CN105318755B - 双层柱状传热装置及用于流体物质传热的管道及方法 - Google Patents

Abstract

本发明“双层柱状传热装置及用于流体物质传热的管道及方法”，属于管道加热技术。一种双层柱状传热装置，包括可导热柱状壳体1和分隔板2；所述可导热柱状壳体1的内腔为密闭空间；所述分隔板2将所述可导热柱状壳体1的内腔分隔为与所述可导热柱状壳体的轴向相平行的多个腔室4；所述腔室4内灌装有工质；所述腔室4的内壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片3，相邻所述微翅片3之间形成阵列的毛细微槽9，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述腔室4内流动所受的阻力的方式设置；所述腔室中还插装有管状热管，所属管状热管内壁上设置有阵列排列的微翅片。本发明还提供了基于上述柱状传热装置的管道和加热方法。

Description

双层柱状传热装置及用于流体物质传热的管道及方法

技术领域

本发明涉及管道加热技术，特别是一种双层柱状传热装置及用于流体物质传热的管道及方法。

背景技术

在很多工业领域中，一方面存在对流体物质例如石油、水、气体的加热或者换热需求。另一方面，又会产生很多工业余热，这些余热可以回收利用，以节约能源。针对这两方面的需求的传热设备，一般都需要比较大型，能够流畅地传热并输送流体物质，传热过程中温度在一定范围稳定以保证安全。

例如，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。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

本发明根据上述领域的需求，提供一种一种双层柱状传热装置及用于流体物质传热的管道及方法，具有向周边均匀传热，效率高的优点，具体方案如下：

一种双层柱状传热装置，其特征在于：包括可导热柱状壳体和分隔板；

所述可导热柱状壳体1的内腔为密闭空间；

所述分隔板将所述可导热柱状壳体的内腔分隔为与所述可导热柱状壳体的轴向相平行的多个腔室；

所述腔室内灌装有工质；

所述腔室的内壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述腔室内流动所受的阻力的方式设置，

所述腔室中还插装有柱状热管，所述柱状热管的内壁依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述柱状热管内流动所受的阻力的方式设置。

本发明提供的柱状传热装置，总体上，外形为柱状，有利于安装在目前常规的流体管道内，其中的工质从可导热柱状壳体外壁流经的流体中吸热或向流体放热，发生因相变。反过来说，流经的流体物质和不断相变的工质不断地动态换热从而实现对流经的流体物质进行传热－加热或者冷凝。多个腔室以及微翅片的设置，有利于工质在相变过程中的快速流动。柱状热管的设置，目的在于增加有利于工质相变流动的毛细微槽的数量，提高柱状传热装置的换热效率。

本发明的一些实施例中，优选所述腔室以所述可导热柱状壳体的轴为轴心对称均匀分布。

本发明的一些实施例中，优选所述可导热柱状壳体为规则的圆柱体。

本发明的一些实施例中，优选每一个所述腔室为独立密闭空间。

本发明的一些实施例中，优选至少有两个所述腔室的一端是开放的，所述腔室内灌装的工质可以在不同腔室之间流通。

本发明的一些实施例中，优选所述可导热柱状壳体两端设置有壳体轴向连接结构，用于连接另外一根柱状传热装置并且有利于相邻连接的柱状传热装置之间相互传热。

本发明的一些实施例中，优选所述可导热柱状壳体至少一端设置有壳体热源连接部件，用于连接可向可导热柱状壳体传输热量的热源供应装置。

本发明的一些实施例中，优选可导热柱状壳体的材料为金属导热材料。

本发明的一些实施例中，优选所述柱状热管的至少一端的管壁上设置有若干小孔，以便于所述柱状热管内的工质在管壁内外流动。

本发明的一些实施例中，优选所述柱状热管的外壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质沿着所述柱状热管轴向流动所受的阻力的方式设置。

一种用于流体物质传热的管道，其特征在于，包括管道和上述任一双层柱状传热装置，

所述柱状传热装置包括可导热柱状壳体和分隔板；

所述可导热柱状壳体两端密闭；

所述分隔板将所述可导热柱状壳体的内腔分隔为与所述可导热柱状壳体的轴向相平行的多个腔室；

所述腔室内灌装有工质；

所述腔室的内壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽的轴线与所述可导热柱状壳体的轴向平行以减少工质在所述腔室内流动的阻力；

所述腔室中还插装有柱状热管，所述柱状热管的内壁依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述柱状热管内流动所受的阻力的方式设置；

所述可导热柱状壳体与所述管道之间留有沿所述管道轴向的用于流体物质流动的通孔。

本发明的管道实施例中，如图2所示，其中一些优选所述柱状传热装置为多个，相互间隔且平行地设置在所述管道中，所述管道内壁设上有向管道轴心延伸的用于支撑和安装所述柱状传热装置的管道内固定部件。本领域技术人员可以根据可以根据管道的大小，柱状传热装置的重量，将管道内固定部件设置不同的结构，例如在管道内壁焊接有与柱状传热装置数量对应的套环状结构，柱状传热装置插装在套环内。

本发明的一些管道实施例中，优选所述柱状传热装置为多个，相互间隔且平行地设置在所述管道中，所述管道内壁设上有向管道轴心延伸的用于支撑和安装所述柱状传热装置的管道内固定部件。

本发明的一些管道实施例中，优选所述柱状传热装置的可导热柱状壳体外壁上设置有与另一个所述柱状传热装置的可导热柱状壳体相互连接固定的传热壳体横向连接部件。

本发明的一些管道实施例中，优选所述柱状传热装置设置在所述管道轴心，所述管道内壁设上有向管道轴心延伸的用于安装所述柱状传热装置的固定部件。

本发明的一些管道实施例中，优选所述柱状传热装置设置在所述管道轴心，所述管道和所述可导热柱状壳体为一体成型，所述通孔沿可导热柱状壳体周边均匀分布。

本发明的一些管道实施例中，优选用于所述管道和所述可导热柱状壳体一体成型的材料为导热材料。

本发明的一些管道实施例中，优选所述管道两端设置有管道纵向连接结构，用于连接另外一根所述管道；所述柱状传热装置的长度与所述管道长度相适应以使得两根所述管道相连时，两根所述管道内的柱状传热装置之间可以进行热传递传热。

本发明还基于上述双层柱状传热装置，提供一种对管道内流体物质传热的方法，其特征在于：在流体物质流动的管道中沿其轴向方向设置有一个或多个上述任一双层柱状传热装置；通过双层柱状传热装置内的工质的相变来实现与管道内流体物质之间的热交换。

附图说明

图1本发明双层柱状传热装置结构示意图，

图2本发明加热流体物质的管道结构示意图

图3本发明加热流体物质的管道的另一种结构示意图，

其中1－可导热柱状壳体，2-分隔板，3-微翅片，4-腔室，5-管道，6-管道内固定部件，7-通孔，8-柱状热管，9-毛细微槽。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明最重要的一个方面，是提供一种双层柱状传热装置，其特征在于：包括可导热柱状壳体1和分隔板2；所述可导热柱状壳体1的内腔为密闭空间；所述分隔板2将所述可导热柱状壳体1的内腔分隔为与所述可导热柱状壳体的轴向相平行的多个腔室4；所述腔室4内灌装有工质；所述腔室4的内壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片3，相邻所述微翅片3之间形成阵列的毛细微槽9，所述毛细微槽9以有利于减少所述工质在所述腔室4内流动所受的阻力的方式设置；所述腔室4中还插装有柱状热管8，所述柱状热管8的内壁依次设置有若干由导热材料制成的微翅片3，相邻所述微翅片3之间形成阵列的毛细微槽9，所述毛细微槽9以有利于减少所述工质在所述柱状热管8内流动所受的阻力的方式设置。本发明提供的柱状传热装置，总体上，外形为柱状，有利于安装在目前常规的流体管道内，其中的工质从可导热柱状壳体外壁流经的流体中吸热或向流体放热，发生因相变。反过来说，流经的流体物质和不断相变的工质不断地动态换热从而实现对流经的流体物质进行传热－加热或者冷凝。多个腔室以及微翅片的设置，有利于工质在相变过程中的快速流动。柱状热管的设置，目的在于增加有利于工质相变流动的毛细微槽9的数量，提高柱状传热装置的换热效率。

本发明的一些实施例中，优选所述腔室4以所述可导热柱状壳体1的轴为轴心对称均匀分布。有利于工质的流动，向周围均匀传热。

本发明的一些实施例中，优选所述可导热柱状壳体1为规则的圆柱体。有利于向周围均匀传热和制作。

本发明的一些实施例中，优选每一个所述腔室4为独立密闭空间。该设计有利于延长使用寿命，各个腔室之间相互不影响。

在本发明的另外一些实施例中，优选至少有两个所述腔室4的一端是开放的，所述腔室内灌装的工质可以在不同腔室之间流通。有利于工质相变过程中的顺畅流动。注意的是，尽管可以将两个或更多腔室两端做成连通的，但是可导热柱状壳体的内腔仍然是封闭的，将分隔板，各个腔室密封在其中。

本发明的一些实施例中，优选所述可导热柱状壳体两端设置有壳体轴向连接结构，用于连接另外一根双层柱状传热装置并且有利于相邻连接的双层柱状传热装置之间相互传热。设置壳体轴向连接结构的目的在于使本发明的柱状传热装置可根据实际需要延长。

本发明的一些实施例中，优选所述可导热柱状壳体1至少一端设置有壳体热源连接部件，用于连接可向可导热柱状壳体传输热量的热源供应装置。例如电加热接口。

本发明的一些实施例中，优选可导热柱状壳体1的材料为金属导热材料。

本发明的一些实施例中，优选所述柱状热管的至少一端的管壁上设置有若干小孔，以便于所述柱状热管内的工质在管壁内外流动。

本发明的一些实施例中，优选所述柱状热管的外壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质沿着所述柱状热管轴向流动所受的阻力的方式设置。

本发明提供的双层柱状传热装置，可以直接应用安装于需要对管道中流体进行换热的管道中。适用于大型工业中，例如对工业排水、排气的余热回收，对管道输送中的石油的加热等，不用改造现有的管道；其自身尺寸可根据使用场所的需要，做成大型的或微小型的；具有传热均匀、不影响管道内流体物质的流畅流动的优点。

本发明另一个重要的方面，如图2，3所示，基于上述双层柱状传热装置还提供了一种用于流体物质传热的管道，其特征在于，包括管道5和上述任一双层柱状传热装置，所述可导热柱状壳体1与所述管道5之间留有沿所述管道轴向的用于流体物质流动的通孔7。

本发明的一些管道实施例中，如图2所示，优选所述双层柱状传热装置为多个，相互间隔且平行地设置在所述管道5中，所述管道5的内壁设上有向管道轴心延伸的用于支撑和安装所述柱状传热装置的管道内固定部件6。本领域技术人员可以根据可以根据管道的大小，柱状传热装置的重量，将管道内固定部件设置不同的结构，例如在管道内壁焊接有与柱状传热装置数量对应的套环状结构，柱状传热装置插装在套环内。

本发明的一些管道实施例中，优选所述双层柱状传热装置的可导热柱状壳体1的外壁上设置有与另一个所述柱状传热装置的可导热柱状壳体1相互连接固定的传热壳体横向连接部件。

如图3所示，本发明的另外一些实施例中，优选所述双层柱状传热装置设置在所述管道5的轴心，所述管道5和所述可导热柱状壳体1为一体成型，所述通孔7沿可导热柱状壳体1周边均匀分布。

本发明的一些实施例中，优选用于所述管道5和所述可导热柱状壳体1一体成型的材料为导热材料。

本发明的一些实施例中，优选所述管道两端设置有管道纵向连接结构，用于连接另外一根所述管道；所述双层柱状传热装置的长度与所述管道长度相适应以使得两根所述管道相连时，两根所述管道内的双层柱状传热装置之间可以进行热传递传热。

根据本发明上述两方面的的核心思想，本发明还提供了一种对管道内流体物质传热的方法，其特征在于：在流体物质流动的管道中沿其轴向方向设置有一个或多个上述双层柱状传热装置；通过柱状传热装置内的工质的相变来实现与管道内流体物质之间的热交换。

Claims (8)

1.一种用于安装在流体管道内的双层柱状传热装置，其特征在于：包括可导热柱状壳体和分隔板；

所述可导热柱状壳体的内腔为密闭空间；

所述分隔板将所述可导热柱状壳体的内腔分隔为与所述可导热柱状壳体的轴向相平行的多个腔室；

所述腔室内灌装有工质，工质从所述可导热柱状壳体外壁流经的流体中吸热或向流体放热；

所述腔室的内壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述腔室内流动所受的阻力的方式设置，

所述腔室中还插装有柱状热管，所述柱状热管的内壁依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述柱状热管内流动所受的阻力的方式设置；

所述柱状热管的外壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质沿着所述柱状热管轴向流动所受的阻力的方式设置；

所述可导热柱状壳体至少一端设置有壳体热源连接部件，用于连接可向可导热柱状壳体传输热量的热源供应装置；

所述腔室以所述可导热柱状壳体的轴为轴心对称均匀分布。

2.根据权利要求1所述的双层柱状传热装置，其特征在于，所述可导热柱状壳体为规则的圆柱体。

3.根据权利要求1所述的双层柱状传热装置，其特征在于，每一个所述腔室为独立密闭空间。

4.根据权利要求1所述的双层柱状传热装置，其特征在于，至少有两个所述腔室的一端是开放的，所述腔室内灌装的工质可以在不同腔室之间流通。

5.根据权利要求1所述的双层柱状传热装置，其特征在于，所述可导热柱状壳体两端设置有壳体轴向连接结构，用于连接另外一根柱状传热装置并且有利于相邻连接的柱状传热装置之间相互传热。

6.根据权利要求1所述的双层柱状传热装置，其特征在于，可导热柱状壳体的材料为金属导热材料。

7.一种用于流体物质传热的管道，其特征在于，包括管道和权利要求1～6任一所述的双层柱状传热装置，

所述柱状传热装置包括可导热柱状壳体和分隔板；

所述可导热柱状壳体两端密闭；

所述分隔板将所述可导热柱状壳体的内腔分隔为与所述可导热柱状壳体的轴向相平行的多个腔室；

所述腔室内灌装有工质；

所述腔室的内壁上依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽的轴线与所述可导热柱状壳体的轴向平行以减少工质在所述腔室内流动的阻力；

所述腔室中还插装有柱状热管，所述柱状热管的内壁依次设置有若干由导热材料制成的微翅片，相邻所述微翅片之间形成阵列的毛细微槽，所述毛细微槽以有利于减少所述工质在所述柱状热管内流动所受的阻力的方式设置；

所述可导热柱状壳体与所述管道之间留有沿所述管道轴向的用于流体物质流动的通孔，用于所述管道和所述可导热柱状壳体一体成型的材料为导热材料。

8.一种对管道内流体物质传热的方法，其特征在于：在流体物质流动的管道中沿其轴向方向设置有一个或多个权利要求1～6任一所述的柱状传热装置；通过柱状传热装置内的工质的相变来实现与管道内流体物质之间的热交换。