CN105651104B - 一种防结霜的lng空温式纳米流体换热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，包括换热外管和换热内管，所述换热外管与换热内管的上部通过第一轮毂支撑固定连接，换热外管与换热内管的下部通过第二轮毂支撑固定连接；所述换热外管和换热内管之间设有毛细换热管，毛细换热管内通有纳米流体；所述换热外管上均匀分布有通孔，通孔边缘设有凸起。本发明可广泛应用于低温液体气化器、低温储运设备自增压器，不仅能高效地去除结霜，维持气化器出口处的供气品质，还具有成本低、安装拆卸方便等优点，在低温工程中具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管
技术领域
本发明属于低温工程和低温技术的技术领域，特别是一种采用新型传热介质纳米流体的双层套管式高效除霜的换热管，具体涉及一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管。
背景技术
空温式翅片管气化器是通过吸收外界环境中的热量并传递给低温介质使其气化的设备。由于其具备结构简单、运行成本低廉等优点被广泛应用于低温液体气化器、低温储运设备自增压器等。在LNG气化站内，气化器是气化系统的主要设备，但是，在实际应用中，低温工况下翅片管换热器普遍存在结霜现象。考虑地区、温度和季节变化在内，各种气化器的结霜面积大约占总面积的60%-80%，水蒸气在翅片管换热器壁面上结霜现象是制冷等各种领域普遍存在的现象。当换热器外表面温度降至冰点以下，湿空气流过换热器的外表面，就会在换热器的外表面结霜。水蒸气结霜并且凝结在换热器的外表面，霜不仅在外部湿空气和换热器表面之间形成热阻，还使空气流道变窄，导致压降增加。因此，一台空温式气化器中间部分的翅片管换热器由于受到四周整体结构的影响，在各种工况（干工况、结露工况、结霜工况）叠加状态下整体换热效率必然降低。
通过对气化器结霜机理的研究可知，如果保持气化器周围空气场的稳定，翅片管附近空气受冷后会沿管壁形成一股下降气流；在保持介质流量稳定的情况下，翅片管表面霜层就不会融化结冰，将一直保持松软状态。在气流的冲刷下，部分松软的霜层将很快脱落，而且介质流量越大，下降气流越明显，霜层脱落区域越大。这为采用双层套管式LNG空温式气化器纳米流体强化传热除霜提供了一种新的途径。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，在双层套管中间设有新型传热介质纳米流体，实现了高效传热传质，强化了空气对流，减少了霜层结冰，提高了霜层脱落面积。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，包括换热外管和换热内管，所述换热外管与换热内管的上部通过第一轮毂支撑固定连接，换热外管与换热内管的下部通过第二轮毂支撑固定连接；所述换热外管和换热内管之间设有毛细换热管，毛细换热管内通有纳米流体。
所述换热外管上均匀分布有通孔，通孔边缘设有凸起。
所述纳米流体为水基纳米金属氧化物。
所述纳米流体包括体积分数为0.5~5.0%的水基Al2O3纳米介质或水基Fe3O4纳米介质，纳米流体中水和乙二醇的比例为1:2。
所述毛细换热管为蛇形的毛细换热管，毛细换热管由一根管弯制而成。
所述换热内管外壁上设有螺旋翅片，螺旋翅片为右螺旋翅片结构。
所述第一轮毂支撑和第二轮毂支撑上设有沿周向均匀分布的八根辐条。
所述换热外管、毛细换热管、第一轮毂支撑、第二轮毂支撑和换热内管均是由易成型且有较好机械性能的铝合金材料的制成。
优选地，其工作方法是：LNG汽化器开始工作时，换热内管和换热外管之间形成巨大的温差，环境中的水蒸气遇换热管外壁会结霜，电加热的纳米流体使毛细换热管温度升高，使环境中的空气流经毛细换热管外壁被加热，升温后的空气通过换热外管管壁上的通孔进入换热内管和换热外管的夹层，与换热内管上的螺旋翅片形成强化对流传热，在换热内管和换热外管夹层的螺旋翅片之间形成温度较高的紊流层，镂空的换热外管和毛细换热管相当于一个保温层，保持气化器周围空气场的稳定；换热内管的螺旋翅片附近空气受冷后会沿管壁形成一股下降气流，在气流的冲刷下，部分松软的霜层将从换热内管上的脱落。
本发明的有益效果：将流通有纳米流体的毛细换热管布置在镂空式换热外管的内壁上，当LNG气化器开始工作时，环境中的水蒸气遇换热内管的外壁会结霜，可通过电加热纳米流体的方式使环境中的空气流经毛细换热管被加热，升温后的空气通过换热外管管壁上的通孔进入内外管夹层与换热内管外壁的螺旋翅片形成强化对流传热，由于进入管内进行热交换的空气为较高温度的干空气，换热外管夹层又能保持换热管周围空气场的稳定，换热内管附近空气受冷后会沿管壁形成一股下降气流，如果保持介质流量稳定，换热内管表面霜层就不会融化结冰，将一直保持松软状态；在气流的冲刷下，部分松软的霜层将很快脱落，而且介质流量越大，下降气流越明显，霜层脱落区域越大。本发明可广泛应用于低温液体气化器、低温储运设备自增压器，不仅能高效地去除结霜，维持气化器出口处的供气品质，还具有成本低、安装拆卸方便等优点，在低温工程中具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明换热外管的结构示意图。
图3为本发明毛细换热管的结构示意图。
图4为本发明螺旋换热内管的结构示意图。
图5为本发明轮毂支撑的结构示意图。
图中，1为换热外管，2为毛细换热管，3为第一轮毂支撑，4为第二轮毂支撑，5为换热内管，6为螺旋翅片，7为通孔，8为凸起。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，如图1至图5所示，包括换热外管1和换热内管5，所述换热外管1与换热内管5的上部通过第一轮毂支撑3固定连接，换热外管1与换热内管5的下部通过第二轮毂支撑4固定连接。第一轮毂支撑3和第二轮毂支撑4上设有沿周向均匀分布的八根辐条，使换热外管1与换热内管5两端固定组成轴向支撑，稳定了换热外管1和换热内管5之间的连接。由于气化器长期承受介质温度反复变化产生的温变应力和连接管道引起的附加应力，减小应力防止应力对材料的破坏及流体介质的泄露是首要考虑的，因此本发明装置采用双层管气化器，换热外管1与换热内管5两端固定轴向支撑，从整体结构上既优化了LNG气化效率防止结霜，又能削弱结构、温差应力的破坏。
换热外管1上均匀分布有通孔7，通孔7之间设置一定的间隔距离。换热外管1从上到下设有6至8排通孔7，通孔7使换热外管1与周围环境形成相通的阵列镂空。通孔7边缘设有凸起8，凸起8的方向向外。通孔7和凸起8使周围空气或热流在换热外管1的外壁周围形成紊流，增大与空气的接触面积，强化传热。
换热外管1和换热内管5之间设有毛细换热管2，毛细换热管2内通有纳米流体。毛细换热管2由一根管弯制而成，毛细换热管2为蛇形的毛细换热管，与螺旋翅片6点焊连接。纳米流体为水基纳米金属氧化物，纳米流体包括体积分数为0.5~5.0%的水基Al2O3纳米介质或水基Fe3O4纳米介质。纳米流体中水和乙二醇的比例为1:2，提高了纳米流体的冰点，防止极端工况下纳米流体结冰而使蛇形换热毛细管破裂。纳米流体具有较高的导热系数和良好的流体跟随性能，将其用于强化传热，可显著提高传统介质的导热系数。相比于传统LNG汽化器，纳米流体的传热工质将使LNG汽化器低温工况下气化效率显著提高，更好地满足后续诸如供气系统中对发动机供气品质的敏捷性调节和稳定性的要求。
换热内管5外壁上设有螺旋翅片6，螺旋翅片6为右螺旋翅片结构。螺旋翅片6既可以有效减小换热内管5外部结霜层的厚度，又可以增加换热内管1和换热内管5之间空间热流的扰动，大大改善一般汽化器因翅片结霜而导致传热效率降低的问题。
优选地，换热外管1、毛细换热管2、第一轮毂支撑3、第二轮毂支撑4和换热内管5均是由易成型且有较好机械性能的铝合金材料的制成。
其工作方法是：LNG汽化器开始工作时，换热内管5和换热外管1之间形成巨大的温差，环境中的水蒸气遇指换热内管5外壁会结霜，电加热的纳米流体使毛细换热管2温度升高，使环境中的空气流经毛细换热管2外壁被加热，升温后的空气通过换热外管1管壁上的通孔7进入换热内管5和换热外管1的夹层，与换热内管5上的螺旋翅片6形成强化对流传热，在内外管夹层的螺旋翅片6之间形成温度较高的紊流层，镂空的换热外管1和毛细换热管2相当于一个保温层，保持气化器周围空气场的稳定；换热内管5的螺旋翅片6附近空气受冷后会沿管壁形成一股下降气流，在气流的冲刷下，部分松软的霜层将从换热内管5上的脱落。且毛细换热管2中的纳米流体介质流量越大，下降气流越明显，霜层脱落区域越大，减小甚至消除LNG气化时换热内管5的结霜，同时又能保证空气与螺旋翅片内管5之间的对流换热。
如果利用毛细换热管2中的纳米流体保持其流量稳定，换热内管5表面的霜层就不会融化结冰，将一直保持松软状态。单根本发明的装置可以组合布置形成开架式气化器组，当环境中空气干燥时可停止对毛细换热管2中纳米流体的加热，利用环境中的空气自然对流换热。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，包括换热外管（1）和换热内管（5），其特征在于，所述换热外管（1）与换热内管（5）的上部通过第一轮毂支撑（3）固定连接，换热外管（1）与换热内管（5）的下部通过第二轮毂支撑（4）固定连接；所述换热外管（1）和换热内管（5）之间设有毛细换热管（2），毛细换热管（2）内通有纳米流体；所述纳米流体为水基纳米金属氧化物；所述纳米流体包括体积分数为0.5~5.0%的水基Al2O3纳米介质或水基Fe3O4纳米介质，纳米流体中水和乙二醇的比例为1:2。
2.根据权利要求1所述的防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，其特征在于，所述换热外管（1）上均匀分布有通孔（7），通孔（7）边缘设有凸起（8）。
3.根据权利要求1所述的防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，其特征在于，所述毛细换热管（2）为蛇形的毛细换热管，毛细换热管（2）由一根管弯制而成。
4.根据权利要求1所述的防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，其特征在于，所述换热内管（5）外壁上设有螺旋翅片（6），螺旋翅片（6）为右螺旋翅片结构。
5.根据权利要求1所述的防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，其特征在于，所述第一轮毂支撑（3）和第二轮毂支撑（4）上设有沿周向均匀分布的八根辐条。
6.根据权利要求1所述的防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，其特征在于，所述换热外管（1）、毛细换热管（2）、第一轮毂支撑（3）、第二轮毂支撑（4）和换热内管（5）均是由易成型且有较好机械性能的铝合金材料的制成。
7.根据权利要求4所述的防结霜的LNG空温式纳米流体换热管，其特征在于，其工作方法是：LNG汽化器开始工作时，换热内管（5）和换热外管（1）之间形成巨大的温差，环境中的水蒸气遇换热管外壁会结霜，电加热的纳米流体使毛细换热管（2）温度升高，使环境中的空气流经毛细换热管（2）外壁被加热，升温后的空气通过换热外管（1）管壁上的通孔（7）进入换热内管（5）和换热外管（1）的夹层，与换热内管（5）上的螺旋翅片（6）形成强化对流传热，在换热内管（5）和换热外管（1）夹层的螺旋翅片（6）之间形成温度较高的紊流层，镂空的换热外管（1）和毛细换热管（2）相当于一个保温层，保持气化器周围空气场的稳定；换热内管（5）的螺旋翅片（6）附近空气受冷后会沿管壁形成一股下降气流，在气流的冲刷下，部分松软的霜层将从换热内管（5）上的脱落。
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