CN114152112A - 一种用于高温气体冷却器的分布盘 - Google Patents

一种用于高温气体冷却器的分布盘 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高温气体冷却器的分布盘，高温气体冷却器包括高温段和低温段；高温段包括：导流段、高温段壳体；导流段内设有分布盘；分布盘用于将来流的高温气体在导流段内进行分散；分布盘整体呈圆柱状，包括：侧面壳体、垂直于高温气体传输方向的左右两个圆板，设置在分布盘内直径不等的若干管道；分布盘的侧面壳体上固定连接有分布盘进液管、分布盘出液管；冷却介质从分布盘进液管流入至分布盘的壳体中，再从分布盘出液管流出。本发明的一种用于高温气体冷却器的分布盘，提高了换热效率和使用寿命。

Description

一种用于高温气体冷却器的分布盘
本申请是2020年6月2日申请的申请号为202010489024.3的“一种高温气体冷却器”的分案申请，原受理机构为中国。
技术领域
本发明涉及高温气体降温的技术领域，尤其是一种用于高温气体冷却器的分布盘。
背景技术
航空发动机高空模拟试车台(简称高空台)是在地面模拟飞机发动机在空中的飞行状况和环境，对发动机整机和部件进行高空模拟试验的系统设备；其中，针对航空发动机高空模拟试车台的排气冷却装置，由于发动机在高空舱内试验时排出的气体温度非常高，高达1800℃，因此必须通过高温气体冷却器冷却至40℃左右才能排入大气。
如何提高高温气体冷却器的换热效率和使用寿命，是高温气体冷却器面临的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于高温气体冷却器的分布盘，提高了换热效率和使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种用于高温气体冷却器的分布盘，高温气体冷却器内部设有换热管，所述换热管为直管，且沿垂直于高温气体传输方向布设，冷却介质在所述换热管内流动，高温气体进入高温气体冷却器后与所述换热管内的冷却介质进行换热。
所述高温气体冷却器包括高温段和低温段，高温气体先进入高温段进行一次换热使温度降低后，再进入低温段进行二次换热使温度进一步降低；其中，
所述高温段包括：导流段、高温段壳体；
所述导流段为圆台形，所述导流段的半径较小的一端为高温气体的进气端，所述导流段的半径较大的一端为出气端，导流段的出气端与所述高温段壳体的进气端对应连接；
高温气体在高温段壳体内沿高温段壳体的轴线方向传输；
所述高温段壳体内设有高温段管束单元；所述高温段管束单元包括：自下而上依次相连接的高温段下管箱、高温段换热管、高温段上管箱；
所述高温段换热管沿垂直于高温段壳体轴线的竖直方向布设。
所述分布盘整体呈圆柱状，包括：侧面壳体、垂直于高温气体传输方向的左右两个圆板，设置在分布盘内直径不等的若干管道；其中，
所述管道用于传输高温气体；所述管道的传输方向即高温气体的传输方向与所述分布盘的轴线方向一致；
所述分布盘的左右两个圆板上分别设有直径不等的若干通孔，且左右两个圆板上的通孔一一对应；
所述管道通过左右两个圆板上的对应通孔插入所述分布盘中；位于左右两个圆板的中心位置处的通孔直径最小，沿圆板的径向延伸，通孔直径逐渐增大；相对应的，插入在左右两个圆板的中心位置处的管道的管径最小，沿圆板的径向延伸，管道的管径逐渐增大。
所述分布盘的侧面壳体上固定连接有分布盘进液管、分布盘出液管；
分布盘进液管的一端口固定连接在所述侧面壳体的下方，分布盘进液管的另一端口朝下穿过导流段的壳体，并通过焊接的方式与导流段的壳体固定连接，该朝下的端口作为冷却介质的进口；
分布盘出液管一端口固定连接在所述侧面壳体的上方，分布盘出液管的另一端口朝上穿过导流段的壳体，并通过焊接的方式与导流段的壳体固定连接，该朝上的端口作为冷却介质的出口；
冷却介质从分布盘进液管流入至分布盘的壳体中，再从分布盘出液管流出。
本发明的优点在于：
(1)由于连接高温气体冷却器的前端管道直径一般相对较小，高温气体流速较大，惯性作用下，流道直径增大，高温气体流束不会快速扩散，会使得高温气体集中于高温气体冷却器轴线位置附近，容易造成换热不均，大大降低了换热效率，因此，本发明在导流段内设有分布盘，将来流的高温气体在导流段内进行分散，使得高温气体进入高温段壳体时在垂直于壳体轴线的同一平面内分布均匀，降低由气流惯性引起的高温气体分布不均带来的影响，提高了高温气体冷却器的换热效率。
(2)本发明对于分布盘上用于传输高温气体的管道的设计，保证了高温气体流经分布盘时，圆板的中心位置处阻力大，沿圆板的径向延伸阻力逐渐减小，使得高温气体沿圆板的径向流动，从而避免由于惯性引起的高温气体在圆板的中心位置处出现聚集的现象。
(3)分布盘进液管和分布盘出液管一方面作为冷却介质的进口和出口，对来流的高温气体起到一定降温的作用；另一方面对所述分布盘提供支撑和固定的作用。
附图说明
图1为本发明的高温气体冷却器的水平向剖视图。
图2为高温气体冷却器的Z-Z向剖视图。
图3为本发明的分布盘的水平向剖视图。
图4为本发明的分布盘的B向剖视图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
由图1所示，本发明的一种高温气体冷却器，包括：高温段和低温段，高温气体先进入高温段进行一次换热使温度降低后，再进入低温段进行二次换热使温度进一步降低，以降至所需温度。
由图1所示，所述高温段的组成结构包括：导流段1、高温段壳体2A、高温段管束单元、高温段冷却介质接管、高温段夹套13。
所述高温段壳体2A为圆筒形；所述导流段1为圆台形；所述导流段1的半径较大的一端与所述高温段壳体2A的进气端相连接，所述导流段1用于将高温段壳体2A与前端管道之间相连接。
所述高温段管束单元包括：高温段下管箱5A、高温段上管箱11A、高温段换热管6A。
沿高温段壳体2A的环向方向并在高温段壳体2A的内壁上焊接有半圆管，且半圆管内在垂直于高温段壳体2A轴线的水平方向处设有隔板14，所述隔板14将半圆管隔开成相等大小且互不相通的上下两部分；半圆管的上部分与高温段壳体2A的内壁所形成的封闭空间即构成所述高温段上管箱11A，半圆管的下部分与高温段壳体2A的内壁所形成的封闭空间即构成所述高温段下管箱5A。
所述高温段换热管6A采用光管。
所述高温段冷却介质接管分为：高温段进液接管、高温段出液接管。其中，所述高温段进液接管包括：高温段进液管4A、高温段进集液管8A、高温段进分液管7A；所述高温段出液接管包括：高温段出液管12A、高温段出集液管9A、高温段出分液管10A。
所述高温段进液接管分布于高温段壳体2A的下半部分，所述高温段出液接管分布于高温段壳体2A的上半部分，且所述高温段进液接管与所述高温段出液接管沿高温段壳体2A轴线为上下对称分布。
高温段进液管4A位于高温段壳体2A的下方，高温段出液管12A位于高温段壳体2A的上方。
由图1所示，所述高温段换热管6A沿垂直于高温段壳体2A轴线的竖直方向布设，冷却介质在高温段换热管6A内自下而上的流动。
由图1和图2所示，所述高温段进液管4A和所述高温段出液管12A沿垂直于高温段壳体2A轴线的竖直方向布设；所述高温段进液管4A朝下的一端口为冷却介质进口，所述高温段出液管12A朝上的一端口为冷却介质出口。
由图1和图2所示，所述高温段进液管4A的另一端口与高温段进集液管8A的一端口相连接，所述高温段进集液管8A的另一端口与高温段进分液管7A的一端口相连接，所述高温段进分液管7A的另一端口与高温段下管箱5A的一端口相连接；高温段下管箱5A的另一端口与高温段换热管6A的一端口相连接，高温段换热管6A的另一端口与高温段上管箱11A的一端口相连接；高温段上管箱11A的另一端口与高温段出分液管10A的一端口相连接，高温段出分液管10A的另一端口与高温段出集液管9A的一端口相连接，高温段出集液管9A的另一端口与高温段出液管12A的一端口相连接，高温段出液管12A另一端口朝上即出口朝上。
冷却介质从高温段进液管4A朝下的一端口流入到高温段进集液管8A中，并通过高温段进分液管7A流入到高温段下管箱5A中，冷却介质经过高温段换热管6A与来流的高温气体进行换热，冷却介质在高温段换热管6A内自下而上流动被加热后流入到高温段上管箱11A中，高温段上管箱11A中的冷却介质通过高温段出分液管10A依次流入到高温段出集液管9A和高温段出液管12A中，并从高温段出液管12A朝上的一端口流出。
由图2所示，所述高温段进集液管8A和所述高温段出集液管9A沿垂直于高温段壳体2A轴线的水平方向布设，所述高温段进集液管8A和所述高温段出集液管9A的两端部焊接在高温段壳体2A上，由于高温段进集液管8A和高温段出集液管9A内存储的冷却介质的流量较大，为防止高温段进集液管8A和高温段出集液管9A的破坏，每根高温段进集液管8A和每根高温段出集液管9A均采用两个支撑杆16进行支撑。
由图2所示，所述高温段管束单元中：高温段换热管6A沿垂直于高温段壳体2A轴线的竖直方向布设，在垂直于高温段壳体2A轴线的同一平面内，均匀排布有若干根高温段换热管6A，将此在垂直于高温段壳体2A轴线的同一平面内的均匀排布的若干根高温段换热管6A称为一排高温段换热管组，且沿高温段壳体2A轴线的方向上分布有若干排高温段换热管组。由于高温段壳体2A内分布高温段换热管组的排数较多，因此，本发明选择将属于同一高温段管束单元中的若干排高温段换热管组共同连接同一个高温段上管箱11A和同一个高温段下管箱5A。本实施例中，每个高温段管束单元中包括3排高温段换热管组，且此3排高温段换热管组共同连接同一个高温段上管箱11A和同一个高温段下管箱5A；本实施例中，沿高温段壳体2A轴线方向，高温段壳体2A内布设有：4个高温段管束单元，即布设有上下对应的4个高温段上管箱11A和4个高温段下管箱5A，相对应的一个高温段上管箱11A和一个高温段下管箱5A连接有3排高温段换热管组，即高温段壳体2A内布设有12排高温段换热管组；本发明减少了高温段壳体2A内高温段上管箱11A和高温段下管箱5A的数量。
由图1所示，一个高温段进集液管8A连接两个高温段进分液管7A，且此两个高温段进分液管7A分别与左右相邻的两个高温段下管箱5A相连接；一个高温段出集液管9A连接两个高温段出分液管10A，且此两个高温段出分液管10A分别与左右相邻的两个高温段上管箱11A相连接；本发明减少了高温段壳体2A内高温段进集液管8A和高温段出集液管9A的数量。本发明的一个高温段进集液管8A对应一个高温段进液管4A，一个高温段出集液管9A对应一个高温段出液管12A。高温段进集液管8A和高温段出集液管9A数量的减少使得高温段进液管4A和高温段出液管12A数量减少，即高温段壳体2A上接管数量减少，也就是高温段壳体2A上开孔减少。
由图1所示，所述高温段壳体2A的外壁和所述导流段1的外壁上沿环向方向均布设有高温段夹套13；所述高温段夹套13是由半圆管沿高温段壳体2A和导流段1的环向方向分布焊接在高温段壳体2A和导流段1的外壁上所形成。由于来流的高温气体温度高，辐射至高温段壳体2A和导流段1的金属壁面时，金属温度迅速升高，尤其是导流段1的金属温度，因此，在高温段壳体2A和导流段1的外壁上设置高温段夹套13以降低金属温度，进而降低设备设计温度，节省钢材，提高使用寿命。
由图1所示，所述导流段1内设有分布盘18，所述分布盘18用于将来流的高温气体在导流段1进行分散，使得高温气体进入高温段壳体2A时在垂直于壳体轴线的同一平面内分布均匀，降低由气流惯性引起的高温气体分布不均带来的影响，提高了高温气体冷却器的换热效率。
由图3和图4所示，所述分布盘18整体呈圆柱状，包括：侧面壳体181，左右两个圆板183，均匀分布且直径不等的若干管道184。其中，
所述管道184用于传输高温气体；所述管道184的传输方向即高温气体的传输方向与所述分布盘18的轴线方向一致；
所述分布盘18的左右两个圆板183上分别设有均匀分布且直径不等的若干通孔，且左右两个圆板183上的通孔一一对应；所述管道184通过左右两个圆板183上的对应通孔插入所述分布盘18中；
均匀分布且直径不等的若干管道184用于将来流的高温气体进行分散；位于分布盘18的左右两个圆板183的中心位置处的通孔直径最小，沿圆板183的径向延伸通孔直径逐渐增大，相对应的，插入在分布盘18的左右两个圆板183的中心位置处的管道184的管径最小，沿圆板183的径向延伸管道184的管径逐渐增大；保证了高温气体流经分布盘18时，圆板183的中心位置处阻力大，沿圆板183的径向延伸阻力逐渐减小，使得高温气体沿圆板183的径向流动，从而避免由于惯性引起的高温气体在圆板183的中心位置处出现聚集的现象。
所述分布盘18的侧面壳体181上设有：分布盘进液管185、分布盘出液管182；
分布盘进液管185一端口固定连接在侧面壳体181上，另一端口穿过导流段1的壳体，并通过焊接的方式与导流段1的壳体固定连接；分布盘进液管185设置于所述侧面壳体181的下方，分布盘进液管185朝下的一端口即穿过导流段1的端口作为冷却介质的进口；
分布盘出液管182一端口固定连接在侧面壳体181上，另一端口穿过导流段1的壳体，并通过焊接的方式与导流段1的壳体固定连接；分布盘出液管182设置于所述侧面壳体181的上方，分布盘出液管182朝上的一端口即穿过导流段1的端口作为冷却介质的出口；
冷却介质从分布盘进液管185流入至分布盘18的壳体中，再从分布盘出液管182流出；分布盘进液管185和分布盘出液管182一方面作为冷却介质的进口和出口，另一方面对所述分布盘18提供支撑和固定的作用；
本实施例中，设有沿侧面壳体181的均匀分布的2个分布盘出液管182和1个分布盘进液管185，且该1个分布盘进液管185位于侧面壳体181的正下方，2个分布盘出液管182分别位于侧面壳体的左右斜上方。
本发明中，分布盘18的数量根据高温气体流量确定，若流量较大，可沿高温气体传输方向设置多个分布盘18，且此多个分布盘18的大小与导流段1的结构大小相匹配；若流量较小，可仅设置一个分布盘18；来流的高速高温气体经过导流段1内的一个或多个分布盘18后，使得高温气体分布均匀。本实施例中，沿高温气体传输方向设置两个分布盘。
由图1所示，所述低温段包括：低温段壳体2B、收缩段3、低温段管束单元、低温段冷却介质接管；
所述低温段壳体2B为圆筒形；所述收缩段3为圆台形；所述收缩段3用于将低温段壳体2B的出气端与后端管道之间相连接，所述收缩段3的半径较大的一端与所述低温段壳体2B的出气端相连接，所述低温段壳体2B的进气端与所述高温段壳体2A的出气端相连接。
所述低温段管束单元包括：低温段下管箱5B、低温段上管箱11B、低温段换热管6B；
所述低温段下管箱5B、低温段上管箱11B的结构与高温段下管箱5A、高温段上管箱11A的结构相同。
所述低温段换热管6B采用翅片管，低温段换热管6B的布置与高温段换热管6A的布置相同；所述低温段管束单元中，在垂直于低温段壳体2B轴线的同一平面内，均匀排布有若干根低温段换热管6B，将此在垂直于低温段壳体2B轴线的同一平面内的均匀排布的若干根低温段换热管6B称为一排低温段换热管组，且沿低温段壳体2B轴线的方向上分布有若干排低温段换热管组。
所述低温段冷却介质接管分为：低温段进液接管、低温段出液接管。其中，低温段进液接管包括：低温段进液管4B、低温段进集液管8B、低温段进分液管7B；所述低温段出液接管包括：低温段出液管12B、低温段出集液管9B、低温段出分液管10B。
低温段进液接管、低温段出液接管的结构与高温段进液接管、高温段出液接管的结构相同；即，低温段进液管4B、低温段进集液管8B、低温段进分液管7B的结构与高温段进液管4A、高温段进集液管8A、高温段进分液管7A的结构相同；低温段出液管12B、低温段出集液管9B、低温段出分液管10B的结构与高温段出液管12A、高温段出集液管9A、高温段出分液管10A的结构相同。
冷却介质在低温段换热管6B内也是自下而上的流动，且冷却介质在低温段内沿低温段进液接管、低温段下管箱5B、低温段换热管6B、低温段上管箱11B、低温段出液接管的流动方式与冷却介质在高温段内沿高温段进液接管、高温段下管箱5A、高温段换热管6A、高温段上管箱11A、高温段出液接管的流动方式一致。
本实施例中，沿低温段壳体2B轴线方向，低温段壳体2B内布设有：2个低温段管束单元，即布设有上下对应的2个低温段上管箱11B和2个低温段下管箱5B，相对应的一个低温段上管箱11B和一个低温段下管箱5B连接有3排低温段换热管组，即低温段壳体2B内布设有6排高温段换热管组；减少了低温段壳体2B内低温段上管箱11B和低温段下管箱5B的数量。
本实施例中，一个低温段进集液管8B连接两个低温段进分液管7B，且此两个低温段进分液管7B分别与左右相邻的两个低温段下管箱5B相连接；一个低温段出集液管9B连接两个低温段出分液管10B，且此两个低温段出分液管10B分别与左右相邻的两个低温段上管箱11B相连接；本发明减少了低温段壳体2B内低温段进集液管8B和低温段出集液管9B的数量。本发明的一个低温段进集液管8B对应一个低温段进液管4B，一个低温段出集液管9B对应一个低温段出液管12B。低温段进集液管8B和低温段出集液管9B数量的减少使得低温段进液管4B和低温段出液管12B数量减少，即低温段壳体2B上接管数量减少，也就是低温段壳体2B上开孔减少。
前端管道的高温气体从导流段1先流入高温段，通过与高温段换热管6A内的冷却介质换热使温度降低，再流入低温段，通过与低温段换热管6B内的冷却介质换热使温度进一步降低，然后从收缩段3排出流入后端管道。
由图1和图2所示，所述高温段壳体2A和所述低温段壳体2B均利用鞍座15进行支撑，鞍座15的数量根据所述高温段壳体2A和所述低温段壳体2B的长度设定。
由图1和图2所示，由于高温段壳体2A和低温段壳体2B内为微负压操作，故可在高温段壳体2A和低温段壳体2B的外壁上设置加强圈17，提高了高温段壳体2A和低温段壳体2B的结构稳定性。
本实施例中，所述低温段壳体2B与所述高温段壳体2A为彼此相连接的一个整体，即高温段与低温段共用同一个圆筒形的壳体。除此方式之外，还可将高温段与低温段分开，来流的高温气体经过高温段冷却至某一目标温度后，可以将其中一部分气体输送至热量回收装置再利用，并将剩余的另外一部分气体输送至低温段进一步冷却后再排出。
本发明中，冷却介质均采用水，冷却介质从水泵中引出，通过高温气体冷却器的各进口流至高温气体冷却器中，并从高温气体冷却器的各出口流出，由于水泵提供较大的水流动力，故冷却介质可在高温气体冷却器中自下而上的流动。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于高温气体冷却器的分布盘，其特征在于，高温气体冷却器内部设有换热管，所述换热管为直管，且沿垂直于高温气体传输方向布设，冷却介质在所述换热管内流动，高温气体进入高温气体冷却器后与所述换热管内的冷却介质进行换热；
所述高温气体冷却器包括高温段和低温段，高温气体先进入高温段进行一次换热使温度降低后，再进入低温段进行二次换热使温度进一步降低；其中，
所述高温段包括：导流段(1)、高温段壳体(2A)；
所述导流段(1)为圆台形，所述导流段(1)的半径较小的一端为高温气体的进气端，所述导流段(1)的半径较大的一端为出气端，导流段(1)的出气端与所述高温段壳体(2A)的进气端对应连接；
高温气体在高温段壳体(2A)内沿高温段壳体(2A)的轴线方向传输；
所述高温段壳体(2A)内设有高温段管束单元；所述高温段管束单元包括：自下而上依次相连接的高温段下管箱(5A)、高温段换热管(6A)、高温段上管箱(11A)；
所述高温段换热管(6A)沿垂直于高温段壳体(2A)轴线的竖直方向布设；
所述导流段(1)内设有分布盘(18)；所述分布盘(18)用于将来流的高温气体在导流段(1)内进行分散；
所述分布盘(18)整体呈圆柱状，包括：侧面壳体(181)、垂直于高温气体传输方向的左右两个圆板(183)，设置在分布盘(18)内直径不等的若干管道(184)；其中，
所述管道(184)用于传输高温气体；所述管道(184)的传输方向即高温气体的传输方向与所述分布盘(18)的轴线方向一致；
所述分布盘(18)的左右两个圆板(183)上分别设有直径不等的若干通孔，且左右两个圆板(183)上的通孔一一对应；
所述管道(184)通过左右两个圆板(183)上的对应通孔插入所述分布盘(18)中；位于左右两个圆板(183)的中心位置处的通孔直径最小，沿圆板(183)的径向延伸，通孔直径逐渐增大；相对应的，插入在左右两个圆板(183)的中心位置处的管道(184)的管径最小，沿圆板(183)的径向延伸，管道(184)的管径逐渐增大；
所述分布盘(18)的侧面壳体(181)上固定连接有分布盘进液管(185)、分布盘出液管(182)；
分布盘进液管(185)的一端口固定连接在所述侧面壳体(181)的下方，分布盘进液管(185)的另一端口朝下穿过导流段(1)的壳体，并通过焊接的方式与导流段(1)的壳体固定连接，该朝下的端口作为冷却介质的进口；
分布盘出液管(182)一端口固定连接在所述侧面壳体(181)的上方，分布盘出液管(182)的另一端口朝上穿过导流段(1)的壳体，并通过焊接的方式与导流段(1)的壳体固定连接，该朝上的端口作为冷却介质的出口；
冷却介质从分布盘进液管(185)流入至分布盘(18)的壳体中，再从分布盘出液管(182)流出。
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