CN108468897A - 一种高效天然气定向流动加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效天然气定向流动加热系统，涉及加热系统技术领域，该装置包括调节模块以及缠绕在换热管外侧的感应线圈，所述换热管包括天然气进口和天然气出口，所述换热管在天然气出口处设有温度检测仪表，所述调节模块依据温度检测仪表的检测温度，调节感应线圈的工作电流、功率等参数，所述换热管内部设有用于将天然气导流至换热壁面位置的定向流动装置。本方案同其他从外部加热的方法相比，具有加热速度快，加热时间仅为其他加热方法的10%‑20%，加热均匀化程度高，热效率高的优点。

Description

一种高效天然气定向流动加热系统

技术领域

本发明涉及加热技术领域，特别是涉及一种高效天然气定向流动加热系统。

背景技术

LNG复热器又称LNG二次加热系统，一般是安放于LNG空温式气化器后，调压撬前的一种复热（二次加热或补热）设备。LNG理论温度约-192℃，利用空温式气化器转化成气态天然气后，因受环境温度等因素影响，天然气气化后的温度较低，不满足用户使用，采用复热器对NG和BOG进行补热（二次加热），提高天然气温度，使其满足用户需求。

现行业生产的LNG复热器一般分为：电加热水浴式复热器（气化器）、蒸汽加热复热器和热水循环复热器，其分别采用电加热器或蒸汽为热源，以水为热传媒，或直接采用循环热水加热，紧凑式换热管内是低温介质（LO2、LN2、LAr、LCO2、LNG、NG等），热源通过紧凑式换热管对管内的天然气进行加热，利用控制系统可以对热源的温度进行控制，保证低温液体气化效果充分且稳定。

由于现有的LNG复热器采用电加热器为热源，以水为热传媒介质，即先用电加热把水加热到60℃，再用60℃的热水把换热管内的天然气加热到约20℃，因此先把电能转化为热能，再通过热水作为媒介传递给天然气，能量进行了多次转化与传递，故LNG复热器热效率极低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的LNG复热器先把电能转化为热能，再通过热水作为媒介传递给天然气，能量进行了多次转化与传递，加热效率极低。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种高效天然气定向流动加热系统，包括调节模块以及缠绕在换热管外侧的感应线圈，所述换热管包括天然气进口和天然气出口，所述换热管在天然气出口处设有温度检测仪表，所述调节模块依据检测的温度调节感应线圈的输出功率；

所述换热管内部设有用于将天然气导流至换热壁面位置的定向流动装置。

技术效果：本方案设置的换热管可以选择具有导磁性的金属材料，当感应线圈通过交流电时，在感应线圈周围产生交变磁场，这交变磁场中的磁力线从一个磁极经过被加热物体到另一个磁极形成回路，磁力线会切割材料，在被加热物体中产生感应电动势，从而产生涡流，由于被加热物体具有电阻特性，根据焦耳--楞次定律，产生的涡流使材料发热，即使得换热管自身发热，从而对换热管内部的天然气进行加热，本方案同其他从外部加热的方法相比，具有加热速度快，加热时间是其他加热方法的10%-20%，还具有加热均匀，热效率高的优点，此外，本方案设置的调节模块可依据天然气出口处的温度来调节感应线圈的电流，即调节其输出功率，能使其满足于用户的使用要求，另外，由于天然气在换热管内部流动、升温过程中，会在管道近壁面位置形成气流附面层，即边界层，这主要是因为天然气在近壁面流动过程中受到粘性剪切力的作用，从而速度逐渐减小，紧贴壁面的天然气速度为零，这也就是天然气在管道内流动时，会使靠近管道内壁面处的流动速度明显低于天然气的正常流动速度的原因，此时热效率也会受到影响，本方案设置的定向流动装置可以将天然气导流至换热壁面壁，可以有效的打破天然气在圆管内流动过程中所产生的边界层，进而提高换热管内天然气的换热效率，进一步提高对天然气的加热效率，使加热效率进一步提高20-30%，且本方案的整体组合体积很小，大大节省了设备空间。

本发明进一步限定的技术方案是：所述定向流动装置包括设置在换热管内的内套管，所述内套管与换热管内壁之间留有间隙，所述内套管一端与换热管的天然气进口连通，所述内套管侧壁上开设有数个开口，开口为通孔或狭缝。

进一步的，所述内套管靠近天然气进口的一端与换热管之间设有挡板。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，所述定向流动装置包括设置在换热管内部的固定杆，所述固定杆上设有多个导流件，所述导流件包括多个弧形导流片，所述弧形导流片的一端与固定杆固定连接，另一端向所述换热管方向延伸，所述弧形导流片远离固定杆的一端靠近天然气出口设置，且所述弧形导流片的外侧靠近固定杆设置。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，相邻所述导流件中的弧形导流片交错设置。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，所述导流件中的弧形导流片的长度由靠近天然气进口的一端至另一端逐渐增大，相邻所述导流件之间的距离由靠近天然气进口的一端至另一端逐渐增大。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，所述换热管包括位于内部的第一换热管和位于外部的第二换热管，所述感应线圈缠绕在第一换热管上，且感应线圈位于第一换热管和第二换热管之间，所述第一换热管内部形成天然气第一通道，并与第二换热管管壁之间形成天然气第二通道，所述天然气第一通道和天然气第二通道远离天然气进口的一端相互连通，且所述第二换热管在靠近天然气进口的一端开设有与天然气第二通道连通的天然气出口。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，所述换热管靠近天然气进口的一端和靠近天然气出口的一端均连接有绝缘接头，所述绝缘接头包括两个压焊法兰，所述压焊法兰与对应的换热管固定连接，且所述压焊法兰相对的一侧均设有酚醛层压布板，且两个所述压焊法兰相对一侧的端面均开设有相互对应的密封沟槽，所述密封沟槽内填充有氟橡胶绝缘密封圈。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，所述换热管与感应线圈之间设有保温隔离层，所述保温隔离层的材质为无碱玻璃纤维带。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，所述换热管外部的感应线圈外所述换热管位于感应线圈外侧设有防护罩，且所述换热管内壁设置有多组翅片，所述翅片的形状为直肋形、环形或针形。

前所述的一种高效天然气定向流动加热系统，适合天然气、氮气以及水等天然气介质的加热；

本发明的有益效果是：

（1）本发明中定向流动装置的内套管与换热管的天然气进口连通，天然气以一定的速度进入内套管中，通过通孔或狭缝以较高的射速喷入换热管中，对在换热管内壁面附近的边界层有一定的冲击作用，可以有效的破坏气流附面层，起到强化换热的作用，本发明通过有效打破天然气在换热管内流动过程中形成的气流附面层，对天然气进行对流换热，提高对天然气的加热效率；

（2）本发明中定向流动装置的导流片可以将大部分天然气导流至换热壁面处，提高换热管内的天然气加热效率，且相邻的导流件中的弧形导流片交错设置，可使天然气产生旋转流动和二次流，这是一种强制旋涡和轴向流动叠加而成的运动，可产生连续不断的涡流，在离心力影响下使管内天然气和壁面边界层天然气充分混合，破坏边界附面层，加强边界附面层附近的天然气扰动，使传热过程得以强化，此外，由于天然气的流速在靠近天然气进口的一端较大，则本方案设置的导流件中的弧形导流片的长度由靠近天然气进口的一端至另一端逐渐增大，相邻导流件之间的距离由靠近天然气进口的一端至另一端逐渐增大，即靠近天然气进口一端的弧形导流片的长度较短，对其天然气的导向作用较小，远离天然气进口一端的弧形导流片的长度较长，对其天然气的导向作用较大，这样布置可以使天然气在换热管内混合相对较为均匀，受热均一，热效率高；

（3）本发明中换热管进出口管道上设置的绝缘接头，绝缘接头内采用高强度酚醛层压布板将两端管道有效隔断，可以有效阻隔热能沿管道的传递，降低热损失，大大提高热效率，因此节点效果十分显著，节电可达30%-75%，同时也可以有效防止静电浪涌，对整个装置起到安全防护的作用，在绝缘接头的压焊法兰端面上设置沟槽，在沟槽内安装氟橡胶密封圈，可以提高气密性，防止天然气在此处逸出；

（4）本发明中设置的保温隔离层可以减少换热管的热量损失，对装置采用保温处理，保温材料采用非金属保温材料，优点是：1. 非金属材料在交变电场下不会产生涡流而本身发热并起到绝缘的作用；2. 调节电磁效率（非金属保温材料的厚度约为12～20mm，保温层不能过薄，过薄时加热系统热损失大，热效率低；但亦不能过厚，过厚时可能出现饱和状态，严重时可能会烧毁加热电源模块；3. 对感应线圈起到隔离（热隔离）保护作用；4. 对换热管起到保温作用；

（5）本发明中设置的防护罩一方面可以防止外界对感应线圈的损坏，另一方面可以减少热量的损失；

（6）本发明利用感应线圈是使导磁性金属材料的换热管自身发热，首先会对天然气第一通道内的天然气进行加热，天然气经由天然气第一通道运动至远离天然气进口的一端，进入到天然气第二通道内，向天然气出口方向运动，从而再次被感应线圈加热，提高了对天然气的出口温度，此外，由于感应线圈设置在第一、第二天然气通道之间，可以使天然气两次受热，提高天然气温度，提高感应线圈产生热能的利用率，节省电能。

附图说明

图1为实施例1用于体现内套管的结构示意图；

图2为实施例1用于体现绝缘接头的结构示意图；

图3为实施例2用于体现固定杆的结构示意图；

图4为实施例2用于体现弧形导流片的结构示意图；

图5为实施例3用于体现天然气第一通道和天然气第二通道的结构示意图。

其中：1、换热管；11、天然气进口；12、天然气出口；13、翅片；2、感应线圈；21、温度检测仪表；3、内套管；31、挡板；32、开口；33、间隙；4、固定杆；41、弧形导流片；5、绝缘接头；51、压焊法兰；511、密封沟槽；512、氟橡胶绝缘密封圈；513、酚醛层压布板；6、保温隔离层；7、防护罩；8、第一换热管；81、天然气第一通道；9、第二换热管；92、天然气第二通道。

具体实施方式

实施例1：一种高效天然气定向流动加热系统，结构如图1所示，包括调节模块以及缠绕在换热管1外侧的感应线圈2，换热管1包括天然气进口11和天然气出口12，感应线圈2加热换热管1，在天然气经过换热管1的过程中，被换热管1加热，结合图4看，换热管1内壁设置多组翅片13，可以增大天然气与高温换热管1的接触面积，从而提高对天然气的加热效率，其中，换热管1依据工艺要求和空间位置等具体情况，可以包括多个子级换热管进行组合，形成多级换热，且每个换热管1上的感应线圈2可以分别独立控制，从而便于调节模块调控线圈工作电流，控制天然气温度，此外，本装置不但可以高效率加热天然气，也可加热多种流体，例如对水、氮气等流体介质的加热，应用比较广泛，实用性较高。

换热管1在天然气出口12处设有温度检测仪表21，调节模块依据温度检测仪表21的温度调节感应线圈2的工作电流，调节模块为PLC，利用PID运算即可以实现调节，进而调节感应线圈2的输出功率，从而调节天然气出口12处的温度，能使其满足用户的使用要求。

换热管1内部设有用于将天然气导流至换热管1换热壁面的定向流动装置，定向流动装置包括设置在换热管1内的内套管3，内套管3与换热管1内壁之间留有间隙33，内套管3一端与换热管1的天然气进口11连通，内套管3侧壁上开设有数个开口32，开口可以为通孔或者狭缝，内套管3靠近天然气进口11的一端与换热管1之间设有挡板31，挡板31可以使天然气首先进入内套管3，通过通孔32进入到换热管1内，此定向流动装置可以提高换热管1内天然气的换热系数，从而提高对天然气的加热效率。

如图2所示，换热管1靠近天然气进口11的一端和靠近天然气出口12的一端均设置绝缘接头5，绝缘接头5包括两个压焊法兰51，两个压焊法兰51中间设置高强度酚醛层压布板513，将两端金属管道有效隔开，这样设置可以有效阻隔热能沿外接管道的传递，降低热损失，大大提高热效率，两个压焊法兰51相对的一侧端面均开设有相互对应的沟槽511，且两个沟槽511内嵌设有氟橡胶密封圈512，可以防止天然气逸出，加强管道的气密性。

换热管1与感应线圈2之间设有保温隔离层6，保温隔离层6为非金属保温材料，非金属保温材料采用无碱玻璃纤维带，换热管1位于感应线圈2外侧设有防护罩7，可以配合保温隔离层6减少换热管1热量的损失，且可以防止外界对感应线圈2的损坏。

具体实施说明如下：

使感应线圈2接入交流电，在感应线圈2周围产生交变磁场，这交变磁场中的磁力线从一个磁极经过被加热物体到另一个磁极形成回路，磁力线会切割材料，在被加热物体中产生感应电动势，从而产生涡流，由于被加热物体具有电阻特性，根据焦耳--楞次定律，产生的涡流使材料发热，即使得换热管1自身发热，从而对换热管1内部的天然气进行加热，天然气由内套管3靠近天然气进口11的一端进入到内套管3，经由通孔32进入到间隙33内，进行换热，提高换热管1内天然气的加热效率，设置的绝缘接头5和保温隔离层6可以有效降低换热管1上热损失，从而节省电量。

实施例2：一种高效天然气定向流动加热系统，与实施例1不同之处在于，如图3和4所示，定向流动装置包括设置在换热管1内部的固定杆4，固定杆4上设有多个导流件，导流件包括多个弧形导流片41，弧形导流片41的一端与固定杆4固定连接，另一端向换热管1方向延伸，弧形导流片41远离固定杆4的一端靠近天然气出口12设置，且弧形导流片41的外侧靠近固定杆4设置。

相邻导流件中的弧形导流片41交错设置，导流件中的弧形导流片41的长度由靠近天然气进口11的一端至另一端逐渐增大，相邻导流件之间的距离由靠近燃气进口的一端至另一端逐渐增大。

具体实施说明如下：

使感应线圈2接入交流电，在感应线圈2周围产生交变磁场，这交变磁场中的磁力线从一个磁极经过被加热物体到另一个磁极形成回路，磁力线会切割材料，在被加热物体中产生感应电动势，从而产生涡流，由于被加热物体具有电阻特性，根据焦耳--楞次定律，产生的涡流使材料发热，即使得换热管1自身发热，从而对换热管1内部的天然气进行加热，天然气由内套管3靠近天然气进口11的一端进入到换热管1，大部分天然气被导流片导向至换热管1内壁方向，进行换热，提高换热管1内天然气的加热效率，设置的绝缘接头5和保温隔离层6有效降低换热管1上热损失，从而节省电量。

实施例3：一种高效天然气定向流动加热系统，与实施例1不同之处在于，如图5所示，换热管1包括位于内部的第一换热管8和位于外部的第二换热管9，感应线圈2缠绕在第一换热管8上，且位于第一换热管8和第二换热管9之间，第一换热管8内部形成天然气第一通道81，并与第二换热管9管壁之间形成天然气第二通道91，天然气第一通道81和天然气第二通道91远离天然气进口11的一端相互连通，且第二换热管9在靠近天然气进口11的一端开设有与天然气第二通道91连通的天然气出口12。

具体实施说明如下：

使感应线圈2接入交流电，在感应线圈2周围产生交变磁场，这交变磁场中的磁力线从一个磁极经过被加热物体到另一个磁极形成回路，磁力线会切割材料，在被加热物体中产生感应电动势，从而产生涡流，由于被加热物体具有电阻特性，根据焦耳--楞次定律，产生的涡流使材料发热，即使得第一换热管8和第二换热管9自身发热，天然气首先流经天然气第一通道81内，天然气受热，温度提升，天然气经由天然气第一通道81运动至远离天然气进口11的一端，进入到天然气第二通道92内，向天然气出口12方向运动，从而被第二换热管9加热，提高了对天然气的加热效率，此外，由于感应线圈2设置在第一换热管8和第二换热管9之间，可以使天然气充分的利用感应线圈2的热量，节省电量。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：包括调节模块以及缠绕在换热管（1）外侧的感应线圈（2），所述换热管（1）包括天然气进口（11）和天然气出口（12），所述换热管（1）在天然气出口（12）处设有温度检测仪表（21），所述调节模块依据温度检测仪表（21）的检测温度，调节感应线圈（2）的输出功率；

所述换热管（1）内部设有用于将天然气导流至换热管（1）内壁的定向流动装置。

2.根据权利要求1所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述定向流动装置包括设置在换热管（1）内的内套管（3），所述内套管（3）与换热管（1）内壁之间留有间隙（33），所述内套管（3）一端与换热管（1）的天然气进口（11）连通，所述内套管（3）侧壁上开设有数个开口，所述开口（32）为通孔或狭缝。

3.根据权利要求2所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述内套管（3）靠近天然气进口（11）的一端与换热管（1）之间设有挡板（31）。

4.根据权利要求1所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述定向流动装置包括设置在换热管（1）内部的固定杆（4），所述固定杆（4）上设有多个导流件，所述导流件包括多个弧形导流片（41），所述弧形导流片（41）的一端与固定杆（4）固定连接，另一端向所述换热管（1）方向延伸，所述弧形导流片（41）远离固定杆（4）的一端靠近天然气出口（12）设置，且所述弧形导流片（41）的外侧靠近固定杆（4）设置。

5.根据权利要求4所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：相邻所述导流件中的弧形导流片（41）交错设置。

6.根据权利要求4所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：相邻所述导流件之间的距离由靠近天然气进口（11）的一端至另一端逐渐增大，且所述导流件中的弧形导流片（41）的长度由靠近天然气进口（11）的一端至另一端逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述换热管（1）包括位于内部的第一换热管（8）和位于外部的第二换热管（9），所述感应线圈（2）缠绕在第一换热管（8）上，且位于第一换热管（8）和第二换热管（9）之间，所述第一换热管（8）内部形成天然气第一通道（81），并与第二换热管（9）之间形成天然气第二通道（91），所述天然气第一通道（81）和天然气第二通道（91）远离天然气进口（11）的一端连通，且所述第二换热管（9）在天然气第二通道（91）靠近天然气进口（11）的一端开设有天然气出口（12）。

8.根据权利要求1所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述换热管（1）靠近天然气进口（11）的一端和靠近天然气出口（12）的一端均连接有绝缘接头（5），所述绝缘接头包括两个压焊法兰（51），所述压焊法兰（51）与对应的换热管（1）固定连接，且所述压焊法兰（51）相对的一侧均设有酚醛层压布板（513），且两个所述压焊法兰（51）相对一侧的端面均开设有相互对应的密封沟槽（511），所述密封沟槽（511）内填充有氟橡胶绝缘密封圈（512）。

9.根据权利要求1所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述换热管（1）与感应线圈（2）之间设有保温隔离层（6），所述保温隔离层（6）为无碱玻璃纤维带。

10.根据权利要求1所述的一种高效天然气定向流动加热系统，其特征在于：所述换热管（1）位于感应线圈（2）外侧设有防护罩（7），且所述换热管（1）内壁设置有多组翅片（13），所述翅片（13）的形状为直肋形、环形或针形。