換熱器振動

隨著生產規模的擴大，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，增加了產生振動的可能。振動可使管子發生泄漏、磨損、疲勞、斷裂，甚至伴隨著刺耳的噪聲，這就不僅降低設備的壽命，也有損于人們的健康。振動一旦形成事故，往往要花較長時間進行分析和修復。由于影響振動的因素錯綜復雜，阻尼作用的大小難以準確估計以及管子磨損和破壞的速度難以確定，對它們還不能用簡單的數學公式加以描述等原因，可以說迄今為止的理論計算方法，還不能用在工程實際中準確地分析振動。有關熱交換器的現有規范中，對振動分析方法與防振設計準則也都還缺乏明確的規定。但是實踐已經證明，若能在設計時利用現有的研究成果對振動進行必要的估算、分析，并采取一些防振措施，那么，一些破壞性的振動多半可以避免。流體誘發振動的原因熱交換器的管束屬于彈性體，被流過的流體擾動，離開其平衡位置，管子產生振動，這種振動稱為流動引起的振動。實際上每臺熱交換器在工作時都有或多或少的振動，其振源可能是殼側或管側流體流動所引起的振動；流體速度的波動或脈動引起的振動；通過管道或支架傳播的動力機械振動等等。有時振源可能較多，而其中的一個或幾個可能是激起振動的主要根源。有的振源，相對來說容易預測，而流體誘發的振動卻比較難以預計。一些實驗和運行經驗表明，熱交換器的振動主要是殼側流體的流動所引起，管側流體流動所引起的振動常可忽略。一般情況下，在殼側流體中，與管軸方向平行流動的縱向流所激發的振動的振幅小，由振動造成結構破壞的概率，也比橫向流動要小得多。因此，人們更為關心的是橫向流引起的振動問題。目前巳被導致流體誘發振動的三種不同的原因是：渦流脫落、湍流抖振和流體彈性旋轉（或稱流體彈性不穩定）。

(1) 渦流脫落流體橫向流過單根圓柱體時，在較大的雷諾數下，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，產生了一定的脫落頻率。當流體橫向流過管束時，同樣會在管束后產生卡門漩渦，而且對于小間距管束，這種現象只在管束外圍的頭幾排發生，對于大間距管束，則可以發生在整個管束中。渦流脫落時，流體施加給圓管一個正負交替的作用力，這個作用力的頻率與渦流脫落頻率相同，這樣就會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。如果圓管的振動頻率等于渦流脫落頻率的倍數或約數時，漩渦沿圓柱體（圓管）的全跨度在同一時間以相同的頻率均勻地脫落，脫落頻率和振動頻率同步，此即所謂的共振。渦流脫落本身還能產生一定聲響。這是由于在一定條件下，它會激起氣室兩壁面間有一個既垂直于管子又垂直于流動方向的某階駐波，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，當駐波頻率和渦流脫落頻率耦合時，就會誘發強烈的氣室聲學駐波振動--氣振，產生很大的噪聲。

(2) 流體彈性旋轉當氣體橫向流過管束時，由于流體的不對稱性產生的流體力可使管束中的一根管子從它原有的位置發生瞬時的位移，因而流場發生交變，破壞了對相鄰管子的平衡，使它們也發生位移并處于振動狀態。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，這樣的振動稱為流體彈性型的振動。與前者不同的是，渦流脫落是一種發生在管子后面引起管子振動的一種不穩定現象，它是一種不依賴于管子運動的流體力學現象，流體彈性旋轉則不決定于任何不穩定的現象，而是由于相鄰管子的流場相互作用而產生的。 

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

以上三個方面的研究表明，管束的振動與管子的固有頻率以及氣室的聲振頻率都緊密相關。振動的預測和預防振動所造成的危害很大，因而在設計時就應考慮到把流體誘發振動的可能性降低到低限度。消除熱交換器管束的一切產生激振的可能，是防止振動最根本的辦法，因而對管殼式熱交換器進行振動的預測或校核，應該作為保證熱交換器安全運行的重要一環來做好。但是振動并不一定造成機械損壞，許多熱交換器雖有振動但并沒有出現事故。當然這并不等于對振動可以熟視無睹。當預測結果有可能發生振動時，可以采取以下一些防振和減振措施。

(1) 降低殼側的流速。假如殼側流量不變，可以增大管距。當設計中有壓降限制時，這種方法比較可行，但會增大殼體直徑或增加管子長度。如果把原來位于殼體兩端的單進、出口（流體繞過折流板一次流過殼體）改成進口在中間、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。據稱這種方法能有效地解決振動問題，其結構如下圖所示。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），它對壓降并無影響而對傳熱有一定好處。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。在殼體內插入減振板，使其寬度方向與橫流方向平行而其長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，應在聲振動駐波波形的波腹上。

(4)從結構上，增加折流板或中間支持板的厚度，當孔的間隙一定時，能減輕對管子的剪切作用并增加系統的阻尼。在折流板管孔兩邊加工倒角，對于減小振動的破壞有一定的作用。除了從結構上注意避免振動之外，還必須對運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分析所允許的界限，即使是短時間的超速，也對熱交換器的使用壽命不利。