• <center id="z5net"><em id="z5net"></em></center>
    1. <strike id="z5net"><video id="z5net"></video></strike>
    2. <tr id="z5net"><sup id="z5net"></sup></tr>

      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
      新聞動態

      管殼式換熱器的振動特性分析及模態試驗

      點擊:1755 日期:[ 2014-04-26 22:00:22 ]
                                       管殼式換熱器的振動特性分析及模態試驗                                                 童魯海                                 (杭州職業技術學院化工系,浙江杭州310018)     摘要:針對某一型號管殼式換熱器管程入口和出口處容易損壞的問題,采用有限元模態分析和試驗模 態分析相結合的方法,對其動態特性進行了分析。研究結果表明其固有頻率在180 Hz以上,避開了流體誘導振動產生的激振頻率,但需加強其管程入口和出口處的剛度和殼體螺栓連接部位的連接強度。 有限元模態分析方法可為其他類型管殼式換熱器的動態特性快速評價和可靠性優化設計提供參考。     關鍵詞:管殼式換熱器;流體誘導振動;振動特性;有限元分析;試驗分析     中圖分類號:TK172 文獻標識碼:A文章編號:1001-4551(2009)07-0046-03     0 引 言     管殼式換熱器廣泛用于化工、煉油、熱能動力等工 業行業,是一種通用性的過程設備[1]。為了提高換熱 性能,應盡可能地提高流速,而流速越高就越容易誘發 管束的振動[2]。據不完全統計,因流體誘導振動引發 換熱器局部失效甚至整體報廢的換熱器幾乎占損壞的 30%。需要在設計中采取必要的措施,使管子對激勵 的響應限制在安全范圍以內,即在換熱器的設計壽命 期內避免發生由振動引起的破壞[3]。     本研究以化工設備中某一橫流式管殼換熱器為 例,對其結構的振動特性進行基于有限元和試驗的模 態分析,為換熱器結構的設計提供參考,盡可能減小流 體誘導振動的影響。     1 流體誘導振動機理     管殼式換熱器內流體的運動十分復雜:有管束上的 橫向流、軸向流、旁通流等;管束兩端的進出口有滯留區。 各流路流體的流速和方向不斷的發生不規則的變化,使 傳熱管處在不均勻的力場中,受到流體流動的各種激發 力的作用,極易產生振動。當誘導振動的頻率與換熱器的固有頻率接近時,換熱器就會產生強烈的振動。     流體橫掠換熱管時,如果流動雷諾數大到一定程度,就會在管子背面兩側產生周期性交替脫落的反對稱漩渦尾流,即卡曼渦街。漩渦的交替產生和脫落使管子 兩側產生垂直于流向的周期性激振力,導致管子發生振 動[4],其振動頻率等于漩渦脫落頻率。當管徑一定時, 流速越大,流體誘導振動頻率也越大。當漩渦脫落頻率接近或等于管子固有頻率時,就會產生強烈的振動。     紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷供給管子能量,當紊流脈動的主頻率與管子的固有頻率相近或相等時,管子吸收能量并產生振動[5]。通常認為,當管 子間距較大時,卡曼漩渦的影響是主要的;當管子間距較小時,由于沒有足夠的空間產生漩渦分離,紊流的影響是主要的。當管子間距與管徑之比小于1. 5時,漩 渦分離一般不會引起管子大振幅的振動。     當流體橫向流過管束時,由于流動狀態的復雜性, 可能使管束中某一根管子偏離原來的靜止位置,發生瞬時位移,這會改變其周圍的流場,從而破壞相鄰管子上 的力平衡,使之產生位移而處于振動狀態。當流體速度大到某一程度時,流體彈性力對管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功,管子的響應振動振幅將迅速增大,直到管子間相互碰撞而造成破壞。研究表明,流體速度較低時,振動可能由漩渦脫落或紊流抖振引起,而在速度較高區域,誘發振動機理主要是流體激振[6]。     2 管殼式換熱器有限元模態分析     目前機械結構動力學分析大多是建立在有限元和 實驗模態分析的基礎上,本研究從理論和實驗兩個方 面研究管殼式換熱器的振動特性。     2. 1 有限元模型的建立     應用三維參數化技術及Pro/Engineer軟件,根據 管殼式換熱器的實際結構,本研究建立了其三維實體模型。將實體模型以通用格式IGES導入HyperMe 進行有限元模型的建立,以保證分析模型與設計模型的一致性,提高分析的準確性。 本研究采用四面體 十節點三維實體線性單 元對實體進行有限元網 格劃分,每個節點含有3個平移自由度,該單元具有二次迭代的特性,適用于劃分不規則網格的模型。對管束和管板、折流板的焊接部位采用焊接單元,總共有網格節點17 201個,單元數65 601個。管殼式換熱器的有限元模型如圖1所示。                                            2. 2 有限元模態結果及分析     筆者將在HyperMesh環境下建立的有限元模型導 入Nastran以進行模態分析。結構的振動可以表示為 各階固有振型的線性組合,由于低階的振型對結構的動力影響程度比高階振型大,因此,低階振型決定了結構的動態特性。在本研究中,只考慮其自由狀態的自振頻率,提取箱體的前8階模態,其結果如表1所示。                       由模態分析結果可知管殼式換熱器的固有頻率在 180Hz以上,通過該管殼式換熱器的設計參數和極限工況并結合文獻[7]的理論可得其最高激振頻率為 102Hz,從而避開了流體誘導振動產生的激振頻率,其 整體設計基本合理。     通過對管殼式換 熱器各階的模態振型比較,發現如圖2~圖 4所示第一、三、五階的模態振型具有典型的意義??芍軞な?nbsp;換熱器的螺栓連接處 和出口、入口處的相對振型較大,并且出口和入口處的模態振型與流體流向相一致,容易引起該處的強烈振動。因此在設計的時候可以考慮增加管程入口和出口處的壁厚,在安裝時有必要對螺栓聯接部位進行螺栓預緊力的校核, 防止該處在工作過程中松動甚至與殼體相脫離。                                     3 管殼式換熱器模態試驗     3. 1 試驗方案     管殼式換熱器用彈性繩懸掛在剛性框架中,近似 獲得模態測試的自由-自由邊界條件。采用LMS結 構振動測試系統進行試驗,使用PCB公司ICP型加速 度傳感器333B30采集被測點的加速度信號,通過 002C30傳輸電纜接入SC-305UTP數采前端的V12A DSP數據處理模塊,并進行加窗、平均等預處理。數采 前端和計算機連接,以實現數據的雙向傳輸。經過預 處理的各通道數據送入LMS Tes.t Lab軟件進行模態 分析。模態試驗現場如圖5所示。                            管殼式換熱器可視為連續的彈性體,具有無限多 模態。管殼式換熱器共布置測點24個,測點布置線架 模型如圖6所示。     實驗采用單輸入、多輸出(SIMO)方法,使用前端 加裝208C02力傳感器的086C40模態力錘,固定一個 敲擊點,從多個輸出測點采集信號。為了獲得高精度 的振型信息,須合理選擇激勵位置,盡可能使分析頻段 內的所有振型得到充分激勵。選取換熱器殼體上剛度 較大的5測點激勵,并且將力傳感器信號接入參考輸 入通道。試驗方案如圖7所示。                           3. 2 實驗數據采集     力錘激勵頻譜在所有頻段內可視為等強度,包含的頻率成分多,容易激起結構的多階固有模態。為提高激勵信號的信噪比,實驗中對輸入的力信號加Force-Exponential力窗,并觀察測點響應和激勵之間的相干函數,剔除相干系數在0. 8以下、錘擊質量不佳的測試數據。每次試驗測量10次,并對測量數據做線性 平均處理,將平均頻響函數作為測量結果,減少誤差。 由于試驗對象是小阻尼系統,采樣時間短,響應衰減慢,響應信號容易產生能量泄露,所以對各測點加速度響應信號加Hamming窗,加速振動的衰減,避免了頻響函數的泄露,提高了頻響函數的精度。采樣頻率設為1200Hz,頻率分辨率為0. 6Hz。     3. 3 實驗頻帶的選擇     為了充分考慮換熱器在盡可能寬地的頻率范圍的動態特性,校核換熱器在不同流體誘導振動和其他振動源的影響下,在各種可能受到的激振的頻率范圍的工作性能,本試驗將試驗分析的頻段選為0~1 024Hz,并采集管殼式換熱器在該頻率范圍的響應數據。     3. 4 試驗結果及分析                          本研究采用PolyMAX法對管殼式換熱器實驗結 果進行分析,得到的集總頻響函數圖,如圖8所示。管 殼式換熱器前8階試驗模態如表2所示。                          通過表1和表2對比發現,試驗模態參數識別得 到的各階模態參數與有限元分析得到的分析模態參數 相一致,證明了本研究所采用的有限元模態分析方法 基本正確,所得的模態參數準確反映了管殼式換熱器 的動態特性[8]。 由圖8可知,懸掛系統的基準頻率是7. 9Hz,遠遠 低于其一階固有頻率,證明本次試驗的懸掛方式滿足 了自由模態試驗的要求。     4 結束語     研究結果表明,有限元模態分析和實驗模態分析結 果相一致,模態參數較為準確地反映了本研究的管殼式 換熱器的動態特性。管殼式換熱器的固有頻率在180 Hz以上,其設計基本合理,避開了流體誘導振動產生的 激振頻率,但需要加強其管程入口和出口處的剛度,加 強螺栓結合部的聯接強度,提高整體的動態特性。 本研究的有限元模態分析基本準確,已被試驗分 析所證明,可為其他類型管殼式換熱器的動態特性快 速評價和可靠性優化設計提供參考。 參考文獻(References): [1] 劉曉紅.螺旋隔板換熱器的研究現狀及應用[J].機電工 程技術, 2008, 37(7): 52-54. [2] 程 林.彈性管束換熱器原理與應用[M].北京:科學技 術出版社, 2001. [3] 金志浩,金 文,王文江,等.振動分析在管殼式換熱器設 計中的應用[J].沈陽化工學院學報,2001,15(1):57-60. [4] GROVER L K, WEAVER D S. Cross-flow induced vibra- tions in a tube  bank-vortex shedding[J].Journal of Sound and V ibration, 1978, 59(2): 263-276. [5] WEAVER D S, GROVER L K. Cross-flow induced vibra- tions in a tube  bank-turbulent buffeting and fluid elastic in- stability[ J].Journal  of Sound and V ibration, 1978, 59 (2): 277-294. [6] BLEVINSR D. Fluid elasticwhirling of a tube row[J].Jour- nal  ofPressure VesselTechnology,1974(96):263-267. [7] 賴永星.換熱器管束動態特性分析及流體誘導振動研究 [D].南京:南京工業大學機械與動力工程學院, 2006. [8] 侯 靜,張亞新,韓維濤.基于ANSYS的U型管換熱器結 構優化設計[J].輕工機械, 2006, 24(1): 26-28. [編輯:羅向陽] 
      上一篇:熱管換熱器在工業鍋爐及工業窯爐(冶煉爐)中的應用 下一篇:淺談換熱管脹焊并用連接制造換熱器管板

      相關資訊

      Copyright ?2008 哈雷換熱設備有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技園西塢金水路 電話:0086-574-88661201 傳真:0086-574-88916955
      換熱器 | 板式換熱器 | 釬焊板式換熱器 | 冷卻器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式換熱器 | 網站地圖 | XML 浙ICP備09009252號 技術支持:眾網千尋
      无码绝顶敏感痉挛抽搐潮喷