CN109945718A - 一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却装置包括进水管、前级管束支撑板、出水管、冷却管、封堵板、冷却水通道和隔板；所述隔板焊接在上下两个封堵板之间；在所述前级管束支撑板迎风侧端面外部增加冷却管；在所述冷却管上下两个端面焊接封堵板；前级管束支撑板与冷却管采用焊接固定，从而使得隔板与冷却管内壁形成冷却水通道。实现增大冷却器前级管束支撑结构迎风面受热面积，避免拐角流动出现，有效控制前级支撑结构壁温，从而解决高温气体冷却器前级支撑结构在低焓条件运行可靠、在高焓条件运行时破坏的矛盾。

Description

一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置

技术领域

本发明涉及换热器设计制造技术领域，尤其涉及一种大尺度(直径超过2m，或者借面积超过2m×2m)高温气体(超过6000K)冷却器换热管支撑结构设计方法。

背景技术

目前高温气体冷却器是电弧风洞中最重要的热交换系统。冷却器通常采用气体横掠管束的叉排布置方式，为防止管束跨度过大的换热管束振动破坏，需要在垂直管束部位增加支撑结构设计。这种支撑结构设计由于设计不合理，在高焓(30MJ/kg)焓低压或者低焓高压(1大气压)运行条件下，通常会在支撑结构迎风面，特别是在冷却器前级(靠近风洞扩压器出口位置)迎风面出现高热流区引起过热现象，管束支撑结构发生烧蚀或者大的热变形，导致支撑结构失效，引起管束破坏。本方案提出一种防止高温冷却器前级支撑板过热的设计方法，可以降低前级迎风面的热流密度，避免出现局部过热现象，不影响高温气体冷却器的流动与传热，有效提高冷却器的可靠性和稳定性。现有技术的缺陷主要在如下几个方面：

(1)、现有换热器标准仅适用于换热流体温度低于2000K条件下的壳体结构设计，对于换热流体超过6000K的流体设备管束支撑结构设计没有相关标准和方法。

(2)、冷却器前级支撑结构迎风面为矩形设计，迎风受热面积较小，高焓运行条件下，在矩形截面的拐角区，由于曲率半径大，会产生高热流出现局部过热现象，常引起支撑结构破坏。

(3)、冷却器前级管束位于扩压器出口，支撑结构的主要作用是防止冷却器工作时管束跨度过大引起的振动，若结构设计过于复杂，会影响高温气体在冷却器中的流动传热与压降，从而影响扩压器的性能和风洞正常运行。

(4)、高温气体冷却器的运行环境多变，需要一种适应性强、结构简单、效果明显、性能可靠、不影响流动与传热的设计来解决前级支撑结构过热问题。

因此，针对以上不足，需要提供一种在高温冷却器前级管束支撑结构上，增加发明的机构，使得冷却器前级管束支撑结构得到有效保护，避免出现局部过热破坏，延长冷却器前级管束支撑结构寿命，保证支撑功能可靠有效；同时不影响扩压器性能和前级高温气体在冷却器内部的流动与传热，并且适用于在电弧风洞高温冷却器的各种模式下运行。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，提供了一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，实现增大冷却器前级管束支撑结构迎风面受热面积，避免拐角流动出现，有效控制前级支撑结构壁温，从而解决高温气体冷却器前级支撑结构在低焓条件运行可靠、在高焓条件运行时破坏的矛盾的一种装置。

本发明所涉及到的冷却管和冷却介质系统是在原高温冷却器管束支撑装置基础上，增加了新的装置，并进行相应的改进。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置：所述冷却装置包括进水管、前级管束支撑板、出水管、冷却管、封堵板、冷却水通道和隔板；所述隔板焊接在上下两个封堵板之间；在所述前级管束支撑板迎风侧端面外部增加冷却管；在所述冷却管上下两个端面焊接封堵板；前级管束支撑板与冷却管采用焊接固定，冷却水通道开设在隔板靠近上、下封堵板的位置，以使冷却管内环境与前级管束支撑板相通。

增加焊接冷却管后，前级管束支撑板的前端面变成了冷却管与管束支撑板之间的冷却通道隔板，在保证管束支撑板强度的前提下，又能保证冷却管内冷却介质充盈，使冷却管得到更加充分的冷却；同时冷却管的使用增大了前级支撑装置的迎风受热面积(从矩形面变为了曲面)，降低了壁面平均热流。可以说，对冷却管采用上述冷却设计，达到了有效控制冷却管的壁面温度的目的。冷却管内的冷却介质与前级管束支撑装置的冷却介质共用同一套冷却流体输运系统，不需要额外增加动力投资。

特别的，所述冷却管可以直接选用适合的标准金属管加工成半圆管。

特别的，所述冷却管可以选用椭圆形金属管。

特别的，所述椭圆形金属管为椭圆形沿竖轴方向切割而成。

特别的，所述椭圆形金属管的横轴大于竖轴，且横轴与竖轴的长度比为1.1-3：1。优选的，横轴与竖轴的长度比为1：2。

特别的，所述冷却水通道截面为半圆通孔。

特别的，所述封堵板也可与前级管束支撑板上下端面的封堵设计成一体。

特别的，所述进水管在所述前级管束支撑板下端面；所述出水管在所述前级管束支撑板上端面。

特别的，所述冷却管的直径(即冷却管的厚度)与支撑板厚度相同。

特别的，所述冷却管的长度与前级管束支撑板的高度相同，避免了前级管束支撑板的矩形端面直接受热。

另外，冷却管也可采用标准圆管直接焊接，圆管直径可等于或略大(不能影响流场)支撑板的厚度；冷却管也可设计成不与支撑板连通，实行单独供水冷却模式。

实施本发明的，具有以下有益效果：

(1)结构简单，仅通过在冷却器原前级管束支撑装置上增加冷却管和冷却功能，就能实现迎风面受热热流降低，防止局部过热现象引起的前级管束支撑装置破坏。

(2)适用性强，适用于电弧风洞任意运行条件下的高温冷却器的前级管束支撑装置局部过热防护。

(3)通用性强，适用于各种型式的管壳式叉排换热器管束支撑装置的过热防护。

(4)性能可靠，效果明显，不会影响扩压器的性能和冷却器内部的流动与传热，提高了电弧风洞设备运行的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置示意图；

图2是本发明防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置的俯视图；

图3是本发明防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置的仰视图；

图4是本发明防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置的剖面图。

图中：

1：进水管；2：前级管束支撑板；3：出水管；4：冷却管；5：封堵板；6：冷却水通道；7：隔板；8：管束。

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。

本发明的目的是提出一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，实现增大冷却器前级管束支撑结构迎风面受热面积，避免拐角流动出现，有效控制前级支撑结构壁温，从而解决高温气体冷却器前级支撑结构在低焓条件运行可靠、在高焓条件运行时破坏的矛盾的一种装置。

结合图1、图4，本发明实施例提供的本发明提供了一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置：冷却装置包括进水管1、前级管束支撑板2、出水管3、冷却管4、封堵板5、冷却水通道6和隔板7；前级管束支撑板2为方形壳体状，前级管束支撑板2内部中空，前级管束支撑板2上间隔插接有若干根管束8；进水管1在前级管束支撑板2下端面；出水管3在前级管束支撑板2上端面；隔板7焊接在上下两个封堵板5之间；在前级管束支撑板2迎风侧端面外部增加冷却管4；在冷却管4上下两个端面焊接封堵板5，封堵板5也可与前级管束支撑板2上下端面的封堵设计成一体；使前级管束支撑板2与冷却管4封闭；前级管束支撑板2与冷却管4采用焊接固定，冷却水通道6开设在隔板7靠近上、下封堵板5的位置，使冷却管4内环境与前级管束支撑板2内环境相通，则冷却管4内的水与前级管束支撑板2内的冷却水连通共用循环系统，不需要增加额外的冷却介质输运设备。在前级管束支撑板2迎风侧端面外部增加冷却管4，用以实现迎风受热面积的增大。

结合图1、图4，前级管束支撑板2迎风端面前增加与支撑板2厚度等外径的半圆冷却管4时，有效增大了迎风面受热面积(增加到原来的0.5π倍)，在来流参数一定时，可以达到降低迎风面壁面平均热流密度的目的，避免了局部过热现象的发生；在前级管束支撑板2迎风端面位置焊接与支撑板2厚度等外径的半圆冷却管4时，避免了前级管束支撑板2矩形截面成为迎风受热面，不会发生拐角流动诱发的高热流区。

结合图2、图3，冷却水通道6为半圆通孔，且圆弧面竖直向上；因冷却水从前级管束支撑板2底部流入，则冷却水也从隔板7底部的冷却水通道6流入冷却管4内，冷却水通道6的孔径小于进水管1的口径，此时冷却水通过冷却水通道6时流速增加，冷却水通道6的半圆弧面缓冲高流速对隔板的冲刷；并且冷却水通道6两侧的弧面与平面相接处则流速最大，流动距离最远，能快速抵达到冷却管4的迎风面上，加快对冷却管4表面的冷却效果；同时位于隔板7顶部的冷却水通道6配合水压可使冷却管4内的水更快排出冷却管4外，提高冷却效率。

结合图2、图3，冷却管4可以直接选用适合的标准金属管加工成半圆管；冷却管4还可采用标准圆管直接焊接，圆管直径也可以略大(不能影响流场)支撑板2的厚度；冷却管4也可设计成不与支撑板2连通，实行单独供水冷却模式。冷却管4还可以选用椭圆形金属管；其中椭圆形金属管为椭圆形沿竖轴方向切割而成；椭圆形金属管的横轴大于竖轴，且横轴与竖轴的长度比为1.1-3：1。优选的，横轴与竖轴的长度比为1：2。

结合图2、图3，冷却管4的直径(即冷却管4的厚度)与支撑板2厚度相同；冷却管4的长度与前级管束支撑板2的高度相同。冷却管4的长度设计成与前级管束支撑板2的高度相同，可以使前级管束支撑板2的矩形端面完全被冷却管4遮挡，避免了前级管束支撑板2的矩形端面直接受热。

结合图2、图3，对冷却管4采用冷却设计，有利于将冷却管4外表面的热量及时通过热交换传递给冷却介质带走，可以达到有效控制冷却管2的壁面温度的目的。冷却管4内的冷却介质与前级管束支撑装置的冷却介质共用同一套冷却流体输运系统，不需要额外增加动力成本。

综上，该专利申请技术方案在高温冷却器前级管束支撑结构上，增加发明的机构，使得冷却器前级管束支撑结构得到有效保护，避免出现局部过热破坏，延长冷却器前级管束支撑结构寿命，保证支撑功能可靠有效；同时不影响扩压器性能和前级高温气体在冷却器内部的流动与传热，并且适用于在电弧风洞高温冷却器的各种模式下运行。

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 (10)

1.一种防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却装置包括进水管1、前级管束支撑板2、出水管3、冷却管4、封堵板5、冷却水通道6和隔板7；所述隔板7焊接在上下两个封堵板5之间；在所述前级管束支撑板2迎风侧端面外部增加冷却管4；在所述冷却管4上下两个端面焊接封堵板5；前级管束支撑板2与冷却管4采用焊接固定，冷却水通道6开设在隔板7靠近上、下封堵板5的位置，以使冷却管4内环境与前级管束支撑板2相通。

2.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却管4可以直接选用适合的标准金属管加工成半圆管。

3.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却管4可以选用椭圆形金属管。

4.根据权利要求3所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述椭圆形金属管为椭圆形沿竖轴方向切割而成。

5.根据权利要求3所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述椭圆形金属管的横轴大于竖轴，且横轴与竖轴的长度比为1.1-3：1。优选的，横轴与竖轴的长度比为1：2。

6.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却水通道6截面为半圆通孔。

7.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述封堵板5也可与前级管束支撑板2上下端面的封堵设计成一体。

8.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述进水管1在所述前级管束支撑板2下端面；所述出水管3在所述前级管束支撑板2上端面。

9.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却管4的直径(即冷却管4的厚度)与支撑板2厚度相同。

10.根据权利要求1所述的防止高温冷却器前级支撑板过热的冷却装置，其特征在于：所述冷却管4的长度与前级管束支撑板2的高度相同。