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管壳式换热器的振动特性分析及模态试验

点击:1971 日期:[ 2014-04-26 22:00:22 ]
                                 管壳式换热器的振动特性分析及模态试验                                                 童鲁海                                 (杭州职业技术学院化工系,浙江杭州310018)     摘要:针对某一型号管壳式换热器管程入口和出口处容易损坏的问题,采用有限元模态分析和试验模 态分析相结合的方法,对其动态特性进行了分析。研究结果表明其固有频率在180 Hz以上,避开了流体诱导振动产生的激振频率,但需加强其管程入口和出口处的刚度和壳体螺栓连接部位的连接强度。 有限元模态分析方法可为其他类型管壳式换热器的动态特性快速评价和可靠性优化设计提供参考。     关键词:管壳式换热器;流体诱导振动;振动特性;有限元分析;试验分析     中图分类号:TK172 文献标识码:A文章编号:1001-4551(2009)07-0046-03     0 引 言     管壳式换热器广泛用于化工、炼油、热能动力等工 业行业,是一种通用性的过程设备[1]。为了提高换热 性能,应尽可能地提高流速,而流速越高就越容易诱发 管束的振动[2]。据不完全统计,因流体诱导振动引发 换热器局部失效甚至整体报废的换热器几乎占损坏的 30%。需要在设计中采取必要的措施,使管子对激励 的响应限制在安全范围以内,即在换热器的设计寿命 期内避免发生由振动引起的破坏[3]。     本研究以化工设备中某一横流式管壳换热器为 例,对其结构的振动特性进行基于有限元和试验的模 态分析,为换热器结构的设计提供参考,尽可能减小流 体诱导振动的影响。     1 流体诱导振动机理     管壳式换热器内流体的运动十分复杂:有管束上的 横向流、轴向流、旁通流等;管束两端的进出口有滞留区。 各流路流体的流速和方向不断的发生不规则的变化,使 传热管处在不均匀的力场中,受到流体流动的各种激发 力的作用,极易产生振动。当诱导振动的频率与换热器的固有频率接近时,换热器就会产生强烈的振动。     流体横掠换热管时,如果流动雷诺数大到一定程度,就会在管子背面两侧产生周期性交替脱落的反对称漩涡尾流,即卡曼涡街。漩涡的交替产生和脱落使管子 两侧产生垂直于流向的周期性激振力,导致管子发生振 动[4],其振动频率等于漩涡脱落频率。当管径一定时, 流速越大,流体诱导振动频率也越大。当漩涡脱落频率接近或等于管子固有频率时,就会产生强烈的振动。     紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量,当紊流脉动的主频率与管子的固有频率相近或相等时,管子吸收能量并产生振动[5]。通常认为,当管 子间距较大时,卡曼漩涡的影响是主要的;当管子间距较小时,由于没有足够的空间产生漩涡分离,紊流的影响是主要的。当管子间距与管径之比小于1. 5时,漩 涡分离一般不会引起管子大振幅的振动。     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。研究表明,流体速度较低时,振动可能由漩涡脱落或紊流抖振引起,而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振[6]。     2 管壳式换热器有限元模态分析     目前机械结构动力学分析大多是建立在有限元和 实验模态分析的基础上,本研究从理论和实验两个方 面研究管壳式换热器的振动特性。     2. 1 有限元模型的建立     应用三维参数化技术及Pro/Engineer软件,根据 管壳式换热器的实际结构,本研究建立了其三维实体模型。将实体模型以通用格式IGES导入HyperMe 进行有限元模型的建立,以保证分析模型与设计模型的一致性,提高分析的准确性。 本研究采用四面体 十节点三维实体线性单 元对实体进行有限元网 格划分,每个节点含有3个平移自由度,该单元具有二次迭代的特性,适用于划分不规则网格的模型。对管束和管板、折流板的焊接部位采用焊接单元,总共有网格节点17 201个,单元数65 601个。管壳式换热器的有限元模型如图1所示。                                            2. 2 有限元模态结果及分析     笔者将在HyperMesh环境下建立的有限元模型导 入Nastran以进行模态分析。结构的振动可以表示为 各阶固有振型的线性组合,由于低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大,因此,低阶振型决定了结构的动态特性。在本研究中,只考虑其自由状态的自振频率,提取箱体的前8阶模态,其结果如表1所示。                       由模态分析结果可知管壳式换热器的固有频率在 180Hz以上,通过该管壳式换热器的设计参数和极限工况并结合文献[7]的理论可得其最高激振频率为 102Hz,从而避开了流体诱导振动产生的激振频率,其 整体设计基本合理。     通过对管壳式换 热器各阶的模态振型比较,发现如图2~图 4所示第一、三、五阶的模态振型具有典型的意义。可知管壳式 换热器的螺栓连接处 和出口、入口处的相对振型较大,并且出口和入口处的模态振型与流体流向相一致,容易引起该处的强烈振动。因此在设计的时候可以考虑增加管程入口和出口处的壁厚,在安装时有必要对螺栓联接部位进行螺栓预紧力的校核, 防止该处在工作过程中松动甚至与壳体相脱离。                                     3 管壳式换热器模态试验     3. 1 试验方案     管壳式换热器用弹性绳悬挂在刚性框架中,近似 获得模态测试的自由-自由边界条件。采用LMS结 构振动测试系统进行试验,使用PCB公司ICP型加速 度传感器333B30采集被测点的加速度信号,通过 002C30传输电缆接入SC-305UTP数采前端的V12A DSP数据处理模块,并进行加窗、平均等预处理。数采 前端和计算机连接,以实现数据的双向传输。经过预 处理的各通道数据送入LMS Tes.t Lab软件进行模态 分析。模态试验现场如图5所示。                            管壳式换热器可视为连续的弹性体,具有无限多 模态。管壳式换热器共布置测点24个,测点布置线架 模型如图6所示。     实验采用单输入、多输出(SIMO)方法,使用前端 加装208C02力传感器的086C40模态力锤,固定一个 敲击点,从多个输出测点采集信号。为了获得高精度 的振型信息,须合理选择激励位置,尽可能使分析频段 内的所有振型得到充分激励。选取换热器壳体上刚度 较大的5测点激励,并且将力传感器信号接入参考输 入通道。试验方案如图7所示。                           3. 2 实验数据采集     力锤激励频谱在所有频段内可视为等强度,包含的频率成分多,容易激起结构的多阶固有模态。为提高激励信号的信噪比,实验中对输入的力信号加Force-Exponential力窗,并观察测点响应和激励之间的相干函数,剔除相干系数在0. 8以下、锤击质量不佳的测试数据。每次试验测量10次,并对测量数据做线性 平均处理,将平均频响函数作为测量结果,减少误差。 由于试验对象是小阻尼系统,采样时间短,响应衰减慢,响应信号容易产生能量泄露,所以对各测点加速度响应信号加Hamming窗,加速振动的衰减,避免了频响函数的泄露,提高了频响函数的精度。采样频率设为1200Hz,频率分辨率为0. 6Hz。     3. 3 实验频带的选择     为了充分考虑换热器在尽可能宽地的频率范围的动态特性,校核换热器在不同流体诱导振动和其他振动源的影响下,在各种可能受到的激振的频率范围的工作性能,本试验将试验分析的频段选为0~1 024Hz,并采集管壳式换热器在该频率范围的响应数据。     3. 4 试验结果及分析                          本研究采用PolyMAX法对管壳式换热器实验结 果进行分析,得到的集总频响函数图,如图8所示。管 壳式换热器前8阶试验模态如表2所示。                          通过表1和表2对比发现,试验模态参数识别得 到的各阶模态参数与有限元分析得到的分析模态参数 相一致,证明了本研究所采用的有限元模态分析方法 基本正确,所得的模态参数准确反映了管壳式换热器 的动态特性[8]。 由图8可知,悬挂系统的基准频率是7. 9Hz,远远 低于其一阶固有频率,证明本次试验的悬挂方式满足 了自由模态试验的要求。     4 结束语     研究结果表明,有限元模态分析和实验模态分析结 果相一致,模态参数较为准确地反映了本研究的管壳式 换热器的动态特性。管壳式换热器的固有频率在180 Hz以上,其设计基本合理,避开了流体诱导振动产生的 激振频率,但需要加强其管程入口和出口处的刚度,加 强螺栓结合部的联接强度,提高整体的动态特性。 本研究的有限元模态分析基本准确,已被试验分 析所证明,可为其他类型管壳式换热器的动态特性快 速评价和可靠性优化设计提供参考。 参考文献(References): [1] 刘晓红.螺旋隔板换热器的研究现状及应用[J].机电工 程技术, 2008, 37(7): 52-54. [2] 程 林.弹性管束换热器原理与应用[M].北京:科学技 术出版社, 2001. [3] 金志浩,金 文,王文江,等.振动分析在管壳式换热器设 计中的应用[J].沈阳化工学院学报,2001,15(1):57-60. [4] GROVER L K, WEAVER D S. Cross-flow induced vibra- tions in a tube  bank-vortex shedding[J].Journal of Sound and V ibration, 1978, 59(2): 263-276. [5] WEAVER D S, GROVER L K. Cross-flow induced vibra- tions in a tube  bank-turbulent buffeting and fluid elastic in- stability[ J].Journal  of Sound and V ibration, 1978, 59 (2): 277-294. [6] BLEVINSR D. Fluid elasticwhirling of a tube row[J].Jour- nal  ofPressure VesselTechnology,1974(96):263-267. [7] 赖永星.换热器管束动态特性分析及流体诱导振动研究 [D].南京:南京工业大学机械与动力工程学院, 2006. [8] 侯 静,张亚新,韩维涛.基于ANSYS的U型管换热器结 构优化设计[J].轻工机械, 2006, 24(1): 26-28. [编辑:罗向阳] 
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