CN114198774A - 一种具有高效冷却结构的加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高效冷却结构的加热器，包括连接架体与加热器，所述加热器安装在连接架体的一侧位置，所述连接架体的一端安装有低损失空气换热器，所述连接架体的另一端安装有气体控制阀，所述连接架体连接有试验段，所述试验段连接有背压控制阀，所述背压控制阀连接有消音塔，所述加热器一端连接有流量控制阀，所述流量控制阀一端连接有燃油泵。本发明所述的一种具有高效冷却结构的加热器，具有结构简单，控制方法简单，使用成本低，可在现有硬件中进行改造且改造成本低等的优点，改变加热器内部结构，通过降低冷却气温度、提高单位冷却气冷却效率的方法，实现加热器火焰筒的高效冷却。

Description

一种具有高效冷却结构的加热器

技术领域

本发明涉及加热器领域，特别涉及一种具有高效冷却结构的加热器。

背景技术

加热器是一种进行大功率加热操作的支撑设备，大功率燃烧加热器往往借鉴单筒燃气轮机燃烧室的结构方案，即采用旋流燃烧头部与气膜冷却火焰筒组合结构，使用空气进行冷却，冷却用的空气来自加热器进口的高温气流，随着工艺的不断发展，人们对于加热器的出口温度要求越来越高。

现有的加热器在使用时存在一定的弊端，现有大功率加热器往往借鉴单筒火焰筒的结构，这种加热器在妥善处理好火焰筒冷却结构后具有功率密度大、启动速度快、结构耐久性好的优点，因此在大型、高温高压试验台中获得了广泛的应用，加热器火焰筒承受燃烧后产生的高强度热负荷，必须使用空气进行冷却，冷却用的空气来自加热器进口的高温气流，这导致冷却效果不佳，必须加大冷却气量，进而导致了加热器无法产生超过2000K以上的高温燃气，还有一部分加热器，为提高冷却气效率，为火焰筒冷却气设计独立的冷却空气引气结构，使用独立的供气设备和供气调节装置提供温度较低的冷却气，这种复杂结构带来了制造成本高、可靠性差和控制逻辑复杂的弊端，给人们的使用过程带来了一定的不利影响，为此，我们提出一种具有高效冷却结构的加热器。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有高效冷却结构的加热器，通过本发明的目的是不改变系统的前提下，改变加热器内部结构，通过提高冷却效率、降低冷却气温度的目的，从而实现加热器火焰筒的高效冷却，进而使得加热器排气温度超过2000K；

通过将火焰筒结构改为三层壁结构，最外侧为分气壁，中间为导流壁，内侧为承热壁。分气壁的作用是将提供给火焰筒的冷却气与加热器进口空气隔断，并同时引导分气壁内外两股空气流动，其中外侧空气通过分气壁与机匣直接的环形通道进入引气法兰冷却气进口，随后气体流入布置在外侧低流阻热交换器将气体冷却60～300℃，从而极大的提高冷却气质量，减少冷却气用量；

冷却后的空气通过引气法兰冷却气出口流入分气壁和导流壁之间，导流壁表面分布着直径0.6～1.6mm的与壁面垂直的小孔，冷却气在通过导流壁后变为方向垂直承热壁的冲击气流并垂直撞击到承热壁冷侧，对承热壁进行第一次冷却，随后气流通过承热壁表面的0.6～1.0mm的与壁面夹角在15～30°的斜孔在承热壁热侧覆盖一层冷气膜，对承热壁进行第二次冷却；

通过提高提高冷却气冷却质量和两次利用冷却，极大的改善了火焰筒的冷却结构，从而使得火焰筒可以承受更高排气温度而不会出现烧蚀，可以有效解决背景技术中的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具有高效冷却结构的加热器，包括连接架体与加热器，所述加热器安装在连接架体的一侧位置，所述连接架体的一端安装有低损失空气换热器，所述连接架体的另一端安装有气体控制阀，所述连接架体连接有试验段，所述试验段连接有背压控制阀，所述背压控制阀连接有消音塔，所述加热器一端连接有流量控制阀，所述流量控制阀一端连接有燃油泵，所述燃油泵连接有油箱，所述加热器另一端连接有高温加热器，所述高温加热器连接有压气机。

作为本申请一种优选的技术方案，所述加热器包括加热器转接法兰、加热器隔热罩、加热器前法兰、油嘴安装座、油嘴、加热器头部、加热器后法兰、引气法兰、引气法兰冷却气进口、引气法兰冷却气出口、分气壁、导流壁与承热壁，所述引气法兰位于加热器与连接架体之间，所述加热器转接法兰位于加热器隔热罩前端，所述油嘴位于油嘴安装座内侧，所述分气壁、导流壁、承热壁位于加热器后法兰的内侧。

作为本申请一种优选的技术方案，所述连接架体与加热器之间通过引气法兰进行定位，所述加热器通过流量控制阀连接燃油泵与油箱的位置，所述加热器另一端通过管道连接高温加热器与压气机的位置。

作为本申请一种优选的技术方案，所述连接架体上安装气体控制阀与低损失空气换热器，且通过管道连接有试验段，所述试验段通过背压控制阀与消音塔进行连接。

作为本申请一种优选的技术方案，所述加热器的前部通过加热器转接法兰、加热器隔热罩与加热器前法兰进行安装，所述油嘴通过油嘴安装座进行安装，所述分气壁、导流壁、承热壁安装在加热器的后端内侧进行定位，所述加热器的后端通过加热器后法兰与引气法兰进行定位。

作为本申请一种优选的技术方案，所述分气壁、导流壁、承热壁的三层壁结构设计火焰筒，所述分气壁将主流空气与冷却空气分离，所述导流壁和承热壁构成了冲击冷却与气膜冷却双重冷却结构。

作为本申请一种优选的技术方案，所述承热壁用于承受燃烧后的高温燃气，所述承热壁表面近似均匀的分布着0.6～1.0mm的与壁面呈15°～30°的斜孔，用于在承热壁热侧形成一层冷气膜。

作为本申请一种优选的技术方案，所述导流壁用于对冷却气进行导流，所述导流壁表面分布着直径0.6～1.6mm的与壁面垂直的小孔，冷却气在通过所述导流壁后变为方向垂直承热壁的冲击气流并垂直撞击到承热壁冷侧。

作为本申请一种优选的技术方案，所述引气法兰使用锻造毛坯并通过后续机加工获得，用于将火焰筒冷却气引出冷却并将冷却后的气体再次引入火焰筒的结构。

作为本申请一种优选的技术方案，所述加热器转接法兰与加热器前法兰之间有加热器隔热罩，其两侧通过垫片密封，所述加热器隔热罩一直延伸至油嘴前部，所述加热器隔热罩的用途是将进口高温气流流向加热器前法兰，从而减少换热，并在加热器隔热罩与加热器本体之间形成一个空腔，降低加热器产生的压力脉动。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种具有高效冷却结构的加热器，具备以下有益效果：该一种具有高效冷却结构的加热器，具有结构简单，控制方法简单，使用成本低，可在现有硬件中进行改造且改造成本低等的优点，改变加热器内部结构，通过降低冷却气温度、提高单位冷却气冷却效率的方法，实现加热器火焰筒的高效冷却，进而使得加热器排气温度超过2000K，通过将火焰筒结构改为三层壁结构，最外侧为分气壁，中间为导流壁，内侧为承热壁，分气壁的作用是将提供给火焰筒的冷却气与加热器进口空气隔断，并同时引导分气壁内外两股空气流动，其中外侧空气通过分气壁与机匣直接的环形通道进入引气法兰冷却气进口，随后气体流入布置在外侧低流阻热交换器将气体冷却60～300℃，这将极大的提高冷却气的冷却质量，冷却后的空气通过引气法兰冷却气出口流入分气壁和导流壁之间，导流壁表面分布着直径0.6～1.6mm的与壁面垂直的小孔，冷却气在通过导流壁后变为方向垂直承热壁的冲击气流并垂直撞击到承热壁冷侧，对承热壁进行第一次冷却，随后气流通过承热壁表面的0.6～1.0mm的斜孔在承热壁热侧覆盖一层冷气膜，对承热壁进行第二次冷却，通过提高提高冷却气冷却质量和两次利用冷却，极大的改善了火焰筒的冷却结构，从而使得火焰筒可以承受更高排气温度而不会出现烧蚀，整个加热器结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。

附图说明

图1为本发明一种具有高效冷却结构的加热器中使用本加热器的一种试验台流程的结构示意图。

图2为本发明一种具有高效冷却结构的加热器中加热器的结构示意图。

图3为本发明一种具有高效冷却结构的加热器中加热器连接的结构示意图。

图4为本发明一种具有高效冷却结构的加热器中试验台连接的结构示意图。

图中：1、压气机；2、高温加热器；3、油箱；4、燃油泵；5、流量控制阀；6、加热器；7、低损失空气换热器；8、气体控制阀；9、试验段；10、背压控制阀；11、消音塔；12、加热器转接法兰；13、加热器隔热罩；14、加热器前法兰；15、油嘴安装座；16、油嘴；17、加热器头部；18、加热器后法兰；19、引气法兰；20、引气法兰冷却气进口；21、引气法兰冷却气出口；22、分气壁；23、导流壁；24、承热壁；25、连接架体。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1-4所示，一种具有高效冷却结构的加热器，包括连接架体25与加热器6，加热器6安装在连接架体25的一侧位置，连接架体25的一端安装有低损失空气换热器7，连接架体25的另一端安装有气体控制阀8，连接架体25连接有试验段9，试验段9连接有背压控制阀10，背压控制阀10连接有消音塔11，加热器6一端连接有流量控制阀5，流量控制阀5一端连接有燃油泵4，燃油泵4连接有油箱3，加热器6另一端连接有高温加热器2，高温加热器2连接有压气机1。

进一步的，连接架体25与加热器6之间通过引气法兰19进行定位，加热器6通过流量控制阀5连接燃油泵4与油箱3的位置，加热器6另一端通过管道连接高温加热器2与压气机1的位置。

实施例二：

在实施例一的基础上，如图1-4所示，一种具有高效冷却结构的加热器，包括连接架体25与加热器6，加热器6安装在连接架体25的一侧位置，连接架体25的一端安装有低损失空气换热器7，连接架体25的另一端安装有气体控制阀8，连接架体25连接有试验段9，试验段9连接有背压控制阀10，背压控制阀10连接有消音塔11，加热器6一端连接有流量控制阀5，流量控制阀5一端连接有燃油泵4，燃油泵4连接有油箱3，加热器6另一端连接有高温加热器2，高温加热器2连接有压气机1。

进一步的，加热器6包括加热器转接法兰12、加热器隔热罩13、加热器前法兰14、油嘴安装座15、油嘴16、加热器头部17、加热器后法兰18、引气法兰19、引气法兰冷却气进口20、引气法兰冷却气出口21、分气壁22、导流壁23与承热壁24，引气法兰19位于加热器6与连接架体25之间，加热器转接法兰12位于加热器隔热罩13前端，油嘴16位于油嘴安装座15内侧，分气壁22、导流壁23、承热壁24位于加热器后法兰18的内侧。

进一步的，连接架体25上安装气体控制阀8与低损失空气换热器7，且通过管道连接有试验段9，试验段9通过背压控制阀10与消音塔11进行连接。

进一步的，加热器6的前部通过加热器转接法兰12、加热器隔热罩13与加热器前法兰14进行安装，油嘴16通过油嘴安装座15进行安装，分气壁22、导流壁23、承热壁24安装在加热器6的后端内侧进行定位，加热器6的后端通过加热器后法兰18与引气法兰19进行定位。

进一步的，分气壁22、导流壁23、承热壁24的三层壁结构设计火焰筒，分气壁22将主流空气与冷却空气分离，导流壁23和承热壁24构成了冲击冷却与气膜冷却双重冷却结构。

实施例三：

在实施例一与实施例二的基础上，如图1-4所示，一种具有高效冷却结构的加热器，包括连接架体25与加热器6，加热器6安装在连接架体25的一侧位置，连接架体25的一端安装有低损失空气换热器7，连接架体25的另一端安装有气体控制阀8，连接架体25连接有试验段9，试验段9连接有背压控制阀10，背压控制阀10连接有消音塔11，加热器6一端连接有流量控制阀5，流量控制阀5一端连接有燃油泵4，燃油泵4连接有油箱3，加热器6另一端连接有高温加热器2，高温加热器2连接有压气机1。

进一步的，承热壁24用于承受燃烧后的高温燃气，承热壁24表面近似均匀的分布着0.6～1.0mm的与壁面呈15°～30°的斜孔，用于在承热壁24热侧形成一层冷气膜。

进一步的，导流壁23用于对冷却气进行导流，导流壁23表面分布着直径0.6～1.6mm的与壁面垂直的小孔，冷却气在通过导流壁23后变为方向垂直承热壁24的冲击气流并垂直撞击到承热壁24冷侧。

进一步的，引气法兰19使用锻造毛坯并通过后续机加工获得，用于将火焰筒冷却气引出冷却并将冷却后的气体再次引入火焰筒的结构。

进一步的，加热器转接法兰12与加热器前法兰14之间有加热器隔热罩13，其两侧通过垫片密封，加热器隔热罩13一直延伸至油嘴16前部，加热器隔热罩13的用途是将进口高温气流流向加热器前法兰14，从而减少换热，并在加热器隔热罩13与加热器本体之间形成一个空腔，降低加热器产生的压力脉动。

工作原理：本发明包括压气机1、高温加热器2、油箱3、燃油泵4、流量控制阀5、加热器6、低损失空气换热器7、气体控制阀8、试验段9、背压控制阀10、消音塔11、加热器转接法兰12、加热器隔热罩13、加热器前法兰14、油嘴安装座15、油嘴16、加热器头部17、加热器后法兰18、引气法兰19、引气法兰冷却气进口20、引气法兰冷却气出口21、分气壁22、导流壁23、承热壁24、连接架体25，压气机1将外界大气进行压缩，经过高温加热器2后成为高温高压气体供入加热器6；油箱3中的燃油被吸入燃油泵4后变为加压燃油，经过流量控制阀5，进入加热器6中，加热器中的来自加热器进口的空气经过低损失空气换热器7冷却后，流过气体控制阀8后进入再次进入加热器6；加热器6产生高温燃气进入试验段9在完成试验后通过背压控制阀10排入消音塔11，来自高温加热器2加热后的高温、高压气体通过加热器转接法兰12中的流道进入加热器。加热器转接法兰12与加热器前法兰14通过螺栓连接，并通过石墨垫片将加热器隔热罩13固定并实现密封，油嘴安装座15通过螺栓与加热器机匣连接，油嘴16通过螺栓安装在油嘴安装座15上，油嘴16通过加热器头部17上的油嘴安装孔插入加热器头部17，空气通过加热器头部17中的进气槽道和进气孔与油嘴16中喷出的燃油相互混合，形成油气混合物进入火焰筒，并经过充分燃烧形成高温燃气，并通过与加热器后法兰18相连引气法兰19排气通道排出加热器6，加热器后法兰18与引气法兰19通过螺栓连接，加热器中的火焰筒结构由三层壁组成，最外侧为分气壁22，中间为导流壁23，内侧为承热壁24，分气壁22可通过锻件机加成型，用于将提供给火焰筒的冷却气与加热器进口空气隔断，导流壁23可通过锻件机加成型，用于将对冷却空气进行疏导整流，表面分布着直径0.6～1.6mm的与壁面垂直的小孔，承热壁24可通过锻件机加成型，用于承受火焰筒内侧的高温燃气产生的热负荷，表面均匀分布着0.6～1.0mm的斜孔，用于在热侧形成一个均匀覆盖的气膜，将高温燃气与金属壁面隔开，分气壁22引导内外两侧空气流动，其中外侧空气通过分气壁22与机匣直接的环形通道进入引气法兰冷却气进口20，随后气体流入布置在外侧低损失空气换热器7将气体冷却60～300℃，冷却后的空气通过引气法兰冷却气出口21流入分气壁22和导流壁23之间，冷却气在通过导流壁23后变为方向垂直承热壁24的冲击气流并垂直撞击到承热壁24冷侧，对承热壁24进行第一次冷却，随后气流在热侧形成气膜，对承热壁24进行第二次冷却。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二(一号、二号)等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种具有高效冷却结构的加热器，包括连接架体(25)与加热器(6)，其特征在于：所述加热器(6)安装在连接架体(25)的一侧位置，所述连接架体(25)的一端安装有低损失空气换热器(7)，所述连接架体(25)的另一端安装有气体控制阀(8)，所述连接架体(25)连接有试验段(9)，所述试验段(9)连接有背压控制阀(10)，所述背压控制阀(10)连接有消音塔(11)，所述加热器(6)一端连接有流量控制阀(5)，所述流量控制阀(5)一端连接有燃油泵(4)，所述燃油泵(4)连接有油箱(3)，所述加热器(6)另一端连接有高温加热器(2)，所述高温加热器(2)连接有压气机(1)。

2.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述加热器(6)包括加热器转接法兰(12)、加热器隔热罩(13)、加热器前法兰(14)、油嘴安装座(15)、油嘴(16)、加热器头部(17)、加热器后法兰(18)、引气法兰(19)、引气法兰冷却气进口(20)、引气法兰冷却气出口(21)、分气壁(22)、导流壁(23)与承热壁(24)，所述引气法兰(19)位于加热器(6)与连接架体(25)之间，所述加热器转接法兰(12)位于加热器隔热罩(13)前端，所述油嘴(16)位于油嘴安装座(15)内侧，所述分气壁(22)、导流壁(23)、承热壁(24)位于加热器后法兰(18)的内侧。

3.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述连接架体(25)与加热器(6)之间通过引气法兰(19)进行定位，所述加热器(6)通过流量控制阀(5)连接燃油泵(4)与油箱(3)的位置，所述加热器(6)另一端通过管道连接高温加热器(2)与压气机(1)的位置。

4.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述连接架体(25)上安装气体控制阀(8)与低损失空气换热器(7)，且通过管道连接有试验段(9)，所述试验段(9)通过背压控制阀(10)与消音塔(11)进行连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述加热器(6)的前部通过加热器转接法兰(12)、加热器隔热罩(13)与加热器前法兰(14)进行安装，所述油嘴(16)通过油嘴安装座(15)进行安装，所述分气壁(22)、导流壁(23)、承热壁(24)安装在加热器(6)的后端内侧进行定位，所述加热器(6)的后端通过加热器后法兰(18)与引气法兰(19)进行定位。

6.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述分气壁(22)、导流壁(23)、承热壁(24)的三层壁结构设计火焰筒，所述分气壁(22)将主流空气与冷却空气分离，所述导流壁(23)和承热壁(24)构成了冲击冷却与气膜冷却双重冷却结构。

7.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述承热壁(24)用于承受燃烧后的高温燃气，所述承热壁(24)表面近似均匀的分布着0.6～1.0mm的与壁面呈15°～30°的斜孔，用于在承热壁(24)热侧形成一层冷气膜。

8.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述导流壁(23)用于对冷却气进行导流，所述导流壁(23)表面分布着直径0.6～1.6mm的与壁面垂直的小孔，冷却气在通过所述导流壁(23)后变为方向垂直承热壁(24)的冲击气流并垂直撞击到承热壁(24)冷侧。

9.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述引气法兰(19)使用锻造毛坯并通过后续机加工获得，用于将火焰筒冷却气引出冷却并将冷却后的气体再次引入火焰筒的结构。

10.根据权利要求1所述的一种具有高效冷却结构的加热器，其特征在于：所述加热器转接法兰(12)与加热器前法兰(14)之间有加热器隔热罩(13)，其两侧通过垫片密封，所述加热器隔热罩(13)一直延伸至油嘴(16)前部，所述加热器隔热罩(13)的用途是将进口高温气流流向加热器前法兰(14)，从而减少换热，并在加热器隔热罩(13)与加热器本体之间形成一个空腔，降低加热器产生的压力脉动。

Images