CN113847832A - 用于冷却液态金属介质的冷却器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种用于冷却液态金属介质的冷却器及其设计方法。其中，冷却器包括：管道，设置有连接部，所述连接部用于与液体金属管道连接，所述管道用于提供液态金属流动的空间；壳体，所述管道穿设于所述壳体，所述壳体两端连接于所述管道，所述壳体与所述管道之间形成容纳空间；冷却管，所述冷却管设置于所述容纳空间内，并围绕所述管道设置，所述冷却管的两端伸出所述壳体，所述冷却管用于提供冷却气体的流动空间。本实施例中的冷却器采用气冷方式，适用于高温高压管道内流体的冷却，减少了水雾水珠的产生，提高了安全性。

Description

用于冷却液态金属介质的冷却器及其设计方法

技术领域

本发明的实施例涉及冷却器技术领域，具体涉及一种用于冷却液态金属介质的冷却器及其设计方法。

背景技术

目前，常见的水冷盘管式、水冷夹套式、蒸发式冷却器、闭式冷却塔等冷却器在工业上应用较多，对于高温和低温设备的冷却都取得了较好的效果。然而，针对管道的冷却，可采用的冷却方式较少，尤其是管道内流动有高温液态金属介质时，缺少合适的冷却器对高温液态金属介质进行冷却。大多数情况下，对管道采用水冷方式，不管是盘管式还是夹套式，如果外界环境不是恒温恒湿的、以及内外环境温度温差较大等原因，在管壁外容易凝结水珠或水雾，对冷却器和管道的寿命都将产生影响。而且使用水冷在冷却器的入口处至冷却器内某处温度变化较大，对冷却器的结构带来的热应力较大，甚至会出现挤压管道或冷却器内结构变形等问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于冷却液态金属介质的冷却器，包括：管道，设置有连接部，所述连接部用于与液体金属管道连接，所述管道用于提供液态金属流动的空间；壳体，所述管道穿设于所述壳体，所述壳体两端连接于所述管道，所述壳体与所述管道之间形成容纳空间；冷却管，所述冷却管设置于所述容纳空间内，并围绕所述管道设置，所述冷却管的两端伸出所述壳体，所述冷却管用于提供冷却气体的流动空间。

根据本发明的另一个方面，提供了一种冷却器的设计方法，所述冷却器包括上述实施方式中任一项所述的用于冷却液态金属介质的冷却器，该方法包括：根据液态金属介质的特征数据，进行机械结构设计，确定所述冷却器的机械结构；建立热工计算模型，向所述热工计算模型中输入冷却器的所述机械结构，并确定冷却器的冷却管内冷却气体成分；根据所述热工计算模型的输出结果，确定所述冷却器的机械结构达到设计要求；其中，当所述机械结构达到要求时，对所述冷却器进行加工制造；当所述机械结构未达到要求时，优化所述冷却器的机械结构并进行热工计算，直至所述热工计算模型的输出结果指示所述机械结构达到要求。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明的实施例所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明一个实施例的冷却器的结构示意图；

图2是图1中冷却器的剖视图；

图3是图1中冷却器的壳体的结构示意图；

图4是图3在壳体的局部结构示意图；

图5是图1中冷却器的冷却管的结构示意图；

图6是图1中冷却器的管道的结构示意图；

图7是图6中管道的局部结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

附图标记说明：

10、管道；11、连接部；12、凹槽；

20、壳体；21、缓冲部；22、充排气口；23、主体部；231、外层；232、内层；24、壳体连接部；25、弧形过渡部；

30、冷却管；31、进出气管组件；311、进出气管；312、套管；313、连接端口；32、螺旋部。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请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申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

图1示出了根据本发明一个实施例的用于冷却液体金属介质的冷却器。图2示出了图1中的冷却器的剖视图。如图1至图2所示，本实施例中的冷却器包括管道10、壳体20以及冷却管30。其中，管道10，设置有连接部11，所述连接部11用于与液体金属管道连接，所述管道10用于提供液态金属流动的空间。所述管道10穿设于所述壳体20，所述壳体20两端连接于所述管道10，所述壳体20与所述管道10之间形成容纳空间。所述冷却管30设置于所述容纳空间内，并围绕所述管道10设置，所述冷却管30的两端伸出所述壳体20，所述冷却管30用于提供冷却气体的流动空间。

本实施例中冷却器的管道10与液态金属管道连接，使液态金属介质在管道内流动，通过围绕管道设置的冷却管30对管道10内流动的液态金属介质进行冷却。并且，本实施例中采用气冷方式对液态金属介质进行冷却，在冷却管30内流动有冷却气体，可以对高温的液态金属介质进行冷却，不仅减少了水雾水珠的产生，提高了安全性，还提高了高温液态金属介质的冷却效果。

可选的，所述管道10的连接部11与液态金属管道之间采用直接焊接的方式连接，使本实施例的冷却器易安装，且适用于高温高压管道内流体的冷却，尤其是高温的液体金属介质，可以使得液态金属管道内的液态金属介质直接流入至冷却器的管道10内，从而通过围绕管道10设置的冷却管30内流动的冷却气体进行对液态金属介质进行冷却。在一些实施例中，管道10采用与液态金属管道相同的材料制造，从而方便管道10与液态金属管道之间的焊接。

在一些实施例中，所述壳体20包括缓冲部21，用于吸收和缓冲热应力。可选的，所述缓冲部21设置于所述壳体20的中部，可以吸收管道10和冷却管30之间换热造成的热应力，避免出现挤压管道或冷却器结构变形的现象，保证冷却器结构的完整性。可选的，所述缓冲部21可以为波纹管，或者也可以为其他可变形结构，用来缓冲热应力。

图3示出了图1中冷却器的壳体的结构示意图。图4示出了图3中壳体的局部结构示意图。如图3和图4所示，本实施例中的壳体20还包括相互间隔的两个主体部23，所述缓冲部21连接于两个所述主体部23之间，并覆盖于部分所述主体部23上，使得位于中间的缓存部21可以缓冲换热造成的热应力。

可选的，所述缓冲部21焊接于所述主体部23上，从而使缓存部21与主体部23之间紧固连接，结构稳定。

进一步地，所述主体部23呈管状，且主体部23的直径大于所述管道10的直径，所述主体部23套设于所述管道10外，使得本实施例的冷却器结构紧凑、体积小、重量轻。可选的，所述主体部23包括外层231和内层232，所述外层231与所述内层232之间密封连接。其中，所述缓存部21与所述外层231连接，且覆盖于部分所述内层232上，从而使缓冲部21有效地缓冲热应力，提高冷却器的结构强度。

在一些实施例中，所述壳体还包括壳体连接部24和弧形过渡部25。所述壳体连接部24位于所述壳体20的两端，所述壳体连接部24的尺寸与所述管道10相匹配，所述壳体连接部24与所述管道10连接。其中，所述主体部23的尺寸大于所述壳体连接部24，以与所述管道10之间形成容纳空间。弧形过渡部25连接于所述主体部23和所述壳体连接部24之间，采用弧形过渡部25连接主体部23和壳体连接部24，可以加强壳体的结构强度。

可选的，所述壳体20的两端焊接于所述管道10。具体地，所述壳体连接部24与所述管道10通过焊接连接，从而提高连接强度。可选的，所述壳体连接部24贴合于所述管道10外壁，以便于与所述管道密封连接。

在一些实施例中，所述主体部23、壳体连接部24、弧形过渡部25之间一体成型，从而避免连接不紧固而造成的结构变形或损坏。所述管道10与壳体连接部24之间、所述主体部23与所述缓冲部21之间均密封连接，从而使所述壳体20与所述管道10之间形成密闭的容纳空间。

此外，所述壳体20上还设置有充排气口22，所述充排气口22用于对所述容纳空间抽真空和/或向所述容纳空间充入惰性气体。其中，惰性气体可以选择具有高传热系数的惰性气体，使其充满密闭的容纳空间，从而加快管道与冷却管之间的传热。在一些实施例中，可以根据不同的试验要求，对冷却器内部密闭的容纳空间进行抽真空、充入气体或者调节容纳空间内部压力等操作。

如图2所示，本实施例中的冷却管30可以连接于所述壳体20的内壁，通过壳体20中部设置的缓冲部21可以释放冷却管30与管道之间换热造成的热应力。

图5示出了根据本发明一个实施例的冷却管的结构示意图。如图5所示，冷却管30包括进出气管组件31和螺旋部32。其中，所述螺旋部32围绕所述管道10设置，所述进出气管组件31连接于所述螺旋部32，所述壳体20上设置有与所述进出气管组件31相匹配的通孔，所述进出气管组件31从所述通孔部分地伸出所述壳体20，以与外部冷却气体装置相连接，通过外部冷却气体装置向所述冷却管30内循环输入冷却气体，并且还可以通过外部的辅助装置来调节冷却气体的流速以及进气口处冷却气体的温度。

其中，所述螺旋部32相邻两匝冷却管道之间的匝距可以根据实际需要进行选择。在本实施例中，所述螺旋部32相邻两匝冷却管道无缝隙地紧密排列，从而增加冷却气体的流程，进而高效地冷却高温液态金属介质。

进一步地，所述进出气管组件31与螺旋部32均为密闭的，以使所述冷却气体环路封闭而不受环境污染的影响，从而降低冷却气体循环系统结垢的可能性，有利于冷却器的高效运行。可选的，所述冷却管为一体的，从而减少了连接部件，最大限度地降低了冷却气体泄漏的可能性，适用于对密封性要求较高的流体冷却系统。

在本实施例中，所述进出气管组件31与所述壳体20之间密封连接，以使所述壳体20与所述管道10之间的容纳空间密闭，防止所述进出气管组件31与所述壳体20连接处漏气。

如图5所示，所述进出气管组件31包括进出气管311和套管312。进出气管311连接于所述螺旋部32，所述套管312套设于所述进出气管311外，且穿过所述壳体20的通孔设置，所述套管312与所述壳体20焊接，并且所述套管312位于所述壳体20外的一端与所述进出气管311密封连接，从而使所述壳体20与所述进出气管组件31之间密封连接。本实施例通过套管312与所述壳体20之间焊接连接，可以防止壳体20与进出气管311直接焊接而造成的进出气管腐蚀等问题。

图6示出了根据本发明一个实施例的管道的结构示意图。图7示出了图6的管道的局部结构示意图。

如图6和图7所示，本实施例中的管道10包括设置于管道两端的连接部11，用于与液态金属管道连接，以为所述液态金属管道内流动的高温液态金属介质进行冷却降温。所述管道10上还设置有多个凹槽12，从而增加管道10的散热面积，加快对管道10内流动的液态金属介质的冷却。

具体地，所述管道10的壁面设置有多个凹槽12，多个所述凹槽12沿所述管道10的轴向方向排列，便于加工，且可以使所述管道10内的高温液态金属介质均匀散热。例如，沿所述管道10的轴向排列设置多个环形凹槽，以增加散热面积。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种冷却器的设计方法，所述冷却器包括如上述实施方式中任一项所述的用于冷却液态金属介质的冷却器。所述冷却器的设计方法具体包括以下步骤。

步骤S1，根据液态金属介质的特征数据，进行机械结构设计，确定所述冷却器的机械结构。

步骤S2，建立热工计算模型，向所述热工计算模型中输入冷却器的所述机械结构，并确定所述冷却器的容纳空间内的惰性气体成分以及冷却管内的冷却气体成分。

步骤S3，根据所述热工计算模型的输出结果，确定所述冷却器的机械结构达到设计要求。其中，当所述机械结构达到要求时，对所述冷却器进行加工制造；当所述机械结构未达到要求时，优化所述冷却器的机械结构并进行热工计算，直至所述热工计算模型的输出结果指示所述机械结构达到要求。

在步骤S1中，可以根据液态金属介质的特征数据，例如，液态金属介质流过所述冷却器后的温差、液态金属介质的流速以及液态金属介质的黏度、密度、导热系数等，进行机械结构设计，以确定所述冷却器的机械结构。

在本实施例中，确定所述冷却器的机械结构包括确定所述冷却器的结构、尺寸以及材料，例如，管道10、壳体20以及冷却管30的结构以及各部分尺寸，还可以对冷却器的材料进行选型，以根据机械设计结果完整地加工制造出冷却器。

在步骤S2中，可以通过ANSYS或者FLUENT建立热工计算模型，来确定冷却管内冷却气体的成分和/或冷却器密闭的容纳空间中惰性气体的成分。

进一步地，向所述热工计算模型输入冷却器的机械结构设计，冷却气体的特性数据和/或惰性气体的特性数据等，进行热工计算。

当所述热工计算模型输出结果指示所述冷却器的机械结构达到要求时，例如，液态金属介质流过冷却器前后的温差达到预设温差时，即可对所述冷却器进行加工制造。

当所述热工计算模型的输出结果指示所述冷却器的机械结构未达到要求时，可以对所述冷却器的机械结构进行优化，然后重复步骤S2至S3，即在优化后进行热工计算，直至热工计算模型的输出结果指示冷却器的机械结构达到要求，即可对所述冷却器进行加工制造。

在本实施例中，当所述机械结构未达到要求时，所述热工计算模型还可以输出设计建议，根据所述设计建议，来优化所述冷却器的机械结构，对所述冷却器的机械结构设计进行循环迭代优化，直至热工计算结果指示所述冷却器的机械结构达到要求。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种用于冷却液态金属介质的冷却器，其特征在于，包括：

管道，设置有连接部，所述连接部用于与液体金属管道连接，所述管道用于提供液态金属流动的空间；

壳体，所述管道穿设于所述壳体，所述壳体两端连接于所述管道，所述壳体与所述管道之间形成容纳空间；

冷却管，所述冷却管设置于所述容纳空间内，并围绕所述管道设置，所述冷却管的两端伸出所述壳体，所述冷却管用于提供冷却气体的流动空间。

2.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述壳体包括缓冲部，用于吸收和缓冲热应力。

3.如权利要求2所述的冷却器，其特征在于，所述壳体还包括：相互间隔的两个主体部；

所述缓冲部连接于两个所述主体部之间，并覆盖于部分所述主体部上。

4.如权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述缓冲部焊接于所述主体部。

5.如权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述壳体还包括：

壳体连接部，位于所述壳体的两端，所述壳体连接部的尺寸与所述管道相匹配，所述壳体连接部与所述管道连接；所述主体部的尺寸大于所述壳体连接部，以与所述管道之间形成容纳空间；

弧形过渡部，连接于所述主体部和所述壳体连接部之间。

6.如权利要求5所述的冷却器，其特征在于，所述主体部、壳体连接部、弧形过渡部之间一体成型。

7.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述壳体的两端焊接于所述管道。

8.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述壳体与所述管道之间形成密闭的所述容纳空间；

所述壳体上还设置有充排气口，所述充排气口用于对所述容纳空间抽真空和/或向所述容纳空间充入惰性气体。

9.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述冷却管连接于所述壳体内壁。

10.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述冷却管包括：

螺旋部，所述螺旋部围绕所述管道；

进出气管组件，连接于所述螺旋部，所述壳体上设置有与所述进出气管组件相匹配的通孔，所述进出气管组件从所述通孔部分地伸出所述壳体。

11.如权利要求10所述的冷却器，其特征在于，所述进出气管组件与所述壳体密封连接。

12.如权利要求10所述的冷却器，其特征在于，所述进出气管组件包括：

进出气管，连接于所述螺旋部；

套管，套设于所述进出气管外，且穿过所述壳体的通孔设置，所述套管与所述壳体焊接，并且所述套管位于所述壳体外的一端与所述进出气管密封连接。

13.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述管道上设置有多个凹槽。

14.如权利要求13所述的冷却器，其特征在于，多个所述凹槽沿所述管道的轴向方向排列。

15.一种冷却器的设计方法，所述冷却器包括如权利要求1-14任一项所述的用于冷却液态金属介质的冷却器，其特征在于，包括：

根据液态金属介质的特征数据，进行机械结构设计，确定所述冷却器的机械结构；

建立热工计算模型，向所述热工计算模型中输入冷却器的所述机械结构，并确定冷却管内的冷却气体成分；

根据所述热工计算模型的输出结果，确定所述冷却器的机械结构达到设计要求；

其中，当所述机械结构达到要求时，对所述冷却器进行加工制造；当所述机械结构未达到要求时，优化所述冷却器的机械结构并进行热工计算，直至所述热工计算模型的输出结果指示所述机械结构达到要求。

16.如权利要求15所述的设计方法，其特征在于，所述液态金属介质的特征数据包括：

液态金属介质流过所述冷却器后的温差、液态金属介质的流速以及液态金属介质的黏度、密度、导热系数中的至少一种。

17.如权利要求15所述的设计方法，其特征在于，确定所述冷却器的机械结构包括：

确定所述冷却器的结构、尺寸以及材料。

18.如权利要求15所述的设计方法，其特征在于，当所述机械结构未达到要求时，所述热工计算模型还输出设计建议，根据所述设计建议，优化所述冷却器的机械结构。

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