缠绕式换热器
空气换热器
新闻动态
低翅片换热管固有频率计算方法探讨点击：1730 日期：[ 2014-04-26 22:21:26 ] |
| 低翅片换热管固有频率计算方法探讨 郭建英,王亮清(太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024) 摘要:探讨了4种低翅片换热管固有频率的计算方法,通过将低翅片换热管固有频率的计算结果与实测值进行比较,确定了这4种方法各自的精确度与可靠性。基于瑞利 里兹法的计算方法全面考虑了翅片对管子质量、刚度以及翅片高度和宽度对管子刚度的影响,计算精度较高。其结果可为低翅片管换热器的设计和振动预测提供参考。 关键词:换热器;低翅片管;固有频率;振动 中图分类号:ＴＱ051.5;ＴＱ050.1 文献标识码:Ａ 换热器作为传热与节能的单元设备,在石油、化工、动力等许多行业得到了广泛的应用。据估计所有在用换热器中60%～70%是管壳式换热器。近年来,管壳式换热器的发展趋势是进一步提高传热效率和结构尺寸的大型化。换热器尺寸不断增大,使壳程流速和折流板间距相当大,这增加了换热管的柔性,使换热器的振动问题日益严重,已成为换热器工程设计时的一大难题与障碍[1,2]。管壳式换热器的弹性元件是换热管,它是换热器中最柔软和最具弹性的部分,因此振动破坏首先发生在换热管中。换热管的振动将会造成壳程压力降增加,有时还造成极大的噪声,严重时会加剧换热管的破坏,使壳侧或管侧介质泄漏,造成事故。各种原因引起的换热管振动都是交变的激振力在换热管本身的固有频率上引起的响应。为防止换热管发生共振,必须将换热管的固有频率与干扰力频率分隔开。因此,准确地计算换热管的固有频率特别是它的基频(一阶频率),对于预测换热器振动具有重大的现实意义[3,4]。目前,光滑管固有频率的研究已趋于成熟。但是对低翅片换热管固有频率的研究还很不完善。由于它的几何形状复杂,质量和刚度分布不均匀,振动的特征值问题没有封闭解,国内外的学者们主要通过考虑翅片对管子质量和刚度的影响,修正光滑管固有频率的计算公式,来得到低翅片管固有频率的计算公式。文中总结了低翅片管固有频率的4种计算方法,探讨了各种计算方法的优缺点及精确度,以期为低翅片管换热器的设计和振动预测提供参考和依据。 1 低翅片换热管 低翅片换热管也称螺纹换热管,它是在光滑管的外表面环向滚压制成的整体翅片管,见图1[5]。低翅片管的翅片高度小于6.5ｍｍ,翅化比(翅片管外表面积与轧制前光管外表面积比值)为1.60～2.80。低翅片管具有特殊的强化传热效果,如在管内传热系数比管外传热系数大2倍且无相变场合,总传热系数可提高30%～50%。低翅片管具有较强的抗垢性能,当操作情况发生变化时,由于风琴效应会使垢层自行脱落。另外,由于低翅管是用光管轧制的,可以细化晶粒,破坏原来的平行纤维组织.它的耐腐蚀能力得到很大提高。因此,低翅片换热管已得到广泛的应用[6,7]。 2 低翅片换热管固有频率计算 2.1 光滑管固有频率计算法 低翅片管固有频率可采用光滑管固有频率的计算方法。其固有频率的计算公式如下: 式中,ｆｉ为低翅片管第ｉ阶固有频率,Ｈｚ;λｉ为频率常数,取决于边界支撑条件;Ｅ为管子材料的弹性模量,Ｐａ;ｍ为低翅片管单位长度质量,ｋｇ/ｍ;Ｉ为低翅片管的截面惯性矩,ｍ4;ｌ为管子的跨长,ｄ0为低翅片管翅根直径,ｄｉ为低翅片管内径,ｍ。 采用光滑管弯曲振动固有频率计算公式的优点是简单,不足之处是仅考虑了翅片对管子质量的影响,而没有考虑翅片对管子刚度的影响。 式中,ｆｉ 为光滑管的第ｉ阶固有频率,Ｈｚ;α为低翅片管的弯曲弹性;α 为同样长度光滑管的弯曲弹性;Ｉａ为管子翅片部分折合截面惯性矩,ｍ4;ａ为翅片宽度,ｂ为翅片间距,ｈ为低翅片管简化模型的翅片高度,ｍ。 由于低翅片管翅片形状不规则,ＢｏｌｌｅｔｅｒＵ和ＢｌｅｖｉｎｓＲＤ在计算低翅片管固有频率时对低翅片管的几何形状进行了简化,他们认为将翅片高度降低为1/4倍的翅片宽度,同时将翅片形状简化为矩形,可以使简化后的管子与原管具有相同的刚度,详见文献[8]。 式(2)在式(1)的基础上进一步考虑了翅片对管子刚度的影响,但较式(1)复杂。 2.3 ＧＢ151—1999规定的计算法[9] ＧＢ151—1999《管壳式换热器》给出的管束振动时换热管固有频率的计算方法为:ｆｉ=35 3λｉＥ(ｄ04-ｄｉ4)/(ｍｌ4)(3)式(3)的实质与式(1)相同。但对于低翅片管而言,翅片会增加管子的质量和刚度。因此,在采用式(3)计算低翅片管固有频率时,应将管子的外径ｄ0取为其当量直径ｄｅ,这样可以在一定程度上考虑到翅片对管子固有频率的影响。 2.4 基于瑞利 里兹法的计算方法[10] 由于不均匀质量或刚度分布使连续系统振动的特征值问题不能有封闭解,人们通过采用连续系统离散化的方案来寻找特征值问题的近似解,以此来估算系统的固有频率。瑞利 里兹法即是基于此基础上的一种可以较精确地计算连续体固有频率的数值方法。文献[9]以瑞利 里兹法为基础,采用ＢｏｌｌｅｔｅｒＵ和ＢｌｅｖｉｎｓＲＤ提出的低翅片管简化模型,在计算过程中同时考虑了翅片对管子质量、刚度及翅片高度和宽度对管子刚度的影响,其计算公式为: 4 结语 由表2的数据可以看出,式(1)的最大计算误差为-5.63%;式(2)的最大计算误差为-4.08%;式(4)的最大计算误差为-3.51%。由此可知,翅片不但增加管子的质量还会增加管子的刚度,而且翅片的宽度和高度对管子的刚度都有影响。式(3)计算误差较大。相比而言,式(1)简单,但由于没有考虑翅片对管子刚度的影响,误差偏大。式(2)太复杂,工程应用不便。式(4)相对简捷,误差也较小,可供工程设计使用。式(3)的计算值大于实测值,不利于工程设计的安全性。由于在换热器使用中,干扰力频率是由低向高接近换热管的固有频率,而式(1)、式(2)和式(4)计算得到的低翅片换热管前三阶固有频率值均小于实测值,因此,这3种算法都可以使换热器的工程设计和振动预测更趋于安全。 |
| 上一篇：换热器管子与管板封口焊试验及其应用 | 下一篇：网络环境的换热器成本核算及报价系统的开发研究 |