CN114413657A - 一种矩阵式高温气体冷却器 - Google Patents

一种矩阵式高温气体冷却器 Download PDF

Info

Publication number
CN114413657A
CN114413657A CN202111589098.5A CN202111589098A CN114413657A CN 114413657 A CN114413657 A CN 114413657A CN 202111589098 A CN202111589098 A CN 202111589098A CN 114413657 A CN114413657 A CN 114413657A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tube
heat exchange
temperature gas
inlet
expansion section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111589098.5A
Other languages
English (en)
Inventor
邓靜
陈永东
王严冬
吴晓红
王林
李超
夏春杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei General Machinery Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Hefei General Machinery Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei General Machinery Research Institute Co Ltd filed Critical Hefei General Machinery Research Institute Co Ltd
Priority to CN202111589098.5A priority Critical patent/CN114413657A/zh
Publication of CN114413657A publication Critical patent/CN114413657A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1653—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having a square or rectangular shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种矩阵式高温气体冷却器，冷热介质错逆流换热，高温气体在换热管外沿冷却器的轴线方向流动，冷却介质在换热管内自各模块高温气体低温端向高温端流动。换热管为光管，矩阵式布置，且沿垂直于高温气体流动的方向布设。本发明的一种矩阵式高温气体冷却器，同一截面上高温气体温度分布均匀程度高，能最大程度地减小安装空间，降低热工设计难度，且换热管间没有附加其他结构，在高温气体流动方向上，最大程度降低高温气体沿程长度，极大地减小了设备占地尺寸，同时减少不必要的附加阻力，降低设备内高温气体压降。

Description

一种矩阵式高温气体冷却器
技术领域
本发明涉及高温气体降温技术领域，尤其是一种矩阵式高温气体冷却器。
背景技术
航空发动机高空模拟试验，是在地面试验设备上，采用模拟发动机进口总温、总压和发动机出口环境压力的方法，模拟发动机空中飞行高度、速度条件。现代高性能飞机所用的发动机在宽广的飞行工作范围内遇到的许多困难问题，都需通过航空发动机模拟高空飞行试验求得解决。试验舱内发动机排出的高温气体经过扩压器增压后进入冷却器，高温气体经冷却后进入引射机组内排出系统。发动机在试验舱内试验时排出的气体温度高达2300K，必须通过冷却器冷却至冷却器后端引射机组能接受的温度(<100℃)。该冷却器在负压工况下运行，为提高引射机组的效率，要求高温气体经过冷却器的压降约小越好。
中国专利公开号为CN101943529.A公开了一种高温气体干法降温装置及方法，该专利中心换热段采用圆筒形壳体，换热管绕制成盘管，各换热管长度不一致，外部换热管长度较长，内部换热管较短，若冷却介质流量较低，外部换热管内冷却介质容易蒸发，出现干烧现象，大大降低设备使用寿命；同时使得同一截面内高温气体温度分布均匀程度差；并且翅片管卷制难度大，制造成本高。
中国专利公开号为CN111854498A公开了一种高温气体冷却器，该专利在中心换热段采用圆筒形壳体，换热管在圆筒形壳体内布置方向一致，同一截面内各换热管长度不一致，使得同一截面内高温气体温度分布均匀程度差，同时换热器热工设计难度大；另一方面，冷却介质通过布置于换热管间的集液管进入管箱内，集液管的布置使得中心换热区较长，高温气体经过冷却器的压降较大，同时设备占地尺寸大。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种矩阵式高温气体冷却器，在同一截面上气体温度分布较为均匀，提高换热效率，中心换热段结构紧凑，通过合理的换热管布置使得压降满足系统要求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种矩阵式高温气体冷却器，高温气体冷却器的中心换热段中沿高温气体流动方向设有若干排换热管；
此若干排换热管的管长方向均与高温气体流动方向相异，且此若干排换热管的管长方向交叉排布。
进一步地，此若干排换热管均垂直于高温气体流动方向，且同一排中的换热管的管长方向即排布方向相同，此若干排换热管包括沿水平方向排布的水平管排和沿竖直方向排布的竖直管排，水平管排中的换热管即为沿水平方向排布的水平换热管，竖直管排中的换热管即为沿竖直方向排布的竖直换热管。
进一步地，水平管排与竖直管排交替排布，且相邻的相同方向排布的管排中换热管彼此叉排布置。
进一步地，所述中心换热段包括：换热段壳体；
所述换热管采用光管，设置于换热段壳体中，所述换热段壳体与换热管构成高温气体流道；
所述换热段壳体为矩形管形状，由4块管板构成，分别为：平行于高温气体流动方向的底部管板、顶部管板、前侧管板、后侧管板；
所述中心换热段还包括4个管箱，分别为：对应设置在底部管板、顶部管板、前侧管板、后侧管板外壁的底部管箱、顶部管箱、前侧管箱、后侧管箱；
所述水平换热管的两端分别通过前侧管板、后侧管板与前侧管箱、后侧管箱相连通；所述竖直换热管的两端分别通过底部管板、顶部管板与底部管箱、顶部管箱相连通。
进一步地，所述中心换热段还包括：水平管束进液接管、竖直管束进液接管、水平管束出液接管、竖直管束出液接管；
所述水平管束进液接管和竖直管束进液接管用于冷却介质的进液，所述水平管束出液接管和竖直管束出液接管用于冷却介质的出液；所述水平管束进液接管与前侧管箱/后侧管箱连接；所述水平管束出液接管与前侧管箱/后侧管箱连接；所述竖直管束进液接管与底部管箱/顶部管箱连接；所述竖直管束出液接管与底部管箱/顶部管箱连接。
进一步地，中心换热段至少包括一个模块；模块中的冷却介质从高温气体流出侧流入，从高温气体流入侧流出；
管箱中在垂直于高温气体流动方向上设置有分程隔板，且沿高温气体流动方向还设置有加强隔板。
进一步地，中心换热段划分为多个模块时，沿高温气体流动方向，此若干个模块中换热管的管直径、管间距、管排间距逐渐减小，且同一模块中的换热管的管直径、管间距、管排间距相同。
进一步地，所述矩阵式高温气体冷却器还包括入口扩张段；所述入口扩张段的入口端用于高温气体的流入，所述入口扩张段的出口端与中心换热段的入口端相连接，即高温气体通过入口扩张段流入中心换热段中；
所述入口扩张段包括：入口扩张段壳体和设置于入口扩张段壳体上的扩张段冷却组件；
所述扩张段冷却组件包括：内部冷却盘管，外部冷却盘管；
所述内部冷却盘管沿入口扩张段壳体周向布置在入口扩张段壳体的内侧壁上；所述外部冷却盘管沿入口扩张段壳体周向布置在入口扩张段壳体的外侧壁上；所述内部冷却盘管与外部冷却盘管交错布置，且内部冷却盘管和外部冷却盘管在入口扩张段壳体侧壁上的投影有交集。
进一步地，所述扩张段冷却组件还包括：入口扩张段进液接管、入口扩张段出液接管；
冷却介质通过入口扩张段进液接管进入内部冷却盘管，所述内部冷却盘管与外部冷却盘管相连通，冷却介质从内部冷却盘管进入外部冷却盘管，并通过入口扩张段出液接管流出。
进一步地，所述入口扩张段进液接管位于入口扩张段底部的最低位置处；
所述外部冷却盘管通过圆管与入口扩张段出液接管连接，所述圆管中心线与入口扩张段进液接管中心线重合，且圆管直径大于入口扩张段进液接管的直径，圆管与入口扩张段进液接管间形成的环形通道与入口扩张段出液接管即构成外部冷却组件中冷却介质的出液通道。
本发明的优点在于：
(1)本发明的矩阵式高温气体冷却器，换热管交叉排布，使得高温气体受到多个方向的扰流，高温气体进入中心换热段能快速扩张，提高换热效率；且换热管间没有附加其他结构，在高温气体流动方向上，最大程度降低高温气体沿程长度，极大地减小了设备占地尺寸，同时减少不必要的附加阻力，降低设备内高温气体压降。
(2)从前端设备(图中未示出)，例如小直径扩压器来的高流速高温气体由于惯性，在入口扩张段内不会快速扩散，高温气体仍集中于冷却器轴向位置附近，相对于现有技术中的换热管采用同一方向布置，本发明的换热管呈矩阵式布置，使得高温气体受到两个方向的扰流，高温气体进入中心换热段能快速扩张，提高换热效率，同时使高温气体侧在同一截面内的温度分布均匀程度较高。
(3)本发明的中心换热段换热管采用光管，换热段壳体为矩形管形状，由4块管板构成，通过设置矩形管的形状，即设置矩形管的截面为正方形，可使得位于换热段壳体中的每根换热管长度相同，同一流程内冷却介质流通长度相同，大大降低了热工设计难度。
(4)本发明换热段壳体为矩形管形状，有4块管板，且中心换热段换热管呈矩阵式布置，使得每块管板上开孔数量为总换热管数量的1/2，相对于现有技术中的换热管采用同一方向布置，本发明的单块管板上的开孔数量减半，强度上被开孔削弱的程度降低。另外，高温气体流经中心换热段，若换热管按照同一方向布置，则不做管板用的2块壁板需要设置冷却组件及加强附件，根据工艺计算可得到，2块壁板冷却所需冷却介质流量较管束小很多，故壁板冷却组件中进、出口接管规格比管束接管小，且冷却介质在壁板冷却组件中压损与管束中相差较大，要使冷却介质流量分配达到热工设计要求，冷却介质管路设计难度较高；而本发明的换热管矩阵式布置在水平布置管束内与竖直布置管束内压降相差较小，可降低冷却介质管路设计难度。
(5)本发明的中心换热段的管箱中的加强隔板沿轴向即高温气体流动方向布置，分程隔板垂直于轴向布置，在2个方向上对管板进行加强，可降低管板厚度。
(6)本发明的入口扩张段包括内部冷却盘管与外部冷却盘管，内部冷却盘管与外部冷却盘管交错布置，保证入口扩张段壳体均可被冷却介质冷却，可以有效地降低入口扩张段壳体最高金属温度与内外壁温差，同时与高温气体接触的内部冷却组件金属温度也很低，故可降低入口扩张段的设计温度，进而降低设备制造成本。若仅在外部设置冷却，入口扩张段壳体外壁完全被冷却介质包裹，入口扩张段壳体外壁温度接近冷却介质温度；由于扩张段壳体壁厚相对冷却盘管壁厚较大，热阻较大，沿壁厚方向的导热相对较差，同时入口扩张段壳体内壁完全裸露与高温环境下，使得内壁温度较高，内外壁温差较大，导致热应力较大，对结构强度设计提出了更苛刻的要求，同时设备运行安全性大大降低。
附图说明
图1为本发明的矩阵式高温气体冷却器主视图。
图2为矩阵式高温气体冷却器的A向视图。
图3为矩阵式高温气体冷却器的B-B向视图。
图4为矩阵式高温气体冷却器的C-C向视图。
图5为矩阵式高温气体冷却器入口扩张段壳体上内、外冷却盘管布置示意图。
图中：
1-入口扩张段；2-中心换热段；3-出口收缩段；4-支座；
11-前端接管；12-扩张段壳体；13-过渡段壳体；14-扩张段冷却组件；15-检查孔；
141-入口扩张段进液接管；142A-内部集液进箱；142B-内部集液出箱；143A-内部冷却盘管；143B-外部冷却盘管；144-通孔；145A-外部集液出箱；145B-外部集液进箱；146-盲板；147A-圆管；147B-开孔盲板；147C-入口扩张段出液接管；
21-换热管；22-换热段壳体；23-管箱；24-进液接管；25-出液接管；
211-水平换热管；212-竖直换热管；
221-底部管板；222-顶部管板；223-前侧管板；224-后侧管板；
231-底部管箱；232-顶部管箱；233-前侧管箱；234-后侧管箱；
231A-底部管箱加强隔板、232A-顶部管箱加强隔板、233A-前侧管箱加强隔板、234A-后侧管箱加强隔板；
231B-底部管箱分程隔板、232B-顶部管箱分程隔板、233B-前侧管箱分程隔板、234B-后侧管箱分程隔板；
231C-底部管箱侧壁板、232C-顶部管箱侧壁板、233C-前侧管箱侧壁板、234C-后侧管箱侧壁板；
231D-底部管箱盖板、232D-顶部管箱盖板、233D-前侧管箱盖板、234D-后侧管箱盖板；
241-水平管束进液接管；242-竖直管束进液接管；251-水平管束出液接管；252-竖直管束出液接管；
31-过渡段壳体；32-收缩段壳体；33-出口接管；34-加强附件；35-检查孔。
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，本发明的一种矩阵式高温气体冷却器，冷热介质错逆流换热，高温气体沿壳体轴线方向自入口扩张段1流入，经中心换热段2换热后，从出口收缩段3流出；冷却介质自各模块的进液接管流进换热管内，与高温气体换热后经各模块的出液接管流出。
由图1所示，本发明的一种矩阵式高温气体冷却器由入口扩张段1、中心换热段2、出口收缩段3、支座4组成。
由图1所示，入口扩张段1包括入口扩张段壳体、扩张段冷却组件14、检查孔15。
所述入口扩张段壳体包括前端接管11、扩张段壳体12、过渡段壳体13。所述前端接管11用于与上游设备扩压器出口管道连接，该连接可采用焊接、法兰连接，由于来流高温气体温度较高，采用法兰连接需对法兰进行冷却，高温密封难度较大，且成本高，故本实施例中采用焊接，降低制造成本及设计难度。扩张段壳体12为天圆地方结构，即扩张段壳体12的一端为圆形端，另一端为方形端。过渡段壳体13为方形结构。扩张段壳体12的圆形端与前端接管11焊接，方形端与过渡段壳体13前端焊接，过渡段壳体13后端与中心换热段2连接。
由图1所示，扩张段冷却组件14由内部冷却组件与外部冷却组件组成。
内部冷却组件包含入口扩张段进液接管141、内部集液进箱142A、内部集液出箱142B、内部冷却盘管143A、盲板146；外部冷却组件包含外部集液进箱145B、外部集液出箱145A、外部冷却盘管143B、盲板146、圆管147A、开孔盲板147B、入口扩张段出液接管147C；内、外部冷却组件中冷却介质通过通孔144连通，所述通孔144位于过渡段壳体13顶部中心处。入口扩张段进液接管141焊接在过渡段壳体13底部中间，该位置为入口扩张段1最低位置处。
由图2所示，内部集液进箱142A、内部集液出箱142B、外部集液进箱145B、外部集液出箱145A可采用卷板或板焊接的方式形成矩形或方形流道，也可采用圆管割成半圆形结构；本实施例中，内部集液进箱142A、内部集液出箱142B、外部集液进箱145B、外部集液出箱145A采用卷板的方式形成图2中所示结构；内部集液进箱142A两短边沿入口扩张段壳体(前端接管11、扩张段壳体12、过渡段壳体13)内壁底部中心线焊接在底部内壁中心位置上，内部集液出箱142B两短边沿入口扩张段壳体内壁顶部中心线焊接在顶部内壁中心位置上，外部集液进箱145B两短边沿入口扩张段壳体外壁顶部中心线焊接在顶部外壁中心位置上，外部集液出箱145A两短边沿入口扩张段壳体外壁底部中心线焊接在底部外壁中心位置上。
内部集液进箱142A、内部集液出箱142B、外部集液进箱145B、外部集液出箱145A端部采用盲板146焊接；这样内部集液进箱142A、入口扩张段壳体、盲板146形成了内部冷却组件进口集液空间，内部集液出箱142B、入口扩张段壳体、盲板146形成了内部冷却组件出口集液空间，外部集液进箱145B、入口扩张段壳体、盲板146形成了外部冷却组件进口集液空间，外部集液出箱145A、入口扩张段壳体、盲板146形成了外部冷却组件出口集液空间。
内部冷却盘管143A和外部冷却盘管143B可采用由圆管割成的半管结构，也可以采用卷板或板焊接的方式形成矩形或方形流道；本实施例中，内部冷却盘管143A、外部冷却盘管143B采用由圆管割成的半管结构，内部冷却盘管143A沿冷却器入口扩张段壳体周向焊接在内部集液进箱142A与内部集液出箱142B两侧壳体内壁上，每根内部冷却盘管143A两端部分别与内部集液进箱142A、内部集液出箱142B焊接，内部集液进箱142A、内部集液出箱142B与冷却盘管143A焊接处开孔，这样内部冷却盘管143A连通了内部集液进箱142A与内部集液出箱142B；外部冷却盘管143B沿冷却器入口扩张段壳体周向焊接在外部集液进箱145B与外部集液出箱145A两侧壳体外壁上，每根外部冷却盘管143B两端部分别与外部集液进箱145B、外部集液出箱145A焊接，外部集液进箱145B、外部集液出箱145A与外部冷却盘管143B焊接处开孔，这样外部冷却盘管143B连通了外部集液进箱145B与外部集液出箱145A；所述内部冷却盘管143A与外部冷却盘管143B交错布置，如图5所示。
在位于过渡段壳体13底部中心处的外部集液出箱145A中心处焊接圆管147A，所述圆管147A中心线与进液接管141中心线重合，且圆管147A直径大于进液接管141的直径，所述圆管147A另一端部与开孔盲板147B焊接，进液接管141穿过开孔盲板147B并与其焊接，入口扩张段出液接管147C与圆管147A焊接，所述入口扩张段出液接管147C中心线与圆管147A中心线垂直，圆管147A与入口扩张段进液接管141间形成的环形通道与入口扩张段出液接管147C构成了入口扩张段外部冷却组件的冷却介质出液通道，所述冷却介质出液通道，该位置为入口扩张段外部集液出箱145A最低位置处，利于冷却介质的排出。
所述内部冷却盘管143A与外部冷却盘管143B交错布置，保证入口扩张段壳体完全被冷却介质包裹。经计算冷却介质在内部冷却盘管143A、外部冷却盘管143B中的对流换热系数远大于入口扩张段内部的高温气体辐射与对流综合传热系数，入口扩张段内最高温度位于如图5所示的内部冷却盘管143A中心位置b处，由内部冷却盘管143A包裹的入口扩张段壳体内壁a处温度以及由外部冷却盘管143B包裹的入口扩张段壳体外壁d处温度非常接近冷却介质温度，入口扩张段壳体在板厚方向以及长度方向上的导热作用使得壳体内壁未被内部冷却盘管143A包裹的位置c处温度低于b处温度，同时壳体内外壁温差较小，进而热应力较小，极大的降低了设备设计温度，设备运行安全性大大提高；由于内部冷却盘管143A采用由圆管割成的半管结构，较小的壁厚就能满足强度要求，壁厚较小，热阻就小，内外壁温差不大，在合理的冷却介质流量、操作压力设计下，内部冷却盘管143A最高温度b处其温度不会超过冷却介质操作压力下的饱和温度，因此内部冷却盘管143A、外部冷却盘管143B中冷却介质不会沸腾，即不会出现干烧现象，极大的提高了设备使用寿命。若仅在外部设置冷却，入口扩张段壳体外壁完全被冷却介质包裹，入口扩张段壳体外壁温度接近冷却介质温度；由于扩张段壳体壁厚相对冷却盘管壁厚较大，热阻较大，沿壁厚方向的导热相对较差，同时入口扩张段壳体内壁完全裸露与高温环境下，使得内壁温度较高，内外壁温差较大，导致热应力较大，对结构强度设计提出了更苛刻的要求，同时设备运行安全性大大降低。
在入口扩张段设置了检查孔15，检查孔15包含人孔151、人孔冷却组件152。在扩张段壳体12靠下部焊接人孔151，其规格为DN500，便于检修，为降低设备运行时人孔的金属温度，在人孔151外设置规格为DN900的人孔151作为人孔冷却组件152，两人孔轴线重合，DN900人孔151与DN500人孔151间的环形空间作为冷却介质流道，在设备运行过程中人孔151就被完全沉浸在冷却介质中，降低与高温气体接触的人孔151的金属温度。
使用所述扩张段冷却组件14，可以有效地降低入口扩张段壳体最高金属温度与内外壁温差，同时与高温气体接触的内部冷却组件金属温度也很低，故可降低入口扩张段1的设计温度，进而降低设备制造成本。
中心换热段2中沿高温气体流动方向设有若干排换热管21，冷却介质在所述换热管21内流动；高温气体进入高温气体冷却器的中心换热段2中，在换热管21外沿高温气体冷却器壳体的轴线方向流动，与换热管2内的冷却介质进行换热；
此若干排换热管21均垂直于高温气体流动方向，且此若干排换热管21在中心换热段2中呈矩阵式分布，即换热管21包括沿水平方向布置的水平换热管211和沿竖直方向布置的竖直换热管212。
中心换热段2中设有N排换热管21，此N排换热管21沿气体流动方向依次为第1排换热管21、第2排换热管21、…、第N排换热管21。其中，第i排换热管21为水平换热管211，第i+1排换热管21为竖直换热管212，第i排换热管21与第i+2排换热管21之间叉排布置；或者，第i排换热管21为竖直换热管212，第i+1排换热管21为水平换热管211，第i排换热管21与第i+2排换热管21之间叉排布置；1≦i≦N-2。
所述中心换热段2中此若干排换热管21的冷却介质从高温气体流出侧流入，从高温气体流入侧流出。
所述中心换热段2还包括：换热段壳体22、4个管箱23、进液接管24、出液接管25；
所述换热管21设置于换热段壳体22中，所述换热段壳体22与换热管21构成高温气体流道；
由图4所示，本实施例中，换热段壳体22由底部管板221、顶部管板222、前侧管板223、后侧管板224组成；底部管板221、顶部管板222与竖直换热管212连接，前侧管板223、后侧管板224与水平换热管211连接。
4个管箱23分别为：底部管箱231、顶部管箱232、前侧管箱233、后侧管箱234；
底部管箱231由加强隔板231A、分程隔板231B、侧壁板231C、盖板231D组成，顶部管箱232由加强隔板232A、分程隔板232B、侧壁板232C、盖板232D组成，前侧管箱233由加强隔板233A、分程隔板233B、侧壁板233C、盖板233D组成，后侧管箱234由加强隔板234A、分程隔板234B、侧壁板234C、盖板234D组成；
所述底部管箱231和顶部管箱232与竖直换热管212连通；所述前侧管箱233、后侧管箱234与水平换热管211连通；
进液接管24由水平管束进液接管241、竖直管束进液接管242组成；出液接管25由水平管束出液接管251、竖直管束出液接管252组成；
所述水平管束进液接管241与前侧管箱233/后侧管箱234连接；所述水平管束出液接管251与前侧管箱233/后侧管箱234连接；所述竖直管束进液接管242与底部管箱231/顶部管箱232连接；所述竖直管束出液接管252与底部管箱231/顶部管箱232连接。
4块管板即底部管板221、顶部管板222、前侧管板223、后侧管板224焊接，在迎风面上形成方形截面，为降低拐角处的应力水平，本实施例中，将前侧管板223、后侧管板224与底部管板221、顶部管板222焊接处弯曲处理，使用圆弧连接，同时留有直边段便于焊接。
由图3所示，中心换热段2模块化设置，本实施例中，中心换热段2沿高温气体流动方向分为3个模块，沿高温气体流动方向依次为第一模块、第二模块、第三模块。每个模块均对应的有管箱23、进液接管24、出液接管25；模块中的冷却介质从高温气体流出侧流入，从高温气体流入侧流出。
第一模块中换热管直径大，换热管间距及管排间距大，这是由于来流高温气体流量大，温度高，操作压力低，来流气体密度低，使得气流速度较高；为避免高流速气体横掠换热管束引起管束振动失效问题的产生，设置较大的换热管间距。高温气体经过第一模块降温后密度增大，流速降低，兼顾振动与换热效率，第二模块中换热管直径减小、换热管间距及管排间距减小。高温气体经过第一、第二模块后，温度、流速进一步降低，为提高换热效率，第三模块中换热管直径、换热管间距及管排间距进一步减小。
每个模块中冷却介质可设置为单程流动，也可设置为多程流动，本实施例中，设置为多程流动，第一模块、第二模块为2程，第三模块为3程。为实现冷却介质多程流动，管箱内在垂直高温气体流动方向设置分程隔板231B、232B、233B、234B。3个模块之间冷却介质可串联，也可并联。
各模块内为避免冷却介质偏流导致靠近与远离进液接管24的换热管内冷却介质流量相差较大的现象，采用多个进液接管24。本实施例中，各模块内水平管束进液接管241、竖直管束进液接管242均采用4个，为降低管箱盖板231D、232D、233D、234D与管箱侧板231C、232C、233C、234C的厚度，在管箱内设置加强隔板231A、232A、233A、234A进行加强，不同位置管箱内均设置3块加强隔板，所述加强隔板沿冷却器轴线方向布置，本实施例中，管箱内垂直轴线布置的分程隔板231B、232B、233B、234B既做冷却介质分程用也兼做加强隔板用。
第一模块、第二模块内，水平管束进液接管241、水平管束出液接管251焊接在前侧管箱233中盖板233D上，竖直管束进液接管242、竖直管束出液接管252焊接在顶部管箱232中盖板232D上。第三模块内，水平管束进液接管241焊接在后侧管箱234中盖板234D上，水平管束出液接管251焊接在前侧管箱233中盖板233D上，竖直管束进液接管242焊接在顶部管箱232中盖板232D上，竖直管束出液接管252焊接在底部管箱231中盖板231D上。
各模块中进液接管24设置在相应模块的高温气体出口侧，出液接管25设置在相应模块的高温气体进口侧，冷却介质经进液接管24进入换热管21，高温气体依次经过第一模块、第二模块、第三模块的换热管束，形成错逆流换热。
由图1和图3所示，出口收缩段3包括过渡段壳体31、收缩段壳体32、出口接管33、加强附件34、检查孔35。过渡段壳体31前端与中心换热段2的第三模块中4块管板焊接，收缩段壳体32采用天圆地方结构，方形端与过渡段壳体31后端焊接，圆形端与出口接管33前端焊接，出口接管33后端与下游引射机组连接。
由于设备尺寸较大，且高温气体侧操作压力为负压，故在过渡段壳体31、收缩段壳体32、出口接管33外部均设置加强附件，加强附件沿设备周向与轴向布置，为便于检修，在收缩段壳体靠下部设置DN500的人孔作为检查孔35。经过中心换热段，高温气体已被冷却至100℃以下，故出口收缩段3不需设置冷却组件。
由图1所示，冷却器的支座4沿高温气体流动方向布置；根据试验系统要求设置支座高度以达到设备轴线目标标高，支座数量根据设备尺寸及基础条件确定，可设置多个，本实施例中，设置3个支座4。支座4与基础采用地脚螺栓固定，靠近入口扩张段1的支座4的螺栓孔为圆孔，是设备支座固定端；其余螺栓孔为长圆孔，是设备支座滑动端。
随着飞机飞行高度与飞行速度的不断提高，航空发动机空中使用范围不断扩大，其工作参数的变化幅度相当大，压力和气体质量流量等参数变化数十倍甚至上百倍；气体最大质量流量也在不断提高，由于系统内冷却器许用压降小，所需迎风面积大，设备整体尺寸较大。本发明的矩阵式高温气体冷却器换热管间没有附加其他结构，在高温气体流动方向上，最大程度降低高温气体沿程长度，极大地减小了设备占地尺寸，同时减少不必要的附加阻力，降低设备内高温气体压降。
热工方面，中心换热段换热管采用光管，每根换热管长度相同，同一流程内冷却介质流通长度相同，大大降低了热工设计难度；从前端小直径扩压器来的高流速高温气体由于惯性，在入口扩张段内不会快速扩散，高温气体仍集中于冷却器轴向位置附近，相对于换热管同一方向布置，换热管矩阵式布置使得高温气体受到两个方向的扰流，高温气体进入中心换热段能快速扩张，提高前端模块换热效率，同时使后端模块高温气体侧沿程同一截面内温度分布均匀程度较高。
结构方面，换热管矩阵式布置，管板有4块，每块管板上开孔数量为换热管数量的1/2，与换热管按照同一方向布置时相比，管板上开孔数量减半，强度上被开孔削弱的程度降低；同时各模块中管箱内加强隔板沿轴向布置，分程隔板垂直于轴向布置，在2个方向上对管板进行加强，可降低管板厚度。高温气体流经中心换热段，若换热管按照同一方向布置，则不做管板用的2块壁板需要设置冷却组件及加强附件，根据工艺计算可得到，2块壁板冷却所需冷却介质流量较管束小很多，故壁板冷却组件中进、出口接管规格比管束接管小，且冷却介质在壁板冷却组件中压损与管束中相差较大，要使冷却介质流量分配达到热工设计要求，冷却介质管路设计难度较高；而换热管矩阵式布置在水平布置管束内与竖直布置管束内压降相差较小，可降低冷却介质管路设计难度。
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 (10)

1.一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，高温气体冷却器的中心换热段(2)中沿高温气体流动方向设有若干排换热管(21)；
此若干排换热管(21)的管长方向均与高温气体流动方向相异，且此若干排换热管(21)的管长方向交叉排布。
2.根据权利要求1所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，此若干排换热管(21)均垂直于高温气体流动方向，且同一排中的换热管(21)的管长方向即排布方向相同，此若干排换热管(21)包括沿水平方向排布的水平管排和沿竖直方向排布的竖直管排，水平管排中的换热管(21)即为沿水平方向排布的水平换热管(211)，竖直管排中的换热管即为沿竖直方向排布的竖直换热管(212)。
3.根据权利要求2所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，水平管排与竖直管排交替排布，且相邻的相同方向排布的管排中换热管(21)彼此叉排布置。
4.根据权利要求2所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，所述中心换热段(2)包括：换热段壳体(22)；
所述换热管(21)采用光管，设置于换热段壳体(22)中，所述换热段壳体(22)与换热管(21)构成高温气体流道；
所述换热段壳体(22)为矩形管形状，由4块管板构成，分别为：平行于高温气体流动方向的底部管板(221)、顶部管板(222)、前侧管板(223)、后侧管板(224)；
所述中心换热段(2)还包括4个管箱(23)，分别为：对应设置在底部管板(221)、顶部管板(222)、前侧管板(223)、后侧管板(224)外壁的底部管箱(231)、顶部管箱(232)、前侧管箱(233)、后侧管箱(234)；
所述水平换热管(211)的两端分别通过前侧管板(223)、后侧管板(224)与前侧管箱(233)、后侧管箱(234)相连通；所述竖直换热管(212)的两端分别通过底部管板(221)、顶部管板(222)与底部管箱(231)、顶部管箱(232)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，所述中心换热段(2)还包括：水平管束进液接管(241)、竖直管束进液接管(242)、水平管束出液接管(251)、竖直管束出液接管(252)；
所述水平管束进液接管(241)和竖直管束进液接管(242)用于冷却介质的进液，所述水平管束出液接管(251)和竖直管束出液接管(252)用于冷却介质的出液；所述水平管束进液接管(241)与前侧管箱(233)/后侧管箱(234)连接；所述水平管束出液接管(251)与前侧管箱(233)/后侧管箱(234)连接；所述竖直管束进液接管(242)与底部管箱(231)/顶部管箱(232)连接；所述竖直管束出液接管(252)与底部管箱(231)/顶部管箱(232)连接。
6.根据权利要求4所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，中心换热段(2)至少包括一个模块；模块中的冷却介质从高温气体流出侧流入，从高温气体流入侧流出；
管箱(23)中在垂直于高温气体流动方向上设置有分程隔板，且沿高温气体流动方向还设置有加强隔板。
7.根据权利要求1或2或6所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，中心换热段(2)划分为多个模块时，沿高温气体流动方向，此若干个模块中换热管(21)的管直径、管间距、管排间距逐渐减小，且同一模块中的换热管(21)的管直径、管间距、管排间距相同。
8.根据权利要求1或2所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，所述矩阵式高温气体冷却器还包括入口扩张段(1)；所述入口扩张段(1)的入口端用于高温气体的流入，所述入口扩张段(1)的出口端与中心换热段(2)的入口端相连接，即高温气体通过入口扩张段(1)流入中心换热段(2)中；
所述入口扩张段(1)包括：入口扩张段壳体和设置于入口扩张段壳体上的扩张段冷却组件(14)；
所述扩张段冷却组件(14)包括：内部冷却盘管(143A)，外部冷却盘管(143)；
所述内部冷却盘管(143)沿入口扩张段壳体周向布置在入口扩张段壳体的内侧壁上；所述外部冷却盘管(143)沿入口扩张段壳体周向布置在入口扩张段壳体的外侧壁上；所述内部冷却盘管(143A)与外部冷却盘管(143B)交错布置，且内部冷却盘管(143A)和外部冷却盘管(143B)在入口扩张段壳体侧壁上的投影有交集。
9.根据权利要求8所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，所述扩张段冷却组件(14)还包括：入口扩张段进液接管(141)、入口扩张段出液接管(147C)；
冷却介质通过入口扩张段进液接管(141)进入内部冷却盘管(143A)，所述内部冷却盘管(143A)与外部冷却盘管(143)相连通，冷却介质从内部冷却盘管(143A)进入外部冷却盘管(143)，并通过入口扩张段出液接管(147C)流出。
10.根据权利要求9所述的一种矩阵式高温气体冷却器，其特征在于，所述入口扩张段进液接管(141)位于入口扩张段(1)底部的最低位置处；
所述外部冷却盘管(143)通过圆管(147A)与入口扩张段出液接管(147C)连接，所述圆管(147A)中心线与入口扩张段进液接管(141)中心线重合，且圆管(147A)直径大于入口扩张段进液接管(141)的直径，圆管(147A)与入口扩张段进液接管(141)间形成的环形通道与入口扩张段出液接管(147C)即构成外部冷却组件中冷却介质的出液通道。
CN202111589098.5A 2021-12-23 2021-12-23 一种矩阵式高温气体冷却器 Pending CN114413657A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111589098.5A CN114413657A (zh) 2021-12-23 2021-12-23 一种矩阵式高温气体冷却器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111589098.5A CN114413657A (zh) 2021-12-23 2021-12-23 一种矩阵式高温气体冷却器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114413657A true CN114413657A (zh) 2022-04-29

Family

ID=81268229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111589098.5A Pending CN114413657A (zh) 2021-12-23 2021-12-23 一种矩阵式高温气体冷却器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114413657A (zh)

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4556104A (en) * 1983-07-06 1985-12-03 Rolf Dieter Engelhardt Heat exchanger
JPH0626777A (ja) * 1992-07-10 1994-02-04 Daikin Ind Ltd 熱交換器
JP2005331217A (ja) * 2003-06-11 2005-12-02 Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd ガス冷却装置
CN1808036A (zh) * 2005-12-26 2006-07-26 宁波乐惠食品设备制造有限公司 拱形通道夹套
CN2856910Y (zh) * 2005-12-26 2007-01-10 宁波乐惠食品设备制造有限公司 拱形通道夹套
JP2007225151A (ja) * 2006-02-21 2007-09-06 Shinko Kogyo Co Ltd 空調機の一重管蒸気コイルの凍結防止及び熱応力破損防止構造
RU2310804C1 (ru) * 2006-05-17 2007-11-20 Открытое акционерное общество "Энергомашкорпорация" Теплообменник на тепловых трубах
CN101943529A (zh) * 2010-09-29 2011-01-12 西安航天华威化工生物工程有限公司 高温气体干法降温装置及方法
CN102759297A (zh) * 2011-04-27 2012-10-31 陆飞浩 一种气体冷却器
CN203396264U (zh) * 2013-07-03 2014-01-15 湖北万安环保石化设备有限公司 一种小型二管程冷却器
CN203803491U (zh) * 2014-03-05 2014-09-03 浙江金氟隆化工装备有限公司 一种半圆管加钢带夹套反应釜
CN203869553U (zh) * 2014-06-05 2014-10-08 上海铂胜节能科技有限公司 一种改进型管式换热器
CN107213745A (zh) * 2017-06-21 2017-09-29 榆林学院 一种燃气除湿系统及兰炭尾气的除湿方法
CN107966048A (zh) * 2017-11-09 2018-04-27 北京航天试验技术研究所 一种冷却器
CN209865785U (zh) * 2019-04-09 2019-12-31 广东嘉元科技股份有限公司 一种铜箔生产用安全型溶铜罐
CN111854498A (zh) * 2020-06-02 2020-10-30 合肥通用机械研究院有限公司 一种高温气体冷却器
CN212378554U (zh) * 2020-04-08 2021-01-19 上海蓝滨石化设备有限责任公司 一种高温热夹套板壳式换热器

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4556104A (en) * 1983-07-06 1985-12-03 Rolf Dieter Engelhardt Heat exchanger
JPH0626777A (ja) * 1992-07-10 1994-02-04 Daikin Ind Ltd 熱交換器
JP2005331217A (ja) * 2003-06-11 2005-12-02 Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd ガス冷却装置
CN1808036A (zh) * 2005-12-26 2006-07-26 宁波乐惠食品设备制造有限公司 拱形通道夹套
CN2856910Y (zh) * 2005-12-26 2007-01-10 宁波乐惠食品设备制造有限公司 拱形通道夹套
JP2007225151A (ja) * 2006-02-21 2007-09-06 Shinko Kogyo Co Ltd 空調機の一重管蒸気コイルの凍結防止及び熱応力破損防止構造
RU2310804C1 (ru) * 2006-05-17 2007-11-20 Открытое акционерное общество "Энергомашкорпорация" Теплообменник на тепловых трубах
CN101943529A (zh) * 2010-09-29 2011-01-12 西安航天华威化工生物工程有限公司 高温气体干法降温装置及方法
CN102759297A (zh) * 2011-04-27 2012-10-31 陆飞浩 一种气体冷却器
CN203396264U (zh) * 2013-07-03 2014-01-15 湖北万安环保石化设备有限公司 一种小型二管程冷却器
CN203803491U (zh) * 2014-03-05 2014-09-03 浙江金氟隆化工装备有限公司 一种半圆管加钢带夹套反应釜
CN203869553U (zh) * 2014-06-05 2014-10-08 上海铂胜节能科技有限公司 一种改进型管式换热器
CN107213745A (zh) * 2017-06-21 2017-09-29 榆林学院 一种燃气除湿系统及兰炭尾气的除湿方法
CN107966048A (zh) * 2017-11-09 2018-04-27 北京航天试验技术研究所 一种冷却器
CN209865785U (zh) * 2019-04-09 2019-12-31 广东嘉元科技股份有限公司 一种铜箔生产用安全型溶铜罐
CN212378554U (zh) * 2020-04-08 2021-01-19 上海蓝滨石化设备有限责任公司 一种高温热夹套板壳式换热器
CN111854498A (zh) * 2020-06-02 2020-10-30 合肥通用机械研究院有限公司 一种高温气体冷却器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
蒋文春;巩建鸣;陈虎;涂善东;: "SS304半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟", 焊接学报, no. 10 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10854344B2 (en) Air-cooled heat exchanger and system and method of using the same to remove waste thermal energy from radioactive materials
EP3848664A1 (en) Compact gas-gas heat exchange tube and manufacturing and use methods therefor
US3916990A (en) Gas turbine regenerator
CN102538516A (zh) 卧式固定管板式换热器及换热方法
CN114220569B (zh) 一种紧凑型球床高温气冷堆一回路装置
CN107966048A (zh) 一种冷却器
CN114413657A (zh) 一种矩阵式高温气体冷却器
CN112833686A (zh) 适用于航空发动机的扁管翅片空油换热器
CN109506497B (zh) 一种高效紧凑毛细管换热器
EP0533856B1 (en) Water tube boiler
CN111854498B (zh) 一种高温气体冷却器
CN202442617U (zh) 卧式固定管板式换热器
CN103471074A (zh) 一种紧凑式烟气余热回收蒸汽发生装置
CN209355731U (zh) 一种缠绕管式换热组件
RU2266493C1 (ru) Способ изготовления аппарата воздушного охлаждения газа
US3224502A (en) Finned envelope heat exchanger
CN113237248B (zh) 一种多层多头螺旋管型多级吸收式换热器
RU2394184C2 (ru) Утилизационный паровой котел сеня
CN216620752U (zh) 一种纯逆流管式换热器模块及模块组合式管式换热器
CN209857696U (zh) 一种缠绕管式毛细管换热器
CN113175763B (zh) 一种多层多头螺旋管型吸收式换热单元
RU2328682C1 (ru) Теплообменник
CN216205504U (zh) 换热管和换热器
CN113175764B (zh) 一种分区供热的螺旋管型吸收式换热器
CN216205421U (zh) 换热器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination