当前位置：首页> 卡曼漩涡-

卡曼漩涡-

时间：下载该word文档

卡曼漩涡对换热器的影响
摘要对管壳式换热器管束常见的振动破坏形式进行了归纳, 对管束振动的机理进行了分析, 并提出了相应的防振措施
关键词管壳式换热器管束振动防振措施
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。
由于卡曼涡街现象的存在，在管子背面两侧产生周期性的反对称漩涡尾流，尾流的交替产生与脱落产生于流向的激振力，当脱落的频率接近换热管的固有频率时，将会引起管束机械性的共振现象，使换热器产生较大的机械破坏。以往在进行测定卡曼涡街现象数值时，运用最早的是尾流振荡模型实验来分析漩涡脱落诱发的振动原因。但据目前学者研究发现，尾流振荡模型在实验过程中，其范围受到一定的限制，当雷诺数在较低的情况下，其理论数值与实验数据相差不大，基本接近；但当雷诺数在较高的情况下进行实验时，两者数据相差甚大。经分析，当在雷诺数较大工状下进行实验时，流经换热管后的尾流不呈二维流动，而是呈动态的三维随机流，是一个随机力函数，沿整个换热管同时脱落，尾流流动呈现出复杂的随机性质。尾流作用于换热管上的载荷也随机发生变化。这就意味着雷诺数在较高的情况下不能运用尾流振荡模型进行实验，否则测定的流体诱导振动值会有不小的差值产生。
针对两相流诱发管束振动机理的研究，由于其随机产生的复杂性，相关的研究目前尚处在初期探索阶段，Pettigrew 等[ 3 ]也只对换热器管束相互之间的距离、换热器管束中的含气率、换热器在雷诺数不同情况下的工作状态进行了有限的研究，同时对气液两种不同介质时两相流中串列双圆柱的诱发振动特性机理的研究，有助于理解管束中管子之间相互影响机理，对于进一步研究复杂管束中的流体诱发振动现象具有重要意义。
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 漩涡脱落诱导振动
管壳式换热器管束振动主要是由壳程流体流动所引起的, 而管程流体流动的影响可忽略不计。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, 通过管道或其它连接件传播的动力机械振动等, 横向流是流体诱导管束振动的主要根源。
当流体掠换热管时, 如果流动雷诺数大到一定程度, 在其两侧的下游交替发生漩涡,形成周期性的漩涡尾流, 致使圆管上的压力分布也呈周期性变化。圆管两侧的静压不同, 产生一个垂直于流动方向的升力, 其大小与方向随漩涡的脱落而不断变化。正是由于这种升力的交替变化, 导致了圆管与流体流动方向垂直的振动。同样, 由于漩涡的脱落也使流动阻力发生交替性变化, 从而导致圆管在流体流动方向上的振动。圆管的振动频率与漩涡的脱落频率有关, 但理论上求解漩涡脱落频率相当困难, 因此工程实际中一般用strouhal数来确定漩涡脱落的频率[ 7 ]。漩涡脱落的频率为
fv = SU0 /D 式中 fv ———漩涡脱落的频率, Hz U0 ———来流速度, m / s D ———圆柱体直径, m; 非圆柱体时
为垂直于来流的最大宽度由此可见, 当管径一定时, 流速越大流体诱导振动频率越大。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。
3 振动的防止
换热器内流体诱导振动的机理相当复杂,能够有效地防止振动的完整的设计准则尚未建立起来。这就需要在运行过程中根据不同的操作情况, 采用不同的措施来防止换热器的振动[ 8 ]。振动是不可避免的但是轻微的振动不但不会带来损坏, 而且还有强化传热和减少结垢的作用。但是强烈的振动应该采取必要的防振措施以减缓振动, 避免换热器振动破坏。抗振的根本途经是激振力频率尽量避开管子的固有频率。 3.1 调整尺寸
(l 调整折流板间距
对于管束直管段, 缩短支撑间距, 从结构上是加强了管束的刚性, 但同时缩小了流通面积, 提高了流速, 反而容易引起振动。通过设计计算调整折流板间距, 使管子的固有频率与卡曼旋涡的频率之比小于规定的[ 9 ], 同时也使壳程流体的横流速度小于临界横流速度即可。 (2 控制折流板管孔径
制造中减小管子与管孔之间的装配间隙也可提高管子和管束的刚性, 当然可以预防流体诱导振动的产生。

2 紧固零件 (1 紧固拉杆
首先, 拉杆的固定端应设在靠近壳程介质进口端的管板上, 以更好地起到抵挡冲击的作用其次, 设计和制造中保证足够的拉杆孔深和螺纹深度, 拉杆要拧紧螺孔。管束从组装台完工再试压, 在吊装运输及装进和拉出专用试压壳体时都会产生松动, 因此试压后装进壳体前应最后一次拧紧拉杆, 逼紧拉杆末端的两个螺母[ 10-12 ], 最好把两个螺母点焊住。 (2 定距管与折流板之间点焊
钢板原材料运输吊运氧乙炔焰或等离子切割都会使之产生不平整, 如果折流板没有经过逐块调平就直接叠装在一起, 即便通过压力机使各折流板之间能紧密贴合后再在外圆定位焊接使之成为一件整体去钻管孔, 一旦这件整体钻孔后车削外圆时把焊缝车去, 各块折流板还是会回弹变形。或者即便折流板在钻孔前经过调平, 因为在钻管孔时折流板的底部不可能大面积垫起, 只是在折流板的外圆周附近周向均布几个支点, 钻孔的推进力也就会使折流板压弯变形, 折流板的直径越大、折流板的厚度越薄、叠装定位焊在一起的折流板数量越小, 折流板压弯变形就越严重。因此, 折流板不可能是完全平整的[ 13-14 ], 即便定距管经过车削加工保证长度一致, 管束装配完后, 定距管与折流板之间还是存在不完全接触的情况,定距管与折流板之间通过点焊固定, 是提高管束整体结构刚性, 降低振动的有效措施。 3 改进结构
(l 采用折流杆结构
采用杆状或条状支撑, 代替传统的折流板, 不仅可防振, 而且可以强化传热、降低流体阻力、减少污垢。 (2 采用螺旋折流板结构
采用螺旋折流板可以降低流体流过管束的冲力, 但使用一端进、另一端出的E 型单程壳体时采用螺旋折流板管束也可能造成管束失效