[发明专利]一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法

说明书

本发明涉及一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法，其特征在于：所述高温冷却器圆形截面壳体结构包括壳体内筒、壳体外筒、塞焊加强体以及壳体冷却介质；所述壳体内筒与壳体外筒通过塞焊加强体连接为一体。解决了大尺度(直径超过2m)高温气体(超过6000K)冷却器壳体结构设计中，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；采用薄壁加强结构设计的壳体可有效降低热流体侧壁与壳体冷却介质侧壁的温差，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壳体冷却介质附属系统的运行时间，降低了设备运行成本。

技术领域

本发明涉及换热器设计制造技术领域，尤其涉及一种直径超过2m大尺度高温气体(温度超过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)和流体分配单元。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。对于大尺度(直径超过2m)的高温气体冷却器壳体采用夹层水冷结构设计时，为保证壳体内外壁的刚度和强度，厚壁结构设计会带来金属材料用量增加，换热效果不理想，加工难度增大，特别是厚壁卷板难度大于薄壁卷板难度。现有技术中存在如下缺陷：

(1)、现有换热器标准仅适用于换热流体温度低于2000K条件下的壳体结构设计，对于换热流体超过6000K的流体设备壳体结构设计没有相关标准和方法。

(2)、采用厚壁结构虽然可以保证壳体承力结构的刚度和强度要求，对于大尺度(直径或换热截面超过2m)的高温气体冷却器壳体金属材料用量显著增加，增大了投资成本，同时增加了加工难度。

(3)、采用厚壁结构，电弧风洞设备长时间运行过程中，热流体侧的壁面温度显著高于壳体冷却介质侧壁面的温度，相同温差条件下厚壁结构产生的热应力大于薄壁结构引起的热应力，易引起壳体结构破坏。

(4)、采用厚壁结构，为尽快降低壳体温度，在电弧风洞设备停止运行后，需要继续长时间提供壳体冷却介质冷却，增加了设备运行成本。

因此，针对以上不足，需要提供一种采用薄壁结构加强设计方法，在保证壳体刚度和强度的前提下，可显著降低金属材料用量，提高壳体壁面换热效果，减小加工难度，降低运行成本。

(1)壳体内筒1和壳体外筒2采用薄壁结构可以有效减小金属材料用量。

(2)点状分布的塞焊加强3可以保证壳体结构的整体强度和刚度要求。

(3)壳体内筒1和壳体外筒2采用薄壁结构可以减小筒体的加工难度，易于实现变形控制。

(4)塞焊加强3要保证壳体内筒1和壳体外筒2之间连接可靠，避免水压试验时拉脱破坏。

(5)壳体内筒1和壳体外筒2之间设置壳体冷却介质4通道，薄壁结构可以提高换热效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种大尺度高温气体冷却器壳体结构及其设计方法,能够解决大尺度(直径超过2m)高温气体(超过6000K)冷却器壳体结构设计中，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；采用薄壁加强结构设计的壳体可有效降低热流体侧壁与壳体冷却介质侧壁的温差，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壳体冷却介质附属系统的运行时间，降低了设备运行成本。

为了解决上述技术问题，本发明在传统换热器壳体设计基础上，提出了一种新的结构设计方法。