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Ursachen und Schäden durch Vibrationen Die Hauptursachen für Vibrationen in den Rohren von Wärmeaustauschern sind zwei: Einerseits sind es Vibrationen, die durch äußere Anreize verursacht werden – beispielsweise durch pulsierende Luftströmungen in zyklischen Maschinen wie Zyklokompressoren, oder durch Vibrationen, die über Tragkonstruktionen oder Verbindungsrohre übertragen werden. Eine weitere Art ist die Schwingung durch Strömungsereignisse, die wiederum in Schwingungen durch den Fluidstrom auf der Rohrseite und auf der Gehäuseseite unterteilt werden können. Da die Amplitude der durch den Seitenstrom ausgelösten Schwingungen in der Regel gering ist und somit nur geringe Schäden verursacht, kann man sie in der Regel ignorieren – es sei denn, die Strömungsgeschwindigkeit liegt erheblich über dem normalen Wert. In solchen Fällen muss man die durch den Seitenstrom ausgelösten Effekte berücksichtigen. Die Vibrationen im Wärmetauscher werden hauptsächlich vom Medium auf der Gehäuseseite verursacht. Bei normalen Strömungsgeschwindigkeiten kann die Strömung auf der Gehäuseseite zu großen Schwingungsamplituden führen, was den Wärmetauschrohren am meisten schadet. Studien zeigen, dass die Amplitude der Schwingungen eines Wärmeaustauschelements nur dann plötzlich stark ansteigt und dadurch dessen Zerstörung verursacht wird, wenn die durch die Flüssigkeit hervorgerufene Schwingungsfrequenz mit der Frequenz des Elements übereinstimmt oder ihr zumindest sehr nahe kommt. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Schäden durch Vibrationen in den Wärmeaustauschrohren: die Abnutzung der Rohre sowie das Ermüdungsbruch des Rohrmaterials. Die Abnutzung der Rohre lässt sich in zwei Fälle einteilen: Im einen Fall kommt es durch starke Vibrationen dazu, dass die Rohre miteinander in Berührung kommen und dadurch abgenutzt werden – dabei entstehen rhombusförmige Strukturen. Dieser Zustand tritt in der Regel an den Stellen auf, an denen die Schwingungen am stärksten sind, also in der Mitte der Spannweite. Die thermische Ausdehnung der Rohre erhöht die Wahrscheinlichkeit von Schwingungsverschleiß. Dies liegt daran, dass die thermische Deformation der Rohre zu einer Vergrößerung der relativen Bewegung beim Kontakt führt, wodurch an den Rohren eine hexagonale Abnutzung entsteht. Eine andere Ursache ist die Abnutzung, die entsteht, wenn sich Rohr und Tragplatte aufgrund von Vibrationen relativ zueinander bewegen. Dadurch wird die Rohrwand allmählich dünner, bis sie schließlich durchbricht. Außerdem sind die Rohröffnungen in den Bremselementen (Tragplatten) in der Regel 0,8–1,2 mm größer als der Außendurchmesser der Rohre. Dadurch kann die Rohrwand durch die Bremselemente (oder Tragplatten) beschädigt oder sogar zerstört werden. Dies tritt besonders dann auf, wenn die Bremselemente sehr dünn sind und aus einem härteren Material bestehen als das Rohrmaterial. Wenn sowohl die Lockerung der Verbindungen als auch die Korrosion vorliegen, nimmt die Schwingungsabnutzung zu. Diese Art von Abnutzung zeigt eine Sattelform. An den Stellen, an denen die Rohre durch die Rohrplatte führen, können ebenfalls aufgrund von Vibrationen die scharfen Kanten der Öffnungen im Rohrplattenmaterial dazu führen, dass das Rohr beschädigt wird. Der Verschleißbruch von Rohren wird durch periodische, wiederholte Belastungen verursacht – einschließlich Fällen von Resonanz oder Mikrobewegungen. Denn wenn die Rohre vibrieren, entstehen periodisch wechselnde Spannungen durch wiederholte Biegungen. Wenn ein Rohr über einen langen Zeitraum starken wechselnden Spannungen ausgesetzt ist, können an den Stellen des Rohres, an denen die Spannungen am größten sind, Ermüdungsrisse entstehen. Die Stellen, an denen durch Vibrationen Schäden entstehen, befinden sich in der Regel an folgenden Positionen: (1) In der Mitte der Tragweite der Verbindungsstücke für die Wärmeübertragung. Aufgrund des Zusammenstoßes der Rohre entstehen dort deutliche Abnutzungserscheinungen ； (2) Direkt an der Stelle des Einschnitts in der Biforke kommt es zum Zusammenstoß zwischen den Wärmeaustauschrohren und der Biforke, wodurch diese abgenutzt werden ； (3) Im Inneren der Rohrlöcher der Biflow-Platten führt die Vibration der Wärmeübertragungsrohre dazu, dass die Ränder dieser Rohrlöcher gegen die Wärmeübertragungsrohre stoßen und sie damit beschädigen. In schweren Fällen kann dies zum Bruch der Rohre führen ； (4) Einige der ursprünglichen kleinen Risse oder Mängel in den Wärmeübertragungsröhren weiten sich aufgrund von Vibrationen allmählich aus, was letztendlich zu deren Zerstörung führt. Die Schäden durch Vibrationen in Rohren treten häufig auf, wenn im Inneren des Rohrs Gase oder Dampf vorhanden sind. Bei einer Betriebsdruck von über 0,8 MPa sind diese Schäden besonders ausgeprägt. Wenn das Medium im Schalenstromfluss flüssig ist, kann es ebenfalls zu Schäden durch Schwingungen der Rohre kommen. Allerdings beschränkt sich das in der Regel auf einige wenige Rohre in den Bereichen mit hohen Geschwindigkeiten des Fluids. Schwingungsdämpfende Maßnahmen müssen aus zwei Aspekten herangegangen werden, nämlich durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des lokalen Hochgeschwindigkeitsfluids und durch Änderung der Eigenfrequenz der Wärmeaustauschelemente. Es gibt drei Hauptmethoden, die angewandt werden. (1) Verringerung der Fließgeschwindigkeit des Fluids im Außenstromkanal. Wenn die Eigenfrequenz der Wärmeübertragungsröhren konstant ist, kann durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Außenkreis eine Resonanz verhindert werden. Falls die Betriebsbedingungen nicht geändert werden können, können an den Ein- und Auslassrohren des Wärmetauschers Schutzbleche, Leitrohre oder Verteiler für den Flüssigkeitsausfluss eingebaut werden, um die Strömungsgeschwindigkeit an den Eingängen und Ausgängen des Außenkreises zu verringern und so die Schwankungen der Flüssigkeitsströmung auf ein Minimum zu reduzieren. Wenn bereits Maßnahmen gegen Vibrationen ergriffen wurden, doch diese keine ausreichende Wirkung zeigen, sollte man in Betracht ziehen, die Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit anzupassen. (2) Erhöhung der Eigenfrequenz der Rohre. Die Erhöhung der Eigenfrequenz der Rohre kann die Wahrscheinlichkeit von Resonanzen verringern. Die effektivste Methode, die Frequenz zu erhöhen, ist es, die Spannweite zu verringern. Die Eigenfrequenz der Röhre ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Spannweite. Wenn die Spannweite um 20 % verringert wird, kann die Eigenfrequenz um 50 % erhöht werden. Bei U-Rohrpackungen kann zur Erhöhung der Eigenfrequenz zwischen den Rohren ein Band umgewickelt oder Stäbe/Platten eingebracht werden, um die Bewegung der Rohre zu verhindern. (3) Die Form der Baffle-Platten wird geändert, um die Unterstützung der Wärmetauscherrohre zu verändern. Wie z. B. Rohrbündel mit Biegestäben oder Rohrbündel mit spiralförmigen Trennwänden können alle dazu beitragen, die Unterstützungsbedingungen der Rohre zu verbessern.