专利名称：同轴泥浆对流换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于对天然气水合物钻探取样所使用低温泥浆进行冷却 的热交换装置，尤其是逆流换热的换热装置。
背景技术：
开发利用天然气水合物首先要通过钻探取样手段取得天然气水合物岩心样品，然 后通过对岩心的分析，评估天然气水合物储存量、天然气水合物矿层的产状、规模和性质等 地质参数，所以钻探取样是开发利用天然气水合物最直接的主要手段。天然气水合物赋存 在0 10°C，压力> lOMPa的地层中，只要天然气水合物赋存地层的温度升高或地层压力降 低都可能引起天然气水合物分解。钻探取样施工过程中钻头切削岩石产生大量的热，同时 钻具与孔壁摩擦也会产生热，孔底温度升高，这些热量传递给钻井泥浆，泥浆温度也随之升 高。泥浆温度升高会造成在钻取天然气水合物岩心时，天然气水合物发生分解，致使无法采 取到原位保真的天然气水合物岩心样品，不但会影响对矿层储存量的评估，而且还可能会 引起孔内事故并对钻探设备造成危害，所以必须对钻探所使用的泥浆温度进行控制，保证 泥浆温度和天然气水合物地层温度基本保持一致。目前国内还没有专门适用于泥浆冷却的换热器。现有的换热器按传热特征可分 为直接接触式、间壁式。间壁式换热器又分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式 换热器、列管式换热器、套管式换热器。按介质的的流动方向又分为顺流换热器和逆流换 热器。直接接触式换热器，即冷热流体直接混合，一般适用于冷热流体为同种介质情况下的 换热，不适用于泥浆冷却；，即冷热流体由金属壁隔开，不直接接触。间壁式换热器的类型 有夹套式换热器，这种结构的换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装 夹套制成；沉浸式蛇管换热器，这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的 情况，并沉浸在容器内的液体中；喷淋式换热器，这种结构的换热器多用于冷却管内的热流 体，将蛇管成排地固定于刚架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中 均勻淋下；列管式换热器，这种结构的换热器又称为管壳式换热器，多为加热器；套管式换 热器，这种结构的换热器将两种直径大小不同的管套装成同心套管，使一种流体在内管流 过，另一种则在套管间的环状间隙中通过。用于制冷行业的一般采用的间壁式换热器类型 有沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器。对于泥浆冷却问题，泥浆温度要冷却 到零度以下，喷淋式换热器不适用，沉浸式蛇管换热器放在泥浆池里占用本就狭小的空间， 也不适用。现有的同轴逆流换热器多为盘管式，结构比较复杂，体积小，流体流量不大。对 于泥浆冷却要求流量大，流速高，且泥浆具有造壁性能，即泥浆在流动的过程中，容易在管 壁形成泥皮，现有的换热器不能满足泥浆恶劣工况条件下的冷却。
发明内容本实用新型的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于陆地冻土层和 海洋钻探施工，特别适用于天然气水合物钻探取样施工的天然气水合物钻井泥浆冷却的同
3轴泥浆对流换热器。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的同轴泥浆对流换热器，换热器各换热管排布方式为双层或多层排布方式，内管1 套装在外管3内，内管1与外管3同轴，两管间的环状空间为制冷剂循环通道，环状间隙两 端封闭，内管1为泥浆循环通道，循环泥浆与制冷剂相对逆向流动，构成逆流换热，内管1与 内管1之间通过法兰7和U型波纹管4连通，外管3与外管3之间通过短管5和法兰7连 通，短管5中间装有法兰7，外管3焊接有支撑杆6用于限制两外管3之间的距离，泥浆进 口 8和泥浆出口 11设在泥浆对流换热器的同一端，制冷剂进口 9和制冷剂出口 10设在同 轴泥浆对流换热器的同一侧面，并与外管3连通，外管3的外壁涂装有保温层2。本实用新型的目的还可以通过以下技术方案实现保温材料公四层，由里向外依次为保温漆、聚氨酯泡沫、硬质保温材料和锡纸；保 温漆采用双组分油性隔热保温底漆、油罐保温漆或水性隔热保温面漆。硬质保温材料优选 硬质胶皮或聚氨酯硬质泡沫塑料瓦。内管1内壁为光滑面；制冷剂为乙二醇。有益效果同轴泥浆对流换热器经试验表面传热系数大，换热效果好，能够快速冷 却泥浆，可承受高压，特别适合大流量、高流速低温或超低温流体之间的换热，结构简单，使 用方便，造价低廉。
附图1为同轴泥浆对流换热器俯视示意图；附图2为同轴泥浆对流换热器主视示意图；附图3为同轴泥浆对流换热器保温结构示意图；附图4为同轴泥浆对流换热器逆流换热示意图；附图5为同轴泥浆对流换热器排布型式示意图。附图6为图4的截面图1内管，2保温层，3外管，4U型波纹管，5短管，6支撑，7法兰，8泥浆进口，9制冷剂 出口，10制冷剂进口，11泥浆出口。
具体实施方式
以下结合附图和实施例作进一步详细说明同轴泥浆对流换热器，换热器各换热管排布方式为双层或多层排布方式，内管1 套装在外管3内，内管1与外管3同轴，两管间的环状空间为制冷剂循环通道，环状间隙两 端封闭，内管1为泥浆循环通道，循环泥浆与制冷剂相对逆向流动，构成逆流换热，内管1与 内管1之间通过法兰7和U型波纹管4连通，外管3与外管3之间通过短管5和法兰7连 通，短管5中间装有法兰7，外管3焊接有支撑杆6用于限制两外管3之间的距离，泥浆进 口 8和泥浆出口 11设在泥浆对流换热器的同一端，制冷剂进口 9和制冷剂出口 10设在同 轴泥浆对流换热器的同一侧面，并与外管3连通，外管3的外壁涂装有保温层2。保温材料共四层，由里向外依次为保温漆、聚氨酯泡沫、硬质保温材料和锡纸；硬 质保温材料优选硬质胶皮；内管1内壁为光滑面；制冷剂为乙二醇。实施例1
4[0021]双层排布式同轴泥浆对流换热器内管1与外管3为有相同长度的直管段，内管1套装在外管3内，内管1与外管3 同轴，构成一组同轴套管。组与组之间的同轴套管平行排布，相邻两组同轴套管的内管1之 间通过U型波纹管4和法兰7连通，外管3与内管1构成一环状间隙，每组同轴套管的环状 间隙两端都是封闭的，在外管3端部一侧焊接一短管5，通过法兰7与另一组同轴套管外管 3焊接的短管5连通；在两组同轴套管另一端用一支撑6连接，支撑6与短管5等长，支撑 6限制两组外管3的距离，使两组外管3保持平行，在外管3外表面和用于连接外管3的短 管5外表面及U型波纹管4的外表面涂装保温层2。保温层2的最里层是涂在外管3上的 双组分油性隔热保温底漆，依次向外包裹聚氨酯泡沫、硬质胶皮和锡纸。泥浆进口 8和泥浆 出口 11安装在同一侧，制冷剂乙二醇进口 9和制冷剂乙二醇出口 10安装在同一侧，泥浆进 口端的侧面为制冷剂乙二醇出口端，泥浆出口端侧面为制冷剂乙二醇进口端。内管1循环 介质为泥浆，外管3与内管1构成的环状间隙中的流动的循环介质为制冷剂乙二醇，两种介 质逆向流动，构成逆流换热。各换热管连接好后，固定在钢结构底盘上，使用时运至施工现 场。泥浆池中的泥浆经泥浆泵送入换热器，冷却后再返回泥浆池，也就是换热器不断地循环 冷却泥浆处中的泥浆，冷却后的泥浆再经钻机泥浆泵送入钻孔。制冷剂乙二醇进口 10经低 温液体泵与乙二醇箱连通，制冷剂乙二醇出口 9与乙二醇箱连连通。在钻进时，由于钻头切削岩石会产生大量热能，同时钻具与孔壁摩擦也会产生热 能，这些热必然传递给泥浆，泥浆携带这些热量至地表泥浆池，再通过泥浆泵送入同轴泥浆 对流换热器，经换热冷却后再返回泥浆池中。制冷剂乙二醇从乙二醇箱经低温液体泵抽吸至同轴泥浆对流换热器制冷剂乙二 醇进口 10，再在换热器环状间隙与内管中的泥浆换热，换热后，乙二醇温度升高，经制冷剂 乙二醇出口 9返回乙二醇箱降温。实施例2多层排布式同轴泥浆对流换热器。内管1与外管3为有相同长度的直管段，内管1套装在外管3内，内管1与外管3 同轴，外管3与内管1构成一环状间隙，构成一组同轴套管。每组同轴套管的环状间隙两端 都是封闭的，组与组之间的同轴套管不论是平面排布还是竖直面向排布都是平行的，相邻 两组同轴套管的内管1通过U型波纹管4和法兰7连通，在外管3端部一侧焊接一短管5， 通过法兰7与另一组同轴套管外管3焊接的短管5连通；在两组同轴套管另一端用一支撑 6连接，支撑6与短管5等长，支撑6限制两组外管3的距离，使两组外管3保持平行，在外 管3外表面和用于连接外管3的短管5外表面及U型波纹管4的外表面涂装保温层2。保 温层2的最里层是涂在外管3上的油罐保温漆，依次向外包裹聚氨酯泡沫、聚氨酯硬质泡沫 塑料瓦和锡纸。第三层同轴套管泥浆进口 8与第二层同轴套管泥浆出口 11通过U型波纹 管4和法兰7连通，第三层同轴套管制冷剂乙二醇进口 9与第二层同轴套管制冷剂乙二醇 出口 10通过法兰7与第三层外管3焊接的短管5连通，第四层、第五层，乃至N层同样方式 连通。制冷剂乙二醇进口 9焊接在最后一层同轴套管外管3侧面上，泥浆出口 11设置在最 后一层同轴套管与制冷剂乙二醇进口 9同一端。泥浆进口端的侧面为制冷剂乙二醇出口 端，泥浆出口端侧面为制冷剂乙二醇进口端。内管1循环介质为泥浆，外管3与内管1构成 的环状间隙中的流动的循环介质为制冷剂乙二醇，两种介质逆向流动，构成逆流换热。各换热管连接好后，固定在钢结构底盘上，使用时运至施工现场。泥浆池中的泥浆经泥浆泵送入 换热器，冷却后再返回泥浆池，也就是换热器不断地循环冷却泥浆处中的泥浆，冷却后的泥 浆再经钻机泥浆泵送入钻孔。制冷剂乙二醇进口 10经低温液体泵与乙二醇箱连通，制冷剂 乙二醇出口 9与乙二醇箱连连通。在钻进时，由于钻头切削岩石会产生大量热能，同时钻具与孔壁摩擦也会产生热 能，这些热必然传递给泥浆，泥浆携带这些热量至地表泥浆池，再通过泥浆泵送入同轴泥浆 对流换热器，经换热冷却后再返回泥浆池中。制冷剂乙二醇从乙二醇箱经低温液体泵抽吸至同轴泥浆对流换热器制冷剂乙二 醇进口 10，再在换热器环状间隙与内管中的泥浆换热，换热后，乙二醇温度升高，经制冷剂 乙二醇出口 9返回乙二醇箱降温。
权利要求一种同轴泥浆对流换热器，其特征在于，换热器各换热管排布方式为双层排布或多层排布方式，内管(1)套装在外管(3)内，内管(1)与外管(3)同轴，两管间的环状空间为制冷剂循环通道，环状间隙两端封闭，内管(1)为泥浆循环通道，循环泥浆与制冷剂相对逆向流动，构成逆流换热，内管(1)与内管(1)之间通过法兰(7)和U型波纹管(4)连通，外管(3)与外管(3)之间通过短管(5)和法兰(7)连通，短管(5)中间装有法兰(7)，外管(3)焊接有支撑杆(6)用于限制两外管(3)之间的距离，泥浆进口(8)和泥浆出口(11)设在泥浆对流换热器的同一端，制冷剂进口(9)和制冷剂出口10设在同轴泥浆对流换热器的同一侧面，并与外管(3)连通，外管(3)的外壁涂装有保温层(2)。
2.按照权利要求1所述的同轴泥浆对流换热器，其特征在于，保温材料共四层，由里向 外依次为保温漆、聚氨酯泡沫、硬质保温材料和锡纸。
3.按照权利要求2所述的同轴泥浆对流换热器，其特征在于，保温漆采用双组分油性 隔热保温底漆、油罐保温漆或水性隔热保温面漆。
4.按照权利要求2所述的同轴泥浆对流换热器，其特征在于，硬质保温材料优选硬质 胶皮或聚氨酯硬质泡沫塑料瓦。
5.按照权利要求1所述的同轴泥浆对流换热器，其特征在于，内管(1)内壁为光滑面， 制冷剂为乙二醇。
专利摘要本实用新型涉及一种同轴泥浆对流换热器。换热器各换热管排布方式为双层或多层排布方式，内管套装在外管内，两管间的环状空间为制冷剂循环通道，内管为泥浆循环通道，循环泥浆与制冷剂相对逆向流动，构成逆流换热，内管与内管通过法兰和U型波纹管连通，外管与外管通过短管和法兰连通，短管中间装有法兰，泥浆进口和泥浆出口设在泥浆对流换热器的同一端，制冷剂进口和制冷剂出口设在同轴泥浆对流换热器的同一侧面，并与外管连通，外管的外壁涂装有保温材料。经试验，该换热器表面传热系数大，换热效果好，能够快速冷却泥浆，可承受高压，特别适合大流量、高流速低温或超低温流体之间的换热，结构简单，使用方便，造价低廉。
文档编号F28D7/10GK201607145SQ20092009484
公开日2010年10月13日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者孙友宏, 徐会文, 李国圣, 王庆华, 薛军, 贾瑞, 赵建国, 赵江鹏, 郭威, 陈晨 申请人:吉林大学