换热器横向载荷分析与校核论文

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1、换热器横向载荷分析与校核论文.freelDQ)122.1.2共振理论当载荷扰动频率与管束的管束自振频率相等时,管束发生共振。共振主要在下面几种情况下发生。(1)卡漫旋涡流体流经管束时,管子背后有卡漫旋涡产生,当旋涡自管子表面脱落频率与管束自振频率相等时,管束发生共振。卡漫旋涡脱落频率fv可按下面公式计算:fv=StVdo(2)紊流抖动对于节径比小于1.5的密排管束,难以发生卡漫旋涡脱落,但壳体紊流旋涡使管子受到随机波动的作用力,而且紊流有一个相当宽的频带,当频带中的某一频率与管子任一自振频率接近或相等时,会导致管子大振幅振动。这一频率称为紊流抖动

2、主频率ft,其计算式为:ft=Vdo3.05(1-doT)2+0.28(LT)(3)声振动当壳体介质为气体或蒸汽时,在与流体流动方向和管子轴线方向都垂直的方向上会形成声学驻波,如果声学驻波的频率与管束的自振频率、卡漫旋涡脱落频率或紊流抖动频率一致,便激发起声学驻波的振动,因而产生强烈的噪声。声学驻波的频率fa计算公式为:fa=nC(2D)2.2强度理论强度理论是将管子视为受均布载荷的梁,管板端为固定端,支撑板端为简支端,由此可计算出梁(管子)的应力及挠度,以评定其是否安全。管子的最大应力Rr出现在固定端,最大剪应力S出现在简支端,两支撑板中间位置

3、有最大挠度y。当Rr≤R、S≤S=0.5R时,管子不发生强度破坏。当y≤(T-do)时,不会发生管子碰撞。由此可得到对应的临界流速:uc1={K1R(do4-di4)(BKCLQLdo2)}12uc2={K2R(do2-di2)(BKCLQLdo2)}12uc3={K3ER(do2-di2)(T-do2)÷(BKCLQLdo2)}12鉴于篇幅,上述公式理论推导从略。3、横向载荷校核通过上述分析,在横向载荷作用下,换热器管束应进行下述校核:(1)稳定校核为防止管束发生不稳定的弹性振动,换热器管束间流体流速应小于不稳定临界流速,即:u≤uc(2)共振

4、校核对于一定结构的管束,自振频率f按下式计算:f=35.2CE(do4-di4)(mL4)操作条件下,换热器不应发生共振,即卡漫旋涡、紊流抖动、声学驻波频率应远离管束自振频率。因此,要求换热器满足下面条件3:fvf0.5,ftf0.5,0.8f/fa1.2(3)强度校核换热管束强度校核包括管子弯曲、剪切及碰撞三种情况,但实际上管子很少发生弯曲破坏,通常在发生弯曲破坏前,管子与管板连接处已出现泄漏。因此工程应用时,可仅考虑剪切与碰撞两种破坏。换热器管束间流体流速应小于剪切及碰撞两种情况下的临界流速:u≤uc2,u≤uc34、结语换热器管束在横向载荷

5、作用下,管束所处的状态较为复杂。横向载荷造成的机械破坏形式也较多,有管子疲劳破坏,管子与管子、管子与壳体之间的碰撞破坏,折流板对管子的剪切破坏,管子与管板连接处松脱泄漏等。管束振动是一复杂过程,在设计中应使换热器操作远离不稳定的弹性振动及共振区,同时保证在横向载荷作用下管子不发生强度破坏。因此,应对横向载荷计算作全面校核,小管径薄壁管和贵重金属薄壁管等。流体横向激振力是诱发振动的主要原因,因此设计上应尽量减小流体横向载荷,采用具有纵向流动的折流板,如4叶孔(梅花孔)折流板、折流杆等,减小管束诱发振动的可能性。提高管子的自振频率,如减小折流板间距,

6、也可有效地防止振动发生。符号说明B——临界状态常数D——管子对数衰减率Q——流体密度,kgm3f——管子固有频率,1sfv、ft、fa——分别为卡漫旋涡脱落频率、紊流抖动频率、声振频率,1sn——驻波的阶数,无因次D——特性长度,mC——壳体内流体中声音传播速度,msV——管束中最小自由截面处流体流速,msuc——临界流速,msuc1、uc2、uc3——弯曲、剪切、碰撞临界流速,msSt——斯特罗哈无因次准数L、T——分别为纵向、横向管间距,m可见,在所有情况下等间距布置间断型内插件Nu都比整条型片条内插件值为高,且Nu数的增加值要比摩擦因子的增

7、加值大得多,这与Bergles等的分析是相一致的。结果是:等间距布置的间断型片条内插件摩擦因子增加1%～35%,Nu数增加15%～80%。5、结论条形内插件结构简单加工方便,强化传热,但压降也增加。麻花铁内插件传热性能可接近先进的翅状条型内插件,但压降较高;扁钢内插件结构最简单,压降不高,但强化传热偏低;较短的整条型片条(扁钢)型内插件比与管长等长的长整条型内插件可大大减少压降,但Nu数也减少8%～58%;间断布置的条型内插件比整条型内插件Nu数增加较多,达15%～80%,但摩擦因子也增加1%～35%。总之,应根据工艺情况合理选择相应的片条型内插

8、件。