[发明专利]柱状传热装置及用于流体物质传热的管道及方法

说明书

技术领域

本发明涉及管道加热技术，特别是一种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，提供一种柱状传热装置及管道传热方法。具体方案如下：

本发明的一个重要的方面，是提供了一种柱状传热装置，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；

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。

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。