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      兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的研究進(jìn)展*

      2016-12-25 01:11:31劉寶慶陳小閣黃博林鄭毅駿
      化工機(jī)械 2016年2期
      關(guān)鍵詞:含氣率管束管子

      劉寶慶 陳小閣 陳 濤 黃博林 鄭毅駿

      (1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所;2.浙江和田化工有限公司)

      兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的研究進(jìn)展*

      劉寶慶1陳小閣1陳 濤2黃博林1鄭毅駿1

      (1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所;2.浙江和田化工有限公司)

      介紹了兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的破壞形式和機(jī)理,總結(jié)了實(shí)驗(yàn)研究中兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的主要影響因素及其相關(guān)計(jì)算公式,同時(shí)回顧了現(xiàn)階段的一些有關(guān)兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)獲得的成果。

      換熱器 管束振動(dòng) 兩相橫向流 含氣率 兩相阻尼

      管殼式換熱器的殼程流體在管束間的流動(dòng)沖刷會(huì)引起管束振動(dòng),在U形管處尤其明顯。而換熱器管束振動(dòng)會(huì)引起管子的微量磨損和疲勞,增加了換熱管的維修和更換費(fèi)用。對(duì)于緊湊型換熱器來(lái)說(shuō),換熱管磨損甚至有可能使之整體報(bào)廢。一般而言,縱向流誘發(fā)換熱管振動(dòng)的振幅較小,對(duì)管子的磨損和疲勞影響可以忽略。而目前過(guò)程工業(yè)中絕大部分換熱器內(nèi)部設(shè)有折流板,殼程流體在受到折流板的限制后將改變路徑橫向掠過(guò)管束,這比未設(shè)置折流板的軸向流更易誘發(fā)管子振動(dòng),因此橫向流誘發(fā)換熱管振動(dòng)是流體誘發(fā)振動(dòng)的主要形式。

      工業(yè)中常用的換熱器(如核蒸汽發(fā)生器、冷凝器)和鍋爐中均存在兩相流體誘發(fā)的振動(dòng),相比單相流體來(lái)說(shuō),兩相流體誘發(fā)的振動(dòng)更為復(fù)雜。為此,國(guó)內(nèi)外研究人員從實(shí)驗(yàn)和工程的角度對(duì)兩相流體誘發(fā)換熱器振動(dòng)的原因和影響因素進(jìn)行了研究?;趽Q熱器管束間的氣液兩相流特性,陳斌和邱鋒歸納了流型、含氣率及壓降等因素誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的研究進(jìn)展[1]。洪文鵬等介紹了基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的流型圖、預(yù)測(cè)含氣率、摩擦壓降半經(jīng)驗(yàn)公式和各種預(yù)測(cè)方法的差異[2]。筆者在分析兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的破壞形式和機(jī)理的基礎(chǔ)上,從兩相流、含氣率及兩相阻尼等多個(gè)角度總結(jié)了影響兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的因素。

      1 換熱器管束振動(dòng)的破壞形式

      換熱器管束振動(dòng)的破環(huán)形式主要有碰撞損傷、折流板切割、管與管板連接處泄漏、疲勞破壞及聲振動(dòng)等[3]。相鄰的換熱管之間或換熱管與管板之間由于振幅較大而相互碰撞,長(zhǎng)此以往將導(dǎo)致管子壁厚減薄,甚至破裂。當(dāng)換熱管與折流板的管孔間存在間隙時(shí),換熱管在管孔處振動(dòng)時(shí)如同受到折流板的切割。換熱管振動(dòng)易引起管子松動(dòng),導(dǎo)致管子從管板連接處脫離而發(fā)生泄漏。換熱管振動(dòng)時(shí)受到交變應(yīng)力的作用,長(zhǎng)時(shí)間的累積會(huì)引起換熱器管束疲勞。殼程中存在氣體且氣柱振蕩產(chǎn)生的駐波頻率與旋渦頻率一致時(shí),會(huì)引起強(qiáng)烈的噪聲,過(guò)高的聲壓會(huì)損壞換熱器的殼體。

      圖1為某冷凝器的第一塊折流板與換熱管的損壞情況,可以看出,強(qiáng)烈的振動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致折流板管孔處斷裂,換熱管受到嚴(yán)重磨損[4]。圖2為某大乙烯裝置中由管束振動(dòng)引起的泄漏情況,可以看出,隨著換熱器的大型化和流動(dòng)的高速化,振動(dòng)引起換熱器破壞的可能性隨之增加。

      圖1 某冷凝器的折流板與換熱管損壞情況

      圖2 某大乙烯裝置中管束振動(dòng)引起的泄漏情況

      2 兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的機(jī)理

      在管殼式換熱器中,相比單向流或兩相軸向流,兩相橫向流更加常見(jiàn)。通過(guò)多年研究可知,兩相橫向流誘發(fā)振動(dòng)的機(jī)理目前比較一致的觀點(diǎn)是旋渦脫落、湍流抖振和流體彈性不穩(wěn)定性[5]。

      2.1旋渦脫落

      通常認(rèn)為,在含氣率小于0.15時(shí),兩相流才存在周期性脫落的旋渦。當(dāng)旋渦脫落的頻率與管束固有頻率相近時(shí),管子發(fā)生共振,產(chǎn)生大幅度振動(dòng)。單相流的旋渦脫落頻率可根據(jù)斯特勞哈爾由實(shí)驗(yàn)得到的公式計(jì)算[6]:

      式中d——管子外徑,m;

      f——旋渦周期性脫落頻率,Hz;

      St——斯特勞哈爾數(shù),與雷諾數(shù)Re有關(guān)的無(wú)量綱數(shù);

      v——流速,m/s。

      蘇新軍等提出在兩相流橫掠錯(cuò)列管束誘發(fā)旋渦脫落的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)不足時(shí),可近似應(yīng)用單相流的漩渦脫落頻率計(jì)算公式,其中,v是氣液兩相流的平均速度[7]。兩相流中的斯特勞哈爾數(shù)StTP隨含氣率的增大而減小。

      2.2湍流抖振

      湍流使換熱管表面的流場(chǎng)壓力和速度產(chǎn)生隨機(jī)性的脈動(dòng),不斷供給換熱管能量,當(dāng)脈動(dòng)的主頻率接近管子的固有頻率時(shí),管子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。雖然湍流抖振引起的振動(dòng)不規(guī)律,無(wú)法進(jìn)行線性分析,但可以用振幅來(lái)預(yù)測(cè)振動(dòng)是否會(huì)引起磨損。

      2.3流體彈性不穩(wěn)定性

      流體彈性不穩(wěn)定性一般是在其他機(jī)理(如旋渦脫落或湍流抖振)激發(fā)起管子運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生的,它是最危險(xiǎn)的誘發(fā)因素。動(dòng)態(tài)的流體力和管子的運(yùn)動(dòng)相互作用,流速一旦達(dá)到臨界值,極易引起大幅度振動(dòng)而導(dǎo)致管子在支撐處被快速磨損。兩相橫向流的臨界流速vc可用Connors提出的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式確定[6]:

      式中b——指數(shù);

      f′——兩相流中換熱管的固有頻率,Hz;

      K——不穩(wěn)定常數(shù),為判定換熱管是否振動(dòng)的常數(shù);

      m——包括流體附加質(zhì)量在內(nèi)的單位管長(zhǎng)的質(zhì)量,kg/m;

      ρTP——兩相流的密度;

      ζ——管子的總阻尼。

      Pettigrew M J和Taylor C E總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后推薦[8],當(dāng)節(jié)徑比p/d>1.47時(shí),不穩(wěn)定常數(shù)K可取3;當(dāng)節(jié)徑比p/d<1.47時(shí),不穩(wěn)定常數(shù)K=4.76(p-d)/d+0.76。

      3 兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的影響因素

      3.1兩相流

      工業(yè)用換熱器和核蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的氣液兩相流一般是蒸汽-水,其使用環(huán)境為高溫高壓,對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格且成本較高,因此目前研究人員普遍選擇使用空氣-水、R-11(氟氯昂-11)和R-22(氟氯昂-22)代替蒸汽-水。其中,空氣-水兩相流最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),因而,研究?jī)上鄼M向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)時(shí)的工質(zhì)大部分為空氣-水。

      表1為兩相橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)研究中常用的4種兩相流體系屬性對(duì)比表[9]??梢钥闯?,R-11和R-22的液體表面張力和運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)比空氣-水的更接近蒸汽-水。而且,在液相轉(zhuǎn)換為氣相時(shí),R-11需要的能量是水轉(zhuǎn)換為蒸汽的8%,降低了經(jīng)濟(jì)成本。綜合考慮,在研究?jī)上鄼M向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)時(shí),在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選用R-11或R-22。

      表1 R-11、蒸汽-水、空氣-水和R-22的屬性對(duì)比

      Mitra D等分別在蒸汽-水和空氣-水兩相流中研究了流體彈性不穩(wěn)定性誘發(fā)的管束振動(dòng),發(fā)現(xiàn)在低流速下,管束振幅隨流速的增大而增大,蒸汽-水中的管子振幅增大速率低于空氣-水,這是因?yàn)槊芏缺仍酱?,流速增大速度越慢[10]。而且,蒸汽-水的流體彈性不穩(wěn)定性的臨界流速比空氣-水的低,原因是在蒸汽-水兩相流中存在核狀沸騰,在相變過(guò)程中管束表面的泡沫改變了換熱管表面的阻力特性,由此影響了作用在管束上的流體彈性力。

      Pettigrew M J和Taylor C E在R-22中研究了橫向流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng),發(fā)現(xiàn)在相同的含氣率和質(zhì)量流量下,湍流在R-22中引起的激振力的振動(dòng)響應(yīng)低于空氣-水,原因是氟利昂的表面張力和密度比明顯低于空氣-水[11]。

      3.2含氣率

      Feenstra P A等提出了含氣率α的一般表達(dá)式[9]:

      式中S——?dú)庀嗪鸵合嗟乃俣缺龋?/p>

      X——流體質(zhì)量;

      ρG——?dú)庀嗝芏龋?/p>

      ρL——液相密度。

      3.2.1均質(zhì)流模型

      均質(zhì)流模型假設(shè)兩相流的混合是均勻的,即S=1,這樣可簡(jiǎn)化計(jì)算。在臥式換熱器中,這種假設(shè)的影響不大,但在立式換熱器中,由于浮力的影響較大,所以均質(zhì)流模型的假設(shè)是不合理的。Pettigrew M J等使用雙光纖探針?lè)y(cè)量了立式轉(zhuǎn)置三角形實(shí)驗(yàn)裝置的含氣率和流體力,并將結(jié)果與均質(zhì)流模型法進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩相流近乎均勻,兩相間的速度比可以忽略[12]。因此,由含氣率計(jì)算得到的兩相流密度和速度能否忽略還需要其他測(cè)量方式的進(jìn)一步佐證。

      3.2.2漂移流模型

      輻射衰減法是漂移流模型中典型的一種含氣率測(cè)量方法,其測(cè)量原理是:伽馬射線的吸收量取決于兩相流的平均密度。則含氣率的表達(dá)式為:

      α=ln(N/NL)/ln(NG/NL)

      式中N——伽馬射線吸收量;

      NG、NL——100%氣相和液相時(shí)的伽馬射線吸收量。

      數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)主要指學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)可以合理運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題、思考問(wèn)題,進(jìn)而形成良好的學(xué)習(xí)能力、習(xí)慣與品質(zhì),為學(xué)生在日后發(fā)展奠定良好基礎(chǔ).

      Moran J E和Weaver D S在相同的條件下,使用均質(zhì)流模型和輻射衰減測(cè)量法分別測(cè)量了不同節(jié)點(diǎn)流速下的含氣率[13]。由圖3可知,同等情況下(節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量Gp相同),均質(zhì)流模型法得到的含氣率比輻射衰減測(cè)量法得到的高,說(shuō)明均質(zhì)流模型法高估了兩相流的含氣率。

      圖3 均質(zhì)流模型法和輻射衰減測(cè)量法測(cè)量的含氣率

      除上述兩種方法外,梁法春等提出了基于液體取樣的多相流量測(cè)量方法,即根據(jù)取樣液體流量確定管路中兩相流的質(zhì)量含氣率[14]。該方法的測(cè)量精確度和穩(wěn)定性較以往有明顯改善,但液體取樣器與兩相流誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器的配合程度有待完善。

      3.2.3兩相流流型

      兩相流流型對(duì)兩相流動(dòng)壓力損失、傳熱傳質(zhì)特性、流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和流動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性有著不可忽略的影響。按含氣率從小到大將空氣-水兩相流在垂直管中上升時(shí)的兩相流流型(圖4)分為5種:細(xì)泡型(α<30%)、氣塞型(30%~50%)、塊型(50%~80%)、條-環(huán)型(80%~90%)和環(huán)型(α>90%)。蒸汽-水兩相流具有相同的流型[15]。

      圖4 空氣-水兩相流在垂直管中上升時(shí)的兩相流流型

      Ulbrich R和Mewes D通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在換熱器殼程流體中只存在細(xì)泡型、間歇型和彌散型[16]。賈峰等基于實(shí)驗(yàn)得出了流動(dòng)沸騰條件下橫向流沖刷管束的兩相流流型,按折算速度分為泡狀流、塊狀流和環(huán)狀流[17],與文獻(xiàn)[16]闡述的流型有較大不同。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,現(xiàn)階段間歇流流型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,無(wú)法得出普遍性規(guī)律。

      3.3兩相阻尼

      阻尼是流體誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)的重要影響因素,當(dāng)管束阻尼足夠大時(shí),可以抵抗殼程流體沖刷引起的振動(dòng)。早期研究中,盡管換熱器管束振動(dòng)能量耗散機(jī)制可以用阻尼來(lái)解釋,但由于阻尼的測(cè)定十分困難,研究人員并沒(méi)有分析阻尼這一影響因素。目前,學(xué)者們提出了多種阻尼測(cè)量方式,使阻尼的測(cè)量成為可能。

      3.3.1測(cè)量方法

      兩相阻尼的測(cè)量方法主要有半功率帶寬法、對(duì)數(shù)衰減法和指數(shù)擬合法。

      半功率帶寬法中,阻尼ζ是頻率帶寬的函數(shù),即:

      式中Amax——響應(yīng)峰值;

      fn——固有頻率。

      對(duì)數(shù)衰減法利用應(yīng)變儀跟蹤衰變,得到管子的響應(yīng)時(shí)間后,劃分為不同的部分,用各部分計(jì)算對(duì)數(shù)衰減率。當(dāng)阻尼ζ小于4%時(shí):

      式中n——峰值周期數(shù);

      x1、xn——峰值;

      δ——對(duì)數(shù)衰減率。

      指數(shù)擬合法同樣是基于管子的響應(yīng)衰減用指數(shù)函數(shù)對(duì)衰減過(guò)程進(jìn)行跟蹤的,且在估算阻尼時(shí)能獲得連續(xù)、可靠的數(shù)值。但指數(shù)擬合法擬合的敏感性不如對(duì)數(shù)衰減法。用Matlab程序擬合出一系列的峰值點(diǎn)得到函數(shù)y,利用該函數(shù)可計(jì)算簡(jiǎn)單諧響應(yīng)的粘滯阻尼ζ:

      y=Ae-Bt

      B=ζωn

      式中A——常數(shù);

      t——時(shí)間;

      ωn——周期。

      Moran J E和Weaver D S等利用輻射衰減測(cè)量法測(cè)量了含氣率,并比較了不同含氣率下對(duì)數(shù)衰減法和指數(shù)擬合法的阻尼值,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)衰減法的結(jié)果比較分散,而指數(shù)擬合法的結(jié)果相對(duì)連續(xù)[13]。原因是流體附加質(zhì)量變化和兩相流湍流激振的不規(guī)則響應(yīng)引起頻率變化,從而導(dǎo)致對(duì)數(shù)衰減法不可靠。指數(shù)擬合法擬合理論理想衰減曲線,因此得到的數(shù)值連續(xù)。另外,Moran J E和Weaver D S還使用均質(zhì)流模型法和輻射衰減測(cè)量法測(cè)量了含氣率,并比較了不同含氣率下半功率帶寬法和指數(shù)擬合法得到的阻尼值,發(fā)現(xiàn)兩者得到的數(shù)據(jù)相差較小。一般,在低含氣率下,半功率帶寬法對(duì)頻率變化更敏感,測(cè)得的阻尼變化趨勢(shì)更明顯。因此,半功率帶寬法測(cè)量效果優(yōu)于其他兩種方法。

      3.3.2計(jì)算方法

      Pettigrew M J和Taylor C E總結(jié)了兩相流的阻尼,認(rèn)為在兩相流中多跨度的換熱管總阻尼ζT由3部分組成,分別是支撐阻尼ζS、粘滯阻尼ζV和兩相阻尼ζTP[8]:

      ζT=ζS+ζV+ζTP

      Pettigrew M J和Taylor C E得到的半經(jīng)驗(yàn)公式基于有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并不具有普適性。在無(wú)其他更優(yōu)方式時(shí)可以作為參考,但需要考慮流型和兩相流的影響。

      3.3.3影響因素

      兩相流中的阻尼十分復(fù)雜,而且影響因素很多,如含氣率、流速、限制因子和兩相流性質(zhì)。

      含氣率是影響阻尼的主要因素。Pettigrew M J和Taylor C E總結(jié)了兩相阻尼ζTP半經(jīng)驗(yàn)公式[18]:

      ζTP∝f(α)

      其中,f(α)是含氣率的函數(shù),根據(jù)含氣率40%、70%可劃分為3個(gè)階段:

      由圖5可以看出,在正三角形、轉(zhuǎn)置正三角形和正方形排列裝置中,阻尼在含氣率為40%~70%時(shí)有最大值[19]

      圖5 兩相橫向流中含氣率與阻尼的關(guān)系

      在臨界流速下,流速(即質(zhì)量流量)不是影響阻尼的主要因素。隨著流速的增加,升力方向的阻尼小于阻力方向的。所以,流體彈性不穩(wěn)定性一般發(fā)生在升力方向。

      粘滯阻尼是限制因子的函數(shù),而限制因子又是節(jié)徑比p/d的函數(shù),對(duì)于不同的管子排列方式,限制因子計(jì)算公式不同。Sim W G和Mureithi N W對(duì)比了節(jié)徑比分別為1.2、1.4、1.6時(shí)的管束,發(fā)現(xiàn)隨節(jié)徑比的增大,阻尼明顯下降[20]。

      阻尼與兩相流本身性質(zhì)有關(guān),即與兩相流的表面張力密切相關(guān),阻尼一般隨表面張力的增大而增大。210℃的蒸汽-水混合物的表面張力僅為20℃空氣-水混合物的一半。因此,在阻尼分析過(guò)程中,表面張力是選擇兩相流的重要參考因素之一。

      4 結(jié)論

      4.1從兩相流中獲得準(zhǔn)確的含氣率是研究?jī)上嗔髡T發(fā)振動(dòng)的前提,相比于單相流誘發(fā)換熱管振動(dòng),兩相橫向流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不多,而且大多數(shù)研究人員的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都集中在含氣率小于40%的范圍內(nèi)。而且在間歇流流型中數(shù)據(jù)比較分散,無(wú)法得出公認(rèn)統(tǒng)一的結(jié)論,相關(guān)數(shù)據(jù)亟待補(bǔ)充。

      4.2實(shí)驗(yàn)研究得出了有關(guān)阻尼的半經(jīng)驗(yàn)公式,這些成果將為后續(xù)研究工作的展開(kāi)和換熱器工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的完善提供有效指導(dǎo)。

      4.3隨著換熱器結(jié)構(gòu)的大型化、流動(dòng)的高速化和結(jié)構(gòu)緊湊性的增加,流體誘發(fā)管束振動(dòng)研究的熱點(diǎn)不僅集中于兩相流的流型、密度比、含氣率和阻尼,相位滯后、時(shí)間滯后等影響因素也將成為新的研究視角。

      4.4隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法也被應(yīng)用于流體誘發(fā)振動(dòng)的研究中,但現(xiàn)在使用的數(shù)值模擬方法主要適用于空氣、水等單相流,兩相流模擬的有關(guān)數(shù)學(xué)模型亟需設(shè)計(jì)。

      [1] 陳斌,邱鋒.管束間氣夜兩相流動(dòng)特性研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械,1999,26(2):105~109.

      [2] 洪文鵬,滕飛宇,劉燕.管束間氣液兩相流動(dòng)特性的研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械,2012,39(2):124~130.

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      ProgressinResearchofTubeBundleVibrationofHeatExchangerInducedbyTwo-phaseCross-flow

      LIU Bao-qing1, CHEN Xiao-ge1, CHEN Tao2, HUANG Bo-lin1, ZHENG Yi-jun1
      (1.InstituteofProcessEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China; 2.ZhejiangHetianChemicalCo.,Ltd.,Hangzhou310027,China)

      The mode of failure and mechanism thereof of the tube bundle’s vibration in heat exchangers which

      * 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201206144),中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012QNA4018)。

      ** 劉寶慶,男,1978年10月生,副教授。浙江省杭州市,310027。

      TQ051.5

      A

      0254-6094(2016)02-0131-07

      2015-04-25,

      2015-05-15)

      (Continued on Page 177)

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