高效直接接触式热交换器的制作方法与工艺

高效直接接触式热交换器

背景技术：
用于从液体中产生蒸汽或气体的热力增产设备(例如井下蒸汽发生器系统、高压化学处理系统、提纯清洗工艺系统、泵送设备系统等等)由于蠕变疲劳、腐蚀和磨蚀而容易发生故障。首要的腐蚀源来自从沸水中释放的溶解固体、氯和盐。另一腐蚀源来自燃料(例如硫)。第三腐蚀源来自氧化剂(即，可以引起生锈的溶解氧)。首要的磨蚀源来自于高速的水和气，第二磨蚀源来自于供应管路中的微粒。井下蒸汽发生器的有效性直接关系到其提供高质量蒸汽的能力。热交换所需的长度是与工具长度相关、因此与蒸汽发生器的成本以及安装的复杂性相关的重要问题。尽可能近地向增产地层提供这种高质量蒸汽是提高井下蒸汽发生器系统的效率的关键问题。由于上述原因以及由于对于本领域技术人员来说在阅读和理解本说明书时显而易见的下述其它原因，本领域需要一种蒸发器构造，其提供有效、高效和稳定的蒸汽，以限制井下增产设备疲劳、腐蚀和磨蚀。

技术实现要素：
当前系统的上述问题是通过本发明的实施例解决的，这可通过阅读和研究下面的说明书明白。下面的概要是举例，而不作为限制。仅仅是为了辅助阅读者理解本发明的一些方面而提供的。在一个实施例，提供一种直接接触式热交换器组件。该直接接触式热交换器包括蒸发器套和内部构件。该内部构件被接纳在蒸发器套内。在蒸发器套和内部构件之间形成有套筒通道。套筒通道构造并布置成使液体流通过。外壳具有相联以使热气通过的内排气室。内部构件还具有多个排气通道，所述排气通道允许一些热气穿过内排气室进入套筒通道中的液体流。在另一个实施例中，提供另一种直接接触式热交换器组件。该直接接触式热交换器组件包括长形的圆筒形蒸发器套、圆柱形内部构件和多个突出的翅片。该圆柱形内部构件被接纳在蒸发器套内。所述内部构件具有限定内排气室的内表面。该内部构件构造并布置成使热气通过该内排气室。内部构件的外表面和蒸发器套的内表面间隔开，以形成环状套筒通道，所述环状套筒通道在内部构件的外表面周围延伸。套筒通道构造并布置成使液体流通过。内部构件具有从内排气室延伸到套筒通道中的多个排气通道。排气通道允许在内排气室中流动的热气的至少一部分与套筒通道中流动的液体混合，在套筒通道中形成气体混合物。所述多个突出的翅片中的每个在套筒通道内从内部构件的外表面伸出，以使液体流在套筒通道内采取旋流路径。在另一个实施例中，提供一种形成直接接触式热交换器的方法。该方法包括：使液体本体流过一通道，和将热气注射到所述通道中的运动的液体本体中。附图说明当考虑了详细的描述和下面的附图时，可以更容易地理解本发明，而且其进一步的优点和使用将变得更加显而易见，其中：图1是本发明一个实施例的直接接触式热交换器组件的侧面透视图；图2是图1中直接接触式热交换器的一部分的放大侧视图；和图3是图1中直接接触式热交换器的另外一部分的放大图；依照惯例，各个所述特征不是按比例绘制的，而是着重绘制了与本发明相关的特定特征。在整个附图和正文中附图标记标记相同的元件。具体实施方式在下面详细说明书中，将参照附图，这些附图形成了说明书的一部分，其中说明性地示出了实施本发明的具体实施例。这些实施例充分详细地进行了描述，以使本领域技术人员能够实施本发明，应当明白，在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其它实施例，并且可以进行各种改变。因此下面的详细说明不作为限制，本发明的范围仅仅由权利要求书及其等同物限定。本发明的实施例提供了与井下燃烧器一起工作的蒸发器组件。蒸发器组件利用旋流水来提供稳定的蒸发器组件，所述蒸发器组件生成蒸汽和其它高蒸发馏分流体。蒸汽然后被注入到储层中以便生产烃，或被用于向下游机构提供能量。参照图1，示出了一个实施例的蒸发器组件100。蒸发器组件100包括封装蒸发器的套102。蒸发器组件100位于燃烧器200与可选的径向支撑部300之间，所述燃烧器200位于蒸发器组件100的进口端100a，所述径向支撑部300位于蒸发器组件100的出口端100b。在一实施例中，热气发生器200提供了富燃料燃烧。燃烧器200的一个例子示出在共同拥有的专利申请中，即2013年1月18日提交的、发明名称为“井下燃烧器(DOWNHOLECOMBUSTOR)”的美国专利申请序列No.13/745,196，该专利申请整体通过引入结合在此，该燃烧器描述在2012年6月25日提交的、发明名称为“井下燃烧器的设备和方法(APPARATUSESANDMETHODSIMPLEMENTINGADOWNHOLECOMBUSTOR)”的美国临时申请序列No.61/664,015中。在一实施例中，燃烧器200包括初始点火室(辅助室)和主燃烧室。燃烧器200接收独立的空气流和燃料流，并将它们混合成单个预混合空气/燃料流。相对于通过燃烧器200的空气和燃料的总流，来自预混合注入流的动量以极低的速度搅动点火室。由搅动作用引起的扩散和混合将空气/氧化剂(空气/燃料)的初始混合物变成预混合可燃流。然后，通过一个或多个电热塞将该预混合可燃流点燃。绝缘壁限制了其中的热损失，有助于升高预混合气体的温度。一旦气体达到自燃温度，就发生点火。这种点火作为脉冲，向燃烧器200的主燃烧室发送爆燃波，并在该主燃烧室中点燃主流场。这一旦完成，就关掉所述一个或多个电热塞，初始点火室不再维持燃烧。该系统的一个好处是，只需要较小的功率(300瓦特左右)以稳态加热电热塞。蒸发器组件100使用燃烧器200的燃烧产物加热水以产生蒸汽，如下所述。在图1中，蒸发器组件100的套102显示为透明的，这样可示出内部组件。套102为内部组件提供保护。蒸发器组件的内部组件包括圆柱形内部构件111，圆柱形内部构件111包括转向叶片114和定子116。转向叶片114和定子116位于燃烧器200和径向支撑件300之间。在该实施例中，定子116包括第一定子部分116a、第二定子部分116b和第三定子部分116c。第一定子116a为圆柱形形状，并且具有第一直径。第二定子116b也为圆柱形形状，并且具有第二直径。第三定子116c也为圆柱形形状，并且具有第三直径。第三定子116c的第三直径小于第二定子116b的第二直径，第二定子116b的第二直径小于第一定子116a的第一直径。定子部分116a、116b和116c通过渐缩部104a和104b彼此分离开，所述渐缩部104a和104b在相应的第一、第二和第三定子116a、116b和116c之间提供了减小通道。在该实施例中，定子116a、116b和116c的直径的减小对应于与燃烧器的距离的增大，这降低了驱动所述流通过蒸发器所需的压力，正如下文进一步论述的。图2和图3的部分108和110的放大图进一步示出了蒸发器组件100的部分。具体地，图2的部分108示出了蒸发器组件100的紧挨着燃烧器200的部分。如部分108的放大图所示，蒸发器组件100包括保护系统的蒸发器外套102。组件100包括内排气室118，在内排气室118中，燃烧器将燃烧产物130排出。限定内排气室118包括圆柱形转向叶片部分114和圆柱形定子116。还示出了外套筒通道115，其为形成在蒸发器套102与转向叶片114及定子部分116a、116b和116c之间的环形形状。从燃烧器200进一步向前的是套环112。泵入组件100中的水120在套环112下流出并流入套筒通道115中。如上所讨论的，转向叶片114为圆柱形形状。转向叶片114具有多个长形外伸突出的定向转向翅片119。突出的定向转向翅片119的形状和位置设计成引导流过套环112下方的水流120。尤其是，转向叶片114的突出的定向转向翅片119将水流120引导到套筒通道115中的螺旋路径中。在一个实施例中，定向转向翅片119包括弯曲表面119a，弯曲表面119a沿着其长度延伸以引导套筒通道115中的螺旋水流120。套筒通道115中的这种螺旋流动路径(旋流流动)利用定子部分116保持，如下所述。该旋流流动引起离心力，使得水作为单个本体作用在外壁上，即，不能形成单独的水滴。旋流流动还防止水由于重力作用而汇聚在各个区域，这种汇聚可能导致整个蒸发器组件100中热分布不均匀，潜在地降低其使用寿命。旋流角设定成使得所产生的离心力能够根据工具中的总通过量克服重力。定子116从转向叶片114延伸，并且也是圆柱形形状，带有如上所述的渐缩截面104a和104b。定子部分116a、116b和116c均包括多个长形外伸的定向保持翅片117，所述定向保持翅片117设计成能保持开始于套筒通道115中的转向叶片114的定向转向翅片119的水和蒸气的旋流。定子部分116a、116b和116c中的至少一个定子部分包括从内室118延伸到套筒通道115的多个排气通道132。排气通道132提供了供燃烧产物130从内室118到套筒通道115的流出路径。排气通道132是倾斜的，以增强和保持套筒通道115中的螺旋流路径。一些燃烧产物130(来自燃烧器200的排气)流过排气通道132并加热流入套筒通道115中的水120。响应于热的燃烧产物130，水120在套筒通道115中转变成蒸汽混合物125，蒸汽混合物125继续呈旋流模式。如上所述，排气通道132是倾斜的，以辅助并保持水120/蒸汽混合物125中的螺旋流动路径。在一个实施例中，排气通道132中的至少一些排气通道穿出定子部分116的相应定向保持翅片117的端部。如图2所示，定向保持翅片117具有限定在第一端117a和相对的第二端117b之间的长度。在该实施例中，该第一端117a成圆角，以使蒸汽混合物125在该蒸汽混合物125在套筒通道115中以螺旋模式流动时受到的摩擦最小。此外，在该实施例中，定向保持翅片117的第一端117a比定向保持翅片117的第二端117b宽，以增强流动。在一实施例中，排气通道132定位成伸出定向保持部分117的第二端117b。参照图3，示出了图1中蒸发器组件100的部分110的放大图。蒸发器组件100的该出口端100b示出了燃烧产物130和蒸汽混合物125排出蒸发器组件100的位置。如图所示，端部部分150从定子116延伸。端部部分150为大体上圆柱形形状，以保持内室118和套筒通道115。端部部分150包括内表面151，所述内表面151与定子116的内表面一样宽，但随着该内表面向节流端帽162的延伸而变窄。因此，内室118随着其到达端帽160而变窄。端帽160包括中心开口162，在中心开口162中，燃烧产物130离开蒸发器组件100。在节流端帽160内安放有节流构件190，所述节流构件190包括从内室118通向端帽160的中心开口162的节流通道191。节流构件190形成背压。该背压用来相对低流速的工具的上游部分提高流速。该节流构件以高流速释放背压，使得蒸发器的结构整体性符合操作的寿命要求。端部部分150还包括外表面，所述外表面包括第一部分152a和第二部分152b。端部部分150的外表面152的第一部分152a紧挨着定子部分116定位。第二部分152b具有比端部部分150的外表面152的第一部分152a小的直径，这样，在端部部分150的外表面152的第一部分152a与第二部分152b之间形成台肩153。一热增长弹簧170定位在端部部分150的外表面152的第二部分152b上方。热增长弹簧170具有接合端部部分150的外表面152中的台肩153的第一端170a。热增长弹簧170的第二端170b接合径向支撑件300的一部分。热增长弹簧170允许定子组件传递运输和处理的结构性载荷同时提供柔性，以缓解一旦在井下和在操作时的热增长，这减少了蠕变疲劳故障的倾向。在图3的实施例中还示出了第一中心弹簧180。第一中心弹簧180被接纳在径向支撑件300的内凹槽181中。第一中心弹簧180还接合端部部分150的外表面152的第二部分152b，以帮助相对于径向支撑件300定位端部部分150，以便有效地从150向300传递载荷，同时允许沿着纵向轴线相对运动。还示出了第二中心弹簧182。第二中心弹簧182被接纳在端帽162的凹槽183中。第二中心弹簧182与节流部分190的外表面相接合。第二中心弹簧182帮助相对于端帽160定位节流部分190，并缓解节流部分的热增长。如图3所示，蒸汽混合物125经由套筒通道115从蒸发器组件100排出，所述套筒通道115延伸到蒸发器组件100的出口端100b。虽然在此描述和示出了具体实施例，但是，本领域普通技术人员应当明白，可能实现相同用途的任何配置都可以代替所示的具体实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何改进或变化。所以，显然，本发明仅仅由权利要求书及其等同限定。