CN104896986A - 一种高效紧凑式lng汽化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效紧凑式LNG汽化器，包括壳体和换热芯体。所述壳体为具有空腔的六瓣花形柱体，所述六瓣花形弧面上分别开设有用于换热介质的流入、流出口；所述换热芯体由若干组，每组4块叠置式的正六边形单板组成，所述正六边形单板任一对应两条边之间的一平面上开设有若干条槽道，每组4块正六边形单板相对槽道口互成60°交错紧贴叠置在所述壳体中，正六边形单板的六个角与壳体焊接连接，形成六个相互独立的分别对应流入、流出口的竖向密闭空腔。本发明使三种换热介质在同一汽化器内完成热量交换，增加了汽化器的换热面积，提升了LNG汽化器运行的工作压力和汽化效率，减小了LNG汽化器的体积和重量。

Description

一种高效紧凑式LNG汽化器

技术领域

本发明涉及一种汽化器，更具体地说，是涉及一种多介质微细通道的高效紧凑式LNG汽化器。属于强化传热的技术领域。

背景技术

LNG汽化器是实现由液态天然气储运到气态天然气使用的核心设备。该设备可以安置在陆上和海上。然而，陆上LNG汽化站的建造面临更为严重的限制，如占用空间大、难移动以及处理LNG的固有危险也使得附近居民非常排斥。因此，在多种情况下，海上LNG汽化站被视为用于供给天然气的快速通道的较好的解决方案。不论是陆上LNG汽化站还是海上LNG汽化站，汽化器是LNG汽化系统中实现LNG由液态转化为气态的关键设备，LNG由液态转化为气态在LNG汽化系统中主要靠汽化器来实现。汽化器是影响LNG汽化效率的最主要的因素，尤其对于海上LNG汽化站的存放空间小的特点，其对汽化器换热的结构紧凑性和换热性能的要求更高。

目前，现有的LNG汽化器从结构形式上说主要分为开架式汽化器(ORV)、沉浸式汽化器(SCV)和管壳式汽化器(STV)/中间流体式汽化器(IFV)三种。其中，开架式汽化器又分为开架式和超级开架式汽化器。开架式汽化器具有结构和加工工艺简单等优点。但LNG在汽化过程中，管外的海水易结冰，从而导致其换热效率迅速降低，使产气量不稳定；另一方面，开架式汽化器简单的结构致使其换热体积增大，只能用于空间不受限制的领域。沉浸式汽化器具有启动快，热效率高等特点，解决了开架式汽化器汽化过程中易结冰的问题。但其局限在于，沉浸式汽化器在汽化过程中要以天然气为燃料，所以运行成本较高，目前只能用于调峰或紧急情况使用，尚未能作为负荷型的汽化器使用。管壳式汽化器的优点是能够选择各种热源，如海水，空气和工业废气，特别是中间流体式汽化器可以采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作为中间传热流体，大大改善了结冰带来的影响。

目前，LNG的再汽化的系统中大多涉及三种换热介质，少数涉及两种换热介质的系统中也增加了辅助热源与多个换热器。申请号为201280010015.5的专利公开了一种可进行预热和通过管壳式热交换器换热的再汽化设备，主要由预热用热交换器(板式换热器)、第一管壳式热交换器和第二管壳式热交换器组成。该汽化装置旨在用第一管壳式热交换器中汽化的气体来预热通过板式交换器的LNG，之后对凝结的气体通过第二管壳式热交换器再汽化以解决管壳式热交换器在低温下易结冰的缺陷。尽管该汽化结构简单且在理论上降低了在导热管周围海水或清水等热媒冻结、或因热交换面结冰而引起的换热性能恶化的可能性，但并不能从根本上解决管壳式换热器在低温高压环境下的不适应性；其次，此发明中设计的汽化装置涉及到至少三个换热器，大大增加了系统成本和气化设备的占用空间；另外，循环回路的增加也会导致热损失的增加，加之管壳式结构的换热器的换热效率较其他类型换热器的换热效率低的缺点，也会致使整个系统的换热性能降低。

申请号为200520080112.9的专利公开了一种多介质新型的板式换热器。该换热器主要由固定压紧板、活动压紧板、多边形球状肋板片、密封垫圈、导杆和压紧螺柱组成。其中多边形球状肋板片采用正六边形结构，六个顶角上各开有一个介质流道口，对称的两个流道口为同一种介质的流入、流出口，以此实现多介质流的换热，换热板片换热区域由球面状凸肋和凹肋组成的螺旋线性流道，板与板之间使用密封垫圈来阻止流体介质间的互相掺混。该换热器虽实现了多介质流体间的换热，其有球面状的凸肋和凹肋组合成的螺旋线性流道在理论上也增加了换热面积，使介质产生湍流，降低了液膜热阻，但实际上并不理想。首先，用密封垫圈来阻隔不同流体介质的掺混，密封性差，易泄露，需要经常更换垫圈且换热器的使用温度受垫圈材料耐温性能的限制。其次，凹凸状的球面虽然在一定程度上增加了传热面积，有利于湍流和减少液膜的厚度，但实际的换热效果还有待商榷，尤其在流速较小的情况下，凹肋球面易形成流体沉积，反而会造成液膜厚度增加从而产生降低换热效率的负面影响。最后，板式换热器的使用压力受限较大，一般不超过1Mpa，最高操作压强也只能达到2～3Mpa。而用于实现LNG汽化的汽化器对其耐温性能和受压能力要求都非常高，通常LNG流入汽化器的温度会达到-160℃左右，而压力范围则在4～40Mpa。显然大大超出了一般板式换热器的适应性范围。另一方面，LNG汽化过程中涉及到的庞大的换热量对换热设备的换热面积和换热效率的要求也很高。因此，对LNG汽化器的选择和优化具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有LNG汽化器所存在的不足和缺陷，提供一种高效紧凑式LNG汽化器，以提升汽化器的换热效率，减小汽化站的成本和空间。

本发明是通过采用微细槽道、超高压下LNG的超临界流动以及多介质强化换热技术，提升汽化器的换热效率，解决汽化器汽化效率低，汽化设备巨大的技术瓶颈。本发明从结构上而言，能够有效的减少换热介质的泄露和减少汽化器运动部件的振动，提高使用寿命；连续的换热通道及超临界流体流动换热技术能够有效减少压降，降低设备的运行费用，并且可以实现从-160℃到10℃的大温差，4～25Mpa高压力下的高效运行，完全能够适应LNG汽化过程中的工作温度和工作压力要求。从传热上来说，采用微细通道的换热介质换热单板组成的换热芯体，换热面积显著增加，加之微细槽道中LNG的超临界流动，可以大大增加其换热效率。另外，通过采用正六边形的换热单板组成的换热芯体可以实现三种不同流体介质的同时换热，能够显著减小LNG汽化器的体积和重量，进而极大地减小了海洋平台或陆地汽化站的空间占用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种高效紧凑式LNG汽化器，包括壳体1和换热芯体2。所述壳体1为具有空腔的六瓣花形柱体，所述六瓣花形弧面上分别开设有用于换热介质的流入、流出口；所述换热芯体2由若干组，每组4块叠置式的正六边形单板组成，所述正六边形单板任一对应两条边之间的一平面上开设有若干条槽道，每组4块正六边形单板相对槽道口互成60°交错紧贴叠置连接在所述壳体1中，正六边形单板的六个角与壳体1焊接连接，形成六个相互独立的分别对应流入、流出口的竖向密闭空腔。

所述的每组4块叠置式的正六边形单板的叠置顺序为第一换热介质换热单板9，第二换热介质换热单10，LNG换热单板11和第二换热介质换热单板10，构成分别对应第一换热介质流入口7，第一换热介质流出口8，第二换热介质流入口3，第二换热介质流出口4，LNG流入口5和LNG流出口6的三种换热介质通道；其中两两相邻的换热介质换热单板之间采用扩散焊接的工艺相连。

所述正六边形单板任一对应两条边还分别设置有凹弧面，对应凹弧面之间一平面上加工有不同结构和尺寸的微细槽道，槽道的截面形状为圆形、半圆形、矩形中的任一种；槽道的流道为直线型或曲线形。正六边形单板的材质为金属，厚度为2～8mm，正六边形单板上的槽道的当量直径为1.5—7.5mm。

所述壳体1还可为具有空腔和开设有用于换热介质的流入、流出口的圆柱体。

本发明中所需的第二换热介质是与LNG直接换热，因此第二换热介质的凝固点不能太高，否则在换热过程中，第二换热介质容易凝固并且阻塞管道。另外，为了尽可能多的将热量提供给LNG，应选择相变换热介质作为第二换热介质，比如丙烷或R134a，根据实际运行情况，也可选择其他换热介质。

本发明中所需的第一换热介质主要是接受第二换热介质传递来的大量的冷量，因此对第一换热介质流量要求比较大，可采用无相变换热介质，如在船上极易获取的大量海水或大量的淡水等。

本发明的主要功能是实现LNG的高效汽化，现有资料表明该种微细槽道群结构的换热器的汽化效率超过90％，有的甚至高达98％，平均单位质量热载荷可达到200kg/MW。其利用微细槽道增加了汽化器的换热面积，同时采用扩散焊接的工艺提升了LNG汽化器中换热芯体的工作压力，实现了LNG在微细槽道内的超临界流动，而且还利用正六边形结构的特殊性，实现三种换热介质在同一汽化器内的同时换热。本发明不但提升了LNG的汽化效率，同时也显著地减小了LNG汽化器的体积和重量，与开架式汽化设备相比，处理相同质量的LNG，此种LNG汽化器汽化效率可以提升至少50％，且其结构尺寸和重量仅为开架式汽化设备的1/50和1/10,极大地减小了海洋平台或陆地汽化站占用的空间。

附图说明

图1是本发明专利高效紧凑式LNG汽化器的结构示意图。

图2为本发明专利高效紧凑式LNG汽化器某换热介质换热单板。

图中：1.汽化器壳体，2.换热芯体，3.第二换热介质流入口，4.第二换热介质流出口，5.LNG流入口，6.LNG流出口，7.第一换热介质流入口，8.第一换热介质流出口，9.第一换热介质换热单板，10.第二换热介质换热单板，11.LNG换热单板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

如图1至图2所示，一种高效紧凑式LNG汽化器，包括壳体1和换热芯体2，所述壳体1为具有空腔的六瓣花形柱体，所述六瓣花形弧面上分别开设有用于换热介质的流入、流出口；所述换热芯体2由若干组，每组4块叠置式的正六边形单板组成，所述正六边形单板任一对应两条边之间的一平面上开设有若干条槽道，每组4块正六边形单板相对槽道口互成60°交错紧贴叠置连接在所述壳体1中，正六边形单板的六个角与壳体1焊接连接，形成六个相互独立的分别对应流入、流出口的竖向密闭空腔。所述的每组4块叠置式的正六边形单板的叠置顺序为第一换热介质换热单板9，第二换热介质换热单10，LNG换热单板11和第二换热介质换热单板10，构成分别对应第一换热介质流入口7，第一换热介质流出口8，第二换热介质流入口3，第二换热介质流出口4，LNG流入口5和LNG流出口6的三种换热介质通道；其中两两相邻的换热介质换热单板之间采用扩散焊接的工艺相连。

本发明所述正六边形单板任一对应两条边还分别设置有凹弧面，对应凹弧面之间一平面上加工有不同结构和尺寸的微细槽道，槽道的截面形状为圆形、半圆形、矩形中的任一种；槽道的流道为直线型或曲线形。正六边形单板的材质为金属，厚度为2～8mm，单板上的槽道的当量直径为1.5—7.5mm。

这里以第一换热介质为海水，第二换热介质为丙烷对该换热器的工作流程进行如下说明：海水从流入口7流进海水换热单板中的流道后与从流入口3流入换热介质换热单板流道的丙烷进行换热，将热量传递给丙烷；丙烷在接受到热量的同时与从流入口5流入换热介质换热单板的LNG进行换热，实现LNG的吸热汽化。进行换热后的流体介质分别从各自对应的流出口流出。其中流入口和流出口可根据实际情况的需求连接到储液罐或管道进行下一汽化流程。

以上仅为本发明的一个实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均属于本发明权利要求要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种高效紧凑式LNG汽化器，包括壳体(1)和换热芯体(2)，其特征在于：所述壳体(1)为具有空腔的六瓣花形柱体，所述六瓣花形弧面上分别开设有用于换热介质的流入、流出口；所述换热芯体(2)由若干组，每组4块叠置式的正六边形单板组成，所述正六边形单板任一对应两条边之间的一平面上开设有若干条槽道，每组4块正六边形单板相对槽道口互成60°交错紧贴叠置连接在所述壳体(1)中，正六边形单板的六个角与壳体(1)焊接连接，形成六个相互独立的分别对应流入、流出口的竖向密闭空腔。

2.根据权利要求1所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述每组4块叠置式的正六边形单板的叠置顺序为第一换热介质换热单板(9)，第二换热介质换热单(10)，LNG换热单板(11)和第二换热介质换热单板(10)，构成分别对应第一换热介质流入口(7)，第一换热介质流出口(8)，第二换热介质流入口(3)，第二换热介质流出口(4)，LNG流入口(5)和LNG流出口(6)的三种换热介质通道。

3.根据权利要求1所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述正六边形单板任一对应两条边还分别设置有凹弧面。

4.根据权利要求1所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述紧贴叠置连接为采用扩散焊接连接。

5.根据权利要求1或3所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述正六边形单板上的槽道的截面形状为圆形、半圆形、矩形中的任一种；槽道的流道为直线型或曲线形。

6.根据权利要求1或3所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述正六边形单板的材质为金属，厚度为2～8mm，单板上的槽道的当量直径为1.5—7.5mm。

7.根据权利要求1所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述壳体(1)为具有空腔和开设有用于换热介质的流入、流出口的圆柱体。

8.根据权利要求2所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述的第一换热介质为无相变换热介质，优选为海水或淡水。

9.根据权利要求2所述的高效紧凑式LNG汽化器，其特征在于：所述的第二换热介质为相变换热介质，优选为丙烷或R134a。