专利名称：热管式油井节能加热炉装置的制作方法
技术领域：
一种热管式油井节能加热炉装置，属于石油开采辅助设备，涉及一种高效节能的原油加热炉。
背景技术：
目前，国内外在石油开采中，为使油井中吸出原油的黏稠度低，以便于通过管道将原油输送出去，普遍采用的是水套炉或燃气炉对原油加热。水套炉方式是用热水锅炉提供的热水包套在待加热油管的外面，对管中的原油进行加热的方式；燃气炉方式和家用煤气灶的工作方式相似，采用燃气从待加热油管外面燃烧，对管中的原油进行加热的方式，这两种加热方式共同特征是采用外燃式加热，其热源没有遮蔽，二者共同的缺点是热能的泄漏、逃逸量大、热效率低。特别是水套炉存在管路气阻、管路腐蚀和传热性能差等问题，其能源利用率很低，设备故障率又高，属于亟待更新的旧设备。本实用新型的目的是提供一种新型的油井节能加热炉装置，这种加热炉装置的设计采用了将电热源和待加热的油管全部包入热管内部的结构形式，令热交换过程完全在热管内部的工作介质中进行，这样一来，热源除了向热管的工作介质散热外，没有其他散热路径，从而克服了现有技术的热源在加热过程中的热能泄漏、热效率低的问题。
本发明涉及的热管技术，可检索到最早的热管专利是美国PN02350348号专利。又据报道，1964年美国首次制成了商品热管。70年代以后，热管技术的应用才逐步从航天工业转向普通工业领域。目前热管技术已相当广泛的应用于电子电器散热器，大型空气预热器，高温高压化学反应器等高效换热装备中了。
热管的结构和原理热管一般是在一段真空的管子内，充入若干易于蒸发的液体作为工作介质(工质)，当工质受热蒸发，上升到较冷的上端，气态的工质释放掉潜热，从气相变回液相，凝结成液滴，由于重力作用或其他物理作用，液滴重新回到底部，在热能的作用下工质再次被蒸发，然后又上升再次冷却，这样工质周而复始地进行相变，周而复始地将热量搬运到冷端；由于热量的搬运是靠工质的相变完成的，所以管内的温度梯度很小，接近于等温(两米长的热管，管内蒸气的温度差不超过5度)，热管的导热系数是金属的5000-10000倍；传递热量大，几乎达到金属良导体的千倍，故热管有热超导之称。热管的导热效率＞95％；导热密度达540-15000瓦/平方厘米；导热速度＞200毫米/秒(铜的千倍)；工作温度范围零下200℃至零上2000℃，由于热管的一系列优异的导热性能，所以在石油化工，冶金，纺织，陶瓷，锅炉，采暖，烘烤等行业得到广泛的应用。目前，热管技术按常规的使用方法，都是从热管一头的外表加热，又从热管另一头的外表散热。换言之，如以热管的管壁为界面，充有工作介质的密封部分是热管的内面，与大气接触的一面就是热管的外面，常规的使用中，加热和散热过程都是在热管管壁的外面进行的，工作介质周而复始地蒸发与凝结的循环过程则在密封的管子内部进行。
发明内容
①所要解决的技术问题本实用新型的目的是提供一种热管式油井节能加热炉装置，该节能加热炉装置一方面在设计中采用热管的基本结构，利用热管的优异导热性能，把热源的热量快速高效地输送到低温区域，使低温区的温度升高，用此热量对刚从油井中吸出的原油进行加热，使其黏稠度下降，以便于管道输送；一方面采用了将电热源和待加热油管全部包入热管内部的设计，令热交换过程完全在热管的工作介质中进行，这就从根本上避免了传统热管在传热过程中热能的泄漏与逃逸，进一步减少了热量的散失，提高了热能的利用率。本发明的内容可以用一形象化的方式表述如下在一个密闭的、真空的空间里，放入了电热源、待加热油管和热管工作介质；电热源的热量通过热管工作介质的相变将热量源源不断地搬运到待加热油管上，从而实现了热能快速高效、无泄漏地传递与利用，达到节能、降低采油成本的目的。与普遍采用的水套炉或燃气炉加热方法相比，本实用新型从根本上克服了在传热过程中热能的泄漏与逃逸，与水传热相比，总节能可达到40％-50％的水平。
②所采用的技术方案本发明的热管式加热炉中，将作为热源的电加热器和待加热的油管全部浸入热管内部的工作介质中并封装在热管内部；又为了增大待加温的油管的表面积，将油管盘成螺旋状，而且做成双份，每一根螺旋管都单独用金属板卷成夹套将其套在中间，形成一大一小的两个环状套筒，小的在内大的在外，呈同心状；将两个螺旋油管的进出口分别并连起来，形成总的进出口。两个环状套筒作为热管炉的吸热部；电加热器也用金属管套起来，作为热管炉的发热部；然后用连通管把吸热部和发热部串联起来形成一个密封的热管系统。这样设计的好处是避免了热量向空中的逸散；一方面电热源的热量直接进入热管工作介质中，传热过程不必经过热管外壳的传导；一方面待加温的油管直接从工作介质中吸收热量，传热过程同样不经过热管外壳的传导，这样就从根本上避免了传统热管在传热过程中热能的泄漏与逃逸，节约了热能，提高热能的利用率。其次，本实用新型为了保证在停电时仍可维持对原油进行加热，在设计中附设了一套燃气喷火加热装置，其特征是通过传感器探知停电发生的瞬间，即刻自动点燃燃气喷火加热，一旦供电恢复，即刻自动切断燃气，恢复电加热工作状态。(电加热工作状是本实用新型的基本状态，也是热效率最佳的状态。燃气喷火加热仅作为停电时的应急措施，此时的热效率大体上是常规热管的水平)。
③本实用新型的有益效果与现有的水套炉加热原油法相比，热管法的导热效率高，加上本设计中电热源的热量直接进入热管工作介质中，所加热的油管也直接浸泡在热管内的工作介质中，待加温的油管直接从工作介质中吸收热量，从根本上避免了在传热过程中热能的泄漏与逃逸，使热效率更进一步提高，故与水传热相比，总节能可达到40％～50％的水平。
图1热管式油井节能加热炉装置总体结构图图2热管式油井节能加热炉装置吸热筒结构图图3热管式油井节能加热炉装置内外层螺旋式油管组装图图4热管式油井节能加热炉装置内层螺旋式油管图图5热管式油井节能加热炉装置发热筒结构图图6热管式油井节能加热炉装置出油口油温自动控制阀结构图图7热管式油井节能加热炉装置电气控制系统图图8热管式油井节能加热炉装置电路图
以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式
附图1是本发明热管式油井节能加热炉装置总体结构图，图中(1)排烟筒；(2)热管炉外壳；(3)电器控制箱；(4)热管炉外层吸热筒；(5)内层螺旋式油管入口；(6)原油输入口；(7)热管炉内层吸热筒；(8)内层螺旋式油管；(9)外层螺旋式油管；(10)吸热筒温度传感控制器；(11)出油口油温传感器；(12)出油口压力传感器；(13)原油输出口；(14)出油口油温自动调节阀(15)针型阀；(16)热管工作介质回流管；(17)热管炉发热筒；(18)电加热器；(19)火焰温度传感器；(20)燃气输入管；(21)燃气输入口；(22)燃气电磁阀；(23)燃气输出管；(24)电点火器；(25)热管炉底座；(26)喷火盘；(27)热管工作介质出液管；(28)热管炉外壳隔热层(29)热管炉吸热筒下支架；(30)热管炉吸热筒上支架；(31)热管炉安全卸压阀。
具体实施方式
参阅附图1，将附图1中热管炉内外层吸热筒(7和4)和热管炉发热筒(17)由热管工作介质出液管(27)、热管工作介质回流管(16)串联起来形成一个密封的热管系统。热管系统内灌注的工作介质最好是一氟三氯甲烷(CCL3F)，也可以采用甲烷、丙酮、乙醇、甲醇或甲苯等低温、常温类型的工作介质。当热管炉发热筒(17)内的电加热器(18)通电发热时，热管系统内的工作介质开始升温，当温度达到23.7℃，工作介质立即开始气化，迅速将热量传递到整个热管系统。工作介质的温度的控制方法有二，其一由出油口油温自动调节阀(14)和针形阀(15)进行自动控制，此法在燃气加热时使用；其二通过控制电加热器(18)供电的通断，实现温度的自动控制，此法在电加热时使用。一般，将出油口的油温控制在用户设定的温度上，如70±1℃。
参阅附图1和2可见，因为内层螺旋式油管(8)焊接在热管炉内层吸热筒(7)内；外层螺旋式油管(9)焊接在热管炉外层吸热筒(4)内，所以热管炉内外吸热筒(7和4)内的热量便直接传递给内外层螺旋式油管(8和9)，从而使内外层螺旋式油管内的原油迅速地升温，管内的原油随温度升高而稀释，流动性增加，使输油变得通畅。其次，为了保证在停电时还能对原油进行加热，本装置还设计了一套燃气加热系统，它是这样实现的参阅附图1，热管炉发热筒(17)下方设有一个喷火盘(26)，它是一个天然气燃气喷头，经燃气输入口(21)接至油田的天然气管道对其供气。一旦发生停电，燃气电磁阀(22)立即打开，与此同时，电点火器(24)进行点火，即刻点燃燃气喷火，便从热管外部对热管炉发热筒(17)继续加热。(停电时，电磁阀、控制电路、照明等弱电设备的供电可由备用蓄电池解决。)以下说明热管炉电气控制系统的工作原理参阅附图7，附图7是热管式油井节能加热炉装置电气控制系统图，它表现了传感器信号采集和电气控制箱(3)输出的控制信号与热管炉二者之间的连结关系。为了实现热管炉运行过程中自动温度控制；电加热工作方式与燃气工作方式的自动转换；燃气自动点火；燃气喷火强度的自动控制；油温、油压数据显示和油温、油压超限报警等，本实用新型设计了一个单片机控制系统。它是这样工作的参阅附图8，如热管式油井节能加热炉装置电路图(图8)所示，单片机电路(图8，IC1)是中央处理器，它共采集4路传感器信号即①出油口油温传感器(11)信号；②吸热筒温度传感器(10)信号；③出油口压力传感器(12)信号；④火焰温度传感器(19)信号，这4路传感器信号先由A/D转换芯片(图8，IC4)作A/D转换，后接入单片机电路(图8，IC1)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3脚由单片机电路(图8，IC1)进行数据处理，处理结果接至扩展芯片(图8，IC6)的PB4、PB5、PB6脚，然后经光电偶合器(图8，IC10)接至三极管(图8，T2、T3、T4)进行放大，就可以驱动继电器(图8，J1、J2、J3)动作了，电加热器(18)接在继电器(图8，J4)的触点(图8，J4-1)上，故继电器(图8，J4)的通断即控制电加热器(18)的加热与否；同样，燃气电磁阀(22)连接在继电器(图8，J2)的触点(图8，J2-1)上，继电器(图8，J2)的通断即控制燃气电磁阀(22)的吸合与否；电点火器(24)连接在继电器(图8，J1)的触点(图8，J1-1)上，继电器(图8，J1)的通断即控制电点火器(24)的点火与否。由此可见，通过继电器(图8，J1、J2、J3和J4)的动作就可以完成整个热管炉所需的操作。附图8中IC5是时钟芯片，通过图8，IC1的PO口与图8，IC5的数据总线口D口相连，图8，IC1的P2.1、P2.2脚接图8，IC6的CE、IO片选脚，控制总线由图8，IC1的WR、RD、PSEN、INTI与图8，IC5、IC6的控制总线AS、W/R、DS、IRQ诸脚相连，由图8，IC1的内部程序存储器控制整个单片机系统的顺序运行。图8，IC1的P1.4、P1.5、P1.6输出串行数据通过缓冲器(图8，IC7)和串行数据显示芯片(图8，IC8、IC9)将数据送到图8，LED4～LED7数码管进行油温和油压数据的实时显示。图8，IC2为看门狗芯片，当程序跑飞或死机时，可通过缓冲器(图8，IC3)使图8，IC1的复位端(RESET)清零复位，重新起动。扩展芯片(图8，IC6)的PA1、PA2、PA3、PA4的信号经缓冲器(图8，IC12)驱动发光二极管ED1、LED2、LED3和喇叭(图8，WD)发出声光报警信号，提醒工作人员注意调整参数以防事故发生。图8，IC11为直流电模块，提供系统所需5伏和12伏电源。印刷电路板图可从热管式油井节能加热炉装置电路图(图8)直接导出。全部电器零部件安装在电器控制箱(3)内。
下面描述一个实施例
首先按照附图2，加工热管炉内外层吸热筒(7和4)；再按照附图3和附图4，加工内外层螺旋式油管(8和9)，并分别将内外层螺旋式油管(8和9)组装在热管炉内外层吸热筒(7和4)内；然后按照附图3，将内外层螺旋式油管(8和9)焊接在一起，这样就做成了热管炉的吸热部件。
下一步，按照附图5加工热管炉发热筒(17)并将电加热器(18)组装在其内部，这样就做成了热管炉的发热部件。
为确保内外层螺旋式油管(8和9)胜任工作压力并且确无泄漏，需要用水泵对它进行6mpa加压试验，试验合格方可应用。
同样，对热管炉内外层吸热筒(7和4)，热管炉发热筒(17)也要对它们进行加压试验，试验加压为1mpa，试验合格方可使用。
第三步，按照附图1，将热管炉的发热部件和热管炉的吸热部件用热管工作介质出液管(27)和热管工作介质回流管(16)串联起来，组装成一体；在封口以前灌注入热管工作介质，最好是一氟三氯甲烷(CCL3F)，也可以灌注甲烷、丙酮、乙醇、甲醇或甲苯等低温、常温类型的工作介质，灌注量为整个热管系统容积的三分之一，然后对系统进行加热，加热温度达到23.7℃时，工作介质开始汽化，工作介质的气体将热管内的空气挤出后，即将灌注口封死。当系统内的温度降到30℃以下时，热管系统内变为真空。至此，一个完整的、密封的、热管式原油节能加热炉装置的热管系统便组装成功了。此时，就可按照附图1将此热管系统安装到热管炉外壳(2)内，热管炉内外层吸热筒(7和4)固定在热管炉吸热筒下支架(29)上，热管炉吸热筒上支架(30)起到加固的作用；热管炉发热筒(17)也固定在热管炉吸热筒下支架(29)上；火焰温度传感器(19)安装在热管炉发热筒(17)和喷火盘(26)之间，电点火器(24)附着在喷火盘(26)上，结构与家用煤气灶相仿。
最后，按照附图1，将热管炉外壳隔热层(28)砌好，并将热管炉外壳(2)焊接完成；原油输入口(6)和原油输出口(13)焊接在热管炉外壳(2)的外面；出油口温度传感器(11)和出油口压力传感器(12)焊接在原油输出口(13)上；吸热筒安全卸压阀(31)焊接在吸热筒温度传感控制器(10)下方。
出油口温度自动调节阀(14)直接与原油输出口(13)相连接。出油口温度自动调节阀(14)是一个温控阀门，它根据油管内油温的高低调节针形阀(15)的开度，油温高开度小，油温低开度大，这样一来就可以自动保持油温的稳定。火焰温度传感器(19)用来监控断气或灭火时令燃气电磁阀(22)关断，防止燃气泄漏。
如前所述，燃气加热系统旨在停电时使用，一旦发生停电，燃气电磁阀(22)立即打开，与此同时，电点火器(24)进行点火，可即刻自动点燃燃气喷火，保证从热管外部对热管炉发热筒(17)继续加热。
出油口温度传感器(11)可以采用市售品，当用户将出油口油温设定在70±1℃，温度达到上限时，热管炉电气控制系统立即输出信号，切断电加热器(18)的电源，温度低于下限时，便接通电加热器(18)的电源，从而实现自动控制输出油温的恒定。
当采用燃气加热时，出油口温度的自动控制，是由出油口油温自动调节阀(14)和针形阀(15)两个器件联动实现的，其工作原理如附图6所示出油口油温自动调节阀(14)包括接头(图6，14-1)、活塞体(图6，14-2)、固定架(图6，14-3)、缸体(图6，14-4)、活塞头(图6，14-5)、弹簧(图6，14-6)、活塞杆(图6，14-7)、齿条(图6，14-8)、圆齿轮(图6，14-9)，当油温升高，油压相应升高，推动活塞头(图6，14-5)向下运动，导致齿条(图6，14-8)前进、圆齿轮(图6，14-9)转动，拧转了针形阀(15)，将燃气关小，反之，油温降低，将燃气开大，从而实现出油口油温度的恒定。
权利要求1.一种热管式油井节能加热炉装置，包括排烟筒(1)，热管炉外壳(2)，电器控制箱(3)，热管炉外层吸热筒(4)，内层螺旋式油管入口(5)，原油输入口(6)，热管炉内层吸热筒(7)，内层螺旋式油管(8)，外层螺旋式油管(9)，吸热筒温度传感控制器(10)，出油口油温传感器(11)，出油口压力传感器(12)，原油输出口(13)，出油口油温自动调节阀(14)，针型阀(15)，热管工作介质回流管(16)，热管炉发热筒(17)，电加热器(18)，火焰温度传感器(19)，燃气输入管(20)，燃气输入口(21)，燃气电磁阀(22)，燃气输出管(23)，电点火器(24)，热管炉底座(25)，喷火盘(26)，热管工作介质出液管(27)，热管炉外壳隔热层(28)，热管炉吸热筒下支架(29)，热管炉吸热筒上支架(30)，热管炉安全卸压阀(31)，其中热管炉内外层吸热筒(7和4)和热管炉发热筒(17)由热管工作介质出液管(27)热管工作介质回流管(16)串联起来形成密封的热管系统，作为热管炉热源的是热管炉发热筒(17)，作为热管炉的吸热部的是热管炉内外层吸热筒(7和4)，其特征是内层螺旋式油管(8)焊在热管炉内层吸热筒(7)内，并浸泡在热管炉内部的工作介质中，外层螺旋式油管(9)焊在热管炉外层吸热筒(4)内，也浸泡在热管炉内部的工作介质中，电加热器(18)安装在热管炉发热筒(17)内，也浸泡在热管炉内部的工作介质中。
2.根据权利要求1所述的热管式油井节能加热炉装置，其特征是热管炉发热筒(17)的下方安装了一个停电时能立即自动点燃的喷火盘(26)。
3.根据权利要求1所述的热管式油井节能加热炉装置，其中电器控制箱(3)中安装了一套单片机控制电路，通过单片机控制电路(IC1)控制热管炉的自动运行，其电路元件的接续特征是电加热器(18)连接在继电器(J4)的触点(J4-1)上，燃气电磁阀(22)连接在继电器(J2)的触点(J2-1)上，电点火器(24)连接在继电器(J1)的触点(J1-1)上。
专利摘要一种热管式油井节能加热装置，属于石油开采辅助设备，涉及一种高效节能的原油加热炉。利用热管的优异导热性能，把热源的热量快速高效地输送到低温区域，使低温区的温度升高，对原油进行加热使其粘稠度下降，以便于管道输送；特别是本实用新型采取了将电热源和待加温的油管全部浸入热管内部的工作介质中的技术措施，使电热源的热量直接进入浸泡在热管内部的工作介质中，由于热量不经过热管外壳的传导，避免了热量向空气中逸散，从根本上避免了传热过程中热能泄漏和逃逸，与水传热相比，节约能量可达到40％～50％的水平。本实用新型还设计了一套自动燃气加热装置，可供停电时维持加热。
文档编号E21B36/00GK2731084SQ200420084009
公开日2005年10月5日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者文华 申请人:文华