振动分析在管壳式换热器设计中的应用

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1、振动分析在管壳式换热器设计中的应用金志浩‘，2金文2王文江2龚斌2闻邦椿(1东北大学机械系沈阳．110006)(2沈阳化工学院机械系沈阳，i10021)摘要分折丁常用规格直管换热管和渡纹管换热管在不同支承情况下的固有频率及流体诱导振动频率．提出了在换热器设计中应考虑流体诱导振动的条件，给换热器设计提供参考。关健词：流体诱导振动：换热器；段计j有限元J_管壳式换热器作为一种传统的传热工艺设备，在工业生产中有着十分重要的地位。但是，在常规的管壳式换热器设计中，振动问题是不考虑的。随着能源开发利用和节能环保要求的不断提高．换热器的优化设计及安全运行显得越来越重要。当换热器管束发

2、生振动时，一方面会产生非常高的噪声强度并大大增加壳程的压降，从而引起环保问题和能源损耗问题；另一方面引起换热器的破坏。工程中发生了换热器因振动引起的破坏事故“l。因此，换热器设计中的防振动问题己越来越突出。管壳式换热器中的振动闯题每台换热器在运行过程中，其换热管都会产生或大或小的振动。产生振动的振源为流体稳定流动产生的振动、流体速度的波动、通过管道或其他连接件传播的动力机械振动。其中前两者为流体诱发的振动源，要基于振动分析的方法在换热器设计中加以解决；后者可在管道及附属设备设计中加以解决。从实际运行情况来看，引起换热管振动的主要原因是换热器壳侧流体引起的振动．包括园流体稳

3、定流动引起的流体诱导振动、因流体湍流引起的湍流抖振和流体的弹性激振。流体诱导振动的频率是与流体流速、换热管直径及瑞诺数有关的一个振动频率，当振动频率与换热管的固有频率接近时，换热管就会产生强烈的振动，可能会导致如下形式的失效：f11换热管跨中处因互相碰撞磨损而导致泄漏失效。(2)换热管在折流板部位园磨损或剪切而失效。(3)换热管振动作用引起疲劳而破￡{_：。2管壳式换热器中振动分析2．1换热管的固有频率分析在：[程甲，换热管的两端用焊接的方法固定在两块具有较大刚性的管扳上，中间支撑以若干支承扳(或折流扳)。换热管两端与管板连接处不能产生位移和转角，而中间支承扳(业折流扳)

4、支承点处可以转动但不能位移，故在进行固有额率分析时，认为换热管两端为固支，而中闻支承板(或折流板)支承处为简支。以1j业上常用的2米长换热器为例进行频率分折。换热管的支承情况分别为中间均布有一、二、三、四块支承板(或折流板)，如图l中(a)、(b)、(c)、(d)所示。图1支承情况示意圈2．1．1直管抉热罂换热管的固有频率对于直管换热器，换热管的一阶固有频率^可按下式计算【2】f，=35．22、fI雩E(a：芦-a：)㈣，式中，i——为颓率常数，见表1；卜弹性模量，MPa；讲，如——换热管的内、外径m；J，r一单位管长的质量，kg／m：卜一两支点间的跨距，m。表1各支承情

5、况下的频率常数(舢工业常用直换热管的规格为aⅪo×1．5，中14x2，d)19x2，睨5×2．5，,ad32x3，,：P38x3，甜5×3．(Z：67x3．5。按(1)式对这些规格的换热管进行频率计算，结果见表2，计算中，取E=2105GPa。表2常见规格换热管在不同支承情况下的一阶固有颤率-，；Hz}管规格#fOxlj∞'14x2翻9x2d跫5x2．5,gV32x3d)'38x3(ihl5x3,谢i7x3．5I口386654497670101．3013n46l5734188．5324010}占71．3510057141．56186．98240．80290．43347．9

6、9443l8Ic115481627622911302．60389．7046999563．1771722Id17l-60241．86340444496757908698．38836．861065．77从表中可见，换热管的一阶固有频率随换熟管径的增大而增大，随支承间距的缩小而增大(折流板间距按(口)、(6)，(C)、(d)支承情况依次缩小)。2．1．2波故管换热器挟热管的固有频率波纹管换热器的换热管结构与直管结构完全不同。波纹换热管的结构如图2所示，其纵截面由一半径为月的大圆弧和半径为，的小圆弧相切构成。大圆弧的顶点为波峰，小圆弧的顶点为波谷，波峰直径用D0表示，波谷直径用咖

7、表示，其波距为a，壁厚为d。大圆弧和小圆弧在其交界处虽然相切，但在切点处的第一曲率半径是不连续的。从图2可见，波纹换热管的断面沿轴线方向是变化的．其断面惯性矩及单位长度上的质量沿轴线方向也是变化的。这种特殊性，给用解析法计算波纹换热管的固有额率带来了很大的困难。本文476用有限单元法来计算其固有频率。工业上最为常用的波纹换热管为厚O_8mm的4珥4／吐r33波纹抉热管，其几何参数如下：壁厚d=0．8Trim，波峰直径Do=44mm，波谷直径商--33mm，波距a=27mm，大圆弧半径R=-15mm，小圆弧半径州．3mm，波纹管