摘要:針對某一型號管殼式換熱器管程入口和出口處容易損壞的問題,采用有限元模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析相結(jié)合的方法,對其動態(tài)特性進行了分析。研究結(jié)果表明其固有頻率在180 Hz以上,避開了流體誘導(dǎo)振動產(chǎn)生的激振頻率,但需加強其管程入口和出口處的剛度和殼體螺栓連接部位的連接強度。有限元模態(tài)分析方法可為其他類型管殼式換熱器的動態(tài)特性快速評價和可靠性優(yōu)化設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;流體誘導(dǎo)振動;振動特性;有限元分析;試驗分析

引言

管殼式換熱器廣泛用于化工、煉油、熱能動力等工業(yè)行業(yè),是一種通用性的過程設(shè)備[ 1 ] 。為了提高換熱性能,應(yīng)盡可能地提高流速,而流速越高就越容易誘發(fā)管束的振動[ 2 ] 。據(jù)不完全統(tǒng)計,因流體誘導(dǎo)振動引發(fā)換熱器局部失效甚至整體報廢的換熱器幾乎占損壞的30%。需要在設(shè)計中采取必要的措施,使管子對激勵的響應(yīng)限制在安全范圍以內(nèi),即在換熱器的設(shè)計壽命期內(nèi)避免發(fā)生由振動引起的破壞[ 3 ] 。

本研究以化工設(shè)備中某一橫流式管殼換熱器為例,對其結(jié)構(gòu)的振動特性進行基于有限元和試驗的模態(tài)分析,為換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考,盡可能減小流體誘導(dǎo)振動的影響。

1流體誘導(dǎo)振動機理

管殼式換熱器內(nèi)流體的運動十分復(fù)雜:有管束上的橫向流、軸向流、旁通流等;管束兩端的進出口有滯留區(qū)。

各流路流體的流速和方向不斷的發(fā)生不規(guī)則的變化,使傳熱管處在不均勻的力場中,受到流體流動的各種激發(fā)力的作用,極易產(chǎn)生振動。當(dāng)誘導(dǎo)振動的頻率與換熱器的固有頻率接近時,換熱器就會產(chǎn)生強烈的振動。

流體橫掠換熱管時,如果流動雷諾數(shù)大到一定程度,就會在管子背面兩側(cè)產(chǎn)生周期性交替脫落的反對稱漩渦尾流,即卡曼渦街。漩渦的交替產(chǎn)生和脫落使管子兩側(cè)產(chǎn)生垂直于流向的周期性激振力,導(dǎo)致管子發(fā)生振動[ 4 ] ,其振動頻率等于漩渦脫落頻率。當(dāng)管徑一定時,流速越大,流體誘導(dǎo)振動頻率也越大。當(dāng)漩渦脫落頻率接近或等于管子固有頻率時,就會產(chǎn)生強烈的振動。

紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷供給管子能量,當(dāng)紊流脈動的主頻率與管子的固有頻率相近或相等時,管子吸收能量并產(chǎn)生振動[ 5 ] 。通常認為,當(dāng)管子間距較大時,卡曼漩渦的影響是主要的;當(dāng)管子間距較小時,由于沒有足夠的空間產(chǎn)生漩渦分離,紊流的影響是主要的。當(dāng)管子間距與管徑之比小于1. 5時,漩渦分離一般不會引起管子大振幅的振動。

當(dāng)流體橫向流過管束時,由于流動狀態(tài)的復(fù)雜性,可能使管束中某一根管子偏離原來的靜止位置,發(fā)生瞬時位移,這會改變其周圍的流場,從而破壞相鄰管子上的力平衡,使之產(chǎn)生位移而處于振動狀態(tài)。當(dāng)流體速度大到某一程度時,流體彈性力對管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功,管子的響應(yīng)振動振幅將迅速增大,直到管子間相互碰撞而造成破壞。研究表明,流體速度較低時,振動可能由漩渦脫落或紊流抖振引起,而在速度較高區(qū)域,誘發(fā)振動機理主要是流體激振[ 6 ] 。

2管殼式換熱器有限元模態(tài)分析

目前機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析大多是建立在有限元和實驗?zāi)B(tài)分析的基礎(chǔ)上,本研究從理論和實驗兩個方面研究管殼式換熱器的振動特性。

2. 1有限元模型的建立

應(yīng)用三維參數(shù)化技術(shù)及Pro /Engineer軟件,根據(jù)管殼式換熱器的實際結(jié)構(gòu),本研究建立了其三維實體模型。將實體模型以通用格式IGES導(dǎo)入HyperMesh進行有限元模型的建立,以保證分析模型與設(shè)計模型的一致性,提高分析的準確性。

本研究采用四面體十節(jié)點三維實體線性單元對實體進行有限元網(wǎng)格劃分,每個節(jié)點含有3個平移自由度, 該單元具有二次迭代的特性,適用于劃分不規(guī)則網(wǎng)格的模型。

對管束和管板、折流板的焊接部位采用焊接單元,總共有網(wǎng)格節(jié)點17 201個,單元數(shù)65 601個。管殼式換熱器的有限元模型如圖1所示。

圖1管殼式換熱器有限元模型

2. 2有限元模態(tài)結(jié)果及分析

筆者將在HyperMesh環(huán)境下建立的有限元模型導(dǎo)入Nastran以進行模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)的振動可以表示為各階固有振型的線性組合,由于低階的振型對結(jié)構(gòu)的動力影響程度比高階振型大,因此,低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。在本研究中,只考慮其自由狀態(tài)的自振頻率,提取箱體的前8階模態(tài),其結(jié)果如表1所示。

表1管殼式換熱器前8階有限元模態(tài)

由模態(tài)分析結(jié)果可知管殼式換熱器的固有頻率在180 Hz以上,通過該管殼式換熱器的設(shè)計參數(shù)和極限工況并結(jié)合文獻[ 7 ]的理論可得其最高激振頻率為102 Hz,從而避開了流體誘導(dǎo)振動產(chǎn)生的激振頻率,其整體設(shè)計基本合理。

通過對管殼式換熱器各階的模態(tài)振型比較,發(fā)現(xiàn)如圖2～圖4所示第一、三、五階的模態(tài)振型具有典型的意義。可知管殼式換熱器的螺栓連接處和出口、入口處的相對振型較大,并且出口和入口處的模態(tài)振型與流體流向相一致,容易引起該處的強烈振動。因此在設(shè)計的時候可以考慮增加管程入口和出口處的壁厚,在安裝時有必要對螺栓聯(lián)接部位進行螺栓預(yù)緊力的校核,防止該處在工作過程中松動甚至與殼體相脫離。

3管殼式換熱器模態(tài)試驗

3. 1試驗方案

管殼式換熱器用彈性繩懸掛在剛性框架中,近似獲得模態(tài)測試的自由- 自由邊界條件。采用LMS結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)進行試驗,使用PCB公司ICP型加速度傳感器333B30 采集被測點的加速度信號, 通過002C30傳輸電纜接入SC2305UTP數(shù)采前端的V12ADSP數(shù)據(jù)處理模塊,并進行加窗、平均等預(yù)處理。數(shù)采前端和計算機連接,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。經(jīng)過預(yù)處理的各通道數(shù)據(jù)送入LMS Test. Lab軟件進行模態(tài)分析。模態(tài)試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5換熱器模態(tài)試驗現(xiàn)場示意圖

管殼式換熱器可視為連續(xù)的彈性體,具有無限多模態(tài)。管殼式換熱器共布置測點24個,測點布置線架模型如圖6所示。

實驗采用單輸入、多輸出( SIMO)方法,使用前端加裝208C02力傳感器的086C40模態(tài)力錘,固定一個敲擊點,從多個輸出測點采集信號。為了獲得高精度的振型信息,須合理選擇激勵位置,盡可能使分析頻段內(nèi)的所有振型得到充分激勵。選取換熱器殼體上剛度較大的5測點激勵,并且將力傳感器信號接入?yún)⒖驾斎胪ǖ?。試驗方案如圖7所示。

3. 2實驗數(shù)據(jù)采集

力錘激勵頻譜在所有頻段內(nèi)可視為等強度,包含的頻率成分多,容易激起結(jié)構(gòu)的多階固有模態(tài)。為提高激勵信號的信噪比, 實驗中對輸入的力信號加Force2Exponential力窗,并觀察測點響應(yīng)和激勵之間的相干函數(shù),剔除相干系數(shù)在0. 8以下、錘擊質(zhì)量不佳的測試數(shù)據(jù)。每次試驗測量10次,并對測量數(shù)據(jù)做線性平均處理,將平均頻響函數(shù)作為測量結(jié)果,減少誤差。由于試驗對象是小阻尼系統(tǒng),采樣時間短,響應(yīng)衰減慢,響應(yīng)信號容易產(chǎn)生能量泄露,所以對各測點加速度響應(yīng)信號加Hamming窗,加速振動的衰減,避免了頻響函數(shù)的泄露,提高了頻響函數(shù)的精度。采樣頻率設(shè)為1 200 Hz,頻率分辨率為0. 6 Hz。

3. 3實驗頻帶的選擇

為了充分考慮換熱器在盡可能寬地的頻率范圍的動態(tài)特性,校核換熱器在不同流體誘導(dǎo)振動和其他振動源的影響下,在各種可能受到的激振的頻率范圍的工作性能,本試驗將試驗分析的頻段選為0～1 024 Hz,并采集管殼式換熱器在該頻率范圍的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3. 4試驗結(jié)果及分析

本研究采用PolyMAX法對管殼式換熱器實驗結(jié)果進行分析,得到的集總頻響函數(shù)圖,如圖8所示。管殼式換熱器前8階試驗?zāi)B(tài)如表2所示。

圖8 換熱器集總頻響函數(shù)圖

表2管殼式換熱器前8階試驗?zāi)B(tài)

通過表1和表2對比發(fā)現(xiàn),試驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別得到的各階模態(tài)參數(shù)與有限元分析得到的分析模態(tài)參數(shù)相一致,證明了本研究所采用的有限元模態(tài)分析方法基本正確,所得的模態(tài)參數(shù)準確反映了管殼式換熱器的動態(tài)特性[ 8 ] 。

由圖8可知,懸掛系統(tǒng)的基準頻率是7. 9 Hz,遠遠低于其一階固有頻率,證明本次試驗的懸掛方式滿足了自由模態(tài)試驗的要求。

4結(jié)束語

研究結(jié)果表明,有限元模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果相一致,模態(tài)參數(shù)較為準確地反映了本研究的管殼式換熱器的動態(tài)特性。管殼式換熱器的固有頻率在180Hz以上,其設(shè)計基本合理,避開了流體誘導(dǎo)振動產(chǎn)生的激振頻率,但需要加強其管程入口和出口處的剛度,加強螺栓結(jié)合部的聯(lián)接強度,提高整體的動態(tài)特性。

本研究的有限元模態(tài)分析基本準確,已被試驗分析所證明,可為其他類型管殼式換熱器的動態(tài)特性快
速評價和可靠性優(yōu)化設(shè)計提供參考。

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    新能源電控檢測設(shè)備中的配件比較多，為了新能源電控檢測更加穩(wěn)妥的運行，新能源電控檢測中的配件就需要避免一些故障，其中列管式換熱器的故障比較常見，我們也需要盡量避免以上故障。

    新能源電控檢測換熱器的管束的腐蝕、磨損造成管束泄露或者管束內(nèi)結(jié)垢造成堵塞引起故障，循環(huán)水中含有鐵、鈣、鎂等金屬離子及陰離子和有機物，活性離子會使循環(huán)水的腐蝕性增強，其中金屬離子的存在引起氫或氧的去極化反應(yīng)從而導(dǎo)致管束腐蝕。

 

    同時，由于循環(huán)水中含有Ca2+、Mg2+離子，長時間在高溫下易結(jié)垢而堵塞管束。為了提高傳熱效果，防止管束腐蝕或堵塞，采取了以下幾種方法：對循環(huán)水進行添加阻垢劑并定期清洗；保持管內(nèi)流體流速穩(wěn)定；選用耐腐蝕性材料(不銹鋼、銅)或增加管束壁厚的方式；當(dāng)管的端部磨損時，可在入口200mm長度內(nèi)接入合成樹脂等保護管束。

    新能源電控檢測設(shè)備造成振動的原因包括由泵、壓縮機的振動引起管束的振動；由旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生的脈動；流入管束的高速流體（高壓水、蒸汽等）對管束的沖擊。降低管束的振動常盡量減少開停車次數(shù)；在流體的入口處，安裝調(diào)整槽，減小管束的振動；減小擋板間距，使管束的振幅減??；盡量減小管束通過擋板的孔徑。

    處理

    可以在臥式冷凝器的殼程冷凝，因為無論從傳熱、壓力降及清掃方面都比較合理。具體如下。

    1.臥式殼程冷凝膜傳熱系數(shù)要比立式管內(nèi)或管外的膜傳熱系數(shù)高數(shù)倍，同時不凝物不會在死角積累起來不易排出。

    2.冷卻水走管內(nèi)便于清掃水垢。水走管內(nèi)容易保證有較高的流速，這對降低水垢生成的速度與提高水膜的傳熱系數(shù)都有好處。

    3.臥式列管式換熱器，使低層管子處于冷卻水進口處，而使冷凝液積于底層，以便降低冷凝液的溫度。在表面冷凝系統(tǒng)中，對冷凝液進一步冷卻很重要，如果冷凝系統(tǒng)中的溫度較高，一接觸空氣有機氣體就會有大量揮發(fā)，一般冷凝液的出口溫度要求在60℃或更低。當(dāng)然也可以增加一個單獨的冷卻器，不過這樣要增加費用。

    新能源電控檢測列管式換熱器除了平時多注意保養(yǎng)，注意操作，還需要選擇質(zhì)量靠譜的換熱器，這樣才能更好的運行新能源電控檢測。

1、外漏：主要表現(xiàn)為滲漏（量不大，水滴不連續(xù)）和泄漏（量較大，水滴連續(xù)）。外漏出現(xiàn)的主要部位為板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內(nèi)側(cè)。

2、串液：主要特征為壓力較高一側(cè)的介質(zhì)串入壓力較低一側(cè)的介質(zhì)中，系統(tǒng)中會出現(xiàn)壓力和溫度的異常。如果介質(zhì)具有腐蝕性，還可能導(dǎo)致板式換熱器密封墊片的腐蝕。串液通常發(fā)生在導(dǎo)流區(qū)域或者二道密封區(qū)域處。

3、壓降大：介質(zhì)進、出口壓降超過設(shè)計要求，甚至高出設(shè)計值許多倍，嚴重影響系統(tǒng)對流量和溫度的要求。在供暖系統(tǒng)中，若熱側(cè)壓降過大，則一次側(cè)流量將嚴重不足，即熱源不夠，導(dǎo)致二次側(cè)出溫度不能滿足要求。

4、供熱溫度不能滿足要求：主要特征是出口溫度偏低，達不到設(shè)計要求。