シェルおよびチューブの熱交換器と予防措置の振動と騒音の原因

熱交換器の振動

生産のスケールが増加すると、熱交換器のサイズ、流体の流量、およびサポートのスパンはすべて、許容限界を超えてもすべて増加し、チューブバンドルの剛性を減らし、振動の可能性を高めます。

振動は、チューブの漏れ、摩耗、疲労、骨折、さらには耳の分割騒音を引き起こす可能性があります。これは、機器の寿命を減らすだけでなく、人々の健康にも有害です。インシデントが発生すると、振動は分析と修復に長い時間がかかることがよくあります。振動に影響を与える要因の複雑さ、減衰効果の大きさを推定することの難しさと、単純な数学方程式ではまだ説明できないチューブの摩耗と損傷の速度を決定することの難しさのために、理論的であると言えます。これまでに使用されていた計算方法は、エンジニアリングの実践で振動を正確に分析するために使用することはできません。熱交換器の既存のコードには、振動分析方法と振動予防に関する設計ガイドラインに関する明確な規制もありません。ただし、既存の研究結果を使用して、設計中に必要な推定値と分析を行うことができ、いくつかの振動予防措置を講じることができれば、いくつかの破壊的な振動をほとんど回避できることが証明されています。
流体誘発性振動の原因

熱交換器のチューブバンドルはエラストマーに属し、液体が流れるように乱れ、平衡位置を残して振動を生成し、この振動は流れ誘導振動と呼ばれます。実際、多かれ少なかれ振動の作業における各熱交換器、振動の源は、振動によって引き起こされる流体の流れのシェル側またはチューブ側である可能性があります。振動によって引き起こされる流体速度の変動または脈動。パイプまたはサポート電力の機械的振動などを通じて。時々、振動の原因が多い場合があり、それらの1つ以上が振動の主な原因である場合があります。予測が比較的簡単な振動の原因がありますが、流体誘発性の振動を予測するのはより困難です。

いくつかの実験的および運用上の経験により、熱交換器の振動は、主にシェル側の流体の流れによって引き起こされることを示しており、チューブ側の流体の流れによって引き起こされる振動がしばしば無視できることが示されています。一般に、シェルサイドの流体では、チューブ軸の方向に平行な縦流は、振動の小さな振幅、構造的損傷の確率によって引き起こされる振動によって励起されますが、横方向の流れよりもはるかに小さい。したがって、より大きな懸念があるのは、横方向の流れによって引き起こされる振動です。

流体による振動の3つの異なる原因が認識されています：渦の脱落、乱流ジッタリング、流体の弾性回転（または流体の弾性不安定性）。



（1）渦の脱落

流体が1つのシリンダーを横切って大きなレイノルズ数で横断すると、カルメン（カルマン）渦（またはカルメン渦通り）の形成で尾の後のチューブが流れ、反対方向の渦の2つの列が交互になります。定期的に、特定の脱落周波数をもたらします。液体がバンドルを横切って流れると、同じカルマンの渦がバンドルの後ろに作成され、小さなピッチバンドルの場合、この現象はバンドルの周辺の最初の数行でのみ発生します。渦が脱落すると、液体が円形チューブに交互に正と負の力をかけると、この力の周波数は渦の脱落周波数と同じであり、渦の流れまたは近くの流れの方向に対して垂直に振動します。排出頻度。円形チューブの振動周波数が渦の脱落周波数の複数または近似に等しい場合、渦は同じ周波数のシリンダー（円形チューブ）の完全なスパンに沿って同時に均一に脱落し、脱落周波数と共鳴として知られている振動周波数が同期しました。

渦の脱落自体も特定の音を生み出すことができます。これは、特定の条件下では、下の図に示すように、チューブと流れ方向の両方に垂直に、ガス室の2つの壁の間にある秩序の立場を励起するという事実によるものです。この立ち波は、チューブバンドルが配置されており、エネルギーを外側に広げない壁の間を行き来しますが、渦の脱落は常にエネルギーを入力しています。立ち波周波数と渦の脱落周波数が結合されると、ガスチャンバーの強い音響波動振動が誘導されます - ガス振動 - は、多くのノイズを生成します。
（2）流体弾性回転

ガスがチューブバンドルを介して横方向に流れると、流体の非対称性によって生成される流体力がバンドル内のチューブを元の位置から瞬時に変位させ、流れ場を交互に変換し、隣接するチューブの平衡を破壊する可能性があります。それらを変位させ、振動状態にします。エネルギーを消散するのに十分な減衰がない場合、チューブが互いに衝突して損傷を引き起こすまで振幅が増加します。そのような振動は、流体弾性振動と呼ばれます。前者とは異なり、Vortex Sheddingはチューブの後ろで発生し、チューブを振動させる不安定な現象です。流体の弾性回転は不安定な現象によって決定されるのではなく、隣接するチューブの流れ場の相互作用によって生成される一方、これは流体力学的現象であり、流体の弾性回転は決定されます。

（3）乱流ジッター

さまざまな周波数のあらゆる方向の流体の乱流にはランダムな変動成分があります。これは、チューブの外側または外側の流れがチューブの外側または横方向の流れ、チューブ移動エネルギーへのこれらの乱流成分を引き起こし、チューブのランダムな振動をもたらします。流体のシェル側によって生成される乱流の種類は、チューブの振動によって引き起こされるチューブバンドルを通る流体の流れによって生成されます。これは、この乱流変動の主な周波数とチューブの固有周波数が一致する場合、典型的な乱流の最も一般的な形式です。共鳴が発生します。シェル側の液体がガスである場合、乱流ジッター振動の主な周波数も特定の速度で音響共鳴を生成する可能性があります。

上記の3つの研究は、チューブバンドルの振動が、チューブの固有周波数とガス室の音響振動周波数の両方に密接に関連していることを示しています。

振動予測と予防

振動によって引き起こされる危険性は非常に大きいため、設計時には、流体誘発振動の可能性を最小限に抑えるために考慮すべきです。熱交換器チューブバンドルの励起のすべての可能性を排除することは、振動を防ぐための最も基本的な方法であり、したがって、シェルとチューブの熱交換器の振動を予測または調整することは、熱交換器の安全な動作を確保するための重要な部分として行うべきです。

ただし、振動は必ずしも機械的損傷を引き起こすわけではなく、多くの熱交換器が振動しますが、事故はありません。これは、もちろん、振動を無視できることを意味するものではありません。予測された結果が振動が発生する可能性が高い場合、次の振動予防と減衰測定の一部をとることができます。

（1）シェル側の流量を減らします。シェル側の流量が一定の場合、パイプ距離を増やすことができます。この方法は、設計に圧力降下の制限がある場合、より実現可能ですが、シェルの直径が増加するか、チューブの長さが増加します。

シェルの両端にある元の単一の入口と出口（折り畳み式プレートの周りのシェルを一度に流れて流れます）が中央の入口、スプリットフロー熱交換器の両端の出口にある場合、流体は下の図に示すように、シェル流出の両端から2つの半分に分割すると、クロスフロー速度を大幅に減らすことができます。
（2）チューブの固有の周波数を増やします。チューブの固有の周波数は、サポートスパンの正方形に反比例するため、チューブのサポートスパンを減らすことは、チューブの固有の周波数を増やす最も効果的な方法です。

チューブがお辞儀をしたバッフルのノッチに並んでいない場合、バッフルの各間隔でのみサポートされていたスパンを短くすることができ、固有の周波数が増加します。この方法は、振動問題の最も効果的な解決策であると主張されており、以下の図に示されています。必要に応じて、2つの折り畳まれたプレートの間に中間支持体プレート（両端が切り取られたサポートプレート）を追加できますが、圧力降下には影響しませんが、熱伝達に有益な効果があります。固有の周波数は、チューブを変更したり、壁の厚さを増加させたりすることで増加させることもできますが、効果は有意ではありません。
（3）音の振動周波数を増やします。シェルに振動湿潤プレートを挿入し、その幅方向が交差流の方向とチューブの軸に平行な長さ方向に平行になり、音の振動周波数を増加させるために、渦の脱落と乱流のジッター振動の頻度。振動湿潤プレートの位置は、音の振動状態の波の腹部にある必要があります。

（4）構造から、穴のギャップが確実な場合、折り畳まれたプレートまたは中間支持板の厚さを増加させ、チューブのせん断効果を低下させ、システムの減衰を増加させます。バッフルプレートボアの両側にチャンファーを加工すると、振動の損傷を減らすことに特定の効果があります。

振動を避けるための構造的な注意に加えて、その影響力のある要因のいくつかに関して、動作熱交換器にも注意を払う必要があります。短期間は、熱交換器のサービス寿命に有害です。
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