高效直接接觸式熱交換器的制作方法與工藝

高效直接接觸式熱交換器

背景技術：
用于從液體中產生蒸汽或氣體的熱力增產設備(例如井下蒸汽發生器系統、高壓化學處理系統、提純清洗工藝系統、泵送設備系統等等)由于蠕變疲勞、腐蝕和磨蝕而容易發生故障。首要的腐蝕源來自從沸水中釋放的溶解固體、氯和鹽。另一腐蝕源來自燃料(例如硫)。第三腐蝕源來自氧化劑(即，可以引起生銹的溶解氧)。首要的磨蝕源來自于高速的水和氣，第二磨蝕源來自于供應管路中的微粒。井下蒸汽發生器的有效性直接關系到其提供高質量蒸汽的能力。熱交換所需的長度是與工具長度相關、因此與蒸汽發生器的成本以及安裝的復雜性相關的重要問題。盡可能近地向增產地層提供這種高質量蒸汽是提高井下蒸汽發生器系統的效率的關鍵問題。由于上述原因以及由于對于本領域技術人員來說在閱讀和理解本說明書時顯而易見的下述其它原因，本領域需要一種蒸發器構造，其提供有效、高效和穩定的蒸汽，以限制井下增產設備疲勞、腐蝕和磨蝕。

技術實現要素：
當前系統的上述問題是通過本發明的實施例解決的，這可通過閱讀和研究下面的說明書明白。下面的概要是舉例，而不作為限制。僅僅是為了輔助閱讀者理解本發明的一些方面而提供的。在一個實施例，提供一種直接接觸式熱交換器組件。該直接接觸式熱交換器包括蒸發器套和內部構件。該內部構件被接納在蒸發器套內。在蒸發器套和內部構件之間形成有套筒通道。套筒通道構造并布置成使液體流通過。外殼具有相聯以使熱氣通過的內排氣室。內部構件還具有多個排氣通道，所述排氣通道允許一些熱氣穿過內排氣室進入套筒通道中的液體流。在另一個實施例中，提供另一種直接接觸式熱交換器組件。該直接接觸式熱交換器組件包括長形的圓筒形蒸發器套、圓柱形內部構件和多個突出的翅片。該圓柱形內部構件被接納在蒸發器套內。所述內部構件具有限定內排氣室的內表面。該內部構件構造并布置成使熱氣通過該內排氣室。內部構件的外表面和蒸發器套的內表面間隔開，以形成環狀套筒通道，所述環狀套筒通道在內部構件的外表面周圍延伸。套筒通道構造并布置成使液體流通過。內部構件具有從內排氣室延伸到套筒通道中的多個排氣通道。排氣通道允許在內排氣室中流動的熱氣的至少一部分與套筒通道中流動的液體混合，在套筒通道中形成氣體混合物。所述多個突出的翅片中的每個在套筒通道內從內部構件的外表面伸出，以使液體流在套筒通道內采取旋流路徑。在另一個實施例中，提供一種形成直接接觸式熱交換器的方法。該方法包括：使液體本體流過一通道，和將熱氣注射到所述通道中的運動的液體本體中。附圖說明當考慮了詳細的描述和下面的附圖時，可以更容易地理解本發明，而且其進一步的優點和使用將變得更加顯而易見，其中：圖1是本發明一個實施例的直接接觸式熱交換器組件的側面透視圖；圖2是圖1中直接接觸式熱交換器的一部分的放大側視圖；和圖3是圖1中直接接觸式熱交換器的另外一部分的放大圖；依照慣例，各個所述特征不是按比例繪制的，而是著重繪制了與本發明相關的特定特征。在整個附圖和正文中附圖標記標記相同的元件。具體實施方式在下面詳細說明書中，將參照附圖，這些附圖形成了說明書的一部分，其中說明性地示出了實施本發明的具體實施例。這些實施例充分詳細地進行了描述，以使本領域技術人員能夠實施本發明，應當明白，在沒有脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以使用其它實施例，并且可以進行各種改變。因此下面的詳細說明不作為限制，本發明的范圍僅僅由權利要求書及其等同物限定。本發明的實施例提供了與井下燃燒器一起工作的蒸發器組件。蒸發器組件利用旋流水來提供穩定的蒸發器組件，所述蒸發器組件生成蒸汽和其它高蒸發餾分流體。蒸汽然后被注入到儲層中以便生產烴，或被用于向下游機構提供能量。參照圖1，示出了一個實施例的蒸發器組件100。蒸發器組件100包括封裝蒸發器的套102。蒸發器組件100位于燃燒器200與可選的徑向支撐部300之間，所述燃燒器200位于蒸發器組件100的進口端100a，所述徑向支撐部300位于蒸發器組件100的出口端100b。在一實施例中，熱氣發生器200提供了富燃料燃燒。燃燒器200的一個例子示出在共同擁有的專利申請中，即2013年1月18日提交的、發明名稱為“井下燃燒器(DOWNHOLECOMBUSTOR)”的美國專利申請序列No.13/745,196，該專利申請整體通過引入結合在此，該燃燒器描述在2012年6月25日提交的、發明名稱為“井下燃燒器的設備和方法(APPARATUSESANDMETHODSIMPLEMENTINGADOWNHOLECOMBUSTOR)”的美國臨時申請序列No.61/664,015中。在一實施例中，燃燒器200包括初始點火室(輔助室)和主燃燒室。燃燒器200接收獨立的空氣流和燃料流，并將它們混合成單個預混合空氣/燃料流。相對于通過燃燒器200的空氣和燃料的總流，來自預混合注入流的動量以極低的速度攪動點火室。由攪動作用引起的擴散和混合將空氣/氧化劑(空氣/燃料)的初始混合物變成預混合可燃流。然后，通過一個或多個電熱塞將該預混合可燃流點燃。絕緣壁限制了其中的熱損失，有助于升高預混合氣體的溫度。一旦氣體達到自燃溫度，就發生點火。這種點火作為脈沖，向燃燒器200的主燃燒室發送爆燃波，并在該主燃燒室中點燃主流場。這一旦完成，就關掉所述一個或多個電熱塞，初始點火室不再維持燃燒。該系統的一個好處是，只需要較小的功率(300瓦特左右)以穩態加熱電熱塞。蒸發器組件100使用燃燒器200的燃燒產物加熱水以產生蒸汽，如下所述。在圖1中，蒸發器組件100的套102顯示為透明的，這樣可示出內部組件。套102為內部組件提供保護。蒸發器組件的內部組件包括圓柱形內部構件111，圓柱形內部構件111包括轉向葉片114和定子116。轉向葉片114和定子116位于燃燒器200和徑向支撐件300之間。在該實施例中，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為圓柱形形狀，并且具有第一直徑。第二定子116b也為圓柱形形狀，并且具有第二直徑。第三定子116c也為圓柱形形狀，并且具有第三直徑。第三定子116c的第三直徑小于第二定子116b的第二直徑，第二定子116b的第二直徑小于第一定子116a的第一直徑。定子部分116a、116b和116c通過漸縮部104a和104b彼此分離開，所述漸縮部104a和104b在相應的第一、第二和第三定子116a、116b和116c之間提供了減小通道。在該實施例中，定子116a、116b和116c的直徑的減小對應于與燃燒器的距離的增大，這降低了驅動所述流通過蒸發器所需的壓力，正如下文進一步論述的。圖2和圖3的部分108和110的放大圖進一步示出了蒸發器組件100的部分。具體地，圖2的部分108示出了蒸發器組件100的緊挨著燃燒器200的部分。如部分108的放大圖所示，蒸發器組件100包括保護系統的蒸發器外套102。組件100包括內排氣室118，在內排氣室118中，燃燒器將燃燒產物130排出。限定內排氣室118包括圓柱形轉向葉片部分114和圓柱形定子116。還示出了外套筒通道115，其為形成在蒸發器套102與轉向葉片114及定子部分116a、116b和116c之間的環形形狀。從燃燒器200進一步向前的是套環112。泵入組件100中的水120在套環112下流出并流入套筒通道115中。如上所討論的，轉向葉片114為圓柱形形狀。轉向葉片114具有多個長形外伸突出的定向轉向翅片119。突出的定向轉向翅片119的形狀和位置設計成引導流過套環112下方的水流120。尤其是，轉向葉片114的突出的定向轉向翅片119將水流120引導到套筒通道115中的螺旋路徑中。在一個實施例中，定向轉向翅片119包括彎曲表面119a，彎曲表面119a沿著其長度延伸以引導套筒通道115中的螺旋水流120。套筒通道115中的這種螺旋流動路徑(旋流流動)利用定子部分116保持，如下所述。該旋流流動引起離心力，使得水作為單個本體作用在外壁上，即，不能形成單獨的水滴。旋流流動還防止水由于重力作用而匯聚在各個區域，這種匯聚可能導致整個蒸發器組件100中熱分布不均勻，潛在地降低其使用壽命。旋流角設定成使得所產生的離心力能夠根據工具中的總通過量克服重力。定子116從轉向葉片114延伸，并且也是圓柱形形狀，帶有如上所述的漸縮截面104a和104b。定子部分116a、116b和116c均包括多個長形外伸的定向保持翅片117，所述定向保持翅片117設計成能保持開始于套筒通道115中的轉向葉片114的定向轉向翅片119的水和蒸氣的旋流。定子部分116a、116b和116c中的至少一個定子部分包括從內室118延伸到套筒通道115的多個排氣通道132。排氣通道132提供了供燃燒產物130從內室118到套筒通道115的流出路徑。排氣通道132是傾斜的，以增強和保持套筒通道115中的螺旋流路徑。一些燃燒產物130(來自燃燒器200的排氣)流過排氣通道132并加熱流入套筒通道115中的水120。響應于熱的燃燒產物130，水120在套筒通道115中轉變成蒸汽混合物125，蒸汽混合物125繼續呈旋流模式。如上所述，排氣通道132是傾斜的，以輔助并保持水120/蒸汽混合物125中的螺旋流動路徑。在一個實施例中，排氣通道132中的至少一些排氣通道穿出定子部分116的相應定向保持翅片117的端部。如圖2所示，定向保持翅片117具有限定在第一端117a和相對的第二端117b之間的長度。在該實施例中，該第一端117a成圓角，以使蒸汽混合物125在該蒸汽混合物125在套筒通道115中以螺旋模式流動時受到的摩擦最小。此外，在該實施例中，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寬，以增強流動。在一實施例中，排氣通道132定位成伸出定向保持部分117的第二端117b。參照圖3，示出了圖1中蒸發器組件100的部分110的放大圖。蒸發器組件100的該出口端100b示出了燃燒產物130和蒸汽混合物125排出蒸發器組件100的位置。如圖所示，端部部分150從定子116延伸。端部部分150為大體上圓柱形形狀，以保持內室118和套筒通道115。端部部分150包括內表面151，所述內表面151與定子116的內表面一樣寬，但隨著該內表面向節流端帽162的延伸而變窄。因此，內室118隨著其到達端帽160而變窄。端帽160包括中心開口162，在中心開口162中，燃燒產物130離開蒸發器組件100。在節流端帽160內安放有節流構件190，所述節流構件190包括從內室118通向端帽160的中心開口162的節流通道191。節流構件190形成背壓。該背壓用來相對低流速的工具的上游部分提高流速。該節流構件以高流速釋放背壓，使得蒸發器的結構整體性符合操作的壽命要求。端部部分150還包括外表面，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緊挨著定子部分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小的直徑，這樣，在端部部分150的外表面152的第一部分152a與第二部分152b之間形成臺肩153。一熱增長彈簧170定位在端部部分150的外表面152的第二部分152b上方。熱增長彈簧170具有接合端部部分150的外表面152中的臺肩153的第一端170a。熱增長彈簧170的第二端170b接合徑向支撐件300的一部分。熱增長彈簧170允許定子組件傳遞運輸和處理的結構性載荷同時提供柔性，以緩解一旦在井下和在操作時的熱增長，這減少了蠕變疲勞故障的傾向。在圖3的實施例中還示出了第一中心彈簧180。第一中心彈簧180被接納在徑向支撐件300的內凹槽181中。第一中心彈簧180還接合端部部分150的外表面152的第二部分152b，以幫助相對于徑向支撐件300定位端部部分150，以便有效地從150向300傳遞載荷，同時允許沿著縱向軸線相對運動。還示出了第二中心彈簧182。第二中心彈簧182被接納在端帽162的凹槽183中。第二中心彈簧182與節流部分190的外表面相接合。第二中心彈簧182幫助相對于端帽160定位節流部分190，并緩解節流部分的熱增長。如圖3所示，蒸汽混合物125經由套筒通道115從蒸發器組件100排出，所述套筒通道115延伸到蒸發器組件100的出口端100b。雖然在此描述和示出了具體實施例，但是，本領域普通技術人員應當明白，可能實現相同用途的任何配置都可以代替所示的具體實施例。本申請旨在覆蓋本發明的任何改進或變化。所以，顯然，本發明僅僅由權利要求書及其等同限定。