一种高温冷却器管束结构及高温冷却器的制作方法

本发明涉及冷却器技术领域，尤其涉及一种高温冷却器管束结构。

背景技术：

高温冷却器是电弧风洞中最重要的热交换系统，目前，常规工业标准冷却器通常采用单一型式的等管径管束布置方式，但是对于高温冷却器而言，该布置方式显然不能适用。主要原因有：一是电弧风洞高温气体最高焓值可达到30mj/kg(温度可超过6000k)，对前级管束(靠近扩压器出口位置)需要特别设计以防止冷却管束过热失效；二是采用现有的管束布置方案在实现冷却器总传热面积的条件下，不容易做到各级冷却器换热分配均匀，总换热效率最高；三是在电弧风洞设备布局中，高温冷却器的安装空间的限制，现有管束布置方式并不能保证完全实现总传热面积的布置；四是电弧风洞的启动与运行对冷却器的压降有特殊要求，但现有管束布置方式为保证总传热面积，会采的过密管束布置，从而会影响电弧风洞的正常启动和运行。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种高温冷却器管束结构，以解决上述中至少一个问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种高温冷却器管束结构，包括多个换热段，所述多个换热段根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热段至第n换热段，在所述第一换热段至第n换热段中，每个所述换热段包括一换热段壳体，在所述换热段壳体内至少设有一个换热管束部，相邻的所述换热段通过各自的换热段壳体连接固定，每个所述换热部均为横掠叉排管束结构；

多个换热段壳体根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热段壳体至第n换热段壳体；

多个换热管束部根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热束部至第m换热管束部，m≥n；

其中，所述第一换热管束部至第m换热管束部的换热管为光管，且直径依次减小，所述第m+1换热管束部至第m换热管束部的换热管均为翅片管，且所述翅片管的基管直径不大于所述第m+1换热管束部的换热管直径。

优选地，每个所述换热段壳体的端面设有法兰，相邻的两个所述换热段壳体通过法兰连接。

优选地，每个所述换热段壳体的外侧均设有支撑座。

优选地，所述第一换热管束部至第m换热管束部的管束布置密度依次增加。

优选地，包括四个换热段，根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热段、第二换热段、第三换热段和第四换热段；

其中，所述第一换热段内设有两个换热管束部，所述第二换热段和第三换热段内分别设有一个换热管束部，所述四换热段内设有两个换热管束部，根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热管束部、第二换热管束部、第三换热管束部、第四换热管束部、第五换热管束部和第六换热管束部；

所述第一换热管束部至第三换热管束部的换热管为光管，且直径依次减小，所述第四换热管束部至第六换热管束部的换热管均为翅片管，且所述翅片管的基管直径不大于所述第三换热管束部的换热管直径。

本发明还提供了一种高温冷却器，包括上述任一种所述的高温冷却器管束结构。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的高温冷却器管束结构通过不同管径的换热管束部以及与翅片管组成的管束部组合串联布置，既有利于防止高焓气流引起的换热管过热失效，又有利于实现各级热负荷的均匀分配，同时在有限空间范围内获得最大传热面积布置，并且结构简单。

另外，高温冷却器管束结构通过分段组合的结构，不但方便组装维护，而且可以根据需要将不同数量的具有不同管径的换热管束部的换热段与不同数量的具有翅片换热管的换热段进行组合，有利于提高换热效率，在保证换热的前提下，能够避免管束布置过密，减小压降。

进一步地，高温冷却器管束结构不会影响扩压器的性能和冷却器内部的流动与传热，提高了电弧风洞设备运行的可靠性和稳定性，并且适用于大温差条件下各种型式的管式叉排冷却器管束支撑装置的过热防护。

附图说明

本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例中高温冷却器的管束结构示意图；

图2是本发明实施例中换热管束部的布置示意图。

图中：1：第一换热段；11：第一换热段壳体；12：第一换热管束部；13：第二换热管束部；2：第二换热段壳体；21：第二换热段壳体；22：第三换热管束部；3：第三换热段；31：第三换热段壳体；32：第四换热管束部；4：第四换热段；41：第四换热段壳体；42：第五换热管束部；43：第六换热管束部；5：法兰；6：支撑座。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，还需要说明的是，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。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供的高温冷却器管束结构，包括多个换热段，该多个换热段根据接触高焓气体的行后顺序依次为第一换热段至n换热段。根据换热要求，在不同地实施方式中，n的取值可以不同，优选地n≥3，例如，可以为3、4、5、6、7或8等，具体地数值在此不作限定。

在第一换热段至第n换热段中，每个换热段包括一换热段壳体，在换热段壳体内至少设有一个换热管束部，例如，在不同的实施方式中，一个换热段壳体中，可以设置一个换热管束部，也可以设置两个或三个换热管束部，具体数量在此不作限定。相邻的换热段通过各自的换热段壳体连接固定，每个换热部均为横掠叉排管束结构。

其中，多个换热段壳体根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热段壳体至第n换热段壳体。

其中，多个换热管束部根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热束部至第m换热管束部，m≥n。

其中，第一换热管束部至第m换热管束部的换热管为光管(外表面无翅片等扩展结构的管)，且直径依次减小，第m+1换热管束部至第m换热管束部的换热管均为翅片管，且所述翅片管的基管(不包含翅片部分的基管部)直径不大于所述第m换热管束部换热管的直径，需要说明的是该实施方式中m、m之间有关系为：m>m≥2，也就是说高温冷却器管束结构中至少要有一个由翅片管组成的换热管束部和两个由光管组成的换热管束部，也就是说在此实施方式中n大于等于3。

根据换热要求的不同，在不同地实施方式中，m的取值可以不同，但是要m要大于n，也就是说，每个换热段内至少包括一个换热管束部。例如，当n为4时，则相对应的m至少为5，当然也可以是6、7、8或9等。

在一个具体地实施方式中，如图1所示，高温冷却器管束结构包括四个换热段，根据接触高焓气体的先后顺序依次为第一换热段1、第二换热段2、第三换热段3和第四换热段4。

其中，第一换热段1包括第一换热段壳体11以及设置在第一换热段壳体11内的第一换热管束部12和第二换热管束部13，第一换热管束部12和第二换热管束部13的换热管均采用气体横掠叉排管束布置方式，并且第一换热管束部12的换热管直径大于第二换热管束部13的换热管直径。

第二换热段2包括第二换热段壳体21以及设置在第二换热段壳体21内的第三换热管束部22，第三换热管束部22的换热管同样采用气体横掠叉排管束布置方式，并且第三换热管束部22的换热管直径小于第二换热管束部13的换热管直径。第二换热段壳体21的一端与第一换热端壳体21的一端同轴连接，从而实现第一换热段1和第二换热段2连接固定。

第三换热段3包括第第三换热段壳体31以及设置在第三换热段壳体31内的第四换热管束部32。第四换热段4包括第四换热段壳体41以及设置在第四换热段壳体41内的第五换热管束部42和第六换热管束部43。第四换热管束部32、第五换热管束部42和第六换热管束部43的换热管均采用翅片管，并且翅片管的基管直径小于第三换热管束部42的换热管的直径。第三换热段壳体31的一端与第二换热段壳体21同轴连接，第四换热段壳体41的一端与第三换热段壳体31的另一端同轴连接，从而实现第一换热段1、第二换热段2、第三换热段3和第四换热段4的连接固定。

各个管束部的换热管布置可参考图2所示，其中，s1为管束间距，s2为管排间距，sd为管心距，d为换热管直径(翅片管的基管直径)。在一些实施方式中，根据换热和流动的要求，管束间距、管排间距、管心距和换热管直径可以根据需要进行调节。

使用时，高焓气体依次从第一换热段1、第二换热段2、第三换热段3和第四换热段4穿过，即依次经过第一换热管束部12、第二换热管束部13、第三换热管束部22、第四换热管束部32、第五换热管束部42和第六换热管束部43进行换热，从而使高焓气体变为常温气体。

本实施例的高温冷却器管束结构通过不同管径的换热管束部以及与翅片管组成的管束部组合串联布置，既有利于防止高焓气流引起的换热管过热失效，又有利于实现各级热负荷的均匀分配，同时在有限空间范围内获得最大传热面积布置，并且结构简单。

另外，本实施例的高温冷却器管束结构通过分段组合的结构，不但方便组装维护，而且可以根据需要将不同数量的具有不同管径的换热管束部的换热段与不同数量的具有翅片换热管的换热段进行组合，有利于提高换热效率，在保证换热的前提下，能够避免管束布置过密，减小压降。

进一步地，本实施例的高温冷却器管束结构不会影响扩压器的性能和冷却器内部的流动与传热，提高了电弧风洞设备运行的可靠性和稳定性，并且适用于大温差条件下各种型式的管式叉排冷却器管束支撑装置的过热防护。

在一些优选地实施方式中，如图1所示，在每个换热段壳体的两端均设置法兰5，其中第一换热段壳体11的一端通过端面的法兰5与电弧风洞的扩压器的出口连接，第二换热段壳体21通过法兰5与第一换热段壳体11的另一端的法兰5连接，同样，第三换热段壳体31和第四换热段壳体41也通过各自端面的法兰5实现连接。

在一些优选地实施方式中，每个换热段壳体的外侧均设有支撑座6，在组装时，将支撑座6设置在同一侧，以直到共同支撑的作用。当然，也可以在达到支撑要求的情况下间隔设置支撑座6，例如，在第一换热段壳体11和第三换热段壳体31的外侧设置支撑座6，或者在第一换热段壳体11和第四换热段壳体31的外侧设置支撑座6，在此不再一一举例。

在一些优选地实施方式中，在第一换热管束部至第三换热管束部中，随着换热管束部的换热管径的减小，第一换热管束部至第三换热管束部的管束密度可以依次增加，该实施方式的高温冷却器管束结构最先接触高焓气体的第一换热管束部12和第二换热管束部13的换热管采用相对较大直径的光管设计，有效增大了换热管迎风受热面积，降低了壁面平均热流密度，有利于在高焓条件下控制换热因过高的壁温过热失效；第三换热管束部22采用小于第二换热管束部13的直径的光管设计，管束布置密度相对地大于第一换热管束部12和第二换热管束部13的管束布置密度，有利于在中等焓值条件下提高换热量；第四换热管束部32、第五换热管束部42和第六换热管束部43采用扩展表面的翅片管的设计，增加了传热面积，有利于在低焓条件下强化传热，增加换热量。

需要说明的是，本实施例中高温冷却器管束结构也可以应用在截面为圆形的卧室换热(冷却)器，也适用于方形截面的换热(冷却)器。

当然，在其它一些实施方式中，根据换热和流动需求，采用光管换热管的换热管束部与采用翅片换热管的换热管束部之间的数量组合可以变换，例如，两个采用光管换热管的换热管束部与三个采用翅片换热管的换热管束部组合，或者三个采用光管换热管的换热管束部与四个采用翅片换热管的换热管束部组合，具体地数量组合在此不作限定。

本实施例还提供了一种包括上述任一种高温冷却器管束结构的高温冷却器，用于电弧风洞上进行换热。

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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，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。