卡曼漩渦

1、卡曼漩渦對換熱器的影響卡曼漩渦對換熱器的影響摘要對管殼式換熱器管束常見的振動破壞形式進行了歸納對管束振動的機理進行了分析并提出了相應(yīng)的防振措施關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞管殼式換熱器管束振動防振措施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

2、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。由于卡曼渦街現(xiàn)象的存在，在管子背面兩側(cè)產(chǎn)生周期性的反對稱漩渦尾流，尾流的交替產(chǎn)生與脫落產(chǎn)生于流向的激振力，當脫落的頻率接近換熱管的固有頻率時，將會引起管束機械性的共振現(xiàn)象，使換熱器產(chǎn)生較大的機械破壞。以往在進行測定卡曼渦街現(xiàn)象數(shù)值時，運用最早的是尾流振蕩模型實驗來分析漩渦脫落誘發(fā)的振動原因。但據(jù)目前學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，尾流振蕩模型在實驗過程中，其范圍受

3、到一定的限制，當雷諾數(shù)在較低的情況下，其理論數(shù)值與實驗數(shù)據(jù)相差不大，基本接近；但當雷諾數(shù)在較高的情況下進行實驗時，兩者數(shù)據(jù)相差甚大。經(jīng)分析，當在雷諾數(shù)較大工狀下進行實驗時，流經(jīng)換熱管后的尾流不呈二維流動，而是呈動態(tài)的三維隨機流，是一個隨機力函數(shù)，沿整個換熱管同時脫落，尾流流動呈現(xiàn)出復(fù)雜的隨機性質(zhì)。尾流作用于換熱管上的載荷也隨機發(fā)生變化。這就意味著雷諾數(shù)在較高的情況下不能運用尾流振蕩模型進行實驗，否則測定的流體誘導(dǎo)振動值會有不小的差值產(chǎn)生

4、。針對兩相流誘發(fā)管束振動機理的研究，由于其隨機產(chǎn)生的復(fù)雜性，相關(guān)的研究目前尚處在初期探索階段，Pettigrew等[3]也只對換熱器管束相互之間的距離、換熱器管束中的含氣率、換熱器在雷諾數(shù)不同情況下的工作狀態(tài)進行了有限的研究，同時對氣液兩種不同介質(zhì)時兩相流中串列雙圓柱的誘發(fā)振動特性機理的研究，有助于理解管束中管子之間相互影響機理，對于進一步研究復(fù)雜管束中的流體誘發(fā)振動現(xiàn)象具有重要意義。1流體誘導(dǎo)振動機理流體誘導(dǎo)振動機理管殼式換熱器內(nèi)流體

5、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

6、]其振動頻率等于漩渦脫落頻率。當管徑一定時流速越大流體誘導(dǎo)振動頻率也越大。當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]。通常認為當管子間距較大時卡曼漩渦可以預(yù)防流體誘導(dǎo)振動的產(chǎn)生。2緊固零件緊固零件(1)緊固拉桿首先拉桿的固定端應(yīng)設(shè)在靠近殼程介質(zhì)進口端的管板上以更好地起到抵擋沖擊的作用其次設(shè)計和制造中保證足

7、夠的拉桿孔深和螺紋深度拉桿要擰緊螺孔。管束從組裝臺完工再試壓在吊裝運輸及裝進和拉出專用試壓殼體時都會產(chǎn)生松動因此試壓后裝進殼體前應(yīng)最后一次擰緊拉桿逼緊拉桿末端的兩個螺母[1012]最好把兩個螺母點焊住。(2)定距管與折流板之間點焊鋼板原材料運輸?shù)踹\氧乙炔焰或等離子切割都會使之產(chǎn)生不平整如果折流板沒有經(jīng)過逐塊調(diào)平就直接疊裝在一起即便通過壓力機使各折流板之間能緊密貼合后再在外圓定位焊接使之成為一件整體去鉆管孔一旦這件整體鉆孔后車削外圓時把焊

8、縫車去各塊折流板還是會回彈變形?；蛘呒幢阏哿靼逶阢@孔前經(jīng)過調(diào)平因為在鉆管孔時折流板的底部不可能大面積墊起只是在折流板的外圓周附近周向均布幾個支點鉆孔的推進力也就會使折流板壓彎變形折流板的直徑越大、折流板的厚度越薄、疊裝定位焊在一起的折流板數(shù)量越小折流板壓彎變形就越嚴重。因此折流板不可能是完全平整的[1314]即便定距管經(jīng)過車削加工保證長度一致管束裝配完后定距管與折流板之間還是存在不完全接觸的情況定距管與折流板之間通過點焊固定是提高管束整

9、體結(jié)構(gòu)剛性降低振動的有效措施。3改進結(jié)構(gòu)改進結(jié)構(gòu)(l)采用折流桿結(jié)構(gòu)采用桿狀或條狀支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折流板不僅可防振而且可以強化傳熱、降低流體阻力、減少污垢。(2)采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)采用螺旋折流板可以降低流體流過管束的沖力但使用一端進、另一端出的E型單程殼體時采用螺旋折流板管束也可能造成管束失效因為間距(30mm)[15]較窄的螺旋折流板結(jié)構(gòu)將換熱管緊箍剛性很強不會受壓失穩(wěn)而彎曲變形協(xié)調(diào)能力低熱膨脹差產(chǎn)生的應(yīng)力完全作用在管頭上。管頭的抗脫強

10、度需要相應(yīng)提高。(3)雙弓折流板當殼體直徑較大時可選擇雙弓形折流板代替單弓形折流板分流流體為兩個流道。4結(jié)語結(jié)語國內(nèi)外的科研工作者針對換熱器管束流體誘導(dǎo)振動機理進行了廣泛的研究，目前在理論和實驗上對旋渦脫離激振和流體彈性振動的機理做了大量的研究分析工作，分別取得了一定的進展，并提出了一些新的理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，對指導(dǎo)換熱器的設(shè)計過程起到了較好的作用。但是由于通過管束間流動的復(fù)雜性，流體誘導(dǎo)振動時有非常多的未知因素以及換熱元件的磨損和破壞