CN103033076B - 一种高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置 - Google Patents

Abstract

一种高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置。本发明涉及一种液氮/氦气换热装置，包括壳体及放置在壳体的芯体，换热器芯体安装至换热器壳体中，壳体中充入液氮。氦气分两路从两个氦气入口管进入换热器芯体，随后进入焊接在管板上的集气腔，再依次通过上半部分后方的换热管，连接上半部分前方的换热管、连接管下半部分前方的换热管、连接管、下半部分后方的换热管后，分别从氦气出口管引出。换热管焊接在两侧管板之间，并通过支撑板支撑。本发明采用二次降温技术，可获得比现有低温换热器更大的温降和更低的出口温度。采用集气腔结构设计，突破了现有换热器压力低的缺点，采用胀焊结合的设计工艺技术，突破了高压下氦气易泄漏的问题。

Description

一种高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置

技术领域

本发明涉及一种可应用于新一代运载火箭增压输送试验系统的低温换热装置，尤其涉及一种高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置。

背景技术

现有的低温氦气换热器温降范围窄且获得的低温值较高，工作压力低，流量小，无法满足高压、大流量下氦气获得大降温的要求。

发明内容

为解决现有低温换热器压力低、流量小且不可调、温降小且获得的温度值较高等技术的不足，本发明提供一种高压、大流量、低温、高效液氮/氦气换热装置。

本发明的技术解决方案是：

一种高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，包括壳体及设置在壳体内的芯体，所述壳体上设置有液氮出入口及氦气出入口，其特殊之处在于：

所述芯体包括位于两端的管板6、位于两管板6之间的分层布置的多个换热管7、还包括布置在管板外侧的至少一个氦气入口管3、至少一个氦气出口管14、多个横向连接管8、至少一个纵向连接管11及多个集气腔5；

所述氦气入口管3、氦气出口管14、横向连接管8、纵向连接管11均通过集气腔5与换热管7连通，所述横向连接管8连接同层的两个集气腔5，所述纵向连接管11连接上下相邻的两个集气腔5。

上述壳体的两端的椭圆形封头，所述液氮入口设置的壳体的一端，所述氦气出入口设置在壳体的另一端。

上述集气腔的腔身由半圆柱壳身与管板组成，所述腔身的两端为球壳的一部分。

上述管板6和换热管7之间采用胀焊结合的设计工艺进行焊接。

上述氦气入口管的数量为2、所述氦气出口管的数量为2、所述横向连接管8的数量为4、所述纵向连接管的数量为2，所述2个氦气入口管分别依次与集气腔、换热管、集气腔、横向连接管、集气腔、换热管、集气腔、纵向连接管、集气腔、换热管、集气腔、横向连接管、集气腔、换热管、集气腔及氦气出口管连通。

上述换热管的管壁上设置有弯曲部。

还包括位于两管板之间的支撑结构，所述支撑结构由横向支撑板和多个纵向支撑板及垂直于横向和纵向的中间支撑板相互交叉组成。

上述横向支撑板和纵向支撑板上均匀设置有多个流通孔。

本发明的有益效果是：

1、本发明高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，由换热器芯体和壳体组成，芯体中的管路分层设置，工作时，壳体中通入液氮，芯体的上部换热管在处在氮气中，通过氮气对换热管中的氦进行初步降温；芯体下部换热管浸泡在液氮中，通过液氮对换热管中的氦气进行强化降温，该换热装置降温幅度大，氦气的温度可由常温降至-150℃。芯体的高压管路系统通入氦气，通过热量交换，获得低温氦气。

2、本发明高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，壳体的两端采用椭圆形封头，液氮入口设置的壳体的一端，氦气出入口设置在壳体的另一端，提高了壳体端部的强度，使壳体能够承受较大的低温应力。

3、本发明高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，集气腔两端为球壳结构，减小了局部应力集中，防止芯体由于应力集中而产生破坏现象。

4、本发明高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，采用双流路、二次降温结构设计技术，解决氦气流量大且有多种流量组合、温降大且出口温度值低的要求。

5、本发明高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，换热管的管壁上设置有弯曲部，可防止换热管热胀冷缩、工作抖动引起焊缝失效芯体结构破坏。

6、本发明大流量、低温、液氮/氦气换热装置，位于两管板之间的支撑结构，可减小换热管的抖动，使芯体结构更加稳定。

7、本发明高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，通过在横向支撑板和纵向支撑板上均匀设置多个流通孔，既起到平衡各管板之间液氮的压差的作用，又利于减轻自身重量。

8、本发明采用胀焊结合的设计工艺技术，解决氦气易泄漏问题。

附图说明

图1为本发明的总体示意图，包括换热器壳体、换热器芯体；

图2为本发明的换热器芯体示意图；

图3为本发明换热器芯体端部示意图。

具体实施方式

图1及图2为本发明的一种实施例的结构示意图，液氮/氦气换热装置包括壳体1及放置在壳体的芯体2，壳体上设置有液氮入口1A、液氮出口1B、氮气排放口1C及氦气出口1D、氦气入口1E，换热器芯体由氦气入口管3、4，集气腔5，管板6，换热管7，连接管8、9、11、12、15、16，氦气出口管13、14组成。

如图1，换热器芯体2安装至换热器壳体1中，壳体中充入液氮。氦气分两路从两个氦气入口管3、4进入换热器芯体1，随后进入焊接在管板6上的集气腔5，再依次通过上半部分后方的换热管7，连接管8、9、上半部分前方的换热管7、连接管11、12，下半部分前方的换热管7、连接管15、16、下半部分后方的换热管7后，分别从氦气出口管13、14引出。换热管7焊接在两侧管板6之间，并通过支撑板10支撑。

本实施例与现有技术相比的优点在于：采用双流路设计，可获得比现有换热器更大的流量且有多种流量组合；采用二次降温技术，可获得比现有低温换热器更大的温降和更低的出口温度。采用集气腔结构设计，突破了现有换热器压力低的缺点，采用胀焊结合的设计工艺技术，突破了高压下氦气易泄漏的问题。因此，本发明突破了现有低温换热器压力低、流量小、温降范围窄的缺点。本发明已应用于新一代运载火箭增压输送试验系统，在用氮气代替氦气的试验系统调试中，氮气经换热后，出口为液氮，证明换热装置可以达到设计要求，满足试验系统需要。

本发明的工作原理是：换热器芯体一半换热管始终浸泡在液氮中，高压氦气通过处于低温氮气中的上层换热管换热实现初步降温，随后通过浸泡在液氮中的下层换热管换热实现再次降温，获得增压输送试验系统要求的低温氦气。蒸发后的氮气通过排放管路排入大气中。

Claims (8)

1.一种高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，包括壳体及设置在壳体内的芯体，所述壳体上设置有液氮入口（1A）、液氮出口（1B）、氮气排放口（1C）及氦气出口（1D）、氦气入口（1E），

其特征在于：所述芯体包括位于两端的管板（6）、位于两管板（6）之间的分层布置的多个换热管（7）、还包括布置在管板外侧的至少一个氦气入口管（3）、至少一个氦气出口管（14）、多个横向连接管（8）、至少一个纵向连接管（11）及多个集气腔（5）；

所述氦气入口管（3）、氦气出口管（14）、横向连接管（8）、纵向连接管（11）均通过集气腔（5）与换热管（7）连通，所述横向连接管（8）连接同层的两个集气腔（5），所述纵向连接管（11）连接上下相邻的两个集气腔（5）。

2.根据权利要求1所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于:所述壳体的两端为椭圆形封头，所述液氮入口（1A）设置在壳体的一端，所述氦气出口（1D）、氦气入口（1E）设置在壳体的另一端。

3.根据权利要求2所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于：所述集气腔的腔身由半圆柱壳身与管板组成，所述腔身的两端为球壳的一部分。

4.根据权利要求1或2或3所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于：所述管板（6）和换热管（7）之间采用胀焊结合的工艺进行焊接。

5.根据权利要求4所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于:所述氦气入口管的数量为2、所述氦气出口管的数量为2、所述横向连接管（8）的数量为4、所述纵向连接管的数量为2，所述2个氦气入口管分别依次与集气腔、换热管、集气腔、横向连接管、集气腔、换热管、集气腔、纵向连接管、集气腔、换热管、集气腔、横向连接管、集气腔、换热管、集气腔及氦气出口管连通。

6.根据权利要求5所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于:所述换热管的管壁上设置有弯曲部。

7.根据权利要求6所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于:还包括位于两管板之间的支撑结构，所述支撑结构由横向支撑板和多个纵向支撑板及垂直于横向和纵向的中间支撑板相互交叉组成。

8.根据权利要求7所述的高压、大流量、低温、液氮/氦气换热装置，其特征在于:所述横向支撑板和纵向支撑板上均匀设置有多个流通孔（10）。

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