摘要:针对某一型号管壳式换热器管程入口和出口处容易损坏的问题,采用有限元模态分析和试验模态分析相结合的方法,对其动态特性进行了分析。研究结果表明其固有频率在180 Hz以上,避开了流体诱导振动产生的激振频率,但需加强其管程入口和出口处的刚度和壳体螺栓连接部位的连接强度。有限元模态分析方法可为其他类型管壳式换热器的动态特性快速评价和可靠性优化设计提供参考。
关键词:管壳式换热器;流体诱导振动;振动特性;有限元分析;试验分析
引言
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[ 3 ] 。
本研究以化工设备中某一横流式管壳换热器为例,对其结构的振动特性进行基于有限元和试验的模态分析,为换热器结构的设计提供参考,尽可能减小流体诱导振动的影响。
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,由于没有足够的空间产生漩涡分离,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阻尼作用所消耗的功,管子的响应振动振幅将迅速增大,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管壳式换热器有限元模态分析
目前机械结构动力学分析大多是建立在有限元和实验模态分析的基础上,本研究从理论和实验两个方面研究管壳式换热器的振动特性。
2. 1有限元模型的建立
应用三维参数化技术及Pro /Engineer软件,根据管壳式换热器的实际结构,本研究建立了其三维实体模型。将实体模型以通用格式IGES导入HyperMesh进行有限元模型的建立,以保证分析模型与设计模型的一致性,提高分析的准确性。
本研究采用四面体十节点三维实体线性单元对实体进行有限元网格划分,每个节点含有3个平移自由度, 该单元具有二次迭代的特性,适用于划分不规则网格的模型。
对管束和管板、折流板的焊接部位采用焊接单元,总共有网格节点17 201个,单元数65 601个。管壳式换热器的有限元模型如图1所示。
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