쉘 및 튜브 열교환기가 진동하는 이유

연결에서 누출이 발생합니다.

1. 하나의 원통형 물체를 가로질러 흐르는 유체처럼,

2. 피치 직경 비율에서 난류 버페팅

3. 증기 또는 가스가 쉘 측에 들어갈 때 음향 진동, 그것은 흐름 방향과 접촉하고;

4. 유체 탄성 가진은 먼저 파이프의 움직임으로 인해 발생합니다.

5. 피치 직경비가 1.5 미만인 단일 열의 파이프를 통해 유체가 흐를 때 가능한 한 열 교환기의 어느 곳에서나 파이프가 손상될 수 있으며,

파이프가 손상될 수 있습니다. 평상시에는 장비의 진동을 면밀히 모니터링해야 합니다.

튜브 시트와의 접합부에서 누설이 발생합니다.

쉘 쪽에서 강한 노이즈가 발생합니다. 쉘 측의 차압이 증가합니다.

따라서 설계 및 제조 시 장비 작동 중 진동 가능성에 유의하고 필요한 조치를 취해야만 방지할 수 있습니다.

일부 기관의 연구에 따르면 횡류에 의해 유발되는 진동의 주요 원인은 다음과 같습니다.

카르만 와류

유체가 단일 원통형 물체를 통해 측면으로 흐를 때 튜브 다발을 통해 흐를 때 그림 1-111에 표시된 것처럼 튜브 뒤에 카르만 와류도 있습니다.

Karman 와류의 발산 주파수가 파이프의 고유 진동 주파수와 같을 때 파이프는 격렬하게 진동합니다.

난기류 뷔페

피치 직경 < 1.5의 고밀도 튜브 번들에서는 공간이 충분하지 않아 Karman vortex에서 떨어지기 어렵습니다. 그러나 쉘 측 유체의 극심한 난류도 파이프의 진동을 유발합니다. 난기류 와류로 인해 파이프가 임의의 파동 작용을 받게 됩니다. 또한 난기류는 상당히 넓은 주파수 대역을 가지고 있습니다.

주파수 대역의 특정 주파수가 파이프의 모든 진동 모드의 고유 주파수에 가깝거나 같으면 큰 진폭의 파이프 진동이 발생합니다.

음향 진동

증기 또는 가스가 쉘 측으로 유입되면 흐름 방향과 파이프 축에 수직인 방향으로 음향 정재파가 형성됩니다.

음향 정재파의 주파수가 와류 발산 주파수 또는 난류 버페팅 주파수와 일치하는 경우,

음향 정재파의 진동이 여기되어 강한 소음이 발생합니다.

유체 탄성 들뜸

첫째, 파이프의 움직임에 의해 발생합니다. 튜브 번들의 튜브가 원래 위치 또는 고정 위치에서 벗어나 변위를 일으키는 경우

이는 유동장을 변경하고 인접한 튜브에 대한 힘의 균형을 파괴합니다.

이러한 파이프는 변동하는 압력에 노출되며 고유 진동 주파수에서 진동 상태에 있습니다.

가진 주파수는 유량뿐만 아니라 주변 파이프의 공진 주파수와도 관련이 있습니다. 즉, 유체 유도 진동은 유체 흐름과 파이프 운동 사이의 동적 상호 작용의 결과입니다.

각 파이프의 진동은 주변 파이프의 움직임과 밀접한 관련이 있습니다. 유체 탄성 진동은 자려 진동에 속합니다. 진동이 시작되면 진폭이 급격히 증가합니다.

제트 변환

유체가 피치 직경 비율이 1.5 미만인 한 줄의 파이프를 통해 흐를 때 후류에서 제트 쌍의 출현을 관찰할 수 있습니다. 한 줄의 파이프가 상류 또는 하류를 번갈아 이동할 수 있는 충분한 시간이 있으면 제트 방향도 변경됩니다.

제트 쌍의 방향이 파이프 이동 방향과 동기적으로 변경되면 이 경우 유체로부터 파이프가 흡수하는 에너지가 댐핑 및 파이프의 진동으로 인해 파이프가 소비하는 에너지보다 훨씬 큽니다. 강화됩니다.

일반적으로 교차 흐름 속도가 낮을 ​​때 주기적인 카르만 와류 또는 난류 와류가 생성되기 쉽습니다. 이때 열교환기에는 배관진동과 음향진동이 모두 발생할 수 있다.

교차 흐름 속도가 높을 때 파이프의 진동은 일반적으로 유체 탄성에 의해 여기되지만 음향 진동은 없습니다.

변환

교차 흐름 속도가 매우 높으면 제트 변환이 발생하여 파이프 진동이 발생합니다.

파이프는 가능한 한 열교환기의 어느 곳에서나 손상될 수 있습니다. 파이프 손상의 가장 가능성 있는 부분은 튜브 번들의 두 배플 지지판 사이의 가장 큰 끝 지지대의 중간 범위와 같은 고속 흐름 영역입니다. 보우 배플의 노치 영역에 있는 튜브 번들 주변의 튜브;

U 자형 튜브 번들 및 U 자형 팔꿈치 영역; 입구 노즐 아래 파이프; 튜브 번들의 바이패스 영역과 튜브 측면 분할 다이어프램의 유로에 위치한 튜브;

튜브와 열교환기의 구조적 구성 요소가 튜브와 배플 사이의 인터페이스 및 튜브와 튜브 시트 사이의 인터페이스와 같이 상대적인 움직임을 갖는 섹션 인터페이스에서.

유체를 운반하는 파이프의 스프링 지지대 및 행거의 고장, 열교환기 자체의 앵커 볼트 풀림, 장비의 불안정한 지지대와 같은 일반적인 외부 요인으로 인해 장비 진동이 발생합니다.

가장 위험한 것은 공정 개시 시 압력 상승 또는 부하 증가가 빨라 가열 파이프의 진동을 일으키기 쉽다는 것입니다. 특히 다이어프램에서,

파이프의 진동 주파수가 높기 때문에 파이프가 쉽게 끊어져 파이프가 누출됩니다. 이 경우 분해, 점검 및 유지 보수를 위해 전원을 차단해야 합니다.

평상시에는 장비의 진동을 면밀히 모니터링해야 합니다. 진동값은 250μm 이하로 엄격히 관리합니다. 이 값을 초과하면 즉시 확인하고 처리해야 합니다.

 진동 방지 조치

유량 변경

쉘 측면 흐름 또는 속도를 줄임으로써 진동을 제거할 수 있습니다. 그러나 이것은 종종 생산 작업에서 허용되지 않습니다.

일반적인 방법은 관간극을 늘려 유량을 줄이는 것이고,

특히 디자인에서 압력 강하를 제한해야 하지만 쉘 직경을 늘려야 하는 경우.

튜브 번들의 배열 각도를 변경하면 튜브 내 유체의 속도도 감소할 수 있습니다.

가이드 실린더의 설정은 유체가 튜브 번들을 닦는 것을 방지하고 쉘 측 유체가 튜브 번들로 흐르는 것을 줄이는 효과적인 조치입니다.

파이프의 고유진동수 변경

가장 효과적인 방법은 파이프의 스팬을 줄이는 것입니다.

배관의 고유진동수 계산식에서 스팬이 XNUMX배 단축되고 고유진동수는 약 XNUMX배 증가함을 알 수 있다.

파이프의 탄성 계수를 높이기 위해 적절한 재료를 선택할 수도 있습니다.

단면의 관성 모멘트를 증가시키기 위해 파이프의 직경을 늘리면 일부 파이프의 고유 진동 주파수를 향상시킬 수 있지만 실질적인 의미는 거의 없습니다.

파이프의 움직임을 제한하기 위해 파이프 틈에 슬랫이나 막대를 삽입하면 파이프의 고유 진동 주파수가 증가할 수 있습니다. 이 방법은 열교환기의 U자형 튜브 영역에서 진동을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

배플 틈에 튜브를 놓지 않고 각 배플은 모든 튜브를 지지할 수 있습니다. 배플이 있는 열교환기의 튜브와 비교하여 중앙 부분의 튜브 스팬이 XNUMX배 단축되어 고유 진동 주파수가 크게 증가합니다.

또한 배플 사이에 지지판을 설치하여 파이프의 강성을 더욱 높일 수 있으므로 열 전달 및 압력 강하에 실질적인 영향을 미치지 않습니다.

파이프와 배플 구멍 사이의 간격을 줄이고 배플을 두껍게 할 수는 파이프의 고유 진동 주파수를 실질적으로 변경할 수 없으며,

그러나 배플에 의한 파이프의 톱질 효과를 감소시키고 시스템의 감쇠를 증가시킬 수 있습니다. 배플의 재질이 파이프보다 부드러우면 때때로 손상을 줄일 수 있습니다.

소음 차단 다이어프램 설정,

소음을 효과적으로 줄일 수 있는 쉘 측의 파이프 축과 평행한 세로 다이어프램을 설정합니다. 다이어프램의 위치는 주차장에서 떨어져 있어야 합니다.
노드는 안티노드에 가깝습니다.

주기적 와류의 영향 억제

파이프의 외부 표면에 금속 와이어를 감거나 축을 따라 금속 스트립을 설치하면 주기적인 와류의 영향을 억제하거나 약화시키고 파이프에 작용하는 교번력을 줄일 수 있습니다. 배플로드를 사용하여 기존의 배플 플레이트를 교체하는 경우,

진동을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 변환을 강화하고 먼지와 쉘 측면 압력 강하를 줄일 수 있습니다(그림 1-112 참조).

쉘 및 튜브 열교환 기의 진동 원인

1. 튜브 번들의 진동 주파수는 가스 흐름의 고유 주파수에 가깝습니다.
2. 배플 간격이 제대로 설정되지 않았습니다.
3. 작동 환경이 부적절한 경우 작동 매개변수를 조정하고 과열수로 교체하십시오.
4. 증기는 물을 운반하고 증기는 열교환기에서 수격 현상을 일으킵니다.
5. 증기 배관에 대한 지원 부족 및 불합리한 배관 설계는 배관 진동으로 인한 열교환기의 진동으로 이어집니다.
6. 과도한 증기 온도와 양은 튜브 측면의 부분 기화를 유발하여 수격 현상을 일으킵니다.

 음향 공명

유체의 여기 주파수가 열교환기 내 공기의 컬럼 진동의 고유 주파수에 가까울 때 열교환기에서 음향 공명이 발생합니다.

그 이유는 특정 조건에서 Karman 와류의 와류 분리가 챔버 벽 사이에 일정한 순서의 정상파를 유발하기 때문입니다.

이 정상파는 튜브와 쉘 사이에서 앞뒤로 반사되어 지속적으로 에너지를 전파하지만 Karman vortex는 지속적으로 에너지를 입력합니다.

카르만 와류 주파수 FV 대 음향 정재파 주파수 FA의 비율이 0.8 ~ 1.2 범위일 때,

공기실에서 강한 음향 공진 및 소음이 발생할 수 있습니다.

쉘 측 유체가 액체일 때, 액체의 매우 높은 음속으로 인해 이 진동이 발생하지 않습니다.

 진동의 예방 및 효과적인 활용

열교환기에서 유체로 인한 진동의 메커니즘은 매우 복잡하며 진동을 효과적으로 방지할 수 있는 완전한 설계 기준이 설정되지 않았습니다.

이는 서로 다른 작동 조건에 따라 열교환기의 진동을 방지하기 위해 다른 조치가 필요합니다. 진동은 피할 수 없지만 약간의 진동은 손상을 입히지 않으며,

또한 열 전달을 강화하고 스케일링을 줄입니다.

그러나 강한 진동이 있는 경우에는 진동을 늦추고 열교환기의 진동 손상을 방지하기 위해 필요한 방진 조치를 취해야 합니다.

진동에 저항하는 근본적인 방법은 파이프의 고유 진동수를 최대한 피하는 것입니다. 다음과 같은 진동 방지 조치는 엔지니어링 실무에서 종종 채택됩니다.

(1) 합리적인 시작 및 종료 절차를 수립하고, 온라인 모니터링을 강화하고, 작동 조건을 엄격하게 제어하고, 유체 입구 앞에 버퍼 플레이트 또는 가이드 실린더를 설정하고,

튜브 번들에 대한 유체의 직접적인 영향을 피하고 유속을 감소시킬 뿐만 아니라 유체 맥동을 감소시킬 수 있습니다.

(2) 다관식 열교환기의 외피측 유체 속도를 줄이는 것이 관다발 진동을 방지하는 가장 직접적인 방법이다. 열전달 요소의 고유진동수가 변하지 않을 때,

유속을 줄이면 공진을 피하기 위해 유체 맥동의 주파수를 줄일 수 있지만 동시에 열 전달 효율도 감소합니다.

(3) 열전달 소자의 고유 진동수를 개선하는 것도 진동을 방지하는 또 다른 핵심 요소입니다.

스팬과 유효 질량을 줄이고 재료의 탄성 계수와 관성 모멘트를 높이면 열 전달 요소의 고유 진동수를 향상시킬 수 있습니다.

파이프 벽의 두께, 원형 파이프의 직경 및 배플 플레이트의 두께를 적절히 증가시킵니다.

배플 플레이트의 파이프 구멍은 파이프와 밀접하게 일치해야 하며 간격이 너무 크지 않아야 하며 구조 설계를 최적화할 수 있습니다.

(4) 튜브 번들 지지 형태를 변경하고 배플 로드 유형, 중공 링 유형, 전체 원형 특수 형상 구멍 배플 플레이트와 같은 새로운 세로 흐름 튜브 번들 지지대를 채택합니다.

배플 벨트 또는 배플 로드를 사용하여 배플 플레이트를 교체할 수도 있습니다. 이러한 방법은 튜브 번들 진동을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

결론

진동 문제는 진동이 발생한 후 교정하는 것보다 미리 예방하는 것이 좋습니다. 이를 위해서는 설계 과정에서 다양한 요소를 충분히 고려해야 합니다. 그래야만 설계된 제품을 보다 완벽하게 만들고 작동을 보다 안전하고 신뢰할 수 있습니다.

(1) 튜브 번들의 가로 속도의 영향으로 쉘 및 튜브 열교환기의 튜브가 진동합니다.

진폭이 크면 하나 이상의 위험이 발생할 수 있음(배플 지지판 사이의 반복되는 중간 스팬 진동으로 인해 파이프 벽이 얇아짐)

(2) 배플과의 충돌로 인해 파이프 인터페이스가 마모되고,

(3) 높은 마모율로 인한 피로 또는 부식 피로.

(4) 파이프 진동이 에너지를 흡수해야 하기 때문에 과도한 쉘 측 압력 강하,

(5) 심각한 압력 부식;
파이프 파손 가능성이 가장 높은 부분은 파이프 번들의 두 지지판 사이에서 가장 큰 끝단 지지대의 중간 스팬입니다.

U-튜브 번들의 U-굽힘 영역; 입구 연결 파이프 아래의 파이프는 튜브 번들과 파이프 측면 분할 다이어프램 채널의 측면 흐름 영역에 있습니다.

난류는 진동을 유발합니다. 튜브 번들의 더 높은 유속은 유체의 열 전달을 촉진하지만 열교환 튜브는 난류로 인한 진동에 무작위로 반응합니다.

또한, 흐름 난류는 다른 진동의 형성을 촉진하고 강화합니다.

위층의 소용돌이 분리와 같은 메커니즘. 난류는 더 큰 임의성을 갖습니다. 유동장의 중심 지배 주파수가 튜브 번들의 가장 낮은 고유 주파수와 일치할 때 진동, 즉 공진이 발생하여 손상을 일으킵니다.

쉘 및 튜브 열교환 기의 진동 원인

1. 튜브 번들의 진동 주파수가 공기 흐름의 고유 진동수에 가깝도록 배플 사이의 간격이 잘못 설정되었습니다.

2. 증기는 물을 운반하고 증기는 열교환기에서 수격 현상을 일으킵니다.

3. 증기 배관에 대한 지원 부족 및 불합리한 배관 설계는 배관 진동으로 인한 열교환기의 진동으로 이어집니다.

4. 과도한 증기 온도와 양은 튜브 측면의 부분 기화를 유발하여 수격 현상을 일으킵니다.

진동 방지 조치:

1. 유속 변경: 셸 측면의 흐름을 줄이고 단일 셸 측면을 분할 셸 측면으로 교체하고 단일 컨포멀 배플을 이중 활 배플로 교체하여 교차 흐름 속도를 줄이고 진동을 방지할 수 있습니다. 그러나 열 전달 효율은 변경됩니다.

2. 열교환 튜브의 고유 진동수를 변경합니다.

① Shell and tube 열교환 튜브의 스팬을 줄이고,
② 배플의 노치부에는 배관이 배치되지 않는다.
③ 직교류 속도에 영향을 미치지 않으면서 배플 사이에 지지판을 추가해야 합니다.
④ U-라인 파이프의 엘보 섹션에는 지지판 또는 지지 스트립이 제공됩니다.

3. 쉘 측면의 공기 흐름과 평행한 방향을 따라 종격벽을 삽입하여 특성 길이를 줄이고 가청 주파수를 개선하며 음향 진동을 방지합니다.

4. 배플 대신 로드 또는 스트립 지지대를 사용합니다.

엘라스토머가 방해를 받으면 진동합니다. 쉘 및 튜브 열교환기의 튜브 번들, 다이어프램, 당김 막대 및 쉘은 엘라스토머로, 방해를 받아 진동을 유발하는 경향이 있습니다. 이들 엘라스토머 중에서,

구조에서 튜브 다발의 강성이 가장 작고 진동에 의해 여기될 가능성이 가장 큽니다. 우리가 연구하는 쉘 및 튜브 열교환기의 진동 문제는 튜브 다발의 진동을 말합니다.

튜브 다발의 진동은 간섭력 또는 기진력에 의해 발생합니다. 이러한 기진력은 기계적 기진력과 유체 유도 기진력의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

여기 주파수는 일반적으로 정확하게 예측할 수 있으며 이를 방지하기 위해 해당 조치를 취할 수 있습니다.

1. 기계적 여자력: 열교환기에 연결된 지지대 및 파이프라인을 통해 전달되는 진동과 왕복 유체 이송 기계(예: 공기 압축기)에 의해 발생하는 맥동 여자력. 기계적 여기력

2. 유체 흐름에 의한 가진력: 이 가진력은 유체 종방향 흐름에 의한 여자력과 유체 횡류에 의한 여자력으로 나눌 수 있습니다.

실제 해석에서 유체의 종방향 유동에 의한 가진력은 진폭이 작고 피해가 적기 때문에 무시되는 것으로 알려져 있다.

따라서 유체의 횡방향 흐름에 의해 발생하는 여기력에 대한 연구에 중점을 둡니다. 횡류의 여기 메커니즘은 복잡합니다.

2.1. 유체 여기 메커니즘:

(1) 유체가 실린더 후면을 교대로 흐르면 실린더 후면에 와류가 형성됩니다.

와류가 생기는 이유는 유체가 막힌 후 운동에너지와 압력에너지가 서로 변환되기 때문에,

압력은 실린더의 둘레와 경계층의 두께 방향을 따라 변합니다.

경계층 외부의 유체의 압력이 클수록 경계층 내부의 압력이 작은 입자는 반대 방향으로 흐릅니다.

경계층을 두껍게 하여 와류를 형성한 후 실린더 표면에서 분리하고,

와류는 속도가 증가함에 따라 길어지고 사라집니다.

한쪽의 소용돌이가 자라서 분리되면 다른 쪽의 소용돌이가 형성되고 커집니다. 이렇게 XNUMX줄의 와류 후류가 번갈아 형성되는데, 마치 "소용돌이 거리"처럼 보입니다.

(2) 난기류 버핑)

형성 메커니즘: 유체가 튜브 다발을 통해 측면으로 흐르고 배플의 작용 아래 곡선 채널로 흐를 때,

다양한 난기류 또는 난기류를 생성하여 임의의 난기류 압력 변동을 초래합니다.

이 난류 압력 변동은 넓은 주파수 범위에서 임의의 여기력입니다. 파이프의 동적 응답에는 주파수 선택성이 있습니다.

난류 압력 변동으로 인한 광대역 임의 가진력에서 자체 주파수에 해당하는 진동 에너지의 일부를 흡수하여 진동을 생성합니다.

이 현상을 난류 버페팅 또는 난류 버페팅이라고 합니다.

(3) 탄성 가진

형성 메커니즘: 유체 탄성 가진은 파이프의 교란으로 인해 발생합니다. 튜브 다발의 튜브가 원래 위치에서 벗어나 순간적으로 변위되면,

그것은 흐름장의 상태를 바꿀 것입니다.

유체 탄성력의 작용을 통해 인접한 튜브의 힘 균형 상태를 파괴하고,

이 튜브는 고유 진동수에 해당하는 진동 상태에 있습니다.

유체의 횡방향 유속이 특정 임계값에 도달하면

관다발에 대한 흐름의 총 탄성력에 의해 수행된 일은 관다발의 감쇠 효과에 의해 소비된 일보다 클 것입니다.

튜브가 큰 진폭으로 진동하기 시작합니다. 이 진동을 유체 탄성 가진이라고 합니다. 큰 진폭으로 파이프를 진동시키는 유체 교차 흐름 속도를 임계 교차 흐름 속도라고 합니다.

(4) 음향 공명 1

생성 메커니즘: 기류가 관다발을 통해 안정적으로 측면으로 흐르면서 와류 분리를 형성할 때,

기류 방향과 튜브 축 방향에 수직인 주기적인 압력 변화가 있는 종파가 생성됩니다.

이 종파는 열교환기의 외벽에서 반사 전파되며,

쉘 벽 사이에 일정한 순서의 음향 정재파를 형성할 수 있습니다.

음향 공명 2

이 음향 정재파는 쉘 벽에서 앞뒤로 반사되고 Karman vortex street 및 난류 버페팅의 에너지를 지속적으로 흡수합니다.

그 주파수가 Karman vortex street의 주파수와 파이프 또는 쉘의 고유 주파수와 결합될 때,

그것은 강한 음향 공명과 소음을 생성합니다. 이 현상을 음향 공명이라고 합니다.

튜브 번들 진동으로 인한 손상

튜브 번들의 진동은 일반적인 문제입니다.

거의 모든 열교환기 튜브 번들은 크거나 작은 진동을 생성합니다.

그러나 가장 유해한 것은 일반적으로 일부 대형 열교환기, 특히 가스 또는 스팀 쉘 측면이 있는 열교환기에서 발생합니다.

이러한 열교환기의 배플 간격이 크기 때문에 쉘 측 속도가 빠르고 가스 또는 증기의 감쇠가 작습니다.