CN110325437A - 多层加热盘管束 - Google Patents

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Abstract

在本发明的实施例中，公开了一种用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其包括一个加热盘管体和三个支撑件(40)。束(20)包括多个直管(32)和多个U形管(34)，它们在其开口端处防漏地串联连接并且以彼此平行且间隔开的关系延伸并且布置在多个层(24)中。束(20)的横截面的特征在于M行(24)和N列(26)的二元矩阵状管图案(22)。所公开的加热盘管束(20)产生加热流体(50)大规模循环(52)并将所述大规模循环(52)驱动的强制对流叠加在浮力驱动的自然对流上，从而提供更有效的热传递机制。

Description

多层加热盘管束
技术领域
本发明涉及油轮(tanker)货物加热装备。
背景技术
油轮运输各种类型的高粘度流体，这些流体在其卸载期间需要大量的工作。因此，油轮配备有用于货物加热的装置，通过增加流体温度，降低其粘度并增强流体卸载。
用于油轮货物加热的装备传统上作为蒸汽驱动的加热盘管执行，这些加热盘管均匀地分布在罐底部上，其中加热管沿着单层或两层布置，其通过自然对流机构将热量从蒸汽传递到流体。油轮加热盘管的累计长度在几千米以上，因此油轮货物加热装备是油轮建造成本中的重要项目。更有效的加热盘管的应用使得能够减少所需的加热盘管长度并因此减少油轮的总体建造成本。
在文章I.Pivac，G.Magazinovic，Numerical analysis of tank heating coilheating process,in C.Guedes Soares等人.(Eds.),Towards Green Marine Technologyand Transport,CRC Press,London 2015，第603-608页中，作者在该文章的第608页报告了数值模拟结果，该结果揭示了围绕与罐横向横断面垂直的轴线存在强大的加热流体圆周运动。所报告的运动是本领域已知的所谓大规模循环现象的表现，参见R.Krishnamurti和L.N.Howard，Large-scale flow generation in turbulent convection,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,Vol.78,No.4,pp.1981-1985,1981年4月。
加热的流体大规模循环是本发明的实质，因为它通过在浮力驱动的自然对流上叠加大规模循环驱动的强制对流来实现更有效的热传递机制，参见VDI Heat Atlas，Springer-Verlag，Berlin 2010，第684页。
当涉及专利文献时，日本实用新型申请JP3048878U(Shin Kurushima Dockyard，1998)公开了一种可伸缩的加热单元，其中加热管仅布置在一层上。要解决的任务是通过使加热单元能够旋转并提供进入单元下方固化货物残留的通道来简化罐清洁过程；引用文献的图1。此外，该文献教导了一种常规的加热盘管布置，其中加热盘管覆盖罐区底部的重要部分；例如，所引用文献的图2显示罐区底部的约40％被加热盘管覆盖。
本申请提供了解决该问题的替代方案。根据本申请实施例，加热盘管束的特征在于非常小的占地面积；易于清洁，而无需去除盘管束。此外，罐区底部的大部分仍然没有任何罐加热装备。例如，罐区底部的不到2.5％被加热盘管束覆盖；本申请的图6。
中国专利CN101362509A(Wenchong Shipyard，2009)公开了一种用于多个舱罐(bunker tanks)的安装方法。公开了一种两层加热盘管布置。要解决的任务是减少盘管安装过程中的繁重工作。由于盘管靠近垂直罐壁布置；所引用文献的图1；由船舶的结构元件包围；通过流体循环改善热传递的可能性是有限的。
日本实用新型申请JPS5353786U(Hitachi Zosenkan，1978)公开了一种多层加热盘管束，其包括七个管层并且每层五个管；所引用文献的图3；其中束长度由罐细节的底部确定。要解决的任务是加热效率高的加热单元。但是，所公开的实施例由船舶的结构元件包围；所引用文献的图4中(16)；这极大地抑制了加热的流体自由流动。因此，可能的热传递改进受到限制。此外，所公开的实施例包括布置在最下管层中的加热流体入口(10)和布置在最上管层中的加热流体出口(11)；图3。可能的结果是由冷凝蒸汽的流动引起的水锤困难。
本申请提供了一种解决该问题的替代方案，其中加热的流体错流(cross-flow)增强了热传递。而且，为了抑制水锤困难，加热流体入口和加热流体出口分别布置在管最上层和最下层中。
日本专利申请JPH0569893A(Shin Kurushima Dockyard，1993)公开了一种将加热管道安装到货物罐中的方法。该文献公开了一种单层加热盘管束，其使得显著减少劳动力；所引用文献的图1和图2。
英国专利申请GB1054066A(J.H.Jefferson，1967)公开了一种旨在用于固体和液体货物的用于货舱的可移位两层加热盘管束。多个加热盘管布置在两个平行行中；所引用文献的图2；其中罐区几乎所有底部都被加热盘管覆盖。
日本专利JP2007238054A(Sumitomo Heavy Industries，2007)公开了一种单层加热盘管布置，其解决了两个问题：减少由于焊接工作而导致的压载舱油漆燃尽；以及在罐底部留下用于工作车辆的通道。该文献公开了一种非对称的加热盘管布置，其中加热盘管位于船舶纵向舱壁附近；所引用文献的图1和图2。该文献还公开了通过使用对流板(9)增强的加热货物循环。但是，由于加热盘管部分位于罐角落；其中加热流体速度最小；因此货物循环的效果是有限的。而且，罐区的大部分底部被加热盘管覆盖，其中覆盖区可估计为罐区底部的约60％；所引用文献的图2。
本申请提供了解决问题的另一种方案，其中提供了加热盘管束两侧的通道。此外，由于少量的束支撑；例如，本申请的图6公开了九个支撑；压载舱油漆燃尽的发生是有限的。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于罐加热的加热盘管束，包括：至少一个加热体，该加热体包括多个直管和多个U形管；多个紧固装置；以及形成水平延伸、靠近罐底部上方的紧凑且坚固结构的至少一个支撑件。
所提供的加热盘管束的特征在于：
它围绕与直管纵轴线平行的轴线产生加热的流体大规模循环，
它使得加热的流体能够通过环绕直管和U形管的空隙空间几乎水平横向流动，以及
它通过将大规模循环驱动的强制对流叠加在浮力驱动的自然对流上提供更有效的热传递机制。
加热体由直管和U形管构建，这些直管和U形管在其开口端处防漏地串联连接，其中连接顺序通过连接直管和U形管开始，然后通过在U形管的开口端侧将分别包括直管和U形管的管对进行一系列连续连接而继续，最后通过连接另一个直管完成。结果是具有一个流体入口和一个流体出口的单个加热体，其布置在多个平行且垂直间隔开的加热盘管管层中，通过使用多个紧固装置固定到支撑件。
垂直于直管轴线的加热盘管束横截面具有M行和N列的二元矩阵状管图案，其中行数M是加热盘管束的加热盘管管层的总数，并且列数N是在M个加热盘管管层中的任何一个中布置的直管的最大数量。加热盘管管层的特征在于包括至少一个直管，该直管在直管轴线和罐底部之间具有唯一的距离。
图2的管图案的特征在于六行和三列，而图3中描绘的束的管图案的特征在于仅20行和一列。布置在管层的加热管的数量可以变化。如果任何管层包括少于N个管，则图案行的其余元件保持为空，参见例如图2。管图案描绘了与管间距无关的束管布置，即，层之间的垂直间距可以变化，并且相同层的管之间的水平间距也可以变化。
加热流体入口始终位于加热体的最上层，如图3所示，以抑制可能的水锤困难。类似地，加热流体出口始终位于加热体的最下层。考虑到加热流体温度在流体入口处最高，而在流体出口处最低，因此较高的管层比较低的管层热效率更高。如图2所绘出的，类似二元矩阵的管图案使得布局具有更多的直管布置在热效率更高的较高层，并且更少的直管布置在热效率更低的较低层。
罐加热过程通过加热填充加热盘管束管的空隙空间的流体开始。加热流体使加热管的温度升高，该加热管通过自然对流热传递机构将热量传递给周围的加热流体。由于浮力作用，靠近加热管的加热流体开始向上移动，产生较高温流体的主要垂直流动，以及由较高温和较低温流体之间的摩擦引起的多个小流体涡旋。随着时间的推移，当加热的流体的羽流(plume)到达罐顶时，逐渐开始涡旋浓缩的过程，其中大多数小涡旋以一个大的涡旋结束，也称为大规模循环。结果是加热流体的主要圆周运动，其中流体流线采用同心圆的形式，如图7所示。加热的流体大规模循环由来自不对称定位的加热盘管束的对流能量流入产生，如图1所示，并且由通过罐壁的对流能量流出进一步增强，其中需要足够的加热持续时间来充分推动所述大规模的循环。
加热盘管束通过围绕直管和U形管的空隙实现大规模循环的几乎水平的错流，如图1和图7所示。由于两个原因，这是一个重要的特征。首先，水平错流使得通过束的错流路径最短，因此导致流体流动的压力损失最小。其次，水平错流类似于束区域中的大规模循环路径，对加热的流体流动结构产生最小的不利影响。
本申请实现了本领域已知的多种长期需求。除了改善热传递之外，本申请的特征在于：
本申请减少了罐区的覆盖底部，使得能够更高效地进行罐清洗；
本申请留下了用于工作车辆的通道；以及
本申请减少了由焊接工作引起的与压载舱油漆燃尽相关的困难。
附图说明
现在将参考附图通过示例进一步描述本发明，其中：
图1是罐的横截面，其中加热盘管束和加热的流体大规模循环轮廓以虚线绘出；
图2示出了一般的加热盘管束二元矩阵状管图案；
图3示出了加热盘管束的优选实施例；
图4示出了加热流体传输管；
图5示出了作为热膨胀补偿设备的具有膨胀弯曲的加热流体传输管；
图6示出了罐加热系统的优选实施例，其中为了清楚起见省略了加热流体供应和排放管线；以及
图7示出了指示加热的流体大规模循环的数值模拟结果。
具体实施方式
填充有液体货物(50)的罐(10)，如图1所示，配备有加热盘管束(20)；以平行且间隔开的关系延伸到油轮纵向对称平面(2)和罐内侧壁(18)，比罐外侧壁(14)略微更靠近罐内侧壁(18)；通过利用多个支撑件(40)连接到罐底(12)。罐底(12)是平坦表面，大部分没有任何可能阻碍流体流动的结构或装备。罐(10)被甲板(16)盖住。
图3的加热盘管束(20)在车间中预先制造并竖立到罐(10)中，其中支撑件(40)连接到罐底(12)，并且加热流体入口(31)和加热流体出口(39)防漏连接到相应的加热流体供应和排放管线。
如果对于罐(10)加热要求由一个加热盘管束(20)产生的热量不足，则需要安装多个加热盘管束(20)，如图6所述。为了清楚起见，在图6中，未示出加热流体供应和加热流体排放管线。
取决于油轮运输的货物种类，图3中的加热管(32)和(34)由碳钢；不锈钢；或一些铜基合金制成。如果管是钢基的，则管通过焊接彼此连接，或者如果管是由铜合金制成的，则通过钎焊连接。加热管(32)通过使用紧固装置(42)，通常是U形螺栓和螺母固定到支撑件(40)上。加热盘管束(20)由位于油轮发动机室中的锅炉中产生的蒸汽—加热流体驱动。蒸汽通过沿着油轮甲板的蒸汽集管分配，其中蒸汽歧管将蒸汽分支到每个加热体。从沿着油轮横向隔板延伸的甲板(16)层蒸汽降液管将蒸汽引导至罐底(12)层，其中利用水平传输管将蒸汽供应到每个加热体入口(31)。
加热盘管通过从蒸汽到货物液体的热传递来加热周围的液体。由于热能流出，蒸汽逐渐冷凝。加热体的管长度必须足以完全冷凝蒸汽。在离开加热体出口(39)之后，冷凝物被引导通过水平传送管直到横向隔板，其中冷凝物升降管；升液管；以及凝汽阀；用于将加热体出口(39)连接到甲板(16)层处的冷凝歧管。冷凝歧管将冷凝物进一步引导至冷凝物集管，冷凝物集管将冷凝物返回到发动机室和锅炉。加热盘管束(20)横截面具有20行的二元矩阵状管图案(22)，并且作为每个管层(24)的一列仅包括一个直管(32)。虽然管图案(22)的特征在于一个图案列，但是加热盘管束(20)由布置在两个物理列中的加热管(32)执行，每个物理列占据支撑件(40)的相对侧中的一个，如图3所示。
支撑件(40)可以以不同的方式执行，从简单的单部件标准型材(如图3所绘出的)到能够牢固地保持加热盘管束(20)的更复杂构建的多部件结构。构建的多部件支撑件对于加热盘管束是适用的，其特征在于更复杂的二元矩阵状管图案(22)，如图2所示。
虽然所述加热管(32)可以布置在低至三层(24)中，但布置在较高数量的管层(24)中的加热盘管束(20)比布置在较低数量的管层(24)中的加热盘管束(20)热效率更高。因此，图3的加热盘管束(20)的特征在于由于简单且紧凑的设计而带来的高热效率和低制造成本。
最靠近直管(32)中心线的内侧壁(18)和加热盘管束(20)之间的距离的范围为罐(10)宽度的0.3至0.7，优选地为0.4至0.45倍。
束(20)位于罐(12)的底部的中间部分，如图1所示，其中大规模循环(52)速度分布对于通过直管(32)和U形管(34)周围的空隙的预期错流是最强的。但是，与理想中点的轻微偏离是所提供的实施例的优选特征，因为精确的中点位置产生较不稳定的大规模循环，易于发生循环(52)方向的变化。
垂直节距，即，管图案(22)的两个连续管层(24)之间的垂直距离应该足够大，以使得加热流体(50)能够容易通过围绕所述直管(32)和所述U形管(34)的空隙错流；其中管图案(22)垂直间距与所述直管(32)外径比至少为1.25；优选地为至少3。
本发明的另一个实施例还包括至少一个加热流体传输管(36)，如图4所示；其特征在于：所述加热流体输送管(36)为具有一个流体入口和一个流体出口的单体；所述加热流体传输管(36)与所述直管(32)以平行且间隔开的关系延伸；并且所述加热流体传输管(36)通过使用所述多个紧固装置(42)固定到所述支撑件(40)上。
本发明的又一个实施例还包括至少一个管热膨胀补偿设备(38)；其特征在于，所述加热流体传输管(36)和所述管热膨胀补偿设备(38)在其开口端处防漏地串联连接，从而为单体提供一个流体入口和一个流体出口。图5描绘了这种加热流体传输管(36)，其中所述管热膨胀补偿设备(38)以膨胀弯曲的形式执行。
当罐(10)的加热要求太高而不能通过所述加热盘管束(20)实现时，多个所述加热盘管束(20)应该布置在罐(10)内，以彼此纵向间隔开的关系仅在恰好一行中延伸，如图6所示，以最小化束(20)对加热流体的流动结构的不利影响。
每个所述加热盘管束(20)加热体具有其加热流体供应管线及其加热流体排放管线，其中所述加热流体供应管线和所述加热流体排放管线液压连接所述加热体入口(31)和所述加热体出口(39)，其中相应的集管在甲板(16)层上。
当多个加热盘管束(20)沿着罐(10)长度排成一排时，需要多个平行的供应和排放管线以跨越垂直降液管和升液管之间的长距离，沿着管罐横向隔板以及相应的加热流体入口(31)和出口(39)延伸。在这样的配置中，位于更靠近隔板的加热盘管束(20)可以帮助加热流体传输到位于一行中更远的束(20)和从其中传输。此外，所述加热流体输送管(36)；各个加热盘管束(20)的部分；被方便地用作供应管线的部分和排放管线的部分。
对加热盘管束(20)的热效应的大规模循环(52)影响在数值上通过瞬态模拟来验证，该瞬态模拟通过使用以下来执行：3.0工具箱的浮力填充泡沫解算器，有限体积方法软件；参见，例如，F.Moukalled等人，The Finite Volume Method inComputational Fluid Dynamics：An Advanced Introduction withandSpringer-Verlag,Cham 2016,第103-135和561-690页。
为了验证目的，填充有585mm2/s粘度油、在约150000个单元格中离散化、并由50A尺寸的钢管构建的7巴蒸汽驱动的加热盘管束(20)加热的图1的二维域(10)，如图3所示，经受三小时的加热。
下表总结了获得的结果；其中，前LSC列是指在最初的2700秒加热期间的预循环流体流动阶段；而LSC列是指在剩余的8100秒加热期间推动的大规模循环流体流动阶段。
根据书Y.I.Cho,G.A.Greene,Advances in Heat Transfer,Volume 43,AcademicPress,San Diego 2011第298页，理查森(Richardson)数是浮力引起的电流相对于施加的流量的相对强度的量度。报告的平均理查森数从95.2到7.3的下降表明，所述大规模循环(52)将所述束(20)强制对流热传递相对于所述束(20)自然对流热传递的影响增强了一个数量级。
图7中提供了典型的模拟大规模循环流线。

Claims (10)

1.一种用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，包括：
至少一个加热体，包括多个直管(32)和多个U形管(34)；
多个紧固装置(42)；以及
至少一个支撑件(40)，以形成紧凑且刚性结构；其特征在于：
所述直管(32)和所述U形管(34)在其开口端处防漏地串联连接，从而提供具有一个流体入口和一个流体出口的单个加热体；通过使用所述多个紧固装置(42)固定到所述支撑件(40)；通过利用所述支撑件(40)连接到罐(12)的底部；
所述直管(32)和所述U形管(34)布置在至少三个平行且垂直间隔开的加热盘管层(24)中，其中加热流体入口(31)布置在所述加热体最上管层(24)中，并且加热流体出口(39)布置在所述加热体最下管层(24)中；以及
多个所述加热盘管束(20)仅在恰好一行中延伸，彼此呈纵向间隔开的关系。
2.如权利要求1所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其特征还在于，所述直管(32)和所述U形管(34)的连接顺序通过连接所述直管(32)和所述U形管(34)开始，然后通过在所述U形管(34)的开口端侧将分别包括所述直管(32)和所述U形管(34)的管对进行一系列连续连接而继续，并且最后通过连接另一个所述直管(32)完成。
3.如权利要求2所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其中所述加热盘管束(20)以与油轮纵向对称平面(2)平行且间隔开的关系延伸；并且最靠近直管(32)中心线的内侧壁(18)与所述加热盘管束(20)之间的距离的范围为所述罐(10)宽度的0.3至0.7，优选地为0.4至0.45倍。
4.如权利要求3所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其中，管图案(22)垂直间距与所述直管(32)外径比至少为1.25；优选地为至少3。
5.如权利要求4所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，还包括至少一个加热流体传输管(36)；
其特征在于：
所述加热流体传输管(36)是具有一个流体入口和一个流体出口的液压单体；
所述加热流体传输管(36)与所述直管(32)以平行且间隔开的关系延伸；以及
所述加热流体传输管(36)通过使用所述多个紧固装置(42)固定到所述支撑件(40)上。
6.如权利要求5所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，还包括至少一个管热膨胀补偿设备(38)；其特征在于，所述加热流体传输管(36)和所述管热膨胀补偿设备(38)在其开口端处防漏地串联连接，从而提供具有一个流体入口和一个流体出口的单体。
7.如权利要求6所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其特征在于，所述管热膨胀补偿设备(38)是膨胀弯曲的。
8.如权利要求4至6中任一项所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其特征在于，所述紧固装置(42)是U形螺栓和螺母紧固件。
9.如权利要求4至6中任一项所述的用于罐(10)加热的加热盘管束(20)，其特征在于，所述支撑件(40)是能够牢固地保持所述加热盘管束(20)的任何单部件或任何构建的多部件结构。
10.一种罐(10)加热系统，包括：
如权利要求5和6中任一项所述的至少一个所述加热盘管束(20)；以及
如权利要求4所述的加热盘管束(20)；
其特征在于：
权利要求5和6中任一项所述的加热盘管束(20)在权利要求4所述的加热盘管束(20)之前，所述最后一束成行；
每个所述加热盘管束(20)加热体具有其加热流体供应管线及其加热流体排放管线；其中所述加热流体供应管线和所述加热流体排放管线将加热体入口(31)和加热体出口(39)与甲板(16)上的相应集管液压连接；以及
所述加热流体传输管(36)方便地用作所述供应管线的部分和所述排放管线的部分。
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