CN109883240B - 一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法

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。

一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法，所述高温冷却器圆形截面壳体结构包括壳体内筒1、壳体外筒2、塞焊加强体3以及壳体冷却介质4；所述壳体内筒1内侧与热流体接触，外侧与壳体冷却介质4接触；所述壳体外筒2内侧与壳体冷却介质4接触，外侧与外界环境接触；所述壳体内筒1与壳体外筒2通过塞焊加强体3连接为一体。

特别的，所述壳体内筒1内侧承受来自热流体的压力，所述壳体内筒1外侧承受壳体冷却介质4的压力。

特别的，所述壳体外筒2内侧承受来自壳体冷却介质4的压力，所述壳体外筒2外侧承受外界环境压力。

特别的，在所述壳体外筒2上打孔(孔的大小依照焊接标准实施)，通过塞焊加强体3将壳体内筒1外侧与壳体外筒2内侧焊接在一起。

特别的，所述壳体内筒1和壳体外筒2均采用薄壁结构。

特别的，所述塞焊加强体3在壳体内筒1和壳体外筒2小壁厚条件下满足壳体的刚度和强度要求。

特别的，所述壳体内筒1外壁焊接有连接环5，连接环5开设有孔，塞焊加强体3穿过壳体外筒2插入连接环5上的孔，塞焊加强体3插入连接环5一端开设有锥面31，锥面31母线与塞焊加强体3侧边夹角为20度，锥面31外插接有铝环6，铝环6外端面与连接环5抵接。

特别的，塞焊加强体3位于壳体外筒2内的部分外套接有铁环7，铁环7为圆台状环，铁环7嵌入壳体外筒2内。

一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法，所述设计方法包含如下步骤：

根据工作环境下壳体结构的受力情况和壳体内筒内侧可能达到的最高温度参数选定壳体材料；

根据壳体结构受力情况，并考虑壳体材料受热情况，初步确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及壳体内筒和壳体外筒壁厚，通过传热计算确定壳体结构维持在许用温度下的冷却水用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体结构的强度和刚度分析结果，选择采用塞焊加强设计的型式，以板材最小厚度为目标函数，进一步优化分析，减小选用板材的厚度，降低金属的壳体结构和材料用量；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，通过强度和刚度设计校核设计结果直至结构定型；所述壳体结构包括壳体内筒结构和壳体外筒结构；

根据设计数据切割制作壳体内筒和壳体外筒的板材，并在壳体内筒上焊接连接环，之后在壳体外筒与连接环上开孔，之后将板材卷制成圆筒；

将壳体外筒套在壳体内筒外，并将壳体外筒和壳体内筒一端插接在开设有两个圆形槽的底座，使壳体外筒与壳体内筒轴线重合；

将插接上铝环的塞焊加强体插入连接环上的孔内，再将铁环插入壳体外筒内，之后进行焊接；

最后利用砂轮将塞焊加强体突出壳体外筒的部分及焊点突出壳体外筒的部分打磨掉，保证壳体外筒外壁光滑。

实施本发明的，具有以下有益效果：

本发明提出了一种高温冷却器圆形截面壳体薄壁夹层加强设计结构，实现大尺度(直径超过2m)高温气体(超过6000K)冷却器壳体结构刚度、强度、换热要求，从而解决高温气体冷却器壳体金属用量多，投资大，加工难，换热效果差，运行成本高等难题。

(1)结构简单，便于施工，仅通过增加塞焊加强设计可以在保证壳体结构使用强度和刚度的条件下有效减小壳体板材厚度，节约金属材料用量。如，对于长度4m，直径2m的高温冷却器壳体，采用该发明的结构加强设计方法，相同使用条件下，可将壳体的内壁厚度由44mm降低到10mm，节省金属材料约76％。

(2)通用性强，该发明方法不仅已广泛应用于各类大型高温换热器的壳体冷却结构设计，同时也适用于需要冷却设计的其它大直径高温管道设计。

(3)实现了大尺度高温换热器壳体的低成本制造、变形控制、高效换热和低成本运行。以直径2m圆筒壳体制造为例，将厚度10mm的金属板材卷制成直径2m圆筒的难度和成本，明显低于厚度44mm金属板材的卷制难度和成本。

附图说明

图1是本发明实施例一大尺度高温气体冷却器壳体局部侧视图；

图2是本发明实施例一大尺度高温气体冷却器壳体结构示意图；

图3是本发明实施例一大尺度高温气体冷却器壳体连接结构图。

图中：

1：壳体内筒；2：壳体外筒；3：塞焊加强体；31：锥面；4：壳体冷却介质；5：连接环；6：铝环；7：铁环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

设计原理：

根据工作环境下壳体结构的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；

根据壳体结构材料的受力和受热情况，初步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水用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体结构的强度和刚度分析结果，选择采用塞焊加强设计的型式，以板材最小厚度为目标函数，进一步优化分析，减小选用板材的厚度，降低金属用量；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，通过强度和刚度设计校核设计结果直至结构定型。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种高温冷却器圆形截面壳体结构及其设计方法，所述高温冷却器圆形截面壳体结构包括壳体内筒1、壳体外筒2、塞焊加强体3以及壳体冷却介质4；所述壳体内筒1内侧与热流体接触，外侧与壳体冷却介质4接触；所述壳体外筒2内侧与壳体冷却介质4接触，外侧与外界环境接触；所述壳体内筒1与壳体外筒2通过塞焊加强体3连接为一体，提高了壳体的整体强度与刚度。

所述壳体内筒1内侧承受来自热流体的压力，所述壳体内筒1外承受冷却介质4的压力。

所述壳体外筒2内侧承受来自壳体冷却介质4的压力，所述壳体外筒2外侧承受外界环境压力。

在所述壳体外筒2上打孔(孔的大小依照焊接标准实施)，通过塞焊加强体3将壳体内筒1外侧与壳体外筒2内侧焊接在一起，起到局部加强的作用。

所述壳体内筒1和壳体外筒2均采用薄壁结构。首先，该薄壁结构减小了加工难度，降低了加工成本。其次，该薄壁结构减小了热流体侧壁面向壳体冷却介质4侧的传热时间，提高了传热效率，有利于控制壳体内筒1的壁温保持在安全温度范围内。最重要的是，采用薄壁结构，有利于在主体设备停止运行后，在较短时间内使壳体结构的温度达到常温，减小了壳体冷却介质4输运系统的运行时间，降低了设备运行成本。最后，采用薄壁结构易于实现焊接的变形控制。例如，对于长度4m，直径2m的高温冷却器壳体，采用本发明的结构加强设计方法，相同使用条件下，可将壳体的内壁厚度由44mm降低到10mm，节省金属材料约76％。

所述塞焊加强体3在壳体内筒1和壳体外筒2小壁厚条件下满足壳体的刚度和强度要求，从而减少了壳体内筒1和壳体外筒2的金属材料用量，降低了投资成本。另外塞焊加强体3保证了壳体内筒1和壳体外筒2之间连接可靠，避免水压试验时拉脱破坏。

所述塞焊加强体3在焊接过程中采用跳跃间断焊技术，可以减小大尺度通体在焊接过程中产生的变形。

所述塞焊加强体3的周向相邻塞焊点距离D1和轴向相邻塞焊点之间的距离D2需要考虑壳体内筒和壳体外筒材料和壁厚确定。

如图2和图3所示，所述壳体内筒1外壁焊接有连接环5，连接环5为钢制长杆经卷制形成的圆环，连接环5开设有孔，因连接环5在卷曲时，孔也随之变形，则在连接环5卷曲成环时，所述孔型为圆台状；塞焊加强体3为钢制柱状块，塞焊加强体3外径小于壳体外筒2和连接环5上的孔径，塞焊加强体3穿过壳体外筒2插入连接环5上的孔，塞焊加强体3插入连接环5一端开设有锥面31，锥面31母线与塞焊加强体3侧边夹角θ为20度，锥面31外插接有铝环6，铝环6内环截面为圆台状，铝环6外环截面为长方形，铝环6外端面与连接环5过盈配合。

通过设置连接环5并使塞焊加强体3插入连接环5内，可避免壳体外筒1与壳体内筒2在轴线方向上发生相对位移；在塞焊加强体3开设锥面31可使塞焊加强体3能插入连接环5内，同时配合铝环6，利用铝环6的优良的可塑性填补塞焊加强体3与连接环5之间的空隙，使塞焊加强体3与连接环5稳定连接，并在进行之后的焊接工作时，塞焊加强体3将高温传导至铝环6处，铝材熔点比铁低，则铝环6溶化进一步填充塞焊加强体3与连接环5之间的空隙，配合塞焊加强体3受热膨胀变形，使塞焊加强体3与连接环5固定稳定。

如图2和图3所示，塞焊加强体3位于壳体外筒2内的部分外套接有铁环7，铁环7为圆台状环，铁环7嵌入壳体外筒2内，铁环7外端面与壳体外筒2外端面之间具有间隙；在安装塞焊加强体3后，因壳体外筒2的孔径大于塞焊加强体3的外径，此时插入铁环7可稳定塞焊加强体3的位置，使塞焊加强体3的轴线能与壳体外筒2的径向方向重合，保证塞焊加强体3能稳定支撑壳体外筒2；同时在焊接时，能使塞焊加强体3与壳体外筒2紧密配合，以使焊接工作能够顺利进行，并使铁环7与壳体外筒2之间留有间隙，使焊点能流入间隙内，减少焊点外露壳体外筒2上的量，降低后续打磨工作的难度。

实施例二

本申请的另一个技术方案是一种高温冷却器圆形截面壳体结构设计方法，所述设计方法包含如下步骤：

根据工作环境下壳体结构的受力情况和壳体内筒内侧可能达到的最高温度参数选定壳体材料选择；

根据壳体结构受力情况，并考虑壳体材料受热情况，初步确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及壳体内筒和壳体外筒壁厚，通过传热计算确定壳体结构维持在许用温度下的冷却水用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体结构的强度和刚度分析结果，选择采用塞焊加强设计的型式，以板材最小厚度为目标函数，进一步优化分析，减小选用板材的厚度，降低金属壳体材料用量；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，通过强度和刚度设计校核设计结果直至结构定型；所述壳体结构包括壳体内筒结构和壳体外筒结构；

根据设计数据切割制作壳体内筒和壳体外筒的板材，并在壳体内筒上焊接连接环，之后在壳体外筒与连接环上开孔，之后将板材卷制成圆筒；

将壳体外筒套在壳体内筒外，并将壳体外筒和壳体内筒一端插接在开设有两个圆形槽的底座，使壳体外筒与壳体内筒轴线重合；

将插接上铝环的塞焊加强体插入孔内，再将铁环插入壳体外筒内，之后进行焊接；

最后利用砂轮将塞焊加强体突出壳体外筒的部分及焊点突出壳体外筒的部分打磨掉，保证壳体外筒外壁光滑。

综上所述，本发明结构简单，便于施工，仅通过增加塞焊加强设计可以在保证壳体结构使用强度和刚度的条件下有效减小壳体板材厚度，节约金属材料用量。例如，对于长度4m，直径2m的高温冷却器壳体，采用该发明的结构加强设计方法，相同使用条件下，可将壳体的内壁厚度由44mm降低到10mm，节省金属材料约76％。

其次，本发明通用性强，本发明方法不仅可广泛应用于各类大型高温换热器的壳体冷却结构设计，同时也适用于需要冷却设计的其它大直径高温管道设计。

从而，实现了大尺度高温换热器壳体的低成本制造、变形控制、高效换热和低成本运行。以直径2m圆筒壳体制造为例，将厚度10mm的金属板材卷制成直径2m圆筒的难度和成本，明显低于厚度44mm金属板材的卷制难度和成本。

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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高温冷却器圆形截面壳体结构，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(1)、壳体外筒(2)、塞焊加强体(3)以及壳体冷却介质(4)；

所述壳体内筒(1)内侧与热流体接触，外侧与壳体冷却介质(4)接触；

所述壳体外筒(2)内侧与壳体冷却介质(4)接触，外侧与外界环境接触；

所述壳体内筒(1)与壳体外筒(2)通过塞焊加强体(3)连接为一体；

所述壳体内筒(1)外壁焊接有连接环(5)，连接环(5)开设有孔，塞焊加强体(3 )穿过壳体外筒(2)插入连接环(5)上的孔，塞焊加强体(3)插入连接环(5)一端开设有锥面(31)，锥面(31)母线与塞焊加强体(3)侧边夹角为20度，锥面(31)外插接有铝环(6)，铝环(6)外端面与连接环(5)抵接。

2.根据权利要求1所述的一种高温冷却器圆形截面壳体结构，其特征在于：所述壳体内筒(1)内侧承受来自热流体的压力，所述壳体内筒(1)外侧承受壳体冷却介质(4)的压力。

3.根据权利要求1所述的一种高温冷却器圆形截面壳体结构，其特征在于：所述壳体外筒(2)内侧承受来自壳体冷却介质(4)的压力，所述壳体外筒(2)外侧承受外界环境压力。

4.根据权利要求1所述的一种高温冷却器圆形截面壳体结构，其特征在于：在所述壳体外筒(2)上打孔，通过塞焊加强体(3)将壳体内筒(1)外侧与壳体外筒(2)内侧焊接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种高温冷却器圆形截面壳体结构，其特征在于：所述壳体内筒(1)和壳体外筒(2)均采用薄壁结构。

6.根据权利要求1所述的一种高温冷却器圆形截面壳体结构，其特征在于：所述塞焊加强体(3)在壳体内筒(1)和壳体外筒(2)薄壁条件下满足壳体的刚度和强度要求。

7.根据权利要求1所述的一种高温冷却器圆形截面壳体结构，其特征在于：塞焊加强体(3)位于壳体外筒(2)内的部分外套接有铁环(7)，铁环(7)为圆台状环，铁环(7)嵌入壳体外筒(2)内。

8.一种高温冷却器圆形截面壳体结构设计方法，其特征在于，所述设计方法包含如下步骤：

根据工作环境下壳体结构的受力情况和壳体内筒内侧可能达到的最高温度参数选定壳体材料；

根据壳体结构受力情况，并考虑壳体材料受热情况，初步确定壳体结构采用夹层水冷的结构型式以及壳体内筒和壳体外筒壁厚，通过传热计算确定壳体结构维持在许用温度下的冷却水用量和冷却效果；

根据初步确定的壳体结构的强度和刚度分析结果，选择采用塞焊加强设计的型式，以板材最小厚度为目标函数，进一步优化分析，减小选用板材的厚度，降低金属的壳体结构和材料用量；

根据已经优化确定的壳体结构冷却设计型式，通过强度和刚度设计校核设计结果直至结构定型；

根据设计数据切割制作壳体内筒和壳体外筒的板材，并在壳体内筒上焊接连接环，之后在壳体外筒与连接环上开孔，之后将板材卷制成圆筒；

将壳体外筒套在壳体内筒外，并将壳体外筒和壳体内筒一端插接在开设有两个圆形槽的底座，使壳体外筒与壳体内筒轴线重合；

将插接上铝环的塞焊加强体插入连接环上的孔内，再将铁环插入壳体外筒内，之后进行焊接；

最后利用砂轮将塞焊加强体突出壳体外筒的部分及焊点突出壳体外筒的部分打磨掉，保证壳体外筒外壁光滑。