CN109945730B - 一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法，包括壳体外壁、换热管套管、壳体内壁和壳体冷却介质通道，壳体外壁通过换热管套管与壳体内壁相连，壳体外壁与壳体内壁具有间隙，所述间隙为壳体冷却介质通道，换热管套管内插接有换热管，所述换热管伸入壳体内壁中，壳体冷却介质通道内流动有冷却介质，本发明具有既能解决等长度换热管穿过壳体夹层，在壳体外完成冷却流体单元分配，又能解决因壳体壁温过高导致的强度与刚度不足，显著减少金属材料用量，有效降低成本的优点。

Description

一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法

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方形截面(换热截面超过2m×2m)高温气体(超过6000K)冷却器壳体结构及其设计方法。

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。通常的高温气体冷却器由三部分组成，换热管阵、壳体(包裹在换热管外部)、以及流体分配单元。在电弧风洞运行过程中，由于上游高温气体会对冷却器壳体进行加热，从而导致壳体壁温过高，降低了壳体的强度和刚度，需要采用水冷结构设计。

高焓(温)气体冷却器的壳体是换热器的主要部件之一，用于壳体的费用远比管子的花费高，为节省费用，标准工业换热器的壳体由于通常采用细长型式。但是对于大尺度高温气体冷却器而言，细长型式的壳体设计方法显然不能适用。主要表现在：一是传热强度的要求和安装空间限制了标准细长型壳体结构的使用；二是大的冷却截面要求较大尺寸的壳体结构具有较好的强度和刚度，这就要求板材需要足够厚，增加了金属用量，投资相应增大；三是高温气体引起的壳体壁面温度超过了壳体结构材料的许用温度，这种情况下材料的强度和刚度会降低；四是冷却器换热管内的流体分配单元需要在壳体外完成。这些因素的限制需要采用新的壳体结构设计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方形截面壳体结构及其设计方法。

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方形截面壳体结构及其设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法，包括壳体外壁、换热管套管、壳体内壁和壳体冷却介质通道，壳体外壁通过换热管套管与壳体内壁相连，壳体外壁与壳体内壁具有间隙，所述间隙为壳体冷却介质通道，换热管套管内插接有换热管，所述换热管伸入壳体内壁中，壳体冷却介质通道内流动有冷却介质。

特别地，所述壳体内壁承受来自热流体的压力和壳体冷却通道内介质的压力；所述壳体外壁承受来自壳体冷却通道内介质的压力和外界环境压力。

特别地，所述壳体外壁与壳体内壁上开设有外径与换热管套管外径相同的孔，换热管套管插入所述孔内，换热管套管端头处开设有倒角，换热管套管开设倒角端分别与壳体外壁和壳体内壁通过角焊环焊缝进行连接。

特别地，所述壳体外壁和壳体外壁采用薄壁结构，壳体外壁和壳体外壁的厚度小于等于10mm。

特别地，所述换热管套管中部固连有柱状的支撑套，支撑套外径大于换热管套管外径，支撑套两端分别与壳体外壁和壳体内壁抵接。

特别地，所述支撑套中部开设有弧状的分流环槽，支撑套中部据换热管套管的轴线距离小于支撑套两侧据换热管套管的轴线距离。

本发明还提供了一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法，包括以下步骤：

根据工作环境下壳体结构的几何尺寸、受力情况和内筒热流体侧壁可能达到的最高温度参数确定壳体材料选择；

根据壳体结构的几何尺寸、以及壳体内、外壁受力和受热情况，计算确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及内、外壁材料的初始厚度，通过传热计算确定壳体结构材料维持在许用温度下的冷却介质用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体内、外壁厚度，计算换热管套管几何尺寸焊接加强时的强度和刚度，以板材最小厚度为目标函数，通过迭代计算，确定壳体内外壁厚度；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，校核壳体结构的强度、刚度、传热设计结果直至结构定型，最后进行原料加工和组装。

所述原料加工即为：将原料钢板按照设计尺寸进行裁剪，形成壳体外壁和壳体内壁，并在一块壳体外壁和壳体内壁上开孔；

将换热管套管原料进行车工成型后，再对换热管套管进行表面淬火。

所述组装即为：淬火冷却后将壳体内壁平放在地面上，随后将所有的换热管套管先插入壳体内壁上，之后再将壳体外壁插接在换热管套管另一端处，先对壳体外壁上的换热管套管进行环形角焊，最后再对壳体内壁上的换热管套管进行角焊。

实施本发明的，具有以下有益效果：

1)结构简单，便于施工，通过利用换热管套管角焊环焊缝设计达到了保证壳体结构使用的强度和刚度条件，同时减小了壳体板材厚度，节约了金属材料用量。如对4m×4m截面壳体，采用本发明的设计方法，可减少金属材料50％以上。

2)通用性强，适用于各类大型高温换热器穿管的壳体冷却结构设计。

3)在保证实现换热管穿管功能的前提下，实现了大尺度高温换热器壳体的低成本制造、变形控制、高效换热和低成本运行。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的剖面图。

图中：

1：壳体外壁；2：换热管套管；21：支撑套；22：分流环槽；23：角焊环焊缝；3：壳体内壁；4：壳体冷却介质通道；S1：列间距；S2：行间距。

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。

一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法，结合图1、图2，包括壳体外壁1、换热管套管2、壳体内壁3和壳体冷却介质通道4，壳体外壁1通过换热管套管2与壳体内壁3相连，壳体外壁1与壳体内壁3具有间隙，间隙为壳体冷却介质通道4，换热管套管2内插接有换热管，换热管伸入壳体内壁3中，壳体冷却介质通道4内流动有冷却介质，冷却介质可以为水或乙二醇。

结合图1、图2，壳体外壁1与壳体内壁3均为薄壁钢板，其厚度大于5mm且小于等于10mm，壳体内壁1承受来自热流体的压力和壳体冷却通道4内介质的压力；壳体内壁3承受来自壳体冷却通道4内介质的压力和外界环境压力；壳体外壁1与壳体内壁3采用薄壁结构可以有效减小金属材料用量，可以降低壳体的加工难度，易于实现变形控制；还有利于在主体设备停止运行后，在较短时间内使壳体结构的温度达到常温，减小了壳体冷却介质通道4内介质输运系统的运行时间，降低了设备运行成本；其中壳体内壁3采用薄壁结构，减小了热流体侧壁面向壳体冷却介质通道4内介质的传热时间，提高了传热效率，有利于控制壳体内壁3的壁温保持在安全温度范围内。

结合图1、图2，壳体外壁1与壳体内壁3上开设有若干个外径与换热管套管2外径相同的孔，所述孔按照点阵式分布，其列间距S₁与行间距S₂均通过公式计算得到，换热管套管2插入孔内，换热管套管2端头处开设有倒角，换热管套管2开设倒角端分别与壳体外壁1和壳体内壁3通过角焊环焊缝进行连接；通过角焊环焊缝，将壳体外壁1和壳体内壁3焊接在一起，起到局部加强的作用，同时在小的壁厚(薄壁结构)条件下满足壳体的刚度和强度要求，从而减小了壳体外壁1和壳体内壁3的金属材料用量，降低了投资成本；并且减少焊缝外露出壳体外壁1和壳体内壁3的量，保证壳体外壁1和壳体内壁3表面光滑，尤其在壳体内壁3中，还能降低热流体在壳体内流动时对换热管套管2连接处的冲击，保证换热管套管2与壳体内壁3的连接稳定性的优点。

结合图1、图2，换热管套管2中部固连有柱状的支撑套21，支撑套21外径大于换热管套管2外径，支撑套21两端分别与壳体外壁1和壳体内壁3抵接，设置支撑套21可在组装壳体时起到支撑壳体外壁1与壳体内壁3的作用，实现预留壳体冷却介质通道4的作用，同时阻挡换热管套管2与壳体外壁1和壳体内壁3的间隙，起到一定密封作用；支撑套21中部开设有弧状的分流环槽22，使支撑套21中部据换热管套管2的轴线距离小于支撑套21两侧据换热管套管2的轴线距离；利用上述方式，在冷却介质流动时，将支撑套21两侧的冷却介质倒流到支撑套21中部，使冷却介质不易渗入换热管套管2与壳体外壁1和壳体内壁2之间的间隙处，避免冷却介质出现渗漏的问题。

本发明还提供了一种高温冷却器方形截面壳体结构的设计方法，包括以下步骤：

根据工作环境下壳体结构的几何尺寸、受力情况和内筒热流体侧壁可能达到的最高温度参数确定壳体材料选择；

根据壳体结构的几何尺寸、以及壳体内、外壁受力和受热情况，计算确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及内、外壁材料的初始厚度，通过传热计算确定壳体结构材料维持在许用温度下的冷却介质用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体内、外壁厚度，计算换热管套管几何尺寸焊接加强时的强度和刚度，以板材最小厚度为目标函数，通过迭代计算，确定壳体内外壁厚度；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，校核壳体结构的强度、刚度、传热设计结果直至结构定型，最后进行原料加工和组装。

原料加工即为：将原料钢板按照设计尺寸进行裁剪，形成壳体外壁和壳体内壁，并在一块壳体外壁和壳体内壁上开孔；

将换热管套管原料进行车工成型后，再对换热管套管进行表面淬火，可使换热管套管和支撑套在焊接时不易受热变形，保证导流工作顺利进行。

组装即为：淬火冷却后将壳体内壁平放在地面上，随后将所有的换热管套管先插入壳体内壁上，之后再将壳体外壁插接在换热管套管另一端处，先对壳体外壁上的换热管套管进行环形角焊，最后再对壳体内壁上的换热管套管进行角焊，利用先组装后焊接的方式，有效避免在单面组装焊接时换热管套管变形而使另一面的壳体外壁或壳体内壁装配不上的问题。

综上，本发明提供一种大尺度方形截面(换热截面超过2m×2m)高温(超过6000K)气体冷却器壳体结构设计方法,既能解决等长度换热管穿过壳体夹层，在壳体外完成冷却流体单元分配，又能解决因壳体壁温过高导致的强度与刚度不足，显著减少金属材料用量，有效降低成本；采用薄壁和换热管套焊接加强结构设计的壳体结构可有效降低热流体侧壁与冷流体侧壁的温差，减小壳体结构热应力，提高设备稳定性，同时在设备停止运行后缩短了冷流体附属系统的运行时间，降低了设备运行成本。

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 (7)

1.一种高温冷却器方形截面壳体结构，其特征在于：包括壳体外壁（ 1） 、换热管套管（ 2） 、壳体内壁（ 3） 和壳体冷却介质通道（ 4） ，壳体外壁1通过换热管套管（ 2） 与壳体内壁（ 3） 相连，壳体外壁（ 1） 与壳体内壁（ 3） 具有间隙，所述间隙为壳体冷却介质通道（ 4） ，换热管套管（ 2） 内插接有换热管，所述换热管伸入壳体内壁（ 3） 中，壳体冷却介质通道（ 4） 内流动有冷却介质；所述换热管套管（ 2） 中部固连有柱状的支撑套（ 21） ，支撑套（ 21） 外径大于换热管套管（ 2） 外径，支撑套（ 21） 两端分别与壳体外壁（ 1） 和壳体内壁（ 2） 抵接；所述支撑套（ 21） 中部开设有弧状的分流环槽（ 22） ，支撑套（ 21）中部据换热管套管（ 2） 的轴线距离小于支撑套（ 21） 两侧据换热管套管（ 2） 的轴线距离。

2.根据权利要求1所述的一种高温冷却器方形截面壳体结构，其特征在于：所述壳体内壁（ 3） 承受来自热流体的压力和壳体冷却通道（ 4） 内介质的压力；所述壳体外壁（ 1）承受来自壳体冷却通道（ 4） 内介质的压力和外界环境压力。

3.根据权利要求1所述的一种高温冷却器方形截面壳体结构，其特征在于：所述壳体外壁（ 1） 与壳体内壁（ 3） 上开设有外径与换热管套管（ 2） 外径相同的孔，换热管套管（2） 插入所述孔内，换热管套管（ 2） 端头处开设有倒角，换热管套管（ 2） 开设倒角端分别与壳体外壁（ 1） 和壳体内壁（ 3） 通过角焊环焊缝（ 23） 进行连接。

4.根据权利要求3所述的一种高温冷却器方形截面壳体结构，其特征在于：所述壳体外壁（ 1） 和壳体内壁（ 3） 采用薄壁结构，壳体外壁（ 1） 和壳体内壁（ 3） 的厚度小于等于10mm。

5.一种如权利要求1所述的高温冷却器方形截面壳体结构的设计方法，其特征在于：根据工作环境下壳体结构的几何尺寸、受力情况和内筒热流体侧壁可能达到的最高温度参数确定壳体材料选择；

根据壳体结构的几何尺寸、以及壳体内、外壁受力和受热情况，计算确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及内、外壁材料的初始厚度，通过传热计算确定壳体结构材料维持在许用温度下的冷却介质用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体内、外壁厚度，计算换热管套管几何尺寸焊接加强时的强度和刚度，以板材最小厚度为目标函数，通过迭代计算，确定壳体内外壁厚度；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，校核壳体结构的强度、刚度、传热设计结果直至结构定型，最后进行原料加工和组装。

6.根据权利要求5所述的一种高温冷却器方形截面壳体结构的设计方法，其特征在于：所述原料加工即为：将原料钢板按照设计尺寸进行裁剪，形成壳体外壁和壳体内壁，并在一块壳体外壁和壳体内壁上开孔；

将换热管套管原料进行车工成型后，再对换热管套管进行表面淬火。

7.根据权利要求5所述的一种高温冷却器方形截面壳体结构的设计方法，其特征在于：所述组装即为：淬火冷却后将壳体内壁平放在地面上，随后将所有的换热管套管先插入壳体内壁上，之后再将壳体外壁插接在换热管套管另一端处，先对壳体外壁上的换热管套管进行环形角焊，最后再对壳体内壁上的换热管套管进行角焊。