本发明涉及液态沥青运货船领域，尤其是涉及一种沥青船液货舱导热油加热盘管系统及其工作方法。
背景技术：
随着我国高速公路建设的迅猛发展，我国对沥青的需求量大大增加。根据2020年中国沥青产业市场发展结构分析及投资战略咨询预测，我国沥青行业市场规模由2015年的921亿元增长到2019年的1480亿元。根据联合国商品贸易数据库数据数据，我国从97个国家进口沥青，耗资巨大。2019年9月19日发布的《交通强国建设纲要》也提出了在2035年前将中国建成在交通方面拥有杰出成就的国家，该政策将有助于推广我国各地的基础设施建设，尤其对沥青行业有利。因而，液态沥青运货船的推广发展已成为大势所趋。
沥青高黏度、高凝固点的特点使之不易处理，为方便沥青船的运输，需要保证沥青的流动性，要求对其进行加热和保温。常见的沥青加热方式有封闭罐蒸汽加热盘管、导热油加热盘管和电加热器。封闭罐蒸汽加热盘管方式沥青封闭储存，省去了脱水工序，且不需人工处理，操作简便；但是这种方式生产效率低且能耗高的弊端并无明显改善，还损坏沥青的品质，污染环境。导热油加热盘管的加热方式，可以通过对沥青的一次加热达到所需温度，节省能耗，效率较封闭罐蒸汽加热盘管式，明显提高。电加热器加热方式加热速度快，便于控制管理，但是设备耗资大，换热效率低。目前国内或国际上，给沥青加热的最常用方式是利用高温导热油流经盘管或夹套来给沥青加热。
赵振兴(专利名称：一种沥青储罐用导热油加热盘管；申请号：cn201620419184.x)提出利用多组各自独立的加热盘管组成的导热油加热盘管，每组加热盘管均设置有上层加热盘管和下层加热盘管；上层加热盘管的出口端与所述下层加热盘管的入口端连接；上、下层加热盘管均沿着储罐底平面呈蛇形布置；上层加热盘管的入口端连接放空接口，下层加热盘管的出口端连接排污接口；每组加热盘管与储罐内搅拌器之间均设置有第一通道，每组加热盘管与储罐内壁之间设置有第二通道。这种加热盘管的设计方案解决了现有导热油加热盘管维护及检修困难的问题，但是没有考虑沥青的能耗问题，使用效率仍然不高。并且沿平面布置的盘管中存在大量残液量，影响盘管性能。冯国增(专利名称：一种船舶沥青梯级加热系统及方法；申请号：cn201410311160.8)提出利用缸套冷却水余热提取环路、废气热油锅炉环路、燃油热油锅炉环路和沥青加热环路实现的一种船舶沥青梯级加热的系统及方法。该专利从加热方式层面解决了燃料耗费巨大，环境污染严重等问题，但没有从加热盘管的布置层面考虑减少燃料耗费，提高换热效率等问题。
技术实现要素：
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种沥青船液货舱导热油加热盘管系统，解决现有加热盘管存在换热效率低、能耗大、成本高、残液量的问题，并提供了该系统的工作方法。
技术方案：一种沥青船液货舱导热油加热盘管系统，包括设置于沥青船液货舱中的多个加热盘管，多个加热盘管沿液货舱四周的舱壁依次间隔排布并分别竖直放置，加热盘管包括立管、并联管道一、并联管道二、固定支架、进口管、出口管，立管沿横向依次平行间隔排列设有多个，立管的上端分别与并联管道一连通，下端分别与并联管道二连通，使多个立管呈并联连通结构，排列于首位的立管的上端、并联管道一分别与进口管连接，并联管道二的尾端与出口管连接，每个立管通过两个间隔设置的固定支架与舱壁连接。
进口管连接分油器，出口管连接集油器，均布置在液货舱的内部，分油器的另一端连接外界的导热油加热系统的出口端，集油器的另一端连接外界的导热油加热系统的进口端。
进一步的，并联管道一包括等径三通、异径三通一、异径管一、弯接头一，位于首末位之间的每个立管上端分别连接有一个异径三通一，相邻两个异径三通一之间分别通过一个异径管一连接，首位的立管的上端、首位的异径三通一通过等径三通与进口管连接，末位的立管的上端通过弯接头一与末位的异径三通一连接。
最佳的，并联管道一的横向通道的直径自首端至尾端逐级减小。
进一步的，并联管道二包括异径三通二、异径管二、弯接头二、弯接头三，位于首位之后的每个立管下端分别连接有一个异径三通二，相邻两个异径三通二之间分别通过一个异径管二连接，首位的立管下端通过一个弯接头二与首位的异径三通二连接，末位的异径三通二通过一个弯接头三与出口管连接。
最佳的，并联管道二的横向通道的直径自首端至尾端逐级增大。
弯接头一、弯接头二、弯接头三均为90°弯管，曲率半径取3倍的管段直径。
最佳的，多个立管等距间隔排列，相邻两个立管之间的间距与立管到舱壁之间的距离相等。
最佳的，并联管道一到液货舱舱顶的距离、并联管道二到液货舱舱底的距离分别与相邻立管之间的间距相等。
最佳的，加热盘管的材料为无缝钢管。
最佳的，加热盘管的数量为3～6个，每个加热盘管的立管数量为3～6个。
一种上述的沥青船液货舱导热油加热盘管系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：每个加热盘管的进口管与外界的分油器相连，导热油通过分油器依次流进不同的进口管；
步骤二：导热油流经进口管后在并联管道一的等径三通处分流，一部分导热油流进首位的立管，另一部分导热油流进并联管道一；
步骤三：依次，同步骤二，导热油在三通处分流，流进各立管中；
步骤四：导热油在立管中与管外舱室内的沥青换热后，在重力的作用下，流出立管，流进并联管道二，各立管中流出的导热油在并联管道二汇总后共同流进出口管；
步骤五：加热盘管系统的出口管与外界的集油器相连，通过集油器将导热油从不同的出口管汇总后，共同流出加热盘管系统；
步骤六：从加热盘管系统流出的导热油在外界加热升温后，再进入到加热盘管系统，形成闭合循环回路，实现对舱室内沥青的加热。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：本发明相较于常用的串联式蛇形盘管，在加热盘管管径、长度及导热油进口温度一定时，加热盘管采用并联式布置，其单个立管长度小于串联盘管总长度，实现并联式加热盘管的进口管与出口管处的导热油温差相较于串联式盘管较小，即单位管段的导热油温度梯度降低，导热油与舱室内的沥青温差增加，换热量增加，换热效率得到提高；此外，在盘管管径及导热油进口温度一定时，加热盘管采用并联式布置，提高了加热盘管两侧的流体温差，在达到相同换热量时，并联式加热盘管所需的换热面积减小，即加热盘管长度减小，成本降低，具有高效节能的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图之一，此时立管数量为五根；
图2是本发明的结构示意图之二，此时立管数量为四根；
图3是本发明在沥青船液货舱内的平面布置图之一，此时加热盘管数量为四个；
图4是本发明在沥青船液货舱内的平面布置图之二，此时加热盘管数量为五个。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种沥青船液货舱导热油加热盘管系统，如图1～4所示，包括设置于沥青船液货舱中的多个加热盘管1沿液货舱四周的舱壁依次间隔排布并分别竖直放置。
加热盘管1包括立管2、并联管道一3、并联管道二4、固定支架5、进口管6、出口管7，立管2沿横向依次平行间隔排列设有多个，立管2的上端分别与并联管道一3连通，下端分别与并联管道二4连通，使多个立管2呈并联连通结构，并联管道一3为上层共用加热管道，并联管道二4为下层共用加热管道。
并联管道一3包括等径三通31、异径三通一32、异径管一33、弯接头一34，位于首末位之间的每个立管2上端分别连接有一个异径三通一32，相邻两个异径三通一32之间分别通过一个异径管一33连接，首位的立管2的上端、首位的异径三通一32通过等径三通31与进口管6连接，末位的立管2的上端通过弯接头一34与末位的异径三通一32连接。并联管道一3的横向通道的直径自首端至尾端逐级减小。
并联管道二4包括异径三通二41、异径管二42、弯接头二43、弯接头三44，位于首位之后的每个立管2下端分别连接有一个异径三通二41，相邻两个异径三通二41之间分别通过一个异径管二42连接，首位的立管2下端通过一个弯接头二43与首位的异径三通二41连接，末位的异径三通二41通过一个弯接头三44与出口管7连接。并联管道二4的横向通道的直径自首端至尾端逐级增大。
加热盘管1的进口管6与外界的分油器相连，出口管7与外界的集油器相连，实现导热油在并联盘管内循环流动加热沥青。
每个立管2通过两个间隔设置的固定支架5与舱壁连接，立管2的不同位置处布置固定支架5，使整个加热盘管1通过固定支架5固定在最近处舱壁上，安装方式可以采用固定支架与热补偿器组合或采用滑动支架。
多个立管2等距间隔排列，相邻两个立管2之间的间距与立管2到舱壁之间的距离相等。并联管道一3到液货舱舱顶的距离、并联管道二4到液货舱舱底的距离分别与相邻立管2之间的间距相等。加热盘管1的材料为无缝钢管。
管道与管道之间均采用焊接方式连接，等径三通31、异径三通一32、异径管一33、弯接头一34、异径三通二41、异径管二42、弯接头二43、弯接头三44的型号均型号采用gb/t12459-2017国标中的型号，立管2公称直径取值范围为dn50～dn150。弯接头一34、弯接头二43、弯接头三44均为90°弯管，曲率半径取3倍的管段直径。
以15000载重吨沥青油船的沥青加热盘管设计为例，船的参数如表1所示。
表1：15000载重吨沥青油船参数
目前，沥青船液货舱的导热油加热系统都是通过导热油先将液货舱中的沥青加热至流动状态(即一次加热)后自流，再继续加热至使用温度(即二次加热)。
设计对比计算以沥青二次加热为例，即将沥青从初始温度80℃加热到终温160℃。
当立管数量为五根、加热盘管数量为四个时，如图1、3所示，加热盘管与舱壁间距为5米，立管等间距为5米，此时加热盘管的参数如表2所示。
表2：加热盘管的参数选取(并联管道一管径从大到小对应的管件)
注：并联管道二管件布置与上共用管相反。
(一)在将沥青从初始温度80℃加热到终温160℃的条件下，串联式和并联式加热盘管所需换热面积对比计算：
(1)设计参数
串联式加热盘管设计参数如表3所示：
表3：液货舱的导热油串联式加热盘管参数
并联式加热盘管设计参数如表4所示：
表4：液货舱的导热油并联式加热盘管参数
(2)导热油温降计算
ql＝kdπd(ty-t0)
＝0.045×π×0.08×(260-80)
＝2.04w/m
式中：ql—热损失，w/m；
kd—传热系数；
d—管道的直径，d＝0.08m；
ty—导热油的初始温度，ty＝260℃；
t0—沥青的初始温度，t0＝80℃；
α1—导热油流至管壁的放热系数，需计算雷诺数确定流态,dy-340型号导热油为260℃时，γ＝0.44mm2/s，ρ＝806.2kg/m3，
流体位于湍流区α1可以忽略，即α1＝0；
α2—管外壁至沥青的放热系数，70号基质沥青为80℃时，α2＝0.18071w/(m·k)[3]。
又根据公式qllτ＝cm(t1-t2)＝cρlπr2(t1-t2)
c—导热油比热，c＝2.70994kj/(kg·℃)
l—单个并联直管段长度，l＝20m
τ—时间，τ＝20/0.98＝20.41s
∴2.04×20.41＝2.70994×806.2×π×0.042×(260-t2)
流出加热盘管的温度t2＝256.21℃
∴导热油的温降为
(3)串联式加热盘管设计计算
设计串联式加热盘管有效长度为400m，等同于四组并联式加热盘管单元，每组有效长度20m×5时，导热油温降为0.1895℃/m，则串联式加热盘管导热油回油温度为184.2℃。
①沥青二次升温所需热量qn
qn＝cm(t2-t1)(1)
式中：c—沥青比热，取1.70kj/kg·℃；
m—沥青质量流量，m＝70200kg/h；
t2—沥青加热终温，t2＝160℃；
t1—沥青初始温度，t1＝80℃；
将以上数值代入(1)式，得：
qn＝1.70×70200×(160-80)
＝9.55×106kj/h
②加热沥青时散失热量qs
qs＝0.7qn＝6.68×106kj/h
③沥青二次加热所需总热量q1
q1＝qn qs
＝1.62×107kj/h
④换热器内导热油向沥青的总传热系数k1
式中：α—换热器外壁到沥青的放热系数，α＝1050kj/m2·h·℃；
r—影响传热效果的补充热阻，r＝0.002m2·h·℃/kj；
将以上数值代入(2)式，得：
k1＝339kj·m2·h·℃
⑤换热器换热面积f1
式中：tb—导热油平均温度，tb＝(t出 t回)/2＝(260 184.2)/2＝222.1℃；
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃；
将以上数值代入(3)式得：
f1＝5.85×102m2
(4)并联式加热盘管设计计算
设计四组并联式加热盘管单元，每组有效长度20m×5，即按照20m有效长度计算温降。导热油温降为0.1895℃/m，则并联式加热盘管导热油回油温度为256.21℃。
①—④计算过程同(2)；
⑤换热器换热面积f2
式中：tb—导热油平均温度，tb＝(t出 t回)/2＝(260 256.21)/2＝258.105℃；
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃；
将以上数值代入(4)式得：
f2＝4.33×102m2
(5)并联式相比串联式加热盘管节省的换热面积δf
δf＝152m2
以dn＝80mm为例，其单位长度的换热面积为f0＝0.25m2
∴节省加热盘管长度为
(二)在导热油温降为0.1895℃/m的条件下，串联式和并联式加热盘管单位面积换热量对比计算：
(1)串联式加热盘管设计计算
单位面积的换热量q1
式中：
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj/m2·h·℃；
将以上数值代入(5)式得：
q1＝34611.9kj/(h·m2)
(2)并联式加热盘管设计计算
单位面积的换热量q2
式中：
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj·m2·h·℃；
将以上数值代入(5)式得：
q2＝46817.595kj/(h·m2)
(3)换热能力计算η
∴换热能力提升了35.3％
(4)并联式相比串联式单位面积换热量提高δq
δq＝12205.695kj/(h·m2)
燃料油以重油为例，其燃烧值为q0＝4.5×104kj/kg、价格为2.5元/kg
∴单位面积节省燃油质量
∴节省燃油质量m＝m·f1＝158.535kg/h
∴节省燃油费用158.535×2.5＝396.34元/h
通过以上经济性计算，本发明采用并联式加热盘管设计相比串联式蛇形盘管技术可节省加热盘管长度608m、每小时可节省396.34元的燃油费用，换热能力提升了35.3％，节能效果显著。本发明加热盘管采用并联式连接，相较于常用的串联式蛇形盘管，换热面积增大，单位管段的导热油温度梯度降低，换热效率提高；达到相同换热量时，成本低，高效节能。
通过计算得出并联式加热盘管换热量最高、具有经济性的一组设计方案。
表5：设计方案
当立管数量为五根、加热盘管数量为四个时，并联式加热盘管单位面积的换热量q＝46817.595kj/(h·m2)，可知换热面积最大的一组设计方案，其换热量也最高，即可选择方案2和方案3。
从共有管段温降角度计算，具体比较两者换热量。
方案3为液货舱内设五个加热盘管，每个加热盘管由四个并联立管组成，立管等间距为4米；加热盘管在液货舱内呈五边形布置，如图2、4所示，图中加热盘管的参数见表6。
表6：加热盘管的参数选取(并联管道一管径从大到小对应的管件)
注：并联管道二管件布置与上共用管相反。
(1)液货舱内设四组并联式加热盘管单元
导热油温降为0.1895℃/m；
①第一根并联盘管
式中：
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj·m2·h·℃
②第二根并联盘管
共有管路5m,温降为0.9475℃
式中：
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj·m2·h·℃
③第三根并联盘管
共有管路10m,温降为1.895℃
式中：
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj·m2·h·℃
④第四根并联盘管
共有管路15m,温降为2.8425℃
式中：
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj·m2·h·℃
⑤第五根并联盘管
共有管路20m,温降为3.79℃
式中：
ty—沥青平均温度，ty＝(t2 t1)/2＝(160 80)/2＝120℃
k1—换热器内导热油向沥青的总传热系数，k1＝339kj·m2·h·℃
∴每组加热盘管单元的总换热量为q0＝q1 q2 q3 q4 q5＝2.31×105w/m2
∴四组并联式加热盘管单元的总换热量为q＝4×q0＝9.24×105w/m2
(2)液货舱内设五组并联式加热盘管单元
导热油温降为0.1895℃/m；
由(1)可得加热盘管的总换热量为q0＝q1 q2 q3 q4＝1.85×105w/m2
∴五组并联式加热盘管单元的总换热量为q＝5×q0＝9.25×105w/m2
(3)对比分析
通过以上计算可以看出，方案2即在液货舱内布置四组加热盘管单元和方案3即在液货舱内布置五组加热盘管单元的换热面积相同，但方案2的共有管段较长，其所造成的温降较大。通过具体的分析计算可以得出，在经济性条件相同时，方案3较方案2的换热量约多1000w/m2，方案3更具优势。
除上述实施例外，本专利还可以采用其他实施方式应用于其他类型的液货船、加热罐中。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围。
上述的沥青船液货舱导热油加热盘管系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：每个加热盘管的进口管与外界的分油器相连，导热油通过分油器依次流进不同的进口管；
步骤二：导热油流经进口管后在并联管道一的等径三通处分流，一部分导热油流进首位的立管，另一部分导热油流进并联管道一；
步骤三：依次，同步骤二，导热油在三通处分流，流进各立管中；
步骤四：导热油在立管中与管外舱室内的沥青换热后，在重力的作用下，流出立管，流进并联管道二，各立管中流出的导热油在并联管道二汇总后共同流进出口管；
步骤五：加热盘管系统的出口管与外界的集油器相连，通过集油器将导热油从不同的出口管汇总后，共同流出加热盘管系统；
步骤六：从加热盘管系统流出的导热油在外界加热升温后，再进入到加热盘管系统，形成闭合循环回路，实现对舱室内沥青的加热。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
