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脉动流作用下换热器管束的振动特性研究

周宁波  
【摘要】:换热器是一种广泛应用于石油、化工、电力、食品等行业的工艺设备,设备的安全运行对工业生产有着极大的影响。工业生产中使用的管壳式换热器随着生产规模的逐渐扩大越来越趋向于大型化,管束无支撑跨度增大,刚性变差,为了提高传热效率,流体流速不断提高,换热器因流体诱导振动的破坏现象日益增多。脉动流强化传热技术虽然提高了脉动流作用下换热器的传热效率,但同时带来了流体附加的振动影响,为使设备能正常工作,对脉动流作用下换热器的振动特性研究体现出较重要的意义。 本文首先以试验换热器结构为研究对象,基于流固耦合方法在无脉动流和存在脉动流强化工况下对该换热器进行振动的有限元计算和分析,即分别研究换热器在无脉动流和脉动流强化工况下的模态特性;再根据两种工况下流体对换热管的不同作用,分别对换热管在无脉动流作用下进行谐响应分析,以及在脉动流强化作用下对换热管进行瞬态分析。结果表明:无脉动流作用下换热管的模态振型图与脉动流作用下换热管的振型图相似,两种工况下固有频率相差很小,说明外界流场的变化对换热管在流体环境中的固有振动特性的影响很小,或者没有影响。同时,减小脉动流载荷中正弦函数系数与常数项将有利于避免换热管振动失效的发生。 在试验换热器振动分析的基础上,进而以某公司设计的管壳式换热器为研究对象,分析脉动流强化传热技术对该换热器的振动影响,对比和分析其在无脉动流和存在脉动流强化两种工况下的振动特性。采用多孔介质模型模拟其壳程流场,通过对模型进行简化,利用GB151-1999与有限元分析软件ANSYS计算换热管的固有频率,将两种方法对比来确定换热管的有限元模型,同时找出影响单根换热管与管束固有频率的主要因素,并研究换热管振动变化的规律。进一步采用流固耦合的方法对该换热器进行模态分析,再将无脉动流作用下得到的壳程流速转化为换热管外载,加载至相应换热管表面进行谐响应分析,以及在脉动流强化作用下对换热管进行瞬态分析,得到管件应力分布状态,并预测振动失效可能产生的位置。结果表明:随着换热管外径、壁厚、折流板间距和节径比的变化,固有频率会有相应地变化;根据换热管不同的约束情况,将换热管分为A类、B类和C类,则在无脉动流作用下,A类管端部为最易发生强度破坏的位置,而C类管中间位置振幅最大,此处最易使换热管产生相互碰撞;脉动流作用下,壳程入口处A类管的振动幅度比B类管和C类管要大,此处最易产生振动破坏。同时通过减小脉动流函数的载荷系数可以有效地避免换热管产生振动失效。


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