Cause di vibrazione e rumore negli scambiatori di calore a guscio e tubo e misure preventive

Vibrazione dello scambiatore di calore

All'aumentare della scala di produzione, le dimensioni dello scambiatore di calore, la portata del fluido e la campata del supporto aumentano, anche oltre i limiti ammissibili, riducendo così la rigidità del fascio del tubo e aumentando il potenziale di vibrazione.

Le vibrazioni possono causare perdite del tubo, usura, affaticamento, frattura e persino rumore di accompagnamento, che non solo riduce la vita dell'attrezzatura, ma è anche dannoso per la salute delle persone. Una volta che si è verificato un incidente, le vibrazioni richiedono spesso molto tempo per analizzare e riparare. A causa della complessità dei fattori che influenzano le vibrazioni, alla difficoltà di stimare l'entità dell'effetto di smorzamento e la difficoltà nel determinare il tasso di usura e danno del tubo, che non possono ancora essere descritti da semplici equazioni matematiche, si può dire che il teorico I metodi di calcolo utilizzati finora non possono essere utilizzati per analizzare le vibrazioni accuratamente nella pratica ingegneristica. I codici esistenti per gli sceneggiatori di calore mancano anche di regolamenti chiari sui metodi di analisi delle vibrazioni e le linee guida di progettazione per la prevenzione delle vibrazioni. Tuttavia, è stato dimostrato che se i risultati della ricerca esistenti possono essere utilizzati per effettuare le stime e le analisi delle vibrazioni necessarie durante la progettazione e possono essere prese alcune misure di prevenzione delle vibrazioni, è possibile evitare per lo più alcune vibrazioni distruttive.
Cause di vibrazione indotta da fluidi

Il fascio del tubo dello scambiatore di calore appartiene all'elastomero ed è disturbato dal fluido che scorre attraverso di esso, lasciando la sua posizione di equilibrio, il tubo produce vibrazioni, questa vibrazione è chiamata vibrazione indotta dal flusso. In effetti, ogni scambiatore di calore nel lavoro di più o meno vibrazioni, la fonte di vibrazione può essere il lato del guscio o il lato tubo del flusso di fluido causato dalla vibrazione; fluttuazioni della velocità fluida o pulsazioni causate da vibrazioni; attraverso il tubo o la propagazione di supporto delle vibrazioni meccaniche di potenza e così via. A volte le fonti di vibrazione possono essere più e una o più di esse possono essere la principale fonte di vibrazione. Esistono fonti di vibrazione che sono relativamente facili da prevedere, mentre le vibrazioni indotte da fluidi sono più difficili da anticipare.

Alcune esperienze sperimentali e operative hanno dimostrato che le vibrazioni negli scambiatori di calore sono principalmente causate dal flusso di fluido sul lato del guscio, con vibrazioni causate dal flusso di fluido sul lato del tubo spesso trascurabile. In generale, nel fluido lato guscio, il flusso longitudinale parallelo alla direzione dell'asse del tubo è eccitato dalla piccola ampiezza della vibrazione, la vibrazione causata dalla probabilità di danno strutturale, ma anche molto più piccolo del flusso trasversale. Pertanto, è la vibrazione causata dal flusso trasversale che è di maggiore preoccupazione.

Sono state riconosciute tre diverse cause di vibrazioni indotte dal fluido: spargimento di vortice, jitter turbolento e rotazione elastica fluida (o instabilità elastica fluida).



(1) Spazio di vortice

Quando il fluido scorre trasversalmente attraverso un singolo cilindro, con un grande numero di Reynolds, il tubo dopo il flusso di coda nella formazione del vortice di Carmen (Karman) (o Carmen Vortex Street) in modo che le due colonne di vortici si alternino Periodicamente, risultando in una certa frequenza di spargimento. Quando il fluido scorre lateralmente attraverso il fascio, lo stesso vortice di Karman viene creato dietro il fascio e per fasci di piccoli passi questo fenomeno si verifica solo nelle prime file alla periferia del fascio, per grandi pacchetti può verificarsi in tutto il fascio. Quando lo spargimento del vortice, il fluido esercita una forza positiva e negativa alternata sul tubo circolare, la frequenza di questa forza è la stessa della frequenza di spargimento del vortice, che fa vibrare il tubo circolare perpendicolare alla direzione del flusso a o vicino alla vortice Frequenza di spargimento. Se la frequenza di vibrazione del tubo circolare è uguale a una frequenza di spargimento multipla o approssimativa del vortice, il vortice viene liberato uniformemente lungo lo stesso tempo lungo l'intero intervallo del cilindro (tubo circolare) alla stessa frequenza, con la frequenza di spargimento e frequenza di vibrazione sincronizzata, che è nota come risonanza.

Lo spargimento di vortice stesso può anche produrre un certo suono. Ciò è dovuto al fatto che in determinate condizioni ecciterà un'onda stazionaria di un certo ordine tra le due pareti della camera a gas, perpendicolare sia al tubo che alla direzione del flusso, come mostrato nel diagramma seguente. Questa onda permanente si riflette avanti e indietro tra le pareti in cui si trova il fascio del tubo e non diffonde energia verso l'esterno, mentre lo spargimento di vortice inserisce costantemente energia. Quando la frequenza delle onde permanenti e la frequenza di spargimento del vortice sono accoppiate, viene indotta una forte vibrazione delle onde acustiche della camera a gas - la vibrazione del gas - che genera molto rumore.
(2) rotazione elastica fluida

Quando un gas scorre lateralmente attraverso un fascio di tubi, le forze del fluido generate dall'asimmetria del fluido possono causare uno spostamento istantaneamente da spostare un tubo nel fascio dalla sua posizione originale, alternando così il campo di flusso e distruggendo l'equilibrio ai tubi adiacenti, causando loro anche lo sfollato e in uno stato di vibrazione. Se non c'è abbastanza smorzamento per dissipare l'energia, l'ampiezza aumenterà fino a quando i tubi si colpiscono e causano danni, tale vibrazione è chiamata vibrazione elastica fluida. A differenza del primo, la perdita di vortice è un fenomeno instabile che si verifica dietro il tubo e fa vibrare il tubo. È un fenomeno idrodinamico che non dipende affatto dal movimento del tubo, mentre la rotazione elastica del fluido non è determinata da alcun fenomeno instabile, ma è generata dall'interazione dei campi di flusso dei tubi adiacenti.

(3) jitter turbolento

Il flusso turbolento di fluido in tutte le direzioni in una vasta gamma di frequenze ha componenti di fluttuazione casuali, quando il fluido flusso a valle o laterali attorno all'esterno del tubo, questi componenti turbolenti all'energia di trasferimento del tubo, con conseguente vibrazione casuale del tubo, questo Il tipo di turbolenza generata dal lato guscio del flusso del fluido attraverso il fascio del tubo causato dalla vibrazione del tubo, è la forma di vibrazione più comune, quando la frequenza principale di questa fluttuazione turbolenta e la frequenza intrinseca del tubo coincidono si verifica la risonanza. Se il fluido sul lato del guscio è un gas, la frequenza principale della vibrazione turbolenta del jitter può anche produrre risonanza acustica a una certa velocità.

I tre studi di cui sopra mostrano che la vibrazione del fascio del tubo è strettamente correlata sia alla frequenza intrinseca del tubo sia alla frequenza di vibrazione acustica della camera a gas.

Previsione e prevenzione delle vibrazioni

I pericoli causati dalle vibrazioni sono così grandi che dovrebbero essere somministrate in tempo per ridurre al minimo il potenziale per le vibrazioni indotte dal fluido. L'eliminazione di tutte le possibilità di eccitazione del fascio di schieramenti di calore è il modo più fondamentale per prevenire le vibrazioni, e quindi prevedere o calibrazione della vibrazione degli scambiatori di calore a guscio e del tubo dovrebbe essere fatto come una parte importante della garanzia del funzionamento sicuro dello scambiatore di calore.

Tuttavia, le vibrazioni non causano necessariamente danni meccanici e molti scambiatori di calore vibrano ma non hanno incidenti. Ciò non significa, ovviamente, che le vibrazioni possano essere ignorate. Quando è probabile che i risultati previsti si verifichino vibrazioni, è possibile adottare alcune delle seguenti misure di prevenzione delle vibrazioni e smorzamento.

(1) Ridurre la portata sul lato del guscio. Se la portata sul lato del guscio è costante, la distanza del tubo può essere aumentata. Questo metodo è più fattibile quando c'è un limite di caduta di pressione nel design, ma aumenterà il diametro del guscio o aumenterà la lunghezza del tubo.

Se l'ingresso e l'uscita singola originali situati su entrambe le estremità del guscio (flusso del fluido attraverso il guscio immediatamente attorno alla piastra di piegatura) nell'ingresso nel mezzo, l'uscita su entrambe le estremità dello scambiatore di calore a flusso diviso, il fluido sarà Essere divisi in due metà da entrambe le estremità del deflusso del guscio, come mostrato nella figura seguente, può ridurre notevolmente la velocità del flusso incrociato.
(2) Aumentare la frequenza intrinseca del tubo. La frequenza intrinseca del tubo è inversamente proporzionale al quadrato della campata di supporto, quindi ridurre la campata di supporto del tubo è il modo più efficace per aumentare la frequenza intrinseca del tubo.

Se il tubo non è allineato alla tacca del deflettore ad arco, quelle campate originariamente supportate solo ad ogni intervallo del deflettore possono essere ridotte, aumentando la frequenza intrinseca. Questo metodo si afferma che sia la soluzione più efficace al problema delle vibrazioni ed è mostrato nel diagramma seguente. Se necessario, è possibile aggiungere una piastra di supporto intermedia (una piastra di supporto con entrambe le estremità tagliate) tra le due piastre piegate, il che non ha alcun effetto sulla caduta di pressione ma ha un effetto benefico sul trasferimento di calore. La frequenza intrinseca può anche essere aumentata cambiando il tubo o aumentando lo spessore della parete, ma l'effetto non è significativo.
(3) Aumentare la frequenza di vibrazione del suono. Inserire la piastra di smorzamento delle vibrazioni nel guscio, in modo che la sua direzione di larghezza sia parallela alla direzione del flusso incrociato e alla sua direzione di lunghezza parallela all'asse del tubo, in modo che la frequenza di vibrazione del suono possa essere aumentata, in modo che non sia coerente con La frequenza della perdita di vortice e delle vibrazioni di jitter turbolenta. La posizione della piastra di smorzamento delle vibrazioni dovrebbe essere sul ventre dell'onda della forma d'onda stazionaria delle vibrazioni del suono.

(4) Dalla struttura, aumentare lo spessore della piastra piegata o della piastra di supporto intermedia, quando lo spazio del foro è certo, può ridurre l'effetto di taglio sul tubo e aumentare lo smorzamento del sistema. Le scaglie di lavorazione su entrambi i lati del foro della piastra del deflettore hanno un certo effetto sulla riduzione del danno delle vibrazioni.

Oltre all'attenzione strutturale per evitare le vibrazioni, è necessario prestare attenzione allo scambiatore di calore operativo per quanto riguarda alcuni dei suoi fattori influenti, ad esempio: non consentire alla portata del diametro del guscio di superare i limiti consentiti dall'analisi delle vibrazioni, anche per Brevi periodi di tempo, è dannoso per la durata dello scambiatore di calore.
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