CN109945717B - 一种高温冷却器换热管组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温冷却器换热管组，换热管组由多个换热管束组成，其中换热管束包括进水环管、出水环管、上管板、下管板、侧管板、套管和冷却管，进水环管与出水环管通过上管板和下管板焊接成环状，若干侧管板分别套接在进水环管和出水环管外，套管分别固连在进水环管、出水环管与侧管板相接处，若干根冷却管固连在进水环管与出水环管内侧，进水环管、出水环管、上管板、下管板、侧管板和冷却管内通有冷却液，本发明具有实现高温冷却器的高效换热，防止换热管束在高温换热情形下过热失效和温差应力破坏，同时保证各换热管组冷却水流量分配要求，适用于电弧风洞高温冷却器在各种模式下的稳定运行的优点。

Description

一种高温冷却器换热管组

技术领域

本发明涉及换热器设计制造技术领域，尤其涉及一种高温冷却器换热管组。

背景技术

高温气体冷却器是电弧风洞中最重要的热交换系统。常规工业标准管壳式换热器通常采用顺流整体管束设计方案，在换热器壳体两端增加封头和隔板的方式进行冷流体(如水等)的进出口设计，冷却流体与热流体采用管板分隔，但是对于大尺度高温气体冷却器而言，这种设计型式并不适用。主要原因有：一是不能满足电弧风洞的启动和运行要求。二是电弧风洞高温冷却器采用气体横掠管束方式，壳体内部的换热管规格不一，很难用封头与隔板型式实现冷却流体的输运；三是电弧风洞高温气体最高焓值可达到30MJ/kg(温度可超过6000K)以上，规格不一的管束采用U型连接，不易实现较为复杂的冷却水流量；四是采用常规整体管束方案，对制造、安装和维护带来较大困难。

这些因素的限制需要采用新的管束布置方法来实现设计需求。

因此，针对以上不足，需要提供一种高温冷却器换热管组。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种高温冷却器换热管组。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温冷却器换热管组，换热管组由多个换热管束组成，其中换热管束包括进水环管、出水环管、上管板、下管板、侧管板、套管和冷却管，进水环管与出水环管通过上管板和下管板焊接成环状，若干侧管板分别套接在进水环管和出水环管外，套管分别固连在进水环管、出水环管与侧管板相接处，若干根冷却管固连在进水环管与出水环管内侧，进水环管、出水环管、上管板、下管板、侧管板和冷却管内通有冷却液。

通过采用上述技术方案，将每级换热器的换热管简化设计成换热管束组(一般为偶数排)单元，通过类似蜂箱的组合安装方式实现整台冷却器的的流动与传热，从而解决大尺度(直径超过2m，或者截面积超过2m×2m)高温气体(超过6000K)冷却器内部管束结构复杂与不同规格换热管的冷却水流量分配、制造安装与方便维护等矛盾；进水环管和出水环管与上管板和下管板设计成焊接型式，增加了管组的整体刚性，又可实现冷却水流量的均匀分配；设置上管板、下管板和侧管板，避免了因支撑管板过热变形引起管束拉脱和剪切破坏；冷却管与进水环管和出水环管连通采用焊接型式使换热管束内部构成循环。

作为对本发明的进一步说明，优选地，上管板与下管板为夹层结构且夹层之间具有缝隙，上管板、下管板均与出水环管相通，冷却管连通进水环管、上管板与下管板。

通过采用上述技术方案，使上管板和下管板内也能通入冷却液，使上管板和下管板在内部得到冷却，避免高温使上管板和下管板产生塑性形变，保证上管板和下管板对进水环管和出水环管连接稳定。

作为对本发明的进一步说明，优选地，若干根冷却管呈蛇形分布，冷却管端头处分别与进水环管和出水环管相通、与下管板和出水环管相通、与进水环管和上管板相通。

通过采用上述技术方案，冷却管蛇形分布，最大限度的增大冷却管与热流体的接触面积，使冷却液能更快的对热流体进行冷却，提高冷却效率；并且换热管束内的冷却管由多组构成，使得进水环管内的冷却液能同时流经换热管束中部，相比单根冷却管冷却液的流程更短，避免冷却液在单根冷却管中长时间流动过早发热而只使靠近冷却管进液端的热流体降温的问题，保证冷却液能对换热管束中部的所有热流体进行降温冷却，大大提高冷却效率。

作为对本发明的进一步说明，优选地，冷却管与进水环管相接处固连有进水方套，冷却管和出水环管相接处固连有出水方套，进水方套与出水方套均为钢制方形块。

通过采用上述技术方案，设置进水方套和出水方套不仅起到接头的作用，还能起到稳定冷却管位置的作用，降低热流体对冷却管连接端的影响，保证冷却管端头与进水环管和出水环管连接稳定。

作为对本发明的进一步说明，优选地，侧管板为夹层结构，侧管板端头与上管板、下管板之间固连有连接管。

通过采用上述技术方案，可使侧管板内部也能通入冷却液，避免侧管板受热变形。

作为对本发明的进一步说明，优选地，上管板、下管板和侧管板与连接管相接处固连有扩口管，连接管插接在扩口管外，连接管外套有螺母，所述螺母与扩口管螺纹连接。

通过采用上述技术方案，使连接管与上管板、下管板和侧管板连接稳定，不易受热流体影响而脱离。

作为对本发明的进一步说明，优选地，套管为钢制半弧状管，套管与进水环管和出水环管抵接处垫有隔热棉。

通过采用上述技术方案，设置套管不仅起到固定进水环管、出水环管与侧管板位置的作用，还能利用隔热棉缓冲热流体对环管的冲击，降低环管的受损概率。

作为对本发明的进一步说明，优选地，换热管组内的多个换热管束中圆环轴线重合，且通过侧管板相互抵接使各个进水环管和出水环管之间具有间隔。

通过采用上述技术方案，环管之间具有间隙，有效避免热流体流动时相邻换热管束之间的环管发生磕碰而受损的问题，提高换热管束的使用寿命。

作为对本发明的进一步说明，优选地，上管板、下管板和侧管板上下两端分别开设有滑移面，滑移面为圆弧面。

通过采用上述技术方案，换热管组件可通过安装在高温冷却器壳体内壁的支撑导轨送入壳体内部，依次完成整个冷却器的组装，设置滑移面使换热管束与导轨或壳体的接触为线性接触，降低换热管束与导轨或壳体的接触面积，进而降低摩擦，使换热管束更易移动。

实施本发明的，具有以下有益效果：

1、本发明结构简单有效，将单排或者多排管束按照图1方式设计成具有独立单元的换热管组件，可以极大降低大尺度高温冷却器的制造和工艺控制难度，同时提高了换热器组件的整体刚性；

2、方法灵活，通过调整换热管组件设计的换热管束数目，就能实现不同规格换热管的管程流量分配，有利于不同换热组单元之间的匹配；

3、通用性强，适用于高温冷却器中各换热组件单元的快速维修与更换；

4、性能可靠，不会影响高温冷却器管程和壳程的流动与传热，可满足电弧风洞各种工况下运行时的密封和冷却流体输运。

附图说明

图1为本发明的左侧视图；

图2是本发明的右侧视图。

附图标记说明：

1、进水环管；11、进水接管；12、进水方套；2、出水环管；21、出水接管；22、出水方套；3、上管板；4、下管板；5、侧管板；6、套管；7、冷却管；8、连接管；81、扩口管；9、滑移面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高温冷却器换热管组，结合图1、图2，换热管组由多个换热管束组成，其中换热管束包括进水环管1、出水环管2、上管板3、下管板4、侧管板5、套管6和冷却管7，进水环管1与出水环管2通过上管板3和下管板4焊接成环状，若干侧管板5分别套接在进水环管1和出水环管2外，套管6分别固连在进水环管1、出水环管2与侧管板5相接处，若干根冷却管7固连在进水环管1与出水环管2内侧，进水环管1、出水环管2、上管板3、下管板4、侧管板5和冷却管7内通有冷却液，冷却液为水。

结合图1、图2，将每级换热器的换热管简化设计成换热管束组(一般为偶数排)单元，通过类似蜂箱的组合安装方式实现整台冷却器的的流动与传热，从而解决大尺度(直径超过2m，或者截面积超过2m×2m)高温气体(超过6000K)冷却器内部管束结构复杂与不同规格换热管的冷却水流量分配、制造安装与方便维护等矛盾。

结合图1、图2，进水环管1与出水环管2均为半环状管道，进水环管1一侧固连有进水接管11，进水接管11与进水环管1相通；出水环管2一侧上部固连有出水接管21，出水接管21与出水环管2相通，进水接管11与出水接管21端口处均固连有法兰，便于和总管连接；上管板3与下管板4为方形夹层结构板，夹层之间具有缝隙，上管板3、下管板4与进水环管1和出水环管2均通过焊接连接，其中上管板3、下管板4均与出水环管2相通，上管板3、下管板4与进水环管1封闭，冷却管7连通进水环管1、上管板3与下管板4，使得冷却液能从进水环管1流经冷却管7后从出水环管2流出。

结合图1、图2，进水环管1和出水环管2与上管板3和下管板4设计成焊接型式，增加了管组的整体刚性，又可实现冷却水流量的均匀分配；设置上管板3、下管板4和侧管板5，避免了因支撑管板过热变形引起管束拉脱和剪切破坏；冷却管7与进水环管1和出水环管2连通采用焊接型式使换热管束内部构成循环；将上管板3和下管板4设置成夹层结构，不仅使上管板3和下管板4内也能通入冷却液，使上管板3和下管板4在内部得到冷却，还能保证上管板3和下管板4具有较高的结构强度，避免高温使上管板3和下管板4产生塑性形变，保证上管板和下管板对进水环管和出水环管连接稳定。

结合图1、图2，若干根冷却管7呈蛇形分布，冷却管7端头处分别与进水环管1和出水环管2相通、与下管板4和出水环管2相通、与进水环管1和上管板3相通，冷却管7蛇形分布，最大限度的增大冷却管7与热流体的接触面积，使冷却液能更快的对热流体进行冷却，提高冷却效率；并且换热管束内的冷却管7由多组构成，使得进水环管1内的冷却液能同时流经换热管束中部，相比单根冷却管7冷却液的流程更短，避免冷却液在单根冷却管7中长时间流动过早发热，而只使靠近冷却管7进液端的热流体降温的问题，保证冷却液能对换热管束中部的所有热流体进行降温冷却，大大提高冷却效率。

结合图1、图2，冷却管7与进水环管1相接处固连有进水方套12，冷却管7和出水环管2相接处固连有出水方套22，进水方套12与出水方套22均为钢制方形块，设置进水方套12和出水方套22不仅起到接头的作用，还能起到稳定冷却管7位置的作用，降低热流体对冷却管7连接端的影响，保证冷却管7端头与进水环管1和出水环管2连接稳定。

结合图1、图2，侧管板5也为方形夹层结构板，侧管板5上下两端开设有弧形孔，所述弧形孔最大的间距与环管外径相同，套管6插接在弧形孔内，套管6为钢制半弧状管，套管6与进水环管4和出水环管5抵接处垫有隔热棉，设置套管6不仅起到固定进水环管1、出水环管2与侧管板5位置的作用，还能利用隔热棉缓冲热流体对环管的冲击，降低环管的受损概率；在安装侧管板5时，先将环管伸入侧管板5内的弧形孔中，待侧管板5定位后再将套管6套入环管外，最后焊接，达到连接作用。

结合图1、图2，上管板3、下管板4和侧管板5与连接管相接处固连有扩口管81，扩口管81外套接有连接管8，连接管8外套有螺母，所述螺母与扩口管81螺纹连接，设置连接管8可使侧管板5内部也能通入冷却液，避免侧管板5受热变形；设置扩口管81使连接管8与上管板3、下管板4和侧管板5连接稳定，不易受热流体影响而脱离。

结合图1、图2，换热管组内的多个换热管束中圆环轴线重合，且通过侧管板5相互抵接使各个进水环管1和出水环管2之间具有间隔，环管之间具有间隙，有效避免热流体流动时相邻换热管束之间的环管发生磕碰而受损的问题，提高换热管束的使用寿命，上管板3、下管板4和侧管板5上下两端分别开设有滑移面9，滑移面9为圆弧面_，换热管组件可通过安装在高温冷却器壳体内壁的支撑导轨送入壳体内部，依次完成整个冷却器的组装，设置滑移面9使换热管束与导轨或壳体的接触为线性接触，降低换热管束与导轨或壳体的接触面积，进而降低摩擦，使换热管束更易移动。

综上所述，本发明针对电弧风洞热交换特殊要求，在传统换热器基础上，发明新的高温冷却器换热管组设计方法，实现高温冷却器的高效换热，防止换热管束在高温换热情形下过热失效和温差应力破坏，同时保证各换热管组冷却水流量分配要求，适用于电弧风洞高温冷却器在各种模式下的稳定运行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高温冷却器换热管组，其特征在于，换热管组由多个换热管束组成，其中换热管束包括进水环管(1)、出水环管(2)、上管板(3)、下管板(4)、侧管板(5)、套管(6)和冷却管(7)，进水环管(1)与出水环管(2)通过上管板(3)和下管板(4)焊接成环状，若干侧管板(5)分别套接在进水环管(1)和出水环管(1)外，套管(6)分别固连在进水环管(1)、出水环管(2)与侧管板(5)相接处，若干根冷却管(7)固连在进水环管(1)与出水环管(2)内侧，进水环管(1)、出水环管(2)、上管板(3)、下管板(4)、侧管板(5)和冷却管(7)内通有冷却液。

2.根据权利要求1所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，上管板(3)与下管板(4)为夹层结构且夹层之间具有缝隙，上管板(3)、下管板(4)均与出水环管(2)相通，冷却管(7)连通进水环管(1)、上管板(3)与下管板(4)。

3.根据权利要求2所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，若干根冷却管(7)呈蛇形分布，冷却管(7)端头处分别与进水环管(1)和出水环管(2)相通、与下管板(4)和出水环管(2)相通、与进水环管(1)和上管板(3)相通。

4.根据权利要求3所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，冷却管(7)与进水环管(1)相接处固连有进水方套(12)，冷却管(7)和出水环管(2)相接处固连有出水方套(22)，进水方套(12)与出水方套(22)均为钢制方形块。

5.根据权利要求1所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，侧管板(5)为夹层结构，侧管板(5)端头与上管板(3)、下管板(4)之间固连有连接管(8)。

6.根据权利要求5所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，上管板(3)、下管板(4)和侧管板(5)与连接管(8)相接处固连有扩口管(81)，连接管(8)插接在扩口管(81)外，连接管(8)外套有螺母，所述螺母与扩口管(81)螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，套管(6)为钢制半弧状管，套管(6)与进水环管(1)和出水环管(2)抵接处垫有隔热棉。

8.根据权利要求1所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，换热管组内的多个换热管束中圆环轴线重合，且通过侧管板(5)相互抵接使各个进水环管(1)和出水环管(2)之间具有间隔。

9.根据权利要求8所述的一种高温冷却器换热管组，其特征在于，上管板(3)、下管板(4)和侧管板(5)上下两端分别开设有滑移面(9)，滑移面(9)为圆弧面。