換熱器振動(dòng)

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，熱交換器的尺寸、流體的流速、支承的跨距都隨之增大，甚至超過允許的限度，從而降低了管束的剛性，增加了產(chǎn)生振動(dòng)的可能。振動(dòng)可使管子發(fā)生泄漏、磨損、疲勞、斷裂，甚至伴隨著刺耳的噪聲，這就不僅降低設(shè)備的壽命，也有損于人們的健康。振動(dòng)一旦形成事故，往往要花較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行分析和修復(fù)。由于影響振動(dòng)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，阻尼作用的大小難以準(zhǔn)確估計(jì)以及管子磨損和破壞的速度難以確定，對(duì)它們還不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式加以描述等原因，可以說迄今為止的理論計(jì)算方法，還不能用在工程實(shí)際中準(zhǔn)確地分析振動(dòng)。有關(guān)熱交換器的現(xiàn)有規(guī)范中，對(duì)振動(dòng)分析方法與防振設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也都還缺乏明確的規(guī)定。但是實(shí)踐已經(jīng)證明，若能在設(shè)計(jì)時(shí)利用現(xiàn)有的研究成果對(duì)振動(dòng)進(jìn)行必要的估算、分析，并采取一些防振措施，那么，一些破壞性的振動(dòng)多半可以避免。流體誘發(fā)振動(dòng)的原因熱交換器的管束屬于彈性體，被流過的流體擾動(dòng)，離開其平衡位置，管子產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)稱為流動(dòng)引起的振動(dòng)。實(shí)際上每臺(tái)熱交換器在工作時(shí)都有或多或少的振動(dòng)，其振源可能是殼側(cè)或管側(cè)流體流動(dòng)所引起的振動(dòng)；流體速度的波動(dòng)或脈動(dòng)引起的振動(dòng)；通過管道或支架傳播的動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)等等。有時(shí)振源可能較多，而其中的一個(gè)或幾個(gè)可能是激起振動(dòng)的主要根源。有的振源，相對(duì)來說容易預(yù)測(cè)，而流體誘發(fā)的振動(dòng)卻比較難以預(yù)計(jì)。一些實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，熱交換器的振動(dòng)主要是殼側(cè)流體的流動(dòng)所引起，管側(cè)流體流動(dòng)所引起的振動(dòng)常可忽略。一般情況下，在殼側(cè)流體中，與管軸方向平行流動(dòng)的縱向流所激發(fā)的振動(dòng)的振幅小，由振動(dòng)造成結(jié)構(gòu)破壞的概率，也比橫向流動(dòng)要小得多。因此，人們更為關(guān)心的是橫向流引起的振動(dòng)問題。目前巳被導(dǎo)致流體誘發(fā)振動(dòng)的三種不同的原因是：渦流脫落、湍流抖振和流體彈性旋轉(zhuǎn)（或稱流體彈性不穩(wěn)定）。

(1) 渦流脫落流體橫向流過單根圓柱體時(shí)，在較大的雷諾數(shù)下，管后尾流中形成的卡門(karman)漩渦（或稱卡門渦街）使兩列方向相反的漩渦周期性地交替脫落，產(chǎn)生了一定的脫落頻率。當(dāng)流體橫向流過管束時(shí)，同樣會(huì)在管束后產(chǎn)生卡門漩渦，而且對(duì)于小間距管束，這種現(xiàn)象只在管束外圍的頭幾排發(fā)生，對(duì)于大間距管束，則可以發(fā)生在整個(gè)管束中。渦流脫落時(shí)，流體施加給圓管一個(gè)正負(fù)交替的作用力，這個(gè)作用力的頻率與渦流脫落頻率相同，這樣就會(huì)使圓管以漩渦脫落頻率或與它相近的頻率垂直于流向而振動(dòng)。如果圓管的振動(dòng)頻率等于渦流脫落頻率的倍數(shù)或約數(shù)時(shí)，漩渦沿圓柱體（圓管）的全跨度在同一時(shí)間以相同的頻率均勻地脫落，脫落頻率和振動(dòng)頻率同步，此即所謂的共振。渦流脫落本身還能產(chǎn)生一定聲響。這是由于在一定條件下，它會(huì)激起氣室兩壁面間有一個(gè)既垂直于管子又垂直于流動(dòng)方向的某階駐波，如下圖所示。這種駐波在管束所處的壁面之間來回反射，不往外傳播能量，而渦流脫落又不斷地輸入能量，當(dāng)駐波頻率和渦流脫落頻率耦合時(shí)，就會(huì)誘發(fā)強(qiáng)烈的氣室聲學(xué)駐波振動(dòng)--氣振，產(chǎn)生很大的噪聲。

(2) 流體彈性旋轉(zhuǎn)當(dāng)氣體橫向流過管束時(shí)，由于流體的不對(duì)稱性產(chǎn)生的流體力可使管束中的一根管子從它原有的位置發(fā)生瞬時(shí)的位移，因而流場(chǎng)發(fā)生交變，破壞了對(duì)相鄰管子的平衡，使它們也發(fā)生位移并處于振動(dòng)狀態(tài)。如果沒有足夠的阻尼來消耗其能量，振幅將不斷增加直到管子間互相撞擊而造成損壞，這樣的振動(dòng)稱為流體彈性型的振動(dòng)。與前者不同的是，渦流脫落是一種發(fā)生在管子后面引起管子振動(dòng)的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，它是一種不依賴于管子運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)現(xiàn)象，流體彈性旋轉(zhuǎn)則不決定于任何不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而是由于相鄰管子的流場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。 

(3) 湍流抖振 湍流流動(dòng)的流體在各個(gè)方向上在很寬的頻率范圍內(nèi)都有隨機(jī)波動(dòng)分量，當(dāng)流體順流或橫向繞流管外時(shí)，這些湍流分量向管子傳輸能量，從而導(dǎo)致管子的隨機(jī)振動(dòng)，這種由殼側(cè)流體流過管束產(chǎn)生的湍流所引起的管子的振動(dòng)，是最常見的振動(dòng)形式，當(dāng)此湍流波動(dòng)的主頻與管子的固有頻率合拍時(shí)，則發(fā)生典型的共振。如果殼側(cè)流體是氣體時(shí)，在某一速度下，湍流抖振主頻也可能產(chǎn)生聲學(xué)共振。

以上三個(gè)方面的研究表明，管束的振動(dòng)與管子的固有頻率以及氣室的聲振頻率都緊密相關(guān)。振動(dòng)的預(yù)測(cè)和預(yù)防振動(dòng)所造成的危害很大，因而在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到把流體誘發(fā)振動(dòng)的可能性降低到低限度。消除熱交換器管束的一切產(chǎn)生激振的可能，是防止振動(dòng)最根本的辦法，因而對(duì)管殼式熱交換器進(jìn)行振動(dòng)的預(yù)測(cè)或校核，應(yīng)該作為保證熱交換器安全運(yùn)行的重要一環(huán)來做好。但是振動(dòng)并不一定造成機(jī)械損壞，許多熱交換器雖有振動(dòng)但并沒有出現(xiàn)事故。當(dāng)然這并不等于對(duì)振動(dòng)可以熟視無睹。當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果有可能發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可以采取以下一些防振和減振措施。

(1) 降低殼側(cè)的流速。假如殼側(cè)流量不變，可以增大管距。當(dāng)設(shè)計(jì)中有壓降限制時(shí)，這種方法比較可行，但會(huì)增大殼體直徑或增加管子長(zhǎng)度。如果把原來位于殼體兩端的單進(jìn)、出口（流體繞過折流板一次流過殼體）改成進(jìn)口在中間、出口在兩端的分流式熱交換器，將流體分成兩半從殼體任一端流出，如下圖所示那樣，可以大大降低橫流速度。

(2) 增加管子的固有頻率。管子的固有頻率與支承跨距的平方成反比，因而減小管子的支撐跨距是增加管子固有頻率有效的方法。若在弓形折流板的缺口處不排管，可以使原來每間隔一塊折流板才有支承的那些跨距得到縮短，提高固有頻率。據(jù)稱這種方法能有效地解決振動(dòng)問題，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。若有需要，還可在兩塊折流板之間加中間支持板（兩頭都切去的支持板，如立面圖中所示），它對(duì)壓降并無影響而對(duì)傳熱有一定好處。用改變管材或增加管壁厚度的方法也能增加固有頻率，但其影響不是很大。

(3) 提高聲振頻率。在殼體內(nèi)插入減振板，使其寬度方向與橫流方向平行而其長(zhǎng)度方向與管子軸線平行，這樣可提高聲振頻率，使它與渦流脫落以及湍流抖振的頻率不一致。減振板的位置，應(yīng)在聲振動(dòng)駐波波形的波腹上。

(4)從結(jié)構(gòu)上，增加折流板或中間支持板的厚度，當(dāng)孔的間隙一定時(shí)，能減輕對(duì)管子的剪切作用并增加系統(tǒng)的阻尼。在折流板管孔兩邊加工倒角，對(duì)于減小振動(dòng)的破壞有一定的作用。除了從結(jié)構(gòu)上注意避免振動(dòng)之外，還必須對(duì)運(yùn)行中的熱交換器注意其有影響的一些因素，例如：不讓殼徑流速超過振動(dòng)分析所允許的界限，即使是短時(shí)間的超速，也對(duì)熱交換器的使用壽命不利。