CN104455894B - 一种液化天然气冷能储存释放一体化装置 - Google Patents

Abstract

一种液化天然气冷能储存释放一体化装置，其特征在于，从内向外包括内管、中管、外管以及绝热层；所述内管内为LNG流动通道，所述内管与所述中管之间的空间为封闭空间，其中填充有相变材料；所述中管与所述外管之间的空间为吸收冷能的介质通道。此外，所述装置内还烧结有金属泡沫，金属泡沫可以填充在内管内、内管与中管之间或中管与外管之间的任意一处或几处，其填充的方式可以是完全填充也可以是部分填充，可根据冷量储存及释放速率的要求确定。采用本发明可以有效地将LNG气化时候的冷量进行储存与释放，另外采用金属泡沫作为填充物可以极大的增加管内的传热面积进而使换热结构紧凑化，并能破坏流动边界层以增强换热效果。

Description

一种液化天然气冷能储存释放一体化装置

技术领域

本发明涉及一种液化天然气(LNG)冷能储存释放装置，尤其涉及一种利用金属泡沫调整LNG冷能储存释放速率的一体化装置。

背景技术

天然气体是一种燃烧热值高、洁净、污染小的重要能源资源。气态的天然气在运输过程中潜藏危险，为了解决长距离运输问题，原产地的天然气开采商均要花费大量的投资和能耗，把天然气液化为液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)再进行运输。

天然气在常压下的液化温度为-163℃，每液化1吨LNG耗电约为850kW·h。而在LNG接收站，一般又需将LNG通过汽化器汽化后使用，汽化时放出很大的冷量，其值大约为830kJ/kg，这种冷量包括液态天然气的汽化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热。

这种冷能从能源品位来看，具有较高的利用价值，而其通常在天然气汽化器中随海水或空气被舍弃了，造成了能源的浪费；同时，冷能向环境释放过程中会对环境造成冷污染。为此，通过特定的工艺技术利用LNG冷能，可以达到节省能源、提高经济效益以及保护环境的目的。

从目前世界上冷能利用情况来看，冷能利用率都比较低，不超过20％。由于LNG主要用于发电和城市燃气，LNG的汽化负荷随时间和季节发生波动。对天然气的需求是白天和冬季多，LNG汽化所提供的冷能也多。反之，在夜晚和夏季，可以利用的LNG冷能也随之减少。LNG冷能的波动，将会对冷能利用设备的运行产生不良影响，必须予以重视。除了冷量供应随时间变化波动会导致冷能供需之间的不平衡这个原因外，将LNG冷量储存起来的原因还有两点：LNG冷量输出规模较大且比较集中，而LNG冷能用户分布比较分散，因此可以将冷量集中储存，再将其分散供给所有用户；另一方面，在LNG冷能梯级利用过程中通过灵活调节LNG冷能存储方式能够使冷能最大化利用，为实现各级冷能利用方式的冷量匹配，可以采用冷能存储单元作为冷能梯级利用系统的缓冲器。

蓄冷装置是利用相变物质的潜热存储LNG冷能的。原理如下：白天LNG冷能充裕时，相变物质吸收冷量而凝固；夜间LNG冷能供应不足时，相变物质溶解，释放出冷量供给冷能利用设备。该装置采用低温蓄冷材料储存冷量，其优势是固液相变潜热大、体积变化小，便于运输。

如果开发一种冷能储存技术与装备，在高峰时将LNG气化富余的冷量贮存起来，在低谷时将储存的冷量释放出来，或外运到其他所需要的地方，供冷能利用设备使用，将有利于解决冷能供应波动性很大等问题，并大幅度提高LNG冷能的利用率。

发明内容

为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为：一种液化天然气冷能储存释放一体化装置，从内向外包括内管、中管、外管以及绝热层；内管内为LNG流动通道，内管与中管之间的空间为封闭空间，其中填充有相变材料；中管与外管之间的空间为吸收冷能的介质通道。

在冷量储存阶段：LNG在内管中流动，通过换热将富余的冷量传递给封闭空间中的相变材料，将冷量储存起来；冷量释放阶段：介质在介质通道中流动并从相变材料中获得冷量。

此外，在管道中还可烧结有金属泡沫，金属泡沫可以填充在内管内、内管与中管之间或中管与外管之间的任意一处或几处，其填充的方式可以是完全填充也可以是部分填充。

优选地，金属泡沫的孔隙率范围为0.8～0.99，孔密度范围为5PPI～200PPI。

优选地，金属泡沫所用的材料为铝泡沫。

优选地，封闭空间中填充的相变材料为水。在这种情况下，由于水在凝固时的密度会变为原来的0.9倍，体积发生膨胀，因此水在封闭空间中的填充比例设置为0.89以下以保护设备。

可选地，内管的流动通道内和外管介质通道内的流体流动的方向可以是同向，也可以是反向。

可选地，本装置的通道截面形状不仅可以是圆形，还可以根据需要设计为椭圆形、三角形、长方形等几何形状。

可选地，本装置的放置方式可以是横放或竖放。

在实际应用中，本装置可以根据实际需求而设计，具体步骤为：

a.根据设计要求确定对应的外管、中管和内管的长度、壁厚及直径；

b.根据冷量储存及释放速率的要求确定内管内、内管与中管之间、中管与外管之间各个通道中金属泡沫的填充方式、填充比例以及金属泡沫孔隙率和孔密度；

c.选择合适的相变材料以一定的填充比例充入内管和中管之间，然后将这个环道密封起来；

d.根据实际情况选择装置中流体流动的方式(顺流或逆流)、装置的放置方式(横放或竖放)。

本发明所具有的技术效果为：采用本发明可以有效地将LNG气化时候的冷量进行储存与释放，另外采用金属泡沫作为填充物可以极大的增加管内的传热面积，破坏流动边界层以增强换热效果。本发明能实现在高峰时将LNG气化富余的冷量贮存起来，在低谷时将储存的冷量释放出来，或外运到其他所需要的地方，供冷能利用设备使用的目的，同时有利于解决目前冷能供应波动性很大等问题，大幅度提高了LNG冷能的利用率。

附图说明

图1是本发明实施例1的径向截面图；

图2是本发明实施例1的轴向截面图；

图3是本发明实施例2填充方案一的径向截面图；

图4是本发明实施例2填充方案二的径向截面图；

图5是本发明实施例3填充方案一的径向截面图；

图6是本发明实施例3填充方案二的径向截面图；

图7是本发明实施例3填充方案三的径向截面图；

图8是本发明实施例3填充方案四的径向截面图；

图9是本发明实施例4填充方案一的径向截面图；

图10是本发明实施例4填充方案二的径向截面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案做进一步地说明。

实施例1

参见图1和图2，本发明主要由内管1、中管2、外管3以及绝热层7组成。内管1内为LNG流动通道4，图2中的箭头代表LNG的流动方向；内管1与中管2之间的空间为封闭空间5，其中可以填充水或其它物质作为相变材料；中管2与外管3之间的空间为吸收冷能的介质通道6，其中的介质直接通往用户处，也即为用户通道，此通道6设置有介质入口8和介质出口9。

在冷量储存阶段：LNG在流动通道4中流动，通过换热将富余的冷量传递给封闭空间5中的相变材料使其凝固，将冷量储存起来；在冷量释放阶段：用户介质在通道6中流动融化相变材料以获得冷量。

实施例2

本发明的一个优选实施例为在内管1的流动通道4内填充金属泡沫10，可以采用两种填充方案，一种是完全填充(如图3)，另一种是紧贴内管壁的部分填充(如图4)。

LNG流速、内管的直径以及金属泡沫的填充方式是影响LNG冷量储存速率的主要因素。LNG流速快、内管直径大以及金属泡沫的填充比例大，那么冷量的储存速率就快；反之，速率则慢。LNG流速及内管直径一定的情况下，图3中的方案冷量储存速率最快，图4中的方案则可以根据所需的LNG冷量储存速率来调节金属泡沫的填充比例。

实施例3

本发明的另一优选实施例为在内管1与中管2之间的封闭空间5内填充金属泡沫10，可以采用四种填充方案，第一种是完全填充(如图5)，第二种是紧贴中管壁和紧贴内管壁的部分填充(如图6)，第三种是单独紧贴中管壁的部分填充(如图7)，第四种是单独紧贴内管壁的部分填充(如图8)。

内管与中管的直径、中管的长度以及相变材料的热物性决定冷能储存量，而金属泡沫在环道的填充方式及比例则影响冷量储存和释放速率。相同条件下，图5的方案冷量储存和释放速率最快，图6的方案冷量储存和释放速率要慢一些，图7的方案冷量储存速率最慢，图8的方案的冷量释放速率最慢。因此可根据需求选择合适的填充方案与填充比例。

实施例4

本发明的另一优选实施例为在中管2与外管3之间的介质通道6内填充金属泡沫10，可以采用两种填充方案，一种是完全填充(如图9)，另一种是单独紧贴中管壁的部分填充(如图10)。

吸冷介质的流速、中管与外管直径以及金属泡沫的填充方式是影响冷量释放速率的主要因素。吸冷介质流速快、通道截面积大以及金属泡沫的填充比例大，那么冷量的释放速率就快；反之，速率则慢。吸冷介质流速以及通道截面积一定的情况下，图9的方案冷量释放速率最快，图10的方案则可以根据所需的冷量释放速率来调节金属泡沫的填充比例。

通过以上的分析可知：根据金属泡沫的填充方式的不同，本发明一共有20种布置方案。用户可以根据具体的情况选择其中一种方案，并且由自身所需的冷能储存量、储存及释放速率确定各环道中金属泡沫的孔隙参数和填充比例。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液化天然气冷能储存释放一体化装置，其特征在于，从内向外包括内管、中管、外管以及绝热层；所述内管内为LNG流动通道，所述内管与所述中管之间的空间为封闭空间，其中填充有相变材料；所述中管与所述外管之间的空间为吸收冷能的介质通道。

2.如权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述装置内还烧结有金属泡沫。

3.如权利要求2所述的一体化装置，其特征在于，所述金属泡沫烧结于所述内管内，完全填充或部分填充所述LNG流动通道。

4.如权利要求2所述的一体化装置，其特征在于，所述金属泡沫烧结于所述内管与所述中管之间，完全填充或部分填充所述封闭空间。

5.如权利要求2所述的一体化装置，其特征在于，所述金属泡沫烧结于所述中管与所述外管之间，完全填充或部分填充所述介质通道。

6.如权利要求1或2所述的一体化装置，其特征在于，所述相变材料为水，且水在所述封闭空间中的填充比例设置为0.89以下。

7.如权利要求2-5任一项所述的一体化装置，其特征在于，所述金属泡沫的孔隙率范围为0.8～0.99，孔密度范围为5PPI～200PPI。

8.如权利要求2-5任一项所述的一体化装置，其特征在于，所述金属泡沫的材料为铝泡沫。

9.如权利要求1-5任一项所述的一体化装置，其特征在于，所述LNG与所述吸收冷能的介质的流动方向相同。

10.一种设计如权利要求2所述的一体化装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.根据设计要求确定对应的外管、中管和内管的长度及直径；

b.根据冷量储存及释放速率的要求确定内管内、内管与中管之间、中管与外管之间各个通道中金属泡沫的填充方式、填充比例以及金属泡沫孔隙率和孔密度；

c.选择合适的相变材料以一定的填充比例充入内管和中管之间，然后将这个环道密封起来；

d.根据实际情况选择装置中流体流动的方式和装置的放置方式。