翅片式U型换热管束在蒸发器中的应用

TimothybuM

【摘 要】 本文对直燃式蒸发器的基本工作原理、工艺流程、换热管束的结构、材质、选型进行了详细说明，进行了相关的设备介绍、参数说明。
【关键词】 直燃式蒸发器  U型换热管束 工作原理
1 前言
直燃式蒸发器，是直燃式液氮泵车的一个重要组件，采用先进的仪器和控制系统，用以确保设备的安全可靠性和操作的简单性;最高工作压力为15000psi，可与大部分型号的压裂机组匹配，共同作业。
该设备主要由燃烧系统、进风系统、风箱、控制系统、翅片式U型换热管束组成。燃烧系统主要由燃烧室、燃料汇管和控制系统组成;翅片式U型换热管束主要由U型翅片管束、支持板和汇总管组成，换热系统工作压力15000psi，是直燃式蒸发器的核心部件。
2 蒸发器的发展情况、使用场所
氮气技术服务于油田生产已有几十年的历史，在这期间，随着科技的进步与业内相关人士的不懈努力，这项技术已经逐步走向成熟。基于氮气的主要特点：密度低、稳定性好、易压缩等，它在钻井、固井、修井、混气压裂、射孔、混气酸化等方面有着广泛的应用。近些年来，国内油田混气压裂分为两类，一类是常规油气层的开发，施工排量小，压力低，另一类是天然气和煤层气的开发，施工排量大，压力高。目前各油田使用的液氮设备主要依靠进口，价格昂贵、配件供应和服务维修不及时。
3 设备组成、工作原理及工作流程
3.1 直燃式蒸发器的组成
燃烧系统：主要由燃烧室、燃料汇管和控制系统组成，燃烧室由点火器、喷油嘴、燃烧室内腔、控制装置组成，喷油嘴提供油气混合体，在燃烧室内腔中燃烧，提供热量;
进风系统：主要由液压马达驱动风扇，用于提供气流;
风箱：主要作用是提供足够的风量扩散空间;
控制系统：既要保证排气温度稳定，又要保证安全性和可靠性，以提高液氮管束的使用寿命和保证蒸发器工作安全，控制台按功能模块化设计，控制逻辑清晰，分为手动模式和自动模式;
换热系统：采用翅片式U型换热管束，主要由不锈钢翅片盘管、汇管、换热器壳体组成。利用燃烧系统制取的热量，将翅片盘管中的液氮从-196℃加热至常温。
3.2 直燃式蒸发器的工作原理
柴油被增压后喷进燃烧室并充分雾化，经过辅助燃烧系统点燃已雾化的柴油，燃烧的火焰对高压盘管进行加热，盘管里的液氮吸收热量后变成常温氮气。可根据排出温度自动调节蒸发器火力，保持排出氮气温度稳定。
3.3 直燃式蒸发器的流程
直燃式蒸发器由燃烧系统、进风系统、风箱、控制系统、换热系统组成。进风系统将燃烧室的热空气和常温空气在风箱内混合为具有一定温度的热空气，此热空气用来加热换热系统中的冷介质。在换热系统前加两个温度变送器控制换热系统入口热空气温度小于400℃，保证翅片管在15000psi超高压力下正常运行。
4 翅片式U型换热管束的设计
4.1 翅片管设计
翅片管是换热系统的核心和关键部件，直接影响着换热系统整体性能的优劣。翅片管有多种形式，依应用场合和设计要求不同而异，当换热管管外流体系数比管内流体系数小时，需要在管外扩展传热表面，增加传热系数，影响翅片表面传热的主要因素是翅片高度、翅片厚度、翅片间距以及翅片材料的热导率。
4.1.1 材质的选择
TP304是一种通用性的不锈钢，TP304L是碳含量较低的TP304不锈钢的变种，用于某些腐蚀介质或防止产品污染或在低温下工作的非直接受火换热设备的换热管。较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减至最少，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀（焊接侵蚀）。
316L不锈钢具有良好的焊接性能、耐腐蚀性能和良好的耐热性。
换热管内介质是液氮，管外是热空气。
故基管材质选用TP304L，翅片选用316L。
4.1.2 热导率
TP304L在下列温度下的热导率λ W/（m·℃）
20  100  500
12.1  16.3 21.4
316L在下列温度下的热导率λ W/（m·℃）
100  300  500
15.1  18.4  20.9
两种材质的热导率相差不大，可以用高频焊焊接在一起。
4.1.3 翅片形式的选择：
翅片选用外翅片管圆管横向翅片管，横向翅片管有圆形翅片管、螺旋翅片管、锯齿翅片管、扇形翅片管等形式，考虑到热空气的流速相对较高，选用扇形翅片管。
4.2 换热系统结构型式的设计
换热盘管为TP304L无缝钢管，一进口、一出口，中间无对接焊接接头，直管段高频焊接翅片。
本设备工作压力15000psi，对于此超高压的工况，尽量减少焊点，减小泄露机率，于是采用集合管式结构，结构简单，便于生产，且布局比较紧凑，占地面积小，设备的投资和操作费用相对较低。
5 结语
通过以上的论证，翅片式U型换热管束，基管选用TP304L，翅片选用316L扇形翅片;选用集合管式结构;整体结构紧凑、换热效果理想、热补偿性能好、承压能力强，适用低温、高压工况，在蒸发器中得到广泛的应用，为公司创造经济效益的同时，也为行业的发展作出了一定的贡献。
参考文献：
[1]刘成.NPT360HR15型液氮泵车的特性与使用研究.钻采工艺，2000，5.
[2]王永胜.840K型直燃式液氮泵车的开发及应用.甘肃科技，2009，8.
[3]王志魁，莫锡荣.化工原理.北京：化学工业出版社，1994：5-5.