CN104455892A - 用于流体传热装置的传热部件 - Google Patents

Abstract

本发明用于流体传热装置的传热部件，涉及管道加热技术，其特征在于，包括传热材料和板状热管，所述板状热管其沿导热方向上的一端与所述传热材料连接；所述流体传热装置，包括管状热源供应部件和板状热管，所述板状热管沿其导热方向上的一端与所述管状热源供应部件的外壁可传热地相接，另一端为自由端；所述传热材料用于包覆在所述管状热源供应部件上，实现所述可传热地相接。

Description

用于流体传热装置的传热部件

技术领域

本发明涉及管道加热技术，特别涉及流体传热装置、可内部均匀传热管道及管道传热方法。

背景技术

开采的粘稠石油从地下输送到地面过程中，由于地面温度下石油会变得非常浓稠而难以有效输送，因此需要对开采井口的输送管道进行加热使油温控制在80℃～120℃。

控制输送过程中的油温的技术和装置，一直在改进，近年来水套加热炉以其可靠的安全性能，在油田地面工程中得到广泛应用，特别是在油田井口、中转站、联合站内逐渐替代直接火筒加热炉和管式加热炉。

水套加热炉的工作原理为：燃料(目前通常为天然气)产生的高温烟气通过烟管与壳体内的中间介质水换热，中间介质水吸收热量后产生饱和蒸汽，蒸汽上升至加热盘管处通过与盘管内的原油进行相变换热加热盘管内的介质，蒸汽相变后的冷凝水返回水浴中，继续加热蒸发，如此循环往复，在加热炉的壳体内形成动态平衡。用水套炉进行加热时存在两个关键的换热过程：烟气与水换热产生蒸汽、水蒸汽升至加热盘管处通过加热盘管向管内原油传热。因此，火筒烟管和加热盘管的传热是影响水套炉传热的主要因素。加热盘管主要浸没在炉内蒸汽中，蒸汽热量传递给盘管内原油的过程包括：蒸汽对盘管外表面的放热过程、盘管壁的导热过程和盘管内壁对原油的放热过程。管内输送的原油虽然为强制流动状态，但由于受原油性质的限制，特别是稠油，盘管内壁的放热系数不高，管内壁与原油的换热，成为制约盘管换热性能的重要瓶颈(参照李清芳，三位内肋管在水套炉上的应用.石油规划设计，2004；15，(6)：(38-40))。

除上述其换热性能差之外，基于水套炉本身的工作原理，还存在其它几方面的问题.

1.由于热量是从输油管外向内传输，造成贴近管壁部分的原油受热较好而管轴心部份的原油受热较差，管内原油温度不均匀，影响输送速度。更严重的是，即使贴近管壁部分的原油温度达到120℃，管中心原油的温度可能还达不到80℃从而在中心形成蜡造成堵塞。

2.水套炉采用的燃料，目前普遍为天燃气。天燃气储量有限，在开采石油过程中消耗天燃气，于国于民既不经济，也不是长久之计，不利于节能减排。

3.由于水套炉加热石油管道的地点是在石油开采的地面工程点，在石油开采地面工程点，采用天燃气为水套炉的燃料，必须采取非常严格的安全管理方式。管理成本高，而且无论多么严格的管理，仍然存在非常大的安全隐患。

目前石油输油管采用的水套炉加热方式的上述缺陷尚未见到确实有效可行的解决方案。

热管换热技术，由于相变换热的方式传热效率高，在工业中得到了广泛的应用，热管的主要传热方式为蒸发和冷凝，具有传热能力大、温度控制能力强、传热效率高的特点。而常用的振荡型热管虽然传热效率较高，但该种传热元件需要起振温差；普通的毛细芯热管其制作工艺如毛细芯材料的制备、真空的抽取、工质的封装及维护过程非常复杂，使得其应用受到很大的限制。中国专利200910207418.9及其分案申请201110309983.3公开了一种板状热管及其制备工艺，热管包括板状热管框架，所述板状热管框架内具有成组的微孔管构成的微孔管群结构，所述各微孔管侧壁之间相互连接，以相互加强各微孔管的强度和强化传热性能，所述微孔管内灌装有起相变换热作用的工质。解决了振荡型热管以及细芯热管存在的缺陷，且结构强度高、制作和维护简单，用途广泛。在使用中，所述板状热管的蒸发面与电子器件的发热面相连，板状热管的其它部分为冷凝面；或所述板状热管的一端位于热源之中，并吸热蒸发，另一端位于换热水管中冷凝放热；或所述板状热管作为太阳能热水器的集热器，各微孔管群一端作为热管吸收太阳能辐射能量蒸发，另一端在储热水箱中冷凝放热以制备热水；或所述板状热管的蒸发面与太阳能光伏发电电池板的背板相接触，以吸收太阳能光伏发电电池板的热量并蒸发，板状热管的冷凝面在换热器中冷凝放热以制备热水。该板状热管一端为吸热蒸发端，另一端放热冷凝端。

关于热管在石油输送管道加热方面的应用，在上述专利公布之前，就有人提出在热水炉中采用热管技术强化传热以解决换热性能差的问题(尹余升，插入件强化传热在热水炉中的应用，工业锅炉，1998；1(58):21-23)。但是在热水炉中插入热管，并不能解决输油管内原油受热不均，加热炉燃料的安全管理与短缺等问题。

综上，目前石油输油管道加热技术存在上述缺陷，尚未见到有效的解决建议或方案。

发明内容

基于上述领域的需求和空白，本发明提供一种管道均匀传热装置，管道及管道方法，具有传热均匀，换热性能好，热能利用率高，安全易于控制和管理等优点。

本发明的技术方案如下：

用于流体传热装置的传热部件，其特征在于，包括传热材料和板状热管，所述板状热管其沿导热方向上的一端与所述传热材料连接；

所述流体传热装置，包括管状热源供应部件和板状热管，所述板状热管沿其导热方向上的一端与所述管状热源供应部件的外壁可传热地相接，另一端为自由端；

所述传热材料用于包覆在所述管状热源供应部件上，实现所述可传热地相接。

所述板状热管相互平行地排布在所述传热材料上。

所述板状热管以有利于减小对沿着所述管状热源供应部件轴向方向流动的流体物质的流动阻力的方式排列。

所述管状热源供应部件为电加热管。

所述板状热管指中国发明专利200910207418.9或其分案申请201110309983.3中公开的板状热管。

有益效果

本发明基于热管的传热特点和优势，提供了其新的用途和使用方式以及相应的装置，即用于对管道内流体进行传热从而使管道内流体温度均匀地升高或降低。本发明请求保护：用于流体传热装置的传热部件；

采用本发明的传热部件的流体传热装置，如图1所示包括管状热源供应部件和板状热管，所述板状热管沿其导热方向上的一端与所述管状热源供应部件的外壁可传热地相接，另一端为自由端；所述传热材料用于包覆在所述管状热源供应部件上，实现所述可传热地相接。管状热源供应部件供应的热量通过与其相连的板状热管向四周传热。将该装置沿管道轴向方向置于管道中后，热量可自管道中心向管道壁传递从而对流经管道的流体物质均匀地加热。本装置在原油开采输油管道中使用，能够很好地解决本文背景技术部分列出的3个主要的技术问题：1.热量从管中向外传递，由于热管的特点，使得管内从中心到管壁都可以实现均匀的温度，原油可以畅通无阻地输送，不用担心形成油蜡造成的堵塞。2.采用电加热方式，为可持续清洁能源，兼顾环境卫生和能源节约两个要求。3.电为加热能源，便于安全管理。但本发明的管道流体传热装置不限用于原油输油管道。

本发明提供的用于流体传热装置的传热部件，包括传热材料和板状热管。所述传热材料包覆于热源供应部件上，所述板状热管沿导热方向上的一端与所述传热材料连接，这种间接连接方式便于更换或调整热管，在热管损坏、位置发生偏移或热管数量不够的情况下，仅需对连接有热管的传热材料进行操作即可。

在本发明的一些实施例中，所述板状热管相互平行地排布在所述传热材料上，板状热管之间的距离最好相等，使管内流体均匀地从板状热管之间通过，得到充分且均匀的加热。

本发明的优选实施例中，优选所述板状热管以有利于减小对沿着所述管状热源供应部件轴向方向流动的流体物质的流动阻力的方式排列。考虑到该装置的使用场所为管道内，该设置方式可以尽可能减少对流经管道的流体物质的阻力，基于该思想本领域技术人员可以直接毫无疑义地明白在制备该装置时，热管与所述管状热源供应部件的连接方式、热管的安装角度、方位等应该确保热管最窄/最扁的一侧与管内流体流向相对以减少流动阻力，如图2所示。例如，所述板状热管与所述管状热源供应部件的外壁形成的相接线平行于所述管状热源供应部件的轴向。

在进一步的优选实施例中，保证热管对流体阻力尽可能小的前提下，所述板状热管沿所述管状热源供应部件的轴向规则且有间隔地排列形成微热管阵列。以便于在轴向方向上更好地实现管道均匀传热。

优选所述板状热管沿所述管状热源供应部件的轴向呈辐射状排列。以便于在轴向方向上更好地实现管道均匀传热。

本发明的管道流体传热装置中两个部件的可传热地相接，可以是直接连接。也可以是所述板状热管通过可传热材料与所述管状热源供应部件的外壁间接相接，所述板状热管设置于所述可传热材料上，所述可传热材料包覆于所述管状热源供应部件上。间接连接方式的优点在于方便更换或调整热管，仅需对连接有热管的传热材料进行操作即可。

本发明的管道流体传热装置，所述管状热源供应部件为电加热管，有利于保护环境和节约能源。

本发明优选实施例中示例使用的热管为中国发明专利200910207418.9或其分案申请201110309983.3中公开的板状热管。

本发明提供的可内部均匀传热的管道，其管道的腔体内安装有上述流体传热装置，所述管状热源供应部件的轴向与所述管道的轴向平行，从而实现管道内部的均匀传热，同时也最大程度地减小流体传热装置对管内流体形成的阻力。

在本发明的一些实施例中，所述管道内部至少安装两个流体传热装置，均匀设置在所述管道的腔体几何中心。在实际操作中，安装的流体传热装置的数量取决于管道腔体的几何形状、内径大小以及流体传热装置的尺寸，只要能保证管内流体得到充分且均匀的加热，并且不影响流体的顺畅流动即可。

在本发明的优选实施例中，所述管道的腔体壁采用保温材料，隔离外界环境温度。在环境温度较低时，避免管壁附近的流体物质凝固造成的堵塞，使管内流体物质能够顺畅流动；同时也能避免环境温度过低时管道冻裂导致的流体泄漏。本发明的管道用作原油输油管道时，可以采用塑套钢保温管与钢套钢保温管。

在本发明进一步的优选实施例中，所述管道的腔体壁外还覆有保温层，提高管道的保温性能。所述保温层可以是岩棉、玻璃棉、橡塑海棉、聚乙烯、复合硅酸盐、硅酸铝等保温材料，或本领域技术人员能够想到的其它保温材料。在实际应用中，可以根据使用环境和需要达到的保温效果来选择适合的保温材料。为了使保温材料长期可靠使用，还可以在保温层外面加一层防护层，起到防水、防腐等作用。

在本发明的优选实施例中，所述管道还包括控制所述管状热源供应部件开启和关闭的传感器。所述传感器能够实时监测管道的温度和压力，并将检测数据传输给控制系统，由控制系统对管状热源供应部件发出指令，实现管状热源供应部件的自动开启和关闭；或者，通过人工监控传感器的读数，手动开启或关闭管状热源供应部件，使管内流体物质的温度和压力维持在合适的范围内，保证流体物质的正常运输。

本发明的管道流体传热方法，通过在管道腔体内设置管道流体传热装置将热量传递给管道内流体。所述管道流体传热装置采用电加热的方式，节约了天然气资源，降低了成本，保护了环境，也便于进行热源的安全管理；并采用传热效率高、性能好的板状热管由管道中心向管壁形成辐射状传热，使管道内流体得到快速均匀的加热，解决了目前石油输送中因受热不均导致堵塞的问题。

术语定义：

管状热源供应部件：指长条状适合于安装在管道内的用于向管道内释放热量的加热装置，例如电加热管。

可传热地相接：指板状热管与管状热源供应部件之间的连接能确保状热源供应部件的热量能够传递给板状热管，所述连接是直接接触连接或者间隔一层传热材料地接触。

附图说明

图1.采用本发明的传热部件的流体传热装置横截面示意图

图2.采用具有本发明的传热部件的流体传热装置的管道的横截面示意图。

图3.采用具有本发明的传热部件的流体传热装置的管道的整体外观示意图

图4.拆除保温层后的上述管道流体传热装置的管道的整体外观示意图

其中1-管状热源供应部件，2-板状热管：3-腔体，4-腔体壁，5-保温层，6-入口、出口。

具体实施方式

以下通过举例对本发明进行说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明用于流体传热装置的传热部件，其特征在于，包括传热材料和板状热管2，所述板状热管2其沿导热方向上的一端与所述传热材料连接；

所述流体传热装置如图1所示，包括管状热源供应部件和板状热管，所述板状热管沿其导热方向上的一端与所述管状热源供应部件的外壁可传热地相接，另一端为自由端；所述传热材料用于包覆在所述管状热源供应部件上，实现所述可传热地相接。

在采用具有本发明的传热部件的流体传热装置的管道的一些实施例中，管道，包括腔体(3)，所述管道的腔体壁(4)上贴有保温层(5)，所述管道的腔体(3)内安装有管道流体传热装置。所述管道的腔体壁(4)上及对应位置的保温层(5)开有供流体物质流入和流出的入口、出口(6)。单节的所述管道长3米，内径200毫米，外径215毫米，保温层(5)厚50毫米。根据实际需要可以使用单节管道或多节管道的组合进行运输。所述保温层(5)可以是岩棉、玻璃棉、橡塑海棉、聚乙烯、复合硅酸盐、硅酸铝等保温材料，或本领域技术人员能够想到的其它保温材料。根据管道的使用环境选择适合的保温材料，如聚乙烯和复合硅酸盐保温效果好，尤其适用于冬季寒冷的北方，防止管道冻裂。

所述管道的腔体(3)内安装有四个流体传热装置，围绕所述管道的轴心均匀地排列。所述管道流体传热装置包括管状热源供应部件(1)和板状热管(2)，所述管状热源供应部件(1)为电加热管。所述电加热管平行于所述管道的轴向方向；所述板状热管(2)通过其沿导热方向上的一端与电加热管的外壁可传热地相接，且沿电加热管的轴向规则且间隔地排列形成微热管阵列；所述板状热管(2)与所述电加热管的外壁相接形成的相接线平行于所述电加热管的轴向，且所述板状热管(2)沿所述电加热管轴向辐射状排列；所述板状热管(2)最窄/最扁的一侧与管内流体流向相对以减少流动阻力。所述流体传热装置可以贯穿整个管道，从而保证管内流体得到均匀加热。当流体从入口(6)进入管道，开启流体传热装置，电加热管开始加热，并将热量直接或间接地传递给周围的板状热管(2)，再由板状热管(2)将热量由腔体(3)中心向腔体壁(4)高效率地传递给管内流体物质，使流体物质迅速加热。由于板状热管(2)呈辐射状均匀地分布在腔体(3)内，从而使热管周围的流体物质得到均匀的加热，避免局部受热不均引起凝固，使流体在管道内通畅地流动，最后从出口(6)流出。

所述管道还包括通过监测所述管道的温度和压力以控制所述管状热源供应部件(1)开启和关闭的传感器。根据流体的性质，在控制系统中设置能够保证流体顺畅流动的温度和压力范围。当管道工作时，所述传感器实时地监测管内流体物质的温度和压力，将数据传输给控制系统，如果温度高于最高温度或压力大于最大压力，控制系统就会向管状热源供应部件(1)发出关闭指令，使电加热管停止加热，防止管道因压力过大而发生爆炸；如果温度低于最低温度或压力小于最小压力，控制系统则发出开启指令，使电加热管开始加热，保证流体物质的正常运输。由此，实现了管道均匀加热的自动控制。此外，也可以手动控制管状热源供应部件(1)的开启和关闭。在手动模式下，工作人员通过观察传感器的读数，手动开启或关闭管状热源供应部件(1)。

加热炉腔体尺寸内径φ200毫米，外径φ215毫米，保温层厚50毫米，管长3米。炉内安装4个电加热式均匀加热管，加热管内装有电热管，外部为太阳花状微热管阵列。电热管产生的热量，被微热管阵列高效均匀的传到油腔里。冷油流经后被快速加热经出油口流出。

控制方式：通过加热管温度(两个点)和压力传感器来控制电加热器加热或者停止加热(三重保险)。

Claims (5)

1.用于流体传热装置的传热部件，其特征在于，包括传热材料和板状热管，所述板状热管其沿导热方向上的一端与所述传热材料连接；

所述流体传热装置，包括管状热源供应部件和板状热管，所述板状热管沿其导热方向上的一端与所述管状热源供应部件的外壁可传热地相接，另一端为自由端；

所述传热材料用于包覆在所述管状热源供应部件上，实现所述可传热地相接。

2.根据权利要求19所述的传热部件，其特征在于：所述板状热管相互平行地排布在所述传热材料上。

3.根据权利要求1所述的流体传热装置，其特征在于：所述板状热管以有利于减小对沿着所述管状热源供应部件轴向方向流动的流体物质的流动阻力的方式排列。

4.根据权利要求1～3任一所述的流体传热装置，其特征在于：所述管状热源供应部件为电加热管。

5.根据权利要求1～4任一所述的流体传热装置，其特征在于：所述板状热管指中国发明专利200910207418.9或其分案申请201110309983.3中公开的板状热管。