[发明专利]一种高温冷却器方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方形截面壳体结构及其设计方法，包括壳体外壁、换热管套管、壳体内壁和壳体冷却介质通道，壳体外壁通过换热管套管与壳体内壁相连，壳体外壁与壳体内壁具有间隙，所述间隙为壳体冷却介质通道，换热管套管内插接有换热管，所述换热管伸入壳体内壁中，壳体冷却介质通道内流动有冷却介质，本发明具有既能解决等长度换热管穿过壳体夹层，在壳体外完成冷却流体单元分配，又能解决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，有效降低成本的优点。

技术领域

本发明涉及换热器设计制造技术领域，尤其涉及一种大尺度方形截面(换热截面超过2m×2m)高温气体(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)、以及流体分配单元。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。

高焓(温)气体冷却器的壳体是换热器的主要部件之一，用于壳体的费用远比管子的花费高，为节省费用，标准工业换热器的壳体由于通常采用细长型式。但是对于大尺度高温气体冷却器而言，细长型式的壳体设计方法显然不能适用。主要表现在：一是传热强度的要求和安装空间限制了标准细长型壳体结构的使用；二是大的冷却截面要求较大尺寸的壳体结构具有较好的强度和刚度，这就要求板材需要足够厚，增加了金属用量，投资相应增大；三是高温气体引起的壳体壁面温度超过了壳体结构材料的许用温度，这种情况下材料的强度和刚度会降低；四是冷却器换热管内的流体分配单元需要在壳体外完成。这些因素的限制需要采用新的壳体结构设计方法来实现设计需求。

因此，针对以上不足，需要提供一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法，包括壳体外壁、换热管套管、壳体内壁和壳体冷却介质通道，壳体外壁通过换热管套管与壳体内壁相连，壳体外壁与壳体内壁具有间隙，所述间隙为壳体冷却介质通道，换热管套管内插接有换热管，所述换热管伸入壳体内壁中，壳体冷却介质通道内流动有冷却介质。

特别地，所述壳体内壁承受来自热流体的压力和壳体冷却通道内介质的压力；所述壳体外壁承受来自壳体冷却通道内介质的压力和外界环境压力。

特别地，所述壳体外壁与壳体内壁上开设有外径与换热管套管外径相同的孔，换热管套管插入所述孔内，换热管套管端头处开设有倒角，换热管套管开设倒角端分别与壳体外壁和壳体内壁通过角焊环焊缝进行连接。

特别地，所述壳体外壁和壳体外壁采用薄壁结构，壳体外壁和壳体外壁的厚度小于等于10mm。

特别地，所述换热管套管中部固连有柱状的支撑套，支撑套外径大于换热管套管外径，支撑套两端分别与壳体外壁和壳体内壁抵接。

特别地，所述支撑套中部开设有弧状的分流环槽，支撑套中部据换热管套管的轴线距离小于支撑套两侧据换热管套管的轴线距离。

本发明还提供了一种高温冷却器方形截面壳体结构及其设计方法，包括以下步骤：

根据工作环境下壳体结构的几何尺寸、受力情况和内筒热流体侧壁可能达到的最高温度参数确定壳体材料选择；

根据壳体结构的几何尺寸、以及壳体内、外壁受力和受热情况，计算确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及内、外壁材料的初始厚度，通过传热计算确定壳体结构材料维持在许用温度下的冷却介质用量和冷却效果；