固有频率,即增加临界流速。对于上面的例子,换热器尺寸为Φ1800mm×6000mm,固定管径为Φ25×2mm,用HTRI计算结果见表3。 从表3中管束区域可以看出,折流板间距减少,临界流速增加,叉流流速与临界流速之比从1·28减少到1·08,管子固有频率明显增加。 4·3 管间距 在设计换热器时,管子间距并不是越小越好,除了考虑机械制造通常取1·25倍管径为管间距的要求外,适当增大管间距,在不影响传热效果下,对于易产生振动的换热器,不仅可以防止振动,还可降低换热器的制造成本。 增加管间距对减小振动有三个好处:①折流板间距一定时,减小了叉流流速;②增加间距可以增加临界流速系数D,因为D与管间距成正比[1];③管子之间距离的增加,减小了管子间由于振动相互碰撞的可能。由此看来,适当增加管间距不仅减少了叉流流速,而且增加了临界流速,因此非常有利于避免振动。在管径为25×2mm,折流板间距为700mm的条件下,将管间距从32mm增大到36mm的影响见表4。 从表4可以看出,随着管间距的增大,管束区域的临界流速明显增加,叉流流速减少,叉流流速与临界流速的比值从1·08减小到0·67,产生振动的可能性消除。 4·4 最终结果 考虑到进出口跨距较大,存在振动隐患,因此适当增加支撑后,此区域管子固有频率大大增加,使临界流速明显增大,结果见表5。 从表5可以看出,在满足工艺条件下,换热器进出口区域以及管束区域都满足叉流流速与临界流速之比小于1,从而避免振动,最终达到完善设计。换热器最终设计尺寸为Φ1800mm×6000mm,换热面积为855 m2。 5 结语 在满足工艺传热设计的条件下,应对可能产生振动的换热器的结构尺寸进行适当的调整。 (1)通常应当调整折流板间距(折流板间距不能太小,应满足换热器传热优化设计的要求[2])和管子间距来减小发生振动的可能性。 (2)对于入口处和出口处可以通过增加支撑来防止振动。 参考文献 1·TEMA.“Standards of the tubular exchanger manufacturers as-sociation eighth edition.”1999 2·李 汉.优化设计管壳式换热器[J].化工设计, 2003, 13(4): 15~18 |
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