专利名称：间接介质加热炉换热强化装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种间接介质加热炉换热强化装置及方法，主要应用在油田集 输工程，也可以应用于锅炉领域及其它民用加热装置。
(二)
背景技术：
油田原油、天然气输送大多数采用水套炉，水套炉的特点是燃烧放热首先 加热间接换热介质一水，然后水再把热量传递给浸在水中的被加热流体，这样 做的好处是避免火焰直接加热流体所造成的流体超温超压、烟气腐蚀所发生爆 炸的危险。水套炉一种采用间接介质加热方式的炉型，其主要换热元件是燃烧 室和烟管、被加热流体盘管，这些换热元件均浸入水中，通过水进行热量交换， 具体的换热过程如下:燃料燃烧通过对流和辐射将热量传给燃烧室和烟管内壁， 热量由燃烧室和烟管内壁传给外壁的过程为导热，燃烧室和烟管外壁将热量通 过对流和辐射传给传热介质(水)，这是传热的第一个环节；传热的第二个环节，
传热介质(水)通过自然对流换热将热量传给被加热流体盘管外壁，热量由盘 管外壁传给内壁的过程为导热，盘管内壁将热量通过强迫对流传给被加热流体， 完成整个传热过程。
以上间接介质传热过程有两个传热阶段直接影响总体传热效率，进而影响 换热面积的大小。
第一个传热环节是燃烧室和烟管内烟气侧的对流换热，由于烟气和管内壁 面间存在热附面层，造成烟气侧的对流换热系数很小，为了将燃烧放出的热量 全部传给传热介质(水)，势必要增加换热面积，即增加燃烧室和烟管的数量。 即使采用提高烟气流速等措施，其对流换热系数增加也相当有限，此外增加烟 气流速要采用强制鼓风和引风等手段，造成加热炉系统复杂、额外耗费电能、 故障率高等。
第二个传热环节是传热介质(水)与被加热流体盘管外壁之间的对流换热， 由于炉体内传热介质(水)仅在加热时由于密度差产生自然对流，因此其对流换热系数很低，远小于盘管内被加热流体的强迫对流换热系数，为了将传热介 质(水)的热量全部传给被加热流体，需要足够换热面积，即足够的盘管长度。
针对这一环节换热问题广泛采用相变换热技术，但是这些相变换热方法和 技术手段均属于膜状凝结换热范围，由于介质气体在盘管外壁凝结时较易形成 液体膜，凝结时释放出来的气化潜热只有通过液体膜层才能与盘管外壁面进行 换热，膜层成为了凝结换热的主要热阻。只有破坏液膜层形成珠状凝结，使蒸 汽与盘管壁直接接触，才能提高换热系数。
由以上的分析可以看出，如果提高以上两个传热阶段的对流换热系数，就 可以极大地减小燃烧室、烟管、盘管数量，减小加热炉体积，降低加热炉耗钢 量。本发明就是针对以上两个传热阶段所发明的新方法，使加热炉体积縮小， 耗钢量降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种间接介质加热炉换热强化装置及方法。 本发明一种间接介质加热炉换热强化装置，其技术方案是由燃气去耦室、 空气去耦室、启动吹扫风机、热声耦合脉动燃烧器、压力表或真空表，不凝气 排气装置，刚性连接件，盘管，锅壳和排烟管组成。其中，所述的热声耦合脉 动燃烧器和盘管安装在锅壳内，热声耦合脉动燃烧器和盘管之间通过刚性连接 件在锅壳内连接；锅壳一端安装空气去耦室，启动吹扫风机与空气去耦室相通， 并固定于锅壳上，燃气去耦室安装在空气去耦室内；锅壳另一端安装排烟管， 与热声耦合脉动燃烧器相通；压力表或真空表和不凝气排气装置安装在锅壳的 最高处，并与锅壳相通。
一种间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于是由燃气去耦室、空气 去耦室、启动吹扫风机、热声耦合脉动燃烧器、压力表或真空表，不凝气排气 装置，刚性连接件，盘管，锅壳和排烟管组成；该装置采用分体式结构，将锅 壳分为上、下两个独立的筒体，上、下筒体通过多根细管连接，下筒体内安装 热声耦合脉动燃烧器只作产生蒸汽用、上筒体内安装盘管只作凝结换热用，热 声耦合脉动燃烧器和盘管通过刚性连接件连接；锅壳下筒体一端安装空气去耦 室，启动吹扫风机与空气去耦室相通，并固定于锅壳下筒体上，燃气去耦室安 装在空气去耦室内；锅壳下筒体另一端安装排烟管，与热声耦合脉动燃烧器相
5通；压力表或真空表和不凝气排气装置安装在锅壳上筒体的最高处，并与锅壳 相通。
其中，所述的热声耦合脉动燃烧器，是由一个或多个空气单向阀、 一个或 多个燃气单向阀一个或多个燃气喷嘴、 一个燃烧室、 一个或多个较细的尾管和 排气去耦室组成；燃气单向阀安装在燃烧室的一端，与燃烧室相通；燃气喷嘴 于燃烧室内与燃气单向阀连接;空气单向阀安装在燃烧室顶部并与燃烧室相通； 燃烧室的另一端与尾管的一端相连，且二者相通；尾管的另一端连接排气去耦 室，并与之相通。
其中，所述的尾管可以根据需要任意弯曲。
其中，采用热声耦合脉动燃烧器取代锅壳内传统的火管、烟管，热声耦合 脉动燃烧器既是燃烧器，又是换热器。
其中，所述的热声耦合脉动燃烧器和换热盘管间采用刚性连接，刚性连接 件置于炉壳内。
其中，所述的加热炉最上方安装有不凝气排气装置。
本发明涉及一种间接介质加热炉换热强化方法，其技术方案是，更换现有 水套炉的燃烧系统、火管和烟管系统，代替以热声耦合脉动燃烧器，热声耦合 燃烧产生的一定频率的脉动气流破坏燃烧室内热附面层，将烟气侧的对流换热 系数提高近10倍，因此热声耦合脉动燃烧器既作为燃料燃烧装置，又作为高效 换热装置，将传统加热炉的燃烧器、火管和烟管三个部件的功能合为一体，省 去了传统加热炉的火管和烟管。热声耦合脉动燃烧器主要由燃烧室、空气单向 阀、燃气单向阀、喷嘴、尾管、去耦室、排烟管等部件组成，通过脉动供应空 气和燃料使燃烧器本身内部声学特性和燃料燃烧放热特性产生耦合，形成燃烧 器内部的低频纵向脉动气流，破坏燃气与燃烧器内壁面之间的附面层，强化燃 气侧对流换热。
本发明涉及一种间接介质加热炉换热强化方法，其技术方案是，将热声耦 合脉动燃烧器浸没在锅筒内的间接介质液面以下，盘管位于液面上方，通过负 压或压力相变的技术方法，使得被加热的介质蒸汽和盘管外壁间产生凝结相变 换热。为避免在相变换热过程中盘管外壁凝结液膜的形成，利用热声耦合脉动 燃烧器在产生脉动气流的同时，会造成其本身机械振动的特点，将脉动燃烧器和盘管之间通过刚性结构连接，使盘管产生微小机械振动，造成盘管外壁的液 膜不能稳定存在，变膜状凝结换热为珠状凝结换热，提高对流换热系数，实践
表明，珠状凝结换热系数可达膜状凝结时的5-10倍以上。减少盘管数量和长度， 縮小加热炉体积，减少加热炉耗钢量。
其中，采用热声耦合脉动燃烧方式，燃烧器内烟气流产生的自激脉动，提 高烟气侧对流换热系数。
其中，热声耦合脉动燃烧器本身产生的机械振动传递给盘管，使盘管产生 微小机械振动。
其中，炉内不充满水，只充部分水，无水的上部空间内设置换热盘管，水 受热沸腾产生蒸汽，蒸汽与低温的盘管壁换热，冷凝成水，将热量传递给盘管 换热器内流动的工质；凝结后的水继续被加热汽化，如此循环往复，实现凝结 换热。
本发明涉及一种间接介质加热炉换热强化方法及装置，具有如下有益效果 热声耦合脉动燃烧具有燃烧效率高，污染物排放低等优点，因此采用本发明代 替传统的油田加热炉，如相变加热炉、水套炉、微正压炉等，热效率可以大幅 度提高，污染物排放量大幅度降低，节能低污染效果非常明显。燃烧器、火管、 烟管综合为一个部件、盘管数量和长度大量减少，而且换热元件结构均采用标 准设计，无须进行任何二次加工，不需增加翅片等强化换热等技术手段，不需 要其它任何附属设备(如鼓风机、引风机等)和烟囱，加热炉体积大幅度减小， 单位功率耗钢材量也大幅度减少，生产制造成本大大降低。此外，本发明易于 实现全自动控制，运行安全可靠。
图1:加热炉实施例(一)。
图2:加热炉实施例(一)A-A剖面图。
图3:热声耦合脉动燃烧器结构示意图。
图4:加热炉实施例(二)。
图5:加热炉实施例(二) B-B剖面图。
图中标号说明如下
l燃气去耦室，2空气阀去耦室，3启动吹扫风机，4热声耦合脉动燃烧器，5压力表或真空表，6不凝气排气装置，7刚性连接件，8盘管，9锅壳， 10排烟管，11燃气单向阔，12空气单向阀，13燃气喷嘴，14燃烧室，15尾 管，16排气去耦室，17上下锅壳连接管 具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的实施例(一)为油田水套炉机械结构部分如图1、图2所示， 换热介质为水，用于加热原油或天然气外输，燃料为天然气。加热炉由燃气去 耦室l、空气去耦室2、启动吹扫风机3、热声耦合脉动燃烧器4、压力表或真 空表5，不凝气排气装置6，刚性连接件7，盘管8,锅壳9和排烟管10组成。
连接关系如下热声耦合脉动燃烧器4和盘管8安装在锅壳9内，热声 耦合脉动燃烧器4和盘管8之间通过刚性连接件7在锅壳9内连接。锅壳9 一 端安装空气去耦室2，启动吹扫风机3与空气去耦室2相通，并固定于锅壳(9) 上，燃气去耦室1安装在空气去耦室2内；锅壳9另一端安装排烟管10，与热 声耦合脉动燃烧器4相通。压力表或真空表5和不凝气排气装置6安装在锅壳 9的最高处，并与锅壳相通。
热声耦合脉动燃烧器4如图3所示，由燃气单向阀ll、空气单向阀12、 燃气喷嘴13、燃烧室14、尾管15和排气去耦室16组成。燃气单向阀安装在燃 烧室的一端，与燃烧室相通；燃气喷嘴于燃烧室内与燃气单向阀连接；空气单 向阀安装在燃烧室顶部并与燃烧室相通；燃烧室的另一端与尾管的一端相连， 且二者相通；尾管的另一端连接排气去耦室，并与之相通。
加热炉实施例(一)工作过程如下燃气经燃气单向阀11由燃气喷嘴11 喷入燃烧室13，被点燃后，燃烧室14压力升高，造成烟气经多根尾管15、排 气去耦室16流出，同时由于燃烧室14压力高于燃气来流压力和大气压力，燃 气单向阀11和空气单向阀12关闭，停止供入燃气和空气，由于烟气在尾管].5 中的流动惯性，造成燃烧室内的压力降低，低于燃气来流压力和大气压力，燃 气单向阀11和空气单向阀12打开，开始重新供入燃气和空气，燃气和空气掺 混后被燃烧室15内的高温烟气点燃，重复上一工作过程，这样的过程每秒钟重 复20-100次(频率为20-100Hz)，由于燃烧室15内压力的周期性脉动造成烟 气流周期性纵向脉动流出，冲刷燃烧室、尾管、排烟管内壁，破坏内壁烟气附
8面层，提高烟气侧的对流换热系数，与此同时脉动燃烧器4本身也会产生同频 率的周期性机械振动。由于脉动燃烧器4和盘管8通过刚性连接件7连接，盘 管8也会产生周期性的微小机械振动。
热声耦合脉动燃烧器4将热量传递给锅壳9内的水，水受热蒸发变成水 蒸汽向上流动，当遇到流过原油或天然气的盘管8时，盘管外壁温度低于水蒸 汽温度，水蒸汽与盘管8之间进行凝结换热，由于盘管8的微小机械振动，使 得盘管8外壁无法形成蒸汽凝结而成的液膜，因此只能产生珠状凝结换热，大 大地提高了盘管外壁侧的对流换热系数，珠状凝结换热将热量传递给盘管8内 的原油或天然气，凝结水流回液面继续受热蒸发，这样水在液面上方往复蒸发 凝结，完成整个传热过程。
凝结换热压力条件的选择取决于原油或天然气加热温度要求，当原油或 天然气出口加热温度低于IO(TC时，可选用负压凝结换热的方式，负压凝结换 热锅炉属于常压锅炉，安全性高，制造成本低。具体办法是关闭锅壳9上所 有闳门，启动燃烧器加热，此时盘管内原油或天然气停止输送，待锅壳内压力 达到一定值时，打开不凝气排气装置6，排出锅壳9内的空气，待锅壳内空气 排尽，压力接近设定值时，关闭不凝气排气装置6，此时开通盘管内原油或天 然气，锅壳内饱和蒸汽遇冷后冷凝降温，将锅壳内温度降低在95'C左右，这个 过程相当于一个定容放热降温过程，根据水蒸汽的热物理性质，必然引起锅壳 内压力的降低，真空表5示数维持在范围之内。
当原油或天然气出口加热温度高于IO(TC时，可选用压力凝结换热的方 式。具体办法是关闭锅壳9上所有阀门，启动燃烧器加热，此时盘管内原油 或天然气停止输送，待锅壳内压力达到一定值时，打开不凝气排气装置6，排 出锅壳9内的空气，待锅壳内空气排尽，压力接近设定值时，关闭不凝气排气 装置6，此时开通盘管内原油或天然气，锅壳内饱和蒸汽遇冷后冷凝降温，将 锅壳内温度降低在设定值左右，压力表5示数维持在一定范围之内。
本发明的实施例(二)如图3、图4所示，加热炉由燃气去耦室l、空气去 耦室2、启动吹扫风机3、热声耦合脉动燃烧器4、压力表或真空表5，不凝气 排气装置6，刚性连接件7，盘管8，锅壳9和排烟管10组成。与加热炉实施 例(一)的主要区别在于，采用分体式结构，将锅壳9分为上、下两个独立的
9筒体，上、下筒体通过多根细管连接，下筒体内安装热声耦合脉动燃烧器4只 作产生蒸汽用、上筒体内安装盘管8只作凝结换热用，脉动燃烧器4和盘管(8) 通过刚性连接件7连接。
加热炉实施例(二)的工作过程如下热声耦合脉动燃烧器4将热量传 递给锅壳9下筒体内的水，水受热蒸发变成水蒸汽通过上下锅壳连接管17向上 流动，在锅壳9上筒体遇到流过原油或天然气的盘管8时，盘管外壁温度低于 水蒸汽温度，水蒸汽与盘管8之间进行凝结换热，由于盘管8的微小机械振动， 使得盘管8外壁产生珠状凝结换热，将热量传递给盘管8内的原油或天然气， 达到设计温度进行外输。凝结水通过上下锅壳连接管17流回锅壳9下筒体继续 受热蒸发，这样水在锅壳9的上下筒体间往复蒸发凝结，完成整个传热过程。
加热炉实施例(二)中锅壳9下筒体是只与功率有关，而与用户工质物 性无关的标准部件，因而只需根据用户对工质加热的不同需求来设计、制造专 门的锅壳9上筒体换热器，再与标准的锅壳9下筒体组装成一体，可极大地减 少设计工作量，縮短制造工期。同时由于两者分开，可以使两者体积縮小，具 有良好的承压安全运行性能和方便运输的优点。
加热炉的自动控制系统和其它要求可根据加热炉本身的工艺要求和相应得 规范要求进行，在此不详细叙述。
权利要求
1、一种间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于是由燃气去耦室、空气去耦室、启动吹扫风机、热声耦合脉动燃烧器、压力表或真空表，不凝气排气装置，刚性连接件，盘管，锅壳和排烟管组成；其中，所述的热声耦合脉动燃烧器和盘管安装在锅壳内，热声耦合脉动燃烧器和盘管之间通过刚性连接件在锅壳内连接；锅壳一端安装空气去耦室，启动吹扫风机与空气去耦室相通，并固定于锅壳上，燃气去耦室安装在空气去耦室内；锅壳另一端安装排烟管，与热声耦合脉动燃烧器相通；压力表或真空表和不凝气排气装置安装在锅壳的最高处，并与锅壳相通。
2、 一种间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于是由燃气去耦室、空气去耦室、启动吹扫风机、热声耦合脉动燃烧器、压力表或真空表，不凝气排气装置，刚性连接件，盘管，锅壳和排烟管组成；该装置采用分体式结构，将锅壳分为上、下两个独立的筒体，上、下筒体通过多根细管连接，下筒体内安装热声耦合脉动燃烧器只作产生蒸汽用、上筒体内安装盘管只作凝结换热用，热声耦合脉动燃烧器和盘管通过刚性连接件连接；锅壳下筒体一端安装空气去耦室，启动吹扫风机与空气去耦室相通，并固定于锅壳下筒体上，燃气去耦室安装在空气去耦室内；锅壳下筒体另一端安装排烟管，与热声耦合脉动燃烧器相通；压力表或真空表和不凝气排气装置安装在锅壳上筒体的最高处，并与锅壳相通。
3、 根据权利要求1或2所述的间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于所述的热声耦合脉动燃烧器，是由一个或多个空气单向阀、 一个或多个燃气单向阀一个或多个燃气喷嘴、 一个燃烧室、 一个或多个较细的尾管和排气去耦室组成；燃气单向阀安装在燃烧室的一端，与燃烧室相通；燃气喷嘴于燃烧室内与燃气单向阀连接；空气单向阀安装在燃烧室顶部并与燃烧室相通；燃烧室的另一端与尾管的一端相连，且二者相通；尾管的另一端连接排气去耦室，并与之相通。
4、 根据权利要求3所述的间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于所述的尾管可以根据需要任意弯曲。
5、 一种间接介质加热炉换热强化方法，其特征在于将热声耦合脉动燃烧器浸没在锅壳内的间接介质液面以下，盘管位于液面上方，通过负压或压力相变的技术方法，使得被加热的介质蒸汽和盘管外壁间产生凝结相变换热；为避免在相变换热过程中盘管外壁凝结液膜的形成，利用热声耦合脉动燃烧器在产生脉动气流的同时，会造成其本身机械振动的特点，将热声耦合脉动燃烧器和盘管之间通过刚性结构连接，使盘管产生微小机械振动，造成盘管外壁的液膜不能稳定存在，变膜状凝结换热为珠状凝结换热，提高对流换热系数。
6、 根据权利5所述的间接介质加热炉换热强化方法，其特征在于采用热声耦合脉动燃烧方式，燃烧器内烟气流产生的自激脉动，提高烟气侧对流换热系数。
7、 根据权利5所述的间接介质加热炉换热强化方法，其特征在于热声耦合脉动燃烧器本身产生的机械振动传递给盘管，使盘管产生微小机械振动。
8、 根据权利5所述的间接介质加热炉换热强化方法，其特征在于炉内不充满水，只充部分水，无水的上部空间内设置换热盘管，水受热沸腾产生蒸汽，蒸汽与低温的盘管壁换热，冷凝成水，将热量传递给盘管换热器内流动的工质；凝结后的水继续被加热汽化，如此循环往复，实现凝结换热。
9、 根据权利1或2或3所述的间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于采用热声耦合脉动燃烧器取代锅壳内传统的火管、烟管，热声耦合脉动燃烧器既是燃烧器，又是换热器。
10、 根据权利1或2或3所述的间接介质加热炉换热强化装置，其特征在于所述的热声耦合脉动燃烧器和换热盘管间采用刚性连接，刚性连接件置于炉壳内。
全文摘要
本发明涉及一种间接介质加热炉换热强化装置和方法。该装置包含燃气去耦室、空气去耦室、启动吹扫风机、热声耦合脉动燃烧器、压力表或真空表，不凝气排气装置，刚性连接件，盘管，锅壳和排烟管。其中，热声耦合脉动燃烧器，是由空气单向阀、燃气单向阀、燃气喷嘴、燃烧室、尾管和排气去耦室组成。该方法是燃烧室和烟管采用气流脉动的换热方式，消除室壁和烟管壁内的烟气流附面层，提高烟气侧的对流换热系数，减少换热面积；间接传热介质(水)和被加热流体盘管之间的换热通过盘管机械振动形成稳定的珠状凝结换热方式，提高间接传热介质(水)和被加热流体盘管的对流换热系数，减少换热面积。
文档编号F24H7/00GK101487630SQ200910078369
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者富庆飞, 杨立军, 王树光 申请人:北京航空航天大学