CN110657691A

CN110657691A - 一种防冻堵的lng冷能利用强化传热装置

Info

Publication number: CN110657691A
Application number: CN201911013866.5A
Authority: CN
Inventors: 徐文东; 何智辉; 蔡振培; 李璋怡
Original assignee: Guangdong Zhongtong Lihua Energy Technology Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: Foshan Huanshengtong New Energy Technology Co ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: CN110657691B

Abstract

本发明公开了一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，包括管程和壳程两部分，所述管程包括形成LNG流程的LNG进口、前管板、换热管束、后管板、LNG出口，所述壳程包括形成冷媒流程的冷媒进口、壳体、冷媒出口，所述换热管束位于前管板、后管板和壳体合围的空腔内且两端分别穿设固定在所述前管板、后管板上，所述换热管束包括若干平行设置的螺旋扁管，所述螺旋扁管两端为圆管段、中间为外部焊接多孔翅片螺旋扁管段，所述换热管束外侧通过若干组钢带捆扎管束，所述冷媒为含不凝性气体的冷媒，本发明有效解决LNG冷能利用过程中冷媒冻堵问题，装置强化传热效果好、安全性高、灵敏度高、制作工艺简单、加工成本低。

Description

一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置

技术领域

本发明涉及LNG冷能利用领域，具体涉及一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置。

背景技术

由于天然气热值高、污染少、储备丰富等优势，其能源消费占比不断增大。作为天然气主要储运方式之一，液化天然气（LNG）储运特点显著：储运方便，LNG(-162℃)体积只有常温下天然气体积的1/600左右；LNG冷能价值巨大，LNG气化为常温天然气会释放出约830MJ/t的冷能，单位LNG冷量可转换约200kWh电能。目前LNG冷能利用主要有冷能发电、空气分离、制备液体二氧化碳和干冰、制冰及冷库制冷等。

在LNG冷能利用中，需要将低温LNG的冷量通过与冷媒换热的方式进行传递。在LNG与冷媒换热过程中，极易产生局部过冷从而结冰,造成换热装置冻堵，进而造成换热装置的传热性能恶化。同时，采用常规换热装置通过间壁换热，其热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(边界层)，和换热器使用中在间壁两侧形成的污垢层。

因此，一种防冻堵的LNG与冷媒强化传热方法及装置可以从两方面途径加以考虑：（1）冷媒的选取。由于LNG汽化温度过低，采用乙二醇防冻液、二氧化碳、氨等高凝固点冷媒与LNG换热容易造成换热装置冻堵，所以只能利用低凝固点冷媒（如R22、R134a、乙烷等）与LNG等低温流体换热。对于低凝固点冷媒，可采用不凝气体降低冷媒分压，从而降低其凝固温度，避免冷媒结冰以及损失。（2）换热装置的改进。现有换热装置多为管壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器等常规换热器。这些常规换热设备都是利用冷、热流体被换热管或换热板的固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的，为提高传热系数，需尽可能降低间壁式换热器中的热阻。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻，提高传热系数，但增加流体流速会使能量消耗增加。为了降低污垢热阻，需设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。

中国发明专利CN 104748474A公开了一种液化天然气冷能用于高温位冷能用户的换热方法及装置。所述换热装置为重叠式换热器，第一冷媒与氮气充入换热器上部与LNG换热，而后进入换热器下部与第二冷媒换热，进入高温位冷能用户系统，完成循环。同时，通过改变氮气的量改变冷媒的分压，使其凝固点降低的同时提高系统运行的灵敏度。该发明专利解决了换热设备要求高、占地面积大、冷媒需求量大及土建工程投资大等问题，但未考虑换热过程中不凝气体氮气形成气膜从而传热阻力增加，进而造成换热效果变差的问题。

中国发明专利CN 108266642A公开了一种基于强化管的中间介质换热器用于LNG冷量回收。该换热器包括中间介质蒸发器、调温器以及气化器所述调温器与所述中间介质蒸发器连通，中间介质蒸发器包括蒸发器壳体，蒸发器壳体设置有若干沿横向延伸的换热管,换热管为内表面为圆柱面、外表面为以圆柱面中心线为轴线的螺旋面的螺旋扁管。基于高强化传热因子的螺旋扁管,该装置提高了换热器的换热效率，降低了换热面积,从而降低了换热器的占地面积。但未考虑开停机以及LNG流量波动情况下，换热设备局部温度过低，造成冷媒冻堵的情况。

上述现有技术未涉及针对冷媒在LNG冷能利用过程中的防冻堵的强化换热方法及装置的设计。因此,有必要开发一种投资费用低、操作弹性大、反应灵敏且可有效防止换热介质与LNG换热冻堵的换热装置，强化换热效果。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种防冻堵的不凝气体和冷媒与LNG强化换热装置，即在螺旋扁管多孔翅片式换热器内采用中间冷媒实现LNG与常规换热介质的间接换热。本发明可有效的解决开停机过程与LNG载荷波动情况下冷媒与LNG换热时发生凝结的问题，操作弹性大、反应灵敏、换热效率高、运行安全稳定。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，包括管程和壳程两部分，所述管程包括形成LNG流程的LNG进口、前管板、换热管束、后管板、LNG出口，所述壳程包括形成冷媒流程的冷媒进口、壳体、冷媒出口，所述换热管束位于前管板、后管板和壳体合围的空腔内且两端分别穿设固定在所述前管板、后管板上，所述换热管束包括若干平行设置的螺旋扁管，所述冷媒为含不凝性气体的冷媒，所述换热管束外侧通过若干组钢带捆扎固定。

进一步地，所述不凝性气体的沸点低于-170℃，包括氢气、氮气或甲烷。

进一步地，所述不凝性气体占含不凝性气体冷媒体积分率的3%～8%。

进一步地，所述冷媒凝固点低于-110℃，包括R134a、丁烷。

进一步地，所述螺旋扁管两端设置有圆管段，分别穿接在所述前管板和后管板圆形开孔上。

进一步地，所述螺旋扁管的外径为19～30mm，壁厚为1.0～3.0mm,螺旋部分的螺距为200～400mm，螺旋部分的截面长轴a和截面短轴b之比a/b≥1.2，螺旋角为25～35度。

进一步地，所述螺旋扁管的材质为奥氏体不锈钢、碳钢及紫铜中的一种。

进一步地，所述螺旋扁管中部外壁上沿螺旋线焊接有多孔翅片。

进一步地，所述多孔翅片为均匀分布圆孔、且上下边界处分布半圆孔的长条形薄金属，沿螺旋扁管外缘螺旋线焊接。多孔翅片的存在使不凝性气体局部流速增大，破坏冷媒冷凝形成的液膜，增加传热面积从而强化传热。多孔翅片均匀分布圆孔则是考虑到材料加工难度低，该多孔翅片为长条形金属条，只需在金属条上打孔，制造方便。上下边界处分布圆孔，不凝性气体从圆孔处通过，局部流速增大，从而促进在螺旋扁管表面凝结的液膜流动，增加传热速率。

进一步地，所述多孔翅片材质为钢、铝、铜及钢铝复合材料中的一种。

相比现有技术，本发明的有益效果包括：

1、采用含不凝气的冷媒与LNG换热，有效解决了开停机及LNG载荷波动时换热设备冻堵的问题。系统开机过程中，含氮气的R134a系统由于氮气易形成气膜，初始传热效果较差，可以防止系统开机过程中冷媒瞬间冻堵问题。

2、采用多孔翅片螺旋扁管，换热效率高。壳程流体在螺旋扁管管束间隙内由于离心力的作用而周期性地改变速度和方向，强化了流体的纵向混合。同时，壳程流体经接触点后形成了脱离管壁的尾流，增加了流体的湍流程度，冷凝液膜厚度减薄，从而强化了传热。同时，螺旋扁管外的多孔翅片使得不凝性气体的局部流速增大，破坏聚集在液膜表面的气膜，进一步地减薄冷媒冷凝形成的液膜，增加冷媒与换热管的接触面积，从而有效提高气液两相的混合换热介质的换热性能。由于螺旋扁管换热器没有折流板的存在，壳程内无流动死区，与传统的弓形折流板换热器相比，不仅流动阻力有所减小，抗结垢的性能有很大提高，而且能够克服诱导振动，可靠性也有所提高。

3、装置安全性、灵敏性高。含氮气的R134a冷媒系统开停机过程，由于氮气分压的存在，避免设备受负压影响而被破坏。在稳定工况下，当LNG载荷发生变化时，加氮气的R134a冷媒系统压力灵敏度与原系统相比基本不变。当系统处于泄露工况时，加氮气的R134a冷媒系统比普通冷媒系统的压力变化值大，可以更加快速准确地检测泄露问题。

4、强化传热装置加工简单，制造成本低。传热部件多孔翅片螺旋扁管主要分为两部分的加工，一部分是螺旋扁管，另一部分为多孔翅片。螺旋扁管按照设计的扭曲比和短长径进行轧制扭转即可制成。而多孔翅片则只需要在薄金属条上开孔。当两者制作完成后，将多孔翅片条沿螺旋扁管外缘螺旋线焊接即可。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为防冻堵的LNG强化换热装置的结构示意图。

图2为多孔翅片和螺旋扁管的结构示意图。

图3为多孔翅片和螺旋扁管的横截面示意图。

图4为多孔翅片的结构示意图。

图中：1-前管板、2-后管板、3-换热管束、4-LNG进口、5-LNG出口、6-冷媒进口、7-冷媒出口、8-壳体、9-螺旋扁管、10-多孔翅片、11-钢带。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，包括管程和壳程两部分，所述管程包括形成LNG流程的LNG进口4、前管板1、换热管束3、后管板2 、LNG出口5，所述壳程包括形成冷媒流程的冷媒进口6、壳体8、冷媒出口7，所述换热管束3位于前管板1、后管板2和壳体8合围的空腔内且两端分别穿设固定在所述前管板1、后管板2上，其特征在于：所述换热管束3包括若干平行设置的螺旋扁管9，所述换热管束3外侧通过若干组钢带11捆扎固定，所述冷媒为含不凝性气体的冷媒。

所述不凝性气体的沸点低于-170℃，包括氢气、氮气或甲烷，本实施例选氮气。

所述不凝性气体占含不凝性气体冷媒体积分率的3%～8%。

所述冷媒凝固点低于-110℃，包括R134a、丁烷，本实施例选R134a。

如图2所示，所述螺旋扁管9两端设置有长度为500mm圆管段，分别穿接在所述前管板1和后管板2圆形开孔上，以便换热管的装配和与前后管板的连接。其中，所述螺旋扁管9的外径为19～30mm，壁厚为1.0～3.0mm,螺旋部分的螺距为200～400mm，螺旋部分的截面长轴a和截面短轴b之比a/b≥1.2，螺旋角为25～35度。

所述螺旋扁管9的材质为奥氏体不锈钢、碳钢及紫铜中的一种，本实施例选用奥氏体不锈钢。

如图2至图4所示，所述螺旋扁管9中部外壁上沿螺旋线焊接有多孔翅片10。所述多孔翅片10为均匀分布圆孔、且上下边界处分布半圆孔的长条形薄金属，沿螺旋扁管9外缘螺旋线焊接。所述多孔翅片10材质为钢、铝、铜及钢铝复合材料中的一种，本实施例选钢。

上述所述防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置为卧式换热器，所述壳体为截面为圆形的壳体，螺旋扁管9为LNG流通通道，螺旋扁管管束环隙内填装含氮气的R134a冷媒。

所述防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置的LNG换热具体过程如下：

（1）所述防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置为螺旋扁管多孔翅片式换热器，LNG走管程，换热介质走壳程，-162～-160℃的LNG从LNG储罐进入装置的管程中，与加入螺旋扁管管束间隙中的冷媒和氮气换热，温度升高至-60～-40℃，升温后的LNG从LNG出口流出；

（2）所述冷媒凝固点低于-110℃，所述低凝固点冷媒为R134a，含不凝气体氮气的R134a蒸气与LNG换热，在螺旋扁管外壁上进行强制对流膜状冷凝，R134a蒸气降温冷凝为液态R134a并滴落至螺旋扁管的波底位置，经过换热的换热介质一同流出所述防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置。

下面以某LNG卫星站为例对本发明的实施例做进一步的说明。

该LNG卫星站每天LNG气化量为4000～20000Nm³/h，进行气化时的压力为3～5atm，气化温度为-162℃～15℃，进入下游管道压力为0.2MPa。表压0.4MPa、每小时流量为14.3t的LNG从LNG储罐进入所述防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，管程入口处LNG温度为-150℃左右，与含5%N₂的R134a冷媒换热，温度升至-50～-65℃左右。含5%N₂的R134a冷媒表压为0.1MPa、进口温度为-10℃，以每小时38t的流量进入所述防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，由-10℃左右降到-41℃左右。

LNG与含氮气的R134a冷媒在强化换热装置中的具体换热过程如下：

LNG从LNG进口4进入换热管束3，含氮气的R134a冷媒从冷媒进口6进入壳体8，LNG与冷媒分别在螺旋扁管9内外两侧进行间壁传热，LNG在螺旋扁管9内侧均匀螺旋流动换热，冷媒在螺旋扁管9外壁上进行强制对流膜状冷凝，即进行管外形成液膜从而冷凝强化传热，同时由于离心力的作用而周期性地改变速度和方向，强化了流体的纵向混合。壳程流体经接触点后形成了脱离管壁的尾流，增加了流体的湍流程度，冷凝液膜厚度减薄，从而强化了传热。同时，螺旋扁管9外的多孔翅片10使得不凝性气体氮气的局部流速增大，破坏聚集在液膜表面的气膜，进一步地减薄冷媒冷凝形成的液膜，增加冷媒与换热管的接触面积，从而强化换热。完成LNG含氮气的R134a冷媒的强化换热之后，LNG从LNG出口5离开传热装置，含氮气的R134a冷媒从冷媒出口7离开换热装置。

由于不凝气的存在，在系统的开机过程中，含氮气的R134a系统由于氮气易形成气膜，初始传热效果较差，可以防止系统开机过程中冷媒瞬间冻堵问题。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，包括管程和壳程两部分，所述管程包括形成LNG流程的LNG进口(4)、前管板(1)、换热管束(3)、后管板(2) 、LNG出口(5)，所述壳程包括形成冷媒流程的冷媒进口(6)、壳体(8)、冷媒出口(7)，所述换热管束(3)位于前管板(1)、后管板(2)和壳体(8)合围的空腔内且两端分别穿设固定在所述前管板(1)、后管板(2)上，其特征在于：

所述换热管束(3)包括若干平行设置的螺旋扁管(9)，所述换热管束(3)外侧通过若干组钢带(11)捆扎固定，所述冷媒为含不凝性气体的冷媒。

2.根据权利要求1所述的防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：

所述不凝性气体的沸点低于-170℃，包括氢气、氮气或甲烷。

3.根据权利要求1所述的防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：

所述不凝性气体占含不凝性气体冷媒体积分率的3%～8%。

4.根据权利要求1所述的防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：

所述冷媒凝固点低于-110℃，包括R134a、丁烷。

5.根据权利要求1所述的防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：

所述螺旋扁管(9)两端设置有圆管段，分别穿接在所述前管板(1)和后管板(2)圆形开孔上。

6.根据权利要求1所述的一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热方法及装置，其特征在于,所述螺旋扁管(9)的外径为19～30mm，壁厚为1.0～3.0mm,螺旋部分的螺距为200～400mm，螺旋部分的截面长轴a和截面短轴b之比a/b≥1.2，螺旋角为25～35度。

7.根据权利要求1所述的一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热方法及装置，其特征在于：所述螺旋扁管(9)的材质为奥氏体不锈钢、碳钢及紫铜中的一种。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：

所述螺旋扁管(9)中部外壁上沿螺旋线焊接有多孔翅片(10)。

9.根据权利要求8所述的一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：所述多孔翅片(10)为均匀分布圆孔、且上下边界处分布半圆孔的长条形薄金属，沿螺旋扁管(9)外缘螺旋线焊接。

10.根据权利要求8或9所述的一种防冻堵的LNG冷能利用强化传热装置，其特征在于：所述多孔翅片(10)材质为钢、铝、铜及钢铝复合材料中的一种。