一种蓄热式加热器的压力承载容器的制作方法

[0001]
本发明涉及压力承载容器，特别涉及用于蓄热式加热器的压力承载容器，可应用于超燃冲压直连试验台的高温纯净空气试验系统和其它蓄热式加热器系统中。


背景技术：

[0002]
蓄热式加热器工作基本原理为：通过高温燃气对蓄热材料加热，将蓄热材料温度由常温(300k)加热至2000k，然后关闭高温燃气，从底部通入空气，利用蓄热材料将空气从常温(300k)加热至1800k以上。
[0003]
国外蓄热式加热器的研制与应用主要集中在美国(如nasa、ase公司和aedc)、法国和日本(nal)等，早在20世纪60-70年代美国ase就开始了这类加热器的传热分析、材料开发和设计技术研究。迄今为止，国外先后研制了30余套蓄热式加热系统，其中比较典型的有美国aedc的9#风洞、nasa格林研究中心的高超声速风洞设备htf、日本防卫厅研究开发局的rjtf、法国空间局的4风洞等。
[0004]
蓄热式加热器主要包括耐火材料蓄热体、隔热材料、加热器壳体以及外围辅助设施等，加热器壳体作为整体耐火材料盛装结构和其它系统对接，需适应耐火材料的结构布局、传热特性和膨胀特性，保持和耐火材料、其它设备的紧密可靠连接，具有可靠的强度和支撑固定方式。由于内部耐火材料布局的影响，加热器壳体可能存在温度分布不均，致使局部出现热应力集中，在高压使用时，可能会影响压力容器使用寿命和出现破坏等危险。
[0005]
同时，蓄热式加热器研制过程中，需要考虑加热器壳体内隔热层、蓄热体的支撑，并且要求该支撑结构能够加热器底部提供合理气体流道。
[0006]
根据蓄热式加热器的工作机理可知加热器底部气体流道主要作用于两个阶段：一是在预热阶段，经过与蓄热体换热后的预热燃气提供收缩出口段，该过程持续时间达数天之久，蓄热体形成温度梯度后，底部温度逐步升高，因此，炉体底座需满足热环境下的力学性能要求；
[0007]
二是在增压阶段以及正式工作阶段时，为常温高压试验空气从小流通面积扩张到蓄热体流通通道提供过渡扩张段，常温高压空气在入口处的流场形态直接影响空气在蓄热体中的换热结果，会对整个试验结果的造成很大的影响。
[0008]
因此，需要根据特殊工作特性设计适用于蓄热式加热器的压力承载容器。
[0009]
发明的内容
[0010]
本发明的技术解决问题是：提供了一种蓄热式加热器的压力承载容器，特殊的容器构型设计适应了耐火材料安装固定和连接需求，构成蓄热式加热器的外壳容器，通过设置水冷夹套保证压力承载容器工作在许可温度范围内，避免工作过程中的热应力破坏，同时特殊的支撑结构设计和连接方式，使壳体内结构定位明确、施工便捷，有效保证了气流流通和均匀性，防止长时间烘炉过程中的热应力集聚。
[0011]
本发明的技术解决方案是：提供了一种蓄热式加热器的压力承载容器，包括外壳体、燃气出口三通配对法兰、高温空气出口配对法兰、燃烧器配对法兰、水冷夹套组件、测温
法兰以及底部支撑结构；
[0012]
外壳体包括顶部锥形封头、中间圆柱筒体以及底部球状封头；
[0013]
顶部锥形封头的小径端为燃气入口，其上通过止口配合安装有燃烧器配对法兰；顶部锥形封头的大径端与中间圆柱筒体上端连接；
[0014]
底部球状封头的下端设有燃气出口，其上通过止口配合安装有燃气出口三通配对法兰，底部球状封头的上端与中间圆柱筒体下端连接；
[0015]
中间圆柱筒体侧壁上且靠近顶部锥形封头大径段的位置处设置高温空气出口管，高温空气出口管上通过止口配合安装有高温空气出口配对法兰；
[0016]
水冷夹套组件包括顶部水冷夹套、中部水冷夹套、底部水冷夹套以及高温空气出口水冷夹套；
[0017]
顶部水冷夹套包覆于顶部锥状封头外侧；中部水冷夹套包覆于隔热层耐火材料预留的膨胀缝对应的中间圆柱筒体外侧；底部水冷夹套包覆于底部支撑结构对应的外壳体外侧；高温空气出口水冷夹套包覆于高温空气出口管的外侧；
[0018]
测温法兰包括轴向测温法兰以及周向测温法兰；
[0019]
轴向测温法兰为多个，沿着中间圆柱筒体轴向分别设置于中间圆柱筒体的外壁上；
[0020]
周向测温法兰为多个，沿着中间圆柱筒体圆周方向设置于中间圆柱筒体的外壁上，且位于中间圆柱筒体的中部；
[0021]
底部支撑结构位于底部球状封头内，用于承载加热器的蓄热体、隔热层，同时用于提供均匀的气流通道。
[0022]
进一步地，上述压力承载容器还包括设置于中间圆柱筒体内壁上且靠近顶部锥形封头一侧的上锚固件组，以及设置于中间圆柱筒体内壁上且对应隔热层耐火材料预留的膨胀缝下方的下锚固件组；
[0023]
上锚固件组和下锚固件组均包括沿圆周方向均匀焊接在中间圆柱筒体内壁上的多个锚固件，且每个锚固件均镶嵌于耐火材料内；
[0024]
锚固件为支撑筋板结构，整体呈等腰直角三角形，钣金三个角均按直角三角形切除。
[0025]
进一步地，上述压力承载容器还包括固定于中间圆柱筒体外壁上，且位于高温出口管下方的多个耳式支座；多个耳式支座沿圆周方向均匀分布；
[0026]
每个耳式支座由竖直板、水平板以及倾斜肋板组成；竖直垫板焊接于中间圆柱筒体外壁上，水平板垂直固连于竖直板上，且水平板上开设螺栓孔；倾斜肋板固连于竖直板和水平板之间。
[0027]
进一步地，所述底部支撑结构包括耐热钢固定层、纤维捣打密封料层、耐火浇注层以及支撑板组件；
[0028]
耐热钢固定层同轴设置于底部球状封头的燃气出口内，作为蓄热式加热器的富氧燃气排放通道和高压空气减速扩压通道；耐热钢固定层包括自下而上依次设置的圆柱管段以及圆锥台过渡管段；
[0029]
纤维捣打密封料层呈圆柱筒体结构，同轴紧密包覆于所述耐热钢固定层的圆柱管段外部；
[0030]
耐火浇注层设置于纤维捣打密封料层外表面、耐热钢固定层的圆锥台过渡管段外表面、以及底部球状封头内壁之间构成的空间内，且耐火浇注层的上表面中部设有凹坑，用于放置支撑板组件；
[0031]
支撑板组件上包括沿轴向设置的多个气流通孔构成的气流通孔阵列，且所述气流通孔阵列中气流通孔分布方式与被支撑的空心砖蓄热体的通孔阵列中通孔的分布方式一致。
[0032]
进一步地，耐热钢固定层的圆锥台过渡管段大径端的截面面积大于或等于支撑板组件上气流通孔阵列覆盖面积；耐热钢固定层的圆锥过渡管段的扩张角度≤30
°
。
[0033]
进一步地，为了防止了长时间烘炉过程的热应力集聚，同时为了便于加工和安装，支撑板组件采用双层结构，包括上支撑板和下支撑板依次叠加安装而成；
[0034]
上支撑板和下支撑板上均设有气流通孔阵列；上支撑板和下支撑板的直径和厚度均相同，且直径为空心砖蓄热体直径的2倍，下支撑板的气流通孔直径和空心砖蓄热体中通孔直径一致，上支撑板的气流通孔为空心砖蓄热体中通孔直径的1.1～1.25倍，从而能够有效地实现气流均匀性，同时控制气流流阻。
[0035]
进一步地，上支撑板和被支撑的空心砖蓄热体之间通过至少一个定位销钉实现连接；上支撑板和下支撑板之间通过至少一个定位销钉实现连接。
[0036]
进一步地，为了便于在加热器的外壳体内施工，上支撑板和下支撑板上均开设有沿圆周方向均匀分布的多个吊装孔。
[0037]
进一步地，为了确保密封性，燃气入口与燃烧器配对法兰之间，燃气出口与燃气出口三通配对法兰之间，以及高温空气出口管与高温空气出口配对法兰之间均设有密封垫。
[0038]
进一步地，为了确保该结构有足够的高温强度和良好抗热震性能，上述外壳体整体采用碳钢q345r制作，表面涂刷耐高温防锈漆或涂料，耐温不低于400℃，耐热钢固定层、上支撑板和下支撑板的材料均选用0cr25ni20，耐火浇注层采用铝硅系材料制作。
[0039]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0040]
(1)本发明的蓄热式加热器的压力承载容器，通过设置底部支撑结构对加热器内的隔热层和蓄热体进行支撑，耐热钢固定层采用圆柱管段和圆锥台过度管段构成，作为蓄热式加热器的富氧燃气排放通道和高压空气减速扩压通道，压力容器钢壳体底部采用球状结构，纤维捣打密封料层同轴紧密包覆于所述耐热钢固定层的圆柱管段外部，耐火浇注层固化在耐热钢固定层和压力容器钢壳体之间，支撑板组件镶嵌在耐火浇注层中心位置，并且支撑板组件开设有与被支撑的空心砖蓄热体的通孔阵列一致的气流通孔阵列，从而不仅为加热器内的空心砖蓄热体和隔热层提供了稳固的承重结构，同时形成了均匀合理的气流通道，有效避免了粉尘污染，且支撑结构紧凑、结构强度高、使用寿命长。
[0041]
(2)本发明的蓄热式加热器的压力承载容器，通过在底部支撑结构、膨胀缝位置和顶部锥状封头、高温空气出口管处设置水冷夹套，保证压力承载容器整体工作在许可温度范围内，容器各部位温度均匀，避免增压工作过程中的局部热应力过大而造成破坏。
[0042]
(3)本发明的蓄热式加热器的压力承载容器，设置有上锚固件组以及下锚固件组，可将耐火材料和外壳体结构连接，为隔热层耐火材料预留的膨胀缝对应区域的结构以及顶部锥形封头内部结构提供了可靠支撑。
[0043]
(4)本发明的蓄热式加热器的压力承载容器，通过耳式支座悬挂在井字型基础钢
梁，承受蓄热式加热器数十吨重量，便于系统对接安装，保证系统的运行安全、可靠工作。
附图说明
[0044]
图1为本发明的结构示意图；
[0045]
图2为周向测温法兰的布局图；
[0046]
图3为底部支撑结构安装于底部球状封头的剖视图；
[0047]
图4为支撑板组件的结构图。
[0048]
附图标记如下：
[0049]
1-外壳体、2-燃气出口三通配对法兰、3-高温空气出口配对法兰、4-燃烧器配对法兰、5-水冷夹套组件、6-上锚固件组、7-下锚固件组、8-耳式支座、9-测温法兰、10-底部支撑结构、11-顶部锥形封头、12-中间圆柱筒体、13-底部球状封头、14-燃气入口、15-燃气出口、16-高温空气出口管、17-顶部水冷夹套、18-中部水冷夹套、19-底部水冷夹套、20-高温空气出口水冷夹套、21-耐热钢固定层、211-圆柱管段、212-圆锥台过渡管段、22-纤维捣打密封料层、23-耐火浇注层、24-支撑板组件、241-上支撑板、242-下支撑板、243-定位销钉、25-隔热层、26-空心砖蓄热体、27-气流通孔阵列、28-吊装孔、29-吊钩、30-锚固件、31-凹坑。
具体实施方式
[0050]
下面将结合附图对本发明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有没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。
[0051]
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。
[0052]
实施例
[0053]
本实施提供了一种蓄热式加热器的压力承载容器的具体结构，用于装载空心砖蓄热体和隔热层耐火材料，如图1所示，包括外壳体1、燃气出口三通配对法兰2、高温空气出口配对法兰3、燃烧器配对法兰4、水冷夹套组件5、上锚固件组6、下锚固件组7、耳式支座8、测温法兰9以及底部支撑结构10；
[0054]
外壳体
[0055]
如图1所示，外壳体1由顶部锥形封头11、中间圆柱筒体12以及底部球状封头13组成；本实施例中外壳体1整体采用碳钢q345r制作，表面涂刷耐高温防锈漆或涂料，耐温不低于400℃，具体结构包括：顶部锥形封头11的小径端为燃气入口14，其上通过止口配合安装有燃烧器配对法兰4(燃烧器配对法兰4用来连接富氧燃烧器，用作蓄热式加热器预热热源入口)；顶部锥形封头11的大径端与中间圆柱筒体12上端连接；
[0056]
底部球状封头13的下端设有燃气出口15，其上通过止口配合安装有燃气出口三通配对法兰2(燃气出口三通配对法兰2通过三通转接头分别连接高压常温空气入口和燃气排放出口连通)，底部球状封头13的上端与中间圆柱筒体12下端连接；
[0057]
中间圆柱筒体12侧壁上且靠近顶部锥形封头11大径段的位置处设置高温空气出
口管16，高温空气出口管16上通过止口配合安装有高温空气出口配对法兰3(高温空气出口配对法兰3连接外部高温高压快响应阀门，作为蓄热式加热器的高温高压空气排放出口)；
[0058]
为了进一步确保密封性，上述燃气入口14与燃烧器配对法兰4之间，燃气出口15与燃气出口三通配对法兰2之间，以及高温空气出口管16与高温空气出口配对法兰2之间均设有密封垫，本实施例中密封垫采用石墨缠绕垫片。
[0059]
水冷夹套组件
[0060]
如图1所示，压力承载容器热应力集中部位均采用水冷夹套组件5，同时还需保证压力承载容器整体温差不能过大，防止热应力集中造成结构高压损坏，具体如图1所示，水冷夹套组件包括顶部水冷夹套17、中部水冷夹套18、底部水冷夹套19以及高温空气出口水冷夹套20；
[0061]
顶部水冷夹套17包覆于顶部锥状封头11外侧；顶部水冷夹套17保持和顶部锥形封头11相近的锥形结构，由于顶部锥形封头内依次为耐火纤维涂抹料和耐火砖混合结构，富氧燃烧器燃气自上而下对蓄热式加热器进行长时间加热，隔热层锥形结构最薄，导致此处温度较高，因此需要进行水冷；
[0062]
中部水冷夹套18包覆于隔热层耐火材料预留的膨胀缝对应的中间圆柱筒体12外侧；蓄热式加热器工作过程中，耐火材料受热膨胀，预留的膨胀缝处由于热传导作用，导致此处温度较高，因此需要进行水冷；
[0063]
底部水冷夹套19包覆于底部支撑结构10对应的外壳体1外侧；由于支撑结构需要承受空心砖蓄热体和隔热层，因此此处的隔热层较薄，会导致此处温度较高，因此需要进行水冷；
[0064]
高温空气出口水冷夹套20包覆于高温空气出口管16的外侧；由于高温空气出口管16内部隔热层厚度较薄，同时分支管路处存在较大热应力，因此需要进行水冷；
[0065]
顶部水冷夹套17、中部水冷夹套18、底部水冷夹套19以及高温空气出口水冷夹套20的原理结构基本一致，均包括环形冷却水腔室，冷却水入口以及冷却水出口；环形冷却水腔室包覆于待冷却的区域，冷却水入口以及冷却水出口均与环形冷却水腔室连通，并且冷却水自下而上流入环形冷却水腔室，同样以自下而上的方式流出环形冷却水腔室，保证了压力承载容器各个部分工作在许可温度范围内，提高了使用的安全性。
[0066]
测温法兰
[0067]
测温法兰9包括轴向测温法兰以及周向测温法兰；
[0068]
轴向测温法兰为多个(本实施例为轴向测温法兰为10个，如1图所示的a1-a10)，沿着中间圆柱筒体轴向分别设置于中间圆柱筒体的外壁上，轴向测温法兰上可安装温度传感器，用于测量燃气温度和空心砖蓄热体的轴向温度分布情况；
[0069]
周向测温法兰为(本实施例为周向测温法兰为8个)，沿着中间圆柱筒体圆周方向设置于中间圆柱筒体的外壁上，且位于中间圆柱筒体的中部；周向测温法兰上可安装温度传感器，用于测量燃气温度和空心砖蓄热体的周向温度分布情况，如图2所示，本实施例中周向测温法兰自上而下分别设置两排，每排均周向测温法兰为4个，图2中b、c、d处三个周向测温法兰之间的夹角为30
°
，e处的周向测温法兰与c处周向测温法兰对称设置，且e处周向测温法兰为多个轴向测温法兰中的一个(即图1中a4和a6既作为轴向测温法兰，也作为周向测温法兰使用)。
[0070]
底部支撑结构
[0071]
底部支撑结构10位于底部球状封头13内，用于承载加热器的蓄热体、隔热层，同时用于提供均匀的气流通道，其具体结构如图3和4所示，包括耐热钢固定层21、纤维捣打密封料层22、耐火浇注层23以及支撑板组件24；
[0072]
耐热钢固定层21同轴设置于底部球状封头13的燃气出口15内，其为支撑结构的最内层，并作为蓄热式加热器提供的富氧燃气排放通道和高压空气减速扩压通道；该耐热钢固定层21包括自下而上依次设置的圆柱管段211以及圆锥台过渡管段212；
[0073]
纤维捣打密封料层22呈圆柱筒体结构，同轴紧密包覆于所述耐热钢固定层的圆柱管段211外部；
[0074]
耐火浇注层23设置于纤维捣打密封料层22外表面、耐热钢固定层的圆锥台过渡管段212外表面、底部球状封头13内壁之间构成空间内，且耐火浇注层23的上表面中部设有凹坑31，用于放置支撑板组件24；加热器外侧多圈隔热层25直接坐落在耐火浇注层23上方；支撑板组件24的上方中部用于支撑空心砖蓄热体26，上方的其余区域用于承受加热器中心两圈隔热层25重量；空心砖蓄热体和多圈隔热层整体重量达数吨。
[0075]
该支撑结构不仅需要起到承重的作用，同时还需满足高温高压恶略环境的热强度要求，保证气流的流通均匀性，为此支撑板组件24上包括沿轴向设置的多个气流通孔构成的气流通孔阵列27，且所述气流通孔阵列27中气流通孔分布方式与被支撑的空心砖蓄热体26的通孔阵列中通孔的分布方式一致，
[0076]
耐热钢固定层的圆锥台过渡管段212大径端的截面面积大于或等于支撑板组件24上气流通孔阵列27覆盖面积，圆锥台过渡管段212的扩张角度不大于30
°
，该特殊结构设计能够保证气体扩压要求和加热过程长时间烘炉的耐高温要求，耐热钢避免了气流高速摩擦形成粉尘影响空气洁净度。
[0077]
除上述结构特征外，本实施例中的底部支撑结构还采用了以下优化的结构设计：
[0078]
1、为了防止了长时间烘炉过程的热应力集聚，同时为了便于加工和安装，支撑板组件采用双层结构，由上支撑板241、下支撑板242、定位销钉243组成，上支撑板241、下支撑板242依次叠加安装，上支撑板241和下支撑板242上均设有与被支撑的空心砖蓄热体的通孔阵列中通孔的分布方式一致的气流通孔阵列27；上方承受加热器整个空心砖蓄热体26的重量，下方构成气流整流容腔；上支撑板241和下支撑板242之间，以及上支撑板241与被支撑的空心砖蓄热体26之间均采用定位销钉243构成的凹凸子母扣结构定位连接，保证了空心砖蓄热体的通孔阵列和支撑板组件的气流通道阵列27对齐。
[0079]
2、上支撑板241厚度和下支撑板242的直径和厚度一致，且直径是被支撑空心砖蓄热体直径的2倍，下支撑板242的气流通孔直径和被支撑空心砖蓄热体26中通孔直径一致，上支撑板241的气流通孔直径取被支撑空心砖蓄热体26中通孔直径的1.1～1.25倍之间，保证支撑板组件24在高度下热强度的同时，满足气流均匀、低流阻的流动，避免长时间烘炉过程中的热应力集聚。
[0080]
3、上支撑板241、下支撑板242上均开设有沿圆周方向均匀分布的多个吊装孔28，在深度达近十米的炉体内施工时，在吊装孔28内安装吊钩29，通过吊装的方式进行安装，操作简单。
[0081]
4、耐热钢固定层21、上支撑板241以及下支撑板242材料均选用0cr25ni20(310s)，
耐火浇注层采用铝硅系材料制作，从而确保了该支撑结构具有足够高温强度和良好抗热震性能。
[0082]
上锚固件组和下锚固件组
[0083]
如图1所示，上锚固件组6设置于中间圆柱筒体12内壁上且靠近顶部锥形封头11一侧，下锚固件组7设置于中间圆柱筒体内壁12上且对应隔热层耐火材料预留的膨胀缝下方；
[0084]
上锚固件组6和下锚固件组7均包括沿圆周方向均匀焊接在中间圆柱筒体内壁上的多个锚固件30(本实施例中上锚固件组6和下锚固件组7的锚固件30均为8个)，且每个锚固件30均镶嵌于耐火材料内；锚固件30为支撑筋板结构，整体呈等腰直角三角形，钣金三个角均按直角三角形切除；上锚固件组和下锚固件组的设计目的是为耐火材料提供支撑，有效地提高了耐火材料在热震环境中的连接稳定性。
[0085]
耳式支座
[0086]
如图1所示，耳式支座8为多个(本实施例中为4个)，沿圆周方向均匀分布，固定于中间圆柱筒体12外壁上，且位于高温空气出口管16下方；每个耳式支座8由竖直板、水平板以及倾斜肋板；竖直垫板焊接于中间圆柱筒体外壁上，水平板垂直固连于竖直板上，且水平板上开设螺栓孔；倾斜肋板固连于竖直板和水平板之间，提高了耳式支座的强度；加热器通过耳式支座悬挂在井字型基础钢梁，基础钢梁和地基中基础钢筋焊接，耳式支座依靠螺栓孔限位，承受蓄热式加热器整体数十吨重量。
[0087]
本实施方式的上述描述和附图代表了本发明的优选方案，本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进和更换。