无火焰流体加热器.pdf

本发明公开了一种无火焰流体加热器。收集来自驱动流体剪切泵的旋转原动机的热量、来自原动机的热量以及由原动机产生的所有废热。从这些热源收集的热能通过热交换器被传输到需要热能的流体中。这个流体加热过程是在没有明焰的情况下实施的。

1.  一种无火焰流体加热器系统，用于加热流体，包括：
原动机，所述原动机包括发动机冷却剂、中间冷却器和发动机废气；
闭环的加热器流体系统，所述闭环的加热器流体系统包括加热器流体泵以及用于加热加热器流体的动态加热器，所述动态加热器是由所述原动机驱动的；
主泵，所述主泵用于传送水；
第一热交换器，所述第一热交换器将热量从所述加热器流体传递到所述水；
第二热交换器，所述第二热交换器将热量从所述发动机冷却剂传递到所述水；
第三热交换器，所述第三热交换器将热量从所述中间冷却器传递到所述水；以及
第四热交换器，所述第四热交换器将热量从所述发动机废气传递到所述水。

2.  根据权利要求1所述的无火焰流体加热器系统，来自所述主泵的出口的水被传送到所述第一热交换器中，并且返回到所述主泵的入口。

3.  根据权利要求2所述的无火焰流体加热器系统，在所述动态加热器中被加热的加热器流体被传送到所述第一热交换器中，并且返回到所述加热器流体泵。

4.  根据权利要求3所述的无火焰流体加热器系统，加热器流体被从所述加热器流体泵传送到所述动态加热器。

5.  根据权利要求1所述的无火焰流体加热器系统，水被从所述主泵的出口传送到所述第三热交换器、所述第二热交换器、所述第四热交换器，以及返回到所述主泵的入口。

6.  根据权利要求5所述的无火焰流体加热器系统，来自所述主泵的所述出口的水还被传送到所述第一热交换器中，并且返回到所述主泵的所述入口。

7.  根据权利要求6所述的无火焰流体加热器系统，加热器流体被从所述加热器流体泵传 送到所述动态加热器。

8.  根据权利要求7所述的无火焰流体加热器系统，在所述动态加热器中被加热的加热器流体被传送到所述第一热交换器中，并且返回到所述加热器流体泵。

9.  根据权利要求1所述的无火焰流体加热器系统，所述主泵是由所述原动机驱动的。

10.  根据权利要求1所述的无火焰流体加热器系统，加热器流体储器提供加热器流体到所述加热器流体泵。

11.  根据权利要求10所述的无火焰流体加热器系统，冷却的加热器流体被从所述第一热交换器传送到所述加热器流体储器。

12.  一种无火焰流体加热器系统，用于加热流体，包括：
原动机，所述原动机包括发动机冷却剂、中间冷却器以及发动机废气；
闭环的加热器流体系统，所述闭环的加热器流体系统包括加热器流体泵以及用于加热加热器流体的动态加热器，所述动态加热器是由所述原动机驱动的；
主泵，所述主泵用于传送水；
第一热交换器，所述第一热交换器将热量从所述加热器流体传递到所述水；
第二热交换器，所述第二热交换器将热量从所述发动机冷却剂传递到所述水；
第三热交换器，所述第三热交换器将热量从所述中间冷却器传递到所述水；以及
第四热交换器，所述第四热交换器将热量从所述发动机废气传递到所述水；
所述第三热交换器、所述第二热交换器和所述第四热交换器渐进连通，以在所述主泵的出口和所述主泵的入口之间传送水。

13.  根据权利要求12所述的无火焰流体加热器系统，来自所述主泵的所述出口的水还被 传送到所述第一热交换器中，并且返回到所述主泵的所述入口。

14.  根据权利要求13所述的无火焰流体加热器系统，在所述动态加热器中被加热的加热器流体被传送到所述第一热交换器中，并且返回到所述加热器流体泵。

15.  根据权利要求14所述的无火焰流体加热器系统，加热器流体被从所述加热器流体泵传送到所述动态加热器。

16.  一种用于无火焰地加热流体的方法，所述方法包括以下步骤：
驱动发动机以驱动加热器流体泵和水泵；
在包含所述加热器流体泵、动态加热器和第一热交换器的闭环中传送加热器流体；
沿着第一路径将水从所述水泵的出口传送到所述第一热交换器，在所述第一热交换器处用所述加热器流体加热所述水，以及随后将所述水传送到所述水泵的入口；以及
沿第二路径将水从所述水泵的所述出口传送到第二热交换器，在所述第二热交换器中用来自所述发动机的空气加热所述水，然后传送到第三热交换器，在所述第三热交换器中用来自所述发动机的冷却剂加热所述水，以及传送到第四热交换器，在所述第四热交换器中在所述水返回到所述水泵的所述入口之前用来自所述发动机的废气加热所述水。

无火焰流体加热器
技术领域
本发明涉及用于加热和泵送工业流体的过程，其中所述加热过程不需要明焰。
背景技术
工业应用可能需要大量的被加热流体，主要是水，但是不排除其它流体，诸如碳氢化合物或者苛性碱溶液。虽然提及了所有这些流体以便分别识别流体，但是这些流体将被识别为水。
特定环境可能要求没有明焰存在。这种情况最常见地发生在能源工业中。本发明是被创造用于在这些类型的环境中加热流体。
油田压裂增产处理需要大量的水。水被加温到允许流体胶凝，并且将砂子携带到待增产的储油层中。常见的实践方法是通常用卡车将水运输到位于最近钻井位置处的若干储罐中。所述水是通过利用柴油或者丙烷点火的燃烧器的卡车产生的明焰进行加热的。这些燃烧器是非常低效的，并且利用了过量的燃料。它们还是极端危险的，并且可引发火灾、严重的烧伤，以及甚至发生致命事故。
本发明使得有机会取消用卡车载运水，并且通过临时管道(一般是农业灌溉管道)移动温水来填充对象储罐。所述水被泵入管道时被加热，以防止在寒冷天气下发生冻结问题。一旦储罐被填满，本发明的加热器就移动到所述储罐位置，并且将水或者容纳在所述储罐中的其它流体进一步加热到所需温度。所述加热过程是有效且安全的，使得能够在无火焰环境中 最佳地利用燃料。
发明内容
本发明由通过使过程提供有效、无火焰热量的方式连接的大量主要部件构成。所述部件一般是装在拖车上的，但是也可装在卡车或者滑动底座上。
最大的部件是原动机。所述原动机很多时候往往是柴油发动机、汽油发动机或者天然气发动机。还可取决于环境因素而使用电力驱动。
直接连接到所述原动机的驱动轴的是动态加热器，诸如流体剪切泵。此部件利用可从原动机获得的大部分功率并且将此能量转化成热量。所述泵剪切加热器流体，比如油类。所述油类容纳在分流系统中，并且通过液-液式热交换器将其热能传递到水。
同样连接到原动机的驱动器的是主泵，所述主泵用于移动水通过系统。所述泵一般是离心泵，通常自吸以使得水从较低的高度(湖、池塘或者河流)移动到加热单元中，以及流出到管道或者储罐中。所述泵还提供冷却水流以允许发动机正确地工作，同时加热水。
系统中剩余的主要部件是热交换器。
第一热交换器是如上所述的液-液式热交换器，所述热交换器将由流体剪切泵产生的热量从加热器流体传递到水。
第二热交换器同样是液-液式热交换器，所述热交换器将发动机冷却剂中产生的热量传递到水。所述流体是用如上所述的主泵泵送的。
第三热交换器是空气对液体热交换器，所述热交换器将原动机柴油发动机上的涡轮增压 机中间冷却器中产生的热量传递到水。
第四热交换器同样是空气对液体热交换器，所述热交换器将原动机的发动机废气中产生的热量传递到水。
其它系统部件包括用于使原动机发动机运转的燃料罐、加热器流体储器、用于收容所述部件的拖车，以及用于维持系统操作并且在发生机械故障的情况下报警的控制系统。
本发明的这些和其它目的，以及许多其它预期的优点，将在结合附图参照以下描述时变得更显而易见。
附图说明
以下附图1显示出了本文公开的本发明的各个部件的实例，并且仅为用于说明性目的。其它实质上类似的实施例可使用具有不同形态的其它部件。
图1为用于交换来自四个热源的热量的加热器流体的流动和水的流动。
具体实施方式
在描述附图中示出的本发明的优选实施例时，为了明了起见将利用特定的术语。然而，本发明并非旨在被限制于所选用的特定术语，而是应当理解，每一特定术语包括以类似方式工作以实现类似目的的所有技术等效形式。
现将参照附图来对无火焰产热过程进行更详细的描述。将详细描写各个部件，接着对产热过程进行概述。
所述无火焰过程的最大部件是原动机10。所述原动机可为任何类型的发动机，用各种燃料如柴油、丙烷或者天然气供以燃料。在某些应用中所述原动机还可为电发动机。
所述燃料驱动发动机一般建立成如船用发动机一般，所述发动机将具有水冷式的水/空气中间冷却器90，以冷却从原动机10的涡轮增压机的压缩机侧行进到发动机进气口的空气，并增大其密度。所述发动机还具有水/发动机冷却剂热交换器部分60、66，以使发动机保持在理想温度范围中运转。典型的船用发动机具有内置的水泵，以移动水通过中间冷却器和热交换器。产热过程的原型机使用这种泵。在第二代单元中能够移除所述泵，而主要的水泵40的排放被用于此目的。
附接到原动机10的是动态加热器，诸如流体剪切泵20。大部分发动机马力被用来在流体剪切泵20中剪切加热流体。所述加热流体可为实践用于油田环境中的任何流体。所述流体应当是对环境无害和不燃的，并且通常用于油田应用中。在此应用中使用的加热流体的实例包括油类和乙二醇。
流体剪切泵20可使用彼此交叉移动的金属板、或者旋转盘、或者通过泵送流体穿过孔板，以产生大到足够在加热流体中产生热量的流体剪切力。由发动机产生的功率的大部分被用于剪切流体以产生热量的目的。所述流体剪切泵20直接螺栓连接到原动机10上，并且由原动机的输出轴12驱动。
位于所述原动机10和流体剪切泵20之间的是扭转振动阻尼器(未示出)，所述扭转振动阻尼器用于消除由原动机产生的振动。扭转振动阻尼器的使用延长了输出轴12和流体剪切泵20的使用寿命。
直接螺栓连接到流体剪切泵20的是加热器流体泵30，所述加热器流体泵30是液压油泵或者乙二醇泵。所述加热器流体泵30一般是由原动机通过流体剪切泵20的轴驱动的。所述泵的目的是移动加热流体通过各种部件。
水泵40是自吸的离心排污泵，能够泵送流体往返于各种高度。水泵40是通过轴18被驱动轴12驱动的。水泵40必须能够泵送包含污染物的流体，所述污染物为诸如砂子、淤泥、砂砾、以及在河流和小溪中存在的细粒物质。水泵40还必须是可排水的以用于冬季防冰雪。
废气热交换器50必须是由不锈钢或者类似的不锈材料构造的。所述原动机的排气装置14输入到废气热交换器50的底部16，在其中废气被向上引导以在废气热交换器50中加热含水的管束。通常所述废气在高达700℉(400℃)的温度下进入废气热交换器以及在70℉(25℃)的温度下从管道54离开。
用水/发动机冷却剂热交换器部分60、66的泵部分泵送发动机冷却剂，以使发动机冷却剂循环通过管道68和69。水被泵送通过水/发动机冷却剂热交换器部分60，以从穿过管道68和69的循环冷却剂转移热量。这使得发动机冷却剂保持在发动机的工作范围内。这种热交换器是用船舶级材料制成的。
加热器流体/水热交换器70是一种用于将热量从流体剪切泵20的被加热流体传递到水的热交换器。所述热交换器同样被规定为由船舶级材料制成。
加热器流体储器80是用于保存加热流体的储液罐。所述加热器流体储器80一般为50加仑(200升)大小，并且具有用于过滤所述加热流体的附接过滤器。
进水口100和出水口110用于将水传送进出排污水泵40。所述进水口100和出水口110 具有偏心夹或者锤击由壬以附接到柔性软管。
加热过程：
所述加热过程包括：从四个不同的部件收集热量并将所述热量传递到水。所述四个热源部件是流体剪切泵20、水/发动机冷却剂热交换器部分60和66、水/空气中间冷却器90、以及废气热交换器50。
所述加热过程通过启动原动机10开始。此时水泵40将会开始泵送并且开始用水填充。使用一系列抽气阀来从系统清除空气。
水通过进水口100进入系统。水进入排污水泵40，所述排污水泵40用于将水泵送到各种部件和出水口110。从出水口110，水被沿着管道42泵送到水/空气中间冷却器90，以及然后经管道62泵送到水/发动机冷却剂热交换器部分60上，经管道64通过废气热交换器50，以及随后经管道52返回到进水口100中。
在原型机中，直接附接到原动机并且由原动机运行的叶轮式泵被用于此种功能。第二代机器通过排除高维护量的泵，而利用离心水泵40的出口(高压)侧(出水口110)来更简单和高效地实行此功能。离心水泵40还用于从水泵40的高压侧(出水口110)，将水通过管道112泵送到加热器流体/水热交换器70中，以及随后通过管道102返回到泵的入口端。
一旦所述原动机10已经暖机并且空气已从系统清除，所述原动机10就被调节升高到最大功率和转速。此时流体剪切泵20开始产热。所述热量被传递到加热器流体，加热器流体被从加热器流体储器80泵出，经管道82通过加热器流体泵30，经管道22通过流体剪切泵20 以获得由流体剪切泵20产生的热量，以及经管道72通过加热器流体/水热交换器70。在所述加热器流体/水热交换器70处，热量被从加热器流体传递到水，而所述水通过管道102返回到入口。
一旦所述流体已经穿过加热器流体/水热交换器70并且热量已经被从所述加热器流体移除，所述加热器流体就通过管道74返回到加热器流体储器80中，在所述加热器流体储器80中加热器流体被存储和过滤，直到加热器流体被泵回这一循环。所述加热器流体处于连续遵循此路径的闭环系统中。这是第一热源。
水被从离心水泵40的出水口110，通过管道42泵送到发动机中间冷却器。所述中间冷却器的目的是冷却来自原动机10的涡轮增压机的压缩机侧的空气。随着空气穿过所述涡轮增压机，所述空气被加热。通过使空气穿过水/空气中间冷却器90，所述空气在所述水/空气中间冷却器90中被来自管道42的水冷却。这导致所述空气被冷却，以及与此同时所述水被加热。这是第二热源。
所述水通过管道62从水/空气中间冷却器90延续到水/发动机冷却剂热交换器部分60。所述水/发动机冷却剂热交换器部分60允许来自从管道68传送到水/发动机冷却剂热交换器部分66的热冷却剂的热量在水/发动机冷却剂热交换器部分60处被传递到水。泵送足够体积的水，以使发动机冷却剂保持在其规定的温度范围内运行。这是第三热源。
在离开水/发动机冷却剂热交换器部分60之后，所述水通过管道64被泵送到废气热交换器50。在所述发动机废气热交换器50中，允许来自排气装置14、可处于700℉(400℃)的发动机热废气流经水在所述废气热交换器50中所流过的一系列管道。所述交换器被定制尺寸 为使得来自管道54的废气输出温度在大约70℉(20℃-25℃)。从废气热热交换器50的出口，所述水通过管道52被泵送回到排污水泵40的进水口100中，在所述进水口100处被加热的水与进入系统的较冷的水混合。这是第四热源。
前述描述应当被视为仅用于说明本发明的原理。因为本领域的技术人员将容易想到许多修改及变化，所以不欲使本发明限于所图示及所描述的确切构造及操作，且因此可采用落在本发明范围内的所有合适的修改和等效形式。