Теплообменник для погружного маслозаполненного электродвигателя

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных маслозаполненных электродвигателях, служащих приводом электроцентробежных насосов. Технический результат - повышение технологичности изготовления и упрощение конструкции теплообменника при одновременном обеспечении его компактности и высокой теплообменной способности. Теплообменник состоит из верхней и нижней трубных досок и установленных между ними теплообменных труб для циркуляции масла, сообщающихся с полостью электродвигателя. На внутренней стенке теплообменных труб выполнены интенсифицирующие элементы в виде оребрения. Теплообменные трубы установлены концентричными рядами вокруг центральной теплообменной трубы, а трубные доски соединены между собой с помощью стяжек. 1 илл.

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных маслозаполненных электродвигателях (ПЭД), служащих приводом электроцентробежных насосов.

Известно устройство охлаждения ПЭД в виде накладных высокотеплопроводных элементов, внутренней поверхностью охватывающих ПЭД, а наружной поверхностью примыкающих к обсадной колонне, и прижимных элементов, закрепленных на ПЭД с противоположной стороны от накладных элементов (А.с. СССР 1710847, Е21В 47/00, 1992).

Недостатком устройства охлаждения является низкий теплоотвод из-за невозможности обеспечения удовлетворительного теплового контакта между накладными элементами и обсадной колонной вследствие оксидной пленки и загрязнений на ее поверхности.

Известно устройство охлаждения ПЭД, состоящее из навитой на него трубки с отверстиями в стенке, при этом один конец трубки сообщен с выкидом насоса, а другой конец заглушен (Авт. свид-во СССР 688607, МПК Е21В 43/00, 1979).

Недостаток известного устройства охлаждения состоит в том, что навитая трубка увеличивает габариты ПЭД, осложняя тем самым проведение спуско-подъемных операций. Другим недостатком устройства является уменьшение теплоотдачи по длине ПЭД вследствие снижения объема жидкости, впрыскиваемой с выкида насоса через отверстия в пластовую жидкость, омывающую ПЭД, для ее турбулизации.

Известно устройство охлаждения ПЭД в виде заполненной маслом камеры, связанной с основанием ПЭД полым соединительным элементом, внутри которого с образованием кольцевого зазора установлена центральная труба, верхний конец которой сообщен с отверстием вала ПЭД, а нижний конец выведен в камеру, и тепловых труб, вмонтированных в крышку камеры вокруг полого соединительного элемента, причем испарители тепловых труб расположены в камере, а конденсаторы - вне камеры в пластовой жидкости (Пат. РФ 2287887 Е21В 43/00, 2006).

Недостатком устройства охлаждения ПЭД является то, что количество отводимого от масла тепла существенно зависит от скорости обтекания маслом испарителей тепловых труб, причем эту скорость увеличить достаточно проблематично.

Известен теплообменник для ПЭД, состоящий из верхней и нижней втулок с системой радиально-осевых отверстий в каждой, коаксиальных труб, установленных между втулками с образованием цилиндрического и кольцевых каналов, четные из которых сообщены с полостью ПЭД и формируют замкнутые контуры для движения масла, а нечетные сообщены со скважиной и формируют проточные каналы для пластовой жидкости [патент США 2951165, НКИ 310-54, I960].

Недостатком известного теплообменника является невысокая площадь теплообменной поверхности гладких труб, в каналах между которыми текут охлаждаемое масло и охлаждающая пластовая жидкость, что обусловливает низкую интенсивность теплообмена. Вследствие этого для охлаждения масла до приемлемой с точки зрения надежной работы ПЭД температуры теплообменник должен иметь значительную длину.

Наиболее близким к заявляемому является теплообменник для ПЭД, состоящий из верхней и нижней трубных досок с системой отверстий в каждой, коаксиальных труб, установленных между трубными досками с образованием цилиндрического и кольцевых каналов, четные из которых снабжены скрепленными со стенками труб интенсифицирующими вставками из открытоячеистой металлической пены и сообщены с полостью ПЭД, формируя замкнутые контуры для движения масла, а нечетные сообщены со скважиной и образуют проточные каналы для пластовой жидкости (Патент РФ 2301912, MПK F04D 13/08, 2005).

Недостатками принятого за прототип теплообменника является низкая теплоотводящая способность вследствие высокого термического сопротивления между вставками и стенками труб и повышенного гидравлического сопротивления контуров с металлической пеной, а также высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Настоящая полезная модель направлена на повышение технологичности изготовления и упрощение конструкции теплообменника при одновременном обеспечении его компактности и высокой теплообменной способности.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменнике для погружного маслозаполненного электродвигателя, состоящем из верхней и нижней трубной доски, установленных между ними теплообменных труб для циркуляции масла, сообщающихся с полостью электродвигателя, и интенсифицирующих элементов, скрепленных со стенками теплообменных труб, согласно полезной модели, интенсифицирующие элементы выполнены в виде профилированного оребрения на внутренней стенке теплообменных труб, теплообменные трубы установлены концентричными рядами вокруг центральной теплообменной трубы, а трубные доски соединены между собой с помощью стяжек.

Профилированное оребрение получают по технологии деформирующего резания (см., например, http://www.defrez.ru), сохраняющего сплошность соединения оребрения со стенкой теплообменной трубы (ТТ) и обеспечивающего увеличение площади поверхности последней до 14 раз по сравнению с исходной.

На фиг.1 представлен теплообменник для ПЭД заявляемой конструкции; на фиг.2 - макроструктура внутренней поверхности ТТ.

Теплообменник 1 состоит из верхней 2 и нижней трубной доски 3, связанных концентричными ТТ 5 и центральной ТТ 6 и соединенных с помощью стяжек 4. Концентричные ТТ 5 сообщены с зазором, образованным между статором и ротором ПЭД (не показан), а центральная ТТ 6 - с отверстием в валу ПЭД. Перечисленные элементы 2, 3, 5, 6 теплообменника 1 в совокупности с маслозаполненными полостями ПЭД образуют замкнутый контур, в котором циркулирует масло. Внутренняя поверхность ТТ 5, 6 снабжена профилированным оребрением 7, имеющим сплошное соединение со стенкой 8 (фиг.2), при этом внутри ТТ остаются каналы 9. Количество ТТ и их геометрические размеры определяется расчетным путем исходя из тепловой мощности, выделяемой ПЭД, и достижения максимального уровня его охлаждения. Стяжки 4 обеспечивают конструкционную прочность и герметичность теплообменника 1.

На ТТ могут быть размещены спиралевидные элементы для интенсификации теплообмена за счет поперечного обтекания ТТ пластовой жидкостью.

Теплообменник для ПЭД работает следующим образом. ПЭД с присоединенным к основанию теплообменником 1 в составе установки электрического центробежного насоса (УЭЦН) спускают в скважину, где металлические и неметаллические части ПЭД, в том числе трансформаторное масло, нагреваются до температуры пластовой жидкости.

После включения ПЭД трансформаторное масло дополнительно нагревается вследствие тепловыделений в обмотке статора, роторе, узле токоввода и подшипниках. Нагретое масло из зазора между статором и ротором нагнетается циркуляционным насосом (не показан) в полость верхней трубной доски 2, в которую вмонтированы верхние концы концентричных ТТ 5. Масло движется по каналам 9 концентричных ТТ 5 перпендикулярно оребрению 7, которое нарушает упорядоченность потока и турбулизирует его. При контакте более нагретого масла с менее нагретым оребрением 7 происходит передача тепла от первого ко второму и масло охлаждается. Генерируемые вихревые течения способствуют интенсификации теплообмена между маслом и оребрением. Тепло от оребрения 7 кондуктивной теплопроводностью передается стенкам 8 концентричных ТТ 5, от которых, в свою очередь, передается конвективной теплопроводностью к обтекающей их пластовой жидкости, служащей приемником тепла, и уносится ею наверх. Далее охлажденное масло попадает в полость нижней трубной доски 3 с заделанным в нее нижним концом центральной ТТ 6, по каналу 9 которой поднимается вверх, продолжая охлаждаться по приведенному выше механизму, и достигает отверстия вала ПЭД.

При движении внутри вала и в зазоре между валом и головкой ПЭД масло последовательно забирает тепло и охлаждает внутреннюю область ротора, подшипники, узел токоввода, после чего вновь оказывается в зазоре между статором и ротором, где происходят наибольшие тепловыделения, и в нагретом состоянии поступает в концентричные ТТ 5. Охлаждение масла продолжается непрерывно в процессе работы ПЭД.

Высокая эффективность охлаждения трансформаторного масла теплообменником с новой конструкцией ТТ предотвращает перегрев ПЭД и повышает надежность УЭЦН. Теплообменник технологичен в изготовлении и характеризуется уменьшенной металлоемкостью и габаритами.

Теплообменник для погружного маслозаполненного электродвигателя, состоящий из верхней и нижней трубных досок, установленных между ними теплообменных труб для циркуляции масла, сообщающихся с полостью электродвигателя, интенсифицирующих элементов, скрепленных со стенками теплообменных труб, отличающийся тем, что интенсифицирующие элементы выполнены в виде оребрения на внутренней стенке теплообменных труб, теплообменные трубы установлены концентричными рядами вокруг центральной теплообменной трубы, а трубные доски соединены между собой с помощью стяжек.