柱狀傳熱裝置及用于流體物質(zhì)傳熱的管道及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及管道加熱技術，特別是一種柱狀傳熱裝置及用于流體物質(zhì)傳熱的管道及方法。
【背景技術】
[0002]在很多工業(yè)領域中，一方面存在對流體物質(zhì)例如石油、水、氣體的加熱或者換熱需求。另一方面，又會產(chǎn)生很多工業(yè)余熱，這些余熱可以回收利用，以節(jié)約能源。針對這兩方面的需求的傳熱設備，一般都需要比較大型，能夠流暢地傳熱并輸送流體物質(zhì)，傳熱過程中溫度在一定范圍穩(wěn)定以保證安全。
[0003]例如，開采的粘稠石油從地下輸送到地面過程中，由于地面溫度下石油會變得非常濃稠而難以有效輸送，因此需要對開采井口的輸送管道進行加熱使油溫控制在80°C?120°C。控制輸送過程中的油溫的技術和裝置，一直在改進，近年來水套加熱爐以其可靠的安全性能，在油田地面工程中得到廣泛應用，特別是在油田井口、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站內(nèi)逐漸替代直接火筒加熱爐和管式加熱爐。水套加熱爐的工作原理為:燃料(目前通常為天然氣)產(chǎn)生的高溫煙氣通過煙管與殼體內(nèi)的中間介質(zhì)水換熱，中間介質(zhì)水吸收熱量后產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽上升至加熱盤管處通過與盤管內(nèi)的原油進行相變換熱加熱盤管內(nèi)的介質(zhì)，蒸汽相變后的冷凝水返回水浴中，繼續(xù)加熱蒸發(fā)，如此循環(huán)往復，在加熱爐的殼體內(nèi)形成動態(tài)平衡。用水套爐進行加熱時存在兩個關鍵的換熱過程:煙氣與水換熱產(chǎn)生蒸汽、水蒸汽升至加熱盤管處通過加熱盤管向管內(nèi)原油傳熱。因此，火筒煙管和加熱盤管的傳熱是影響水套爐傳熱的主要因素。加熱盤管主要浸沒在爐內(nèi)蒸汽中，蒸汽熱量傳遞給盤管內(nèi)原油的過程包括:蒸汽對盤管外表面的放熱過程、盤管壁的導熱過程和盤管內(nèi)壁對原油的放熱過程。管內(nèi)輸送的原油雖然為強制流動狀態(tài)，但由于受原油性質(zhì)的限制，特別是稠油，盤管內(nèi)壁的放熱系數(shù)不高，管內(nèi)壁與原油的換熱，成為制約盤管換熱性能的重要瓶頸(參照李清芳，三位內(nèi)肋管在水套爐上的應用.石油規(guī)劃設計，2004 ;15，(6): (38-40))。
[0004]除上述其換熱性能差之外，基于水套爐本身的工作原理，還存在其它幾方面的問題.1.由于熱量是從輸油管外向內(nèi)傳輸，造成貼近管壁部分的原油受熱較好而管軸心部份的原油受熱較差，管內(nèi)原油溫度不均勻，影響輸送速度。更嚴重的是，即使貼近管壁部分的原油溫度達到120°c，管中心原油的溫度可能還達不到80°C從而在中心形成蠟造成堵塞。
2.水套爐采用的燃料，目前普遍為天燃氣。天燃氣儲量有限，在開采石油過程中消耗天燃氣，于國于民既不經(jīng)濟，也不是長久之計，不利于節(jié)能減排。3.由于水套爐加熱石油管道的地點是在石油開采的地面工程點，在石油開采地面工程點，采用天燃氣為水套爐的燃料，必須采取非常嚴格的安全管理方式。管理成本高，而且無論多么嚴格的管理，仍然存在非常大的安全隱患。
[0005]目前石油輸油管采用的水套爐加熱方式的上述缺陷尚未見到確實有效可行的解決方案。
[0006]熱管換熱技術，由于相變換熱的方式傳熱效率高，在工業(yè)中得到了廣泛的應用，熱管的主要傳熱方式為蒸發(fā)和冷凝，具有傳熱能力大、溫度控制能力強、傳熱效率高的特點。關于熱管在石油輸送管道加熱方面的應用，在上述專利公布之前，就有人提出在熱水爐中采用熱管技術強化傳熱以解決換熱性能差的問題(尹余升，插入件強化傳熱在熱水爐中的應用，工業(yè)鍋爐，1998 ；1 (58):21-23)。但是在熱水爐中插入熱管，并不能解決輸油管內(nèi)原油受熱不均，加熱爐燃料的安全管理與短缺等問題。
[0007]綜上，目前石油輸油管道加熱技術存在上述缺陷，尚未見到有效的解決建議或方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明根據(jù)上述領域的需求，提供一種柱狀傳熱裝置及管道傳熱方法。具體方案如下:
[0009]本發(fā)明的一個重要的方面，是提供了一種柱狀傳熱裝置，其特征在于:包括可導熱柱狀殼體和分隔板；
[0010]所述可導熱柱狀殼體的內(nèi)腔為密閉空間；
[0011]所述分隔板將所述可導熱柱狀殼體的內(nèi)腔分隔為與所述可導熱柱狀殼體的軸向相平行的多個腔室；
[0012]所述腔室內(nèi)灌裝有工質(zhì)；
[0013]所述腔室的內(nèi)壁上依次設置有若干由導熱材料制成的微翅片，相鄰所述微翅片之間形成陣列的毛細微槽，所述毛細微槽以有利于減少所述工質(zhì)在所述腔室內(nèi)流動所受的阻力的方式設置。
[0014]本發(fā)明提供的柱狀傳熱裝置，總體上，外形為柱狀，有利于安裝在目前常規(guī)的流體管道內(nèi)，其中的工質(zhì)從可導熱柱狀殼體外壁流經(jīng)的流體中吸熱或向流體放熱，發(fā)生因相變。反過來說，流經(jīng)的流體物質(zhì)和不斷相變的工質(zhì)不斷地動態(tài)換熱從而實現(xiàn)對流經(jīng)的流體物質(zhì)進行傳熱一加熱或者冷凝。多個腔室以及微翅片的設置，有利于工質(zhì)在相變過程中的快速流動。柱狀熱管的設置，目的在于增加有利于工質(zhì)相變流動的毛細微槽的數(shù)量，提高柱狀傳熱裝置的換熱效率。
[0015]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選所述腔室以所述可導熱柱狀殼體的軸為軸心對稱均勻分布。
[0016]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選所述可導熱柱狀殼體為規(guī)則的圓柱體。
[0017]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選每一個所述腔室為獨立密閉空間。
[0018]在本發(fā)明的另外一些實施例中，優(yōu)選至少有兩個所述腔室的一端是開放的，所述腔室內(nèi)灌裝的工質(zhì)可以在不同腔室之間流通。
[0019]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選所述可導熱柱狀殼體兩端設置有殼體軸向連接結(jié)構(gòu)，用于連接另外一根柱狀傳熱裝置并且有利于相鄰連接的柱狀傳熱裝置之間相互傳熱。
[0020]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選所述可導熱柱狀殼體至少一端設置有殼體熱源連接部件，用于連接可向可導熱柱狀殼體傳輸熱量的熱源供應裝置。
[0021]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選可導熱柱狀殼體的材料為金屬導熱材料。
[0022]本發(fā)明提供的柱狀傳熱裝置，可以直接應用安裝于需要對管道中流體進行換熱的管道中。適用于大型工業(yè)中，例如對工業(yè)排水、排氣的余熱回收，對管道輸送中的石油的加熱等，不用改造現(xiàn)有的管道；其自身尺寸可根據(jù)使用場所的需要，做成大型的或微小型的；具有傳熱均勻、不影響管道內(nèi)流體物質(zhì)的流暢流動的優(yōu)點。
[0023]本發(fā)明另一個重要的方面，如圖2A，2B所示，基于上述柱狀傳熱裝置提供了一種用于流體物質(zhì)傳熱的管道，其特征在于，包括管道和上述任一柱狀傳熱裝置，
[0024]所述可導熱柱狀殼體與所述管道之間留有沿所述管道軸向的用于流體物質(zhì)流動的通孔。
[0025]本發(fā)明的管道實施例中，如圖2B所示，其中一些優(yōu)選所述柱狀傳熱裝置為多個，相互間隔且平行地設置在所述管道中，所述管道內(nèi)壁設上有向管道軸心延伸的用于支撐和安裝所述柱狀傳熱裝置的管道內(nèi)固定部件。本領域技術人員可以根據(jù)可以根據(jù)管道的大小，柱狀傳熱裝置的重量，將管道內(nèi)固定部件設置不同的結(jié)構(gòu)，例如在管道內(nèi)壁焊接有與柱狀傳熱裝置數(shù)量對應的套環(huán)狀結(jié)構(gòu)，柱狀傳熱裝置插裝在套環(huán)內(nèi)。
[0026]本發(fā)明的一些管道實施例中，優(yōu)選所述柱狀傳熱裝置的可導熱柱狀殼體外壁上設置有與另一個所述柱狀傳熱裝置的可導熱柱狀殼體相互連接固定的傳熱殼體橫向連接部件。如圖2B所示。
[0027]如圖3所示，本發(fā)明的一些管道實施例中，優(yōu)選所述柱狀傳熱裝置設置在所述管道軸心，所述管道和所述可導熱柱狀殼體為一體成型，所述通孔沿可導熱柱狀殼體周邊均勻分布。
[0028]本發(fā)明的一些管道實施例中，優(yōu)選用于所述管道和所述可導熱柱狀殼體一體成型的材料為導熱材料。
[0029]本發(fā)明的一些管道實施例中，優(yōu)選所述可導熱柱狀殼體兩端設置有連接結(jié)構(gòu)，用于連接另外一根柱狀傳熱裝置并且有利于相鄰連接的柱狀傳熱裝置之間傳熱。
[0030]本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選所述管道兩端設置有管道縱向連接結(jié)構(gòu)，用于連接另外一根所述管道；所述柱狀傳熱裝置的長度與所述管道長度相適應以使得兩根所述管道相連時，兩根所述管道內(nèi)的柱狀傳熱裝置之間可以進行熱傳遞傳熱。
[0031]根據(jù)本發(fā)明上述兩方面的的核心思想，本發(fā)明還提供了一種對管道內(nèi)流體物質(zhì)傳熱的方法，其特征在于:在流體物質(zhì)流動的管道中沿其軸向方向設置有一個或多個上述柱狀傳熱裝置；通過柱狀傳熱裝置內(nèi)的工質(zhì)的相變來實現(xiàn)與管道內(nèi)流體物質(zhì)之間的熱交換。
【附圖說明】
[0032]圖1本發(fā)明柱狀傳熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖，
[0033]圖2A本發(fā)明加熱流體物質(zhì)的管道結(jié)構(gòu)示意圖，
[0034]圖2B本發(fā)明設置有多個柱狀傳熱裝置的管道結(jié)構(gòu)示意圖，
[0035]圖3本發(fā)明加熱流體物質(zhì)的管道的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，
[0036]其中I 一可導熱柱狀殼體,2-分隔板,3-微翅片,4-腔室,5-管道,6-管道內(nèi)固定部件，7-通孔，8-傳熱殼體橫向連接部件，9-毛細微槽。
【具體實施方式】
[0037]以下通過附圖和【具體實施方式】說明本發(fā)明。
[0038]如圖1所示，本發(fā)明的一個重要的方面，是提供了一種柱狀傳熱裝置，其特征在于:包括可導熱柱狀殼體I和分隔板2 ;所述可導熱柱狀殼體I的內(nèi)腔為密閉空間；所述分隔板2將所述可導熱柱狀殼體I的內(nèi)腔分隔為與所述可導熱柱狀殼體的軸向