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(yàn)?zāi)B(tài)分析相結(jié)合的方法,對其動態(tài)特性進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(yàn)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(jì),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(jì)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(jì)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(jìn)行基于有限元和試驗(yàn)的模態(tài)分析,為換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)理

管殼式換熱器內(nèi)流體的運(yùn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(rèn)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析大多是建立在有限元和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基礎(chǔ)上,本研究從理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)際結(jié)構(gòu),本研究建立了其三維實(shí)體模型。將實(shí)體模型以通用格式IGES導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行有限元模型的建立,以保證分析模型與設(shè)計(jì)模型的一致性,提高分析的準(zhǔn)確性。

本研究采用四面體十節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元對實(shí)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(jì)參數(shù)和極限工況并結(jié)合文獻(xiàn)[ 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(jì)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?？芍軞な綋Q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(qiáng)烈振動。因此在設(shè)計(jì)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(jìn)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(yàn)

3. 1試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn),使用PCB公司ICP型加速度傳感器333B30 采集被測點(diǎn)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(jìn)行加窗、平均等預(yù)處理。數(shù)采前端和計(jì)算機(jī)連接,以實(shí)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(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5換熱器模態(tài)試驗(yàn)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(diǎn)24個,測點(diǎn)布置線架模型如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)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(diǎn),從多個輸出測點(diǎn)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(diǎn)激勵,并且將力傳感器信號接入?yún)⒖驾斎胪ǖ馈Ｔ囼?yàn)方案如圖7所示。

3. 2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

力錘激勵頻譜在所有頻段內(nèi)可視為等強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中對輸入的力信號加Force2Exponential力窗,并觀察測點(diǎn)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(yàn)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(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)將試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析

本研究采用PolyMAX法對管殼式換熱器實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(yàn)?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(yàn)?zāi)B(tài)

通過表1和表2對比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)?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(zhǔn)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(zhǔn)頻率是7. 9 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其一階固有頻率,證明本次試驗(yàn)的懸掛方式滿足了自由模態(tài)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果相一致,模態(tài)參數(shù)較為準(zhǔn)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(jì)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(qiáng)其管程入口和出口處的剛度,加強(qiáng)螺栓結(jié)合部的聯(lián)接強(qiáng)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(zhǔn)確,已被試驗(yàn)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(jì)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(yùn)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(jī)物，活性離子會使循環(huán)水的腐蝕性增強(qiáng)，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(jìn)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(hù)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(jī)的振動引起管束的振動；由旋轉(zhuǎn)機(jī)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?。槐M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?yàn)闊o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(jìn)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(jìn)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(jī)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(dú)的冷卻器，不過這樣要增加費(fèi)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(yùn)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(jìn)、出口壓降超過設(shè)計(jì)要求，甚至高出設(shè)計(jì)值許多倍，嚴(yán)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(yán)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(dá)不到設(shè)計(jì)要求。