一种高压流体管道式加热器及流体换热方法

技术领域

本发明涉及流体加热设备技术领域，具体为一种高压流体管道式加热器及流体换热方法。

背景技术

管道式流体(液体或气体)加热器的基本原理是使待加热流体流经带有发热体的管道，待加热流体与高温发热体进行动态换热，从而使流体在加热器出口达到预定的温度。通常，这种加热方式由于流体在管道内的驻留时间短，对加热效率的要求高，用电功率大，特别是，当需要将高压的流体加热到较高温度时，管道壳体结构受到材料使用温度的限制，使其安全风险大，技术难度和制造成本大幅增加。

现有技术为了使流体在管道加热器中快速提升温度，主要通过增大流体与发热体接触面积的技术途径，其缺点是导致发热体的结构复杂(如使用螺旋形缠绕的电加热管等)，并且用电功率大，使用过程中存在工作可靠性差、不易维护更换等问题。另外，现有管道式加热器在对高压流体进行长时间加热时，管道壳体会随着加热流体的温度而逐步升高，在长时间高压条件下，为了保证管道的承压能力，流体的最高加热温度受限于管道壳体材料和热防护，难以满足将高压流体加热到更高温度的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压流体管道式加热器及流体换热方法，以解决现有管道式加热器对高压流体加热时，其加热温度受限、结构复杂、工作可靠性差以及不易维护更换的技术问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高压流体管道式加热器，包括加热器外壳体、导流筒体、换热体组件、加热管和两组固定支撑体；所述加热器外壳体两端分别装配加热管端法兰和流体接口端法兰；所述导流筒体套设在加热器外壳体内，且导流筒体与加热器外壳体之间形成第一流体通道，两组固定支撑体在加热器外壳体内分别固定在导流筒体的两端，两组固定支撑体上均设有通孔，其中靠近流体接口端法兰侧的固定支撑体的侧壁与流体接口端法兰的侧壁之间形成第二流体通道；所述第二流体通道与第一流体通道连通，所述换热体组件套设在导流筒体内，所述加热管通过加热管端法兰经固定支撑体的通孔贯穿套设在换热体组件内，且加热管的端部与靠近流体接口端法兰侧的固定支撑体之间存在间隙，所述换热体组件内形成第三流体通道，所述第三流体通道与第一流体通道连通，所述流体接口端法兰上开设流体出口和若干流体入口；若干流体入口与第二流体通道连通，所述流体出口经固定支撑体的通孔与第三流体通道连通。

优选的，加热器外壳体的内壁与导流筒体的外壁之间存在间隙，并沿着加热器外壳体与导流筒体之间的间隙形成第一流体通道。

优选的，导流筒体靠近加热管端法兰的一端周向开设若干径向连通孔，所述第一流体通道通过若干径向连通孔与第三流体通道连通。

优选的，固定支撑体的两侧分别设有凸台，其中固定支撑体的一侧凸台与导流筒体的端部装配设置，固定支撑体的另一侧凸台压紧在加热管端法兰或流体接口端法兰上。

优选的，固定支撑体的边沿沿着圆周方向开设有若干凹槽，所述第二流体通道与第一流体通道通过若干凹槽连通。

优选的，流体出口设置在流体接口端法兰的中心区域，且流体出口处连接流体出口接头；若干流体入口在流体接口端法兰上设置在流体出口的两侧，且若干流体入口处连接流体入口接头。

优选的，换热体组件包括依次套设的若干换热管套，若干换热管套依次套设后端部形成阶梯结构，所述换热管套的外壁沿长边方向环形设有螺旋槽，并沿着螺旋槽形成第三流体通道。

进一步的，加热管与加热管端法兰固定连接，且与加热管端法兰之间密封设置。

优选的，第一流体通道与第三流体通道的流体流向相反。

一种高压流体管道式加热器的流体换热方法，基于上述所述的一种高压流体管道式加热器，包括如下步骤：

未加热的流体通过流体入口接头沿着流体接口端法兰上的流体入口经第二流体通道流向导流筒体与加热器外壳体之间的第一流体通道，并沿着第一流体通道通过导流筒体靠近加热管端法兰的一端的径向连通孔流向换热体组件内，并沿着换热体组件内的第三流体通道流动，此时，在第三流体通道内的流体通过加热管进行加热，最后加热后的流体沿着第三流体通道流动经固定支撑体的通孔由流体接口端法兰的流体出口接头流出，完成流体换热工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种高压流体管道式加热器，通过加热器外壳体内的固定支撑体与导流筒体有效的控制了待加热流体在加热器内部的流体路径，使得加热器内部换热结构简单，使进入加热器的冷态高压流体在加热器中由外向内进行流动换热，加热过程中流体温度由外围向中心的温度逐步升高，提高了换热工作的可靠性，最终，加热流体由位于接口端法兰中心的出口流出；本发明通过加热管对换热体组件进行加热，使得流过换热体组件的流体能够有效加热，避免了加热温度受限，换热体组件作为整体套设在加热管的外壁，当加热器故障时，也便于对换热体组件进行更换，同时管道加热器通过法兰密封连接，加热器的各部组件均可方便进行拆卸组装，维护安装简便。

进一步的，加热器外壳体的内壁与导流筒体的外壁之间存在间隙，并沿着加热器外壳体与导流筒体之间的间隙形成第一流体通道，高压流体在管道式加热器内部流动换热过程中，加热器外壳体始终与相对低温的流体接触，从而保证加热器壳体的承压能力不受流体加热温度的影响，可长时间对流体进行加热。

进一步的，导流筒体靠近加热管端法兰的一端周向开设若干径向连通孔，所述第一流体通道通过若干径向连通孔与第三流体通道连通，便于流体沿着第一流体通道到达至第三流体通道内，使得未加热的流体可以在第三流体通道内进行有效加热。

进一步的，固定支撑体的两侧分别设有凸台，其中固定支撑体的一侧凸台与导流筒体的端部装配设置，提高了导流筒体与固定支撑体之间的装配稳定性；固定支撑体的另一侧凸台压紧在加热管端法兰或流体接口端法兰上，在固定支撑体的凸台压紧在流体接口端法兰上能够有效的将第二流体通道和第三流体通道进行隔离，避免流体通过第二流体通道流向第三流体通道，影响流体换热。

进一步的，固定支撑体的边沿沿着圆周方向开设有若干凹槽，所述第二流体通道与第一流体通道通过若干凹槽连通，便于未加热的流体通过凹槽经第二流体通道流向第一流体通道。

进一步的，流体出口设置在流体接口端法兰的中心区域，且流体出口处连接流体出口接头；若干流体入口在流体接口端法兰上设置在流体出口的两侧，且若干流体入口处连接流体入口接头，便于未加热的流体通过流体入口接头进入加热器进行加热，同时也便于加热器中已加热的流体通过流体出口接头流出加热器。

进一步的，换热体组件包括依次套设的若干换热管套，若干换热管套依次套设后端部形成阶梯结构，所述换热管套的外壁沿长边方向环形设有螺旋槽，并沿着螺旋槽形成第三流体通道，使得在较小的体积空间下大大增加了发热体与流体的接触面积，提高了加热效率，并且结构简单紧凑。

进一步的，加热管与加热管端法兰固定连接，且与加热管端法兰之间密封设置，提高了加热器整体的密封性。

本发明还提供了一种高压流体管道式加热器的流体换热方法，使进入加热器的冷态高压流体在加热器中由外向内进行流动换热，加热过程中流体温度由外围向中心的温度逐步升高，最终，加热流体由位于接口端法兰中心的出口流出，该方法可以将高压流体在高压下加热到较高的温度，降低了对加热器壳体材料和防隔热的技术要求，并且长时间运行具有高安全性，使用维护简便

附图说明

图1为本发明提供的一种高压流体管道式加热器的外观图；

图2为本发明提供的一种高压流体管道式加热器的结构示意图；

图3为本发明提供的一种高压流体管道式加热器的结构剖视及流体流动路径示意图；

图4为本发明提供的一种高压流体管道式加热器的换热管套结构图；

图5为图4中换热管套的A方向剖视图；

图6为本发明提供的一种高压流体管道式加热器的支撑固定体结构示意图；

图中：1-加热器外壳体；2-导流筒体；3-换热管套；4-加热管；5-固定支撑体；6-第一法兰；7-第二法兰；71-流体入口接头；72-流体出口接头。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的目的在于提供一种高压流体管道式加热器及流体换热方法，以解决现有管道式加热器对高压流体加热时，其加热温度受限、结构复杂、工作可靠性差以及不易维护更换的技术问题。

具体的，根据图1和图2所示，该高压流体管道式加热器，包括加热器外壳体1、导流筒体2、换热体组件、加热管4和两组固定支撑体5；所述加热器外壳体1两端分别装配加热管端法兰6和流体接口端法兰7，其中加热管端法兰6和流体接口端法兰7能够承受内部流体的压力；且加热管端法兰6和流体接口端法兰7连接采用耐高温的硅橡胶O型圈进行端面密封。所述导流筒体2套设在加热器外壳体1内，且导流筒体2与加热器外壳体1之间形成第一流体通道，两组固定支撑体5在加热器外壳体1内分别固定在导流筒体2的两端，两组固定支撑体5上均设有通孔，其中靠近流体接口端法兰7侧的固定支撑体5的侧壁与流体接口端法兰7的侧壁之间形成第二流体通道；所述第二流体通道与第一流体通道连通，所述换热体组件套设在导流筒体2内，所述加热管4通过加热管端法兰6经固定支撑体5的通孔贯穿套设在换热体组件内，其中，加热管4与换热体组件的配合公差为H8/f7，保证导热良好且易于更换，且加热管4的端部与靠近流体接口端法兰7侧的固定支撑体5之间存在间隙，所述换热体组件内形成第三流体通道，所述第三流体通道与第一流体通道连通，所述流体接口端法兰7上开设流体出口和若干流体入口；若干流体入口与第二流体通道连通，所述流体出口经固定支撑体5的通孔与第三流体通道连通。

本发明中固定支撑体5置于导流筒体2与加热管端法兰6，流体接口端法兰7之间，起到支撑固定和导流作用。

具体的，加热器外壳体1的内壁与导流筒体2的外壁之间存在间隙，并沿着加热器外壳体1与导流筒体2之间的间隙形成第一流体通道，其中间隙约为1-3mm。

具体的，导流筒体2靠近加热管端法兰6的一端周向开设若干径向连通孔，所述第一流体通道通过若干径向连通孔与第三流体通道连通。

具体的，根据图6所示，固定支撑体5的两侧分别设有凸台，其中固定支撑体5的一侧凸台与导流筒体2的端部装配设置，固定支撑体5的另一侧凸台压紧在加热管端法兰6或流体接口端法兰7上。

具体的，固定支撑体5的边沿沿着圆周方向开设有若干凹槽，所述第二流体通道与第一流体通道通过若干凹槽连通。

具体的，流体出口设置在流体接口端法兰7的中心区域，且流体出口处连接流体出口接头72；若干流体入口在流体接口端法兰7上设置在流体出口的两侧，且若干流体入口处连接流体入口接头71。

具体的，换热体组件包括依次套设的若干换热管套3，若干换热管套3依次套设后端部形成阶梯结构，所述换热管套3的外壁沿长边方向环形设有螺旋槽，如图4和图5所示，并沿着螺旋槽形成第三流体通道。其中热管配合公差为H8/f7。

本发明中换热管套3采用导热系数高、热容大的铜合金管，在外壁面加工螺旋槽，通过选取合适螺旋槽个数、槽深、槽宽及螺距等参数，实现较优的换热效率。其中换热管套3采用紫铜、铜合金、碳化硅、氧化铝陶瓷等导热系数高、热容大的材料制成，并且换热管的外壁面设置有螺旋槽增大换热接触面积，提高换热效率。加热管4可采用电阻式电加热或燃烧加热方式。

具体的，加热管4与加热管端法兰6固定连接，且与加热管端法兰6之间密封设置。

具体的，第一流体通道与第三流体通道的流体流向相反。

本发明还提供了一种高压流体管道式加热器的流体换热方法，如图3所示，基于上述所述的一种高压流体管道式加热器，包括如下步骤：

未加热的流体通过流体入口接头71沿着流体接口端法兰7上的流体入口经第二流体通道流向导流筒体2与加热器外壳体1之间的第一流体通道，并沿着第一流体通道通过导流筒体2靠近加热管端法兰6的一端的径向连通孔流向换热体组件内，并沿着换热体组件内的第三流体通道流动，此时，在第三流体通道内的流体通过加热管4进行加热，最后加热后的流体沿着第三流体通道流动经固定支撑体5的通孔由流体接口端法兰7的流体出口接头72流出，完成流体换热工作。

综上所述，本发明提供了一种高压流体管道式加热器及流体换热方法，通过加热器内部的固定支撑体与导流筒体等部件有效的控制待加热流体在加热器内部的流动路径，使进入加热器的冷态高压流体在加热器中由外向内进行流动换热，加热过程中流体温度由外围向中心的温度逐步升高，最终，加热流体由位于接口端法兰中心的出口流出。本发明提供的高压流体管道式加热器的突出优点是可以将高压流体在高压下加热到较高的温度，降低了对加热器壳体材料和防隔热的技术要求，并且长时间运行具有高安全性，使用维护简便。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。