冷凝器中弓形折流板结构与两相流诱发的震动

冷凝器中弓形折流板结构与两相流诱发的震动 第36 石油煤炭设备PETR(CHEMICAIEQUIPMENT VO1。36NO。2 Mar。2007 文章编号:10007466(2007)02000105冷凝器中弓形折流板结构 与两相流诱发的震动 (天津大学化工学院,天津300072)摘要:根据两相流体诱发振动的原理与相关定理,对在两相流状态下运行的稀乙醇 酐冷凝器进行 了震动分析,结果显示,采用双弓形折流板可有效地避免换热器的震动。 关键词:冷凝器;两相流体;振动 中图分类号:TQO51。502 文献标志码:A VibrationInducedbyDouble--SegmentalBafflesandTwo'_PhaseFlowinCondenser NIEQing-de,TANWei,ZHUYu—feng,DUANZhen—Ya,ZHOULiangang (ChemicalEngineeringSchoolofTianjinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:BasingontheexcitationmechanismofvibrationinducedtWO phaseflow,thevibrationanalysisfordiluteaceticanhydridecondenserattheoperativeconditionwasprovided。

Theres ults showthatthevibrationofheatexchangercanbeeffectivelypreventedbyuseofdouble segmentalbaffles。 Keywords:condenser;tWO—phaseflow;vibration 6——一盘面 排管相邻管之间空隙的总和,mD——壳体孔径汽车冷凝器折流板作用,m d——振动管周边管子的有效内径,m d——换热管内径,m d。——换热管外径,m d——拉杆直径,m E——管子材料的弹性模量,MPa ,厂z——换热管第一,二振型的固有频率,Hz K——不平稳常数 符号表明 排的拉杆数,J——折流板之间的距离,m 壳程流体侧管板至相邻折流板内侧的距离,In 规范化的功率谱密度,m。/sP——管间距,m q——品质流量,kg/h S——液体的表层张力,N/m折流板厚度,m 均方振幅,m收稿日期:2006 一】-26 作者笔名:聂清德(1931 一),男,江西九江人,教授,主要从事煤炭设备流体诱发振动 的研究。 石油煤炭设备2007 年第36 m一每米管长的总品质,kg/mm。——每米管长管内流体的品质,kg/m m。

——管子振动时排开的管外流体的虚拟质量或附加 质量,kg/m m一空管每米长的总品质,kg/m 一流体的运动粘度,m/s对于管壳式换热器壳程内的绕组流体横向流过 管束时激起的震动,的管壳式换热器设计标 准均已给出了较成熟的震动分析原理[1。。。】。实际 上,工业使用中的诸多换热器,如冷凝器,蒸发器或 原子能蒸汽发生器,其壳程流体通常是在两相流状 态下运行的。两相流体横向流过管束,同样会激起管 子震动。这时需要权衡更多的影响要素,除了两相混 合物的化学属性与两相流的流型外还要引入一个新 的取值一容量含气率或空隙率(voidfraction)。 现有的标准仍未给出预测这类振动的原理。本文利 用著作[3～6]中的档案与等式来判断稀醋甲酯冷凝 器在增设了折流板结构时两相流诱发的震动,并采用 双弓形折流板取代常用的单弓形折流板进行了对比 分析和假设。 两相流诱发振动的原理两相流诱发振动的原理主要是。:流体弹 性不平稳或流态弹性震动。随机的水流激振。 周期性的龙卷激振。 由于两相流体中的声按键很高,且当空隙率较 大时,不存在周期性脱落的龙卷,故在判断两相流诱 发的震动时,可不考虑声震动。 稀醋甲酯冷凝器的完全数据稀醋甲酯冷凝器中增设单弓形折流板时的草图 见图1。

管子在管板上的布置图见图2。对换热管, 一1。9310。。MPa,P一7920kg/m。,d。一 。0254m,d=。0222m。管子按正三角形排列, 流动角为30。,P=。032m,一0。8m。流体的操 作条件与主要化学性质见表1。 利用上述操作条件下的物理性质以及有关的几 何尺寸,对运行中的置有单弓形折流板的冷凝器进 行震动分析,可得出以上观点:壳程流体引入 侧与第一块折流板后,都将激活流|本弹性震动。进 口侧的流速最大,为临界流速的1。88 倍。侧 p——密度,kg/m 管子的对数衰减率"受管子与锚固间的液膜按键影响时管子的对数 衰减率 换热管外有两相流体时管子的对数衰减率下标:g 表示微粒;i 表示管内;l 表示气泡; 表示管外; 表示摄氏;TP表示两相流体;t 表示管子。 单弓形折流板布置图凝液出口 管排序87654321 2481210141213 流体的操作条件与物理性质将发生湍流激振。管子的振幅大于允许值。不发 石油煤炭设备2007 年第36 88。36Hz。二者相比,可见最低的固有频率为厂31。45Hz。 3。4 管子的对数衰减率 管子的对数衰减率按下式计算: —TP+v+sF(5) 其中-o。

314I-f(~)]()() 8sF=。0628()()(因e>O。7,按史料[1]有: 将文中数据代人上式可得f(e)一0。00177,8TP 一0。000318,v 一0。000245,sF 一0。0668,一 。0674。 3。5 侧壳程流体的横流速度 得知,当流体按流动角3O。流经各排换热管时,相邻管之间空隙的总和可以根据下式 进行假设: 各排换热管的b值见表2。 各排换热管的值管排序i12345678 管数"1312141012842 bi/m0。16890。1850。1200。1680。1190。1800。2110。200 可以看出第5排管的总间隙最小,相应 的横流速度最大。 文中z1—。8in,故: 振动核算4。1 临界流速,] 对于两相流体,流体弹性不平稳是最重要的激 振原理。管子发生流体弹性不平稳时的临界流速用 下式计算: (m8)(7)对式(7),不平稳常数K 可从图6 查得;s<O。8 时,6—。5;eDO。8 需按照如图7所示有 关试验曲线确定。本例中,s 一0。99947,P/d。一 1。26,管子为正三角形排列,由图7a 知6O。05,K 5。

6,将有关数据代人式(7)可得一5。39m/s。 两相流体横向流时的不平稳常数=80汽车冷凝器折流板作用,b=O。05) b=O。5) /447)P/a:--~。35 P~/d:=1。22 O。111O100 ,,l6/(pTPdo2) (a)正三角形排列(30。)的管柬 ,,l8/(1oTPdoz) (b)转角三角形排列(60')的管柬 Tpdo2 的关系曲线 则。<。,因此,稀醋甲酯冷凝器不会发生流 O98765432 期聂清德,等:冷凝器中弓形折流板结构与两相流诱发的振动体弹性震动。 4。2 湍流激振时的振幅,。] 侧换热管受激流激振时,管子的振幅按下 式计算: 侧管跨长度z一0。806m的管段处于固定一 简支条件下。根据震动方程可知最大振幅发生在距 管板。581l 处。系数C:。4213_7]。SF(厂)由下 式计算: SF(厂)一G(gGd。)(9) 一0。99947,P/d。一1。26时,利用图8a 各种约束受30Hz随机激振时的功率谱密度图 按qme—手,代入相关数据得qme17。21kg/(m。?S)。将其余已知数据一并代入式 (8),则。一0。09210m。(或Y 一3。

0410m)。 因一般要求Y。02d。,本例中。02d。一5。08 10m,故振幅在限定范围内。 4。3 旋涡激振时的振幅 文献[8,9]的研究显示,当e 较小时,两相流体 绕流管束,在尾流中确实存在周期性的龙卷。但当 增大到。14时,功率谱密度图上主要展现出激流 的随机脉动成分。所以往往可能在e<。15 考虑周期性旋涡激振。激振力与共振时的管子振幅可按史料[5,6]推荐的原理进行假设。在稀 冷凝器中,e 远多于。15,故不需要计算旋涡激振的 振幅。 结语振动分析的结果显示,横流速度是影响管子振 动的最关键的外因。在稀醋甲酯冷凝器中增设双弓 形折流板并使流体沿对称的内侧引入转子,侧 的横流速度下降了一半,降低为临界流速的。94 倍。湍流激振的管子振幅也下降限定的差值,从而 防止了有害的约束振动。当流体流经以后的折流板 间的约束时,由于单弓形折流板已改换成双弓形折 流板,横流速度下降了一半,同样也避免了认为造成 的约束振动。 参考文献: [1]StandardofTubularExchangerManufacturersAssociation (8thEdition)rS]。

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