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中文摘要 管壳式换热器中管子是最具弹性的部件,因此在流体流动而激发起的振动 中,是最容易引起振动的部位。g b l 5 1 1 9 9 9 附录e 中针对光滑管的管束振动已 有了很明确的计算方法。然而为提高传热效能,翅片管在换热器中得到了广泛的 应用。对于翅片管固有频率,标准中只给出近似的计算方法。 本文依据g b l 5 1 、t e m a 设计标准,针对翅片管的振动特性进行了研究。 为此,本文采用有限元方法对翅片管模型进行模拟计算,通过模态分析和谐响应 分析得出翅片管的固有频率和相应的位移响应;并应用强迫共振法试验测量了翅 片管两端固支情况下的固有频率,验证了有限元计算结果。同时通过经验公式估 算值与有限元计算值的比较,分析了各种经验公式的优劣。 分析结果表明:翅片会引起管子的质量增加和刚度加强,在同等直径等壁厚 的情况下,对于本文试验中用到的翅片管,其固有频率比光管低2 0 左右;翅片 对管子的固有频率的影响体现在翅片间距、翅片厚度和翅片高度上,单独改变翅 片间距,翅片高度或翅片厚度,固有频率近似呈线性变化。 本文在求解翅片管的固有频率时,引入了当量外径和高度系数的概念,提出 高度系数是翅片间距、翅片高度、翅片厚度的函数。并利用有限元模拟数据通过 最小二乘法拟合出高度系数的计算公式,即t - z - n 式。利用该式得到的计算结果 与有限元结果比较,单跨管最大误差为4 1 8 ,多跨等跨管的误差为7 5 6 ,多 跨不等跨管的误差为4 7 1 。该结果表明,t - z - n 式能较好地计算出翅片管的固 有频率,而且适合于单跨管和多跨管。这些研究结果为翅片管的自振特性和防振 技术的研究提供了依据,对于工程设计有一定的参考价值。 关键词:翅片管;固有频率:换热器;振动 a b s t r a c t t h et u b eb u n d l e sa p p l i e di nt h es h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e r , d u et oh i g h f l e x i b i l i t y , a r em o r el i k e l yt oc a u s ev i b r a t i o nf a i l u r et h a no t h e rc o m p o n e n t sw h e n e x c i t a t e db yf l u i d t r a d i t i o n a l l y , t h ev i b r a t i o no fb a r et u b eb u n d l e sh a sb e e ns t u d i e d a n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sh a v eb e e ng i v e ni ng b151 19 9 9 n o w a d a y s ,f i n n e dt u b e sa r e w i d e l yu s e di nh e a t - e x c h a n g e rt oi n c r e a s eh e a t - t r a n s f e re f f i c i e n c y h o w e v e r , t h e r ea r e o n l ya f e wa p p r o x i m a t ef o r m u l af o r t h ev i b r a t i o no ff i n n e dt u b ei nt h es t a n d a r d i nt h i sp a p e r , b a s e du p o ng b151a n dt e m as t a n d a r d ,t h ev i b r a t i o no ff i n n e d t u b ei ss t u d i e d as e r i e so ff i n n e dt u b em o d a l sw i t hd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r sh a s b e e ne s t a b l i s h e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ,t h r o u g hm o d a la n a l y s i sa n d h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ,t h en a t u r a lf r e q u e n c y ( n f ) a n dc o r r e s p o n d i n gm o d a l s h a p e so fe a c hm o d a lh a v eb e e no b t a i n e d ad r i v e n r e s o n a n c em e t h o dh a sb e e n a p p l i e dt om e a s u r et h en fo ff m u e dt u b e 、 ,i t ht w oe n d sc o m p l e t e l yf i x e d , w h i c hg i v e av e r i f i c a t i o nt of e mr e s u l t s m e a n w h i l e ,c o m p a r i s o nh a sb e e nd o n eb e t w e e nt h e r e s u l t so ff e ma n de a c ha p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nm e t h o d ,a n de a c hc a l c u l a t i o n m e t h o dh a sb e e ne s t i m a t e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ef i n sc o n t r i b u t et ob o t ht h em a s sa n ds t i f f n e s so ft h et u b e s 鼢t h es a m eo u t s i d ed i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s sa n dt u b el e n g t h , t h en fo ft h ef i n n e d t u b es a m p l ei nt h ee x p e r i m e n ti sa p p r o x i m a t e l y2 0 l o w e rt h a nt h a to ft h eb a r et u b e t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ef m si n c l u d i n gf mp i t c h f mh e i g h ta n df m w i d t hh a v e as t r o n gi n f l u e n c eo nt h en fo ft h et u b e i ti ss h o w nt h a tt h e r ei sa p p r o x i m a t e l yl i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn fa n de a c hf mg e o m e t r i cp a r a m e t e r i nt h i sa r t i c l e ,t h ec o n c e p to ft h ef i nh e i g h tc o e f f i c i e n ta n dt h ee q u i v a l e n to u t s i d e d i a m e t e ri si n t r o d u c e d ,a n dt h el e a s ts q u a r em e t h o dh a sb e e na p p l i e dt of i tt h e f u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i nh e i g h tc o e f f i c i e n ta n df mg e o m e t r i cp a r a m e t e r sb y u s i n gf e mr e s u l t s ,t h u st h et - z - nf o r m u l ah a sb e e no b t a i n e d t h en fc a l c u l a t e db y t h i sf o r m u l ai sc o m p a r e dw i t hf e mr e s u l t s ,a n dt h em a x i m u me r r o ri sd i s p l a y e d : s i n g l es p a n ,4 18 ;m u l t i s p a n ( e q u a ls p a n ) ,7 5 6 ;m u l t i s p a n ( u n e q u a ls p a n ) ,4 7 1 i t ss h o w nt h a tt h ef o r m u l ac a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h en fo ff u m e dt u b eb o t hi n s i n g l es p a na n dm u l t i s p a n ,a n dp r o v i d ear e f e r e n c eo nt h ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s :f i n n e dt u b e ;n a t u r a lf r e q u e n c y ;h e a t - e x c h a n g e r ;v i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 翱啐 签字日期 叼年,月蛔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:柏哗 签字日期:切7 年,月工石日 导师签名:专擘j 存 导师签名:撙蔚 签字日期:_ ) 册7 年 ,月彩日 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 概述 第一章文献综述 换热器是石油、化工、化肥、动力、制冷、核能、冶金、轻工、食品、医药、 海水淡化等工业工艺过程中广泛应用的主要单元设备之一,同时也是一种节能设 备。换热器不仅在石油、化工、动力等工业的建设中占有重要地位,约占设备总 重量的2 0 , - - 3 0 1 ,建设费用高达1 0 - - - 4 0 1 2 1 ,而且在生产过程中总耗费中所占 的比例也相当高,因而,换热器的性能优劣,寿命长短,极大地关系着许多企业 的投资和经济效益,不少专家和学者都致力于换热器的研究。当前,强化传热和 防止流体诱导振动破坏是换热器研究中的两个主要方向。具有高传热效率,低能 耗,才能降低投资;换热器是否发生振动,影响着运行维修周期及寿命的长短。 管壳式换热器又称列管换热器,以其结构不复杂,传热面大,具有结构坚固、 操作弹性大、可靠程度高、能承受高压高温,便于管理等优点,迄今仍是化工、 石油化工、动力、核能等工业中普遍应用的换热设备。其结构图如图l l 所示。 外缘管折流板内部管柬管板 图1 1管壳式换熟器结构示意图 f i g u r e l lt h es t r u c t u r eo f s h e l la n dt u b eh e a t - e x c h a n g e r l 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 0 世纪7 0 年代的世界能源危机【州,有利地促进了传热强化技术的发展。 世界主要工业国都在2 0 世纪7 0 年代开始了强化技术的开发研究工作。大部分的 研究和成功应用都属于能源技术,即从改变传热面形状入手。改变传热面形状的 方法有多种,其中应用较多,效果较显著的有:螺旋槽纹管、横槽纹管、缩纹管、 管内加插入物、单面纵槽管、多孔表面管以及翅片管等。 同时为了强化传热,除上述改变管子外形或在管外加翅片外,另一途径就是 改变壳程挡板或管间支撑物。为了克服单弓形挡板的缺点,先后开发了双弓形挡 板,三弓形挡板,折流杆,圆盘一圆环形挡板等新型壳程结构,这些结构在我国 标准g b l 5 1 管壳式换热器中都已列入。最近国内外又研制出螺旋折流板结构, 进一步强化了壳程传热,当然,其强化传热机理,理论计算模型,加工制造工艺 等,都有待深入研究。 1 2 换热器流体诱导破坏 随着生产规模的大型化使得单体设备日趋大型化,且对设备的要求越来越苛 刻。对于换热器,设备的大型化,一方面使得折流板间距增大,管束的刚性变差: 另一方面,增大了壳程流速强化传热。这样,因流体流动( 大部分是壳程横流) 引起的振动现象显著增多【7 】,流体诱导振动引起的换热器破坏的事故明显增多, 甚至有时还伴有很大的噪音。这不仅降低了设备的寿命,造成经济损失以及损害 操作人员的健康。 据文献记载p 1 0 1 ,美、英、德、法、加、日、韩等许多国家都曾有过列管式 换热器发生管束振动或声振动造成设备失效、工厂停产的报导,有的经济损失每 年高达5 千万美元。我国北京、天津、上海等许多城市的化工厂、炼油厂、热电 厂中也曾发生换热器管束振动与声振动的事故,造成的经济损失数以百万元计。 因此流体诱发振动和防振的研究受到各国工程界与学术界的重视。 1 2 1 流体诱发振动的机理 在管壳式换热器的壳程中,单相或两相流体无论是沿管子的轴向还是横向流 过管束时,由流体流动产生的动态力作用在管子上,都将导致管子振动。至于管 子振动的机理,目前比较一致的观点是以下四种: ( 1 ) 旋涡脱落激振 这种振动起因于从管子表面上周期性脱落的旋涡所产生的周期性的流体力。 如果旋涡脱落频率与管子的固有频率一致,管子便会发生共振13 1 。处于横向流 2 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 中的单根圆管,从管子表面上脱落的周期性的旋涡,即通常所称的卡门旋涡。而 在管间距较小的管束中是否存在这种规律性的卡门旋涡,至今仍不十分清楚。但 是某种周期性脱落的旋涡导致管子共振的可能性是确实存在的,特别是在液流或 高密度的气流中,周期性的作用力相当大。因而管子的振幅也比较大。两相流体 横向流过管束,在体积含气率或空隙率占,小于1 5 时才会发生周期性旋涡脱落 激振。 ( 2 ) 湍流抖振或称湍流激振 流体绕流管子或者处于上游位置的进口接管,弯头,以及阀门等管件都会产 生湍流。由于湍流使管子表面的流场压力产生了随机性的脉动,从而使管子振动 起来。在轴向流中湍流激振是主要的激振机理【”】。在横向流中,湍流激振也 很重要。在单相与两相流时,都应该考虑这种振动。湍流激振时,管子的振幅虽 然比较小,但经历长时间振动,管子将产生疲劳,与支撑接触的管壁也将被磨穿。 表1 - 1不同流动条件下适用的激振机犁州 1 b l e1 1v i b r a t i o ne x c i t a t i o nm e c h a n i s mu n d e rd i f f e r e n tf l o wc o n d i t i o n s 轴 向 流 横 向 流 流体弹性不旋涡脱落湍流激振声共振 流动条件 稳定性激振 液体 管内气体 一 两相 液体 管外气体 + 一 i 两相 液体 单根 左气体 管外 两相 一 一 i 筻体 管束夕h 左气体 两相 幸丰最重要;幸应考虑;+ 有可能;一不适用 ( 3 ) 流体弹性不稳定性或称流体弹性激振 流体弹性不稳定性【1 7 19 】是动态的流体力与管子的运动相互作用的结果。当 流体速度较高时,流体给予管子的能量大于管子的阻尼所消耗的能量。在流体力 作用下,管子将产生大振幅的振动,很短时间内便遭到破坏。无论是气体、液体、 还是两相流体当其流过管束时,最常见到的与最具有破坏性的就是流体弹性不稳 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 定性。因此它也是最重要的激振机理。 ( 4 ) 声共振 气流横向流过管束时,当周期性的旋涡脱落频率与壳程的声驻波频率一致 时,流场与声场耦合且相互加强,便会出现声共振的现象 2 0 - 2 1 1 。在一般情况下, 只产生强烈的噪声,对换热器不会造成多大损害。但若旋涡脱落频率同时与声频 以及管子的固有频率合拍,则管子很快遭到破坏。 在核电站的蒸汽主管线中,蒸汽沿管内流动时会发生声共振。流体流过管路 中的阀门时发出的噪声,传播到管路下游也将出现声共振。 上述的四种激振机理,适用于不同的流体流动状态。其相对的重要性,可以 从表1 1 中看出。 1 2 2 国内外相关标准规范 1 2 2 1 1e m a 美国管式换热器制造商( t e m a t 2 2 】) 标准是世界上最早公布的有关管壳式管 换热器设计、制造、安装与维护方面的标准,至今已有6 5 年的历史。这部标准 不仅全面地反映了成熟的设计与制造管壳式换热器的经验,也反映了当代工程技 术的水平。因此各国工程界的普遍重视与应用。为了适应科学技术的发展,t e m a 标准每隔几年便修订一次,每次再版都有改进或新的内容补充。在近年公布的第 八版标准中正式将“流体诱发振动”从“推荐实行”改为正文,足见对此部分内 容的重视。但尽管如此在使用过程中仍然会发现一些有待进一步完善的问题。 换热器的流体诱导振动分析通常包含以下步骤:( 1 ) 流体分布计算;( 2 ) 动态 参数估算,包括阻尼,管束有效质量,管束有效刚度值;( 3 ) 用公式表达各激振 机理;( 4 ) 振动响应预计;( 5 ) 破坏程度评估,将各计算结果与允许值比较。以上 步骤在t e m a 标准中都有相应并详细的规定。 1 2 2 2a s m e 锅炉与压力容器规范第三篇附录n 一1 3 0 0 简介 为了适应核电厂设备安全运转与发展的需要,1 9 9 5 年a s m e 锅炉与压力容器 规范开始将“管与管束的流体诱发振动”作为非限定性规范列入第三篇附录n 中, 并使其成为核电厂设备制造规则以及核电厂操作维护规范的一个组成部分。实际 上其基本思路与主要内容早已发表于1 9 9 1 年的文献 2 3 中。 附录n 中有关流体诱发振动的条目共有2 6 个。主要是检验单相流体在横向 流与轴向流中管柬的振动,但不包含声振动。故应用的横向流激振机理为旋涡脱 落激振、湍流抖振与流体弹性不稳定性。而应用的轴向流激振机理则仅为湍流激 振。与t e m a 标准不同的是对所推荐的预测振动的计算公式都给以简要的说明并 标有出处。还列出设计计算的步骤。 4 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 2 3 管壳式换热器g b l 5 1 - - 1 9 9 9 附录e 简介乜帕 进入二十世纪七十年代以后,我国不少工厂不断出现换热器管束振动与声共 振的事故。试验装置中还曾发生高达1 2 5 d b 的噪声以及三频( 声频,管频,激 振频率) 共存的情况,使管子很快遭到破坏。工业实践提出了尽快解决换热器振 动的要求。在我国科学研究工作的基础上并借鉴国外的经验,全国压力容器标准 化技术委员会于组织编制钢制管壳式换热器g b l 5 1 1 9 8 9 时,以参考件的名目 将“管束振动 列入附录。目前在管壳式换热器g b l 5 1 1 9 9 9 附录e 中发布的 是经过修改和补充后的条目。其主要内容为: ( 1 ) 流体诱发振动的计算。 ( 2 ) 换热管固有频率的计算。 ( 3 ) 振动的判据。 ( 4 ) 防振措施。 1 2 3 换热器防振措施 在设计换热器时,应力求避免产生管子振动与声振动。如振动难以避免,作 为设计者,应该采取措施防止或降低其振动,使换热器在设计寿命使用期间不因 振动而破坏。下面介绍在实践中己证明有效的防止管束振动与声共振的措施。 1 2 3 1 降低壳程流速 从流体诱发振动机理【2 5 】看,流体速度与旋涡脱落频率、湍流抖振频率和流体 弹性激振有关,是引起振动的一个关键因素。当管柬的固有频率不变时,降低流 速,可使流体脉动的频率降低,从而避免共振的产生。 1 2 3 2 提高管子的固有频率 管子的固有频率与管子跨长,的平方成反比,与管材的杨氏弹性模量e 的平 方根成正比,与惯性矩,与以及单位长度管子的质量册的比值i m 的平方根成 正比。因此,增大管子的弹性模量e ;增大比值i m ;减少管子的跨长;施加轴 向拉力都可提高管子的固有频率。然而管子的材料的选择首先取决于操作的条件 以及流体介质的腐蚀性,还要考虑价格等因素;增大管子直径可以提高比值m , 然而从传热的角度来考虑,只要压力降在允许的范围内,却是希望选用尽可能小 的管径。工程上常用于提高管子固有频率的方法利2 6 】:缩短跨距;附加支承板: u 型弯管段加辅助支承,增大系统阻尼等等。 1 2 3 3 改变结构形式 主要方法【2 7 】:折流板切口处不布管,变更折流板形式;插入螺旋形间隔条。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 34 安置消声隔板 声振动排2 9 1 的产生依赖于驻波形成的条件,如果驻波形成的条件被破坏, 则声振动自然被消除。因此可以通过改变旋涡脱落频率,在出现压力波时扰乱压 力平衡,或改变空腔的特性尺寸来减弱或消除声振动。 1 3 翅片管的研究进展 翅片管换热器是人们研究得最多的一种高效换热器( 如图1 - :2 所示) 。翅片 管是组成翅片管热交换器的核心元件,其质量优劣直接影响到换热器工作性能。 圈1 2 翅片管换热器示意图 f i g u r e l - 2 f i n n e d t u b e h e a t - e x c h a n g e r 翅片管( 如图1 3 所示) 与光管相比,在消耗金属材料相同的情况下具有更 大的表面积,从直观看属于第一次强化传热,但实质上换热面积增大的同时带来 了传热系数的提高,达到二次强化传热的目的。其特点就是能有效增加传热面积 和增大传热系数,并且比较容易制造并保证操作的稳定性。换热器翅片管材料应 根据换热器的用途和操作条件等不同而选择。 ( a ) 低翅翅片管( l o w f i n n e dt u b e ) 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 1 低翅片管 ( b ) 中翅翅片管( m e d i u m f i “a e d 恤b e ) 图1 - 3 翅片管示意图 f i g u r e l - 3 f i n n e 1 我国最早开始强化技术研究的是兰州石油机械研究所。于1 9 6 4 年首先用碳 钢管轧制威低螺纹( 低肋管) 翅片管,它以光滑管为毛坯,用三个呈品字形并带 有蝶形刀片的轧辊滚轧而成,翅片与基管连成整体,无接触热阻,细密的翅片和 一定的高度使换热面积扩展到原来的3 q 倍【3 。相对于普通光管,低翅片管的 主要优越性如下”2 j : ( 1 ) 传热强化 在强化无相变传热中,以增大外表面积来实现强化传热的整体低翅片最为成 熟,应用也广泛。低翅片管与外导流筒结台使用不仅强化了传热表面,而且克服 了流体流动死区和低流速区对传热的不利影响,效果更为显著。在有相变传热中, 翅片尖端又是良好的排泄点,冷凝效果比光滑管提高5 0 以上。 ( 2 ) 抗垢性能 整体低翅片管可用于严重积垢的场合,因为一般的积垢决不会遮盖翅片全 部。当有硬而脆的积垢发生后,往往是沿着翅片边缘形成平行的垢片。在正常工 况下,由于温度变化,管子会膨胀和收缩。这种“手风琴”式的作用,使垢片自 行脱落,重新暴露出翅片金属,延缓了积垢作用的影响。 这种管一般用于以管外壳程热阻为主的情况,当壳程热阻为管程两倍以上, 使用低翅片管是合适的。但不能用来处理容易结焦的介质。 关于低翅片管的相关标准有:1 9 9 8 年公布的t e m a 管壳式换热器标准 中关于低翅片管标准:1 9 8 3 年机械工业部石油工业部、化学工业部三部颁布 钢制管壳式换热器设计规定,附录e 中推荐了螺纹( 低翅片) 换热器;1 9 9 8 年颁布中华人民共和国行业标准j b t 4 7 2 2 9 2 ,正式给出管壳式换热器用螺纹 换热管基本参数和技术条件。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 2 其它新型翅片管 随着近些年工业的发展以及技术的不断提高,为了进一步扩大传热面积,强 化对流传热,翅片管的种类也越来越多,应用越来越广泛。按照加工制造工艺分 类有热轧与冷轧的整体翅片管、高频焊接翅片管、双金属型翅片管等等。 1 3 2 1 高频焊接翅片管 高频焊接翅片管【3 3 】作为一种新型、高效传热元件已在石油化工工业中得到越 来越广泛的应用。高频电阻焊翅片管是利用流经工件表面的高频电流所产生的电 阻热加热,并在施加预锻力的情况下,将刚带焊接在钢管上形成的产品。其主要 优点是:( 1 ) 生产效率高,可连续缠绕生产;( 2 ) 成本低,焊接过程不需添加任何 填充金属材料;( 3 ) 焊接热影响区小;( 4 ) 焊接牢靠。 高频焊接翅片管能使管程壳程的热传导均匀化,当壳程传热系数显著小于管 程传热系数时,传热效果极佳。高频焊接可以有效防止在传热过程中由于翅片与 基管间不断上升的接触热阻而造成的破坏。 随着制造工艺的不断发展,各种不同形状的肋化管已开始在石化工业中应 用,高频焊锯齿型翅片管便是一种,它是在原有的常规螺旋翅片管连续光滑的螺 旋表面上加工许多槽,沿圆周成锯齿形分布,其优点是可进一步提高对流传热系 数;翅片表面上的锯齿形结构不仅具有扰动气流、阻止边界层发展的作用,而且 还能使流经它的气流产生局部涡流,使翅片表面的传热得以增强。 1 3 2 2 冷轧翅片管 冷轧翅片管【3 5 】的加工技术是近年来新开发的,是利用成型模具载铜或铝 质圆筒的外壁挤轧而产生翅片,具有无切削、省材料,生产效率高等优点。不论 是单金属还是双金属,在2 5 0 0 c 以内可以保持无缝结合,完全避免了接触热阻 的存在。冷轧翅片管的翅片沿高度方向的断面呈宝塔形,根部断面面积较大而项 部面积较小,与翅片上热流密度的分布相协调。 因冷轧翅片管结合好,无焊缝,清洗方便,在应用中形成的污垢可以及时清 洗掉,因此污垢热阻也相对较小。另外,冷轧翅片管的管与翅片之间是牢固的无 焊缝结合,不会发生焊接式结构常见的开焊事故,所以翅片管的使用寿命和可靠 性也更佳。目前较多应用于空冷,化工等工业领域。 1 3 2 3 双金属型翅片管 双金属轧制翅片管【蚓由基管和包裹在外的翅片组成,基管通常为碳钢管、不 锈钢管或铜管,将铝管套在外面,然后用专用轧机将铝管挤压成翅片,同时在基 管外形成一层薄的底层将基管紧紧裹住。 双金属翅片管的主要优点是:基管为钢管,机械性能、耐温、耐压性能和抗 腐蚀性能较好:外层材料为铝,重量轻,价格低,加工容易,有较好的抗大气腐 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 蚀能力,外形美观;翅片强度高,可以承受高压冲洗除垢;一般不会因基管腐蚀 和氧化而增加翅片和基管的接触热阻,传热性能略优于绕片式翅片管,因此应用 越来越广,特别是在炼油,化工,发电行业得到大规模应用。 1 3 3 不同翅片类型对传热的影响 翅片管按翅片类型划分有平翅片、波纹形翅片、条缝形翅片、百叶窗形翅片。 在进行强化翅片表面传热的研究 3 7 - 3 8 】,提出了各种强化换热的方法。总的来 说,有以下的几种方法:一是减小换热管的结构尺寸,采用小管径换热管代替大 管径换热管,同时减小管排间横向间距及纵向间距。二是增强空气侧的湍流强度, 可通过不断改变气流来流方向,来达到强化传热的目的,主要采用将翅片冲压成 波纹形,由此产生了波纹形翅片类型;三是采用间断式翅片表面,将翅片表面沿 气流方向逐渐断开,以阻止翅片表面空气层边界层的发展,使边界层在各表面不 断地破坏,又在下一个冲条形成新的边界层,不断利用冲条的前缘效应,达到强 化传热的目的。属于这种翅片的有条缝形翅片和百叶窗形翅片等。除平翅片外, 其它翅片较多地应用于空冷领域。 1 4 有限单元法 1 4 1 有限单元法概述 许多工程分析问题,如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁 场分析、振动特性、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等,都可归 结为在给定边界条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题,但 能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单,且几何边界相当规则的少数 问题。对大多数的工程技术问题,由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些 特征是非线性的,则很少有解析解。通常的解决途径是引入简化假设,将方程和 边界条件简化为能够处理的问题,从而得到它在简化状态下的解p 引。 有限元法的实质是采用分块近似插值函数法逼近整体连续函数,使构件强度 问题得到整体离散逼近分块连续的近似数值解,与力学中的其他数值解相比具有 很大的优越性。有限元法的通用性很强,可以应用于各种问题,所分析的问题也 可以具有任意的形状、载荷和边界条件。有限元法的另一个特征是网格与实际结 构之间高度的物理相似,网格可以将不同类型、形状和物理性质的单元混合起来, 这对于设备的模态分析和动力分析等方面的问题更是具有强大的优势。 9 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 2a n s y s 软件简介 a n s y s 软件【4 0 】是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型 通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美 a n s y s 开发,它能与多数c a d 软件接口,实现数据的共享和交换。如p r o e n g i n e e r , b i a s t r a n ,a l o g o r , i - d e a s ,a u t o c a i ) 等,是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 1 4 2 1 模态分析 模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性( 固有频率和振型) ,它 们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。a n s y s 的模态分析可以对有预应力的 结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。该分析属于线性分析。 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题: 医;) = 砰;) ( 1 - 1 ) 式中: k 1 一刚度矩阵; i 一第i 阶模态的振型向量( 特征向量) 砰一第i 阶模态的固有圆频率( 砰是特征值) l mi 一质量矩阵 1 4 2 2 谐响应分析 任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应( 谐响应) 。谐响 应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦( 简谐) 规律变化的载荷时稳态 响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应 值,通常是位移对频率的关系曲线。谐响应也是线性分析。 1 5 本文的研究目的和内容 1 5 1 研究目的 随着近些年工业的发展以及技术的不断更新升级,为了扩大传热面积,强化 对流传热,以及强化传热技术与系统优化的工作相结合,各种强化换热元件代替 光滑管的发展趋势已不可抗拒,其中用翅片管代替光滑管具有结构强度高和传热 效率高的特点,顺应这个趋势,有相当大的工业应用前景。同时,流体诱导振动 引起的换热器破坏的事故明显增多,甚至又时还伴有很大的噪音。管子振动的问 题越来越突出,换热器的防振势在必行。换热管作为换热器的重要元件,是换热 器中最柔软和最具弹性的部分,振动破坏首先发生在管子上。因此,换热管的振 1 0 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 动分析对换热器的防振具有重要的意义。光滑管振动的理论早已成熟,并在实际 应用中得到了验证。作为强化传热元件的翅片管,其固有频率,振型及阻尼等参 数的确定是换热器振动分析时必须先行解决的。但翅片管由于复杂的几何形状, 其振动分析还不是很完善。研究翅片管的固有频率,对于修订g b l 5 1 1 9 9 9 关于 管束振动部分是十分有意义的。 1 5 2 研究内容 1 5 2 1 有限元模拟计算 随着计算机技术的发展,有限元法的应用领域越来越广泛,尤其是对具有复 杂形状体系的计算,故本文采用有限单元法,对翅片管进行模拟计算研究。主要 研究翅片管几何参数对动力特性的影响,其中包括模态分析,谐响应分析。具体 内容是: 、( 1 ) 单跨翅片管几何参数以及物理特性对固有频率的影响 ( 2 ) 单跨翅片管各阶振型分析 ( 3 ) 跨数不同时的固有频率及各阶相应振型 ( 4 ) 寻求计算翅片管固有频率的有效简化公式 1 5 2 2 试验分析 建立翅片管换热器振动测试试验装置,通过强迫激振法测定翅片管的一阶和 高阶固有频率,与理论计算结果和有限元计算结果进行比较,以验证理论公式和 有限元法的计算正确性和可靠性。 天津大学硕士学位论文 第二章理论分析与简化模型 第二章理论分析与简化模型 2 i 光管的模型简化 2 1 1 多跨管频率方程的推导h ” 在计算管子的固有频率时,一般都将折流板对管子的支承作用简化为简支条 件,而将管子两端的管板对管子的支承作用简化固支条件,而在计算u 型管的 固有频率时,则是将弯管部分按简支条件进行简化,这样计算的结果往往与实验 值能很好的吻合。换热器管子横向振动的位移,可按多跨连续梁的横向振动微分 方程考虑。 _ 扭) a o ( x , o a , p x + 坐攀z x - _ _ - - _ i _ i l _ , r 如 图2 - i 管子( 横粱) 振动时的微体受力图 f i g u r e2 - is i m p l i f i c a t i o no f t h et u b ew i t hm u l t i s p a nu n d e rl l a l l s v e r s cv i b r a t i o n 如图2 1 所式,用弹性力学的方法,取管子的一小段微体,进行受力分析, 从而得到管子的一般横振微分方程,对于无阻尼的自由振动,方程可简化为如下 形式: 掣一k 4 y ( 加o ( 2 - 1 ) 式中:m 广横向振动的位移; r 沿管长的坐标距离: 卜直跨管的本征值; 天津大学硕士学位论文第二章理论分析与简化模型 七爿“4 , 彩一管子的自振圆频率;固有频率无= c o l 2 z c 一位长度管子的有效质量: b 一材料杨氏模量; 卜菅子的惯性截面矩。 方程的一般解的形式为: y ( x ) = a 扩+ b e h + c c o s k x + d s i n c r ( 2 - 3 ) 式中a ,b ,c ,d 均为常数。 根据国标g b l 5 1 1 9 9 9 ,一般情况下的支承条件:在管板端为固定支承,在 折流板处为简支。 对于多跨管的任意跨段i 来说,可将方程写成如下形式: y t ( x ) = a ie 乜+ b ie + c 。ic o s k x i + d is i n 晚1 i n ( 2 - 4 ) 由此,给出边界条件: ( 1 ) 在第i 跨的两端,挠度必然为0 y i ( o ) = 0y i ( ) = 0 ( 2 ) 在每相邻两跨之间都是简支的,必然满足下列连接条件 转角相等 y i ( ) = y i + l ( 0 ) 弯矩相等 e l y i ” ,其翅片高度与基管直径之比小于0 2 ,而目前应用的翅 片管为了提高传热效能,在设计时提高了翅片的高度,其中一部分翅片的高度与 基管直径之比接近0 5 ,翅片对整体换热管的质量和刚度相对于传统低翅片管有 着更大的影响,因此对于高翅片管的固有频率的计算是工程上需要考虑的问题。 在对于目前应用的翅片管固有频率计算中,在质量方面,一般采用单位长度 翅片管的实际质量来代替单位长度管子质量。在刚度方面可以认为,在刚度相当 的前提下,可将翅片管视为光管,该光管的内径与翅片管的内径相等,当量外径 即翅片管的当量外径介于基管外径和翅片外径( 基管半径与翅片高度之和的2 倍) 之间,当量外径与翅片高度、翅片厚度、翅片间距都有关,该函数关系可通 过相关的实验数据、有限元模拟数据来进行拟合。 天津大学硕士学位论文 第三章翅片管振动有限元模拟计算 第三章翅片管振动有限元模拟计算 对于翅片管,翅片本身的几何参数( 如翅片厚度,翅片高度,翅片间距) 将 在很大程度上影响翅片管的固有频率,现行标准和设计单位一般只有低翅片管的 计算或近似的计算方法,这些方法用于高翅片管固有频率计算是否可行,还是一 个值得探讨的问题。为此,本文采用有限元的方法进行模拟计算分析,求解翅片 管各阶固有频率和振型。 3 1 实体建模 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法:自顶向下与自底向上。自顶向下进 行实体建模时,用户定义一个模型的最高级图元,如球、棱柱,称为基元,程序 则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型, 如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和棱柱。a n s y s 程序提供了完整的布 尔运算,诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠,布尔操作能减少相当可观 的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实 体模型图元的功能。自底向上进行实体建模时,用户从最低级的图元向上构造模 型,即:用户首先定义关键点,然后依次是相关的线、面、体。 表3 - 1模型几何尺寸及材料特性 t a b l e 3 1g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e sf o rm o d e lo f f i n n e dt u b e 本文将采用自底向上与自顶向下结合的实体建模法来建立试验中的高频螺 旋焊接翅片管模型。由于翅片是以螺旋的形式绕在基管上,无法采用对称结构, 天津大学硕士学位论文第三章翅片管振动有限元模拟计算 故对翅片管进行整体建模。翅片管的模型尺寸及材料属性如表3 一l 所示。 首先统一单位( 本模型采用国际单位制) ,依次输入模型的材料属性。然后 采用自底向上的建模方法,建立翅片部分的模型。如图3 1 至3 3 所示,先建立 6 个关键点,并在柱坐标下,依次连接各点,生成螺旋线。利用a n s y s 程序中 的拖拉、延伸功能,沿着螺旋线的轨迹生成螺旋面,螺旋面的宽度为翅片厚度值, 再沿着径向方向拉伸螺旋面,即生成一个翅片模型,径向拉伸值为翅片高度值。 生成螺旋翅片的命令流文件见附录一。 l i 一一一一棚。+ - - 麒一焉= _ 一一聃 ;m _ 。 : 1 _ ”= ! 。r - 璺 图3 - 1 螺旋线图3 - 2 螺旋面图3 - 3 螺旋体 f i g u r e 3 - 1s p i r a ll i n ef i g u r e 3 2s p i r a la 北a f i g u r e 3 - 3m o d a lo f as i n g l ef - m 一个翅片生成后,其它所有的翅片只需复制该翅片即可生成,本模型根据翅 片管模型长度以及翅片间距,将翅片沿z 轴方向复制1 3 3 份,至此翅片部分模型 建立完成。用自顶向下的建模方法创建基管,该图元输入参数后便可直接生成。 如图3 _ 4 所示。使用布尔操作将翅片与基管粘接到一起,模拟翅片焊接到基管上 的实际情形。模型建立完毕,如图3 5 所示,下面进行网格划分。 ! t m 一盏 图3 4 基管 f i g u r e 3 - 4m o d e lo f b a s et u b e 3 2 网格划分 图3 - 5 翅片管模型 f i g u r e 3 5m o d e lo ff i n n e dt u b e 首先选取划分网格的单元,单元的选取将对求解所得的结果产生重大影响。 天津大学硕士学位论文 第三章翅片管振动有限元模拟计算 此模型面单元采用实体元( s o l i d 4 5 ) 、壳单元( s h c i l 6 3 ) 。 s o l i d 4 5 用于建立3 _ d 模型单元,它可以在不连续变形的条件下,所得的结 果有较高的精度,而且它的兼容性也很好,适合用于边界有曲面的模型。s o l i d 4 5 有8 个节点,每个节点有三个方向的自由度。用s o l i d 4 5 可以进行塑性,蠕变, 应力刚化,大挠度,大应变的分析。 本文为了保证模型能够获得理想的六面体单元,使用s h e l l 6 3 单元进行辅助 网格划分,但该单元不参与实际有限元求解。 为了划分出理想的网格,还需要对模型做一些额外的处理,包括:删除管端 的翅片,留下相贯面,保证模型拓扑结构的连续性;调整基管整体单元尺寸;对 翅片部分手工划分径向,环向,轴向的单元尺寸。网格划分后如图3 - 6 所示。其 中翅片部分划分是直接六面体扫掠而成,基管部分是先用s h e l l 6 3 映射基管外表 面,再用s o l i d 4 5 扫掠出六面体单元。本模型划分单元数为2 7 7 6 3 。 图3 6 划分网格后的翅片管 f i g u r e 3 6m e s h e dm o d e

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