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管壳式换热器管束防振动设计改进探讨点击：2042 日期：[ 2014-04-26 21:57:49 ] |
| 管壳式换热器管束防振动设计改进探讨 文东林 摘要：以典型管壳式换热器管束破坏现象案例分析,结合客户实际工况要求,对管束防振动采取相应的改善设计,优化管束折流板支撑形状,并规范进、出水管设计要点等,有效提高管束防振动功能,效果良好。 关键词：管壳式换热器;管束;折流板;振动;制冷;空调 在制冷空调行业中,U形结构管壳式换热器是最常见的换热器类型之一。它具有结构紧凑,体积小,换热能效高,制造成本低,便于维修等特点,是许多空调制造厂家的首选。但当设计及工程安装使用考虑不周时,换热器容易出现故障,换热管因振动而破裂,压缩机因进水被损坏,严重时造成整台换热器报废。下面针对2台典型的U形结构管壳式换热器的故障案例进行分析,提出效果较好的防振动措施。 1 案例1 某公司使用的U形结构管壳式换热器,完成工程安装调试后,运行约半年时间,换热器机组发生故障,现场进行拆卸检修,发现管束U形尾端换热管破裂,位于管束尾端最外1~4层换热管存在不同程度的磨损,部分铜管已经破裂。图1所示为换热管U形部位破裂图,图2所示为换热管U形部位磨损图。对于案例1所述换热器存在问题及其产生原因,笔者分析如下: 1)据维修人员现场检查,水管道工程安装自选电机功率37kW,流量160m3/h,扬程50m的离心水泵,其流量、流速都偏大,与原水冷机组设计不匹配。 2)管道未按照换热器设计的进出水管规定方向安装,与设计图纸原意相反,错将换热器尾端的接管作为进水管使用,管板侧接管为出水管,造成铜管U形位置直接受进水水流冲击。 3)由于U形管束尾端最后一块折流板是弓形折流板,只能固定管束的部分铜管,还有部分铜管“悬臂”跨度比较大,该U形尾端正对进水管口,在水流冲击下,引起跨度大的部分铜管长期颤振疲劳变形,铜管相互碰撞磨擦破损。 4)换热铜管选用壁厚过薄,设计铜管为9.52mm×0.5mm内螺纹管,并且U形部位经过弯曲拉伸加工,显然铜管管壁会变薄,管壁厚仅仅只有0.3~0.4mm。 5)换热管与折流板管孔配合较为松动,管孔设计尺寸略大于铜管外径,成为加大铜管振动的因素。 2 案例2 某酒店使用的2台U形换热器并联机组,机组调试运行不到半年时间,2台换热器同时发生严重故障,压缩机内进入大量冷冻水。经检修发现,2台管束中都分别有1条铜管在同一位置被冲断,部分铜管被水冲压变凹,弯曲。图4所示为管板内侧换热管断裂图。 对于案例2所述换热器存在的问题及其产生原因,笔者分析如下: 1)经现场检修发现,用户使用旧的输送冷冻水管道,旧管道直径为299mm,而设计换热器机组时通过并联集水器219mm直径水管输送,蒸发器进出水接管为159mm,管道多次变径,管道沿程阻力增大,在现场测量的实际流速达到3.4m/s。参照GB151—1999《管壳式换热器》,流体流经进、出口处时的ρv2值不超过5 950kg/(m·s2),即流速约为2.44m/s,可见现场流速偏大,显然进、出水接管管径设计偏小,高速流体对换热铜管造成极大的冲击。 2)当用户启动单个水泵时,水流量偏小,约为设计流量的80%。当启动2台水泵时,水流量偏大,流速过高,加大对蒸发器铜管的冲击,引起铜管振动,从而导致管道沿程阻力偏大,使水泵输送水压头长期在0.6~0.7MPa内,超出换热器水侧0.6MPa的设计压力。 3) U形管束采用全弓形折流板,进水口处部分换热铜管无支撑,跨度较大,跨度为560mm,在高速水流冲击作用下,铜管振动较大,很容易在铜管与管板胀接联接处发生折断。 4)设计进水管端为弯头从上向下直接接入壳体,弯头外圆边刚好在弓形无支撑跨度大的换热铜管附近,造成靠近进水端跨度大的第一根管受到最大的水冲击,稳定性最差(见图5)。经过对这2个案例存在问题分析可以发现,两者存在一些共同点:主要由来自流体诱发的换热器管束振动引起。文献[1]和文献[2]都详细介绍和分析了换热器内流体的诱导振动和抗振方法,认为漩涡脱落、紊流抖振、流体弹性激振是引起诱导的主要原因,因此在设计计算管束时,设计人员应重点考虑抗振方法。 3 改进措施 为了彻底解决用户工程安装及换热器设计方面存在的缺陷,避免换热铜管再次产生破裂,使机组无法运行,根据检修结果,针对问题重新优化设计,更换了换热器,采取一系列的改进措施,满足用户使用要求。 3. 1 案例1的解决措施 1)改变加强管束支撑方案 将原来整个管束采用的弓形折流板支撑,更改为U形尾端采用环形空心支撑折流板,加强外层铜管固定,缩短U形“悬臂”尺寸,减小铜管振动。对新设计产品,规范进、出水位置,避免错用,规定管板侧端为进水接管,并在该侧新增一块防冲斜口挡水折流板,位于管口中间,加强进水端处管束支撑,缩短铜管跨度,预防铜管松动(见图6)。 2)优化壳体设计方案 针对案例1实际情况,设计时加长壳体尾端,留出进水管端位置,避免进水直接冲击管束铜管U形位置(见图6)。 3)加厚换热管壁厚 根据使用工况需要,换热内螺纹管的壁厚由0.5mm增加到0.6mm,提高换热管强度。 4)改变支撑折流板管孔尺寸 为了使整个管束更紧凑,预防铜管松动,支撑折流板管孔由原来的10mm改为9.8mm,减小铜管与管孔之间配合间隙,能进一步保证铜管紧密性。 3. 2 针对案例2的解决措施 1)根据用户工况使用情况,将原U形结构的换热器改为直管固定管板式换热器,加大加厚换热管,提高换热管的防振防冲能力,因用户使用的是旧管道输送,设计时将换热器进/出接管、集水器均改为219mm直径管道,减少引起水流扰动、铜管受到冲击等各种因素。 2)调整弓形折流板的安装方向 调整弓形折流板的缺口安装位置,由原上至下安装结构更改为从左至右结构,并设置第一块和最后一块折流板紧贴进、出水口边缘,缺口与进、出接管方向相反,解决弓形折流板无支撑缺点。 3)优化进、出水管设计 改变进、出水管接入方式,在接入壳体时,新增加一段直管与弯头联接,避免弯头直接接入壳体,避开急流区,减少急流冲击。 4 结束语 通过对换热器进行改进设计,并规范用户在设备安装使用时的注意事项,新机组投入使用一年里,运行较好,基本解决原有缺陷等问题,因此在设计过程中,应充分考虑使用工况的各种因素对于管束抗振问题要做到事前预防,这样才能使得产品更加完善,使用更安全可靠。 参考文献 [1] GB151—1999管壳式换热器. [2] 罗惕乾.流体力学.3版.北京:机械工业出版社,2007. |
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