高效直接接觸式熱交換器

背景技術(shù)：
用于從液體中產(chǎn)生蒸汽或氣體的熱力增產(chǎn)設(shè)備(例如井下蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、高壓化學(xué)處理系統(tǒng)、提純清洗工藝系統(tǒng)、泵送設(shè)備系統(tǒng)等等)由于蠕變疲勞、腐蝕和磨蝕而容易發(fā)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(yīng)管路中的微粒。井下蒸汽發(fā)生器的有效性直接關(guān)系到其提供高質(zhì)量蒸汽的能力。熱交換所需的長度是與工具長度相關(guān)、因此與蒸汽發(fā)生器的成本以及安裝的復(fù)雜性相關(guān)的重要問題。盡可能近地向增產(chǎn)地層提供這種高質(zhì)量蒸汽是提高井下蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的效率的關(guān)鍵問題。由于上述原因以及由于對于本領(lǐng)域技術(shù)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(lǐng)域需要一種蒸發(fā)器構(gòu)造，其提供有效、高效和穩(wěn)定的蒸汽，以限制井下增產(chǎn)設(shè)備疲勞、腐蝕和磨蝕。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
當(dāng)前系統(tǒng)的上述問題是通過本發(fā)明的實(shí)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(fā)明的一些方面而提供的。在一個實(shí)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(fā)器套和內(nèi)部構(gòu)件。該內(nèi)部構(gòu)件被接納在蒸發(fā)器套內(nèi)。在蒸發(fā)器套和內(nèi)部構(gòu)件之間形成有套筒通道。套筒通道構(gòu)造并布置成使液體流通過。外殼具有相聯(lián)以使熱氣通過的內(nèi)排氣室。內(nèi)部構(gòu)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(nèi)排氣室進(jìn)入套筒通道中的液體流。在另一個實(shí)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(fā)器套、圓柱形內(nèi)部構(gòu)件和多個突出的翅片。該圓柱形內(nèi)部構(gòu)件被接納在蒸發(fā)器套內(nèi)。所述內(nèi)部構(gòu)件具有限定內(nèi)排氣室的內(nèi)表面。該內(nèi)部構(gòu)件構(gòu)造并布置成使熱氣通過該內(nèi)排氣室。內(nèi)部構(gòu)件的外表面和蒸發(fā)器套的內(nèi)表面間隔開，以形成環(huán)狀套筒通道，所述環(huán)狀套筒通道在內(nèi)部構(gòu)件的外表面周圍延伸。套筒通道構(gòu)造并布置成使液體流通過。內(nèi)部構(gòu)件具有從內(nèi)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(nèi)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(nèi)從內(nèi)部構(gòu)件的外表面伸出，以使液體流在套筒通道內(nèi)采取旋流路徑。在另一個實(shí)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(yùn)動的液體本體中。附圖說明當(dāng)考慮了詳細(xì)的描述和下面的附圖時，可以更容易地理解本發(fā)明，而且其進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和使用將變得更加顯而易見，其中：圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的直接接觸式熱交換器組件的側(cè)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(cè)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(fā)明相關(guān)的特定特征。在整個附圖和正文中附圖標(biāo)記標(biāo)記相同的元件。具體實(shí)施方式在下面詳細(xì)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(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施例。這些實(shí)施例充分詳細(xì)地進(jìn)行了描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，應(yīng)當(dāng)明白，在沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以使用其它實(shí)施例，并且可以進(jìn)行各種改變。因此下面的詳細(xì)說明不作為限制，本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求書及其等同物限定。本發(fā)明的實(shí)施例提供了與井下燃燒器一起工作的蒸發(fā)器組件。蒸發(fā)器組件利用旋流水來提供穩(wěn)定的蒸發(fā)器組件，所述蒸發(fā)器組件生成蒸汽和其它高蒸發(fā)餾分流體。蒸汽然后被注入到儲層中以便生產(chǎn)烴，或被用于向下游機(jī)構(gòu)提供能量。參照圖1，示出了一個實(shí)施例的蒸發(fā)器組件100。蒸發(fā)器組件100包括封裝蒸發(fā)器的套102。蒸發(fā)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(fā)器組件100的進(jìn)口端100a，所述徑向支撐部300位于蒸發(fā)器組件100的出口端100b。在一實(shí)施例中，熱氣發(fā)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(fā)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(jié)合在此，該燃燒器描述在2012年6月25日提交的、發(fā)明名稱為“井下燃燒器的設(shè)備和方法(APPARATUSESANDMETHODSIMPLEMENTINGADOWNHOLECOMBUSTOR)”的美國臨時申請序列No.61/664,015中。在一實(shí)施例中，燃燒器200包括初始點(diǎn)火室(輔助室)和主燃燒室。燃燒器200接收獨(dú)立的空氣流和燃料流，并將它們混合成單個預(yù)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(yù)混合注入流的動量以極低的速度攪動點(diǎn)火室。由攪動作用引起的擴(kuò)散和混合將空氣/氧化劑(空氣/燃料)的初始混合物變成預(yù)混合可燃流。然后，通過一個或多個電熱塞將該預(yù)混合可燃流點(diǎn)燃。絕緣壁限制了其中的熱損失，有助于升高預(yù)混合氣體的溫度。一旦氣體達(dá)到自燃溫度，就發(fā)生點(diǎn)火。這種點(diǎn)火作為脈沖，向燃燒器200的主燃燒室發(fā)送爆燃波，并在該主燃燒室中點(diǎn)燃主流場。這一旦完成，就關(guān)掉所述一個或多個電熱塞，初始點(diǎn)火室不再維持燃燒。該系統(tǒng)的一個好處是，只需要較小的功率(300瓦特左右)以穩(wěn)態(tài)加熱電熱塞。蒸發(fā)器組件100使用燃燒器200的燃燒產(chǎn)物加熱水以產(chǎn)生蒸汽，如下所述。在圖1中，蒸發(fā)器組件100的套102顯示為透明的，這樣可示出內(nèi)部組件。套102為內(nèi)部組件提供保護(hù)。蒸發(fā)器組件的內(nèi)部組件包括圓柱形內(nèi)部構(gòu)件111，圓柱形內(nèi)部構(gòu)件111包括轉(zhuǎn)向葉片114和定子116。轉(zhuǎn)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(shí)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(yīng)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(shí)施例中，定子116a、116b和116c的直徑的減小對應(yīng)于與燃燒器的距離的增大，這降低了驅(qū)動所述流通過蒸發(fā)器所需的壓力，正如下文進(jìn)一步論述的。圖2和圖3的部分108和110的放大圖進(jìn)一步示出了蒸發(fā)器組件100的部分。具體地，圖2的部分108示出了蒸發(fā)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(fā)器組件100包括保護(hù)系統(tǒng)的蒸發(fā)器外套102。組件100包括內(nèi)排氣室118，在內(nèi)排氣室118中，燃燒器將燃燒產(chǎn)物130排出。限定內(nèi)排氣室118包括圓柱形轉(zhuǎn)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(fā)器套102與轉(zhuǎn)向葉片114及定子部分116a、116b和116c之間的環(huán)形形狀。從燃燒器200進(jìn)一步向前的是套環(huán)112。泵入組件100中的水120在套環(huán)112下流出并流入套筒通道115中。如上所討論的，轉(zhuǎn)向葉片114為圓柱形形狀。轉(zhuǎn)向葉片114具有多個長形外伸突出的定向轉(zhuǎn)向翅片119。突出的定向轉(zhuǎn)向翅片119的形狀和位置設(shè)計成引導(dǎo)流過套環(huán)112下方的水流120。尤其是，轉(zhuǎn)向葉片114的突出的定向轉(zhuǎn)向翅片119將水流120引導(dǎo)到套筒通道115中的螺旋路徑中。在一個實(shí)施例中，定向轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dú)的水滴。旋流流動還防止水由于重力作用而匯聚在各個區(qū)域，這種匯聚可能導(dǎo)致整個蒸發(fā)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(shè)定成使得所產(chǎn)生的離心力能夠根據(jù)工具中的總通過量克服重力。定子116從轉(zhuǎn)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(shè)計成能保持開始于套筒通道115中的轉(zhuǎn)向葉片114的定向轉(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)物130從內(nèi)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(qiáng)和保持套筒通道115中的螺旋流路徑。一些燃燒產(chǎn)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(yīng)于熱的燃燒產(chǎn)物130，水120在套筒通道115中轉(zhuǎn)變成蒸汽混合物125，蒸汽混合物125繼續(xù)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(shí)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(yīng)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(shí)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(shí)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(qiáng)流動。在一實(shí)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(fā)器組件100的部分110的放大圖。蒸發(fā)器組件100的該出口端100b示出了燃燒產(chǎn)物130和蒸汽混合物125排出蒸發(fā)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(nèi)室118和套筒通道115。端部部分150包括內(nèi)表面151，所述內(nèi)表面151與定子116的內(nèi)表面一樣寬，但隨著該內(nèi)表面向節(jié)流端帽162的延伸而變窄。因此，內(nèi)室118隨著其到達(dá)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(chǎn)物130離開蒸發(fā)器組件100。在節(jié)流端帽160內(nèi)安放有節(jié)流構(gòu)件190，所述節(jié)流構(gòu)件190包括從內(nèi)室118通向端帽160的中心開口162的節(jié)流通道191。節(jié)流構(gòu)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(jié)流構(gòu)件以高流速釋放背壓，使得蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)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(yùn)輸和處理的結(jié)構(gòu)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(shí)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(nèi)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(yùn)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(jié)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(jié)流部分190，并緩解節(jié)流部分的熱增長。如圖3所示，蒸汽混合物125經(jīng)由套筒通道115從蒸發(fā)器組件100排出，所述套筒通道115延伸到蒸發(fā)器組件100的出口端100b。雖然在此描述和示出了具體實(shí)施例，但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，可能實(shí)現(xiàn)相同用途的任何配置都可以代替所示的具體實(shí)施例。本申請旨在覆蓋本發(fā)明的任何改進(jìn)或變化。所以，顯然，本發(fā)明僅僅由權(quán)利要求書及其等同限定。