管壳式换热器振动疲劳与强化传热技术评析

2009年07月24 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：说明了利用流体诱导振动来强化传热和开发新型复合技术对换热器优化运行的重要性,并结合工程实际给出了振动疲劳的定义。分别对管壳式换热器壳程流体工作流速的一般分析方法和双程强化传热技术进行了评析。以换热器内能量平衡的观点为依据,给出管束长期在振动疲劳效应下工作时,计算壳程流体工作流速的一般流程。最后,确信必须通过应用新型传热元件、利用计算机技术、完善专家系统和丰富故障诊断经验,才能更加有效地利用流体激振的能量强化传热,进一步延长管束的使用寿命,使整个换热系统更好地服务于工业生产。

换热器内流体的诱导振动和换热管上污垢热阻的存在是工程实际中很难解决的问题。目前,换热器内流体工作流速的确定还是以基于试验的“临界流速”为主要参考依据。强化传热的方法也很多并且取得了一定的效果,利用诱导振动的能量来强化传热具有一定的现实意义,但是要求换热器的几何尺寸和传热元件要发生相应的改变。

1临界流速的确定方法

1.1一般性方法

为了满足工艺对设备的要求,换热器内的流体必须在一定的流速下运行,当流体的速度超过一定的界限时,换热器管束便出现异常的状态。通常此流速可以表述为“疲劳临界流速(ν1)”、“碰撞临界流速(ν2)”和“剪切临界流速(ν3)”3种形式[1]

从以上3式可以看出,每一类“临界流速”都可能引起传热元件的振动加大,进而对其构成威胁。管束上流体的流速除受系统质量与阻尼参数影响较大外,还受到管束中每根管子固有频率的差异、换热器内流体的分布状态、管束上流体的紊乱程度、管束布置方式等影响。因此,目前普遍采用基于大量试验的“临界流速”公式对工作流体进行分析。其中比较典型的为Connors无量纲“临界流速”公式[2]:

1.2振动疲劳方法

目前对振动疲劳尚未有统一的定义,相关文献对换热器管束的表述为:如果整个管束系统的动态特性对外来载荷的激励所产生的响应明显,并由此而产生管束的疲劳失效,可以定义为振动疲劳问题。由于管壳式换热器长期在工业流体的冲击下工作,加之外界环境与内部结构对其性能影响也很大,所以从工程应用角度出发,把其失效的主要原因表述为流体激振力作用下的振动疲劳破坏更加实际。管束在振动过程中,系统阻尼(结构阻尼、内部阻尼、流体阻尼)为主要的耗能方式。当管束振动振幅较小时,流体弹性力做功大于系统阻尼消耗的功,因此振幅增大。随着振幅的增加,阻尼功增加的更快,使阻尼功大于流体力做功,振幅下降。当流体力做功与阻尼消耗功相等时便达到能量平衡状态,管束的疲劳失效是其长期在平衡状态左右运行形成的。

图1是以振动疲劳效应为基础的工作流速的确定方法流程图。

设备检测主要针对换热器容易失效的部位(如材料不连续、结构不连续、几何不连续、易受流体冲刷的部位等),此项工作很大程度上要依靠工程实际经验。由于换热器内流体的流动状态十分复杂,其影响因素众多,由以上关系得到的疲劳临界流速还需根据经验进一步修正,才能得到工作流速。流体的流速高是换热器发生疲劳失效的根本原因,无论是经验公式,还是能量平衡方法,都可以为控制流体流速提供保障,保证设备安全运行,但换热效率却往往达不到工艺的要求。为了补偿限制流速所造成的对流换热系数的降低,工业上普遍采用改变换热器结构的强化技术。

2强化传热方式

强化传热的方法很多,是提高设备工作效率的有效途径,更是实施节能减排,倡导绿色环境的必然要求。值得指出的是:换热器强化传热是换热管表面及支撑结构的配合强化,所以要根据传热物流的不同,把壳程强化传热与管程强化传热进行有机结合,同时还要满足管壳程在结构上的优化配合。主要的强化传热方式有以下两大类。

2 .1壳程强化传热

1)使用螺旋折流板换热器可以有效地强化传热,螺旋通道内柱状流的速度梯度影响流体边界层的形成促使传热系数增加[3-4],是其主要的强化传热机理。它还可以减小动力消耗,不同的螺旋角所起到的积极作用也有一定的差异。

2)从支撑结构出发,可以采用盘环形折流板换热器、折流栅换热器、空心环网板、换热管自支撑式(刺孔膜片管、变截面管等)、螺旋扭片支撑[5-6]等来改变传热性能

3)利用计算流体动力学技术、仿真、专家系统,对换热器壳程流体进行模拟[7],可以达到对流体的温度场及速度场进行明确分析的目的。

2.2管程强化传热

1)通过改变管的形状来改变流体的边界层或产生二次流进行强化,如螺旋波纹管、缩放管、横纹管、旋流管和螺旋扁管等[8]。2)管内插入一定的物件(螺旋线圈、错开扭带、花丝、螺旋弹簧、静态混合器等)同样可以达到强化传热的目的[9-10],此方法不但强化作用明显,有时还会起到一定的自洁作用各种插入物强化传热的机理可以综合表述为:插入物使流体形成旋转流、流体边界层被破坏、中心流体与管壁流体形成置换、流体产生二次流4种形式,所不同的是各种插入物对流体产生的旋流方向和扩散程度有所差异。3)采用混合和新型材料的管束来进行强化传热[11]。

从以上几种管程和壳程强化传热的途径可以看到,虽然换热器的传热性能可以增强,但是传热元件的加工制造、运行技术经济比较、安全性及对环保的影响、运行动力消耗、腐蚀等也成为重要而又客观的问题,这便需要在实际应用中根据工艺要求做出合理的取舍。利用“临界流速”来限制振动和强化传热技术有各自的特征,目前,利用流体诱导振动自身的能量进行强化传热已经与以上矛盾形成了互补,工程中已经有许多实例。

3相关分析

换热器内流体的诱导振动是工程实际中存在的难题。为了增加传热功率,有些新型换热器应用了管程与壳程同时强化技术,有的甚至还把同一根换热管加工成不同的形状来达到目的。振动本身对强化传热是有益的。它可以减少污垢热阻的产生,增加了对流传热系数,但工业发展史已经证明,利用外来激励增加对流传热系数和减小污垢热阻的方法理论上可行,但实际应用的很少。目前,复合强化技术发展的空间很大,在流体换热方法上已经出现了内插纽带的粗糙管、流体超声波振动与波纹管[12]、固体颗粒添加剂与扩展换热面结合等一系列新技术[13]。利用现有的手段也可以采用类似于螺旋弹簧或弹性波纹管的新型传热元件,它可以在流体的诱导振动下自由伸缩而不发生疲劳失效,利用它吸收的能量来抑制污垢热阻的产生,并且增加流体的湍流程度,从而达到强化传热的目的。这样,便可以弥补利用限制流体流速的方法预防诱导振动对生产工艺造成的影响,同时也降低了强化传热对设备制造工艺复杂程度的要求。

4结语

流体诱导振动是生产实际中无法避免的事实,强化传热也是人们一直追求的目标。由于污垢热阻对换热效率的影响很大[14],如果进一步积极利用诱导振动的能量来强化传热,不但效果明显,一定程度上还可以有效防止换热器管束的疲劳失效。但是,利用诱导振动来强化传热必须开发新的传热元件,这还需要进一步的努力。

参考文献:

[1]钱颂文,岑汉钊,曾文明.换热器流体诱导振动———机理、疲劳、磨损、设计[M].北京:烃加工出版社,1989:81-83.

[2]张俊杰,刘红,张恒斌,等.用参数多项式方法分析管束流动中振动圆管的流体激振特性[J].中国电机工程学报,2003,23(9):173-177.

[3]肖峰,时晓锐,杜拴,等.管壳式换热器传热强化的研究与开发[J].化工时刊,2006,20(7):19-21.

[4]王秋旺.螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展[J].西安交通大学学报,2004,38(9):881-886.

[5]马有福,袁益超,刘聿拯,等.管壳式换热器壳侧强化传热技术的研究与进展[J].电站系统工程,2005,21(3):41-43.

[6]吴金星,王定标,董其伍,等.纵流式换热器壳程层流流动与传热的数值模拟[J].石油机械,2002,30(7):15-18.

[7]梁晓军,岳希明,吴金星,等.换热器管内强化传热的模拟分析[J].郑州轻工业学院学报,2003,18(3):32-34.

[8]方书起,祝春进,吴勇,等.强化传热技术与新型高效换热器研究进展[J].化工机械,2004,31(4):249-253.

[9]钱颂文,岑汉钊,江楠,等.换热器管束流体力学与传热[M].北京:中国石化出版社,2002.