CN101666589B - 组合热管换热器 - Google Patents

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Abstract

一种制冷技术领域的组合热管换热器，包括：箱体、隔板、若干热管和热管固定结构，其中：箱体的两端分别对应设有天然气进口管路、制冷剂出口管路以及制冷剂进口管路、液化天然气出口管路，隔板的一端固定设置于箱体内部一端的天然气进口管路和制冷剂出口管路之间，隔板的另一端固定设置于箱体内部另一端的制冷剂进口管路和液化天然气出口管路之间，热管固定结构固定设置于隔板上，热管与热管固定结构相连接并与隔板相垂直。本发明集成了热管的高导热性的特点，克服了目前工业中普通换热器材料导热性能差的缺点。

Description

组合热管换热器
技术领域
本发明涉及一种制冷技术领域的装置，具体涉及一种适用于天然气液化流程的组合热管换热器。
背景技术
目前，液化天然气(LNG)技术已经成为一门新兴工业正在迅猛发展。液化过程中，天然气与制冷剂之间的换热效率是决定天然气液化率及能耗的关键因素之一，也直接关系到LNG产出率及经济性。目前工业中广泛采用的天然气液化流程中，主要采用板翅式换热器及管壳式换热器，其通道狭小、易堵塞，清洗维修较困难，特别是由于受到其制备材料，如钢、铝、铜等导热系数的制约，其换热效率低，所以体积都非常庞大。针对我国存在大量产气量较小的边际气田的现状，在我国不大可能出现大型基本负荷型液化天然气工厂，但却存在对小型液化装置的潜在的较大需求，包括小储量分布偏散的天然气源、油田伴生天然气(湿气)、煤层天然气(瓦斯)、城市垃圾池天然气(沼气)等的液化回收。开发小型撬装式天然气液化装置一直是业界关注的热点。
热管是一种利用工质的相变蒸发制冷，使热量快速传导的装置。将热管与普通换热器结合组成热管换热器，其腔内的流形很容易实现纯逆流流动，可以在不改变冷、热流体入口温度的条件下，增大平均温差，提高传热效果。在两个换热腔体内的热管部分，可以很方便地实现翅片化，从而提高传热面积，强化传热过程。对于给定热流密度，由于热管传热强度很大，传热性能优良，从而可以减小传热面积，减少设备体积和重量，多年来，人们一直在研究如何利用热管技术提高换热器的换热效率。
经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号CN88217498.3公开的“组合型热管换热器”，介绍了一种用于回收烟气余热的组合型热管换热器，在结构上采用两组热管束串联的方式，前一组为气-水换热的敞开型热管束，后一组为气-气换热的密闭型热管束。但其结构和特点并不适用于低温工况下液化天然气，检索中还发现中国专利申请号CN95239565.7公开的“电加热内热式组合热管”，其热管束上部相互连通，下部也互相连通，但该技术一旦热管某处发生破损泄露，则导致整个热管换热器无法正常工作，而液化天然气对设备安全性要求极高，故难以大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种组合热管换热器，将换热流程划分为多个温区，可大幅提高天然气液化流程中制冷剂与天然气之间的换热效率，简化换热器结构，减小设备体积，提高能量的利用率，降低工业成本。该换热器集成了热管的高导热性的特点，克服了目前工业中普通换热器材料导热性能差的缺点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：箱体、隔板、若干热管和热管固定结构，其中：箱体的两端分别对应设有天然气进口管路、制冷剂出口管路以及制冷剂进口管路、液化天然气出口管路，隔板的一端固定设置于箱体内部一端的天然气进口管路和制冷剂出口管路之间，隔板的另一端固定设置于箱体内部另一端的制冷剂进口管路和液化天然气出口管路之间，热管固定结构固定设置于隔板上，热管与热管固定结构相连接并与隔板相垂直。
所述的箱体为隔热材料制成。
所述的隔板为硬质铝平板，该隔板将箱体分割为上腔体和下腔体，
所述的隔板上设有若干通孔，该通孔的内径与热管固定结构相匹配。
所述的热管固定结构包括：密封圈和连接法兰，其中：连接法兰套接于热管外部并固定设置于隔板上，密封圈固定设置于连接法兰和隔板之间。
所述的热管的外侧设有若干翅片，该翅片与热管轴线相垂直。
与现有技术相比，本发明将热管换热器应用于天然气液化流程，有效提高了冷量在制冷剂和天然气之间的传输效率；采用多级组合热管结构，将箱体划分为多个温区，根据每个温区温度的要求，选取合适的热管工质，使得该温度下的热管能充分发挥其性能，从而减少能量损失，节约成本。
附图说明
图1为本发明箱体结构剖视图。
图2为热管固定结构图。
图3为实施例工作流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：箱体1、隔板2、若干热管3和热管固定结构4，其中：箱体1的两端分别对应设有天然气进口管路5、制冷剂出口管路6以及制冷剂进口管路7、液化天然气出口管路8，隔板2的一端固定设置于箱体1内部一端的天然气进口管路5和制冷剂出口管路6之间，隔板2的另一端固定设置于箱体1内部另一端的制冷剂进口管路7和液化天然气出口管路8之间，热管固定结构4固定设置于隔板2上，热管3与热管固定结构4相连接并与隔板2相垂直。
所述的箱体1为隔热材料制成。
所述的隔板2为硬质铝平板，该隔板2将箱体1分割为上腔体9和下腔体10，热管3按照固定结构4固定在隔板上。
所述的热管3的冷凝段处于上腔体9内，蒸发段处于下腔体10内，天然气从管路5进入，外掠流过热管3蒸发段后从管路8流出腔体，制冷剂从管路7进入，外掠流过热管3冷凝段后从管路6流出腔体。
所述的隔板2上设有若干通孔11，该通孔11的内径与热管固定结构4相匹配。
所述的通孔11，在隔板上的分布方式为正三角形叉排排列，垂直于气体流动方向的管间距为80mm；
所述的热管固定结构4包括：密封圈12和连接法兰13，其中：连接法兰13焊接于热管3外部并固定设置于隔板2上，密封圈12固定设置于连接法兰13和隔板2之间。
所述的热管3的外侧设有若干翅片14，该翅片14与热管3轴线相垂直。
所述的翅片14的厚度为0.5mm，翅片外径为50mm，翅片间距为2mm，采用挤压工艺加工成型。
所述的热管3的规格为φ25mm×1.5mm的硬质铝管，总长度为4000mm，蒸发段长度为1990mm，冷凝段长度为1990mm，绝热段长度为20mm。
所述的热管3的中部绝热段焊接连接法兰13。
所述的热管3采用正三角叉排方式设置于隔板上，迎风第一排安装30根热管，横向间距(垂直于气流方向)为80mm，纵向间距69.3mm，按照日处理20万标准立方的天然气的流程设计，则需安装热管40排，共计1100根热管。
所述的热管3，对应不同的温度区域，内部充注有不同的工质，如氨、乙烷、甲烷等。
如图1所示，制冷剂与天然气分别从箱体两侧的制冷剂进口管路7和天然气进口管路1，以逆流状态进入换热空腔内，制冷剂的冷量通过组合热管管束逐级传递给天然气，并将其液化。箱体内部分为多个工作温区(如I、II、III)，工作在每个温区的热管采用不同热物理特性的工质，使得每个热管换热器能够在其工作温区得到充分利用。
如图2和图3所示，基于数值计算和软件模拟，每个温区的热管内部都选用了不同热物理特性的工质，而且在每个温区内，排与排之间热管内部的工质的充注量和压力也可不同，目的在于使得在各相应温度下，热管的换热效率都能达到最高，并且更有效的利用冷能。
此换热器针对日处理20万标准立方的天然气液化流程设计，箱体内部分为3个温区，然后根据不同热管工质的热物理特性，并综合系统安全性和材料的腐蚀性进行选取：
I级温区：200-300K，热管工质选用氨；
II级温区：150-200K，热管工质选用乙烷；
III级温区：110-150K，热管工质选用甲烷。
考虑利用重力使管内液体回流，热管型式采用重力热管，并加缓蚀剂增加热管寿命。箱体规格为高4m，宽2.5m，长2.8m。热管基管材料采用硬质合金铝，外直径φ25mm，壁厚1.5mm。在天然气流经的热管两端，管壁外侧安装环形铝翅片以增加换热面积，翅片外径φ50mm，翅片厚度0.5mm，翅片间距2mm。热管束采用正三角叉排方式，第一排安装30根热管，横向间距80mm，纵向间距69.3mm，3级温区共40排，总共1100根热管。
组合热管换热器稳定工作时，主要包括2个循环：制冷剂循环和热管内部工质的相变循环。制冷剂提供冷量，利用热管内部工质的相变循环将冷量传递给天然气，将其冷却。首先，常温下的天然气由天然气进口管路5进入箱体内部，通过一系列氨热管束，由I级温区内部制冷剂给其提供冷量，冷却至II级温区的进口温度(200K左右)；接着进入II级温区，其内部采用乙烷型热管束进行换热，使天然气冷却至III级温区的进口温度(150K左右)；然后进入III级温区，其内部采用甲烷型热管束进行换热，可将天然气冷却至液态，最后存入液化天然气储罐。在这三级换热器中，换热器材料要求能在低温下正常工作，因而采用能在低温下正常工作的低温铝合金作为热管基管材料；运行时，换热器内部压力较高，约为2MP左右，因而适当加厚了翅片厚度(0.5mm)，以增强其强度。

Claims (7)

1.一种组合热管换热器，包括：箱体、隔板、若干热管和热管固定结构，其特征在于：箱体的两端分别对应设有天然气进口管路、制冷剂出口管路以及制冷剂进口管路、液化天然气出口管路，隔板的一端固定设置于箱体内部一端的天然气进口管路和制冷剂出口管路之间，隔板的另一端固定设置于箱体内部另一端的制冷剂进口管路和液化天然气出口管路之间，热管固定结构固定设置于隔板上，热管与热管固定结构相连接并与隔板相垂直，箱体内部分为多个工作温区，工作在每个温区的热管采用不同热物理特性的工质。
2.根据权利要求1所述的组合热管换热器，其特征是，所述的箱体为隔热材料制成。
3.根据权利要求1所述的组合热管换热器，其特征是，所述的隔板将箱体分割为上腔体和下腔体。
4.根据权利要求1或3所述的组合热管换热器，其特征是，所述的隔板上设有若干通孔，该通孔的内径与热管固定结构相匹配。
5.根据权利要求1所述的组合热管换热器，其特征是，所述的热管固定结构包括：密封圈和连接法兰，其中：连接法兰套接于热管外部，并固定设置于隔板上，密封圈固定设置于连接法兰和隔板之间。
6.根据权利要求1所述的组合热管换热器，其特征是，所述的热管采用正三角叉排方式设置于隔板上。
7.根据权利要求1或6所述的组合热管换热器，其特征是，所述的热管的外侧设有若干翅片，该翅片与热管轴线相垂直。
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